المحرك الكهربائي هو جهاز يستخدم لتحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة ميكانيكية، وهو عبارة عن محرك يعمل على مبدأ الكهرومغناطيسية، حيث يتم توليد الحركة الدورانية عند وجود تيار كهربائي في مجال مغناطيسي.
طريقة عمل المحرك الكهربائي
يعتمد المحرك الكهربائي على الطاقة المغناطيسية لإنشاء الحركة، وإذا جربت المغناطيس من قبل، فسوف تكون على دراية بالقانون الأساسي لجميع المغناطيسات، حيث تجذب المغناطيسات الأقطاب المختلفة وتتنافر الأقطاب المتشابهة.
إذا كانت نهايتا قطبان مغناطيسيان شماليتان وجنوبيتان، فإن الطرف الشمالي لأحد المغناطيسين سيجذب الطرف الجنوبي من المغناطيس الآخر، وهكذا يتم الجذب بينهما.
من جهة أخرى، سيؤدي القطب الشمالي للمغناطيس إلى انتفاض ضد القطب الشمالي لمغناطيس آخر، وبالمثل، سيتنافر القطب الجنوبي مع القطب الجنوبي. يحدث هذا التفاعل داخل المحركات الكهربائية، حيث يتم إنشاء قوى الجذب والتنافر.
تنشأ هذه القوة عند تمرير تيار كهربائي في حلقة من الأسلاك الموجودة في المجال المغناطيسي، مما يؤدي إلى دوران المحرك.
منذ اختراع المحرك الكهربائي، استخدم في مجموعة واسعة من التطبيقات، مثل المروحة والأدوات الكهربائية والأجهزة والمركبات الكهربائية والسيارات.
اختراع المحرك الكهربائي
على مر السنين، تطور المحرك الكهربائي بشكل واسع ويستمر في اللعب بدور رئيسي ومتزايد في مجتمعنا اليوم.
بدايات المحركات الكهربائية 1740
يعود ظهور المحرك الكهربائي إلى القرن الثامن عشر حيث بدأ الراهب والعالم الإسكتلندي البينديكتين أندرو جوردون في إجراء بعض الأبحاث والتجارب في هذا المجال.
واصل علماء آخرون مثل مايكل فاراداي وجوزيف هنريتطوير محركات كهربائية في وقت مبكر، وقاموا بتجربة المجالات الكهرومغناطيسية واكتشاف كيفية تحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة ميكانيكية.
أوّل محرك كهربائي 1834
في تاريخ محدد، اخترع توماس دافنبورت من ولاية فيرمونت أول محرك كهربائي رسمي يعمل بالبطارية، وكان هذا الاختراع أول محرك كهربائي يكفي لأداء مهمة، وقام باستخدام هذا الاختراع لتشغيل مطبعة صغيرة الحجم.
محرك التيار المستمر 1886
اخترع ويليام ستارجون أول محرك يعمل بالتيار المستمر، ويمكن أن يوفر طاقة كافية لتشغيل الآلات، ولكن لم يتم إنتاج أول محرك DC عملي حتى عام 1886، والذي يمكن أن يعمل بسرعة ثابتة تحت وزن متغير.
فرانك جوليان سبراغ هو مخترع المحرك الكهربائي، وكان اختراعه حافزا لاعتماد المحركات الكهربائية بشكل أوسع في التطبيقات الصناعية.
أواخر ثمانينيات القرن التاسع عشر
على الرغم من الاكتشاف العظيم لدافنبورت قبل عدة سنوات، إلا أن استخدام المحركات الكهربائية على نطاق واسع في المستوى التجاري لم يحدث لمدة 50 عامًا أخرى.
واصل العلماء والمهندسون تطوير أنواع مختلفة منالمحركات الكهربائية بهدف جعلها مناسبة للاستخدام في البيئات التجارية.
لم يمضِ وقت طويل حتى بدأ استخدام المحركات الكهربائية في جميع أنحاء الصناعة والمصانع والمنازل.
تطوير المحركات ثلاثية الطور 1891
في هذا العام، بدأت شركة جنرال إلكتريك في تطوير محركات ثلاثية الطور باستخدام تصميم الدوار المتعرج، وفي عام 1896، وقعت جنرال إلكتريك وويستنجهاوس اتفاقية ترخيص متبادلة.
استخدام المحركات اليوم
في القرن الحادي والعشرين، تستخدم المحركات الكهربائية AC وDC على نطاق واسع في الصناعات في جميع أنحاء العالم، وهي جزء لا يتجزأ من العديد من التطبيقات.
تصمم وتصنع حلول القيادة الفعالة لمجموعة واسعة من التطبيقات الصعبة باستخدام الأتمتة الصناعية والنقل والألواح الشمسية ومحركات بارفالوكس، بالإضافة إلى الكراسي المتحركة ومصاعد السلم التي تعمل بالطاقة
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
عادةً ما يتم توصيل التيارات إلى موصلات المحرك التي تتفاعل مع المجال المغناطيسي للجزء الثابت لتحويل الطاقة إلى طاقة ميكانيكية، وذلك لتدوير العمود.
- الجزء الثابت
يتم تحديد عزم أو قوة المحرك من خلال طول سلك المغناطيس الكهربائي في الجزء الثابت، وكذلك الجهد، حيث يعد الجزء المركزي من الدائرة الكهرومغناطيسية، ويحتوي قلب الجزء الثابت على صفائح معدنية رفيعة لتقليل استهلاك الطاقة.
- فجوة الهواء
تتمثل الفجوة الهوائية بين الدوار والجزء الثابت في زيادة تيار المغناطيس، وتعتبر المسافة بينهما عاملًا حاسمًا في تحديد الأداء، ويجب أن تكون صغيرة قدر الإمكان.
- الملف
تتكون اللفات من أسلاك ملفوفة حول قلب عادةً مغناطيسي حديدي ناعم، وتستخدم 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.
مشاكل المحركات الكهربائية
هناك عدد من المشاكل التي غالبًا ما يتم مواجهتها منذ اختراع المحركات الكهربائية.
- يتم توجيه الماء إلى المحرك بين ملفات الجزء الثابت أو الصندوق الطرفي والدائرة الكهربائية القصيرة، مما يمكن أن يؤدي إلى حرق المحرك، لذلك يجب تجنب دخول الماء إلى المحرك، وفي حالة استخدام المحركات في مناطق رطبة، يجب أن تكون مصنفة بتصنيف حماية الدخول (IP) المناسب.
- 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.
- تحدث مشاكل وأعطال في المحرك الكهربائي إذا لم يتم تشغيله لفترة طويلة، لذا من الأفضل تدوير عمود المحرك ربع دورة شهريًا.
- إذا دخل الغبار إلى ملفات الجزء الثابت أو الغلاف الطرفي، فقد يؤدي ذلك إلى حدوث قصر في الدائرة، لذلك يجب الحرص على نظافة المنطقة المحيطة بالمحرك واستخدام طرق لحماية دخول الغبار مثل (DIP).
- يجب أن تتوافق محركات المنطقة الخطرة مع نوع الخطر في تلك المنطقة، فعلى سبيل المثال، في حالة وجود أبخرة قابلة للاشتعال مثل البنزين، فإن المحركات الكهربائية تحتاج إلى حماية خاصة في الموقع الذي يتم استخدامها فيه، ويوجد طرق مختلفة لحماية محركات المنطقة الخطرة، ولكنها لا يمكن تحويلها لتناسب أنواع المخاطر الأخرى.
- يعتبر الدوران في الاتجاه المعاكس مشكلة شائعة، حيث يؤدي تغيير أي من الطرفين إلى تغيير اتجاه المحرك، لذا ينبغي دائمًا اختبار تشغيل المحرك الكهربائي للتحقق من الاتجاه بعد توصيله بالأسلاك.
- إذا كان عمود المحرك غيرموازي للعمود المباشر الذي يحركه، فسيؤدي ذلك إلى تدمير المحامل قبل أن يصل إلى نهاية عمره التشغيلي الكامل، لذلك يجب أن يكون عمود المحرك موازيًا للعمود المباشر، ويمكن تحقيق ذلك من خلال استخدام تقنيات المحاذاة الدقيقة مثل الليزر أو مؤشرات القرص المزدوج.
المحرك الكهربائي البسيط
يحتوي المحرك الكهربائي على مغناطيس كهربائي، وعند تشغيل التيار الكهربائي في هذا المغناطيس الكهربائي، ينشئ حقل مغناطيسي في المحرك يجذب ويطرد المغناطيسات في الجزء الثابت، ولذلك يدور المحرك بزاوية 180 درجة.
للحفاظ على دوران المحرك، يجب تغيير أقطاب المجال المغناطيسي الكهربائي، وتعمل الفرش على التعامل مع هذا التغيير في القطبية، حيث تتلامس مع قطبين دائريين متصلين بالمحرك، وتعكس القطبية المغناطيسية للمجال المغناطيسي أثناء دوران المحرك.
هذا الإعداد البسيط والرخيص للمحرك الكهربائي يعاني ويحتوي على العديد من المشاكل
- الفرشاة تبلى في النهاية.
- قد تحصل على شرار كهربائي.
- تحدد الفرشاة السرعة القصوى للمحرك.
- يتسبب وجود المغناطيس الكهربائي في وسط المحرك في صعوبة التبريد.
- يحدد استخدام الفرشاة عدد أعمدة المحرك