المحرك الكهربائي ومبدأ عمله

يصعب تخيل عالم بدون محركات كهربائية. يتم استخدام المحركات في العديد من التطبيقات المتنوعة من الآلات المنزلية والصناعية، بدءًا من أصغر محرك موجود في ساعة الكوارتز إلى محرك يزيد قوته عن مليون حصان يعمل على تشغيل السفينة.

ما هو المحرك الكهربائي

المحرك الكهربائي (بالإنجليزية: Electric motor) هو آلة كهروميكانيكية تحول الطاقة الكهربائية إلى طاقة ميكانيكية. وينقسم إلى نوعين هما محركات التيار المتردد والمستمر.

عادةً ما يكون عدو المحرك هو الحرارة الزائدة في اللفات، يؤدي ارتفاع درجة الحرارة إلى انهيار الورنيش العازل للملفات عندما ينهار العزل يفشل المحرك. يحدث التسخين العالي نتيجة مرور تيار زائد أو التهوية غير الملائمة. يمكن أن يؤدي تراكم الغبار والأوساخ على المحرك او داخله إلى تقليل التهوية مما يزيد من الحرارة. ولهذا يجب توفير أجهزة حماية مناسبة للمحركات.

مبدأ عمل المحرك الكهربائي

يعتمد مبدأ عمل المحرك الكهربائي بشكل أساسي على تفاعل المجال المغناطيسي والكهربائي، جميع المغناطيسات لها قطب شمالي وجنوبي وكما تعلم أن الأقطاب “المتعاكسة” للمغناطيس تجذب بعضها البعض بينما الإقطاب المتماثلة تتنافر، تستخدم المحركات مبدأ الجذب والتنافر هذا للدوران.

يتم إنتاج مجال مغناطيسي في أي وقت يمر فيه تيار كهربائي عبر سلك بحسب قانون فاراداي. ولكن المجال المغناطيسي حول سلك مستقيم وحيد ليس قوياً جداً. ويمكن توليد مجال مغناطيسي أقوى عن طريق لف السلك عدة مرات. ويمكن الحصول على مجال قوي جدًا من خلال لف السلك حول قطعة من الفولاذ الخاص تسمى “الفولاذ الكهربائي”. وهذا ما يسمى بالمغناطيس الكهربائي (Electromagnet).

تشكل “مجموعات” الملفات الموضوعة في فتحات في مادة كهرومغناطيسية الجزء الثابت للموتور. وتسمى هذه اللفات بملفات العضو المنتج Armature Windings. وتسمى الملفات الموضوعة في الجزء المتحرك بملفات المجال Field Windings.

يتم تغذية ملفات المجال للعضو المتحرك بالتيار اللازم لتوليد مجال مغناطيسي وفي نفس الوقت يتم تغذية ملفات عضو المنتج بتيار مناسب وذلك من خلال الفرش، ويقوم هذا التيار بتوليد مجال مغناطيسي آخر هذا المجال يكون متعامداً مع المجال الناتج من ملفات المجال وهذان المجالان ثابتان في الهواء ونتيجة لذلك ينشأ عزم دوران يعمل على دوران العضو الدوار.

ومن الجدير بالذكر ان محركات التيار المتردد الحثية لا يتم تغذية ملفات العضو الدوار بالتيار، وتعمل بمبدأ الحث الكهرومغناطيسي.

اجزاء المحرك الكهربائي

تُستخدم أنواع كثيرة من المحركات الكهربائية في التطبيقات المختلفة، وليست كلها متشابهة. ومع ذلك، تحتوي جميع المحركات على بعض الأجزاء الأساسية، وأهمها العضو الثابت ويتكون من قلب مغناطيسي ويحتوي على ملفات نحاسية، والعضو المتحرك وهو الجزء الذي يدور في المحرك.

العضو الثابت (Stator): العضو الثابت هو قلب مغناطيسي مصفح laminated أي مقسم لشرائح رقيقة مضغوطة، ويحتوي على مجاري (فتحات) تحتوي على ملفات نحاسية، التيار الكهربائي المتدفق عبر هذه الملفات ينتج مجالًا مغناطيسيًا.

قد يتساءل البعض عن سبب استخدام القلب المصفح بدلاً من قلب حديدي كبير واحد فقط. والسبب هو تقليل التيارات الداوامية المستحثة في الجزء الثابت مما يؤدي إلى ارتفاع درجة حرارة المحرك وفقدان الطاقة.

العضو الدوار (Rotor): العضو الدوار هو الجزء الذي يدور ، وفي معظم المحركات لا يحتوي على لفات ويمتد عمود الدوران من أحد طرفي المحرك للتوصيل بالجهاز أو الآلة المدارة. بعض المحركات، لها عمود يمتد من كلا الطرفين. تحتوي محركات التيار المستمر (DC) وبعض محركات التيار المتردد (AC) على ملفات في العضو الدوار تسمى بالمنتج armatures. ويحتوي أحد طرفي المحرك على مبدل وفرش كربونية.

الفجوة الهوائية Air gap: توجد فجوة هوائية (فراغ) بين الجزء الثابت والدوار تسمح للعضو المتحرك بالدروان، وبما أنه من المعروف أن الهواء ينقل المجالات المغناطيسية بشكل سيئ، فلا يمكن للفجوة أن تكون كبيرة جدًا. وفي نفس الوقت لا يمكن أن تكون الفجوة الهوائية صغيرة جدًا نظرًا لأن الأجسام المعدنية تتمدد عند تسخينها وعندما يصبح الجزء الدوار ساخنًا لن يكون هناك مساحة كافية لتدويره داخل الجزء الثابت.

المبدل Commutator: يعد جزءًا مهمًا في محركات التيار المستمر إذ يعمل على تحويل التيار المتردد الداخل إلى المحرك إلى تيار مستمر.

عمود الدوران (Shaft): يمتد من أحد أطراف المحرك عمود دوراني إلى الخارج ينقل عزم الدوران من المحرك إلى التطبيق المراد تحريكه.

البيرينج Bearings: تعمل على حمل عمود الدوران وتسمح للعمود بالدوران بحرية وتوجد أنواع مختلفة منها الأسطوانة والكروية.

إطار المحرك Frame: يعمل على حمل وتثبيت أجزاء المحرك ويحمي الأجزاء الداخلية من تأثيرات البيئة المحيطة. ويعمل الإطار أيضًا على نقل الحرارة الناتجة داخل المحرك إلى الهواء المحيط. تحتوي بعض المحركات على زعانف للمساعدة في التخلص من الحرارة بشكل أسرع.

الصندوق الطرفي (Terminal Box): يوجد في الجزء العلوي من المحرك صندوق يحتوي على أطراف الموصلات المستخدمة لتوصيل المحرك بالتيار الكهربائي. كما أنه يعمل على حماية الموصلات من الماء والغبار والحماية من ملامسة الأجزاء الكهربائية الحية.

مروحة كهربائية (fan): تعمل على تبريد المحرك من ارتفاع درجة الحرارة الناتجة عن عمل المحرك، وتكون مثبتة على عمود الدوران من الجهة الأخرى، وكلما زادت قدرة المحرك زاد حجم المروحة، ويوجد حولها غطاء لحماية المروحة، وأيضًا لتوجيه تدفق الهواء الناتج عن المروحة فوق جسم المحرك. وفي الوقت نفسه، تحمي البشر والحيوانات من ملامسة المروحة الدوارة.

لوحة البيانات nameplate: توفر لوحة البيانات المعلومات الضرورية لمواصفات المحرك مثل القدرة والجهد والتيار. قد تحتوي أيضًا على مخططات لتوصيل وعكس المحرك.

أنواع المحركات الكهربائية

تنقسم المحركات إلى نوعين رئيسيين هما محركات التيار المستمر ومحركات التيار المتردد والتي تنقسم إلى المحركات التزامنية والحثية، وتعد المحركات الحثية أكثر الأنواع استخدامًا.

محركات التيار المتردد

هي محركات تعمل بالتيار المتردد ويوجد منها محركات أحادية الطور ومحركات ثلاثية الطور وتنقسم إلى نوعين: المحركات الحثية، والمحركات التزامنية.

المحرك الحثي أو التحريضي (Induction Motor) هو المحرك الأكثر استخدامًا ومن الأمثلة محركات ضخ المياه. سرعة دوران المحرك الحثي ثابتة إلى حد ما، ولكنها تتغير قليلًا مع زيادة التحميل. عندما يتم تحميل المحرك، فإن سرعته تنخفض قليلاً.

المحركات التزامنية (Synchronous Motors) هذا النوع غير شائع وقليل الإستخدام ويعمل بسرعة ثابتة بغض النظر عن الحمل على المحرك. عادة ما يكون للمحركات المتزامنة حديد التسليح. من التطبيقات الأكثر شيوعًا للمحرك المتزامن تحسين معامل القدرة وفي العقود الأخيرة قل استخدامه لهذا الغرض.

محركات التيار المستمر

يعمل محرك التيار المستمر (Direct-current Motor) على التيار المستمر وتستخدم محركات التيار المباشر في السيارات الكهربائية، وللتطبيقات التي تتطلب سرعة متغيرة. على الرغم من أن محركات التيار المباشر تتطلب تيارًا مستمرًا، إلا أن مصدر التغذية عادة ما يكون تيار مترد. ويوجد دائرة تقويم Rectifier في المحرك تعمل على تحويل التيار المتردد إلى مستمر .

المحرك العام (universal motor)

هذا النوع من المحركات يمكنه العمل على تيار مستمر أو مترد, ومن أكثر تطبيقاته شيوعًا هو في أدوات الطاقة مثل المثقاب الكهربائي electric drill.

استخدامات المحرك

يستخدم المحرك الكهربائي في تطبيقات واسعة وتشمل مختلف جوانب الحياة ولا يمكن الاستغناء عنها ومن أهمها ما يلي:

• السيارات الكهربائية.
• الأجهزة المنزلية كالغسالات والعصارات.
• أجهزة المثقاب الكهربائية.
• مضخات المياة.
• خطوط الإنتاج في المصانع.
• الرافعات الكهربائية.
• محركات السفن.