المحركات الكهربائية

المحركات الكهربائية

بداية تطور المحركات ( نبذة تاريخية )

بدأ تطویر المحركات الكهربائية في بدایة القرن التاسع عشر باكتشاف المغناطيس الكهربائية .

ففي عام 1820 م، اكتشف الفیزیائي الكيميائي الدنمركي هانز كریستیان أورستد أن السلك الذي یمر فیه تیار كهربائي یولد حوله مجالا مغنطیسیًا. وفي العشرینیات من القرن التاسع عشر وجد عدد آخر من العلماء طرقاً لعمل مغناطيس كهربائية أقوى، وجعله عملیة بشكل أفضل. ففي عام 1825 م، قام كهربائي إنجلیزي یدعى ولیم ستیرجون بلف موصل حول قضیب حدیدي لینتج مغنطیسًا كهربائياً أقوى.

Hans Christian Ørsted

وفي أواخر العشرینیات من القرن التاسع عشر، أوضح الفیزیائي الأمریكيجوزیف هنري Joseph Henryأنه یمكن ابتكار مغنطیس كهربائي أكثر قوة بلف عدة طبقات من الأسلاك المعزولة حول قطعة من الحدید.

جوزیف هنريJoseph Henry

وفي عام 1831 م، قام الكیمیائي الفیزیائي الإنجلیزيمایكل فارادي بالعدید من التجارب التي تضمنت مغنطیسات وتیارات كهربائية. وفي إحدى التجارب، قام بتدویر قرص نحاسي بین قطبین مغنطیسیین على هيئة حدوة حصان. وعملت هذه المعدات مولدً بسیطًا، حیث ولدت جهداً كهربائياً بین المركز وحافة القرص النحاسي. ثم عرَّض فارادي مركز القرص وحافته لجهد كهربائي بینهما عندما كان القرص في حالة السكون، فبدأ القرص في الدَّوران. وكانت هذه الآلة البسیطة أول محرك كهربائي، ولكنها لم تكن ذات قوة كافیة لتقوم بعمل مفید، وكانت غیر مجدیة على الإطلاق. ولكن رغم ذلك كان فارادي قد أسس بها مبدأ المحرك الكهربائي - وهو أن الحركة المستمرة یمكن إنتاجها بإمرار تیار كهربائي خلال موصل في وجود مجال مغنطیسي قوي.

وفي عام 1873 م، ظهر أول محرك تیار مستمر ناجح تجاریا، حیث عرضه مهندس كهربائي بلجیكي یُدعى زینوب ثیوفیل جرام في فیینا وقدم جرام أیضاً حافظة من شأنه تحسین كفاءة المحركات والمولدات الكهربائية البدائیة.

Zénobe Gramme

وفي عام 1888 م، اخترع مهندس یدعى نیقولا تسلاNikola Teslaمحرك التیار المتناوب .

المخترع سلا هو صربي الاصل و ولد في سميلجان, كرواتيا (في عهد الامبراطورية النمساوية ( 10 يوليو 1856 - 7 يناير 1943) ونال الجنسية الأمريكية فيما بعد. عُرِفَ بسبب مساهماته الثورية في مجالالطاقه الكهرومغناطيسية في أواخر القرن التاسع عشر وبدايات القرن العشرين.

نيكولا تسلا Nikola Tesla

وفي بدایة القرن العشرین المیلادي، تم تطویر كثیر من المحركات الكهربائية المتقدمة. وفي العقد الأول من القرن العشرین، أجرى العدید من المهندسین والمخترعین تجارب مع المحركات الكهربائية الخطیة. فبدلا من الدوران تنتج مثل هذه المحركات موجة كهرومغنطیسیة تستطیع مباشرة تسییر عربة. وأصبح استخدام المحرك الخطي أكثر شیوعاً بفضل العمل الرائد للمهندس الكهربائي إیریك لیثویت في الخمسینیات والستینیات من القرن العشرین

الغرض من المحركات الكهربائة : تحویل الطاقة الكهربائية إلى طاقة حركیة

نظرية عمل المحرك الكهربائي: 

إذا مرتیار في كهربائيفي سلك متقاطع مع مجال مغناطیسي فان السلك یتأثر بقوة تعمل على تحریكه في اتجاه عمودي على كل من اتجاه المجال واتجاه التیار أو إذا مر تیار فيملفعلى شكل مستطیل متقاطع مع مجال مغناطیسي فان الملف یتأثر بعزم ازدواج یعمل على دورانه حول محوره

تركيب المحرك الكهربائي :

یشبه تركیب مولد التیار المستمر حیث یتركب من مغناطیس قوي على شكل حذاء الفرس قطباه متقابلان ملف مستطیل الشكل من سلك نحاسي معزول وعدد لفاته كبیر ملفوف طولیا حول قلب اسطواني من الحدید المطاوع مكون أقراص رقیقة معزولة للحد من التیارات الدوامیة وبحیث یكون الملف والقلب الحدیدي قابلان للدوران بین قطبي المغناطیس اسطوانة نحاسیة مشقوقة الى نصفین بینهما مادة عازلة ویتصلان بطرفي الملف ویدوران مع الملف ویجب أن یكون المستوى المار بالشق الفاصل لنصفي الاسطوانة عمودیا على مستوى الملف فرشتان من الكربون أو المعدن ثابتتان وتلامسان نصفي الاسطوانة أثناء دورانهم وتتصلان بقطبي البطاریة

كيفية عمل المحرك الكهربائي :

إذا بدء الملف من الوضع الذي یكون فیه مستواه موازیا لخطوط المجال تكون الفرشاة العلیا متصلة بالقطب الموجب وبتطبیق قاعدة فلمنج للید الیسرى على كل من الضلعین الطویلین للملف

قاعدة اليد اليسرىFleming hand

نجد أن الضلع العلوي یتحرك إلى الیسار كما یشیر السهم بینما الضلع السفلي یتحرك إلى الیمین ویمكنك استخدام المفتاح الأول - توقف - لتوقیف الملف في الوضع المذكور سابق بدوران الملف یقل عزم الازدواج تدریجیا لنقص البعد العمودي بین القوتین حتى یصبح مستوى الملف بعد 90 درجة عمودیا على خطوط المجال وهنا ینعدم عزم الازدواج ولكن الملف یستمر في الدوران بسبب القصور الذاتي حيث عندما یكون مستوى الملف عمودیا على خطوط المجال والفرشتان تلامسان الجزء العازل في الاسطوانة المشقوقة بعد 180 درجة یصبح مستوى الملف في مستوى المجال مرة أخرى ویتبادل نصف الاسطوانة موضعیهما بالنسبة للفرشتین وبالتالي ینعكس اتجاه التیار في الملف وینعكس اتجاه حركة الضلعین الطویلین ولكن الملف یستمر في الدوران في نفس الاتجاه الدائري ویكون عزم الازدواج نهایة عظمى مع استمرار دوران الملف یقل عزم الازدواج إلى أن یصل إلى الصفر عند 270 درجة ولكن الملف یستمر في الدوران بسبب القصور الذاتي یستمر الملف في الدوران في نفس الاتجاه إلى أن یصل عزم الازدواج إلى نهایة عظمى عن د 360 درجة وعندها یكون الملف قد دار دورة كاملة وهكذا تتكرر هذه العملیة وبذلك تتحول الطاقة الكهربائية إلى طاقة میكانیكیة

كيف تزيد من قدرة المحرك :

بزیادة عدد لفات الملف ولفها حول قلب من الحدید المطاوع المقسم إلى شرائح بینه مادة عازلة تقسم الاسطوانة المعدنیة إلى عدد من القطع ضعف عدد الملفات بحیث یفصل بین هذه القطع مادة عازلة

الكفاءة الميكانيكية للمحرك Mechanical efficient

هي النسبة المئویة لمعدل الشغل المیكانیكي الذي ینجزه المحرك إلى القدرة الكلیة المغذیة له

تزداد كفاءة المحرك كلما قلت مقاومة ملفاته الداخلیة.

المحرك الكهربائي :

المُحَرِّك الكهربائي آلة تحوِّل الطاقة الكهربائیة إلى قدرة میكانیكیة لإنجاز عمل . وتُستَخدم المحركات الكهربائیة لتشْغیل عدة آلات ومعدات میكانیكیة مثل غسالات الملابس وأجهزة التكییف والمكانس الكهربائیة ومجفِّفات الشعر وآلات الخیاطة والمثقاب الكهربائية والمناشیر . وتشغل أنواعٍ شتى من المحركات الأدوات المیكانیكیة، والروبوتات، وأیضاً المعدات التي تسهل العمل داخل المصانع . ویتنوع حجم وسعة المحركات الكهربائیة تنوعًا كبیرًا . فقد یكون جهازاً صغیراً یقوم بوظائفه داخل ساعة ید أو محرِّكاً ضخماَ یمد قاطرة ثقیلة بالقدرة . ففي الوقت الذي تحتاج فیه الخلاطات ومعظم أدوات المطبخ الأخرى لمحركات كهربائیة صغیرة لأنه تحتاج فقط لقدرة بسیطة، تتطلب القطارات استخدام محركات أكبر وأكثر تعقیدا، ذلك لأن المحرك في هذه الحالة علیه أن یبذل جهدًا كبیرًا في وقت قصیر . وبناء على نوع الكهرباء المستخدمة، هناك نوعان رئیسیان للمحركات :

1- محركات تعمل بالتیار المتناوب

2- محركات تعمل بالتیار المستمر . 

یعكس التیار المتناوب اتجاه سریانه خمسین أو ستین مرة في الثانیة . وهو التیار المستعمل في المنازل . وتستعمل محركات التیار المستمر أیضاً بشكل شائع في الأدوات المنزلیة . ویسیر التیار الم ستمر في اتجاه واحد فقط، ومصدره الرئیسيّ هو البطاریة . وتستخدم محركات التیار المستمر استخداماً شائعا لتشغیل المعدات المیكانیكیة في المصانع . كما أن هی ستخدم بادئ تشغیل في المحركات التي تعمل بالبنزین . وتعتمد المحركات الكهربائية على مغناطيس كهربائية لتنتج القوة اللازمة لإدارة الآلات أو المعدات المیكانیكیة . وتسمى الآلات أو المعدات التي تدار بالمحرك الكهربائي الحمل . ویُوصَّل عمود إدارة المحرك بالحمل.

مبادئ أساسية :

كیف یعمل المحرك الكهربائي یتكون المحرك الكهربائي أساسًا من مغنطیس ثابت وموصل متحرك. وتشكل خطوط القوى بین أقطاب المغنطیس مجالاً مغنطیسیًا ثابتًا. وعندما یمر تیار كهربائي خلال الموصل یصبح الموصل كهرومغناطیسیا وینتج مجالاً مغنطیسیًا آخر. ویقوي المجالان المغنطیسیان كل منهما الآخر ویدفعان ضد الموصل. یعتمد تشغیل المحرك الكهربائي على ثلاثة مبادئ رئیسیة:
1 یولِّد التیار الكهربائي مجالاً مغنطیسیا،

2 یحدد اتجاه التیار في المغنطیس الكهربائي موقع الأقطاب المغنطیسیة،

3 تتجاذب الأقطاب المغنطیسیة أو تتنافر مع بعضها. فعندما یمر تیارٌ كهربائيٌ خلال سلك یولّد مجالاً مغنطیسیًا حول السلك . وإذا تم لف السلك على هیئة ملف حول قضیب معدني، فإن المجال المغنطیسي یتعاظم حول السلك ویصبح القضیب المعدني ممغنطً ا. وهذا الترتیب للقضیب وسلك الملف هو مغنطیس كهربائي بسیط، وتعمل نهايتاه كقطبین شمالي وجنوبي . وإحدى الطرق التي توضح العلاقة بین اتجاه التیار والأقطاب المغنطیسیة هي قاعدة الید الیمنى. امسك سلكاً على هیئة ملف في یدك الیمنى، واعتبر هذا الملف مغنطیسً كهربائياً. لف أصابعك حوله بحیث تشیر إلى اتجاه التیار، عندها یشیر إصبع الإبهام إلى القطب الشمالي المغنطیسي ولا تنطبق هذه الطریقة إلا في حالة سریان التیار من الطرف الموجب إلى الطرف السالب . والأقطاب المغنطیسیة المتشابهة تتنافر كما هو الحال بالنسبة لقطبین شمالیین، والأقطاب المغنطیسیة المختلفة تتجاذب مع بعضها . فإذا تم تعلیق قضیب مغنطیسي بین طرفي مغنطیس على هیئة حدوة حصان، فإنه سیدور حتى یصبح قطبه الشمالي في مقابل القطب الجنوبي لمغنطیس حدوة الحصان، في حین یكون القطب الجنوبي لمغنطیس القضیب في مقابل القطب الشمالي لمغنطیس حدوة الحصان.

أجزاء المحرك الكهربائي :

یتكون المحرك الكهربائي أساساً من موصل كهربائي دوار، موضوع بین قطبین شمالي وجنوبي لمغنطیس ثابت. ویعرف الموصل باسم الحافظة (غلاف الأرماتور)، بینما یعرف المغنطیس الثابت باسم بِنْیَة المجال. وهناك أیضًا المبدِّل الذي یعدّ جزءاً ضروری في كثیر من المحركات الكهربائية وخاصة محركات التیار المستمر. بنیة المجال:تولد بنیة المجال مجالاً مغنطیسیاً داخل المحرك، حیث یتكون المجال المغنطیسي من خطوط قوى توجد بین قطبي المغنطیس الثابت. وتتكون بنیة المجال في محرك التیار المستمر البسیط من مغنطیس دائم یسمى مغنطیس المجال. وفي بعض المحركات الأكبر حجماً والأكثر تعقیدا تتركب بنیة المجال من أكثر من مغنطیس كهربائي تتغذى بالكهرباء عن طریق مصدر خارجي. وتسمى مثل هذه المغناطيس الكهربائية ملفات المجال.

الحافظة : تصبح الحافظة التي عادة ما تكون أسطوانیة الشكل مغنطیسا كهربائياً عندما یمر التیار من خلالها. وهي متصلة بعمود إدارة، حتى تتمكن من إدارة الحمل. وتدور الحافظة في محركات التیار المستمر البسیطة الصغیرة بین أقطاب المجال المغنطیسي حتى یصبح قطبها الشمالي مقابلاً للقطب الجنوبي للمغنطیس. ویعكس عندها اتجاه التیار لتغیِّر قطب الحافظة الشمالي لیجعله قطباً جنوبیا ، فیتنافر القطبان الجنوبیان، مما یجعل الحافظة تقوم بنصف دورة. وعندما یصبح قطبا الحافظة مقابلیْن للقطبین المختلفین للمجال المغنطیسي مرة أخرى یتغیر اتجاه التیار مرة أخرى. وفي كل مرة ینعكس فیها اتجاه التیار، تدور الحافظة نصف دورة. وتتوقف الحافظة عن الدوران عندما لا ینعكس اتجاه التیار. وعندما تدور الحافظة فإنها لا تقطع خطوط القوى المغنطیسیة التي تولِّدها بنیة المجال. وینتج قطع المجال المغنطیسي جهداً في الاتجاه المعاكس للقوة المحرِّكة. وهذا الجهد الكهربائي یسمى القوة الدافعة الكهربائية المعاكسة التي تقلِّل من سرعة دوران الحافظة، كما أنها تقلل من التیار الذي تحمله. فإذا كان المحرك یدیر حملاً بسیطاً فإن الحافظة ستدور بسرعة عالیة وتولِّد قوة دافعة كهربائية معاكسة أكبر. وعندما یزداد الحمل تدور الحافظة أبطأ حیث تقطع عدداً أقل من خطوط القوى المغنطیسیة. وعلى ذلك، فإن المحرك الذي یحمل حملاً أكبر یعمل بكفاءة أكثر لأنه یستخدم طاقة أقل لبذل شغل.

المبدل: یستخدم المبدِّل بصفة أساسیة في محركات التیار المستمر، حیث یعكس اتجاه التیار في الحافظة ویساعد على نقل التیار بین الحافظة ومصدر القدرة. ویتكون المبدل في محرك التیار المستمر من حلقة مقسمة إلى جزئيين أو أكثر، ومثبتة في عمود الإدارة مقابل الحافظة. وتتصل نهایات ملفات الحافظة بالأجزاء المختلفة. وصل التیار الكهربائي القادم من مصدر القدرة الخارجي بالمبدل عن طریق قطعة صغیرة تسمى الفرشاة. وهناك أیضاً فرشاة أخرى موضوعة في الجانب الآخر للمبدل تعمل على حمل التیار، وإرجاعه إلى مصدر القدرة. وعندما تتصل إحدى الحلقات مع الفرشاة الأولى، تلتقط التیار الكهربائي من الفرشاة وترسله عبر الحافظة، وعندما تقع الأقطاب المغنطیسیة التي تتكون على الحافظة بعد الأقطاب المتشابهة لمغنطیس المجال، تدور الحافظة نصف دورة مارة بإحدى الفجوات التي تفصل الحلقات. ثم تتصل الحلقة الثانیة من المبدِّل مع الفرشاة الأولى وتصبح حاملة للتیار إلى الحافظة، وبهذا ینعكس اتجاه التیار كما ینعكس موضع الأقطاب في الحافظة. وعندما تتقابل الأقطاب المتشابهة لمغنطیس المجال والحافظة تستمر الحافظة في الدوران. لا تحتوي معظم محركات التیار المتناوب على مبدلات، لأن التیار یعكس نفسه تلقائیا. وفي بعض محركات التیار المتناوب، یسري التیار القادم من المصدر الخارجي إلى الأجزاء المتحركة من المحرك وبالعكس، عبر مجموعة من الفرش تعمل متصلة بحلقات انزلاق بدلا من حلقات منفصلة.

أنواع المحركات الكهربائية :

أجزاء محرك التیار المستمرDC Motor parts :

المصدر الشائع لقدرة المحرك هوالتیار المستمرمنالبطاریة ولأن التیار المستمر یسیر في اتجاه واحد، فإن محركات التیار المستمر تعتمد على مبدلات ذات حلقات مشقوقة لتعكس اتجاه سریان التیار. ویساعد المبدل أیضًا على نقل التیار بین مصدر القدرة والحافظة. محركات التیار المستمر. تحتاج محركات التیار المستمر إلى مبدِّلات حتى تعكس اتجاه التیار. وهناك ثلاثة أنواع رئیسیة من محركات التیار المستمر وهي:
محركات توالي، وتوازي، ومُركبة. والاختلاف الرئیسي فیما بینها هو في ترتیب الدائرة بین الحافظة وبین بنیة المجال.

ففي محركات التوالي .. یتصل كل من الحافظة ومغنطیس المجال كهربائیا على التوالي. ویسري التیار خلال مغنطیس المجال ثم الحافظة. وعندما یسري التیار خلال البنیة بهذا الترتیب یزید قوة المغناطيس. وتبدأ محركات التوالي العمل سریعاً، حتى وإن كانت تعمل على حِمْل ثقیل رغم أن هذا الحمل سیقلل من سرعة المحرك. وفي محركات التوازي، یُوصَّل كل من المغنطیس والحافظة على التوازي. ویسري جزء من التیار خلال المغنطیس بینما یسري الجزء الآخر خلال الحافظة. ویلف سلك رفیع حول مغنطیس المجال عدة مرات من أجل زیادة المغنطیسیة. ویخلق إنشاء المجال المغناطیسي بهذه الطریقة مقاومة للتیار. وتعتمد قوة التیار ودرجة المغنطیسیة تبعاً لذلك، على مقاومة السلك بدلا من حِمْل المحرك. ویعمل محرك التوازي بسرعة ثابتة بغض النظر عن الحِمْل، ولكن إذا كان الحمل كبیر جداً تحدث مشاكل للمحرك عند بدء التشغیل. وللمحرك المُرَكَّب مجالان مغنطیسیان متصلان بالحافظة، أحدهما على التوالي والآخر على التوازي. وللمحركات المركبة ممیزات كلً من محرك التوالي ومحرك التوازي، إذ یسهل بدء تشغیلها مع حمل كبیر وتحافظ على سرعة ثابتة نسبیاً حتى ولو زاد الحمل فجأة.

مثال : محركات العاب الأطفال ومراوح تبريد الكمبيوتر وبادئ السيارة

أجزاء محرك التیار المتناوب AC Motor parts : تستقبل معظم محركات التیار المتناوب القدرة من مخارج الكهرباء. ویعكس التیار المتناوب اتجاه سریانه تلقائیًا. ویسمى الموصل الدوار في محرك التیار المتناوب عادة العضو الدوار. أما الجزء الساكن (الثابت) الذي یشتمل على مغنطیس المجال وملفات المجال فیشار له أحیانًا باسم العضو الساكن. محركات التیار المتناوب. محركات التیار المتناوب سهلة الصنع، ومریحة في الاستعمال ولا تحتاج إلى مبدلات، ویعمل معظمها على مخارج التیار الموجودة في المنازل. ویسمى الجزء المتحرك في محرك التیار المتناوب بالعضو الدوار والجزء الثابت بالعضو الساكن. وتشمل معظم محركات التیار المتناوب الشائعة محركات حثيه ومحركات متزامنة.

ویتكون العضو الدوار في المحرك ألحثي Motor Shaft من قلب حدیدي أسطواني به فتحات في جانبه الطولي. وتثبت قضبان من النحاس في هذه الفتحات وتُربط بحلقة نحاسیة سمیكة في كل طرف. ولا یتصل العضو الدوّار مباشرة بمصدر الكهرباء الخارجي. ویسري التیار المتناوب حول ملفات المجال في العضو الثابت ویولد مجالاً مغنطیسیا دواراً. ویولد هذا المجال تیارًا كهربائياً في العضو الدوار مما ینتج عنه مجال مغنطیسي آخر. ویتفاعل المجال المغنطیسي الناشئ من العضو الدوار مع المجال المغنطیسي الآتي من العضو الساكن، مُسبِّبًا حركة العضو الدوار. یولِّدُ العضو الساكن في المحرك ألتزامني مجالاً مغنطیسیاً دواراً. ولكن العضو الدوار یستقبل التیار مباشرة من مصدر كهربائي خارجي بدلاً من اعتماده على المجال المغنطیسي الناشئ من العضو الساكن لتولید تیار كهربائي. ویتحرك العضو الدوار بسرعة ثابتة متزامنة مع المجال الدوار للعضو الساكن. وتتناسب السرعة مع التردد الذي ینعكس به التیار المتناوب الناشئ من العضو الساكن. وحیث إن التردد ثابت دائم فإن المحركات التزامنیة، مثلها مثل محركات التیار المركبة، لها سرعة ثابتة حتى في وجود حمل متغیر. وتستهلك تلك المحركات أیضاً طاقة أقل، وتعتبر مثالیة للساعات والتلسكوبات التي تتطلب توقیتا دقیقاً ودورانًا هادئًا.

مثال :المضخات , محركات التهوية و التبريد

المحركات العامةGeneral Motors

تصنع المحركات العامة بحیث تعمل إما على التیار المستمر وإما على التیار المتناوب. ویستخدم المحرّك العام المُبدِّل ویشبه تكوینه الأساسي تصمیم محرك التوالي ذي التیار المستمر. ففي حالة التیار المستمر، تعمل وكأنها محرك تیار مستمر على التوالي. وإذا استعمل التیار المتناوب تنعكس الأقطاب المغنطیسیة للحافظة ولملفات المجال مع انعكاس تردد التیار. والمحركات العامة شائعة الاستعمال في الأجهزة المنزلیة نظراً لمرونتها.

                                      مع تحیات عبد الكریم محرم

منقول من القرية الإلكترونية

يمكنكم من التالي الانتقال إلى صفحات تحميل :
كتب أساسيات الكهرباء pdf

جميع كتب الفيزياء pdf

تعديل المقال