موتور خطوة هجين
معنى وآلية عمل محرك الخطوة الهجين
يعني مصطلح "الهجين" مزيج أو تركيب. يجمع محرك الخطوة الهجين بين خصائص محرك الخطوة المتغير المغناطيسي ومحرك الخطوة المغناطيسي الدائم. في قلب الروتور، يتم دمج مغناطيس أكسيلي مغناطيسي دائم. يتم تغناطيسة هذا المغناطيس لإنتاج زوج من الأقطاب، وهما القطب الشمالي (N) والقطب الجنوبي (S)، كما هو موضح في الشكل أدناه：
تتم تركيب أغطية نهاية عند كل طرف من المغناطيس الأكسيلي. تحتوي هذه الأغطية على عدد متساوٍ من الأسنان التي يتم تغناطيستها بواسطة المغناطيس. يتم تقديم الرسم العرضي للجزء العرضي لغطاء النهاية للروتور أدناه:
يحتوي الستاتور على 8 أقطاب، كل منها يحتوي على ملف وعدد S من الأسنان. في المجمل، هناك 40 سنًا على الستاتور. لكل غطاء نهاية من الروتور 50 سنًا. نظرًا لأن عدد الأسنان على الستاتور والروتور هو 40 و50 على التوالي، يمكن التعبير عن زاوية الخطوة كالتالي:
آليات العمل
في محرك الخطوة الهجين، تتم محاذاة أسنان الروتور في البداية بشكل مثالي مع تلك الموجودة على الستاتور. ومع ذلك، تكون الأسنان على غطائي النهاية للروتور متباعدة عن بعضهما البعض بمقدار نصف خطوة القطب. بسبب التغناطيسة الأكسيلية للمغناطيس الدائم المركزي، يتم تغناطيسة الأسنان على غطاء النهاية الأيسر كأقطاب جنوبية، بينما تأخذ الأسنان على غطاء النهاية الأيمن قطبية شمالية.
يتم تكوين أقطاب الستاتور بالزوج للاستثارة الكهربائية. تحديداً، يتم ربط ملفات الأقطاب 1 و3 و5 و7 في سلسلة لتشكيل المرحلة A، بينما يتم ربط ملفات الأقطاب 2 و4 و6 و8 في سلسلة لتشكل المرحلة B. عندما يتم تنشيط المرحلة A بتيار موجب، تصبح أقطاب الستاتور 1 و5 أقطاباً جنوبية، وأقطاب 3 و7 تتحول إلى أقطاب شمالية.
يتم التحكم بدقة في دوران المحرك من خلال تسلسل محدد من استثارة المراحل. عندما يتم إيقاف استثارة المرحلة A وتُنشَّط المرحلة B، يدور الروتور بمقدار زاوية خطوة كاملة تبلغ 1.8 درجة في اتجاه عقارب الساعة. عكس تدفق التيار إلى المرحلة A (تنشيطها سلباً) يجعل الروتور يتقدم بمقدار 1.8 درجة في نفس اتجاه عقارب الساعة. لدوران مستمر، يجب بعد ذلك تنشيط المرحلة B سلباً. وبالتالي، لتحقيق الدوران في اتجاه عقارب الساعة، يتم تنشيط المراحل بالتسلسل التالي: +A, +B, -A, -B, +B, +A، وهكذا دواليك. وبالعكس، يتم تحقيق الدوران في اتجاه عقارب الساعة بتتبع التسلسل +A, -B, +B, +A، وتكرار هذا الدورة.
المزايا الرئيسية
من أهم الخصائص البارزة لمحرك الخطوة الهجين هو قدرته على الحفاظ على موقعه حتى عند إزالة الطاقة. يحدث هذا الظاهرة لأن المغناطيس الدائم يولد عزم تثبيت، مما يحافظ على مكان الروتور. تتضمن المزايا الأخرى المهمة ما يلي:
دقة عالية: طول الخطوة الأصغر يسمح بموقع دقيق للغاية، مما يجعله مناسبًا للتطبيقات التي تتطلب دقة.
عزم دوران عالٍ: يمكن للمحرك إنتاج عزم دوران كبير، مما يساعده على قيادة الأحمال الثقيلة بكفاءة.
استقرار عند إطفاء الطاقة: حتى مع وجود ملفات غير مشحونة، يضمن عزم التثبيت أن الروتور يظل ثابتًا.
كفاءة عالية عند السرعات المنخفضة: يعمل بكفاءة عالية عند السرعات المنخفضة، مما يجعله مثاليًا للتطبيقات التي تتطلب حركة بطيئة ومتحكم بها.
عمل سلس: يساهم معدل الخطوة الأقل في حركة أكثر سلاسة، مما يقلل من الاهتزازات والضوضاء.
القيود
رغم العديد من نقاط القوة، فإن محرك الخطوة الهجين يعاني من عدة عيوب:
عزم قصور ذاتي أعلى: يؤدي تصميم المحرك إلى زيادة العزم القصوري الذاتي، مما يمكن أن يبطئ تسارع المحرك ويحد من استجابته للتغييرات السريعة في أوامر الحركة.
وزن أكبر: يضيف وجود المغناطيس الدائم في الروتور إلى الكتلة الإجمالية للمحرك، مما قد يشكل تحديات في التطبيقات الحساسة للوزن.
حساسية مغناطيسية: يمكن أن يؤثر أي تقلب في قوة المغناطيس الدائم بشكل كبير على أداء المحرك، مما يؤدي إلى تشغيل غير متسق.
اعتبارات التكلفة: مقارنة بمحركات الخطوة المتغيرة المغناطيسية، تكون محركات الخطوة الهجين عادة أغلى، مما يمكن أن يزيد من التكلفة الإجمالية للمشاريع التي تستخدمها.
باختصار، يقدم محرك الخطوة الهجين مزيجًا فريدًا من المزايا والقيود. فهم هذه الخصائص ضروري لاختيار المحرك الأكثر ملاءمة للتطبيقات المحددة في مجالات الأتمتة والروبوتات والتحكم الدقيق.
