كيف يعمل المحرك الكهربائي

المحرك الكهربائي هو جهاز يستخدم لتحويل الكهرباء إلى طاقة ميكانيكية، مقابل مولد كهربائي؛ حيث أنّ المحركات الكهربائية تعمل باستخدام مبادئ الكهرومغناطيسية، مما يدل على تطبيق القوة عند وجود تيار كهربائي في مجال مغناطيسي.

طريقة عمل المحرك الكهربائي

يستخدم المحرك الكهربائي المغناطيس لإنشاء الحركة؛ وإذا سبق لك وأنْ جربت المغناطيس، فأنت تعرف القانون الأساسي لجميع المغناطيسات؛ حيث أنّها تجذب الأضداد، وتتنافر فيها الأقطاب المتشابهة.لذلك إذا كان لديك قطبان مغناطيسيان مع نهايتيهما شمالًا، وجنوبًا، فإنّ الطرف الشمالي لأحد المغناطيس سيجذب الطرف الجنوبي من الآخر.من ناحية أخرى، فإنّ الطرف الشمالي لمغناطيس سيعمل على تنافر الطرف الشمالي لمغناطيس آخر، وبالمثل، فإن الجنوب سيتنافر مع القطب الجنوبي، وتتم هذه الحركة داخل المحركات الكهربائية ، وهي التي تخلق قوى الجذب والتنافر.تخلق هذه القوة عزمًا على حلقة من الأسلاك الموجودة في المجال المغناطيسي، مما يؤدي إلى دوران المحرك.منذ اختراع المحرك الكهربائي ، وهو يستخدم في مجموعة واسعة من التطبيقات، مثل المراوح، والأدوات الكهربائية، والأجهزة، والمركبات الكهربائية، والسيارات.[1]

اختراع المحرك الكهربائي

على مر السنين، تطور المحرك الكهربائي على نطاق واسع ولا يزال يلعب دورًا رئيسيًا، ومتزايدًا في مجتمع اليوم.بدايات المحركات الكهربائية 1740ظهرت البدايات الأولى للمحرك الكهربائي لأول مرة في أربعينيات القرن الثامن عشر، من خلال عمل الراهب والعالم الاسكتلندي البينديكتين أندرو جوردون.واصل علماء آخرون مثل مايكل فاراداي، وجوزيف هنري تطوير محركات كهربائية في وقت مبكر، وقاموا بتجربة المجالات الكهرومغناطيسية، واكتشاف كيفية تحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة ميكانيكية.أوّل محرك كهربائي 1834في هذا التاريخ اخترع توماس دافنبورت من ولاية فيرمونت أول محرك كهربائي رسمي يعمل بالبطارية، وكان هذا أول محرك كهربائي لديه طاقة كافية لأداء مهمة، واستخدم اختراعه لتشغيل مطبعة صغيرة الحجم.محرك التيار المستمر 1886اخترع ويليام ستارجون أول محرك يعمل بالتيار المستمر، يمكن أن يوفر طاقة كافية لقيادة الآلات؛ ولكن لم يتم إنتاج أول محرك DC عملي حتى عام 1886، والذي يمكن أن يعمل بسرعة ثابتة تحت وزن متغير.كان فرانك جوليان سبراغ مخترعها وكان اختراع المحرك الكهربائي هذا، هو الذي قدم الحافز لاعتماد أوسع للمحركات الكهربائية في التطبيقات الصناعية.أواخر ثمانينيات القرن التاسع عشرعلى الرغم من الاكتشاف العظيم لدافنبورت قبل عدة سنوات، لم يتم استخدام المحركات الكهربائية على نطاق واسع على المستوى التجاري لمدة 50 عامًا أخرى.واصل العلماء والمهندسون تطوير أنواع مختلفة من المحركات الكهربائية؛ بهدف جعلها مناسبة للاستخدام في البيئات التجارية.ولم يمض وقت طويل حتى بدأ استخدام المحركات الكهربائية في جميع أنحاء الصناعة وفي المصانع وفي المنزل.تطوير المحركات ثلاثية الطور 1891في هذا العام، بدأت شركة جنرال إلكتريك في تطوير محركات ثلاثية الطور، من أجل الاستفادة من تصميم الدوار المتعرج، وقعت جنرال إلكتريك وويستنجهاوس اتفاقية ترخيص متبادل في عام 1896.استخدام المحركات اليومفي القرن الحادي والعشرين، تُستخدم المحركات الكهربائية AC، و DC على نطاق واسع في الصناعات في جميع أنحاء العالم؛ وهي جزء لا يتجزأ من العديد من التطبيقات.من الكراسي المتحركة، ومصاعد السلم التي تعمل بالطاقة، إلى الأتمتة الصناعية، والنقل، والألواح الشمسية، وقادت محركات بارفالوكس المجال في تصميم، وتصنيع حلول قيادة فعالة لمجموعة واسعة من التطبيقات الصعبة. [2]

مكونات المحرك الكهربائي

تحويل الكهرباء إلى طاقة ميكانيكية هو عمل المحرك الكهربائي الصناعي، وتخلق المحركات إما قوة خطية أو دورانية؛ بينما يمكن تشغيل المحركات الكهربائية بواسطة مصادر التيار المباشر (DC) مثل البطاريات، فإنها غالبًا ما يتم تشغيلها بواسطة مصادر التيار المتردد (AC)، مثل المولدات أو شبكة الطاقة.فيما يلي المكونات الرئيسية للمحركات الكهربائية الصناعية:

الجزء المتحرك

يقوم بتحويل العمود من أجل تحويل الطاقة إلى طاقة ميكانيكية، عادةً ما يكون للمُحرك موصلات تحمل تيارات تتفاعل مع المجال المغناطيسي للجزء الثابت؛ من أجل تكوين قوة تُدير العمود.

الجزء الثابت

يتم تحديد عزم أو قوة المحرك من خلال طول سلك المغناطيس الكهربائي في الجزء الثابت، وكذلك الجهد؛ باعتباره الجزء المركزي من الدائرة الكهرومغناطيسية، ويحتوي قلب الجزء الثابت على صفائح معدنية رفيعة لتقليل استخدام الطاقة.

فجوة الهواء

تكون بين الدوار والجزء الثابت مما يزيد من تيار المغنطة، وتعد مسافة فجوة الهواء أمرًا حاسمًا في تحديد الأداء، ويجب أن تكون صغيرة قدر الامكان.

الملف

اللفات عبارة عن أسلاك ملفوفة حول قلب يكون عادةً مغناطيسًا حديديًا ناعمًا يستخدم لإنشاء، أو استقبال الطاقة الكهرومغناطيسية.

المبدل أو العاكس

هذه هي آلية التبديل التي تخلق انعكاسًا للتيار الكهربائي، وتطبق الطاقة على الماكينة؛ حيث يتناوب الدوار من عمود إلى آخر؛ حيث أنّه بدون انعكاس التيار، سيتوقف المحرك، وعادة ما يتكون المبدل من مقاطع حلقة انزلاقية معزولة عن بعضها البعض، وعن عمود المحرك، ويتم استخدام فرش أو آلية أخرى لتحويل التيار. [3]

مشاكل المحركات الكهربائية

هناك عدد من المشكلات التي غالبًا ما يتم مواجهتها منذ اختراع المحركات الكهربائية.

سينتقل دخول الماء إلى المحرك بين ملفات الجزء الثابت، أو في الصندوق الطرفي، ودائرة كهربائية قصيرة؛ الأمر الذي قد يحرق المحرك؛ لذلك يجب عدم السماح بدخول الماء إلى المحرك، وإذا كان سيتم استخدام المحركات في المناطق الرطبة، فيجب أن تكون ذات تصنيف حماية الدخول (IP) الصحيح.

يمكن أن يُسبب ارتفاع درجة الحرارة من تقليل حجم المحرك، والتبريد غير الكافي عند السرعة المنخفضة عند استخدام محركات متغيرة السرعة (VSD)، والتغيرات في الحمل على المحرك مثل المعدات المحشورة، والظروف المحيطة الساخنة، ولحل هذه المشكلة يمكن أن يتم تثبيت أجهزة الكشف عن درجة الحرارة (الثرمستور)، والإغلاق التلقائي، وكذلك يمكن توصيل مروحة معززة منفصلة؛ لمساعدة مروحة المحرك إلى حل مشكلة ارتفاع درجة الحرارة عند استخدام VSD للتحكم في سرعة المحرك.

تحصل مشاكل أعطال في المحرك الكهربائي الذي لا يتم تشغيله لفترة طويلة؛ لذلك أدر عمود المحرك ربع دورة شهريًا.

يؤدي دخول الغبار في ملفات الجزء الثابت، أو الغلاف الطرفي إلى حدوث قصر في الدائرة، إذا كان المحرك في بيئة متربة، فاحرص على نظافة المنطقة المحيطة بالمحرك أو استخدم طرق حماية دخول الغبار (DIP).

يجب أن تتوافق محركات المنطقة الخطرة مع نوع الخطر في المنطقة، فإنّ المحركات الكهربائية في أبخرة قابلة للاشتعال مثل البنزين، تحتاج الى حمايتها للموقع المحدد، وهناك طرق مختلفة لحماية محرك المنطقة الخطرة؛ولكن غير قابلة للتحويل عبر أنواع المخاطر.

الدوران في الاتجاه المعاكس مشكلة شائعة، حيث أنّ تغيير أي طرفين يؤديان إلى تغيير اتجاه المحرك، لذلك اختبر دائمًا تشغيل المحرك الكهربائي للتحقق من الاتجاه بعد توصيله بأسلاك.

سيؤدي اختلال محاذاة العمود إلى تدمير المحامل قبل فترة طويلة من عمرها التشغيلي الكامل؛ لذلك يجب أن يكون عمود المحرك موازيًا للعمود الذي يحركه مباشرة، ولا يمكن تحقيق ذلك إلا باستخدام تقنيات المحاذاة الدقيقة مثل الليزر، أو مؤشرات القرص المزدوج.[4]

المحرك الكهربائي البسيط

يحتوي المحرك الكهربائي على مغناطيس كهربائي، وعندما تقوم بتشغيل الكهرباء في هذا المغناطيس الكهربائي، فإنه يخلق حقلاً مغناطيسيًا في المحرك يجذب ويطرد المغناطيسات في الجزء الثابت؛ لذلك فإن المحرك يدور خلال 180 درجة.وللحفاظ على دورانه، عليك تغيير أقطاب المغناطيس الكهربائي؛ ويكون دور الفُرَش هو التعامل مع هذا التغيير في القطبية؛ بحيث أنّها تتلامس مع قطبين دائريين متصلان بالمحرك، ويقلبان القطبية المغناطيسية للمغناطيس الكهربائي أثناء دورانه.هذا الإعداد للمحرك الكهربائي يعمل وبسيط ورخيص التصنيع، لكن به الكثير من المشاكل:

الفرشاة تبلى في النهاية.

قد تحصل على شرار كهربائي.

تحدد الفرشاة السرعة القصوى للمحرك.

وجود المغناطيس الكهربائي في وسط المحرك يجعل التبريد أكثر صعوبة.

يضع استخدام الفرشاة حدًا لعدد أعمدة المحرك. [5]