ما هو المحرك الصغير؟ استخدام المحرك الصغير (محركات الكوب المجوفة)

يشير المحرك الصغير  إلى اختلاف المبدأ والهيكل والأداء والوظيفة وما إلى ذلك عن المحرك التقليدي، كما أن الحجم وطاقة الإخراج محرك صغير جدًا. بشكل عام، القطر الخارجي للمحرك الصغير لا يزيد عن 130 مم، وتتراوح الطاقة بين مئات المللي واط ومئات الواط. لقد تم استخدامه على نطاق واسع في المعدات العسكرية والمدنية الحديثة ونظام التحكم الخاص بها، مثل التحكم في المدفعية، وتوجيه الصواريخ، والقيادة الأوتوماتيكية للطائرات، وأدوات الآلات CNC، والتحكم في النول بدون مكوك، والتحكم في ماكينة الخياطة الصناعية، والقياس عن بعد والتحكم عن بعد، ومعدات الصوت والفيديو، والأدوات الأوتوماتيكية وملحقات الكمبيوتر، وما إلى ذلك، وكلها تستخدم عددًا كبيرًا من المحركات الصغيرة.

اليوم، في التطبيقات العملية، تم تطوير المحركات الصغيرة من التحكم البسيط في البداية في الماضي، والغرض من توفير الطاقة، إلى التحكم الدقيق في سرعتها وموضعها وعزم الدوران وما إلى ذلك، خاصة في الأتمتة الصناعية وأتمتة المكاتب وأتمتة المنزل، وتستخدم جميعها تقريبًا تكنولوجيا المحركات وتكنولوجيا الإلكترونيات الدقيقة وتكنولوجيا إلكترونيات الطاقة مجتمعة مع منتجات الميكاترونكس. تعتبر الإلكترونات اتجاهًا حتميًا في تطوير المحركات الصغيرة.

2 مجال تطبيق المحرك الصغير (محرك كوب مجوف )

تدمج تكنولوجيا المحركات الدقيقة الحديثة عددًا من التقنيات العالية والجديدة مثل المحركات وأجهزة الكمبيوتر ونظرية التحكم والمواد الجديدة، وتنتقل من الحياة العسكرية والصناعية إلى الحياة اليومية. لذلك، ينبغي تكييف تطوير تكنولوجيا المحركات الدقيقة مع احتياجات تطوير الصناعات الأساسية وصناعات التكنولوجيا الفائقة. يستخدم المحرك الصغير بشكل رئيسي في الجوانب التالية:

2.1 المحركات الصغيرة الخاصة بالأجهزة المنزلية

من أجل تلبية متطلبات المستخدم بشكل مستمر والتكيف مع احتياجات عصر المعلومات، لتحقيق توفير الطاقة والراحة والشبكات والذكاء وحتى الأجهزة المنزلية للشبكة (أجهزة المعلومات المنزلية)، تكون دورة استبدال الأجهزة المنزلية سريعة جدًا، ويتم طرح متطلبات الكفاءة العالية والضوضاء المنخفضة والاهتزاز المنخفض والسعر المنخفض والسرعة القابلة للتعديل والذكاء للمحرك الداعم. تمثل المحركات الدقيقة للأجهزة المنزلية ما نسبته 8% من إجمالي عدد المحركات الدقيقة: بما في ذلك مكيفات الهواء، والغسالات، والثلاجات، وأفران الميكروويف، والمراوح الكهربائية، والمكانس الكهربائية، وآلات نزح المياه، وغيرها.

الطلب العالمي السنوي على 450 إلى 500 مليون وحدة (مجموعات)، هذه القوة الحركية ليست كبيرة، ولكنها متنوعة. اتجاهات تطوير المحركات الصغيرة للأجهزة المنزلية هي: ① ستحل المحركات غير المتزامنة ذات المغناطيس الدائم محل المحركات غير المتزامنة أحادية الطور تدريجيًا؛ ② تحسين التصميم، وتحسين جودة المنتج وكفاءته؛ ③ اعتماد هيكل جديد وتكنولوجيا جديدة لتحسين كفاءة الإنتاج.

2.2 المحرك الصغير لمعدات معالجة المعلومات

وشكلت معدات معالجة المعلومات ذات المحركات الدقيقة 29%: بما في ذلك إدخال المعلومات وتخزينها ومعالجتها وإخراجها وتوصيلها والوصلات الأخرى، بما في ذلك معدات الاتصالات. يحتاج العالم إلى 1.5 مليار (مجموعة) سنويًا، بشكل أساسي محركات التيار المستمر ذات المغناطيس الدائم، ومحركات التيار المستمر بدون فرش، والمحركات السائر، والمحركات المتزامنة الصغيرة، وما إلى ذلك. من المتوقع أن يصل الإنتاج السنوي للحواسيب الصغيرة (PC) الذي يبلغ حوالي 100 مليون وحدة في عام 2000، 2005 إلى 200 مليون وحدة، لدعم المكونات الرئيسية للطلب على المحركات الصغيرة، والمتطلبات المرتفعة بشكل متزايد. معظم هذه المحركات عبارة عن محركات دقيقة ذات مغناطيس دائم بدون فرش ومحركات سائر دقيقة.

خصائصها واتجاهات التنمية هي:

(1) منتجات استثمارية عالية هذا النوع من المحركات لديه متطلبات عالية جدًا لاستقرار السرعة وتدفق العمود الدوار، لذا فإن هذا النوع من المحركات عبارة عن مزيج من تكنولوجيا التصنيع المتقدمة وتكنولوجيا إلكترونيات الطاقة الناشئة للتكنولوجيا الفائقة والمنتجات الاستثمارية العالية، والتي تتركز بشكل عام في التطوير والإنتاج الدولي للشركات الكبيرة.

(2) التصغير والتقشير من أجل تلبية احتياجات التصغير وقابلية نقل منتجات المعلومات، تم طرح متطلبات التصغير والتقشير للمحركات الداعمة لها.

(3) سرعة عالية مع التحسين المستمر لكثافة تخزين الأجهزة الطرفية للكمبيوتر، من المطلوب أن تكون سرعة المحرك الداعم أعلى من 8000r/min.

2.3 محرك صغير للسيارات

وشكلت المحركات الصغيرة للسيارات 13%، بما في ذلك مولدات التشغيل، ومحركات المساحات، ومحركات تكييف الهواء ومراوح التبريد، وعدادات السرعة الكهربائية، ورافعات النوافذ، ومحركات قفل الأبواب. وفي عام 2000، بلغ إنتاج السيارات في العالم نحو 54 مليون سيارة، بمتوسط ​​15 محركاً لكل مركبة، وكان العالم بحاجة إلى 810 ملايين محرك.

التركيز على تطوير تكنولوجيا المحركات الصغيرة للسيارات:

(1) كفاءة عالية، قوة عالية، توفير الطاقة من خلال اختيار المواد المغناطيسية عالية السرعة وعالية الأداء، وسائل التبريد عالية الكفاءة وتحسين كفاءة وحدة التحكم وغيرها من التدابير لتحسين كفاءة تشغيلها.

(2) ذكي لتحقيق محرك ذكي وجهاز تحكم للسيارة، بحيث تعمل السيارة في أفضل حالة، لتحقيق الحد الأدنى من استهلاك الطاقة.

2.4 محرك صغير لمعدات الصوت

وشكلت المعدات الصوتية ذات المحركات الصغيرة 18%، بما في ذلك مشغلات الأسطوانات والمسجلات وأقراص الفيديو VCD وDVD. الطلب العالمي هو أكثر من 1 مليار وحدة سنويا. في الوقت الحاضر، يمثل الإنتاج المحلي حوالي 60٪، بشكل رئيسي محرك لف مطبوع، محرك قرص متعرج وما إلى ذلك.

2.5 محرك صغير لمعدات الفيديو

وشكلت أجهزة الفيديو ذات المحركات الصغيرة 7%، بما في ذلك الكاميرات والكاميرات وما إلى ذلك. الطلب العالمي السنوي هو 350 إلى 400 مليون وحدة (مجموعات)، مثل هذه المحركات دقيقة، والتصنيع والمعالجة أمر صعب، خاصة بعد الدخول الرقمي، طرح المحرك متطلبات أكثر تطلبًا.

2.6 محرك صغير للمحرك الكهربائي الصناعي والتحكم فيه

يمثل هذا النوع من المحركات الصغيرة 2٪، بما في ذلك أدوات الآلات CNC، والمناورات، والروبوتات، وما إلى ذلك. بشكل أساسي لمحرك سيرفو AC، ومحرك الطاقة السائر، ومحرك DC واسع السرعة، ومحرك AC بدون فرش، وما إلى ذلك. يحتوي هذا النوع من المحركات على العديد من الأصناف، ومتطلبات فنية عالية، وهو فئة من المحركات ذات الطلب المحلي الأسرع.

2.7 محرك صغير للأغراض الخاصة

ويمثل هذا النوع من المحركات حوالي 23%، بما في ذلك الطيران الفضائي والطائرات المختلفة والأسلحة والمعدات الآلية والمعدات الطبية وما إلى ذلك. هذه المحركات هي في الغالب محركات خاصة أو محركات جديدة، بما في ذلك المحركات التي تختلف عن المبدأ الكهرومغناطيسي العام من حيث المبدأ والهيكل وطريقة التشغيل، وخاصة المحركات المتزامنة منخفضة السرعة والمحركات التوافقية والمحركات ذات الزاوية المحدودة والمحركات فوق الصوتية ومحركات الميكروويف والمحركات السعوية والمحركات الكهروستاتيكية، وما إلى ذلك. من بينها، محرك الموجات فوق الصوتية ومحرك الميكروويف والمحرك السعوي والمحرك الكهروستاتيكي هي محركات خاصة تختلف عن المحركات العامة من حيث المبدأ والهيكل والتشغيل. يرتبط ظهور هذه المحركات وتطورها ارتباطًا وثيقًا بتطور التكنولوجيا الإلكترونية وتكنولوجيا التحكم.

3 تكنولوجيا المنتجات الجديدة للمحرك الصغير

مع التقدم المستمر للعلوم والتكنولوجيا والمتطلبات الجديدة للتطبيقات العملية، ظهرت مجموعة متنوعة من المحركات الصغيرة الخاصة التي تختلف عن المحركات الكهرومغناطيسية التقليدية. إنهم يتبنون مفاهيم وأساليب وهياكل ومبادئ تصميمية جديدة.

3.1 محرك بدون فرش مغناطيسي دائم

المحرك بدون فرش هو اتجاه تطوير المحرك الصغير، والذي تم تطبيقه في مجالات المعلومات والأجهزة المنزلية والصوت والفيديو والنقل وما إلى ذلك. مع التطور السريع لمواد المغناطيس الدائم وتكنولوجيا إلكترونيات الطاقة، يستمر الأداء في التحسن، ويستمر السعر في الانخفاض، وسيتم تطوير محرك بدون فرش، وسيكون الطلب كبيرًا أكثر فأكثر، مقارنة بالمحرك غير المتزامن العام، انخفض استهلاك طاقة المحرك بدون فرش الجديد بنسبة 30٪ ~ 35٪، لتلبية متطلبات الكفاءة العالية وتوفير الطاقة والصغيرة والوزن الخفيف.

على الرغم من أن سعر تكلفة المحركات بدون فرش أعلى من سعر المحركات غير المتزامنة، نظرًا لاستهلاك الطاقة المنخفض والكفاءة العالية وانخفاض تكاليف التشغيل، من وجهة نظر الحفاظ على الطاقة، لا بد أن تكون شعبية المحركات بدون فرش هي اتجاه التايمز. بدأت كبرى الشركات العالمية منافسة شرسة في مجال المحركات بدون فرش. لذلك، مع تحسين أداء المكونات والمواد، سيتم أيضًا تحسين أداء المحركات بدون فرش بشكل كبير، وستكون المنافسة في سرعة تطوير التكنولوجيا أكثر وضوحًا.

3.2 محرك بالموجات فوق الصوتية

محرك بالموجات فوق الصوتية (محرك بالموجات فوق الصوتية ، محرك بالموجات فوق الصوتية ، اختصار USM) هو استخدام التأثير الكهروإجهادي العكسي للمواد الكهرضغطية ، بحيث ينتج الجسم المرن (الجزء الثابت) في نطاق التردد بالموجات فوق الصوتية اهتزازات ميكانيكية مجهرية (تردد الاهتزاز أعلى من 20 كيلو هرتز) ، من خلال الاحتكاك بين الجزء الثابت والدوار (أو المتحرك) ، الاهتزاز المجهري للجزء الثابت إلى الدوران الكلي أحادي الاتجاه (أو المتحرك) (أو الحركة الخطية). إنه يكسر مفهوم المحرك التقليدي الذي يتم الحصول على السرعة وعزم الدوران من خلال التأثير الكهرومغناطيسي، وهو تقنية جديدة رائعة أخرى في تطوير تكنولوجيا المحركات الصغيرة.

بالمقارنة مع المحرك التقليدي، يتمتع المحرك بالموجات فوق الصوتية بسلسلة من المزايا: (1) هيكل بسيط، ويتكون من مكونين أساسيين: أجزاء الاهتزاز والأجزاء المتحركة؛ (2) عزم دوران حجم الوحدة كبير، وهو 10 أضعاف المحرك التقليدي من نفس الحجم؛ (3) أداء السرعة المنخفضة جيد، يمكن تعديل السرعة إلى الصفر، ويمكن إخراج عزم دوران كبير مباشرة بسرعة منخفضة؛ (4) عزم فرملة كبير، لا حاجة إلى فرامل إضافية؛ (5) وقت ميكانيكي صغير ثابت، أداء سريع جيد؛ (6) لا توجد مجالات مغناطيسية وكهربائية، ولا يوجد تداخل كهرومغناطيسي أو ضوضاء كهرومغناطيسية.

وفي الوقت الحاضر، حصلت العديد من الشركات في بعض الدول الأجنبية مثل اليابان على التطبيق العملي التجاري. تم استخدام منتجات جديدة من محركات الموجات فوق الصوتية من Canon وPanasonic وHitachi وغيرها من الشركات في الكاميرات المتقدمة وكاميرات الفيديو والأدوات البصرية. اتجاه تطوير تكنولوجيا المحركات بالموجات فوق الصوتية هو زيادة تحسين الكفاءة.

يعتمد محرك الموجات فوق الصوتية مبدأ وهيكلًا جديدًا، ولا يحتاج إلى مغناطيس وملفات، ولكنه يستخدم التأثير الكهرضغطي العكسي للمواد الكهرضغطية والاهتزاز بالموجات فوق الصوتية للحصول على الحركة والقوة (لحظة) مباشرة. وهي تكسر مفهوم المحرك بأن السرعة وعزم الدوران يتم الحصول عليهما عن طريق التأثير الكهرومغناطيسي حتى الآن، وهي تقنية عالية التقنية في طليعة العلوم العالمية الحالية. بسبب الموجات فوق الصوتية، يتمتع المحرك بالعديد من الخصائص التي لا يمتلكها المحرك الكهرومغناطيسي، على الرغم من أن اختراعه وتطويره يرجع إلى 20 عامًا فقط من التاريخ، ولكن في مجال الطيران والروبوتات والسيارات وتحديد المواقع الدقيقة والمعدات الطبية والآلات الدقيقة وغيرها من المجالات تم تطبيقها بنجاح.

3.3 محرك تحمل الضغط الديناميكي عالي السرعة

مع تطور منتجات المعلومات في اتجاه الكفاءة العالية والكثافة العالية والنحافة الدقيقة، فإن المحرك الدقيق بدون فرش ذو المغناطيس الدائم الذي يدعمه يتمتع بسرعة تصل إلى 8000 ~ 50000 دورة / دقيقة. كما ستحل محامل المحركات عالية السرعة محل المحامل العادية التقليدية بمحامل الضغط الديناميكي للتغلب على العديد من المشاكل التقنية الناجمة عن السرعة العالية. بالمقارنة مع محمل الكرة والمحمل العادي، فإن محمل الضغط الديناميكي له العديد من المزايا. يمكن أن يمنع تأرجح العمود غير المنتظم، ويحسن مقاومة الصدمات، والعمر الطويل، والضوضاء المنخفضة وما إلى ذلك.

يحتوي محرك تحمل الضغط الديناميكي على نوعين من السوائل والهواء، والسرعة العامة منخفضة مع محمل الضغط الديناميكي للسوائل، وسرعة عالية مع محمل الضغط الديناميكي للهواء. على الرغم من أنه لا تزال هناك بعض المشاكل التقنية التي يتعين حلها بشكل أكبر، فقد تم تأكيد اتجاه تطوير المحركات ذات الضغط الديناميكي عالي السرعة بشكل عام.

3.4 المحرك الخطي

مع التطور السريع لتكنولوجيا التحكم الآلي، أصبحت متطلبات دقة تحديد المواقع لمختلف أنظمة التحكم الآلي أعلى وأعلى، والمحرك الدوار التقليدي المقترن بمجموعة من آلية التحويل المكونة من أجهزة الحركة الخطية لا يمكنه تلبية متطلبات الدقة، المحرك الخطي المباشر هو أحد محتويات أبحاث تكنولوجيا محرك سيرفو الحديثة، المحرك الخطي هو أحد التقنيات الرئيسية. مجال تطبيق المحرك الخطي واسع أيضًا، في حالة الحاجة إلى الحركة الخطية للجهاز، فإن استخدام المحرك الخطي ذو الدفع المباشر سيكون متفوقًا على المحرك الدوار. يمكن تحسين دقة التحكم بسبب حذف آلية تحويل الحركة.

3.5 محرك فائق الصغر

تعد تكنولوجيا المحركات الدقيقة مجالًا جديدًا عالي التقنية لتكنولوجيا الأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة (MEMS) التي تم تطويرها في العشرين عامًا الماضية، والتي تتميز بتكنولوجيا الآلات الدقيقة القائمة على مادة السيليكون شبه الموصلة، المستخدمة لتصنيع الأجهزة ذات وظائف تحويل ونقل الطاقة في نطاق الحجم من المليمتر إلى الميكرون. لقد أحدث ظهور تقنية MEMS قفزة ثورية في تكنولوجيا التصنيع الميكانيكي التقليدي.

يتمتع المحرك الفائق الصغر بالمبدأ الكهروستاتيكي للمحرك الفائق الصغر والمحرك الكهرومغناطيسي الفائق، لأن المحرك الكهرومغناطيسي الفائق أكبر من عزم الدوران الكهروستاتيكي، وكفاءة التحويل العالية، والعمر الطويل، وقد تم تطبيقه في العديد من المجالات مثل المناظير الداخلية والروبوتات الدقيقة وما إلى ذلك. في الوقت الحاضر، استثمرت الولايات المتحدة واليابان وروسيا وألمانيا ودول أخرى الكثير من القوى العاملة والموارد المادية والمالية لإجراء البحث وتطبيق هذه التكنولوجيا، وحققت تقدمًا كبيرًا، وبعضها وصل إلى المستوى العملي. على سبيل المثال، طورت شركة توشيبا اليابانية وزنًا يبلغ 40 ملجم، وسرعة 60 ~ 1000 دورة / دقيقة، والجهد 1.7 فولت، وقطر 0.8 مم فقط في أصغر محرك صغير في العالم، مثل جامعة شنغهاي جياو تونغ تعمل أيضًا على تطوير محرك صغير قطره 1 مم. من المتوقع أنه مع تطوير وتطبيق تكنولوجيا التصنيع النانوي، سيتم أيضًا تطوير المحركات فائقة الصغر بشكل كبير، بحيث يكون لديها المزيد من مجالات التطبيق.

3.6 المحرك الجزيئي

ظهرت مع تطور MEMS، النظام الكهربائي النانوي (na2noelectromechanicalsystems، NEMS)، وقد تتراوح أحجام الميزات من بضع مئات إلى بضعة نانومترات، وبعضها له تطبيقات محتملة مهمة في مجال الطب الحيوي. ريكي ك. سونغ وآخرون. من جامعة كورنيل في الولايات المتحدة دمج محركًا جزيئيًا حيويًا واحدًا مع نظام غير عضوي نانوي لتشكيل جهاز ميكانيكي نانوي هجين يقوده محرك جزيئي. من خلال التحلل المائي لـ ATP (أدينوسين ثلاثي الفوسفات) في نظام نشط، يكون المحرك الجزيئي الحيوي (قطره أقل من 8 نانومتر وطوله 14 نانومتر) قادرًا على توليد عزم دوران أقصى يتراوح من 80 إلى 100 نيوتن متر، متوافق مع الحجم والثوابت الميكانيكية للهياكل الميكانيكية النانوية التي يمكن إنتاجها اليوم. ومن المتوقع أن تلعب هذه التقنية الجديدة دورًا في تنظيف الأوعية الدموية.

4 اتجاه تطوير المحركات الصغيرة

بعد دخول القرن الحادي والعشرين، تواجه التنمية المستدامة للاقتصاد العالمي قضيتين رئيسيتين ———— الطاقة وحماية البيئة، من ناحية، تقدم المجتمع البشري، أصبح لدى الناس متطلبات أعلى وأعلى لنوعية الحياة، وأصبح الوعي بحماية البيئة أقوى وأقوى، لأن المحرك الصغير لا يستخدم فقط في المؤسسات الصناعية والتعدين، ولكن يستخدم أيضًا في الصناعات التجارية والخدمية، وخاصة أن المزيد من المنتجات دخلت الأسرة في الحياة، وبالتالي فإن سلامة المحرك تعرض سلامة الملكية الشخصية للخطر بشكل مباشر؛ سيصبح الاهتزاز والضوضاء والتداخل الكهرومغناطيسي للمحرك خطرًا عامًا لتلويث البيئة. ترتبط كفاءة المحرك بشكل مباشر باستهلاك الطاقة وانبعاثات الغازات الضارة، وبالتالي فإن المتطلبات الدولية لهذه المؤشرات الفنية أصبحت أكثر صرامة، وقد جذبت انتباه صناعة السيارات في الداخل والخارج، من هيكل المحرك والعملية والمواد والمكونات الإلكترونية وخطوط التحكم والتصميم الكهرومغناطيسي والجوانب الأخرى لأبحاث الحفاظ على الطاقة، جولة جديدة من المنتجات للمحركات الصغيرة على أساس الأداء الفني الممتاز من ناحية أخرى، ستطبق المعايير الدولية ذات الصلة لغرض توفير الطاقة وحماية البيئة، وتعزيز التقدم التكنولوجي ذي الصلة، مثل المحرك الجديد الختم، وتصميم اللف، وتحسين هيكل التهوية والمواد المغناطيسية منخفضة الخسارة وعالية النفاذية، والمواد المغناطيسية الأرضية النادرة، وتكنولوجيا تقليل الضوضاء والاهتزاز، وتكنولوجيا إلكترونيات الطاقة، وتكنولوجيا التحكم، وتقليل تكنولوجيا التداخل الكهرومغناطيسي وغيرها من أبحاث التطبيقات.

في إطار فرضية تسريع اتجاه العولمة الاقتصادية، تولي البلدان المزيد من الاهتمام للقضيتين الرئيسيتين المتمثلتين في توفير الطاقة وحماية البيئة، وتعزيز التبادلات والتعاون التقني الدولي، وتسريع وتيرة الابتكار التكنولوجي، فإن اتجاه تطوير تكنولوجيا المحركات الصغيرة هو: (1) اعتماد التكنولوجيا العالية والجديدة وتطويرها في اتجاه الإلكترونية؛ (2) الكفاءة العالية وتوفير الطاقة والتنمية الخضراء؛ (3) إلى موثوقية عالية، وتطوير التوافق الكهرومغناطيسي؛ (4) انخفاض مستوى الضجيج، وانخفاض الاهتزاز، وانخفاض التكلفة، وتطوير الأسعار؛ (5) إلى تنمية متخصصة ومتنوعة وذكية.

بالإضافة إلى ذلك، المحرك الصغير هو نمطي، مركب، اتجاه ميكاترونكس ذكي وبدون فرش، لا يوجد قلب حديدي، اتجاه مغنطة دائمة، الجدير بالذكر بشكل خاص هو أنه مع تطبيق المحرك الصغير، تتغير البيئة، لا يمكن أن يكون المبدأ الكهرومغناطيسي التقليدي للمحرك راضيًا تمامًا. مع الإنجازات الجديدة للتخصصات ذات الصلة، بما في ذلك المبادئ الجديدة والمواد الجديدة، أصبح تطوير المحركات الصغيرة الخاصة ذات المبادئ غير الكهرومغناطيسية اتجاهًا مهمًا لتطوير المحركات.