مبدأ عمل المحرك الكهربائي يعتمد على التفاعل الكهرومغناطيسي لتحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة ميكانيكية. فعندما يمر تيار كهربائي في موصل داخل مجال مغناطيسي، تتولد قوة مغناطيسية تؤثر في الموصل.
وعند ترتيب الموصلات والملفات داخل المحرك بطريقة مناسبة، تتحول هذه القوى إلى عزم دوران يحرك العضو الدوار. وتختلف طريقة إنتاج المجال المغناطيسي وتوليد العزم حسب نوع المحرك وتصميمه.
ما هو مبدأ عمل المحرك الكهربائي؟
يعتمد مبدأ عمل المحرك الكهربائي على التفاعل بين التيار الكهربائي والمجال المغناطيسي. فعند مرور التيار في موصل موجود داخل مجال مغناطيسي، تؤثر قوة مغناطيسية في الموصل.
يمكن حساب مقدار القوة المؤثرة على موصل مستقيم بالعلاقة:
F = BIL sin θ
حيث:
- F: القوة المغناطيسية المؤثرة على الموصل.
- B: كثافة الفيض المغناطيسي.
- I: التيار المار في الموصل.
- L: طول الموصل الموجود داخل المجال المغناطيسي.
- θ: الزاوية بين اتجاه التيار واتجاه المجال المغناطيسي.
تصل القوة إلى أكبر قيمة عندما يكون الموصل متعامدًا مع المجال المغناطيسي، بينما تنعدم عندما يكون اتجاه التيار موازيًا للمجال.
أما اتجاه القوة، فيمكن تحديده باستخدام قاعدة اليد اليسرى لفليمنج للمحركات. وتشير السبابة إلى اتجاه المجال المغناطيسي، والإصبع الأوسط إلى اتجاه التيار التقليدي، بينما يشير الإبهام إلى اتجاه القوة والحركة.
كيف تتحول القوة إلى عزم دوران؟
لا يكفي وجود قوة مغناطيسية لتحريك محور المحرك. لذلك تُرتب الملفات داخل المحرك بحيث تؤثر قوى متعاكسة في جوانب مختلفة من الملف.
تنتج هذه القوى ازدواجًا يولد عزم دوران حول محور المحرك. ونتيجة لذلك يبدأ العضو الدوار في الحركة.
يمكن التعبير عن عزم الدوران لملف متعدد اللفات بالعلاقة:
τ = NIAB sin φ
حيث:
- τ: عزم الدوران.
- N: عدد لفات الملف.
- I: التيار المار في الملف.
- A: مساحة الملف.
- B: كثافة الفيض المغناطيسي.
- φ: الزاوية بين العمود المقام على مستوى الملف والمجال المغناطيسي.
يكون العزم أكبر ما يمكن عندما يكون مستوى الملف موازيًا للمجال المغناطيسي. أما عندما يكون مستوى الملف متعامدًا مع المجال، يصبح العزم صفراً.
ومع ذلك، لا يعني وصول ملف واحد إلى هذه الوضعية توقف المحرك بالكامل؛ لأن المحركات العملية تحتوي عادةً على عدة ملفات موزعة بطريقة تساعد على استمرار إنتاج العزم.
كيف يستمر المحرك الكهربائي في الدوران؟
إذا مر تيار ثابت في ملف واحد داخل مجال مغناطيسي، فقد يصل الملف إلى وضع تصبح فيه قيمة العزم صفراً. لذلك يحتاج المحرك إلى طريقة تحافظ على اتجاه العزم أثناء الدوران.
تختلف هذه الطريقة حسب نوع المحرك.
في محركات التيار المستمر ذات الفرش، يستخدم المبدل والفرش لتغيير اتجاه التيار في ملفات العضو الدوار في الوقت المناسب. وبذلك يستمر العزم في دفع العضو الدوار في اتجاه واحد.
أما في المحركات التي تعتمد على التبديل الإلكتروني، فتتولى الدوائر الإلكترونية التحكم في التيار المار في الملفات. وتستخدم المحركات الحثية والمتزامنة مجالًا مغناطيسيًا دوارًا بدلًا من الاعتماد على المبدل الميكانيكي.
مبدأ عمل محرك التيار المستمر DC
في محرك التيار المستمر التقليدي، يوجد مجال مغناطيسي ثابت نسبيًا تنتجه مغناطيسات دائمة أو ملفات مجال. ويمر التيار الكهربائي في ملفات العضو الدوار من خلال الفرش والمبدل.
عندما يمر التيار في ملفات العضو الدوار، تتولد قوى مغناطيسية على الموصلات. وتنتج هذه القوى عزم دوران يحرك العضو الدوار.
ومع دوران العضو الدوار، يغير المبدل توصيل الملفات في اللحظات المناسبة. ويساعد ذلك على المحافظة على اتجاه العزم.
لذلك يمكن التحكم في سرعة محرك DC من خلال تغيير الجهد، كما يمكن التحكم بها في بعض التطبيقات من خلال تغيير المجال المغناطيسي.
مبدأ عمل محرك التيار المستمر بدون فرش BLDC
يعمل محرك BLDC بطريقة تختلف عن محرك DC التقليدي. فهو لا يستخدم فرشًا كربونية أو مبدلًا ميكانيكيًا.
توجد ملفات المحرك في العضو الثابت، بينما يحتوي العضو الدوار عادةً على مغناطيسات دائمة. وتتحكم دائرة إلكترونية في توقيت مرور التيار داخل ملفات العضو الثابت.
وبذلك يتكون مجال مغناطيسي دوار يتفاعل مع مغناطيسات العضو الدوار، فينتج عزم دوران مستمر.
وقد يستخدم المحرك مستشعرات لتحديد موضع العضو الدوار، أو يعتمد على طرق إلكترونية لاكتشاف الموضع دون مستشعرات.
مبدأ عمل المحرك الحثي ثلاثي الطور
يعد المحرك الحثي ثلاثي الطور من أكثر أنواع المحركات استخدامًا في التطبيقات الصناعية.
عند تغذية ملفات العضو الثابت بتيار ثلاثي الطور، يتكون مجال مغناطيسي دوار. وتتحرك هذه المجال بسرعة تعرف بالسرعة التزامنية.
يمكن حساب السرعة التزامنية بالعلاقة:
ns = 120f / p
حيث:
- ns: السرعة التزامنية بوحدة دورة/دقيقة.
- f: تردد مصدر التغذية بالهرتز.
- p: عدد أقطاب المحرك.
عندما يمر المجال المغناطيسي الدوار بالقرب من موصلات العضو الدوار، يحدث تغير في الفيض المغناطيسي بالنسبة إلى هذه الموصلات. ووفقًا لقانون فاراداي، يتولد جهد مستحث يؤدي إلى مرور تيار في العضو الدوار.
بعد ذلك يتفاعل التيار المستحث مع المجال المغناطيسي الدوار، فتتولد قوى مغناطيسية تنتج عزم دوران.
لماذا لا يدور المحرك الحثي بسرعة المجال نفسها؟
يحتاج المحرك الحثي إلى وجود فرق في السرعة بين المجال الدوار والعضو الدوار حتى يستمر الحث الكهرومغناطيسي.
لذلك يدور العضو الدوار بسرعة أقل قليلًا من السرعة التزامنية. ويسمى الفرق النسبي بين السرعتين الانزلاق Slip.
ويُعد الانزلاق جزءًا أساسيًا من طريقة عمل المحرك الحثي، وليس مجرد فقد في السرعة.
في المحركات ذات القفص السنجابي، لا توجد حاجة إلى توصيل كهربائي مباشر بالعضو الدوار. إذ تتولد التيارات داخله بالحث الكهرومغناطيسي.
مبدأ عمل المحرك المتزامن
يستخدم المحرك المتزامن مجالًا مغناطيسيًا دوارًا في العضو الثابت، بينما يحتوي العضو الدوار على مجال مغناطيسي خاص به.
وقد يتكون مجال العضو الدوار من مغناطيسات دائمة أو من ملفات يتم تغذيتها بتيار مستمر، حسب تصميم المحرك.
عند وصول المحرك إلى حالة التزامن، يدور العضو الدوار بسرعة مساوية للسرعة التزامنية للمجال المغناطيسي.
ويحدث عزم الدوران نتيجة التفاعل بين مجال العضو الدوار والمجال المغناطيسي الدوار للعضو الثابت. وفي المحركات ذات المغناطيس الدائم، تميل أقطاب العضو الدوار إلى المحافظة على وضع مناسب بالنسبة إلى المجال الدوار.
ما هي القوة الدافعة الكهربائية العكسية Back-EMF؟
لا يقتصر عمل المحرك على تحويل الطاقة الكهربائية إلى حركة. فعندما يبدأ العضو الدوار في الدوران، تتحرك الموصلات داخل المجال المغناطيسي، وينتج عن ذلك جهد مستحث.
يسمى هذا الجهد القوة الدافعة الكهربائية العكسية Back-EMF، لأنه يتجه بطريقة تعاكس الجهد المطبق وفقًا لقانون لينز.
في نموذج محرك DC المبسط يمكن التعبير عن العلاقة بالصيغة:
V = E + IaRa
ومنها:
Ia = (V − E) / Ra
حيث:
- V: جهد التغذية.
- E: القوة الدافعة الكهربائية العكسية.
- Ia: تيار العضو الدوار.
- Ra: مقاومة دائرة العضو الدوار.
عند بدء تشغيل المحرك، تكون سرعته قريبة من الصفر، ولذلك تكون القوة الدافعة الكهربائية العكسية صغيرة جدًا. ونتيجة لذلك يمكن أن يرتفع تيار البدء بشكل كبير إذا لم توجد وسيلة للحد منه.
ومع ارتفاع سرعة المحرك، تزداد القوة الدافعة الكهربائية العكسية، فينخفض التيار في ظروف التشغيل المناسبة.
ما العلاقة بين التيار وعزم دوران المحرك؟
في العديد من المحركات، يرتبط عزم الدوران بالتيار والمجال المغناطيسي.
ففي محرك DC ذي المجال الثابت تقريبًا، يمكن تبسيط العلاقة إلى أن عزم الدوران يتناسب مع تيار العضو الدوار.
لذلك يؤدي زيادة الحمل الميكانيكي إلى حاجة المحرك إلى عزم أكبر، ويظهر ذلك عادةً من خلال زيادة التيار المسحوب من مصدر التغذية.
أما العلاقة الدقيقة بين التيار والعزم فتختلف حسب نوع المحرك وتصميمه وظروف تشغيله.
كيف تتحول الطاقة الكهربائية إلى طاقة ميكانيكية؟
يمكن تلخيص عملية تحويل الطاقة داخل المحرك الكهربائي في عدة مراحل:
- تصل الطاقة الكهربائية إلى ملفات المحرك.
- يتولد مجال مغناطيسي نتيجة مرور التيار في الملفات.
- يحدث تفاعل كهرومغناطيسي بين المجالات والتيارات.
- تتولد قوى مغناطيسية على الموصلات.
- تتحول هذه القوى إلى عزم دوران.
- يبدأ العضو الدوار في الحركة.
- يستمر إنتاج العزم باستخدام التبديل الميكانيكي أو الإلكتروني أو المجال المغناطيسي الدوار.
- تتولد قوة دافعة كهربائية عكسية أثناء الدوران في المحركات التي ينطبق عليها هذا المفهوم.
- تتحول الطاقة الكهربائية إلى طاقة ميكانيكية، مع وجود فاقد في صورة حرارة وصوت واحتكاك وفواقد مغناطيسية.
لذلك يمكن التعبير عن ميزان الطاقة بصورة مبسطة:
الطاقة الكهربائية الداخلة تضم الطاقة الميكانيكية الخارجة مع الفواقد
وتشمل الفواقد مقاومة الملفات، والفواقد في القلب الحديدي، والاحتكاك، وفقد التهوية، وغيرها حسب نوع المحرك.
ما الفرق بين مبدأ عمل أنواع المحركات الكهربائية؟
رغم اختلاف تصميم المحركات، فإن الهدف الأساسي واحد، وهو إنتاج عزم دوران من خلال التفاعل الكهرومغناطيسي.
| نوع المحرك | طريقة توليد العزم |
|---|---|
| محرك DC بفرش | تيار في ملفات العضو الدوار مع مجال مغناطيسي، مع تبديل المبدل |
| محرك BLDC | مجال دوار إلكتروني يتفاعل مع مغناطيسات العضو الدوار |
| المحرك الحثي | تيارات مستحثة في العضو الدوار تتفاعل مع المجال الدوار |
| المحرك المتزامن | تفاعل مجال العضو الدوار مع المجال المغناطيسي الدوار |
وهكذا، تختلف طريقة إنتاج المجال والتيار والتحكم في المحرك، لكن التفاعل الكهرومغناطيسي وإنتاج عزم الدوران يظلان أساس تشغيل المحركات الكهربائية.
الخلاصة
يعتمد مبدأ عمل المحرك الكهربائي على تحويل الطاقة الكهربائية إلى حركة ميكانيكية من خلال التفاعل بين التيارات والمجالات المغناطيسية.
في المحركات البسيطة، يولد التيار المار في الموصل قوة مغناطيسية وفق مبدأ قوة لورنتس. وعندما تُرتب الموصلات في ملفات مناسبة، تتحول هذه القوى إلى عزم دوران.
بعد ذلك تختلف طريقة استمرار الدوران حسب نوع المحرك. فمحركات DC تستخدم المبدل، بينما تعتمد محركات BLDC على التبديل الإلكتروني. أما المحركات الحثية والمتزامنة فتستخدم مجالًا مغناطيسيًا دوارًا بطرق مختلفة.
ولهذا نجد المحركات الكهربائية في تطبيقات كثيرة، من المراوح والمضخات المنزلية إلى المعدات الصناعية والمركبات الكهربائية.
المصادر:
