تعتمد محركات التيار المستمر التقليدية ذات الفرش (المستخدمة بشكل شائع في الألعاب الكهربائية والمراوح) على التلامس الميكانيكي الانزلاقي بين الفرش الثابتة (عادةً ما تكون كربونية) والموحد الدوار. يقوم هذا النظام تلقائيًا بعكس اتجاه التيار في ملفات العضو الدوار أثناء الدوران، مما يولد عزم دوران كهرومغناطيسي مستمر.
العضو الثابت هو الجزء غير المتحرك. في محرك التيار المستمر البسيط، يتكون من مغناطيس دائم على جانبي الهيكل (القطب الشمالي N باللون الأحمر على اليسار، والقطب الجنوبي S باللون الأزرق على اليمين)، مما ينتج مجالاً مغناطيسيًا أفقيًا يتجه من اليسار إلى اليمين.
العضو الدوار هو الجزء الذي يدور في المركز، وهو ملفوف بأسلاك نحاسية. عند تزويدها بالطاقة، تعمل هذه الملفات كمغناطيس كهربائي. وتتفاعل أقطابها المغناطيسية مع مغناطيسات العضو الثابت (الأقطاب المتشابهة تتنافر والأقطاب المختلفة تتجاذب)، مما يدفع العضو الدوار إلى الدوران.
يوجد قطعتان نحاسيتان نصف دائريتين للموحد على المحور تتصلان بأطراف الملفات. وتتصل فرشاتان كربونيتان ثابتتان على كل جانب بمصدر طاقة التيار المستمر. مع دوران العضو الدوار، تلامس قطع الموحد الفرش بالتناوب، مما يعكس اتجاه التيار في الملف تلقائيًا عند تجاوز النقطة العمودية الميتة للحفاظ على دوران مستمر.
في هذا النموذج التفاعلي، يوضح الجانب الأيسر المقطع الفيزيائي لمحرك التيار المستمر ذو الفرش، ويعرض الجانب الأيمن دائرة التوصيل الخاصة به. عند توصيل المحرك بمصدر تيار مستمر، يتدفق التيار عبر الفرش الثابتة إلى ملفات العضو الدوار، مما يولد عزم دوران كهرومغناطيسي. يدور العضو الدوار تحت تأثير الجذب المغناطيسي. في كل مرة يدور فيها العضو الدوار 180 درجة ويتجاوز الخط المركزي، تعبر الفجوات بين قطع الموحد الفرش، مما يعكس قطبية التيار المتدفق إلى الملفات. يضمن ذلك بقاء اتجاه عزم الدوران ثابتًا طوال عملية الدوران.
جاري التحميل...
| الخطوة | زاوية العضو الدوار | ملامسة الفرشاة (+) | ملامسة الفرشاة (-) | عزم الدوران الكهرومغناطيسي | تيار الملف |
|---|
الموحد عبارة عن مجموعة من قطع التلامس النحاسية (قطعتان في هذا النموذج المبسط) مثبتة على محور العضو الدوار وتدور معه. الفرش عبارة عن كتل كربونية ثابتة تضغط على الموحد بواسطة زنبركات. مع دوران العضو الدوار، تلامس الفرش قطعًا مختلفة بالتناوب. نظرًا لأن إحدى الفرش موجبة والأخرى سالبة، فإن اتجاه التيار عبر الملفات ينعكس ميكانيكيًا في كل مرة يمر فيها العضو الدوار بالنقطة الرأسية الوسطى. يضمن ذلك أن تتنافر وتتجاذب الأقطاب المغناطيسية للعضو الدوار مع مغناطيسات العضو الثابت باستمرار لتوليد عزم دوران في اتجاه عقارب الساعة.
هذه هي الميزة الكبرى لمحركات التيار المستمر ذات الفرش! يتم التعامل مع التوحيد ميكانيكيًا بالكامل بواسطة واجهة الفرشاة والموحد التي تعمل كـ مفتاح فيزيائي. ببساطة، يؤدي تطبيق جهد تيار مستمر على الأطراف إلى تشغيل المحرك باستمرار. لا يتطلب ذلك أي معالجات دقيقة (MCUs)، أو رقائق تشغيل (MOSFETs)، أو خوارزميات استشعار لموقع العضو الدوار، مما يجعل النظام رخيصًا وبسيطًا للغاية.
هناك ثلاثة عيوب رئيسية:
• تآكل الفرش وقصر عمرها الافتراضي: يؤدي الاحتكاس الانزلاقي المستمر بين الفرش والموحد إلى تآكل الفرش الكربونية بمرور الوقت، مما يتطلب صيانة أو استبدالاً دوريًا.
• الشرر والتداخل الكهرومغناطيسي (EMI): عند تبديل ملامسة الفرش، يحدث شرر كهربائي بسبب حث الملف. يولد هذا شرارات صغيرة (غير مناسبة للبيئات القابلة للانفجار) ويحدث ضوضاء كهربائية كبيرة تتداخل مع الإلكترونيات المجاورة.
• ضعف تبديد الحرارة والكفاءة: تقع الملفات المولدة للحرارة على العضو الدوار، مما يجعل من الصعب نقل الحرارة مباشرة إلى الهيكل الخارجي، وهو ما يحد من كثافة طاقة المحرك.
المبدأ الأساسي متطابق تمامًا. ومع ذلك، لمنع المحرك من الوقوف عند النقطة الميتة الرأسية 90 درجة (حيث لا يمكنه البدء من السكون)، عادةً ما تستخدم محركات الألعاب الفعلية عضوًا دوارًا ثلاثي الأقطاب (ثلاثة أسنان حديدية وثلاث قطع للموحد). يضمن هذا التصميم تزويد مرحلتين على الأقل بالطاقة عند أي زاوية، مما يسمح للمحرك بالبدء بشكل موثوق من أي موضع ثابت والعمل بعزم دوران أكثر سلاسة وانتظامًا.