محرك التيار المستمر

مقالات عن
الكهرومغناطيسية
كهرباء المغناطيسية بصريات تاريخ حسابي الكتب المدرسية الظواهر
الكهرباء الساكنة كثافة الشحنة موصل قانون كولومب إلكتريت الشحنة الكهربائية ثنائي القطب الكهربائي المجال الكهربائي التدفق الكهربائي الإمكانات الكهربائية التفريغ الكهروستاتيكي الحث الكهروستاتيكي قانون جاوس عازل السماحية الاستقطاب الطاقة الكامنة الكهرباء الساكنة الكهرباء الاحتكاكية
المغناطيسية الساكنة قانون أمبير قانون بيوت-سافارت قانون غاوس المغناطيسي ثنائي القطب المغناطيسي المجال المغنطيسي التدفق المغناطيسي الإمكانات القياسية المغناطيسية إمكانات المتجه المغناطيسي مغنطة نفاذية قاعدة اليد اليمنى
الديناميكا الكهربائية ضوء الكبح إشعاع السيكلوترون تيار الإزاحة التيار الدوامي المجال الكهرومغناطيسي الحث الكهرومغناطيسي نبضة كهرومغناطيسية الإشعاع الكهرومغناطيسي قانون فاراداي معادلات جيفيمينكو صيغة لارمور قانون لينز إمكانات ليينارد-ويشرت معادلات لندن قوة لورنتز معادلات ماكسويل موتر ماكسويل متجه بوينتينج إشعاع السنكروترون
الشبكة الكهربائية التيار المتناوب السعة كثافة التيار التيار المباشر التيار الكهربائي الطاقة الكهربائية التحليل الكهربائي القوة الدافعة الكهربائية مقاومة المحاثة تسخين جول قوانين كيرشوف تحليل الشبكة قانون أوم دائرة متوازية مقاومة التجاويف الرنانة دائرة متسلسلة الجهد االكهربى واط الموجهات الموجية
الدائرة المغناطيسية محرك التيار المتردد محرك التيار المستمر آلة كهربائية محرك كهربائي مكثف الدوران محرك تحريضي محرك خطي القوة الدافعة المغناطيسية النفاذية الإحجام (معقد) الإحجام (الحقيقي) الدوار الجزء الثابت محول
صياغة متغايرة موتر كهرومغناطيسي الكهرومغناطيسية والنسبية الخاصة أربعة تيارات أربعة إمكانات الأوصاف الرياضية معادلات ماكسويل في الزمكان المنحني الكهرومغناطيسية النسبية موتر الإجهاد والطاقة
العلماء أمبير بيو كولومب دافي اينشتاين فاراداي فيزو جاوس هيفيسايد هلمهولتز هنري هرتز هوبكنسون جيفيمينكو جول كلفن كيرشوف لارمور لينز لينارد لورنتز ماكسويل نيومان أوم أورستيد سمكة بوينتينغ ريتشي سافارت مغني شتاينميتز تسلا تومسون فولتا ويبر ويشرت
ف ت هـ

محرك التيار المستمر هو محرك كهربائي يستخدم التيار المستمر (DC) لإنتاج قوة ميكانيكية. تعتمد الأنواع الأكثر شيوعًا على القوى المغناطيسية التي تنتجها التيارات في الملفات. تحتوي جميع أنواع محركات التيار المستمر تقريبًا على بعض الآليات الداخلية، إما كهروميكانيكية أو إلكترونية، لتغيير اتجاه التيار بشكل دوري في جزء من المحرك.

كانت محركات التيار المستمر هي الشكل الأول للمحركات المستخدمة على نطاق واسع، حيث يمكن تشغيلها من أنظمة توزيع طاقة الإضاءة ذات التيار المستمر الموجودة. يمكن التحكم في سرعة محرك التيار المستمر على نطاق واسع، إما باستخدام جهد إمداد متغير أو عن طريق تغيير قوة التيار في لفائف مجاله. تُستخدم محركات التيار المستمر الصغيرة في الأدوات والألعاب والأجهزة. يمكن للمحرك الشامل ، وهو محرك خفيف الوزن ذو فرشاة يستخدم للأدوات والأجهزة الكهربائية المحمولة، أن يعمل بالتيار المستمر والتيار المتناوب. تُستخدم محركات التيار المستمر الأكبر حاليًا في دفع المركبات الكهربائية والمصاعد والرافعات وفي محركات مصانع درفلة الصلب. أدى ظهور إلكترونيات الطاقة إلى جعل استبدال محركات التيار المستمر بمحركات التيار المتردد ممكنًا في العديد من التطبيقات.

يولد ملف سلكي يمر خلاله تيار كهربائي مجالاً كهرومغناطيسياً محاذياً لمركز الملف. ويمكن تغيير اتجاه وحجم المجال المغناطيسي الناتج عن الملف وفقاً لاتجاه وحجم التيار المتدفق خلاله.

يحتوي محرك التيار المستمر البسيط على مجموعة ثابتة من المغناطيسات في الجزء الثابت ومحرك به لفافة واحدة أو أكثر من الأسلاك المعزولة ملفوفة حول قلب من الحديد الناعم الذي يركز المجال المغناطيسي. عادةً ما يكون لللفافات عدة لفات حول القلب، وفي المحركات الكبيرة يمكن أن يكون هناك عدة مسارات تيار متوازية. يتم توصيل أطراف لف السلك بمبدل . يسمح المبدل بتنشيط كل ملف محرك بدوره ويربط الملفات الدوارة بمصدر الطاقة الخارجي من خلال الفرش. (تحتوي محركات التيار المستمر بدون فرش على إلكترونيات تقوم بتشغيل وإيقاف تشغيل التيار المستمر لكل ملف ولا تحتوي على فرش.)

إن إجمالي كمية التيار المرسلة إلى الملف، وحجم الملف، وما يلتف حوله يحدد قوة المجال الكهرومغناطيسي الناتج.

يحدد تسلسل تشغيل أو إيقاف تشغيل ملف معين الاتجاه الذي تشير إليه المجالات الكهرومغناطيسية الفعالة. من خلال تشغيل وإيقاف تشغيل الملفات بالتتابع، يمكن إنشاء مجال مغناطيسي دوار. تتفاعل هذه المجالات المغناطيسية الدوارة مع المجالات المغناطيسية للمغناطيسات (الدائمة أو الكهرومغناطيسية ) في الجزء الثابت من المحرك (الجزء الثابت) لإنشاء عزم دوران على المحرك مما يجعله يدور. في بعض تصميمات محركات التيار المستمر، تستخدم مجالات الجزء الثابت المغناطيسات الكهربائية لإنشاء مجالاتها المغناطيسية مما يسمح بقدر أكبر من التحكم في المحرك.

عند مستويات الطاقة العالية، يتم تبريد محركات التيار المستمر دائمًا تقريبًا باستخدام الهواء القسري.

إن العدد المختلف لحقول الجزء الثابت والمحرك وكذلك كيفية توصيلهما يوفر خصائص مختلفة لتنظيم السرعة وعزم الدوران. يمكن التحكم في سرعة محرك التيار المستمر عن طريق تغيير الجهد المطبق على المحرك. تسمح المقاومة المتغيرة في دائرة المحرك أو دائرة المجال بالتحكم في السرعة. غالبًا ما يتم التحكم في محركات التيار المستمر الحديثة بواسطة أنظمة إلكترونيات الطاقة التي تضبط الجهد عن طريق "تقطيع" التيار المستمر إلى دورات تشغيل وإيقاف ذات جهد أقل فعال.

نظرًا لأن محرك التيار المستمر الملفوف على التوالي يطور أعلى عزم دوران له عند سرعة منخفضة، فإنه غالبًا ما يستخدم في تطبيقات الجر مثل القاطرات الكهربائية والترام . بدأ تقديم محركات التيار المستمر ونظام الشبكة الكهربائية لتشغيل الآلات بدءًا من سبعينيات القرن التاسع عشر ثورة صناعية ثانية جديدة . يمكن لمحركات التيار المستمر أن تعمل مباشرة من البطاريات القابلة لإعادة الشحن، مما يوفر القوة الدافعة لأولى المركبات الكهربائية والسيارات الهجينة والسيارات الكهربائية اليوم بالإضافة إلى تشغيل مجموعة من الأدوات اللاسلكية . لا تزال محركات التيار المستمر موجودة اليوم في تطبيقات صغيرة مثل الألعاب ومحركات الأقراص، أو بأحجام كبيرة لتشغيل مطاحن الدرفلة الفولاذية وآلات الورق. كانت محركات التيار المستمر الكبيرة ذات المجالات المثارة بشكل منفصل تُستخدم عمومًا مع محركات اللف لرافعات المناجم ، لعزم دوران مرتفع بالإضافة إلى التحكم السلس في السرعة باستخدام محركات الثايرستور. يتم استبدالها الآن بمحركات تيار متردد كبيرة بمحركات تردد متغير.

إذا تم تطبيق طاقة ميكانيكية خارجية على محرك تيار مستمر، فإنه يعمل كمولد تيار مستمر، أي دينامو . تُستخدم هذه الميزة لإبطاء وإعادة شحن البطاريات في السيارات الهجينة والكهربائية أو لإعادة الكهرباء إلى الشبكة الكهربائية المستخدمة في سيارة ترام أو خط قطار يعمل بالطاقة الكهربائية عندما تبطئ. تسمى هذه العملية بالكبح المتجدد في السيارات الهجينة والكهربائية. في قاطرات الديزل الكهربائية، يستخدمون أيضًا محركات التيار المستمر الخاصة بهم كمولدات لإبطاء السرعة ولكن لتبديد الطاقة في مجموعات المقاومات. تضيف التصميمات الأحدث مجموعات بطاريات كبيرة لاستعادة بعض هذه الطاقة.

يولد المحرك الكهربائي DC ذو الفرشاة عزم الدوران مباشرة من طاقة التيار المستمر المزودة للمحرك باستخدام التبديل الداخلي والمغناطيسات الثابتة ( الدائمة أو الكهربائية ) والمغناطيسات الكهربائية الدوارة.

تتضمن مزايا محرك التيار المستمر بالفرشاة التكلفة الأولية المنخفضة والموثوقية العالية والتحكم البسيط في سرعة المحرك. أما العيوب فهي الصيانة العالية وعمر الخدمة القصير للاستخدامات عالية الكثافة. تتضمن الصيانة استبدال الفرش الكربونية والينابيع التي تحمل التيار الكهربائي بانتظام، بالإضافة إلى تنظيف أو استبدال المبدل . هذه المكونات ضرورية لنقل الطاقة الكهربائية من خارج المحرك إلى لفائف الأسلاك الدوارة للدوار داخل المحرك.

تُصنع الفرش عادةً من الجرافيت أو الكربون، وفي بعض الأحيان يُضاف إليها النحاس المشتت لتحسين التوصيل. وفي الاستخدام، تتآكل مادة الفرشاة الناعمة لتناسب قطر المبدل، وتستمر في التآكل. يحتوي حامل الفرشاة على زنبرك للحفاظ على الضغط على الفرشاة أثناء تقصيرها. بالنسبة للفرش المخصصة لحمل أكثر من أمبير أو اثنين، سيتم تشكيل سلك طائر في الفرشاة وتوصيله بأطراف المحرك. قد تعتمد الفرش الصغيرة جدًا على التلامس المنزلق مع حامل الفرشاة المعدني لنقل التيار إلى الفرشاة، أو قد تعتمد على زنبرك تلامس يضغط على نهاية الفرشاة. قد تكون الفرش في المحركات الصغيرة جدًا قصيرة العمر، مثل تلك المستخدمة في الألعاب، مصنوعة من شريط مطوي من المعدن يلامس المبدل.

تستخدم محركات التيار المستمر عديمة الفرشاة النموذجية مغناطيسًا دائمًا واحدًا أو أكثر في الدوار ومغناطيسات كهربائية على غلاف المحرك للجزء الثابت. يحول متحكم المحرك التيار المستمر إلى تيار متردد . هذا التصميم أبسط ميكانيكيًا من تصميم المحركات ذات الفرشاة لأنه يزيل تعقيد نقل الطاقة من خارج المحرك إلى الدوار الدوار. يمكن لمتحكم المحرك استشعار موضع الدوار عبر مستشعرات تأثير هول أو أجهزة مماثلة ويمكنه التحكم بدقة في توقيت وطور التيار وما إلى ذلك في ملفات الدوار لتحسين عزم الدوران والحفاظ على الطاقة وتنظيم السرعة وحتى تطبيق بعض المكابح. تشمل مزايا المحركات عديمة الفرشاة عمرًا طويلاً وصيانة قليلة أو معدومة وكفاءة عالية. تشمل العيوب التكلفة الأولية العالية ووحدات التحكم في سرعة المحرك الأكثر تعقيدًا. يُشار إلى بعض هذه المحركات عديمة الفرشاة أحيانًا باسم "المحركات المتزامنة" على الرغم من عدم وجود مصدر طاقة خارجي لمزامنتها، كما هو الحال مع محركات التيار المتردد المتزامنة العادية.

الأنواع الأخرى من محركات التيار المستمر لا تتطلب أي تبديل.

• محرك أحادي القطب – يحتوي المحرك أحادي القطب على مجال مغناطيسي على طول محور الدوران وتيار كهربائي لا يكون موازيًا للمجال المغناطيسي في نقطة ما. يشير اسم أحادي القطب إلى غياب تغير القطبية. تحتوي المحركات أحادية القطب بالضرورة على ملف أحادي اللفة، مما يحد من قدرتها على العمل بجهد منخفض للغاية. وقد أدى هذا إلى تقييد التطبيق العملي لهذا النوع من المحركات.
• محرك محمل كروي – محرك محمل كروي هو محرك كهربائي غير عادي يتكون من محملين كرويين ، مع تثبيت الأضلاع الداخلية على عمود موصل مشترك، والأضلاع الخارجية متصلة بمصدر طاقة عالي التيار ومنخفض الجهد. يوجد تصميم بديل يناسب الأضلاع الخارجية داخل أنبوب معدني، بينما يتم تثبيت الأضلاع الداخلية على عمود به قسم غير موصل (على سبيل المثال، غلافان على قضيب عازل). تتميز هذه الطريقة بأن الأنبوب سيعمل كدولاب موازنة. يتم تحديد اتجاه الدوران من خلال الدوران الأولي المطلوب عادةً لتشغيله.

لا يحتوي محرك المغناطيس الدائم على لفات مجال على إطار الجزء الثابت، بل يعتمد بدلاً من ذلك على لفات المجال لتوفير المجال المغناطيسي الذي يتفاعل ضده مجال الدوار لإنتاج عزم الدوران. يمكن استخدام لفات التعويض على التوالي مع المحرك في المحركات الكبيرة لتحسين التبديل تحت الحمل. نظرًا لأن هذا المجال ثابت، فلا يمكن تعديله للتحكم في السرعة. تعد حقول المجال المغناطيسي الدائم (الستاتورات) ملائمة في المحركات المصغرة للتخلص من استهلاك الطاقة لملف المجال. معظم محركات التيار المستمر الأكبر حجمًا هي من نوع "المولد" الذي يحتوي على لفات المجال الثابت. تاريخيًا، لم يكن من الممكن جعل لفات المجال المغناطيسي الدائم تحتفظ بتدفق عالٍ إذا تم تفكيكها؛ كانت لفات المجال أكثر عملية للحصول على الكمية المطلوبة من التدفق. ومع ذلك، فإن لفات المجال المغناطيسي الدائمة الكبيرة مكلفة، فضلاً عن كونها خطيرة ويصعب تجميعها؛ وهذا يفضل حقول اللف للآلات الكبيرة.

لتقليل الوزن والحجم الإجماليين، قد تستخدم محركات PM المصغرة مغناطيسات عالية الطاقة مصنوعة من النيوديميوم أو عناصر إستراتيجية أخرى؛ معظم هذه العناصر عبارة عن سبيكة نيوديميوم-حديد-بورون. بفضل كثافة التدفق الأعلى، تكون الآلات الكهربائية ذات PMs عالية الطاقة قادرة على المنافسة على الأقل مع جميع الآلات الكهربائية المتزامنة والحثية المصممة بشكل مثالي والتي تعمل بنظام تغذية مفرد. تشبه المحركات المصغرة الهيكل الموجود في الرسم التوضيحي، باستثناء أنها تحتوي على ثلاثة أقطاب دوارة على الأقل (لضمان بدء التشغيل، بغض النظر عن موضع الدوار) وغلافها الخارجي عبارة عن أنبوب فولاذي يربط مغناطيسيًا بالأجزاء الخارجية للمغناطيسات ذات المجال المنحني.

هناك ثلاثة أنواع من التوصيلات الكهربائية بين الجزء الثابت والدوار ممكنة للمحركات الكهربائية ذات التيار المستمر: التوصيل المتسلسل، التوصيل المتوازي/المتتالي، والتوصيل المركب (مزيجات مختلفة من التوصيل المتسلسل والتوصيل المتوازي/المتتالي) ولكل منها خصائص سرعة/عزم دوران فريدة مناسبة لملفات تعريف/توقيعات عزم الدوران المختلفة. ^[1]

يربط محرك التيار المستمر المتسلسل بين الملفين الدوار والملفات الميدانية على التوالي بمصدر طاقة تيار مستمر مشترك . تتغير سرعة المحرك كدالة غير خطية لعزم الحمل وتيار الملف الدوار؛ التيار مشترك بين كل من الجزء الثابت والدوار مما يعطي سلوك مربع التيار (I^2) ^{[ بحاجة لمصدر ]} . يتمتع المحرك المتسلسل بعزم بدء مرتفع للغاية ويُستخدم عادةً لبدء الأحمال ذات القصور الذاتي العالي، مثل القطارات أو المصاعد أو الرافعات. ^[2] تُعد خاصية السرعة/عزم الدوران هذه مفيدة في تطبيقات مثل حفارات السحب ، حيث تتحرك أداة الحفر بسرعة عند تفريغها ولكن ببطء عند حمل حمولة ثقيلة.

لا ينبغي أبدًا تشغيل المحرك التسلسلي بدون تحميل. في حالة عدم وجود حمل ميكانيكي على المحرك التسلسلي، يكون التيار منخفضًا، وتكون القوة الدافعة المضادة للكهرباء الناتجة عن لف المجال ضعيفة، وبالتالي يجب أن يدور المحرك بشكل أسرع لإنتاج ما يكفي من القوة الدافعة الكهربائية المضادة لموازنة جهد الإمداد. يمكن أن يتلف المحرك بسبب السرعة الزائدة. وهذا ما يسمى بحالة الهروب.

يمكن استخدام المحركات المتسلسلة التي تسمى المحركات العالمية على التيار المتناوب . نظرًا لأن جهد المحرك واتجاه المجال ينعكسان في نفس الوقت، يستمر إنتاج عزم الدوران في نفس الاتجاه. ومع ذلك، فإنها تعمل بسرعة أقل مع عزم دوران أقل على مصدر التيار المتردد عند مقارنته بالتيار المستمر بسبب انخفاض جهد المفاعلة في التيار المتردد والذي لا يوجد في التيار المستمر. ^[3] نظرًا لأن السرعة لا ترتبط بتردد الخط، يمكن للمحركات العالمية تطوير سرعات أعلى من السرعات المتزامنة، مما يجعلها أخف وزناً من محركات الحث ذات نفس الناتج الميكانيكي المقدر. هذه سمة قيمة لأدوات الطاقة المحمولة باليد. عادةً ما تكون المحركات العالمية للمرافق التجارية ذات سعة صغيرة، لا تزيد عن حوالي 1 كيلو واط. ومع ذلك، تم استخدام محركات عالمية أكبر بكثير للقاطرات الكهربائية، والتي تغذيها شبكات طاقة جر خاصة منخفضة التردد لتجنب مشاكل التبديل تحت الأحمال الثقيلة والمتغيرة.

يربط محرك التيار المستمر المتقطع بين الملفين الدوارين والملفات الميدانية بالتوازي أو بالتتابع مع مصدر طاقة تيار مستمر مشترك. يتمتع هذا النوع من المحركات بتنظيم جيد للسرعة حتى مع تغير الحمل، لكنه لا يتمتع بعزم بدء تشغيل محرك التيار المستمر المتسلسل. ^[4] يُستخدم عادةً في التطبيقات الصناعية ذات السرعة القابلة للتعديل، مثل أدوات الآلات وآلات اللف/الفك والمشدات.

يربط محرك التيار المستمر المركب بين لفائف المحرك والحقول في مجموعة تحويلة وسلسلة لمنحه خصائص كل من محرك التيار المستمر التحويلي والتسلسلي. ^[5] يستخدم هذا المحرك عندما تكون هناك حاجة إلى عزم دوران بدء مرتفع وتنظيم جيد للسرعة. يمكن توصيل المحرك بترتيبين: تراكميًا أو تفاضليًا. تربط المحركات المركبة التراكمية الحقل التسلسلي لمساعدة الحقل التحويلي، مما يوفر عزم دوران بدء أعلى ولكن تنظيمًا أقل للسرعة. تتمتع محركات التيار المستمر المركبة التفاضلية بتنظيم جيد للسرعة ويتم تشغيلها عادةً بسرعة ثابتة.

• عزم الدوران
• وارد ليونارد السيطرة
• عزم الدوران وسرعة محرك التيار المستمر
• محرك تيار مستمر يتم التحكم فيه بواسطة المحرك

• اصنع نموذجًا عمليًا لمحرك تيار مستمر على موقع sci-toys.com
• كيفية اختيار محرك التيار المستمر في MICROMO (صفحة مؤرشفة)
• نموذج محرك التيار المستمر في Simulink في تبادل الملفات - MATLAB Central