محركات كهربائية ذات تيار مستمر تُعد محركات التيار المستمر الفرشية (BLDC) مكونات أساسية في مختلف المعدات المستخدمة في التطبيقات الصناعية. وتتوفر عادةً بنوعين: محركات التيار المستمر الفرشية (DC Brushed Motors) ومحركات التيار المستمر الفرشية (BLDC). وتختار الشركات المختلفة أحد هذه المحركات حسب استخدامها. ويساعد فهم الفرق بينها الشركات والفنيين على اختيار الأنسب.
أهمية فهم الفرق الرئيسي بين المحركات ذات الفرشاة ومحركات BLDC
كما لا يُمكن استخدام محرك تيار متردد يتطلب التحكم في عدد دورات المحرك في الدقيقة وعزم الدوران، لا يُمكن استخدام محرك تيار مستمر بفرشاة حيث يُمكن لمحرك تيار مستمر بدون فرشاة أن يُعطي أداءً أكثر كفاءة. كلا المحركين، على الرغم من أنهما يعملان بالتيار المستمر، إلا أن لهما اختلافات رئيسية تجعلهما مُناسبَين لتطبيقات مُختلفة.
لكلٍّ من هذين المحركين إيجابياته وسلبياته. بناءً على إيجابياته وسلبياته، يمكنك اختيار المحرك المناسب بعد دراسة مكان استخدامه. سيساعدك تحديد ما إذا كان محرك التيار المستمر بالفرشاة أو محرك التيار المستمر بالفرشاة (BLDC) مناسبًا لك.
الفرق الرئيسي بين تسمية كليهما يكمن في المُبدِّلات. عادةً ما تحتوي محركات التيار المستمر ذات الفرش على فرش كربونية تُستخدم كمُبدِّلات. أما في محركات التيار المستمر ذات الفرش، فتكون المُبدِّلات إلكترونية وليست ميكانيكية كما هو الحال في المحركات ذات الفرش.
في هذه المقالة، ستتعرف على الفروقات الرئيسية بين هذين المحركين. سيساعدك هذا على اختيار الأنسب لجعل عملك أكثر تحكمًا وسلاسة وكفاءة.
محركات التيار المستمر ذات الفرشاة
تُصنع جميع الآلات الميكانيكية من مزيج من قطع ميكانيكية مختلفة، وينطبق الأمر نفسه على المحركات ذات الفرشاة ومحركات التيار المستمر ذي التيار المتردد المنخفض. عند دراسة تصميم المحركات ذات الفرشاة، يمكنك استخدام لفات أسلاك حول القلب الحديدي لإنشاء مجال مغناطيسي. تدور هذه اللفات بحرية، مما يُحرك عمود المحرك. تُسمى هذه المجموعة "الدوار". قد تجد أيضًا بعض محركات التيار المستمر ذات الفرشاة بدون قلب. في حالة غياب القلب، يكون الملف ذاتيًا، حيث يُستخدم القلب لدعم اللفات.
الدوار مكوّن دوار، بينما يُسمى الجزء الثابت بالجزء الثابت. تحافظ هذه الحالة على المغناطيسات الدائمة بداخلها، مما يحافظ على سلامة المجال المغناطيسي الساكن الدائم، ويحافظ على الدوار داخله.
المكون الرئيسي الثالث هو المُبدِّل. يُولَّد عزم الدوران من دوران المغزل. لإنشاء مجال مغناطيسي في الدوار، يلزم تيار كهربائي. يُثبَّت المُبدِّل بين فرشات مُثبَّتة حوله على الجزء الثابت. يعمل المُبدِّل كمفتاح، ويستمر في تبديل اللفات المختلفة لتشغيلها وإيقافها، مما يُحافظ على دوران الدوار باستمرار.
عند تطبيق تيار مستمر على المحرك الفرشاة، يُولّد هذا التيار مجالًا مغناطيسيًا في الجزء الدوار، يتنافر مع المجال المغناطيسي الثابت للجزء الثابت، مما يُؤدي إلى دوران العمود. علاوة على ذلك، يُساعد استخدام جسر H في التحكم في السرعة وعزم الدوران والجهد المطبق، والأهم من ذلك، اتجاه الدوران.
محركات التيار المستمر بدون فرشاة
على الرغم من أن آلية عمل محركات التيار المستمر عديمة الفرش تشبه آلية محركات التيار المستمر ذات الفرش، إلا أن مبدأها يعتمد على تنافر وتجاذب المجال المغناطيسي بين الدوار والثابت. إلا أن تركيبهما مختلف، مما يجعل محركات التيار المستمر عديمة الفرش مختلفة عن المحركات ذات الفرش.
تركيب الدوار والثابت معاكس للمحركات ذات الفرشاة. يحتوي الدوار في محركات التيار المستمر البطيء على مغناطيس دائم، بينما يحتوي الثاتور على ملفات لولبية معاكسة للمحركات ذات الفرشاة. لذا، فإن المبدل هنا في محركات التيار المستمر البطيء كهربائي وليس ميكانيكيًا كما هو الحال في المحركات ذات الفرشاة.
هناك فرق آخر في التركيب يتمثل في عدد الأطوار. الأطوار هي في الواقع وحدات لفّ العضو الثابت. عدد وحدات اللفّ يساوي عدد الأطوار في محرك BLDC. على الرغم من عدم وجود قيود على عدد الأطوار، عادةً ما تُستخدم ثلاثة أطوار في تطوير محركات BLDC. تُحاذى هذه الأطوار الثلاثة إما على شكل دلتا أو واي.
علاوة على ذلك، هناك فرق آخر يتمثل في عدد الأقطاب المغناطيسية الموجودة على مغناطيس الدوار في محرك BLDC. عادةً ما يكون هناك قطبان على الأقل، جنوبي وشمالي، على الدوار. ويمكن زيادة الأقطاب عند الحاجة. سيتم مناقشة الحاجة والوظيفة في قسم تطبيقات كلا المحركين.
هناك فرق مهم آخر وهو نشر الإلكترونيات المعقدة في محركات BLDC مقارنة بالمحركات ذات الفرشاة مثل مستشعر هول و3 بوابات H لكل مرحلة.
الاختلافات الرئيسية بين المحركات ذات الفرشاة ومحركات BLDC
لقد تعلمتَ حتى الآن أهمية معرفة الفرق بين المحركين، وأساسيات بناء كلٍّ من المحركات الفرشاة ومحركات BLDC. ستتعلم الآن الفروقات الرئيسية بناءً على مزايا وعيوب كلا النوعين.
الفرق في السرعة والتسارع
بسبب زيادة وزن المحركات ذات الفرش، تنخفض سرعتها وتسارعها. ويعود انخفاض السرعة بشكل أكبر إلى وجود فرش ومبدل ميكانيكي. هذا يجعل المحركات ذات الفرش تُصنف ضمن فئة المحركات متوسطة السرعة. يُربط المبدل ميكانيكيًا بالفرش.
عند استخدام سرعة عالية، يتذبذب التلامس بين الفرش والمُبدِّل، مما يؤدي إلى انخفاض السرعة. ومن أسباب انخفاض السرعة أيضًا استخدام قلب حديدي مصفح في المركز، ونتيجةً للقصور الذاتي الكبير، تكون السرعات منخفضة.
من ناحية أخرى، تفتقر محركات BLDC إلى مُبدِّلات ميكانيكية، وبالتالي لا توجد مقاومة تُذكر مقارنةً بنظيراتها. هذا يُعطيها أفضليةً في السرعات العالية جدًا والدقة الوظيفية. لذا، تكون السرعات أعلى في محركات BLDC مقارنةً بالمحركات ذات الفرشاة، ولكن بتكلفة أعلى.
الضوضاء الكهربائية والصوتية
نظرًا لوجود فرش ميكانيكية ومبدلات، تُصدر المحركات ذات الفرش ضوضاء كهربائية أعلى من محركات التيار المستمر البطيء (BLDC). على الرغم من أن استخدام مكثف قد يُخفف الضوضاء، إلا أنه لا يُمكن التخلص منها (100%). من ناحية أخرى، لا تحتوي محركات التيار المستمر البطيء على مثل هذه المكونات، مما يجعلها هادئة جدًا للاستخدام في التطبيقات الحساسة للضوضاء.
صيانة
الآن، لقد تعلمتَ الكثير عن الفرش والمبدلات. كلاهما مكونان ميكانيكيان، ويتعرضان لاحتكاك مستمر. هذا يُسبب تآكلًا مستمرًا في كلٍّ منهما، مما يتطلب استبدالًا متكررًا. وبالتالي، تكون تكلفة صيانتهما مرتفعة، ويتطلبان استبدالهما بشكل متقطع.
من ناحية أخرى، تفتقر محركات BLDC إلى أي مكون من هذا القبيل مما يجعلها نوعًا من المحركات التي لا تحتاج إلى صيانة.
تموج عزم الدوران
هي ظاهرة ميكانيكية تُسمى نسبةً إلى الاهتزازات الميكانيكية في المحركات. نظرًا لزيادة عدد المكونات الميكانيكية في المحركات ذات الفرشاة، يكون تموج عزم الدوران أعلى، وبالتالي تكون الاهتزازات أكثر تواترًا عند السرعات العالية في محركات التيار المستمر ذات الفرشاة مقارنةً بمحركات التيار المستمر ذات الفرشاة.
حياة
دورة حياة محركات BLDC أطول من المحركات ذات الفرشاة، نظرًا لاحتواء تصميمها على مكونات ميكانيكية أقل. ونتيجةً للتآكل الميكانيكي الكبير، تتوقف المحركات ذات الفرشاة عن العمل بعد فترة.
يكلف
أخيرًا، التكلفة المرتبطة بمحرك الفرشاة أقل بكثير من محرك BLDC، وذلك بفضل تركيبه البسيط وتصميمه المتطور. على الرغم من غياب بعض المكونات في محرك BLDC نظرًا لوجود إلكترونيات معقدة، إلا أن هذه المكونات أعلى تكلفة من المحركات الفرشاة.
العوامل التي يجب مراعاتها قبل اختيار محرك التيار المستمر
حتى الآن، لديك فهم كامل لكلا نوعي محركات التيار المستمر، ذات الفرشاة وغير الفرشاة. لمعرفة أيهما الأنسب لتطبيقك، ستحتاج إلى تقييم المتطلبات.
إذا كنت ترغب في محرك تيار مستمر لتطبيقات بسيطة، فالمحركات ذات الفرشاة مناسبة. هذه المحركات رخيصة الثمن ومتوفرة بسهولة. يمكنك اختيار المحرك ذو الفرشاة بناءً على التحكم والسرعة وعزم الدوران المطلوب والتكلفة. مع العلم أن عمر هذه المحركات أقل من محركات التيار المستمر ذي الدائرة المغلقة (BLDC).
من ناحية أخرى، تُفضّل محركات التيار المستمر ذي الفرشاة (BLDC) عند الحاجة إلى أداء وسرعة عاليين مع تحكم أكبر في الوظائف. علاوة على ذلك، عند استخدام محرك تيار مستمر في تطبيق حساس للضوضاء، ستحتاج إلى محرك تيار مستمر ذي فرشاة. يتميز محرك التيار المستمر ذي الفرشاة بعمر افتراضي أطول بكثير من المحركات ذات الفرشاة، وسيخدمك استثمارك لفترة أطول.
ملخص
على الرغم من أن اختيار المحركات يعتمد على عوامل مختلفة، وكما تعلمتَ جميع الفروقات الرئيسية، لا يزال استخدام المحركات ذات الفرشاة متاحًا حتى مع انخفاض توافر محركات BLDC وتكاليفها. عليك مراعاة جميع العوامل لكلٍّ من المحركات ذات الفرشاة ومحركات BLDC قبل اختيار أيٍّ منهما لتطبيقك.
