مقارنة بين محرك الدفع المباشر ومحرك المؤازرة الدوار المزود بتروس: تقييم كمي لميزة التصميم: الجزء الأول

أهداف التعلم

• تقصر أنظمة المؤازرة الدوارة في العالم الحقيقي عن الأداء المثالي بسبب القيود التقنية.
• يمكن أن توفر أنواع عديدة من المحركات المؤازرة الدوارة فوائد للمستخدمين، ولكن لكل منها تحديات أو قيود محددة.
• توفر محركات المؤازرة الدوارة ذات الدفع المباشر أفضل أداء، لكنها أغلى ثمناً من محركات التروس.

لعقود طويلة، كانت المحركات المؤازرة المزودة بتروس من أكثر الأدوات شيوعًا في مجال الأتمتة الصناعية. توفر هذه المحركات تطبيقات تحديد المواقع، ومطابقة السرعة، والتحريك الإلكتروني، واللف، والشد، والربط، كما أنها تُطابق طاقة المحرك المؤازر مع الحمل بكفاءة. وهذا يثير التساؤل: هل يُعد المحرك المؤازر المزود بتروس الخيار الأمثل لتقنية الحركة الدورانية، أم أن هناك حلًا أفضل؟

في عالم مثالي، يجب أن يتمتع نظام المؤازرة الدوار بعزم دوران وسرعة تتناسب مع التطبيق، بحيث لا يكون المحرك كبيرًا جدًا ولا صغيرًا جدًا. كما يجب أن تتمتع تركيبة المحرك وعناصر النقل والحمل بصلابة التوائية لا نهائية وانعدام تام للارتداد. ولكن للأسف، لا ترقى أنظمة المؤازرة الدوارة في الواقع العملي إلى هذا المستوى المثالي بدرجات متفاوتة.

في نظام المؤازرة النموذجي، يُعرَّف رد الفعل العكسي بأنه فقدان الحركة بين المحرك والحمل الناتج عن التفاوتات الميكانيكية لعناصر النقل؛ ويشمل ذلك أي فقدان للحركة في علب التروس، والأحزمة، والسلاسل، والوصلات. عند تشغيل الآلة لأول مرة، سيتحرك الحمل في مكان ما ضمن نطاق التفاوتات الميكانيكية (الشكل 1أ).

قبل أن يتمكن المحرك من تحريك الحمل، يجب أن يدور المحرك لإزالة أي ارتخاء موجود في عناصر ناقل الحركة (الشكل 1ب). عندما يبدأ المحرك بالتباطؤ في نهاية الحركة، قد يتجاوز موضع الحمل موضع المحرك، حيث يدفع الزخم الحمل إلى ما بعد موضع المحرك.

يجب على المحرك استعادة الحركة المفقودة في الاتجاه المعاكس قبل تطبيق عزم الدوران على الحمل لإبطائه (الشكل 1ج). يُطلق على هذا الفقد في الحركة اسم "الارتداد"، ويُقاس عادةً بالدقائق القوسية، أي ما يعادل 1/60 من الدرجة. غالبًا ما تتراوح مواصفات الارتداد في علب التروس المصممة للاستخدام مع محركات المؤازرة في التطبيقات الصناعية بين 3 و9 دقائق قوسية.

الصلابة الالتوائية هي مقاومة عمود المحرك وعناصر ناقل الحركة والحمل للالتواء عند تطبيق عزم الدوران. ينقل النظام ذو الصلابة اللانهائية عزم الدوران إلى الحمل دون أي انحراف زاوي حول محور الدوران؛ ومع ذلك، حتى عمود فولاذي صلب سيلتوي قليلاً تحت الحمل الثقيل. يختلف مقدار الانحراف باختلاف عزم الدوران المطبق، ومادة عناصر ناقل الحركة، وشكلها؛ وبشكل بديهي، تلتوي الأجزاء الطويلة والرفيعة أكثر من الأجزاء القصيرة والسميكة. هذه المقاومة للالتواء هي ما يجعل النوابض الحلزونية تعمل، حيث يؤدي ضغط النابض إلى التواء كل لفة من السلك قليلاً؛ السلك الأكثر سمكًا يجعل النابض أكثر صلابة. أي صلابة التوائية أقل من اللانهائية تجعل النظام يعمل كنابض، مما يعني تخزين طاقة كامنة في النظام حيث يقاوم الحمل الدوران.

عند اجتماعها، يمكن أن تؤدي الصلابة الالتوائية المحدودة والارتداد إلى تدهور كبير في أداء نظام المؤازرة. يُسبب الارتداد عدم دقة في تحديد موضع عمود المحرك، وليس الموضع الذي استقر عنده الحمل بعد الارتداد. كما يُسبب الارتداد مشاكل في الضبط، حيث ينفصل الحمل عن المحرك ويتصل به لفترة وجيزة عند عكس اتجاه حركتهما. بالإضافة إلى الارتداد، تُخزن الصلابة الالتوائية المحدودة الطاقة عن طريق تحويل جزء من الطاقة الحركية للمحرك والحمل إلى طاقة كامنة، ثم تُطلقها لاحقًا. يُؤدي هذا التأخير في إطلاق الطاقة إلى تذبذب الحمل، ويُسبب الرنين، ويُقلل من أقصى مكاسب الضبط المتاحة، ويُؤثر سلبًا على استجابة نظام المؤازرة وزمن استقراره. في جميع الأحوال، يُؤدي تقليل الارتداد وزيادة صلابة النظام إلى تحسين أداء المؤازرة وتسهيل عملية الضبط.

تكوينات محركات المؤازرة ذات المحور الدوار

أكثر تكوينات المحاور الدوارة شيوعًا هو محرك سيرفو دوار مزود بمشفّر مدمج لتغذية الموضع، وعلبة تروس لمطابقة عزم الدوران وسرعة المحرك المتاحة مع عزم الدوران وسرعة الحمل المطلوبين. علبة التروس عبارة عن جهاز طاقة ثابتة، وهي النظير الميكانيكي للمحول الكهربائي المستخدم في مطابقة الحمل.

يستخدم تصميم مُحسّن للأجهزة محركًا دوارًا مؤازرًا ذو دفع مباشر، مما يُلغي عناصر النقل عن طريق توصيل الحمل بالمحرك مباشرةً. فبينما يستخدم تصميم المحرك المُسنّن وصلةً بعمود ذي قطر صغير نسبيًا، يربط نظام الدفع المباشر الحمل مباشرةً بحافة دوّارة أكبر بكثير. يُزيل هذا التصميم الارتداد ويُحسّن بشكل كبير الصلابة الالتوائية. يتوافق عدد الأقطاب العالي ولفائف عزم الدوران العالي في محركات الدفع المباشر مع خصائص عزم الدوران والسرعة لمحرك مُسنّن بنسبة 10:1 أو أعلى.