المحركات الكهربائية التي تعمل بالتيار المستمر: كيف تعمل وأنواعها وتطبيقاتها

ما أ محرك كهربائي بتيار مستمر هو

المحرك الكهربائي ذو التيار المباشر (DC) هو آلة تقوم بتحويل الطاقة الكهربائية DC إلى طاقة ميكانيكية دورانية. إنه يعمل على مبدأ أن الموصل الحامل للتيار الموجود في مجال مغناطيسي يتعرض لقوة، ومن خلال ترتيب الموصلات والمغناطيس وآلية التبديل بشكل صحيح، يمكن الحفاظ على هذه القوة بشكل مستمر في اتجاه دوراني واحد لإنتاج عزم دوران مفيد وسرعة عند عمود الإخراج.

كانت محركات التيار المستمر هي أول المحركات الكهربائية التي تم تطويرها للاستخدام الصناعي العملي، وكان رائدها في ثلاثينيات القرن التاسع عشر من قبل المخترعين بما في ذلك ويليام ستورجيون وتوماس دافنبورت، وأصبحت نوع المحرك المهيمن طوال القرن التاسع عشر وأوائل القرن العشرين قبل أن تنضج تكنولوجيا محركات التيار المتردد. اليوم، تظل محركات التيار المستمر ضرورية عبر أنظمة السيارات وأدوات الطاقة المحمولة والأجهزة التي تعمل بالبطاريات والمركبات الكهربائية والتحكم الدقيق في الحركة — التطبيقات التي تكون فيها السرعة وعزم الدوران اللذين يمكن التحكم فيهما من مصدر طاقة التيار المستمر من المتطلبات الأساسية.

كيف يعمل محرك التيار المستمر: شرح محرك التيار المستمر المصقول

يوضح محرك التيار المستمر الكلاسيكي - النوع المصقول - مبدأ التشغيل بشكل أكثر وضوحًا. مكوناته الرئيسية هي عضو الإنتاج (الدوار)، ونظام المجال (الجزء الثابت)، والمبدل، والفرش.

ال حديد التسليح هو المكون الدوار، ويتكون من قلب حديدي مصفح مع موصلات نحاسية. عندما يتدفق التيار المستمر عبر هذه الموصلات داخل المجال المغناطيسي الذي يوفره الجزء الثابت، يتعرض كل موصل لقوة لورنتز. يتم ترتيب الموصلات بحيث تعمل جميع القوى بشكل عرضي في نفس اتجاه الدوران، مما ينتج عزم دوران صافيًا يقوم بتدوير عضو الإنتاج.

ال fundamental challenge is that as the armature rotates, the conductors move through the magnetic field and their position relative to the poles changes. Without correction, the force direction would reverse after 180° of rotation, stopping and reversing the motor. The المبدل يحل هذا: إنها عبارة عن حلقة نحاسية مجزأة مثبتة على عمود عضو الإنتاج، مع توصيل كل قطعة بملف عضو عضوي مختلف. عندما يدور عضو الإنتاج، تمر أجزاء المبدل تحت الكربون الثابت فرش التي تحافظ على الاتصال الكهربائي مع الدائرة الخارجية. تضمن هندسة المبدل أن التيار يتدفق دائمًا في الاتجاه الصحيح من خلال أي موصلات تكون في الوضع الأمثل لإنتاج عزم الدوران - عكس التيار بشكل فعال في كل لف في اللحظة المناسبة تمامًا للحفاظ على الدوران المستمر في اتجاه واحد.

أنواع محركات التيار المستمر وخصائصها

سلسلة محرك DC

في المحرك المتسلسل، يتم توصيل ملف المجال ولف حديد التسليح على التوالي - يتدفق نفس التيار خلال كليهما. ينتج عن ذلك عزم دوران مرتفع جدًا لأنه عند السرعة المنخفضة، يتدفق تيار عالي عبر المجال، مما يخلق مجالًا مغناطيسيًا قويًا وبالتالي قوة عالية على موصلات عضو الإنتاج. ومع ذلك، ترتفع السرعة بشكل حاد مع انخفاض الحمل، و يمكن لمحرك DC المتسلسل الذي يعمل بدون تحميل أن يصل إلى سرعات عالية بشكل خطير (حالة تسمى "الهروب"). تُستخدم المحركات المتسلسلة في التطبيقات التي تتطلب عزم دوران عاليًا لبدء التشغيل: الجر الكهربائي (القطارات والترام)، والرافعات، والرافعات، ومحركات التشغيل في محركات الاحتراق.

تحويلة العاصمة المحرك

في محرك التحويل، يتم توصيل ملف المجال بالتوازي (تحويلة) مع عضو الإنتاج عبر جهد الإمداد. نظرًا لأن جهد المجال ثابت، فإن تدفق المجال يكون ثابتًا بشكل أساسي بغض النظر عن تيار الحمل. وهذا يعطي محرك التحويل خصائصه المميزة: سرعة ثابتة نسبيًا عبر نطاق تحميل واسع . تنظيم السرعة - النسبة المئوية للتغير في السرعة من عدم التحميل إلى التحميل الكامل - عادة ما تكون 5-15% في محرك تحويلي مصمم جيدًا. تتناسب محركات التحويل مع الأدوات الآلية والمخارط وآلات الطحن والمراوح حيث تتطلب سرعة ثابتة تحت أحمال مختلفة.

محرك DC المركب

يجمع المحرك المركب بين كل من اللفات الميدانية المتسلسلة والتحويلية، ويمزج عزم الدوران العالي لتكوين السلسلة مع ثبات سرعة التحويلة. ينتج عن التركيب التراكمي (مساعدة المجالات) عزم دوران عالي مع تنظيم معقول للسرعة. يعطي التركيب التفاضلي (المجالات المتعارضة) خصائص سرعة مسطحة جدًا ولكن نادرًا ما يتم استخدامه بسبب مخاطر عدم الاستقرار. تخدم المحركات المركبة المكابس واللكمات والمصاعد والأحمال الأخرى التي تتطلب عزم دوران جيد وسرعة تشغيل مستقرة.

محرك DC بمغناطيس دائم (PMDC)

تستبدل محركات PMDC مجال الجرح بمغناطيس دائم، مما يؤدي إلى القضاء على فقدان النحاس في المجال وتبسيط عملية البناء. إنهم يقدمون خصائص عزم الدوران الخطية - تنخفض السرعة بشكل متناسب مع زيادة عزم الدوران - مما يجعلها قابلة للتنبؤ بها ويسهل التحكم فيها. المحركات ذات المغناطيس الدائم هي النوع السائد في تطبيقات الطاقة الصغيرة والمتوسطة: محركات السيارات المساعدة (رافعات النوافذ، المساحات، أدوات ضبط المقاعد)، والأدوات الكهربائية، والطابعات، والأجهزة الصغيرة. يتمثل القيد الرئيسي لها في أن المغناطيس الدائم يمكن أن يزيل المغناطيسية عند درجات حرارة عالية أو في ظل تيارات زائدة شديدة.

محرك DC بدون فرش (BLDC)

ال brushless DC motor eliminates the mechanical commutator and brushes entirely. Permanent magnets are on the rotor; the stator carries the windings. An electronic controller (ESC or inverter) switches current through the stator windings in a timed sequence, producing a rotating magnetic field that the permanent magnet rotor follows. بدون الفرش، لا يوجد تآكل ميكانيكي في واجهة التبديل ، مما يمنح محركات BLDC عمر خدمة أطول بشكل كبير، وكفاءة أعلى (عادة 85-95٪)، وضوضاء كهربائية أقل، والقدرة على العمل بسرعات أعلى بكثير من نظيراتها المصقولة. تهيمن محركات BLDC على السيارات الكهربائية، والطائرات بدون طيار، ومعدات التدفئة والتهوية وتكييف الهواء (HVAC)، ومحركات المؤازرة الصناعية، وأدوات الطاقة اللاسلكية.

محركات DC المصقولة مقابل محركات DC بدون فرش: الاختلافات الرئيسية

التحكم في السرعة في محركات التيار المستمر

إحدى الخصائص الأكثر قيمة لمحركات التيار المستمر هي مدى سهولة التحكم في سرعتها - وهي خاصية جعلتها الخيار المفضل للمحركات الصناعية ذات السرعات المتغيرة قبل وقت طويل من ظهور تقنية عاكس التيار المتردد الحديثة. تخضع سرعة محرك التيار المستمر لمعادلة EMF الخلفية:

السرعة ∝ (جهد التغذية - انخفاض الجهد عبر مقاومة عضو الإنتاج) ÷ التدفق المغناطيسي

تكشف هذه المعادلة عن طريقتين عمليتين للتحكم في السرعة. التحكم في جهد المحرك - تقليل الجهد المطبق على عضو الإنتاج - يخفض السرعة بشكل متناسب مع الحفاظ على تدفق المجال الكامل، مع الحفاظ على قدرة عزم الدوران الكاملة عند السرعة المنخفضة. هذه هي الطريقة القياسية للسرعات التي تقل عن السرعة الأساسية (المصنفة). إضعاف المجال - تقليل تيار المجال وبالتالي التدفق - يزيد السرعة فوق السرعة الأساسية، لكن سعة عزم الدوران تقل بشكل متناسب نظرًا لأن المجال المغناطيسي أضعف. معًا، تمنح هاتان الطريقتان محركات التيار المستمر نطاقًا واسعًا من السرعة يمكن التحكم فيه: عادةً 10:1 أو أكبر في تطبيقات المحركات الصناعية، مقارنة بـ 2:1 أو أقل للمحركات الحثية التي تعمل بالتيار المتردد غير المتحكم فيها والتي لا تحتوي على محرك متغير التردد.

في الممارسة الحديثة، يتم التحكم في السرعة إلكترونيًا. تعمل وحدات التحكم PWM (تعديل عرض النبضة) على تغيير الجهد الفعال إلى عضو الإنتاج عن طريق التبديل السريع للإمداد وإيقافه عند التردد العالي - تحدد نسبة التشغيل في الوقت المحدد إلى وقت التوقف (دورة العمل) متوسط ​​الجهد وبالتالي السرعة. يتميز التحكم في PWM بكفاءة عالية لأن ترانزستورات التحويل تبدد الحد الأدنى من الطاقة مقارنة بطرق إسقاط الجهد المقاومة، كما أنها تتيح تنظيمًا دقيقًا للسرعة من خلال ردود فعل بسيطة من مقياس سرعة الدوران أو المشفر الموجود على عمود المحرك.

أين يتم استخدام المحركات الكهربائية التي تعمل بالتيار المستمر

تظهر محركات التيار المستمر عبر نطاق واسع بشكل ملحوظ من التطبيقات، بدءًا من الأجهزة الدقيقة بحجم الملي واط وحتى المحركات الصناعية بحجم الميغاواط:

• السيارات: سيارة ركاب حديثة تحتوي على ما بين 30 و 80 محركات صغيرة تعمل بالتيار المستمر نوافذ القيادة والمرايا والمقاعد والمساحات ومراوح التبريد ومضخات الوقود ومشغلات ABS ومنفاخ التدفئة والتهوية وتكييف الهواء. يقوم محرك بدء التشغيل - محرك DC ذو عزم دوران عالي - بتشغيل المحرك في كل دورة بدء.
• المركبات الكهربائية: تعمل محركات BLDC والمحركات المتزامنة ذات المغناطيس الدائم (أحد أنواع BLDC) على تشغيل محرك الجر في المركبات الكهربائية التي تعمل بالبطارية. المحرك الخلفي Tesla's Model 3 هو محرك متزامن ذو مغناطيس دائم ينتج ما يزيد عن 250 كيلووات من حزمة مدمجة وخفيفة الوزن.
• أدوات الطاقة: تستخدم المثاقب اللاسلكية والمحركات والمناشير الدائرية والمطاحن الزاوية إما محركات DC (النطاق الاقتصادي) أو محركات BLDC (النطاق الاحترافي) التي تعمل بحزم بطاريات الليثيوم أيون.
• الأتمتة الصناعية والروبوتات: تستخدم محركات المؤازرة في أدوات الآلات CNC والأذرع الآلية ومعدات التجميع الآلية محركات BLDC أو محركات مغناطيسية دائمة بدون فرش مع موضع حلقة مغلقة وتحكم في السرعة للحصول على حركة دقيقة ومتكررة.
• الالكترونيات الاستهلاكية: المحركات المغزلية لمحرك الأقراص الثابتة، ومراوح التبريد في أجهزة الكمبيوتر وأجهزة العرض، ومحركات الاهتزاز في الهواتف الذكية، كلها محركات DC مصغرة - غالبًا BLDC - تعمل بشكل مستمر أو متقطع داخل الأجهزة المغلقة.
• السكك الحديدية والنقل: تعمل محركات الجر من سلسلة DC على تشغيل شبكات السكك الحديدية تحت الأرض لأكثر من قرن. لا تزال العديد من أنظمة المترو في جميع أنحاء العالم تعمل بالبنية التحتية للجر بالتيار المستمر، على الرغم من أن المعدات الدارجة الحديثة تستخدم بشكل متزايد محركات التيار المتردد التي توفرها العاكسات الموجودة على متن الطائرة.