كيف يعمل محرك BLDC: شرح تفصيلي لمبادئ محركات التيار المستمر بدون فرش

على مدى العقدين أو الثلاثة عقود الماضية، ونظرًا للتقدم المستمر في التكنولوجيا الإلكترونية والمواد المغناطيسية الدائمة،محركات بي إل دي سيلقد تحولت من المحركات المتخصصة إلى حلول الطاقة السائدة لمختلف الصناعات.محركات بي إل دي سيتم استخدامها على نطاق واسع في التطبيقات، بما في ذلك الأجهزة المنزلية وأدوات الطاقة والمركبات الكهربائية ومعدات الأتمتة الصناعية نظرًا لكفاءتها العالية وموثوقيتها العالية وعمرها الطويل. ومع ذلك، فإن مبادئ تشغيل محركات BLDC لا تزال غير معروفة للكثير من الأفراد. تشرح هذه المقالة كل ما تحتاج إلى معرفته حول مبدأ عمل محركات BLDC حتى تتمكن من الحصول على عرض أكثر تفصيلاً لهذا الابتكار المذهل في الهندسة الكهربائية الحالية.

الهيكل الأساسي لمحرك BLDC

الآن، قبل الدخول في مبدأ العمل، يجب أن نتعرف على بنيته الأساسية:

الجزء الثابت: يتم تثبيته داخل مبيت المحرك، ويتكون بشكل عام من صفائح فولاذية من السيليكون، ويتم لف الملفات حوله لإنشاء عدة أعمدة كهرومغناطيسية.

الدوار: يتم تثبيت الدوار عادةً على العمود ويحتوي على مغناطيس دائم. يمكن تصنيف محركات BLDC إلى عدة أنواع بناءً على التكوينات المختلفة للمغناطيس الدائم.

مستشعرات القاعة: لتحديد موضع الدوار والتغذية المرتدة لنظام التحكم الإلكتروني.

جهاز التحكم: نظام تحكم إلكتروني يحدد توقيت التيار الذي يتدفق عبر ملفات الجزء الثابت بناءً على ردود الفعل من مستشعرات Hall أو آليات التغذية الراجعة الأخرى.

ومن الجدير بالذكر أن هيكل المحرك الخارجي BLDC فريد من نوعه عن هيكل الدوار الداخلي. الجزء الدوار في الخارج، والجزء الثابت في الداخل. ينتشر هذا النوع من التصميم بشكل خاص في التطبيقات التي تتطلب عزم دوران عاليًا، كما هو الحال في محرك مراوح الطائرات بدون طيار.

مبادئ الكهرومغناطيسية: أساس تشغيل محرك BLDC

يحدد مبدأان أساسيان للكهرومغناطيسية تشغيل محرك BLDC:

قانون أمبير: عندما يكون الموصل الحامل للتيار في مجال مغناطيسي، فإن الموصل سوف يتعرض لقوة. يتكون الجزء الثابت لمحرك BLDC من ملفات نحاسية ملفوفة، وبعد تنشيط هذه الملفات، فإنها تنشئ مجالًا مغناطيسيًا يتفاعل بين المغناطيس الدائم للدوار لتوليد قوة توفر الحركة الميكانيكية للدوار للدوران.

قانون فاراداي للحث الكهرومغناطيسي: تتولد قوة دافعة كهربائية في موصل عندما يقطع خطوط المجال المغناطيسي أو يكون في مجال مغناطيسي متغير. يتم استخدامه على نطاق واسع في التحكم بدون مستشعر، حيث يتم اكتشاف موضع الدوار عن طريق استشعار القوى الدافعة الكهربائية الخلفية.

يتم تطبيق هذه المبادئ في تصميم المحركات الصناعية بدون فرش. إنهم يحققون ذلك من خلال التنظيم الدقيق للتيار المتدفق عبر ملفات الجزء الثابت، مما يضمن تفاعلات كهرومغناطيسية مناسبة مع المغناطيس الدائم للعضو الدوار لتحقيق كفاءة واستقرار عاليين.

عملية التبديل لمحرك BLDC

تسمى آلية العمل الأكثر أهمية في محرك BLDC بالتخفيف الإلكتروني. إنه عامل التمييز الأكثر أهمية ومفتاحًا بين المحركات بدون فرش والمحركات التقليدية ذات الفرشاة.

مبدأ التبديل: التبديل هو عملية تغيير اتجاه تدفق التيار فيما يتعلق بملفات المحرك بحيث يمكن أن يكون هناك تفاعل كهرومغناطيسي مستمر بين العضو الدوار والجزء الثابت، مما يخلق عزم دوران مستمر.

تخفيف من ست خطوات: تقسم طريقة التحكم التقليدية لمحركات BLDC الدورة الكهربائية إلى ست خطوات. في كل خطوة، يتم تغذية اثنين من الملفات ثلاثية الطور بالطاقة، بينما يتم إيقاف تشغيل طور واحد.

ردود فعل مستشعر القاعة: تكتشف مستشعرات القاعة موضع المغناطيس الدائم للدوار، بحيث يمكن لوحدة التحكم تحديد الملف الذي يجب تنشيطه والاتجاه الحالي.

التحكم بدون مستشعر: هناك طريقة أكثر تقدمًا تتمثل في تحديد موضع الدوار من خلال مراقبة القوة الدافعة الكهربائية الخلفية في المرحلة غير النشطة، ولا توجد حاجة إلى مستشعرات Hall لتنفيذ هذه الإستراتيجية المعقدة، مما يؤدي إلى زيادة موثوقية المحرك.

عادةً ما تعتمد محركات BLDC الكبيرة إستراتيجيات تحكم أكثر تعقيدًا، مثل محرك الموجة الجيبية أو التحكم في المتجهات، لتحقيق خرج عزم دوران أكثر سلاسة وكفاءة أعلى.

دور جهاز التحكم في نظام محرك BLDC

لا يمكن لمحرك BLDC أن يعمل بمفرده ويحتاج إلى دمجه مع وحدة تحكم إلكترونية متخصصة:

محرك المحرك: عادةً ما يكون عاكسًا للجسر ثلاثي الطور يعتمد على الطاقة  MOSFET أو IGBT الذي يقوم بتبديل المسار الحالي وفقًا لإشارة التحكم

وحدة التحكم الدقيقة: تتلقى إشارات من مستشعر الموضع، وتنفذ خوارزميات التحكم، وتولد إشارات PWM لتشغيل أجهزة الطاقة.

التحكم في الحلقة المغلقة: يوفر تحكمًا دقيقًا في السرعة أو التحكم في الموضع بناءً على احتياجات التطبيق.

وظيفة الحماية الآمنة: حماية التيار الزائد، حماية درجة الحرارة الزائدة، حماية الجهد المنخفض، إلخ.

تنتشر تطبيقات أنظمة المحركات BLDC بجهد 48 فولت على نطاق واسع في الدراجات الكهربائية والمركبات الكهربائية الصغيرة وبعض التطبيقات الصناعية الأخرى. تحتاج وحدة التحكم ودوائر المعالجة الخاصة بها إلى التعامل مع الفولتية والتيارات الأعلى وعادةً ما تحتوي على مجموعة أكثر تعقيدًا من وظائف الأداء والحماية.

خصائص الأداء وسيناريوهات التطبيق لشركة BLDC Motors

الآن دعونا نلقي نظرة على مزايا أدائها بعد تعلم مبادئ تشغيل محرك BLDC:

كفاءة عالية:   نظرًا لعدم وجود فقد الاحتكاك من الفرش والمبدلات، فإن كفاءتها عادةً ما تكون أعلى من 85%، وحتى أعلى من 95% في بعض الحالات.

خصائص عزم الدوران الجيدة: توفر نطاقًا واسعًا من خرج عزم الدوران.

عمر أطول: بدون عناصر التآكل الميكانيكية، يكون العمر الافتراضي مقيدًا في النهاية بالمحامل فقط.

تحسين كفاءة تبديد الحرارة: اتصال مباشر بين ملفات الجزء الثابت وغطاء المحرك لتبديد الحرارة بشكل أكثر فعالية.

ضوضاء منخفضة وتداخل كهرومغناطيسي: لا يوجد شرر أو ضوضاء ناتجة عن تبديل الفرشاة.

نظرًا لبنيته الخاصة، فإن محرك BLDC الخارجي أكثر قدرة على توفير عزم دوران أعلى عند السرعات المنخفضة، مما يجعله مناسبًا بشكل خاص لأنظمة الدفع المباشر، مثل مراوح الطائرات بدون طيار والمراوح، وما إلى ذلك. ومع مزايا الاستقرار والمتانة، فإن المحرك بدون فرش يجعله خيار مصدر الطاقة في معدات التشغيل الآلي والأدوات الدقيقة.

خوارزميات التحكم في محركات BLDC

لقد تجاوزت تقنية التحكم BLDC الحديثة الأكثر تطورًا طريقة التبديل البسيطة هذه المكونة من ست خطوات:

التحكم في الموجة شبه المنحرفة: إن طريقة التحكم الأساسية هي شكل موجة التيار شبه المنحرف. من السهل تطبيقه، ولكنه ينتج تموجات عزم الدوران ذات سعة كبيرة.

التحكم الجيبي: قيادة المحرك بالتيار الجيبي، والذي يمكن أن يقلل من تموج عزم دوران المحرك ويجعل التشغيل أكثر سلاسة.

التحكم الموجه ميدانيًا (FOC): من خلال تطبيق تحويل رياضي، يتم ترجمة التيار ثلاثي المراحل إلى نظام الإحداثيات الدوار للتحكم، مما يؤدي إلى التحكم الأمثل في عزم الدوران وكفاءة الطاقة.

تقنية دمج المستشعرات: تدمج إشارات ردود الفعل المتعددة (على سبيل المثال، مستشعرات Hall وأجهزة التشفير وأخذ العينات الحالية) لتحسين دقة التحكم ومتانته.

نظرًا للتحديات في التطبيقات عالية الطاقة، مثل الإدارة الحرارية وتحسين الكفاءة والاستجابة الديناميكية، تُستخدم عادةً خوارزميات التحكم الأكثر تطورًا لمحركات Big BLDC.

الخلاصة: مبادئ العمل ومزايا محركات BLDC

محركات بي إل دي سيالتحكم الدقيق في التيار في ملفات الجزء الثابت من خلال نظام تحكم إلكتروني والتفاعل مع المغناطيس الدائم للدوار لتحقيق تحويل فعال للطاقة الكهربائية إلى طاقة ميكانيكية. من الأجهزة الإلكترونية الاستهلاكية الصغيرة إلى المعدات الصناعية الكبيرة، ومن التطبيقات ذات الجهد المنخفض إلى أنظمة محركات BLDC بجهد 48 فولت، فإن محركات DC بدون فرش، بكفاءتها العالية وموثوقيتها العالية وأداء التحكم الممتاز، تقود التقدم التكنولوجي وتحسين كفاءة الطاقة في مختلف الصناعات. مع التطوير المستمر لتكنولوجيا التحكم الإلكتروني والمواد المغناطيسية الدائمة، يمكننا أن نتوقع أن محركات BLDC سيكون لها احتمال تطبيق أوسع وأداء أكثر تميزًا.

إذا كنت مهتمًا بمنتجاتنا أو لديك أي أسئلة، فلا تتردد في ذلكاتصل بناوسوف نقوم بالرد عليك خلال 24 ساعة.