تحوّل المحركات الصغيرة للتيار المستمر الكهرباء ذات التيار المستمر إلى حركة ميكانيكية دقيقة من خلال الاستفادة من القوى الكهرومغناطيسية. ما يحدث في الأساس هو أنه عندما يمر التيار عبر المحرك الدوار (الذراع) داخل المحرك، فإنه يلتقي بحقل مغناطيسي، مما يخلق الحركة الدوارة التي نعرفها ونحبها. هذه المحركات الصغيرة قوية جدًا في الحالات التي يكون فيها المساحة محدودة ويجب أن تكون العزم دقيقًا، وهو ما يفسر سبب ظهورها في كل مكان بدءًا من الهواتف الذكية ووصولًا إلى المضخات الصغيرة في المعدات الطبية. تشير نظرة حديثة على أنظمة الحركة الصناعية من أوائل عام 2024 إلى أن هذه المحركات يمكن أن تصل كفاءتها إلى حوالي 90٪ عند عدم تشغيلها تحت أحمال كبيرة، ويرجع ذلك أساسًا إلى قلة الاحتكاك الذي يعيق الأداء أثناء الأحمال الخفيفة.
أربعة مكونات حاسمة تحدد عمل محرك التيار المستمر الصغير:
على عكس المحركات الأكبر حجمًا، فإن المحركات الصغيرة من نوع التيار المستمر تستخدم مواد خفيفة الوزن مثل المغناطيسات النيوديمية والفرش الكربونية لضمان المتانة. كما ورد في إرشادات هندسة المحركات ، يتم تحسين هذه المكونات لتقليل فقد الحرارة، مما يتيح التشغيل المستمر في المساحات الضيقة.
عندما يتعلق الأمر بالمحركات الصغيرة التيار المستمر، فإن التركيز غالبًا ما يكون على ضغط القدرة في مساحات ضيقة بدلًا من إنتاج كميات هائلة من عزم الدوران. خذ على سبيل المثال محركًا قياسيًا بجهد 12 فولت وبمدى قدرة يتراوح بين 3 وربما 50 واط، فإن هذه المحركات الصغيرة تدور عادةً بسرعة تتراوح بين 15 و200 دورة في الدقيقة. ومقارنةً بالمحركات الصناعية الأكبر حجمًا التي يمكنها التعامل مع طاقة أكبر بكثير، وغالبًا ما تتجاوز 1 كيلوواط، إلا أنها تحتاج إلى أنظمة تبريد كبيرة لمنع ارتفاع درجة الحرارة. ما يجعل المحركات الصغيرة مفيدة جدًا هو طبيعتها المدمجة. فهي لا تحتاج إلى أجزاء إضافية مثل المراوح الخارجية التي تتطلبها المحركات الأكبر، ولهذا السبب يحب المهندسون استخدامها داخل جميع أنواع المعدات حيث تكون المساحة عاملاً مهمًا. وفقًا لبعض الأبحاث المنشورة العام الماضي في مجلة كهروميكانيكية، فإن هذه المحركات الأصغر تعمل بهدوء بنسبة تقارب 40 بالمئة مقارنةً بإخواتها الأكبر حجمًا. ويصبح هذا التشغيل الهادئ مهمًا جدًا في التطبيقات مثل أجهزة المستشفيات أو الأجهزة الاستهلاكية، حيث لا أحد يريد أصوات طنين مزعجة تنبعث من آلاتهم.
تعمل محركات التيار المستمر الصغيرة عن طريق تحويل الكهرباء إلى حركة فعلية استنادًا إلى ما يُعرف بقوى لورنتز. في الأساس، عندما تمر الكهرباء عبر أسلاك النحاس الموجودة داخل المحرك (والتي نسميها ملفات العضو الدوار)، فإنها تُولِّد مجالاً مغناطيسيًا. ثم يتداخل هذا المجال مع المغناطيسات الدائمة المثبتة على الجزء الخارجي من هيكل المحرك. ما يحدث بعد ذلك أمرٌ مثيرٌ بالفعل؛ فالمجالات المغناطيسية تدفع بعضها البعض مُولِّدة عزمًا يُدوِّر عمود المحرك بزاوية قائمة بالنسبة لاتجاه تدفق الكهرباء واتجاه خطوط المجال المغناطيسي. وللحفاظ على استمرار الدوران بسلاسة، تنتقل الكهرباء من فُتات الحفاز الكربونية إلى جزء يُعرف باسم المحول. يقوم هذا الجزء بتحويل التغذية الكهربائية إلى أقسام مختلفة من لفائف العضو الدوار، مما يجعل المحرك يستمر في الدوران باستمرار بدلاً من التوقف بعد دورة واحدة.
يؤدي نظام المبدّل والفرش وظيفتين حاسمتين:
بدون هذا التبديل المتزامن، فإن المحركات الصغيرة التيار المستمر ستتوقف بعد جزء من الدورة. تُظهر أبحاث الديناميكا الكهربائية الحديثة أن التصاميم المُحسّنة للمبدّلات تقلل من التوهج بنسبة 40%، مما يطيل عمر الفرش في التطبيقات ذات الجهد 12 فولت.
تنظم علاقات رئيسية أداء المحركات الصغيرة للتيار المستمر:
| المعلمات | التأثير على الأداء | مراعاة التصميم |
|---|---|---|
| الجهد (6-24 فولت) | متناسبة طرديًا مع سرعة عدم التحميل | الحدود الحرارية عند الفولتية الأعلى |
| تيار | يحدد عزم الدوران الناتج (T = kΦI) | قطر السلك ومواد الفرشاة |
| التدفق المغناطيسي | يؤثر على العزم وقوة الدفع العكسية (back EMF) معًا | اختيار درجة المغناطيس |
تبلغ المحركات الصغيرة ذات التيار المستمر بدون لب سرعات تزيد عن 10,000 دورة في الدقيقة مع اهتزازات ضئيلة، في حين تضحي المحركات المسننة كوكبية السرعة بعزم دوران مضاعف يصل إلى 15 مرة. وتُحافظ التصاميم الفعالة على تحويل طاقة يتجاوز 80٪ عبر نطاق تشغيلها.
تعمل المحركات الصغيرة المستمرة المزودة بفرش على الفحم والموصلات لإنشاء التوصيلات الكهربائية. وهي بسيطة ورخيصة نسبيًا عند النظر إليها للوهلة الأولى، ولهذا السبب تُستخدم في أشياء مثل غسالات الملابس وأجهزة توزيع الوجبات الخفيفة التي نراها في كل مكان. ولكن هناك عيب رئيسي: تتآكل الفرش مع مرور الوقت، وبالتالي تحتاج هذه المحركات إلى فحص دوري واستبدال القطع التالفة. وهذا يؤثر بشكل كبير على عمرها الافتراضي قبل أن تتوقف تمامًا عن العمل. من ناحية أخرى، فإن المحركات المستمرة بدون فرش (المعروفة اختصارًا باسم BLDC) تتخلص من كل هذه المكونات الميكانيكية من خلال التبديل الإلكتروني. وبما أن الاحتكاك يختفي، يمكن لهذه المحركات أن تعمل بكفاءة أعلى بكثير، حيث تصل كفاءتها أحيانًا إلى حوالي 90%. ويُفضّل مصنّعو المعدات الطبية هذه المحركات لأنها قادرة على العمل باستمرار دون انقطاع لآلاف الساعات دون أن تتوقف. وثمة وحدات معروفة بأنها وصلت إلى علامة 10,000 ساعة وما زالت تعمل بكفاءة.
دمج التروس الكوكبية أو المتسلسلة مع محركات تيار مستمر صغيرة يضاعف عزم الدوران مع الحفاظ على أبعاد مضغوطة. تعتبر المحركات المُسَنَّنة التي تُنتج عزم دوران يصل إلى 2.5 نيوتن متر مثالية لتنظيم زجاج السيارات، والمشغلات الصناعية، والروبوتات حيث يكون الحركة العالية القوة في مساحات محدودة أمرًا بالغ الأهمية.
تتخلّص التصاميم بدون لب من النواة الحديدية في الدوار، مما يقلل من القصور الذاتي بنسبة 50٪ لتحقيق دورة انطلاق وإيقاف سريعة في الطائرات المُسيرة والأطراف الاصطناعية. وتتميز محركات الطراز الرقيق بمحارات مسطحة تصل سماكتها إلى أقل من 15 مم، مما يتيح دمجها في الأجهزة القابلة للارتداء وأجهزة الاستشعار المصغرة.
عند العمل مع محركات تيار مستمر صغيرة، يجب أن تتطابق جهودها المقدرة مع مصدر الطاقة الذي نقوم بتوصيلها به. تعمل معظم النماذج التجارية بشكل أفضل بين 6 فولت و24 فولت. إذا قمنا بتمرير جهد أعلى من اللازم عبر هذه المحركات، فإنها عادة ما تسخن بسرعة كبيرة. وعلى الجانب الآخر، فإن تشغيلها بأقل من الحد الأدنى للجهد يجعلها أضعف لأنها لا تستطيع إنتاج عزم كافٍ. يتناسب مقدار التيار المستخدم من قبل المحرك طرديًا مع شدة العمل الذي يقوم به. فالأحمال الأكبر تعني تدفق تيار أكثر عبر النظام، مما يؤدي بشكل طبيعي إلى زيادة استهلاك الطاقة وإنتاج الحرارة. دعونا ننظر إلى بعض الأرقام للتوضيح: خذ محركًا قياسيًا بجهد 12 فولت يستهلك حوالي 1.6 أمبير، وهذا يعطي تقريبًا 19.2 واط من إخراج القدرة. إن فهم هذه المواصفات يساعد المهندسين على اختيار المحرك المناسب للعملية. فقد تكون المحركات الصغيرة كافية للمهام البسيطة أو الألعاب، لكن هناك حاجة لمحركات أكبر في المعدات المصانع حيث يكون التشغيل المستمر هو العامل الأكثر أهمية.
تتراوح كفاءة المحركات الصغيرة التيار المستمر عادة بين 70 و90 بالمئة، على الرغم من أن هذا قد يختلف تبعًا لعوامل متعددة تشمل الاحتكاك داخل المحرك، والمقاومة في اللفات، والفُقدان المرتبط بالحقول المغناطيسية. عندما تعمل هذه المحركات باستمرار عند درجات حرارة تتجاوز 60 درجة مئوية (حوالي 140 فهرنهايت)، توجد خطر حقيقي من فشل العزل أو فقدان المغناطيسات الدائمة لشدتها. هنا تلعب إدارة الحرارة الجيدة دورًا حاسمًا. أشياء مثل الغلاف المصمم خصيصًا لمساعدة في تبديد الحرارة أو ببساطة تحسين طريقة حركة الهواء حول المحرك يمكن أن تطيل بشكل كبير من عمره قبل الحاجة إلى الاستبدال. في الواقع، تولد النسخ بدون فرشاة من هذه المحركات حرارة أقل لأنها لا تحتوي على تلك الفرشاة التي تسبب احتكاكًا. بالنسبة للتطبيقات التي يكون فيها الموثوقية أمرًا بالغ الأهمية، مثل المعدات الطبية، غالبًا ما تستمر النماذج بدون فرشاة لأكثر من 5000 ساعة من التشغيل المستمر دون مشاكل.
المحركات الصغيرة التيار المستمر ذات الفُرشاة تعمل عمومًا لمدة تتراوح بين 1000 و3000 ساعة تشغيل قبل أن تبدأ الفُرش في التآكل، في حين يمكن للمحركات الخالية من الفُرش أن تتجاوز بسهولة 10000 ساعة. عند تركيب هذه المحركات في أماكن تحتوي على الكثير من الغبار العالق أو مستويات الرطوبة مرتفعة، فإنها تستفيد بشكل كبير من استخدام محامل مغلقة ومكونات مصنوعة من مواد مقاومة للصدأ والتدهور. يتطلب استمرار تشغيلها بسلاسة بعض الصيانة الأساسية أيضًا. إن تنظيف أسطح المبدّل بانتظام والتأكد من تزييت جميع الأجزاء المتحركة بشكل مناسب يساهم كثيرًا في الوقاية من الأعطال المفاجئة في خطوط الإنتاج الآلية. بالنسبة للمركبات والمعدات النقل الأخرى، غالبًا ما يحدد المصنعون محركات تحمل تصنيف حماية غلاف IP54. وهذا يعني أنها قادرة على تحمل انسكاب الماء والأوساخ دون السماح لدخول الرطوبة إلى الداخل، وهو ما يستوفي متطلبات معظم المصنّعين للتشغيل الموثوق به في الظروف القاسية.
نحن نعتمد على المحركات الصغيرة للتيار المستمر في جميع أنواع الأشياء اليومية دون أن ندرك ذلك. فكّر في أجهزة التنبيه الموجودة في هواتفنا عندما نتلقى إشعارات، أو الرؤوس الدوارة في فرشاة الأسنان الكهربائية، أو المراوح الصغيرة التي تبردنا خلال أيام الصيف الحارة. ما الذي يجعل هذه المحركات رائعة إلى هذا الحد؟ إنها صغيرة بدرجة كافية لتُدخل في الأجهزة المحمولة، ومع ذلك فإنها تعمل بكفاءة من البطاريات. بالنسبة لشيء معقد مثل الطائرة المسيرة (Drone)، تساعد هذه المحركات المصغرة في الحفاظ على التوازن في الجو وتسمح للكاميرا بالتحرك بسلاسة من جانب إلى آخر. ونفس التكنولوجيا هي التي تُشغّل أنظمة الجيمبال التي يحبها المصورون كثيرًا. شيء مثير للإعجاب حقًا إذا ما وضعنا في الاعتبار مدى صغر حجمها الفعلي!
تعتمد المجالات الطبية بشكل كبير على محركات التيار المستمر الصغيرة هذه التي تُشغّل جميع أنواع المعدات الأساسية في الوقت الراهن، بدءًا من أنظمة توصيل الأنسولين وصولاً إلى أدوات الجراحة الروبوتية وحتى الطاولات القابلة للتعديل في غرف التصوير بالرنين المغناطيسي. يمكن لهذه المحركات الصغيرة الحفاظ على إخراج طاقة ثابت حتى عند التشغيل البطيء، وهو أمر بالغ الأهمية لضمان الجرعة الصحيحة من الدواء عبر خطوط التسريب الوريدي. وتكون الإصدارات الخالية من الفرشاة مفيدة بشكل خاص لأنها لا تولد الكثير من الضوضاء الكهربائية التي قد تتداخل مع المعدات الطبية الحساسة الأخرى القريبة. ومن المثير للاهتمام أن معظم أجهزة التشخيص المحمولة الموجودة اليوم تستخدم ما يُعرف بمحركات التيار المستمر الخالية من النواة. ولماذا؟ لأنها تعمل بهدوء شديد لدرجة أن المرضى نادرًا ما يلاحظون تشغيلها أثناء الفحوصات والاختبارات.
تحتوي السيارات الحديثة في الواقع على حوالي 30 إلى 50 محركًا تيارًا مستمرًا صغيرًا تعمل خلف الكواليس. وهي تقوم بالتعامل مع مجموعة من الأمور التي نعتبرها أمرًا مفروغًا منه، مثل تعديل النوافذ الكهربائية، وتذكّر مواضع المقاعد، والتحكم في فتحات نظام التدفئة. ومع ذلك، فإن الأنظمة الأحدث تصبح أكثر إثارة للاهتمام. فالشركات المصنعة بدأت الآن بتركيب محركات تيار مستمر بدون فُحم (Brushless) في أنظمة مساعدة السائق المتقدمة، لأداء مهام مثل الحفاظ على المحاذاة الصحيحة للرادار، وطي المرايا تلقائيًا عند الوقوف. كما أن هذه المحركات الصغيرة القوية قادرة على تحمل درجات حرارة قاسية جدًا، حيث تعمل بشكل موثوق سواء كانت درجة الحرارة شديدة البرودة عند 40 مئوية تحت الصفر أو حارّة جدًا حتى 150 درجة مئوية. وتجعل هذه الدرجة من المتانة منها خيارًا مثاليًا لجميع الظروف الجوية دون أن تتعرض للتلف.
تحتاج المحركات الصغيرة التيار المستمر إلى تشغيل كل شيء بدءًا من تلك الروبوتات الصناعية المتطورة التي تقوم بمهام التقاط-ووضع، وصولاً إلى مشاريع أردوينو الأساسية. يمكن أن تكون بعض هذه المحركات صغيرة جدًا، حيث تتوفر نماذج تناسب مساحة لا تتجاوز 6 مم في القطر. وفيما يتعلق بأداء المهام، فإن إصدارات المحركات المسننة تضاعف العزم بنحو 200 مرة، ما يعني أنها قادرة بسهولة على رفع أوزان تبلغ حوالي 5 كجم في الذراعيات الروبوتية. ومن ثم هناك محركات الأقراص المسطحة التي تدور بسرعة فائقة، وتصل إلى سرعات تبلغ 10,000 دورة في الدقيقة في تطبيقات حفر لوحات الدوائر المطبوعة. تأتي معظم منصات الروبوتات مفتوحة المصدر الآن مع خيارات محركات تيار مستمر وحداتية تتميز بنقاط تركيب قياسية. وقد ساهم هذا بلا شك في تسريع العمل بالنسبة للمهنيين وهواة البناء على حد سواء. ويستغرق التصنيع النموذجي وقتًا أقل بنسبة 40٪ تقريبًا عما كان عليه سابقًا عند استخدام هذه المكونات القياسية بدلًا من بناء حلول مخصصة من الصفر في كل مرة
أخبار ساخنةحقوق النشر © 2025 من قبل شركة تشانغوي ترانسميشن (جيانغسو) المحدودة — سياسة الخصوصية
EN
