المحركات الحثية الكهرومغناطيسية ومحركات التيار المتردد: كيف تعمل

تُعَد المحركات الكهربائية من بين الاختراعات الأكثر أهمية في تاريخ الهندسة، والمبدأ الذي يجعل أغلبها يعمل - الحث الكهرومغناطيسي - تأسس منذ ما يقرب من قرنين من الزمان. واليوم، يعمل هذا المبدأ نفسه على تشغيل كل شيء بدءًا من الضواغط الصناعية وحتى الدراجات الكهربائية. إن فهم ماهية محركات التيار المتردد، وكيف يقودها الحث الكهرومغناطيسي، وكيف تطورت التكنولوجيا إلى المحركات بدون فرش المستخدمة في التنقل الكهربائي الحديث، يعطي صورة كاملة لواحدة من أكثر الأفكار الهندسية ديمومة وقابلية للتكيف.

ما هو محرك التيار المتردد؟

محرك التيار المتردد هو محرك كهربائي يحول الطاقة الكهربائية ذات التيار المتردد (AC) إلى طاقة دورانية ميكانيكية. على عكس محركات التيار المباشر (DC)، التي تعمل على تيار يتدفق في اتجاه واحد، تعمل محركات التيار المتردد على تيار يعكس الاتجاه بشكل دوري - عادة بمعدل 50 أو 60 مرة في الثانية اعتمادًا على تردد شبكة الطاقة في المنطقة.

يتكون كل محرك تيار متردد من مكونين ميكانيكيين رئيسيين. ال الجزء الثابت هو التجميع الخارجي الثابت، المكون من حلقة من ملفات المغناطيس الكهربائي ملفوفة في قلب فولاذي مصفح. عندما تتدفق طاقة التيار المتردد عبر ملفات الجزء الثابت، فإنها تنتج مجالًا مغناطيسيًا. ال الدوار هي المجموعة الداخلية الدوارة، المتوضعة داخل التجويف الأسطواني للجزء الثابت. إن التفاعل بين المجال المغناطيسي للجزء الثابت والدوار - الذي يتم تحقيقه من خلال الحث الكهرومغناطيسي، أو المغناطيس الدائم، أو الإثارة الخارجية اعتمادًا على نوع المحرك - يولد عزم الدوران الذي يحرك عمود الخرج.

تنقسم محركات التيار المتردد إلى فئتين تشغيليتين أساسيتين: المحركات الحثية (غير المتزامنة) والمحركات المتزامنة. تعد المحركات الحثية هي النوع الأكثر شيوعًا في التطبيقات الصناعية والتجارية، حيث تمثل الغالبية العظمى من المحركات المستخدمة في جميع أنحاء العالم.

مبدأ الحث الكهرومغناطيسي

الحث الكهرومغناطيسي هو الأساس لكيفية توليد المحركات الحثية لعزم الدوران دون أي توصيل كهربائي للدوار. ينص هذا المبدأ، الذي وضعه مايكل فاراداي عام 1831، على أن المجال المغناطيسي المتغير الذي يمر عبر موصل يولد تيارًا كهربائيًا في ذلك الموصل. وهذا التيار المستحث ينتج بدوره مجالًا مغناطيسيًا خاصًا به.

في المحرك التحريضي، تخلق ملفات الجزء الثابت التي تعمل بالتيار المتردد مجالًا مغناطيسيًا يدور بشكل مستمر حول تجويف الجزء الثابت. يمر هذا المجال الدوار عبر الموصلات الدوارة، مما يؤدي إلى حدوث تيار فيها بموجب قانون فاراداي. يولد هذا التيار المستحث مجالًا مغناطيسيًا ثانويًا في الجزء الدوار. بموجب قانون لينز، يعارض هذا المجال الثانوي التغيير الذي أدى إلى إنشائه - مما يعني أنه يحاول القضاء على الحركة النسبية بين حقل الجزء الثابت الدوار والدوار الثابت عن طريق التسبب في دوران الجزء المتحرك في نفس اتجاه مجال الجزء الثابت.

النتيجة: يدور الجزء المتحرك، متبعًا المجال المغناطيسي الدوار، دون أي اتصال كهربائي مادي بين الجزء الثابت والدوار. لا توجد فرش، ولا حلقات انزلاقية على جانب الدوار، ولا يوجد عاكس للضوء - يحدث نقل الطاقة بالكامل من خلال المجال المغناطيسي المتغير عبر فجوة الهواء. هذا هو السبب في أن المحركات التحريضية بسيطة ميكانيكيًا، وقوية، وطويلة العمر مقارنة بالمحركات من النوع الفرشاة: لا توجد مكونات تلامس على الجزء الدوار لتبلى.

كيف يتم إنشاء المجال المغناطيسي الدوار

إن المجال المغناطيسي الدوار هو الآلية الرئيسية التي تحرك الحث الكهرومغناطيسي في محرك التيار المتردد - وهو خاصية ناشئة لطاقة التيار المتردد ثلاثية الطور. في نظام ثلاثي الطور، يتم إمداد ثلاثة جهود متناوبة منفصلة في وقت واحد إلى ثلاث مجموعات من ملفات الجزء الثابت، كل زوج من اللفات يتم إزاحته فعليًا عن الآخر بمقدار 120 درجة حول تجويف الجزء الثابت. يتم أيضًا تعويض الفولتية الثلاثة كهربائيًا بمقدار 120 درجة، مما يعني أنها تصل إلى قيم الذروة في لحظات مختلفة في كل دورة.

عندما تصل كل مرحلة إلى ذروتها، تصبح المغناطيسات الكهربائية التي يتم تنشيطها بواسطة تلك المرحلة أقوى، مما يؤدي إلى سحب المجال المغناطيسي الفعال للجزء الثابت نحو مجموعة الأقطاب. مع تقدم الدورة ووصول المرحلة التالية إلى ذروتها، ينتقل المجال إلى المجموعة التالية من الأقطاب - 120 درجة حول الجزء الثابت. إن التأثير الصافي لثلاث مجموعات من المغانط الكهربائية التي تبلغ ذروتها بالتسلسل، ومتباعدة بالتساوي حول المحيط، هو مجال مغناطيسي يبدو أنه يدور بسلاسة حول الجزء الثابت بسرعة يحددها تردد العرض وعدد الأقطاب المغناطيسية في ملف الجزء الثابت.

يتم إعطاء هذه السرعة المتزامنة بالثورات في الدقيقة بواسطة: نس = (120 × و) / ص ، حيث f هو تردد العرض بالهرتز و P هو عدد الأقطاب. يدور محرك ثنائي القطب مزود بإمدادات ترددها 50 هرتز بسرعة متزامنة تبلغ 3000 دورة في الدقيقة؛ يدور محرك رباعي الأقطاب على نفس المصدر بسرعة 1500 دورة في الدقيقة. يمكن للمحركات أحادية الطور أيضًا أن تنتج مجالًا دوارًا، ولكنها تتطلب ملفات تشغيل مساعدة أو مكثفات، لأن مصدر الطور أحادي الطور وحده ينتج مجالًا نابضًا وليس مجالًا دوارًا.

الدوار لقفص السنجاب والانزلاق

إن بناء الجزء الدوار الأكثر شيوعًا في المحركات الحثية ذات التيار المتردد هو الجزء الدوار ذو القفص السنجابي - والذي سمي بهذا الاسم لتشابهه مع عجلة التمرين التي تستخدمها الحيوانات الصغيرة. وهو يتألف من سلسلة من قضبان موصلة من الألومنيوم أو النحاس مدمجة في فتحات في قلب حديدي مصفح، مع قصر دائرة القضبان عند كلا الطرفين عن طريق حلقات طرفية موصلة. لا توجد لفات، ولا عزل، ولا توصيلات كهربائية خارجية - الدوار سهل التصنيع ميكانيكيًا وغير قابل للتدمير عمليًا في ظل ظروف التشغيل العادية.

عندما يمر المجال المغناطيسي الدوار من الجزء الثابت عبر قضبان الموصلات، فإنه يستحث تيارات تتدفق عبر القضبان وحول الحلقات الطرفية. تنتج هذه التيارات المتداولة المجال المغناطيسي للدوار، والذي يتفاعل مع مجال الجزء الثابت لتوليد عزم الدوران. يعتمد التيار المستحث - وبالتالي عزم الدوران - على المعدل الذي يقطع به مجال الجزء الثابت عبر قضبان الجزء الدوار. إذا وصل الجزء المتحرك إلى نفس سرعة حقل الجزء الثابت الدوار (السرعة المتزامنة)، فلن تكون هناك حركة نسبية، ولا قطع المجال، ولا تيار مستحث، ولا عزم دوران. لذلك فإن الجزء المتحرك يعمل دائمًا بشكل أبطأ قليلًا من السرعة المتزامنة.

ويسمى هذا الفرق في السرعة زلة ، معبراً عنها كنسبة مئوية من السرعة المتزامنة. في حالة عدم التحميل، يكون الانزلاق صغيرًا جدًا — عادة ما يتراوح من 0.5% إلى 1%. في ظل الحمل المقدر الكامل، يزيد الانزلاق إلى حوالي 3% إلى 8% اعتمادًا على تصميم المحرك. الانزلاق ليس نقصًا؛ إنها الآلية الضرورية التي من خلالها يولد المحرك التعريفي عزم الدوران. بدون الانزلاق، لا يوجد حث كهرومغناطيسي، وبدون الحث الكهرومغناطيسي، لا يوجد عزم دوران.

المحركات الحثية مقابل المحركات المتزامنة

تمثل المحركات المتزامنة الفرع الرئيسي الآخر لتصميم محركات التيار المتردد. عندما يتم تشغيل الجزء الدوار للمحرك التعريفي بالكامل عن طريق التيارات المستحثة كهرومغناطيسيًا، فإن الجزء الدوار للمحرك المتزامن مزود بمغناطيس دائم أو مغناطيس كهربائي متحمس بشكل منفصل يعمل على تثبيت الدوار عند سرعة مجال الجزء الثابت الدوار تمامًا - بدون انزلاق.

تُستخدم المحركات المتزامنة عندما تكون هناك حاجة إلى سرعة ثابتة ودقيقة بغض النظر عن اختلاف الحمل - في الساعات ومولدات الإشارة ومحركات تحديد المواقع عالية الدقة. تهيمن المحركات التحريضية على التطبيقات الصناعية والتجارية العامة بسبب تكلفتها المنخفضة وقوتها العالية وقدرتها على البدء الذاتي في تكوينات ثلاثية الطور.

المحركات الحثية أحادية الطور مقابل المحركات الحثية ثلاثية الطور

المحركات الحثية ثلاثية الطور تبدأ ذاتيًا: ينتج مصدر الإمداد ثلاثي الطور بشكل طبيعي مجالًا مغناطيسيًا دوارًا، والذي يبدأ فورًا في حث عزم الدوران في الجزء الدوار ذو القفص السنجابي بمجرد تطبيق الطاقة. فهي أكثر كفاءة، وتنتج عامل طاقة أعلى، وتستخدم في جميع تطبيقات المحركات الصناعية تقريبًا بدءًا من المضخات الصغيرة وحتى المحركات متعددة الميجاواط.

تمثل المحركات الحثية أحادية الطور تحديًا أساسيًا: حيث أن مصدر التيار المتردد أحادي الطور ينتج مجالًا مغناطيسيًا نابضًا، وليس مجالًا دوارًا. يمكن للمجال النابض أن يحافظ على الدوران ولكن لا يمكنه تشغيله - لا يوجد للمحرك اتجاه مفضل للدوران وعزم الدوران الصافي صفر عندما يكون ثابتًا. تعالج العديد من استراتيجيات التصميم هذا الأمر، حيث ينتج كل منها متغيرًا محركًا مميزًا.

من تحريض التيار المتردد إلى التيار المستمر بدون فرش: التطور الحديث

إن محرك DC (BLDC) بدون فرش - وهو الآن نوع المحرك المهيمن في الدراجات الكهربائية والدراجات البخارية الإلكترونية والطائرات بدون طيار والمحركات المساعدة للسيارات الكهربائية - ليس محركًا حثيًا يعمل بالتيار المتردد بالمعنى التقليدي. بدلاً من الاعتماد على تيارات الجزء الدوار المستحثة كهرومغناطيسيًا، يستخدم محرك BLDC مغناطيسًا دائمًا على الجزء الدوار وتبديل تيار يتم التحكم فيه إلكترونيًا في الجزء الثابت لإنتاج الدوران. في هذا الصدد، فهو يشبه المحرك المتزامن بشكل أقرب من المحرك التعريفي.

يكمن الارتباط بمبادئ محرك التيار المتردد في الجزء الثابت: ينتج الجزء الثابت لمحرك BLDC مجالًا مغناطيسيًا دوارًا من خلال التبديل الدقيق لتيار التيار المستمر من خلال لفاته - وهو تأثير مكافئ وظيفيًا لما يحققه التيار المتردد ثلاثي الطور من خلال اختلاف التيار الجيبي. تقوم وحدة التحكم في المحرك بإجراء التبديل الإلكتروني الذي يحل محل فرش محرك التيار المستمر التقليدي، وذلك باستخدام ردود فعل موضع الدوار (من مستشعرات تأثير Hall أو مستشعر EMF الخلفي) لتنشيط ملفات الجزء الثابت الصحيحة في كل لحظة من دورة الدوران.

والنتيجة هي محرك يجمع بين التشغيل المتزامن والكفاءة العالية للمحرك المتزامن ذو المغناطيس الدائم مع إمكانية التحكم والضغط الذي تتطلبه التطبيقات التي تعمل بالبطارية. تعمل محركات BLDC على التخلص من تآكل الفرشاة الذي يحد من عمر خدمة محركات التيار المستمر التقليدية، وتعمل بكفاءة عبر نطاق واسع من السرعة، وتنتج كثافة عزم دوران عالية في حزمة مدمجة - مما يجعلها الأساس الهندسي للتنقل الكهربائي الحديث.

تطبيقات في مجال التنقل الكهربائي الحديث

تتجسد مبادئ الحث الكهرومغناطيسي والمجالات المغناطيسية الدوارة، التي تم تطويرها في القرن التاسع عشر، بشكل مباشر في المحركات التي تشغل الدراجات الكهربائية والمركبات الكهربائية الخفيفة اليوم - وإن كان ذلك في شكلها الحديث من المغناطيس الدائم بدون فرش. ويهيمن تكوينان متميزان للمحرك على هذا السوق، ولكل منهما خصائص أداء مختلفة تناسب أنماط ومتطلبات الركوب المختلفة.

المحركات المحورية قم بدمج المحرك مباشرة في محور العجلة - الأمامي أو الخلفي - مع تثبيت الجزء الثابت على المحور والدوار الذي يشكل الغلاف الخارجي الذي يحرك العجلة. إن التفاعل الكهرومغناطيسي بين ملفات الجزء الثابت الثابتة والدوار ذو المغناطيس الدائم يدير العجلة مباشرة، دون وجود سلسلة نقل طاقة ميكانيكية بين المحرك والعجلة. هذه البساطة تجعل المحركات المحورية سهلة الصيانة وهادئة. المحركات المحورية for electric bicycles and light electric vehicles تناسب تطبيقات الركاب والبضائع والترفيه حيث يكون التثبيت المباشر والصيانة المنخفضة من الأولويات.

محركات متوسطة الدفع ضع المحرك على الدعامة السفلية للدراجة، مع تشغيل الكرنك والسلسلة بدلاً من العجلة مباشرة. يتيح هذا الترتيب للراكب استخدام نظام التروس الحالي للدراجة لمضاعفة عزم دوران المحرك، مما يجعل أنظمة القيادة المتوسطة أكثر كفاءة بشكل ملحوظ على التضاريس الجبلية وأكثر توافقًا مع ظروف التحميل المتغيرة. محركات متوسطة الدفع for high-performance electric bikes توفير عزم الدوران وتنوع التضاريس الذي تتطلبه الدراجات الإلكترونية الجبلية ودراجات الشحن وتطبيقات ركاب الأداء.

في كلا التكوينين، لا يمكن للمحرك أن يعمل بفعالية بدون وحدة تحكم المحرك المتطابقة. تقوم وحدة التحكم بإجراء التبديل الإلكتروني الذي يحل محل الفرش الميكانيكية، وإدارة توصيل التيار إلى ملفات الجزء الثابت استنادًا إلى ردود فعل موضع الدوار، وترجمة مدخلات الراكب (الخانق، ومستوى مساعدة الدواسة) إلى خرج عزم دوران دقيق. وحدات تحكم محرك DC بدون فرش لأنظمة المحور وأنظمة القيادة المتوسطة تم تصميمها لتتناسب مع تكوينات لف المحرك المحددة، ونطاقات الجهد، وبروتوكولات الاتصال. للمهندسين والمتكاملين الذين يقومون ببناء أنظمة القيادة الكاملة، دليل إقران وحدة التحكم والمحرك يوفر إطار مطابقة المواصفات اللازمة لتحديد مجموعات التحكم والمحركات المتوافقة لمنصة مركبة معينة وهدف الأداء.