كل ما تريد معرفته عن المحرك بدون فرش

 اليوم، هيمنت الأجهزة والأدوات الإلكترونية على الصناعات بأجمعها، فمن المتوقع أن نجد محركات كهربائية بدون فرش في العديد من أنظمة التحكم عن بعد مثل المروحيات الرباعية وطائرات الهليكوبتر والسيارات القابلة للتحكم عن بعد. من المثير للاهتمام أن نلاحظ أن المحرك الكهربائي بدون فرش DC قد تم اختراعه في منتصف القرن التاسع عشر، ويعود أول استخدام عام له إلى سنة 1962.

ما هو المحرك بدون فرش؟

المحركات بدون فرش هي في الواقع محركات كهربائية متزامنة يتم تحريكها بواسطة الطاقة الكهربائية. تتكون هذا النوع من المحركات من مغناطيسات تأخذ قوتها من التيار الكهربائي المباشر وتتسبب في دوران الجزء المتحرك داخل الجزء الثابت. من ناحية أخرى، يستخدم المحرك بدون فرش وحدة تحكم المحرك يعمل خطوة بخطوة بدلاً من الفرش والمبدّل. تقوم وحدة التحكم هذه بإنشاء دوران تتسبب في تحويل الطاقة الكهربائية إلى الطاقة الميكانيكية.

تاريخ المحرك بدون فرش

حتى الثمانينيات، كلما احتاج الأمر إلى التحكم في عزم الدوران والسرعة، كان محرك الفرشاة التقليدي هو الخيار الوحيد المتاح للمصنعين. يعود تاريخ هذا النوع من المحرکات الکهربائية للأدوات بشكل أساسي إلى تجارب مايكل فاراداي بين عامي 1830 و 1840، عندما نجح في إثبات أنه يمكن لسلك التيار الكهربائي أن يخلق مجالًا مغناطيسيًا دائريًا حوله. ثم استفاد علماء آخرون، مثل ويليام ستورجون وجوزيف هنري، من تجارب فاراداي وجعلوها خطة طريقهم ونجحوا في اختراع محرك فرشاة DC.

محركات الفرشاة تتميز بنطاق سرعة واسع نسبيا وتتنوع قوتها من عدة ميغاوات إلى عدة واط. تُستخدم محركات الفرشاة التقليدية بشكل أساسي في القطارات الكهربائية المتحركة وأجهزة تحريك الألواح الفولاذية والأشياء الثقيلة الأخرى والروبوتات وأجهزة الطباعة. يمكن أن نشير إلى ألعاب الأطفال وبعض أنظمة التحكم عن بعد مثل السيارة أو القارب القابل للتحكم كنماذج أخرى لاستخدامات محرك الفرشاة.

على الرغم من أنه يتم إنتاج محركات الفرشاة بسهولة وتقدّم إلى السوق بسعر رخيص، إلا أننا نجد لهذا النوع من المحركات عيوبا تجعلها أقل درجة بعد المحرك بدون فرش.

نذكر في ما يلي بعض أسباب ضعف محرك الفرشاة:

🟡 بعد إنتاج المحركات الجديدة، تبدو محركات الفرشاة وكأنها انخفضت سرعتها

🟡 تفقد الفرش الموجودة داخل المحرك جودتها بعد فترة بسبب البلى والاحتكاك وتحتاج إلى استبدالها بين حين وآخر.

🟡 للاتصال الميكانيكي بين الفرش والاحتكاك الناتج عنه، عواقب مثل هدر الطاقة الكهربائية وتوليد الحرارة، مما يقلل بشكل كبير من كفاءة المحرك ويقصر من عمره.

🟡 في الواقع، يحد استخدام الفرش من عدد الأعمدة التي يمكن أن يمتلكها عضو الإنتاج.

🟡 يصعب تبريد محرك الفرشاة ، لأن المغناطيس الكهربائي يقع في وسط المحرك.

حلّ المحرك بدون فرش محل محرك الفرشاة التقليدي وهذا بفضل كفاءته العالية للغاية، وعزم الدوران السريع والسلس، والعمر الطويل، وسرعة التشغيل العالية، ومعدل استخدامها في مختلف الصناعات، بما في ذلك المروحيات الرباعية الناقلة للكاميرا، الميزات التي تتسبب في كثرة استخدام المحرك بدون فرش، في حين أن استخدام هذا النوع من المحركات في الماضي كان محدودا للغاية بسبب السعر الغالي جدا لوحدات التحكم المعقدة المطلوبة لتشغيل المحرك.

مبادئ تشغيل المحرك بدون فرش

كما نعلم، يتم استخدام الفرشاة ووحدة تحكم المحرك في محركات الفرشاة التقليدية لنقل التيار الكهربائي إلى ملفات المحرك، وتنقل الفرشاة التيار الكهربائي إلى وحدة تحكم المحرك. أما بالنسبة للمحرك بدون فرش، فكما يبدو من اسمه،لانجد فرشاة.

فكيف يمكن نقل التيار الكهربائي إلى الملفات؟

النقطة المهمة هي أن هيكل المحرك بدون فرش ومحرك الفرشاة مختلفان بعض الشيء. لا توجد الملفات على الدوار في المحرك بدون فرش، على عكس محرك الفرشاة، بل المفات في المحرك بدون فرشاة تقع على الجزء الثابت، ويتكون الدوار من المغناطيس ليكون التيار المغناطيسي ثابتا فيه، فلا حاجة لنقل التيار الكهربائي إليه لتوفير التيار المغناطيسي.

🔴 سبب عدم حاجة المحرك بدون فرش إلى الفرشاة هو أن الملفات ثابتة وملفوفة حول الجزء الثابت ولاتتطلب أداء الفرشاة ووحدة تحكم المحرك.🔴

استخدامات المحرك بدون فرش

اليوم، يتم تثبيت أنواع المحركات الخالية من الفرشاة كمحرك رئيسي في العديد من أنظمة التحكم عن بعد مثل المروحية الرباعية، وطائرات هليكوبتر والسيارة والقوارب القابلة للتحكم.

يقلل المحرك بدون فرشاة بشكل كبير من الطاقة المطلوبة لأداء عمليات مختلفة، وبالتالي يزيد من الكفاءة الإجمالية للجهاز. من ناحية أخرى، تستخدم الأنظمة ذات البطاريات الصغيرة محركات بدون فرش لتقليل الضغط على البطارية وبالتالي زيادة عمرها الافتراضي. يُعرف المحرك بدون فرش كخيار مثالي للاستخدام في المكانس الكهربائية الروبوتية التي تتطلب وحدة تحكم في السرعة MCU، لأنه يوفر عزم دوران عالي جدا وينتج ضوضاء منخفضة للغاية.

عادة ما يتم إنتاج الأجهزة الصغيرة للمنزل والمطبخ بأعداد كبيرة. لهذا السبب، فإن الشركات المصنعة تهتم بشأن التكاليف والأسعار النهائية لمنتجاتها كثيرا. نتيجة لذلك، يُفضّل دائمًا استخدام المحرك بدون فرش ذو الأسعار المنخفضة على محرك الفرشاة لتقليل السعر النهائي للأجهزة الكهربائية الصغيرة والحفاظ على جودة المنتجات في نفس الوقت.

يعد الوزن الخفيف والقوة العالية للمحرك بدون فرش إحدى الميزات التي تجعله خيارًا مثاليًا لإنتاج الأدوات المحمولة مثل كمزيلات الثلج والمناشير. نظرًا إلى وجود العديد من الأجزاء الصغيرة في هذا النوع من العدد والأدوات في حين كل منها يؤدي بدوره إلى زيادة وزن الجهاز، فإن استخدام محرك أخف وزنا وأقوى لهذه الأدوات أمر مهم للغاية.

تُستخدم المحركات بدون فرش أيضًا في أجهزة أخرى، بما في ذلك Hard Drive والمراوح وآلات القهوة والمسدسات الحرارية (سشوار) والخلاطات وأجهزة CD و DVD.

ما هي الفروق بين المحرك بدون فرش ومحرك الفرشاة؟

يعمل المحرك بدون فرش ومحرك الفرشاة بنفس الأداء تقريبا، إلا أن الاختلاف الرئيس بين هذين النوعين من المحركات يرتبط بتصميماتها الفنية.
تُستخدم الفرش في محرك الفرشاة لنقل التيار الكهربائي إلى اللفات. بالطبع، تستخدم هذه الفرش وحدة تحكم المحرك لتوصيل التيار إلى الملفات، ووجود هذا الجزء ضروري بالنسبة لهم.
من ناحية أخرى، لا يحتاج المحرك بدون فرش إلى مكون عاكس، لأنه ينقل أقطاب الميدان المغناطيسي من خلال مكبر الصوت، والذي يتم تنشيطه بواسطة مكون آخر يسمى جهاز التبديل (commutating device).

🔰 لذلك، فإن غياب الفرش والمبدلات في المحرك بدون فرش واستبدالها (على التوالي) بمكبر الصوت وجهاز التبديل الذكي هو أول فرق أساسي بين هذا النوع من المحركات ومحرك الفرشاة.

قد نجد اختلافا مهما آخر في الملفات. يتم وضع الملفات في محرك الفرشاة على الدوار (الجزء المتحرك من المحرك) بينما يتم وضع الملفات في المحرك بدون فرش على الجزء الثابت من المحرك. من المثير للاهتمام معرفة أن وضع الملفات على الجزء الثابت يلغي الحاجة إلى الفرش ولاتؤثر إزالتها على أداء المحرك.

باختصار، الاختلاف الرئيس بين المحرك بدون فرش ومحرك الفرشاة هو أنه يتم استخدام ملفات ثابتة ومغناطيس دوار بدلا من المغناطيسات الثابتة والملفات الدوارة (الفرشاة). الميزة الرئيسية لهذا الهيكل هو عدم وجود احتكاك في المحرك بدون فرش، ونتيجة لذلك يتم تقليل الحرارة وزيادة الكفاءة الكلية للمحرك.

لم يُفضّل المحرك بدون فرش على محرك الفرشاة؟

على الرغم من الوزن الخفيف وصغر الحجم للمحرك بدون فش، إلا أن هذا النوع من المحركات أكثر كفاءة وموثوقية من نظيراتها التي تعمل بالفرشاة. من المثير للاهتمام معرفة أن معدل كفاءة المحرك بدون فرش عادة ما يتراوح بين 85 و 90 بالمائة، بينما يقدر نفس المعدل لمحرك الفرشاة بين 75 و 80 بالمائة.
بشكل عام، تعني كفاءة المحرك الأعلى أن المزيد من الطاقة الإجمالية المستخدمة بواسطة المحركات يتم تحويلها إلى قوة دورانية، وهذا يؤدي إلى فقدان طاقة أقل على شكل الحرارة.

FAQ :

🔘 ما هو المحرك بدون فرش؟
يتكون هذا النوع من المحركات من مغناطيسات تأخذ قوتها من التيار الكهربائي المباشر وتتسبب في دوران الجزء المتحرك داخل الجزء الثابت.

🔘 أين نجد المحركات بدون فرش؟
نجدها في العديد من الأدوات والأجهزة الكهربائية مثل طائرات الهليكوبتر الرباعية أو الدريلات وصواريخ الجلخ.

🔘 هل هناك عيوب للمحرك بدون فرش؟
نعم، التكلفة الأولية لإنتاج محرك بدون فرش عالية بسبب استخدام أجهزة التبديل الذكية.

الختام :

اليوم، مع زيادة الحاجات إلى الأجهزة والأدوات الكهربائية وهيمنتها على الصناعات جميعا، توجهت كثير من الشركات والعلامات التجارية الكبرى إلى استخدام المحرك بدون فرش في منتجاتها، لأن هذا النوع من المحركات تستخدم ملفات ثابتة ومغناطيس دوار بدلا من المغناطيسات الثابتة والملفات الدوارة مما يؤدي إلى تقليل الاحتكاك في المحرك ونتيجة لذلك تبديد حرارة المحرك بشكل أسهل وعدم مواجهة المشاكل التي تتابع الشرارات الناتجة عن أداء المحرك المستمر.

Ronix

7 ديسمبر 2021