محرك كهربائي ثنائي القطب

المحرك الكهربائي ثنائي القطب هو محرك كهربائي ذو قطبين فقط (ومن هنا جاءت تسميته ) في مجاله الثابت. ^{[ 1 ]} وهو مثال على محرك التيار المستمر البسيط ذي الفرش ، المزود بمبدل . ويمكن توليد هذا المجال إما بواسطة مغناطيس دائم أو ملف مجال .

يشير مصطلح "ثنائي القطب" إلى المجال الثابت للمحرك، وليس إلى الدوار. ^{[ 1 ]} غالبًا ما تحتوي الدوارات على أكثر من قطبين، ثلاثة في المحركات البسيطة، وقد يزيد العدد في المحركات عالية القدرة. يُعاب على الدوار ثنائي القطب أنه لا يبدأ التشغيل تلقائيًا في جميع الأوضاع، لذا يتطلب تحريكه يدويًا لبدء التشغيل.

استخدمت المحركات الكهربائية الأولى التي تعمل بالتيار المستمر، بدءًا من محرك غرام في سبعينيات القرن التاسع عشر، مجالات ثنائية القطب. اعتمدت هذه الآلات المبكرة على قطع أقطاب مجال مصممة بشكل بدائي، ذات دوائر مغناطيسية طويلة وفجوات واسعة بين الأقطاب، وقطع أقطاب ضيقة تُنتج تدفقًا مغناطيسيًا محدودًا عبر العضو الدوار. كانت هذه المجالات عادةً على شكل حدوة حصان، إما بمغناطيسات حدوة حصان دائمة أو بملف مجال واحد أو اثنين على مسافة معينة من الأقطاب.

كانت الأسلاك المعزولة في بداياتها تُعزل، إن ^عُزلت أصلاً، ^{بلفائف من} خيوط القطن. لم تكن هذه اللفائف تتحمل سوى ارتفاع طفيف في درجة الحرارة قبل أن ترتفع حرارتها بشكل مفرط وتحترق نتيجة ماس كهربائي. ولذلك، كانت اللفائف طويلة وضيقة، وأحيانًا تتكون من طبقة واحدة فقط من السلك، مما استلزم وجود قلب طويل لاستيعاب حجمها. كان من الممكن تركيب اللفائف الصغيرة المفردة أفقيًا، ولكن الترتيب الأكثر شيوعًا كان استخدام لفتين طويلتين متجاورتين.

لتحسين كفاءة الدائرة المغناطيسية ، تم التوصل إلى إمكانية توفير مسارات مغناطيسية متعددة عبر نفس العضو الدوار. فتم فصل الملفين ووضعهما على جانبي المحرك، بحيث يشكل قلبهما الحديدي دائرة على شكل الرقم 8 جانبيًا، بينما يقع العضو الدوار في فجوة قطبية مركزية. يمر التدفق المغناطيسي من كلا الملفين عبر هذه الفجوة. وقد أدى ذلك إلى دائرة مغناطيسية أقصر إجمالًا، وبالتالي ذات فقد مغناطيسي أقل. كما أصبح من الممكن الحصول على لفائف أكثر إحكامًا بفضل استخدام الشيلاك لتشريب اللفائف وتحسين موثوقية عزلها.

أصبحت التصاميم اللاحقة، بدءًا من حوالي عام 1900، أكثر إحكامًا مع دوائر مغناطيسية أقصر وأكثر كفاءة. وانتقلت ملفات المجال إلى ملفات داخلية قصيرة ومكتنزة حول أقطاب المحرك نفسها. ^{[ 1 ]} أما الجزء المتبقي من الدائرة المغناطيسية فكان عبارة عن مسار دائري مزدوج الجوانب حول غلاف المحرك. وبينما صُمم هذا التصميم في الأساس ليكون أكثر كفاءة، فقد أتاح أيضًا تصميمًا أكثر إحكامًا من حيث المساحة.

مثّل هذا التصميم الدائري نهايةً لاستخدام المحرك ثنائي القطب كمصدر طاقة صناعي. فقد أمكن وضع مجموعة ثانية من ملفات المجال وأقطاب المحرك داخل نفس حجم الغلاف، مما أدى إلى تصميم رباعي الأقطاب. وبفضل التوزيع الأكثر كفاءة لتدفق المجال حول محيط العضو الدوار بالكامل، أصبح المحرك ذو قدرة مضاعفة تقريبًا، لنفس تيار العضو الدوار. ^{[ 1 ]} وكان تيار العضو الدوار، وما يرتبط به من مبدل وفرشاة، من أغلى أجزاء المحرك تكلفةً في التصنيع.

كان أحد آخر الاستخدامات الصناعية للمحركات ثنائية القطب الكبيرة في قاطرات ميلووكي رود الكهربائية من فئة EP-2 عام 1917. ^{[ 2 ]} اختارت الشركة تزويد خطها الساحلي بالكهرباء ، باستخدام جهد 3000 فولت تيار مستمر. لم تكن هذه أولى القاطرات الكهربائية المنتجة، بل استفادت من الدروس المستفادة من الممارسات السابقة. استخدمت العديد من القاطرات المبكرة محركًا واحدًا أو اثنين كبيرين مثبتين على هيكل القاطرة ، مع نقل الحركة إلى العجلات عبر قضبان التوصيل ، وهي طريقة تقليدية في قاطرات البخار . عند استخدام محركات التيار المتردد، التي تتطلب أقطابًا متعددة وبالتالي أقطارًا كبيرة، بدا استخدام هذه المحركات المثبتة على الهيكل أمرًا لا مفر منه، على الرغم من أنها تتطلب هذا النقل الميكانيكي المكثف للعجلات. استخدم نظام بديل لمحركات الجر المعلقة في مقدمة القاطرة محركات صغيرة عالية السرعة بجانب كل محور، تعمل من خلال علبة تروس تخفيض السرعة. سيسود هذا النظام في النهاية في كل من القاطرات الكهربائية والديزل، ولكن في ذلك الوقت كان من الصعب إنتاج علبة تروس موثوقة وعالية القدرة.

استخدم التصميم "ثنائي القطب" محركات مثبتة على المحور، تُشغل كل عجلة على حدة. وشكّل المحور محور دوران ليس فقط العجلات، بل أيضًا عضو المحرك الدوار نفسه. كان هذا النظام البسيط ظاهريًا مستخدمًا سابقًا، ولكن فقط في القاطرات منخفضة الطاقة ذات المحركات خفيفة الوزن. ولأن العجلات والمحور، وفي هذه الحالة المحرك أيضًا، غير مُعلقة بنظام التعليق، فإن أي وزن إضافي هنا سيؤدي إلى ضعف جودة القيادة. وللسماح باستخدامه في هذه القاطرات الجديدة فائقة القوة، قُسّم المحرك إلى قسمين. شُكّل عضو المحرك الدوار كجزء من المحور، بينما حُملت أقطاب المجال والملفات الأثقل وزنًا على هيكل القاطرة المُعلق. وقد وفّر هذا قيادة مقبولة.

تكمن صعوبة هذا النظام في ضرورة أن يكون المحرك الدوار حر الحركة لأعلى ولأسفل بالنسبة للمجال المغناطيسي، بالتزامن مع حركة نظام التعليق. في المحركات الحديثة ذات الأقطاب الأربعة، كان هذا سيؤدي إلى تغيير المسافة بين القطبين العلوي والسفلي، وربما يصل الأمر إلى اصطدام المحرك الدوار بقطع القطبين (نظرًا لأن حركة نظام التعليق أكبر بكثير من المسافة النموذجية بين القطبين). وكان الحل هو العودة إلى المحرك ثنائي القطب، الذي كان يُعتبر قديمًا نسبيًا. فبوضع القطبين على جانبي المحرك الدوار ومنحهما أسطحًا رأسية مسطحة، أصبح المحرك الدوار حر الحركة لأعلى ولأسفل بينهما. كان تصميم المحرك غير فعال نسبيًا، حتى بمعايير ذلك الوقت، ولكن هذه القاطرات صُممت لقوتها وقدرتها على الجر مع وفرة من الطاقة الكهرومائية الرخيصة، وليس لكفاءتها.

تضمنت التصاميم المبكرة "ثنائية القطب" محرك S الرائد لشركة نيويورك المركزية عام 1904 ومحرك T اللاحق عام 1913، ومع ذلك أصبحت فئة EP-2 التابعة لشركة ميلووكي رود هي الفئة الأكثر ارتباطًا بمحرك ثنائي القطب، حتى أنها حصلت على اسم "ثنائي القطب" لهذه الفئة.

عملت قاطرات EP-2 بكفاءة ونجاح لمدة 35 عامًا. تم سحبها في نهاية المطاف بسبب التراجع العام في خطوط السكك الحديدية الأمريكية في أواخر الخمسينيات، وظهور طاقة الديزل الرخيصة، وعلى وجه الخصوص بسبب إعادة بناء هذه الفئة بشكل سيئ مما أدى إلى مشاكل في موثوقية القاطرات المعاد بناؤها.

لا يزال المحرك ثنائي القطب مستخدمًا على نطاق واسع حتى اليوم، في تطبيقات متوسطة الطاقة ومنخفضة التكلفة مثل المحركات العالمية المستخدمة في الأجهزة المنزلية مثل خلاطات الطعام والمكانس الكهربائية والمثاقب الكهربائية .

تُعدّ هذه المحركات في مجملها تصميمًا لمحركات التيار المستمر ذات الفرش، مع ملفات مجال موصولة على التوالي. كما أنها تعمل بكفاءة عالية مع مصادر التيار المتردد، وهي الأكثر شيوعًا في الوقت الحالي. توفر هذه المحركات عزم دوران وسرعة أعلى من محركات الحث، ولذا فهي مناسبة للعديد من التطبيقات التي يكون فيها انخفاض التكلفة وخفة الوزن أهم من الكفاءة الكهربائية.

لقد تم استخدام المحرك ثنائي القطب البسيط على نطاق واسع في الألعاب الكهربائية، منذ الأيام الأولى لألعاب الصفيح .

استخدمت المحركات الأولى من هذا النوع مغناطيسًا دائمًا بسيطًا على شكل حدوة حصان . أما محركات "العلبة" الأكثر حداثة، منذ الستينيات فصاعدًا، فقد ظلت ثنائية القطب، ولكنها، مثل المحركات الصناعية، استخدمت زوجًا أكثر كفاءة من المغناطيسات على شكل حرف C داخل علبة فولاذية دائرية.

نظراً لتكلفتها الإضافية وتعقيدها، نادراً ما استُخدمت المحركات ذات الملفات المغناطيسية في النماذج. ومن الاستثناءات المعروفة محركات "تايكول"، التي كانت موجهة بالدرجة الأولى لقوارب النماذج الكبيرة . ^{[ 3 ]} وقد بلغت هذه المحركات ذروتها في خمسينيات وستينيات القرن الماضي، ثم أصبحت قديمة وغير قادرة على المنافسة السعرية مع توفر مواد أكثر قوة للمغناطيس الدائم، وتحديداً الفريت .

بدأت شركة تايكول بمحركات مغناطيسية بسيطة على شكل حدوة حصان، ^{[ 4 ]} لكن تخصصها الحقيقي كان في المجالات الملفوفة. ^{[ 5 ]} استخدمت معظم هذه المحركات ملف مجال عرضي واحد مثبت فوق الدوار. أما مجموعتاها الأكبر حجماً "مارين" و"دبل سبيشال" فاستخدمتا تصميمًا مزدوج الملفات، مع ملفي مجال رأسيين مثبتين على الجانبين. ^{[ 3 ]}

كان محرك Meccano E15R مشابهاً، وإن كان أصغر حجماً وأقل قوة بكثير. ^{[ 6 ] [ 7 ]}

لا يزال بناء محرك ثنائي القطب بسيط، عادةً مع دوار ثنائي القطب أيضًا، مشروعًا علميًا أساسيًا شائعًا للأطفال. ^{[ 8 ] [ 9 ]}