تتميز المحركات الكهربائية بالعديد من الميزات وتعرف بأنها صديقة البيئة، وهي عبارة عن آلة تعمل على تحويل الطاقة الكهربائية إلى قدرة ميكانيكية لإنجاز عمل ما، ويتم استخدام المحرّكات الكهربائية من أجل تشغيل عدة معدات ميكانيكية وآلات.
نبذة عن المحرك الكهربائي
المحرّك الكهربائي أو Electric motor، هو آلة تعمل على تحويل الطاقة الكهربائية إلى قدرة ميكانيكية لإنجاز عمل ما، ويتم استخدام المحرّكات الكهربائية من أجل تشغيل عدة معدات ميكانيكية وآلات مثل أجهزة التكييف وغسالات الملابس والمكانس الكهربائية ومجففات الشعر والمثاقب الكهربائية وآلات الخياطة والمناشير، وتقوم بتشغيل المحركات والأدوات الميكانيكية بمختلف أنواعها، بالإضافة إلى الروبوتات والمعدّات التي تسهّل العمل داخل المصانع أيضاً.
تختلف المحركات الكهربائية عن بعضها البعض من حيث النوع والحجم والسعة اختلافاً كبيراً، حيث من الممكن أن يكون المحرّك عبارة عن قطعة صغيرة تقوم بوظائفها داخل ساعة اليد، وقد يكون محركاً ضخماً يمد شاحنة كبيرة بالقدرة على الحركة.
في الوقت الذي تحتاج فيه الخلّاطات ومعظم أدوات المطبخ الأخرى إلى محرّكات كهربائية صغيرة لأنها تحتاج لقدرة بسيطة فقط كي تعمل، تتطلب القطارات كي تعمل، استخدام محرّكات أكبر وأكثر تعقيداً، يعود ذلك إلى أن المحرّك في هذه الحالة يتوجب عليه أن يبذل جهداً كبيراً كي يساعد في تحريك القطار، وبناءً على نوع الكهرباء المستخدمة، يوجد نوعان رئيسيان من المحرّكات الكهربائية، النوع الأول من المحرّكات يعمل بالتيار المتناوب، والنوع الثاني يعمل بالتيار المستمر.
يعكس التيار المتناوب اتجاه حركته من خمسين إلى ستين مرة في الثانية الواحدة، وهو التيار الذي يتم اعتماده في تغذية المنازل، وتستعمل أيضاً الأدوات التي تعمل محركاتها الكهربائية على التيار المستمر بشكل شائع في الأدوات المنزلية، حيث يسير التيار المستمر في اتجاه واحد فقط، ومصدره الرئيسي هو البطارية، ويتم استخدام محركات التيار المستمر بشكل شائع لتشغيل المعدّات الميكانيكية في المصانع، كما أنه يعمل عمل بادئ تشغيل في المحركات التي تعمل على البنزين.
تعتمد المحرّكات الكهربائية في عملها على مغانط كهربائية لتنتج القوة اللازمة لإدارة الآلات أو المعدّات الميكانيكية، وتسمّى الآلات أو المعدّات التي تدار بالمحرّك الكهربائي الحمْل، ويتم توصيل عمود إدارة المحرّك بالحمْل.
تاريخ المحرك الكهربائي
قام كل من العالمين جوزيف هنري ومايكل فاراداي باكتشاف مبدأ عمل المحرّك الكهربائي، وقاموا ببناء نموذج أولي للمحرّك الكهربائي خلال عشرينيات القرن التاسع عشر، حيث كان بإمكان ذاك النموذج إنتاج حركة ميكانيكية معتمدة اعتماداً كلياً على الكهرومغناطيسية، وعلى الرغم من أن ذلك النموذج لم يكن ذو فعالية عالية ولم يكن وارداً استخدامه للقيام بأعمال ذات أهمية للبشرية، إلا أنه كان رأس الخيط في عالم صناعة المحرّكات الكهربائية، حيث كان بوّابة لصنع أول محرك كهربائي حقيقي يمكن الاستفادة منه واستخدامه في عام 1834 على يد العالم دافنبورت والذي كان بإمكانه تشغيل عربة تسير في مسار دائري، وتوالت التحسينات والتطويرات على المحركات الكهربائية بأنواعها المختلفة من ثلاثينيات القرن التاسع عشر وصولاً ليومنا هذا وحققت المحركات الكهربائية انتشاراً واسعاً ونجاحاً على المستوى التجاري في أنحاء العالم في الربع الأخير من القرن التاسع عشر.
كيف يعمل المحرك الكهربائي؟
مبدأ عمل المحرك الكهربائي المستمر
بشكل عام، تقوم محرّكات الكهرباء بتحويل الكهرباء إلى حركة دورانية من خلال خصائص ظاهرة التحريض الكهرومغناطيسي، إذ يتمّ تشغيل محركات التيّار المستمر عن طريق توصيلها بمصدر للتيّار الكهربائي المستمر كالبطاريات مثلاً، ويتم توصيل البطّارية من خلال أسلاك كهربائية مع ملفّ معدنيّ يمثّل الجزءّ الدواّر من المحرّك الكهربائيّ، وتتصل البطارية بالجزء الدوار من خلال الفرش النحاسية (الفحمات) والمبادل الكهربائي، وعند توصيل الجزء الدوار بالبطارية يسري فيه التيّار مما يحوّله لمغناطيس كهربائيّ يولّد مجالاً مغناطيسياً في محيطه، ويكون الجزء الدوّار من المحرّك الكهربائيّ محاطاً بمجال مغناطيسي دائم ناتج عن الجزء الذي لا يتحرك من المحرّك، ممّا يؤديّ لتأثر المغناطيس الكهربائيّ بالمجال المغناطيسي المحيط به بقوى التجاذب والتنافر بين الأقطاب، ما يؤدي إلى توليد عزم دوران يجعل الملف يدور بحركة دائرية نصف دورة، ولاستمرار دوران هذا الملفّ فإنّه يستخدم المبادل الكهربائي الذي يعكس اتجاه التيّار المارّ في الملفّ الدوّار، ممّا يؤدي لانعكاس أقطاب المغناطيس الكهربائيّ بعد كل نصف دورة مما يعني استمرار تأثّر المغناطيس الكهربائي بقوى التجاذب والتنافر وبالتالي استمرار دورانه.
مبدأ عمل المحرك الكهربائي المتناوب
يتألف محرّك التيّار المتناوب من جزئين رئيسيين وهما الجزء الدوّار والجزء الثابت، وعلى عكس مبدأ محركات التيّار المستمر فإن اتجاه التيّار الكهربائيّ يتغيّر باستمرار ويكون متّصلاً بالجزء الثابت من المحرّك، حيث يتكوّن الجزء الثابت من عدد من الحلقات الكهربائية الموصلة والتي تصبح مغناطيساً كهربائياً عند إيصالها بالتيّار الكهربائيّ المتناوب، فتنتج مجالاً مغناطيسياً حولها، مما يؤدّي لتولّد تيًار كهربائيّ مُحَرَّض يمر في أطراف الملفّ المعدنيّ الذي يمثّل الجزء الدوّار والذي يدور داخل مجال الجزء الثابت، ويؤدّي هذا التيّار المتحرض لتولد مجال مغناطيسي آخر في الملفّ ويتأثر بالمجال المغناطيسي للجزء الثابت، فينتج عزم دوران نتيجة قوى التجاذب والتنافر المتبادلة بين كل من المجالين المغانطيسيين.
مكونات المحرك الكهربائي
مكونات محرك التيار مستمر
الجزء الثابت (بالإنجليزية: The Stator): وهو المصدر الدائم للمجال المغناطيسي اللا منقطع في المحرّك الكهربائي.
الجزء الدوّار (بالإنجليزية: The Rotor): وهو الملفّ الموصل، والذي يمثّل المغناطيس الكهربائي وتتمثل وظيفته الأساسية بالدوران بسرعات عالية، من أجل توليد طاقة ميكانيكية دورانية للمحرّك.
المبادل الكهربائي (بالإنجليزية: Commutator): وهو من أهم الأجزاء في محرّك التيار المستمر، حيث يعمل على المحافظة على دورانّ الملف باستمرار، كما يعمل على عكسّ التيّار الكهربائيّ بعد كلّ نصف دورة فتنعكس أقطاب المغناطيس الكهربائي، وتؤمّن قوى التجاذب والتنافر استمرارية دورانه.
مصدر الطاقة (بالإنجليزية: Power source): أي مصدر التيّار الكهربائيّ المستمر الذي يتدفّق في جسم الملفّ الموصل، كالبطاريات.
الفرش (بالإنجليزية: Brushes): أو ما يسّمى بالفحمات، وتكون متصلة بأقطاب مصدر الطاقة (البطاريات).
مكونات محرك التيار المتناوب
الجزء الثابت: وهو ملّف خارجيّ ينتج المجال المغناطيسي عند وصله بمصدر التيّار المتناوب.
الجزء الدوّار: وهو محور معدنيّ وموصل، يتألف من لفائف من أسلاك معدنية، يتولّد فيها التيّار المتحرض.
أنواع المحركات الكهربائية
محرك التيار المستمر
مبدأ عمل محرك التيار المستمر
يعتمد المحرّك الكهربائيّ الذي يعمل على التيّار المستمر على ملفّ من الأسلاك التي تقوم بالدوران داخل مجال مغناطيسي، ويتمّ وصل هذه الأسلاك بمصدر للتيّار الكهربائيّ المستمر كالبطارية مثلاً ليتدفّق التيَار خلاله وينتج مجالاً مغناطيسياً مؤقتاً حوله ويسمّى المغناطيس الكهربائي، فيتأثر المغناطيس الكهربائي بالمجال المغناطيسي الثابت المحيط به بقوى تجاذب وتنافر، حيث تتنافر الأقطاب المتشابهة وتتجاذب الأقطاب المختلفة، مما يجعله ينقلب ويدور نصف دورة داخل المجال المغناطيسي الدائم، وعند كلّ نصف دورة يتمّ عكس أقطاب المغناطيس الكهربائي بواسطة مبادل كهربائي ليستمر في الدوران داخل المجال المغناطيسي الدائم وفي نفس الاتجاه طالما أنّ التيّار مستمر في التدّفق.
محرك التيار المتردد
مبدأ عمل محرك التيار المتردد
يتم اعتماد نظام التيار المتناوب في معظم المنازل والمباني وهذا يعني أنّ المحرّكات المستخدمة لهذه الأغراض غالباً ما تعتمد على التيّار المتناوب في عملها، والذي يقوم بعكس اتجاهه حوالي 50 مرة في الثانية الواحدة.
يعمل محرك التيّار المتناوب وفقاً لقانوني كل من العالم فاراداي والعالم لينز للتحريض الكهرومغناطيسي، إذ يتمّ توصيل التيّار المتناوب في الجزء الثابت من المحرّك، ويمرّ فيه تيّاراً كهربائيّاً ما يؤدي إلى تكوّن مجالاً مغناطيساً محيطاً به، بحيث يؤديّ لتوليد تيّار متناوب متحرض، وعند مرور التيّار الكهربائيّ المتحرض من جسم الموصل يخلق مجالاً مغناطيسياً آخر خاصاً به يعمل على دوران الموصل باستمرار دون انقطاع أو توقف ليكون الجزء الدوّار في المحرّك، وبهذا فإنّ أهم اختلاف مباشر بين محرّكات التيّار المتناوب ومحركات التيّار المستمر، هو أنّ مصدر التيّار في محرّكات التيّار المستمر يكون متّصلاً مع الجزء الداخلي من المحرّك أي الجزء الدوّار، أمّا في محركات التيّار المتناوب فإنّ مصدر التيّار يكون متّصلاً مع الجزء الخارجيّ الموصل أي الجزء الثابت من المحرّك.
مميزات المحرّك الكهربائي
التكلفة المنخفضة جدًا بالمقارنة مع محرك يعمل على الوقود الأحفوري وبذات القدرة.
عدد الأجزاء المتحركة القليل نسبيًا يمنح المحرك الكهربائي عمرًا تشغيليًّاً أطول، حيث يقدّر العمر التشغيلي الافتراضي للمحركات بنحو 30 ألف ساعة عمل قبل الحاجة إلى صيانة كبيرة، لذا يمكن القول إنّها تتطلب صيانة بحدود دنيا.
المحركات الكهربائية ذات كفاءة عالية.
تساعد أدوات التحكم الأوتوماتيكية التي تزود بها المحركات بتشغيلها وإيقافها تلقائيًا أو عن بُعد.
لا تحتاج المحركات الكهربائية إلى الوقود لعملها، لذا لا تتطلب صيانة زيت المحرك كما أنّها لا تتجمد في درجات الحرارة المنخفضة (ما دون الصفر).
استخدامات المحرك الكهربائي
ضواغط الثلاجات.
ضواغط المكيفات.
ضواغط التكييف المركزي.
المكانس الكهربائية.
المراوح الكهربائية.
مضخات المياه.
ماكينات الخياطة.
مصانع خطوط الإنتاج.
مصانع العصر.
في القطاع العسكري.
أعطال المحرك الكهربائي
المحرك ثلاثي الطور يعمل بطورين فقط.
الحل: تأكد من وصول التغذية المناسبة واستبدل المصهرات التالفة.
تلف كرسي المحور.
الحل: استبدال كرسي المحور.
تفكك في قضبان العضو الدوار.
الحل: لحم القضبان بالحلقات الجانبية إن أمكن ذلك أو استبدال العضو الدوار.
انحناء في عامود العضو الدوار.
الحل: يتم علاج الانحناء بواسطة المخرطة.
خطأ في التوصيل.
الحل: أعد الوصل بالطريقة الصحيحة.
قصر في الملفات.
الحل: اعزل القصر.
ملفات المحرك محترقة تماماً.
الحل: أعد لف ملفات المحرك.
عدم توصيل المحرك توصيلة النجمة أو المثلث.
الحل: صل أطراف المحرك بالتوصيلة المناسبة للمحرك نجمة أو مثلث.
عيوب المحرك الكهربائي
صعوبة نقل المحركات ذات الاستطاعة العالية لكونها كبيرة الحجم.
حساسة للأخطاء الكهربائية فأي خطأ يؤثر على عملها.
تكلفتها عالية وخصوصاً عندما تكون عالية القدرة.