تُعد المحركات الصغيرة المستمرة التيار القوة الخفية التي تقود الابتكار في الإلكترونيات الاستهلاكية الحديثة. وتجعلها صغر حجمها وكفاءتها لا غنى عنها في الأجهزة المحمولة التي تتطلب تحكمًا دقيقًا في الحركة، بدءًا من أدوات العناية الشخصية وصولاً إلى أجهزة مراقبة الصحة القابلة للارتداء.
تُعد محركات التيار المستمر ذات المغناطيس الدائم مناسبة بشكل خاص للمساحات الضيقة التي يكون فيها كل مليمتر مهمًا، مثل السماعات اللاسلكية أو آليات الكاميرا الصغيرة داخل الهواتف الذكية. وتتخلص هذه المحركات من لفات الحقل الإضافية التي تستهلك الكثير من المساحة، ما يعني أنها يمكن أن تكون أصغر بنسبة تتراوح بين 20 و35 بالمئة مقارنةً بالطرازات الأقدم. وعلى الرغم من صغر حجمها، فإنها ما زالت قادرة على توليد عزم دوران يبلغ حوالي 15 ملي نيوتن متر وفقًا لاتجاهات تحكم الحركة من العام الماضي. ويكون المجمع بأكمله أرفع بكثير، لدرجة أن المهندسين يجدون في الواقع سهولة أكبر في العمل ضمن الحدود الصارمة التي تقل عن 10 مم والمطلوبة حاليًا من قبل هواتف الطي وغيرها من الأجهزة فائقة الرقة الموجودة في السوق الآن.
يستخدم أكثر من 87% من فرشاة الأسنان الكهربائية الفاخرة محركات تيار مستمر ذاتية الدفع (PMDC) بجهد 3–6 فولت مع علب تروس كوكبية مخصصة، وتُنتج ما بين 7,000 و30,000 اهتزازة في الدقيقة مع استهلاك لا يتجاوز 1.2–2.4 واط. وفي أجهزة تتبع اللياقة البدنية، تُمكّن المحركات غير المزودة بفرش (التيار المستمر) ذات القطر 4 مم أنظمة التغذية المرتدة اللمسية التي تعمل لأكثر من 18 شهرًا بواسطة بطاريات العملة.
يؤثر اختيار الجهد بشكل مباشر على أداء الجهاز وعمر البطارية:
| الجهد الكهربائي | مدة التشغيل النموذجية | التطبيقات الشائعة |
|---|---|---|
| 3 فولت | 6090 يوماً | الأجهزة القابلة للارتداء، وأجهزة استشعار الإنترنت للأشياء (IoT) |
| 5 فولت | 15-30 يومًا | ماكينات الحلاقة الكهربائية، وأدوات العناية الشخصية |
| 12V | 8–12 ساعة | المكانس اللاسلكية، والأدوات الكهربائية |
كما أُشير في تقرير تصميم الإلكترونيات الاستهلاكية لعام 2024، فإن محركات التيار المستمر بدون فرش بجهد 5 فولت أصبحت تهيمن الآن على 68% من تصاميم إكسسوارات الهواتف الذكية الجديدة نظرًا لتوافقها مع معايير الشحن السريع USB-PD.
المحركات الصغيرة التيار المستمر الموجودة في أجهزة الكمبيوتر هي بالفعل ما يجعل كل هذه الأجزاء المتحركة تعمل بدقة عالية. خذ على سبيل المثال مراوح التبريد، فهذه المحركات الصغيرة تمنع ارتفاع درجة الحرارة من خلال تنظيم تدفق الهواء بكفاءة، حيث تدور بسرعة تزيد عن 3000 دورة في الدقيقة مع بقائها خفيفة بما يكفي لعدم إضافة وزن غير ضروري. أما بالنسبة لأقراص التخزين الصلبة، فإن الشركات المصنعة تستخدم محركات صغيرة جدًا تعمل بالتيار المستمر لتدوير العمود الدوار بدقة، مما يساعد في تفسير سبب قدرة وحدات الحالة الصلبة الحديثة على نقل البيانات بسرعات مذهلة تصل إلى حوالي 210 ميغابايت/ثانية. ولا تنسَ الطابعات أيضًا! فهي تعتمد على محركات تيار مستمر من نوع المحركات الخطوية لتحريك الورق بدقة متناهية، بحيث تصل الدقة إلى نصف ملليمتر في تلك الطباعات عالية الدقة التي يحبها الناس كثيرًا.
ما زال محرك التيار المستمر ذو الفُرشاة شائعًا في الأجهزة الرخيصة نسبيًا، لأن تكلفته منخفضة في التصنيع، وغالبًا ما يتراوح سعره بين 2 إلى 5 دولارات لكل وحدة. ومع ذلك، فإن هذه المحركات لا تدوم طويلاً عند التشغيل المستمر، لأن الأجزاء الميكانيكية الداخلية تكون عرضة للتآكل بعد حوالي 1000 إلى 3000 ساعة من الاستخدام. من ناحية أخرى، تعمل محركات التيار المستمر بدون فُرش (BLDC) بشكل مختلف. فهي تتخلص تمامًا من الفُرش المعرضة للتآكل من خلال استخدام الإلكترونيات لتبديل التيار، ما يعني أنها يمكن أن تدوم لفترة أطول بكثير — غالبًا أكثر من 20,000 ساعة في المعدات المغلقة جيدًا مثل الأقراص الصلبة الخارجية. وقد أظهرت اختبارات حديثة أجريت في عام 2023 على 120 مروحة تبريد توقفت عن العمل نتيجة مثيرة للاهتمام: كانت محركات الفُرش تفشل بمعدل يقارب خمس مرات أكثر من نظيراتها بدون فُرش، ويرجع السبب الرئيسي إلى تراكم رواسب الكربون مع مرور الوقت.
نلاحظ حاليًا تحولًا كبيرًا نحو محركات التيار المستمر بدون فُحم (BLDC) في السوق الطرفي. فقد كانت معدلات الاعتماد تزداد باطراد، حيث بلغت حوالي 18٪ نموًا سنويًا منذ بداية عام 2020. والسبب؟ يرغب المزيد من الناس في أن تستهلك أجهزتهم أقل من 5 واط عند الخمول. خذ على سبيل المثال محطات الإرساء الجديدة عبر USB-C، والتي تستخدم بالفعل محركات لا كهربائية بجهد 12 فولت لتقوم بكل من الشحن ونقل البيانات في آنٍ واحد. ولكن ما هو أكثر إثارة للاهتمام هو كيف أن التصاميم المعيارية لمحركات BLDC تؤدي إلى تصغير الأحجام. فقد أصبح من الممكن الآن تصنيع الطابعات المحمولة بأبعاد أصغر بنسبة 15٪ دون التضحية بالأداء. ولا ننسَ أيضًا أن مستويات الضجيج بقيت حول 35 ديسيبل، مما يجعلها أكثر ملاءمة للمساحات المكتبية المزدحمة، حيث كان الطباعة المستمرة تُحدث إزعاجًا شديدًا في السابق.
توفر المحركات الصغيرة التيار المستمر الدقة والموثوقية في الإلكترونيات الهواةية، حيث تكون مصادر الطاقة المدمجة أمرًا بالغ الأهمية. وتُشكل هذه المحركات سيطرتها على ثلاث مجالات رئيسية:
إن حجمها الأصغر بنسبة 30٪ إلى 50٪ مقارنةً ببدائل التيار المتردد (اتجاهات الروبوتات 2023) يسمح بإدماجها في مساحات أقل من 2 سم³ – وهي نقطة بالغة الأهمية للتصاميم المصغرة.
بالنسبة للألعاب ذات الأسعار المعقولة الموجودة على رفوف المتاجر اليوم، فإن المحركات الكهربائية المستمرة ذات المغناطيس الدائم والمزودة بفرشاة ما زالت الخيار الأكثر شيوعًا لدى المصنّعين. تبلغ تكلفة إنتاج هذه المحركات أقل بنحو ثلثين مقارنةً بنظيراتها بدون فرش، مما يُحدث فرقاً كبيراً عندما تكون الهوامش الضيقة عاملاً حاسماً. كما أن متطلبات الجهد بسيطة نسبيًا، وغالبًا ما تعمل بشكل جيد مع خلايا الأزرار الصغيرة أو البطاريات الشائعة من نوع AA وAAA الموجودة في معظم المنازل. بالتأكيد، تحتوي هذه المحركات على فرش ميكانيكية تتآكل مع مرور الوقت، ما يجعل عمرها الافتراضي يتراوح بين 200 إلى 500 ساعة تشغيل تقريبًا. لكن بصراحة، هذا العمر كافٍ جدًا إذا أخذنا في الاعتبار المدة التي يلعب بها الأطفال عادةً بلعبة معينة قبل الانتقال إلى شيء جديد، وهي غالبًا ما تتراوح بين سنة إلى سنتين كحد أقصى.
تُعبَّأ مجموعات التعليم الحديثة في مجال العلوم والتكنولوجيا والهندسة والرياضيات (STEM) الآن بمحركات تيار مستمر بدون فُرش (BLDC) مزوَّدة بجميع أنواع الميزات المريحة. وتشمل معظمها سائقي محركات ملحومة مسبقًا، ووصلات إدخال قياسية بجهد 5 فولت و12 فولت، بالإضافة إلى أداء ممتاز مع تحكم السرعة باستخدام تعديل عرض النبضة (PWM). ما الذي يعنيه ذلك بالنسبة للطلاب؟ حسنًا، يصبح بناء روبوتات إنترنت الأشياء والأنظمة الآلية أسهل بكثير، حيث لم يعد من الضروري التعامل مع الدوائر المعقدة بعد الآن. كما أن التصميم الخالي من الفُرش يُعد ميزة كبيرة للمعلمين، لأن هذه المحركات لا تتطلب صيانة دورية حتى بعد شهور من الاستخدام المستمر داخل الصفوف الدراسية. فهي تستمر في العمل بكفاءة تبلغ نحو 85 بالمئة لأكثر من ألف ساعة متواصلة. وليس من المستغرب أن الموردين الرئيسيين في القطاع التعليمي قد بدأوا على نطاق واسع بإدراج هذه المحركات في خطوط منتجاتهم.
تعتمد المحركات الصغيرة التيار المستمر المزودة بفرش على فرش ميكانيكية قديمة الطراز جنبًا إلى جنب مع محول تبديل التيار لتوصيل الكهرباء من خلالها. ولكن دائمًا ما يكون هناك احتكاك معين في هذا النظام، مما يؤدي إلى خفض كفاءتها الإجمالية إلى حوالي 70 إلى 80 بالمئة كأقصى حد. بالإضافة إلى ذلك، فإنها غالبًا ما تُصدر ضوضاء ملحوظة أثناء التشغيل. وتُصلح المحركات بدون فرش كل هذه المشكلات من خلال استبدال الأجزاء القابلة للتآكل بوحدات تحكم إلكترونية بدلًا منها. فالاعتماد على عدم وجود تلامس مادي يعني تقليل التآكل على المكونات، كما ترتفع الكفاءة لتصل إلى ما بين 85 و95 بالمئة. وهذا يجعل المحركات بدون فرش خيارات رائعة متى ما كان التشغيل الهادئ أمرًا مهمًا. فكر في أجهزة مثل المعدات الطبية التي قد يشكل فيها الصوت الثابت مشكلة، أو حتى أجهزة الاستشعار الصغيرة الخاصة بالإنترنت للأشياء (IoT) التي تحتاج إلى أن تدوم لسنوات دون صيانة.
| مميز | محرك DC مفرش | Brushless dc motor |
|---|---|---|
| طريقة التبديل | فرش ميكانيكية | التحكم الإلكتروني |
| الكفاءة | ≈80% | ≈95% |
| مستوى الضوضاء | معتدلة إلى عالية | الحد الأدنى |
| العمر الافتراضي | 1,000–3,000 ساعة | 10,000–20,000 ساعة |
إن غياب قوس التلامس في النماذج بدون فرشاة يحسّن أيضًا السلامة في البيئات القابلة للاشتعال. ومع ذلك، تحتفظ المحركات ذات الفرشاة بمزايا من حيث التكلفة بالنسبة للمهام البسيطة والمتقطعة مثل آليات الألعاب أو المشغلات الأساسية.
عندما تُطابَق محركات التيار المستمر الصغيرة بشكل مناسب مع احتياجات النظام (مثل 3 فولت أو 5 فولت أو 12 فولت)، فإنها عادةً ما تستهلك طاقة أقل مع الحفاظ على نفس أداء العزم. ويمكن أن يكون الفرق كبيرًا جدًا؛ حيث تُظهر بعض الدراسات انخفاضًا بنسبة حوالي 20٪ في الطاقة المهدرة عند التنفيذ الصحيح. وتستخدم العديد من التصاميم الحديثة اليوم ما يُعرف بمقاومات PWM، والتي تتيح لهم التحكم في سرعة المحرك دون فقدان الكفاءة. وهذا يعني أن الأجهزة مثل الهواتف الذكية والأدوات الأخرى تعمل لفترة أطول بكثير بشحنة واحدة. مقارنةً بأنظمة الجهد الثابت القديمة، غالبًا ما تتحسن عمر البطارية بنسبة تتراوح بين 30٪ و40٪. خذ تقنية الأجهزة القابلة للارتداء على سبيل المثال، فالساعات الذكية الحديثة تعمل الآن على محركات 3 فولت خالية من الفُرش مُتحكَّم بها بواسطة PWM، ويمكنها العمل لأكثر من 50 ساعة باستخدام بطارية صغيرة جدًا من نوع زرية، وهو أمر كان مستحيلاً بالأساليب التقليدية.
في الوقت الحاضر، تُسيطر محركات التيار المستمر بدون فُرشاة (BLDC) على معظم التطبيقات منخفضة القدرة لأنها تعمل بكفاءة تتراوح بين 85 و92 بالمئة. وهذا يُعدّ أفضل بنسبة 25% تقريبًا مقارنةً بالمحركات التقليدية ذات الفُرشاة، ما يجعلها جذابة جدًا أمام المصنّعين. إن تقليل إنتاج الحرارة مهمٌ بوجه خاص في الإلكترونيات المغلقة مثل تلك الموجودة في أجهزة استشعار المنازل الذكية. حتى أن تقليل درجات الحرارة بمقدار درجة مئوية واحدة فقط داخل هذه الأجهزة يمكن أن يجعل المكونات تدوم ضعف المدة حسب الاختبارات الميدانية. ولكن الشيء الأكثر إثارة للاهتمام هو كيف سمح التحسن الأخير في تقنية المغناطيسات الأرضية النادرة بتحقيق محركات BLDC تعمل بجهد 5 فولت مواصفات ممتازة مثل عزم دوران 0.15 نيوتن متر بينما تدور بسرعة 20 ألف دورة في الدقيقة. هذا النوع من الأداء يستجيب للحاجات المتزايدة عبر قطاعات مختلفة تشمل المعدات الطبية وأجهزة إنترنت الأشياء، حيث أصبحت المحركات الصغيرة الحجم لكن القوية بشكل متزايد ضرورية.
تُعيد ثلاث ابتكارات تشكيل تقنية المحركات الصغيرة المستمرة التيار:
يتماشى التحول نحو محركات وحداتية مزودة بأجهزة استشعار مع توقعات الصناعة التي تتوقّع نموًا سنويًا بنسبة 17٪ في اعتماد محركات التيار المستمر عديمة الفرش (BLDC) في الإلكترونيات الاستهلاكية حتى عام 2028.
أخبار ساخنةحقوق النشر © 2025 من قبل شركة تشانغوي ترانسميشن (جيانغسو) المحدودة — سياسة الخصوصية
EN
