مقدمة بحث حول المحرك الكهربائي

مقدمة بحث حول المحرك الكهربائي :

مقدمة :

بدأ تطویر المحركات الكھربائیة في بدایة القرن التاسع عشر باكتشاف المغانط

الكھربائیة. ففي عام 1820 م، اكتشف الفیزیائي الدنمركي ھانز كریستیان أورستد أن

السلك الذي یمر فیه  تیار كھربائي یولد حوله مجالا مغنطیسیًا. 

وفي العشرینیات من القرن التاسع عشر وجد عدد آخر من العلماء طرقاً لعمل مغانط كھربائیة أقوى، وجعلھا عملیة بشكل أفضل. 

ففي عام 1825 م، قام كھربائي إنجلیزي یدعى ولیم ستیرجون بلف موصل حول قضیب حدیدي لینتج مغنطیسًا كھربائیًا أقوى. 

وفي أواخر العشرینیات من القرن التاسع عشر، أوضح الفیزیائي الأمریكي جوزیف ھنري أنھ یمكن ابتكار

مغنطیس كھربائي أكثر قوة بلف عدة طبقات من الأسلاك المعزولة حول قطعة من

الحدید.

وفي عام 1831 م، قام الكیمیائي الفیزیائي الإنجلیزي مایكل فارادي بالعدید من التجارب

التي تضمنت مغنطیسات وتیارات كھربائیة. 

وفي إحدى التجارب، قام بتدویر قرص نحاسي بین قطبین مغنطیسیین على ھیئة حدوة حصان. 

وعملت ھذه المعدات مولدًا بسیطًا، حیث ولدت جھداً كھربائیاً بین المركز وحافة القرصالنحاسي. ثم عرَّض فارادي مركز القرص وحافته لجھد كھربائي بینھما عندما كان القرص في حالة السكون، فبدأ القرص في الدَّوران وكانت ھذه الآلة البسیطة أول محرك كھربائي.

ولكنھا لم تكن ذات قوة كافیة لتقوم بعمل مفید، وكانت غیر مجدیة على الإطلاق. ولكن

رغم ذلك كان فارادي قد أسس بھا مبدأ المحرك الكھربائي - وھو أن الحركة المستمرة

یمكن إنتاجھا بإمرار تیار كھربائي خلال موصل في وجود مجال مغنطیسي قوي.

وفي عام 1873 م، ظھر أول محرك تیار مستمر ناجح تجاریا، حیث عرضه مھندس

كھربائي بلجیكي یُدعى زینوب ثیوفیل جرام في فیینا.وقدم جرام أیضاً حافظة من شأنھا

تحسین كفاءة المحركات والمولدات الكھربائیة البدائیة.

وفي عام 1888 م، اخترع مھندس صربي الأصل یدعى نیقولا تسلا محرك التیار

المتناوب. وفي بدایة القرن العشرین المیلادي، تم تطویر كثیر من المحركات الكھربائیة

المتقدمة.

وفي العقد الأول من القرن العشرین، أجرى العدید من المھندسین والمخترعین تجارب

مع المحركات الكھربائیة الخطیة. فبدلا من الدوران تنتج مثل ھذه المحركات موجة

كھرومغنطیسیة تستطیع مباشرة تسییر عربة. وأصبح استخدام المحرك الخطي أكثر

شیوعاً بفضل العمل الرائد للمھندس الكھربائي إیریك لیثویت في الخمسینیات

والستینیات من القرن العشرین

الغرض منه :

تحویل الطاقة الكھربائیة الى طاقة حركیة

نظرية عمله :

اذا مر تیار في كھربائي في سلك متقاطع مع مجال مغناطیسي فان السلك یتأثر بقوة

تعمل على تحریكه في اتجاه عمودي على كل من اتجاه المجال واتجاه التیار * * أو اذا

مر تیار في ملف على شكل مستطیل متقاطع مع مجال مغناطیسي فان الملف یتأثر بعزم

ازدواج یعمل على دورانھ حول محوره

تركيبه :

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 أقراصرقیقة معزولة للحد من التیارات الدوامیة.

وبحیث یكون الملف والقلب الحدیدي قابلان للدوران بین قطبي المغناطیس اسطوانة نحاسیة مشقوقة الى نصفین بینھما 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 دورانھم اوتتصلان بقطبي البطاریة.

كيفية عمله :

اذا بدء الملف من الوضع الذي یكون فیھ مستواه موازیا لخطوط المجال تكون الفرشاة

العلیا متصلة بالقطب الموجب وبتطبیق قاعدة فلمنج للید الیسرى على كل من الضلعین

الطویلین للملف نجد أن الضلع العلوي یتحرك الى الیسار كما یشیر السھم الأسود في

البریمج بینما الضلع السفلي یتحرك الى الیمین ویمكنك استخدام المفتاح الأول - توقف -

لتوقیف الملف في الوضع المذكور سابقا

بدوران الملف یقل عزم الازدواج تدریجیا لنقص البعد العمودي بین القوتین حتى یصبح

مستوى الملف بعد 90 درجة عمودیا على خطوط المجال وھنا ینعدم عزم الازدواج

ولكن الملف یستمر في الدوران بسبب القصور الذاتي وتلاحظ ھذا في البریمج حیث

یختفي السھمان باللون الأسود 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 نصفا

الاسطوانة موضعیھما 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 نھایة عظمى

مع استمرار دوران الملف یقل عزم الازدواج الى أن یصل الى الصفر عند 270 درجة

ولكن الملف یستمر في الدوران بسبب القصور الذاتي

یستمر الملف في الدوران في نفس الاتجاه الى أن یصل عزم الازدواج الى نھایة عظمى

عن د 360 درجة وعندھا یكون الملف قد دار دورة كاملة وھكذا تتكرر ھذه العملیة

وبذلك تتحول الطاقة الكھربائیة الى طاقة میكانیكیة .

كيف نزيد من سرعة المحرك :

بزیادة عدد لفات الملف ولفھا حول قلب من الحدید المطاوع المقسم الى شرائح بینھا

مادة عازلة.

تقسم الاسطوانة المعدنیة الى عدد من القطع ضعف عدد الملفات بحیث یفصل بین ھذه

القطع مادة عازلة.

كيف يعمل المحرك الكهربائي ؟

كیف یعمل المحرك الكھربائي :

یتكون المحرك الكھربائي أساسًا من مغنطیس ثابت وموصل متحرك. 
وتشكل خطوط القوى بین أقطاب المغنطیس مجالاً مغنطیسیًا ثابتًا.

وعندما یمر تیار كھربائي خلال الموصل یصبح الموصل كھرومغناطیسیا وینتج
مجالاً مغنطیسیًا آخر. ویقوي المجالان المغنطیسیان كل منھما الآخر ویدفعان ضد
الموصل.
یعتمد تشغیل المحرك الكھربائي على ثلاثة مبادئ رئیسیة:

1. یولِّد التیار الكھربائي مجالاً مغنطیسیا،
2. یحدد اتجاه التیار في المغنطیس الكھربائي موقع الأقطاب المغنطیسیة،
3 .تتجاذب الأقطاب المغنطیسیة أو تتنافر مع بعضھا.

فعندما یمر تیارٌ كھربائيٌ خلال سلك یولّد مجالاً مغنطیسیًا حول السلك. وإذا تم لف
السلك على ھیئة ملف حول قضیب معدني، فإن المجال المغنطیسي یتعاظم حول السلك
ویصبح القضیب المعدني ممغنطًا. وھذا الترتیب للقضیب وسلك الملف ھو مغنطیس
كھربائي بسیط، وتعمل نھایتاه كقطبین شمالي وجنوبي.

وإحدى الطرق التي توضح العلاقة بین اتجاه التیار والأقطاب المغنطیسیة ھي قاعدة الید
الیمنى. امسك سلكاً على ھیئة ملف في یدك الیمنى، واعتبر ھذا الملف مغنطیسًا
كھربائیًا. لف أصابعك حوله بحیث تشیر إلى اتجاه التیار، عندھا یشیر إصبع الإبھام إلى
القطب الشمالي المغنطیسي ولا تنطبق ھذه الطریقة إلا في حالة سریان التیار من
الطرف الموجب إلى الطرف السالب.

والأقطاب المغنطیسیة المتشابھة تتنافر كما ھو الحال بالنسبة لقطبین شمالیین،
والأقطاب المغنطیسیة المختلفة تتجاذب مع بعضھا. فإذا تم تعلیق قضیب مغنطیسي بین
طرفي مغنطیس على ھیئة 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.

اجزاء المحرك الكهربائي

أجزاء المحرك الكهربائي :

یتكون المحرك الكھربائي أساساً من موصل كھربائي دوار، موضوع بین قطبین شمالي

وجنوبي لمغنطیس ثابت. ویعرف الموصل باسم الحافظة (غلاف الأرماتور)، بینما

یعرف المغنطیس الثابت باسم بِنْیَة المجال. وھناك أیضًا المبدِّل الذي یعدّ جزءاً ضروریاً

في كثیر من المحركات الكھربائیة 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

بعضالمحركات الأكبر حجماً والأكثر تعقیدا تتركب بنیة المجال من أكثر من مغنطیس

كھربائي تتغذى بالكھرباء عن طریق مصدر خارجي. وتسمى مثل ھذه المغانط

الكھربائیة ملفات المجال.

الحافظة: تصبح الحافظة  التي عادة ما تكون أسطوانیة الشكل  مغنطیسا كھربائیًا عندما

یمر التیار من خلالھا. وھي متصلة بعمود إدارة، حتى تتمكن من إدارة الحمل. وتدور

الحافظة في محركات التیار المستمر البسیطة الصغیرة بین أقطاب المجال المغنطیسي

حتى یصبح قطبھا الشمالي مقابلاً للقطب الجنوبي للمغنطیس. ویعكس عندھا اتجاه التیار

لتغیِّر قطب الحافظة الشمالي لیجعلھ 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 فیھا اتجاه التیار، تدور الحافظة نصف دورة. وتتوقف الحافظة عن

الدوران عندما لا ینعكس اتجاه التیار. وعندما تدور الحافظة فإنھا لاتقطع خطوط القوى

المغنطیسیة التي تولِّدھا بنیة المجال. وینتج قطع المجال المغنطیسي جھداً في الاتجاه

المعاكس للقوة المحرِّكة. وھذا الجھد الكھربائي یسمى القوة الدافعة الكھربائیة المعاكسة

التي تقلِّل من سرعة دوران الحافظة، كما أنھا تقلل من التیار الذي تحملھ. فإذا كان

المحرك یدیر حملاً بسیطاً فإن الحافظة ستدور بسرعة عالیة وتولِّد قوة دافعة كھربائیة

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

لأنھ 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 جزءین أو أكثر، ومثبتة في عمود الإدارة

مقابل الحافظة. وتتصل نھایات ملفات الحافظة بالأجزاء المختلفة.

وصل التیار الكھربائي القادم من مصدر القدرة الخارجي بالمبدل عن طریق قطعة

صغیرة تسمى الفرشاة. وھناك 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 الكھربائي من الفرشاة وترسله عبر الحافظة، وعندما تقع

الأقطاب المغناطیسیة التي تتكون على الحافظة بعد الأقطاب المتشابھة لمغناطیس

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،

وبھذا ینعكس اتجاه التیار كما ینعكس موضع الأقطاب في الحافظة. وعندما تتقابل

الأقطاب المتشابھة لمغنطیس المجال والحافظة تستمر الحافظة في الدوران.

لا تحتوي معظم محركات التیار المتناوب على مبدلات، لأن التیار یعكس نفسھ 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.

انواع المحركات الكهربائية

انواع المحركات الكهربائية :

أجزاء محرك التیار المستمر: المصدر الشائع لقدرة المحرك ھو التیار المستمر من

البطاریة. 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. وھناك ثلاثة أنواع رئیسیة من محركات التیار المستمر وھي: محركات توالي،

وتوازي، ومُركبة. والاختلاف الرئیسي فیما بینھا ھو في ترتیب الدائرة بین الحافظة

وبین بنیة المجال.

ففي محركات التوالي، یتصل كل من الحافظة ومغنطیس المجال كھربائیا على التوالي.

ویسري التیار خلال مغنطیس المجال ثم الحافظة. وعندما یسري التیار خلال البنیة بھذا

الترتیب یزید قوة المغانط. وتبدأ محركات التوالي العمل سریعاً، حتى وإن كانت تعمل

على حِمْل ثقیل رغم أن ھذا 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

المغنطیسي بھذه 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 كبیرا

جداً تحدث مشاكل للمحرك عند بدء التشغیل.

وللمحرك المُرَكَّب مجالان مغنطیسیان متصلان بالحافظة، أحدھما على التوالي والآخر

على التوازي. 

وللمحركات المركبة ممیزات كلً من محرك التوالي ومحرك التوازي، إذ

یسھل بدء تشغیلھا مع حمل كبیر وتحافظ على سرعة ثابتة نسبیاً حتى ولو زاد الحمل

فجأة.

أجزاء محرك التیار المتناوب: تستقبل معظم محركات التیار المتناوب القدرة من

مخارج الكھرباء. ویعكس التیار المتناوب اتجاه سریانھ 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 سھلة الصنع، ومریحة في

الاستعمال ولا تحتاج إلى مبدلات، ویعمل معظمھا 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 حثیة ومحركات متزامنة.

ویتكون العضو الدوار في المحرك الحثي من قلب حدیدي أسطواني بھ فتحات في جانبه

الطولي. 

وتثبت قضبان من النحاس في ھذه الفتحات وتُربط بحلقة نحاسیة سمیكة في كل طرف. 

ولا یتصل العضو الدوّار مباشرة بمصدر الكھرباء الخارجي. 

ویسري التیار المتناوب حول ملفات المجال في العضو الثابت ویولد مجالاً مغنطیسیا دواراً. ویولد ھذا

المجال تیارًا كھربائیًا في العضو الدوار مما ینتج عنھ 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 التزامني مجالاً مغنطیسیاً دواراً. 

ولكن العضو الدوار یستقبل التیار مباشرة من مصدر كھربائي خارجي بدلاً من اعتماده على المجال المغناطیسي الناشئ من العضو الساكن لتولید تیار كھربائي. 

ویتحرك العضو الدوار بسرعة ثابتة متزامنة مع المجال الدوار للعضو الساكن. 

وتتناسب السرعة مع التردد الذي ینعكس بھ التیار المتناوب الناشئ من العضو الساكن. وحیث إن التردد ثابت دائما فإن المحركات التزامنیة، مثلھا مثل محركات التیار المركبة، لھا سرعة ثابتة حتى في وجود حمل متغیر.

 وتستھلك تلك المحركات أیضاً طاقة أقل، وتعتبر مثالیة للساعات والتلسكوبات التي تتطلب توقیتا دقیقاً ودورانًا ھادئًا.

المحركات العامة: تصنع المحركات العامة بحیث تعمل إما على التیار المستمر وإما

على التیار المتناوب. 

ویستخدم المحرّك العام المُبدِّل ویشبھ تكوینھ الأساسي تصمیم محرك التوالي ذي التیار المستمر. ففي حالة التیار المستمر، تعمل وكأنھا محرك تیار مستمر على التوالي. 

وإذا استعمل التیار المتناوب تنعكس الأقطاب المغنطیسیة للحافظة ولملفات المجال مع انعكاس تردد التیار. 

والمحركات العامة شائعة الاستعمال في الأجھزة المنزلیة نظراً لمرونتھا