عندما يواجه المهندسون التحدي المتمثل في تصميم المعدات الكهربائية لأداء المهام الميكانيكية، فقد يفكرون في كيفية تحويل الإشارات الكهربائية إلى طاقة. لذلك تعد المحركات والمحركات من الأجهزة التي تحول الإشارات الكهربائية إلى حركة. تقوم المحركات بتبادل الطاقة الكهربائية إلى طاقة ميكانيكية.

أبسط نوع من المحركات هو محرك DC المصقول. في هذا النوع من المحركات، يتم تمرير التيار الكهربائي عبر ملفات مرتبة ضمن مجال مغناطيسي ثابت. يولد التيار مجالات مغناطيسية في الملفات؛ يؤدي هذا إلى دوران مجموعة الملف، حيث يتم دفع كل ملف بعيدًا عن القطب المشابه وسحبه نحو القطب المختلف للمجال الثابت. للحفاظ على الدوران، من الضروري عكس التيار باستمرار - بحيث تنقلب أقطاب الملف باستمرار، مما يتسبب في استمرار الملفات في "مطاردة" الأقطاب الثابتة المختلفة. يتم توفير الطاقة للملفات من خلال فرش موصلة ثابتة تتلامس مع عاكس التيار؛ إن دوران العاكس هو الذي يسبب عكس التيار عبر الملفات. يعتبر المبدل والفرش من المكونات الرئيسية التي تميز محرك التيار المستمر المصقول عن أنواع المحركات الأخرى. يوضح الشكل 1 المبدأ العام للمحرك المصقول.

الشكل 1: تشغيل محرك DC المصقول.

توفر الفرش الثابتة الطاقة الكهربائية للمبدل الدوار. أثناء دوران العاكس، فإنه يقلب اتجاه التيار داخل الملفات باستمرار، مما يعكس أقطاب الملف بحيث تحافظ الملفات على دورانها نحو اليمين. يدور العاكس لأنه متصل بالدوار الذي تم تركيب الملفات عليه.

كما يوحي اسمها، فإن محركات التيار المستمر بدون فرش لا تستخدم الفرش. مع المحركات المصقولة، تقوم الفرش بتوصيل التيار من خلال المبدل إلى الملفات الموجودة على الدوار. إذًا كيف يمكن لمحرك بدون فرش أن يمرر التيار إلى ملفات الدوار؟ لا يحدث ذلك، لأن الملفات غير موجودة على الدوار. وبدلاً من ذلك، فإن الجزء الدوار عبارة عن مغناطيس دائم؛ لا تدور الملفات، بل يتم تثبيتها في مكانها على الجزء الثابت. نظرًا لأن الملفات لا تتحرك، ليست هناك حاجة للفرش ومبدل التيار. (انظر الشكل 3.)

باستخدام المحرك المصقول، يتم تحقيق الدوران من خلال التحكم في المجالات المغناطيسية الناتجة عن الملفات الموجودة على الدوار، بينما يظل المجال المغناطيسي الناتج عن المغناطيس الثابت ثابتًا. لتغيير سرعة الدوران، يمكنك تغيير الجهد للملفات. مع محرك BLDC، فإن المغناطيس الدائم هو الذي يدور؛ يتم تحقيق الدوران عن طريق تغيير اتجاه المجالات المغناطيسية الناتجة عن الملفات الثابتة المحيطة. للتحكم في الدوران، يمكنك ضبط حجم واتجاه التيار في هذه الملفات.

نظرًا لأن الدوار عبارة عن مغناطيس دائم، فهو لا يحتاج إلى تيار، مما يلغي الحاجة إلى الفرش ومبدل التيار. يتم التحكم في التيار إلى الملفات الثابتة من الخارج.

سيكون لمحرك BLDC المزود بثلاثة ملفات على الجزء الثابت ستة أسلاك كهربائية (اثنان لكل ملف) تمتد من هذه الملفات. في معظم التطبيقات، سيتم توصيل ثلاثة من هذه الأسلاك داخليًا، مع تمديد الأسلاك الثلاثة المتبقية من جسم المحرك (على عكس السلكين الممتدين من المحرك المصقول الموصوف سابقًا). تعد الأسلاك في علبة محرك BLDC أكثر تعقيدًا من مجرد توصيل الأطراف الموجبة والسالبة لخلية الطاقة؛ سننظر عن كثب في كيفية عمل هذه المحركات في الجلسة الثانية من هذه السلسلة. أدناه، نختتم بالنظر إلى مزايا محركات BLDC.

إحدى المزايا الكبيرة هي الكفاءة، حيث يمكن لهذه المحركات التحكم بشكل مستمر بأقصى قوة دوران (عزم الدوران). وعلى النقيض من ذلك، تصل المحركات المصقولة إلى أقصى عزم دوران عند نقاط معينة فقط في الدوران. لكي يتمكن المحرك المصقول من توفير نفس عزم الدوران الذي يوفره الطراز بدون فرش، فإنه يحتاج إلى استخدام مغناطيسات أكبر. ولهذا السبب، حتى محركات BLDC الصغيرة يمكنها توفير طاقة كبيرة.

الميزة الكبيرة الثانية – المرتبطة بالأولى – هي إمكانية التحكم. يمكن التحكم في محركات BLDC، باستخدام آليات التغذية المرتدة، لتوصيل عزم الدوران وسرعة الدوران المطلوبين بدقة. يؤدي التحكم الدقيق بدوره إلى تقليل استهلاك الطاقة وتوليد الحرارة، وفي الحالات التي تعمل فيها المحركات بالبطارية، يؤدي ذلك إلى إطالة عمر البطارية.

توفر محركات BLDC أيضًا متانة عالية وتوليد ضوضاء كهربائية منخفضة، وذلك بفضل عدم وجود فرش. مع المحركات المصقولة، تتآكل الفرش والمبدل نتيجة للاتصال المتحرك المستمر، كما تنتج أيضًا شرارات في مكان الاتصال. الضوضاء الكهربائية، على وجه الخصوص، هي نتيجة الشرارات القوية التي تميل إلى الحدوث في المناطق التي تمر فيها الفرش فوق الفجوات الموجودة في عاكس التيار. ولهذا السبب غالبًا ما تُعتبر محركات BLDC مفضلة في التطبيقات التي يكون فيها من المهم تجنب الضوضاء الكهربائية.

لقد رأينا أن محركات BLDC توفر كفاءة عالية وإمكانية تحكم، كما أنها تتمتع بعمر تشغيلي طويل. إذن ما الذي يناسبهم؟ وبسبب كفاءتها وطول عمرها، فإنها تستخدم على نطاق واسع في الأجهزة التي تعمل بشكل مستمر. لقد تم استخدامها منذ فترة طويلة في الغسالات، ومكيفات الهواء، وغيرها من الأجهزة الإلكترونية الاستهلاكية؛ ومؤخرًا، ظهرت في المراوح، حيث ساهمت كفاءتها العالية في تقليل استهلاك الطاقة بشكل كبير.

كما يتم استخدامها لقيادة الآلات الكهربائية. في إحدى الحالات، أدى التغيير في برنامج التحكم إلى قفزة كبيرة في سرعة الدوران، وهو مثال على القدرة الفائقة على التحكم التي توفرها هذه المحركات.

تُستخدم محركات BLDC أيضًا لتدوير محركات الأقراص الثابتة، حيث تحافظ متانتها على تشغيل محركات الأقراص بشكل يمكن الاعتماد عليه على المدى الطويل، بينما تساهم كفاءتها في استهلاك الطاقة في تقليل الطاقة في منطقة أصبح فيها هذا الأمر ذا أهمية متزايدة.

يمكننا أن نتوقع رؤية محركات BLDC مستخدمة في نطاق أوسع من التطبيقات في المستقبل. على سبيل المثال، من المحتمل أن يتم استخدامها على نطاق واسع لقيادة روبوتات الخدمة، وهي روبوتات صغيرة تقدم خدمات في مجالات أخرى غير التصنيع. قد يعتقد المرء أن المحركات السائر ستكون أكثر ملاءمة في هذا النوع من التطبيقات، حيث يمكن استخدام النبضات للتحكم بدقة في تحديد المواقع. لكن محركات BLDC أكثر ملاءمة للتحكم في القوة. وفي حالة المحرك السائر، فإن الحفاظ على موضع هيكل مثل ذراع الروبوت يتطلب تيارًا كبيرًا ومستمرًا نسبيًا. مع محرك BLDC، كل ما هو مطلوب هو تيار متناسب مع القوة الخارجية، مما يسمح بتحكم أكثر كفاءة في استخدام الطاقة. قد تحل محركات BLDC أيضًا محل محركات التيار المستمر ذات الفرشاة البسيطة في عربات الجولف وعربات التنقل. بالإضافة إلى كفاءتها الأفضل، يمكن لمحركات BLDC أيضًا توفير تحكم أكثر دقة، وهو ما يؤدي بدوره إلى إطالة عمر البطارية.

تعتبر محركات BLDC أيضًا مثالية للطائرات بدون طيار. قدرتها على توفير التحكم الدقيق تجعلها مناسبة بشكل خاص للطائرات بدون طيار متعددة المروحيات، حيث يتم التحكم في وضع الطائرة بدون طيار من خلال التحكم الدقيق في سرعة دوران كل دوار.

في هذه الجلسة، رأينا كيف توفر محركات BLDC كفاءة ممتازة وإمكانية تحكم وطول عمر. لكن التحكم الدقيق والسليم ضروري لتحقيق الاستفادة الكاملة من إمكانات هذه المحركات. وفي جلستنا القادمة سننظر في كيفية عمل هذه المحركات.