ما هو المحرك بدون فرش؟ كيف يعمل، وأوضح الرسوم البيانية وأنواع العاصمة

ما هو المحرك بدون فرش؟

المحرك بدون فرش هو محرك كهربائي يولد قوة دوران من خلال المجالات المغناطيسية المتبادلة إلكترونيًا، مما يؤدي إلى التخلص من فرش الكربون المادية وحلقة العاكس الميكانيكية المستخدمة في المحركات التقليدية ذات الفرشاة. بدلاً من الاعتماد على نقاط الاتصال الكهربائية المنزلقة لتبديل اتجاه التيار عبر ملفات الجزء الدوار، يستخدم المحرك بدون فرش وحدة تحكم إلكترونية مخصصة - وحدة التحكم الإلكترونية في السرعة (ESC) أو محرك BLDC - لتسلسل التيار من خلال ملفات الجزء الثابت الثابتة في توقيت دقيق مع موضع الجزء الدوار. يحمل الدوار نفسه مغناطيسًا دائمًا ولا يحتوي على أي توصيلات كهربائية على الإطلاق.

هذا التحول في الهندسة المعمارية له ثلاث عواقب فورية. أولاً، لا يوجد احتكاك أو تقوس بالفرشاة، وهو المصدر السائد للحرارة والتآكل وفقدان الكفاءة في التصميمات المصقولة. ثانيًا، توجد اللفات المولدة للحرارة على الجزء الثابت، والذي يكون على اتصال مباشر بجسم المحرك ويمكن تبريده بشكل سلبي أو نشط؛ في المحرك المصقول، تتراكم الحرارة داخل الجزء الدوار حيث يصعب تبديدها. ثالثًا، يمكن تحسين توقيت التبديل في البرنامج لأي حالة تشغيل، مما يسمح للمحرك بالعمل بأقصى كفاءة عبر نطاق واسع من الدورات في الدقيقة والحمل. تحقق المحركات بدون فرش عادة كفاءة تتراوح بين 85-95% ، مقارنة بـ 75-80% للتصميمات المصقولة المكافئة.

يشير المصطلح "محرك بدون فرش" في الغالب إلى محرك التيار المستمر بدون فرش (BLDC)، والذي يتم تشغيله بجهد التيار المستمر ويستخدم التبديل الإلكتروني لتقريب المجال المغناطيسي الدوار لمحرك التيار المتردد. تعمل محركات التيار المتردد بدون فرش - بما في ذلك المحركات المتزامنة ذات المغناطيس الدائم (PMSM) - على نفس المبدأ الفيزيائي ولكنها مدفوعة بأشكال موجية متناوبة جيبية بدلاً من تبديل التيار المباشر شبه المنحرف. في الاستخدام اليومي، يتم استخدام "محرك بدون فرش" و"محرك BLDC" بالتبادل عبر الأجهزة الإلكترونية الاستهلاكية وأدوات الطاقة والطائرات بدون طيار والمركبات الكهربائية والأتمتة الصناعية.

رسم تخطيطي ل محرك بتيار مستمر بدون فرش : الهيكل الداخلي

يتطلب فهم مخطط محرك DC بدون فرش تحديد خمسة عناصر وظيفية: الجزء الثابت، والدوار، والمغناطيس الدائم، وأجهزة استشعار تأثير هول، ووحدة التحكم الخارجية. على عكس مخطط المحرك المصقول - الذي يُظهر فرشًا تضغط على حلقة مبدل مجزأة على عمود الدوران - يُظهر مخطط BLDC كل التعقيدات الكهربائية على الجسم الخارجي الثابت، مع مجموعة مغناطيسية بسيطة تدور داخله أو خارجه.

الجزء الثابت (اللفات الثابتة)

الجزء الثابت هو الهيكل الخارجي الثابت لمحرك BLDC الداخلي (أو الحلقة الداخلية في المحرك الخارجي). وهو يتألف من نوى فولاذية من السيليكون مغلفة - مختومة على شكل نجمة أو قطب بارز - ملفوفة بملفات نحاسية مرتبة في ثلاث مراحل: المرحلة A، والمرحلة B، والمرحلة C. ترتبط هذه المراحل الثلاث إما في تكوين نجمي (Y)، حيث تشترك جميع اللفات الثلاثة في نقطة محايدة مشتركة، أو في تكوين دلتا (Δ)، حيث تتصل اللفات من طرف إلى طرف في مثلث. الأسلاك النجمية أكثر شيوعًا في محركات BLDC لأنها تنتج عزم دوران أعلى عند عدد دورات منخفض في الدقيقة وتبسط تصميم وحدة التحكم؛ يُفضل استخدام أسلاك دلتا حيث تكون الأولوية القصوى للطاقة عالية السرعة.

يحدد عدد فتحات الجزء الثابت وأعمدة الدوار الشخصية الأساسية للمحرك. ينتج التكوين المكون من 12 فتحة و14 قطبًا (الشائع في محركات الطائرات بدون طيار) عزم دوران سلسًا مع تروس منخفضة. يحظى التصميم ذو 9 فتحات و12 عمودًا بشعبية كبيرة في الأدوات الكهربائية نظرًا لتوازنه بين كثافة عزم الدوران وبساطة التصنيع. يحدد عدد الفتحات والأقطاب أيضًا تردد الدورة الكهربائية - يكمل المحرك ذو 14 قطبًا 7 دورات كهربائية لكل دورة ميكانيكية، مما يعني أن وحدة التحكم الخاصة به يجب أن تقوم بتبديل التيار بمعدل 7 مرات أسرع لكل دوران للعمود مقارنة بالمحرك ثنائي القطب عند نفس دورة في الدقيقة.

الدوار (المغناطيس الدائم)

في محرك BLDC الداخلي - التكوين القياسي في الأدوات الكهربائية، ومحركات الأقراص الصلبة، ومعظم المحركات الصناعية - يقع الدوار داخل تجويف الجزء الثابت. وهو يتألف من عمود فولاذي مثبت عليه مغناطيس دائم أو مدمج في سطحه. تعتبر الدوارات المغناطيسية المثبتة على السطح (SPM) أسهل في التصنيع وهي مهيمنة في التصاميم منخفضة التكلفة؛ تعمل دوارات المغناطيس الدائم الداخلية (IPM) على تضمين مغناطيسات داخل صفائح الدوار، مما يتيح عزم دوران ممانعة أعلى وإضعاف تدفق أفضل لنطاقات السرعة الممتدة. تستخدم محركات الجر للسيارات الكهربائية تصميمات دوارة IPM بشكل عالمي تقريبًا.

تعمل محركات Outrunner BLDC على عكس هذه الهندسة: تدور مجموعة المغناطيس الدائم حول الجزء الخارجي من الجزء الثابت الثابت. يمنح هذا المتسابقين ذراعًا لحظية أكبر لتوليد عزم الدوران ويجعلهم مناسبين بشكل طبيعي لتطبيقات الدفع المباشر - تقوم مراوح الطائرات بدون طيار ومحركات محور الدراجات الكهربائية بتحميل الحمل مباشرة على الغلاف الخارجي الدوار، مما يؤدي إلى التخلص من علب التروس. ينتج المتسابقون عزم دوران أعلى عند عدد دورات أقل في الدقيقة من المتسابقين المكافئين، في حين أن المتسابقين يدورون بشكل أسرع ويتوافقون بشكل أفضل مع التطبيقات الموجهة عالية السرعة.

أجهزة استشعار تأثير هول

تتضمن معظم محركات BLDC ثلاثة مستشعرات لتأثير هول مثبتة في الجزء الثابت بفواصل زمنية تبلغ 120 درجة (أو 60 درجة في بعض التكوينات). يكتشف كل مستشعر المجال المغناطيسي للمغناطيس الدوار المار ويخرج إشارة ثنائية - عالية أو منخفضة - اعتمادًا على ما إذا كان القطب الشمالي أو الجنوبي مجاورًا. تنتج المستشعرات الثلاثة معًا رمز موضع مكون من 3 بتات (على سبيل المثال، 101، 001، 011، 010، 110، 100) والذي يدور عبر ست حالات فريدة لكل دورة كهربائية، مما يمنح وحدة التحكم دقة موضعية كافية لتحديد أي مرحلة للجزء الثابت سيتم تنشيطها في أي لحظة. هذا هو قلب منطق تبديل المحرك بدون فرش: مخرج مستشعر القاعة ← وحدة التحكم تقوم بفك تشفير موضع الدوار ← تقوم بتبديل زوج الطور الصحيح .

تقوم محركات BLDC بدون مستشعرات بحذف مستشعرات Hall بالكامل وبدلاً من ذلك تكتشف موضع الدوار من خلال مراقبة EMF الخلفي (القوة الدافعة الكهربائية) المتولدة في ملف الطور غير النشط بينما تكتسح مغناطيسات الدوار. تعد التصميمات التي لا تحتوي على مستشعرات أبسط، وأكثر إحكاما، وأقل تكلفة - وهي سائدة في الطائرات بدون طيار، ومراوح تبريد أجهزة الكمبيوتر الشخصية، والأجهزة - ولكنها تتطلب أن يكون الدوار يدور بالفعل قبل أن يتم اكتشاف المجالات الكهرومغناطيسية الخلفية. ولهذا السبب تحتاج المحركات التي لا تحتوي على مستشعرات إلى تسلسل بدء التشغيل (التخفيف القسري للحلقة المفتوحة) قبل التبديل إلى تتبع الموجات الكهرومغناطيسية الخلفية للحلقة المغلقة، ولماذا يمكن أن تتردد أو تفشل في البدء بشكل موثوق تحت الحمل الثقيل.

كيف تعمل المحركات بدون فرش: تسلسل التبديل

مبدأ تشغيل المحرك بدون فرش هو الجذب الكهرومغناطيسي والتنافر بين المغناطيسات الكهربائية القابلة للتحويل في الجزء الثابت والمغناطيس الدائم الثابت للدوار. تقوم وحدة التحكم باستمرار بإنشاء مجال مغناطيسي دوار في الجزء الثابت عن طريق تنشيط اللفات في تسلسل محدد؛ تطارد المغناطيسات الدائمة للدوار هذا المجال الدوار، وتحول عزم الدوران المغناطيسي إلى دوران ميكانيكي للعمود.

في محرك BLDC ثلاثي الطور مع تخفيف شبه منحرف - وهو النهج القياسي للمحركات المجهزة بمستشعر Hall - يتم تنشيط اثنتين فقط من المراحل الثلاث في أي لحظة. يعمل تسلسل التبديل المكون من ست خطوات لوحدة التحكم على النحو التالي:

1. الخطوة 1: المرحلة أ إيجابية، المرحلة ب سلبية، المرحلة ج متوقفة. يسحب المجال المغناطيسي الناتج أقرب مغناطيس للجزء المتحرك نحو زوج قطب الجزء الثابت AB.
2. الخطوة 2: المرحلة أ إيجابية، المرحلة ج سلبية، المرحلة ب متوقفة. يدور الحقل كهربائيًا بمقدار 60 درجة؛ يتبع الدوار.
3. الخطوة 3: المرحلة ب إيجابية، المرحلة ج سلبية، المرحلة أ متوقفة. يدور الحقل بمقدار 60 درجة أخرى.
4. الخطوة 4: المرحلة ب إيجابية، المرحلة أ سلبية، المرحلة ج متوقفة. يستمر التناوب.
5. الخطوة 5: المرحلة C إيجابية، المرحلة A سلبية، المرحلة B متوقفة.
6. الخطوة 6: المرحلة C إيجابية، المرحلة B سلبية، المرحلة A متوقفة. دورة كهربائية كاملة كاملة؛ يتكرر التسلسل.

كل خطوة تجعل المجال المنشط متقدمًا قليلًا عن الموضع الحالي للدوار، مثل الجزرة دائمًا أمام الدوار. لا يلحق الدوار أبدًا لأنه بمجرد اقترابه من موضع المجال الحالي، تتقدم وحدة التحكم إلى الخطوة التالية. يتم التحكم في السرعة عن طريق تغيير الجهد المطبق على اللفات ، عادةً من خلال PWM (تعديل عرض النبضة) على المفاتيح عالية الجانب لجسر العاكس ثلاثي الطور لوحدة التحكم. يتم التحكم في عزم الدوران من خلال حجم المرحلة الحالية. إن العلاقة بين هذين المتغيرين - وتحسينهما في الوقت الفعلي - هي ما يفصل بين برنامج تشغيل BLDC الأساسي ونظام التحكم الموجه ميدانيًا (FOC).

التحكم الميداني مقابل التبديل شبه المنحرف

يتحول التبديل شبه المنحرف بشكل مفاجئ بين الخطوات الست، مما ينتج عنه تموج عزم الدوران - وهو اختلاف دوري في عزم الدوران الناتج - بستة أضعاف التردد الكهربائي. عند السرعات المنخفضة، يُحدث هذا التموج ضوضاء واهتزازًا مسموعًا؛ بسرعات عالية يصبح لا يكاد يذكر. يطبق التحكم الموجه نحو المجال (FOC)، والذي يُطلق عليه أيضًا التبديل الجيبي أو التحكم في المتجهات، تيارات جيبية متفاوتة بشكل مستمر على جميع المراحل الثلاث في وقت واحد، مما يخلق مجالًا مغناطيسيًا دوارًا سلسًا تمامًا. والنتيجة هي تموج عزم الدوران قريب من الصفر، وتشغيل أكثر هدوءًا، وكفاءة أعلى بنسبة 5-15% في الأحمال الجزئية. يتطلب FOC المزيد من الطاقة الحسابية (وحدة تحكم دقيقة DSP أو ARM Cortex تعمل بعشرات ميغاهرتز) واستشعارًا دقيقًا للتيار في جميع المراحل الثلاث، ولهذا السبب فهو قياسي في أدوات الطاقة المتميزة والمركبات الكهربائية ومحركات المؤازرة الصناعية ولكنه أقل شيوعًا في المنتجات الاستهلاكية الحساسة من حيث التكلفة.

محرك بدون فرش مقابل محرك ناعم: اختلافات الأداء المهمة

يكشف مخطط المحرك الكهربائي بدون فرش مقابل مخطط المحرك المصقول عن المفاضلة الأساسية: المحركات المصقولة هي ذاتية الحركة ميكانيكيًا (إلكترونيات قيادة أبسط، تكلفة نظام أقل) بينما تنقل المحركات بدون فرش التعقيد إلى وحدة التحكم وتكتسب مزايا أداء كبيرة في المقابل.

يعد تقوس الفرشاة ذا أهمية خاصة في التطبيقات التي يكون فيها EMI (التداخل الكهرومغناطيسي) مصدر قلق - الأجهزة الطبية، ومعدات القياس الدقيقة، وأنظمة الترددات اللاسلكية. يولد عاكس المحرك المصقول ضوضاء كهربائية عريضة النطاق عبر طيف التردد والتي يمكن أن تقترن بدوائر حساسة قريبة. على النقيض من ذلك، تنتج المحركات بدون فرش ضوضاء تبديل فقط عند تردد PWM وتوافقياته - وهو مصدر تداخل يمكن التحكم فيه ويمكن التنبؤ به ويمكن تصفيته باستخدام مكونات قمع EMI القياسية.

المواصفات الرئيسية في ورقة بيانات محرك DC بدون فرش

يتطلب اختيار محرك DC بدون فرش لتطبيق ما تفسير العديد من المواصفات المترابطة التي لا تظهر في أوراق بيانات المحرك المصقول. إن فهم هذه الأرقام يمنع سوء التطبيق - وخاصة التقليل من متطلبات وحدة التحكم، وهو الخطأ الأكثر شيوعًا في المواصفات في تصميم نظام المحرك بدون فرش.

• تصنيف كيلو فولت (RPM/V) - سرعة عدم التحميل التي ينتجها المحرك لكل فولت من التيار المستمر المطبق، دون الحاجة إلى تحويل الوحدات. يدور محرك 1000 كيلو فولت عند 12 فولت بسرعة 12000 دورة في الدقيقة تقريبًا وهو مفرغ. KV أعلى = عزم دوران أسرع وأقل؛ انخفاض KV = عزم دوران أبطأ وأعلى. تتراوح محركات دفع الطائرات بدون طيار عادةً من 300 كيلو فولت (الدعائم الكبيرة والبطيئة) إلى 2500 كيلو فولت (الدعائم الصغيرة والسريعة).
• التيار المستمر والذروة (أ) — التيار المستمر هو الحمل المستمر الذي يمكن للمحرك التعامل معه دون ارتفاع درجة الحرارة؛ الذروة الحالية هي الحد الأقصى اللحظي أثناء التسارع أو المماطلة. يجب أن يتجاوز التصنيف الحالي لوحدة التحكم ذروة تيار المحرك - يؤدي تصغير حجم ESC إلى فشل FET أثناء التسارع الشديد.
• مقاومة الطور (mΩ) - مقاومة اللف بين أي طرفي مرحلتين. المقاومة المنخفضة تعني فقدانًا أقل للنحاس (تسخين I²R) عند تيار معين، ولكنها تعني أيضًا تيار توقف أعلى يمكن أن يؤدي إلى تلف وحدة التحكم إذا لم يكن التيار محدودًا.
• ثابت عزم الدوران (نيوتن متر/أ) - عزم الدوران الناتج لكل أمبير من تيار الطور، ويرتبط مباشرة بـ KV من خلال العلاقة العكسية Kt = 60/(2π × KV). يحدد هذا الرقم مقدار التيار الذي يتطلبه التطبيق عند الحد الأقصى لطلب عزم الدوران.
• عدد الأعمدة - مطلوب من قبل وحدة التحكم لحساب تردد التبديل الصحيح. يتطلب المحرك ذو 14 قطبًا عند 3000 دورة في الدقيقة أن تقوم وحدة التحكم بتنفيذ 7 × 3000/60 = 350 دورة كهربائية في الثانية - 2100 حدث تحويل في الثانية كحد أدنى في التبديل شبه المنحرف.
• محسوس مقابل غير محسوس — ما إذا كان المحرك يشتمل على مستشعرات تأثير هول. تتطلب المحركات المستشعرة وحدة تحكم مزودة بمدخلات مستشعر Hall؛ تحتاج المحركات التي لا تحتوي على مستشعرات إلى وحدة تحكم مع اكتشاف EMF الخلفي. يؤدي خلط هذه العناصر - تشغيل محرك مُستشعر على وحدة تحكم بدون مستشعر - إلى بدء تشغيل غير موثوق به واحتمال إزالة المغناطيسية.

مكان استخدام المحركات بدون فرش: التطبيقات حسب القطاع

لقد حلت المحركات بدون فرش محل التصميمات المصقولة تقريبًا في كل التطبيقات المهمة للأداء على مدار العقدين الماضيين، مدفوعة بانخفاض تكاليف وحدة التحكم والطلب على فترات خدمة أطول وكثافة طاقة أعلى.

الالكترونيات والأجهزة الاستهلاكية

كانت المحركات المغزلية لمحرك الأقراص الثابتة من بين التطبيقات الأولى بدون فرش في السوق - حيث أدى التحكم الدقيق في السرعة ومتطلبات عمر الخدمة الطويل لمغازل محرك الأقراص الصلبة إلى جعل المحركات المصقولة غير عملية منذ البداية. اليوم، تستخدم مراوح تبريد الكمبيوتر الشخصي، ومحركات أسطوانة الغسالة، والمكانس الكهربائية الروبوتية، وأدوات الطاقة اللاسلكية جميعها محركات BLDC بشكل قياسي. يوفر المثقاب اللاسلكي المتميز بمحرك بدون فرش وقت تشغيل أطول بنسبة 25 إلى 50% لكل شحنة مقابل مكافئ مصقول لنفس الجهد، لأن الكفاءة الأعلى تحول المزيد من طاقة البطارية إلى عمل مفيد بدلاً من الحرارة.

الطائرات بدون طيار وتطبيقات RC

تعتمد الطائرات بدون طيار متعددة المروحيات بشكل كامل على محركات BLDC المتفوقة - عادة ثلاثية الطور، بدون مستشعر، ذات محرك مباشر - لتوليد الدفع. إن الجمع بين نسبة الطاقة إلى الوزن العالية والتحكم الإلكتروني الدقيق في السرعة وغياب الفرش التي تتطلب الصيانة يجعل من BLDC تقنية الدفع الوحيدة القابلة للتطبيق للطائرات بدون طيار الاستهلاكية والتجارية. يزن محرك بدون طيار نموذجي مقاس 5 بوصات FPV (حجم إطار 2306، 2400 كيلو فولت) أقل من 35 جرامًا وينتج أكثر من 1 كجم من الدفع عند ذروة التيار - وهي كثافة طاقة لا يمكن للمحركات المصقولة الاقتراب منها.

المركبات الكهربائية

محركات الجر للمركبات الكهربائية هي في الغالب تصميمات ذات مغناطيس دائم داخلي BLDC (أو PMSM)، يتم التحكم فيها بواسطة محولات FOC المستمدة من مجموعة البطاريات عالية الجهد. المحرك الخلفي لسيارة Tesla في الطراز 3 هو تصميم ممانعة مبدلة، لكن المحرك الأمامي هو PMSM - تم اختياره لكفاءته عبر نطاق السرعة الكامل للقيادة على الطرق السريعة. تستخدم سيارات BMW i3 ومعظم طرازات Hyundai/Kia EV محركات IPM BLDC. تتراوح مخرجات الطاقة القصوى من 150 كيلو واط في المركبات الكهربائية المدمجة إلى أكثر من 500 كيلو واط في تطبيقات الأداء، ويتم إدارتها جميعًا بواسطة محولات ثلاثية الطور من فئة السيارات مع دقة تحويل على مستوى الميكروثانية.

الأتمتة الصناعية والروبوتات

المحركات المؤازرة في أدوات الآلات CNC، والأذرع الآلية، وأنظمة النقل تكون تقريبًا بدون فرش - مزيج التحكم FOC، وأجهزة التشفير عالية الدقة، وردود الفعل ذات الحلقة المغلقة يوفر دقة تحديد المواقع في حدود ميكرون وتنظيم السرعة في حدود 0.01% عبر تغيرات الحمل. في البيئات التي تحتوي على غازات متفجرة أو غبار ناعم (معالجة الحبوب، المصانع الكيماوية، التعدين)، تعمل المحركات بدون فرش ذات أغلفة محكمة الغلق على التخلص من خطر الاشتعال الناتج عن قوس الفرشاة، مما يؤهلها للحصول على شهادات المواقع الخطرة ATEX وIECEx التي لا يمكن للمحركات المصقولة تلبيتها.