محركات التيار المتردد بدون فرشاة

تعريف

يُعرف محرك التيار المتردد الخالي من الفرش كمحرك ذات تردد متغير ذاتي يعتمد على محرك تيار متردد ذو مغناطيس دائم. هذا النوع من المحركات يقدم العديد من المزايا البارزة. فهو عملياً خالٍ من الصيانة، ويتميز بعمر تشغيلي طويل، مما يجعله خيارًا موثوقًا به للاستخدامات المختلفة. بالإضافة إلى ذلك، يتمتع ب quán tính xoay vòng thấp، واحتكاك قليل، ويعمل بخصائص ترددية منخفضة. علاوة على ذلك، فإنه يولد تداخل راديوي ضوضائي قليل، مما يضمن التشغيل الناعم والهادئ. ومع ذلك، ليس بدون عيوب؛ فالقيود الرئيسية هي تكلفته العالية نسبياً والعزم الابتدائي المنخفض.

تطبيقات

تستخدم محركات التيار المتردد الخالية من الفرش بشكل واسع في مجموعة متنوعة من الصناعات والأجهزة. في مجال الإلكترونيات الاستهلاكية، يتم استخدامها في أجهزة تشغيل الأسطوانات وأجهزة تسجيل الشريط وأقراص الكمبيوتر الصلبة. كما أنها تعمل كمحركات منخفضة الطاقة في الأجهزة والمعدات المحيطة بالكمبيوتر وأنظمة التحكم. خارج مجال الإلكترونيات الاستهلاكية، تمتد تطبيقاتها إلى صناعة الطيران، حيث تعتبر الموثوقية والتشغيل الهادئ أمرًا حاسمًا. في المجال البيولوجي الطبي، دقتها ونظافتها في التشغيل تجعلها مناسبة للعديد من الأجهزة الطبية. بالإضافة إلى ذلك، يتم استخدامها بشكل شائع لتشغيل المراوح المبردة، مما يوفر تهوية فعالة وهادئة في العديد من الأنظمة.

بنية المحرك

يوضح الشكل أدناه المقطع العرضي لمحرك PMAC ذي ثلاث مراحل وقطبين شبه مربعين، وهو أحد المكونات الرئيسية لمحرك التيار المتردد الخالي من الفرش. يتميز المحرك بروتر مغناطيسي دائم مع قوس قطب واسع، مما يساهم في تشغيله بكفاءة. يتم تجهيز الدوار بثلاثة ملفات ملتفة، كل منها متباعدة بمقدار 120 درجة عن الأخرى. تضمن هذه التكوينة المحددة للملفات الكهربائية توازن التشغيل الكهربائي وإنتاج عزم دوران سلس. يمتد كل ملف مرحلة بمقدار 60 درجة على كل جانب، مما يحسن التفاعل بين المجالات المغناطيسية داخل المحرك ويجعل التحكم في سرعته وأدائه دقيقًا.

يظهر في الشكل أدناه الجهد الذي ينشأ في الثلاث مراحل للمحرك. يمكن أن يعزى إنشاء موجة شبه مربعة إلى التفاعل المحدد بين الروتر والستاتور. عندما يدور الروتر في اتجاه عكس عقارب الساعة، خلال الدوران الأولي بـ 120 درجة من وضع مرجعي، تتواصل جميع الموصلات العليا لمرحلة A مع القطب الجنوبي للمجال المغناطيسي، بينما تتواصل جميع الموصلات السفلية لمرحلة A مع القطب الشمالي.

هذا الترابط المغناطيسي الثابت ضمن هذا النطاق الزاوي يؤدي إلى جهد مستحث نسبيًا ثابت، مما يساهم في الجزء العلوي المستقيم من موجة شبه المربع. مع استمرار دوران الروتر، يتسبب تغير اتجاهات المجال المغناطيسي في تحول الجهد المستحث، مما يشكل في النهاية الشكل شبه المربع المميز الذي يعد أساسيًا للعمل والتحكم المناسب في محرك التيار المتردد الخالي من الفرش.

خلال دوران الروتر بـ 120 درجة، يبقى الجهد المستحث في مرحلة A نسبيًا ثابتًا. بمجرد تجاوز الدوران 120 درجة، تبدأ بعض الموصلات العليا لمرحلة A في التواصل مع القطب الشمالي، بينما تستمر الأخرى في التواصل مع القطب الجنوبي. يحدث نفس الظاهرة مع الموصلات السفلية. نتيجة لذلك، خلال الدوران التالي بـ 60 درجة، يعكس الجهد المستحث في مرحلة A بشكل خطي. يتكرر هذا النمط من تغيير الجهد في المراحل B وC أيضًا، مما يخلق سلوكًا كهربائيًا متناسقًا ضروريًا لعمل المحرك.

يتكون نظام محرك التيار المتردد الخالي من الفرش، كما هو موضح في الشكل أدناه، من محوّل مصدر جهد مزود بمحرك PMAC شبه مربع. يتم توصيل ملفات الدوار للمحرك بطريقة النجمة. يوضح الشكل أيضًا موجة الجهد المميزة لمرحلة المحرك PMAC شبه المربع، والتي تعكس الديناميكيات الفريدة لإحداث الجهد المذكورة أعلاه. تعد هذه الموجة ميزة أساسية تمكن من التحكم والتشغيل الفعالين لمحرك التيار المتردد الخالي من الفرش، مما يسهل إنتاج عزم دوران سلس وتوفير تنظيم دقيق للسرعة.

يتم تزويد ملفات الدوار لمحرك التيار المتردد الخالي من الفرش بنبضات تيار. لكل نبضة مدة تبلغ 120 درجة كهربائية وهي موضعها بدقة ضمن المنطقة التي يكون فيها الجهد المستحث ثابتًا ويصل إلى قيمته القصوى. بشكل أساسي، تتوافق قطبية هذه النبضات من التيار مع قطبية الجهد المستحث، مما يضمن تفاعلًا متناغمًا بين الإدخالات الكهربائية والمجال المغناطيسي الذي يولده المحرك.

يتم الحفاظ على تدفق الهواء داخل المحرك عند مستوى ثابت، ومقدار الجهد المستحث يتناسب مباشرة مع سرعة دوران الروتر. يعتبر هذا العلاقة الأساسية لعمل المحرك، حيث تسمح بتوفير السيطرة الدقيقة على أداء المحرك بناءً على الجهد المستحث المعتمد على السرعة، مما يتيح نقل الطاقة بكفاءة وتشغيل سلس تحت ظروف التشغيل المختلفة.

خلال كل فترة 60 درجة من التشغيل، يتدفق التيار إلى مرحلة واحدة من ملفات الدوار للمحرك ويخرج من أخرى. يعد هذا النمط المتقلب لتدفق التيار ميزة أساسية لعمل محرك التيار المتردد الخالي من الفرش. نتيجة لذلك، يمكن التعبير عن الطاقة المزودة للمحرك في كل من هذه الفترات 60 درجة بواسطة الصيغة التالية، والتي تأخذ في الاعتبار التفاعل بين الجهد والتيار داخل مراحل ملفات المحرك.

العزم الذي ينتج عن المحرك

يوضح الشكل أدناه موجة العزم لمotor التيار المتردد الخالي من الفرش. مقدار العزم الذي يولده المحرك يتناسب مباشرة مع التيار المتدفق عبر الوصلات الكهربائية المباشرة. تعتبر هذه العلاقة أساسية لفهم السلوك الديناميكي والخصائص الأداءية للمحرك.

يتم تحقيق الفرملة التجددية في هذا النظام من خلال عكس تيار المرحلة. عند عكس تيار المرحلة، يتغير أيضًا اتجاه مصدر التيار Id. يبدأ هذا العكس في تدفق الطاقة من المحرك، ثم يمر عبر المحوّل، وأخيرًا يعود إلى المصدر الكهربائي المباشر. خلال هذه العملية، يعمل المحرك كمولد، حيث يقوم بتحويل الطاقة الميكانيكية من الحمل إلى طاقة كهربائية يتم إعادتها إلى مصدر الطاقة. وهذا لا يساعد فقط في تخفيف سرعة المحرك، ولكنه يسمح أيضًا باسترداد وإعادة استخدام الطاقة، مما يعزز الكفاءة الكلية للنظام.

عندما يتم عكس سرعة دوران نظام الدفع، تتغير أيضًا قطبية الجهد المستحث داخل المحرك. يؤدي هذا التغيير في قطبية الجهد إلى تشغيل الفرملة التجددية، مما يمكّن نظام الدفع من تحويل الطاقة الميكانيكية للحمل المتحرك إلى طاقة كهربائية يمكن إعادة تغذيتها إلى مصدر الطاقة.

بالعكس، يؤدي عكس اتجاه التيار المتدفق عبر ملفات المحرك إلى بدء عملية الدفع، مما يدفع المحرك في الاتجاه المرغوب. تظهر موجات التيار المقابلة لهذه الوضعيات التشغيلية المختلفة - الفرملة التجددية والدفع - بشكل واضح في الشكل أدناه، مما يوفر تمثيلاً بصرياً للسلوك الكهربائي لنظام الدفع تحت ظروف مختلفة.

أنواع محرك التيار المتردد الخالي من الفرش

يمكن تقسيم محرك التيار المتردد الخالي من الفرش بشكل أساسي إلى نوعين مختلفين: محرك التيار المتردد الخالي من الفرش الرخيص والمحرك التيار المتردد الخالي من الفرش الأحادي المرحلة. لكل نوع خصائصه ومبادئه التشغيلية الخاصة، والتي تفصل أدناه.

محرك التيار المتردد الخالي من الفرش الرخيص

تم تصميم محرك التيار المتردد الخالي من الفرش الرخيص ليكون بسيطًا وبتكلفة منخفضة. يتميز بتكوين بسيط يتكون من ثلاثة ترانزستورات ومحول ثلاثي الثنائيات. يحد هذا التركيب المحرك من تزويد التيار أو الجهد الموجب فقط للمحرك ثلاثي الأطوار.

خلال التشغيل، تلعب الجهد المستحث والتيار دورًا حاسمًا في وظائف الدفع والفريملة للمحرك. عند تقديم نبضات تيار موجب مدتها 120 درجة إلى المحرك، يبدأ المحرك في الدفع، مما يجعله يدور في اتجاه عكس عقارب الساعة. وعلى العكس من ذلك، عند نقل هذه النبضات من التيار بمقدار 60 درجة لتصل إلى 180 درجة، ينتقل المحرك إلى حالة الفرملة. يؤدي هذا التغيير في توقيت نبضات التيار إلى تغيير التفاعل بين الإدخال الكهربائي والمجال المغناطيسي للمحرك، مما يمكّن من التحويل من الحركة الدورانية إلى آلية الفرملة.

محرك التيار المتردد الخالي من الفرش الرخيص: آلية التحكم في التيار

في محرك التيار المتردد الخالي من الفرش الرخيص، يتم تنظيم تيار مرحلة A بدقة بواسطة الثايستور Tr1 والديود D1. عند تفعيل Tr1 (تشغيله)، يتم توصيل الجهد Vd عبر ملف A. يؤدي هذا الاتصال إلى جعل معدل تغير التيار IA موجبًا، مما يعني أن التيار في مرحلة A يبدأ في الزيادة. وعلى العكس من ذلك، عند إلغاء تفعيل Tr1 (إيقافه)، يدخل التيار iA في حالة تدفق حر عبر الديود D1. أثناء هذا التدفق الحر، يصبح معدل تغير iA سالبًا، ويقل التيار تدريجيًا.

خلال الفترة الزمنية من 0 إلى 120 درجة، يمكن تبديل Tr1 بين التشغيل والإيقاف بشكل متكرر. يتم استخدام استراتيجية التبديل هذه لجعل التيار الفعلي IA يتبع بشكل وثيق التيار المرجعي المستطيل iA، مما يضمن أن الفرق بينهما يظل ضمن نطاق هستيريزيس محدد مسبقًا. يساعد هذا التحكم الدقيق في الحفاظ على تشغيل المحرك بشكل مستقر ونقل الطاقة بكفاءة.

محرك التيار المتردد الخالي من الفرش الأحادي المرحلة

يوضح الشكل أدناه تركيب محرك التيار المتردد الخالي من الفرش الأحادي المرحلة. لأغراض التحليل، افترض أن المحرك يتم تغذيته بواسطة محوّل أحادي المرحلة نصف جسر، والذي يزود المحرك بموجة تيار مستطيلة الشكل كما هو موضح في الرسم المجاور. تلعب هذه الموجة التيارية المحددة دورًا حاسمًا في تحديد خصائص الأداء والسلوك التشغيلي للمحرك.

يظهر العزم الذي يولده المحرك تقلبات كبيرة، تُعرف عادةً باسم الاضطراب العزمي. ومع ذلك، عندما يعمل المحرك بسرعات عالية، فإن القصور الذاتي لنظام المحرك والحمل يلعب دورًا كمرشح طبيعي. يساعد هذا القصور الذاتي في تسوية تقلبات العزم، مما يمكّن المحرك من الحفاظ على سرعة دوران موحدة نسبيًا رغم وجود الاضطراب العزمي.