ما هو مبدأ عمل المحرك الكهربائي

الموسوعة » مصادر طاقة » طاقة كهربائية » ما هو مبدأ عمل المحرك الكهربائي

تؤثر المحركات الكهربائية على جميع جوانب حياتنا، حيث تستخدم كل من المراوح والثلاجات والمكانس الكهربائية ومحركات الأقراص الصلبة ومكيفات الهواء ونوافذ السيارات محركات في عملها، بالإضافة إلى كونها المسؤولة الأولى عن جميع العمليات الصناعية لذا دعنا نتعرف على مبدأ عمل المحرك الكهربائي بأنواعه وأهم المشاكل التي تواجهها.§

مبدأ عمل المحرك الكهربائي

يعود نسب اكتشاف الرابط بين كل من الكهرباء والمغناطيسية والحركة بشكل عام إلى العام 1820 وبالتحديد للعالم الفيزيزيائي الفرنسي أندريه ماري أمبير، وهذا الاكتشاف هو الأساس في عمل المحرك، إذ يعمل المحرك على تحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة حركية دورانية باستخدام المغناطيسية، لكن الفضل بتطوير استخدام هذه الخواص يعود إلى مجموعة من العلماء اللذين ساهموا في الوصول إلى هذا الاختراع المذهل، أبرزهم العالمان الإنجليزان مايكل فاراداي وويليام ستورجن والأمريكي جوزيف هنري (1797-1878). 

فالمحرك من الناحية النظرية، يتم تشكيله باستخدام حلقة مربعة من سلك نحاسي موصل مثني على شكل حرف U، حيث يوجد سلكان متوازيان يعملان على نقل التيار في الحقل المغناطيسي كلٌ في اتجاه، أحدهما ينقل التيار بعيدًا عبر السلك والآخر يعيد التيار مرة أخرى، ينتج عن تدفق التيار في اتجاهين متعاكسين في الحلقة ووفقًا لقاعدة اليد اليسرى لفليمينغ فإن السلكين سيتحركان في اتجاهين متعاكسين، أحدهما للأعلى والآخر للأسفل، وبالتالي فإن كان بإمكان الحلقة أن تدور فإنّها ستدور بشكل مستمر وسنحصل على المحرك، لكن ذلك لن يتم مع هذا الترتيب، لأن الأسلاك سرعان ما ستتشابك مع بعضها البعض، ولن يتوقف الأمر عند ذلك بل عندما تدور الحلقة بسرعة فإنّها عندما تصل إلى الوضع الرأسي ستنقلب، وبالتالي سينعكس تدفق التيار فيها لتنعكس بذلك القوى الموجودة على كل جانب من جوانب الملف، فبدلاً من الدوران المستمر في نفس الاتجاه سيعود الملف ليدور بعكس ما كان يدور وبالتالي سيكون وكأنّه ثابت في مكانه، 

لذا عند التطبيق العملي، سيتم التغلب على هذه المشكلة، إمّا باستخدام التيار المتناوب الذي يعكس قطبيته بشكل دوري تلقائيًا، أو عند استخدام تيار مستمر يُستخدم معها مكون آخر هو المبدل، وهو عبارة عن حلفلقة معدنية مقسومة إلى نصفين، وظيفتها تبديل قطبية التيار المار في الملف بعد كل دوران للملف خلال نصف دورة، حيث يوصل كل طرف من طرفي الملف إلى أحد نصفي المبدل، وبذلك نضمن دوران الملف باتجاه واحد وبالتالي الحصول على محرك كهربائي

لزيادة عزم دوران المحرك، يتم ذلك إمّا عبر استخدام مغناطيس دائم أكثر قوة أو زيادة شدة التيار المتدفق عبر السلك أو استخدام ملف مكون من مجموعة من الحلقات بدلًا من حلقة واحدة، ويجب أن نعلم بأنّه كلما كان المغناطيس والملف قريبين من بعضهما البعض كلما ازدادت القوة التي يمكن للمحرك أن ينتجها.§ §

تصميم محرك كهربائي بسيط

الأن وبعد أن تعرفنا على مبدأ عمل المحرك الكهربائي، سنقوم بإنشاء محرك كهربائي بسيط ببعض الخطوات، وهي كالتالي:

  1. باستخدام سلك نحاسي نقوم بإنشاء الملف عن طريق إحضار أي جسم اسطواني أو مجموعة من أقلام الرصاص الملتصقة ببعضها البعض ونلف عليهم السلك.

  2. نزيل الجسم أو الأقلام من المنتصف بعد الانتهاء من لف السلك مع ترك طرفي السلك حرّين في الهواء لتوصيلهما بمصدر الكهرباء.

  3. الآن يجب توصيل الملف بمصدر الجهد، سنستخدم بطارية بجهد 9V، نقوم بإزالة العزل عن طرفي الملف الحرّين ومن ثمّ سنستخدم إبرة خياطة لتأمين توصيل جيد للسلكين مع قطبي البطارية، حيث نُدخل طرفي السلكين في فتحة الإبرة الموجودة في جزئها العلوي، ومن ثمّ نلحم طرفها السفلي على كلا قطبي البطارية، كل طرف على قطب.

  4. نحن بحاجة الآن إلى مغناطيس لتأمين الحث الكهرومغناطيسي، نقوم بتقريب المغناطيس من الملف أو نربطه بالبطارية أسفل الملف مباشرةً، كلما كان المغناطيس أقرب من الملف كلما كان الحث أقوى.

  5. الآن يجب أن يبدأ الملف بالدوران، تعتمد جهة الدوران على اتجاه تدفق التيار ضمن الملف وقطبية المغناطيس الوجهة باتجاه الملف، وبذلك نكون قد قمنا بتصميم نموذج مبسط للمحرك الكهربائي.

مشاكل المحركات الكهربائية

خلال عمل المحركات يمكنها التعرض للعديد من الأعطال والمشاكل، بعضًا منها من السهل إصلاحه وبعضها الآخر أكثر تعقيدًا ويتطلب صيانة كبيرة، لكن كما يُقال الوقاية خيرٌ من العلاج لذا فإنّ الصيانة الدورية تساهم بشكل كبير في اكتشاف الأعطال المحتملة قبل وقوعها وتجنب تعطل المحركات، من المشاكل التي يمكن أن تتعرض لها المحركات:

  • مقاومة العزل السيئة: من أكثر المشاكل حدوثًا وأكثرها صعوبة في التعامل معها، حيث يمكنها أن تسبب تسرب في التيار وحدوث قِصر في دارة المحرك وبالتالي تعطله بالكامل في النهاية، السبب الرئيسي لظهور هذه المشكلة هو الارتفاع العالي لدرجة الحرارة لفترة زمنية طويلة أو بسبب التآكل أو التلف المادي لها.
  • التحميل الزائد: تظهر هذه المشكلة عند وجود تيار فائض متدفق عبر ملفات المحرك على اعتبار أنّ المحرك غير مصمم ليتعامل مع التيار الزائد بأمان، يوجد عدة أسباب لحدوث ذلك، أحد هذه الأسباب انخفاض جهد الدخل مما يجبر المحرك على سحب كميات إضافية من التيار لتعويض الجهد الناقص والمحافظة على عزم الدوران، يمكن أن تسبب هذه المشكلة بعض المشاكل الأخرى، مثل انهيار العزل أو ارتفاع حرارة النظام مما يسبب انهيار كامل للمحرك.
  • الاهتزاز: تظهر هذه المشكلة بشكل رئيسي بسبب التركيب الخاطئ للمحرك أو تثبيته على أرض غير ثابتة أو أنّ بعض أجزاء المحرك فضفاضة، ويمكن أن تسبب هذه الاهتزازات ضرر ميكانيكي كبير في المحرك يؤثر على أدائه، كما يمكنه التسبب بانهيار كامل في حال تجاهله.
  • الرطوبة: قد تكون هذه المشكلة غير هامة بالنسبة للكثير، إلا أنّ تعرض المحرك للرطوبة لوقت كبير يمكنها أن تسبب تآكل العزل أو أجزاء أخرى من المحرك، التي تؤدي بدورها إلى مشاكل في الأداء على المدى القصير، وعلى المدى الطويل يمكنها أن تتسبب في حدوث عطل كامل للمحرك.
  • الأوساخ: يمكن لتراكم الأوساخ ضمن المحرك أن تسد مجرى تدفق الهواء إلى داخل المحرك مما يُصعّب على مراوح التبريد القيام بعملها بتبريد المحرك، كما يمكن للأوساخ والحطام المتراكم ضمن المحرك التسبب بضرر ميكانيكي له.
  • ارتفاع درجة الحرارة: عمل المحرك في درجات حرارة عالية إمّا بسبب أحد الأسباب السابقة أو تشغيله في بيئة شديدة الحرارة يمكنه أن يجعل من الصعب تبديد تلك الحرارة، وبالتالي سيؤثر ذلك على أداء المحرك. §