دينامو

الدينامو هو مولد كهربائي ينشئ تيارًا مستمرًا باستخدام محول . كانت الدينامو أول مولدات كهربائية قادرة على توصيل الطاقة للصناعة، والأساس الذي استندت إليه العديد من أجهزة تحويل الطاقة الكهربائية اللاحقة، بما في ذلك المحرك الكهربائي ، ومولد التيار المتناوب ، والمحول الدوار .

اليوم، تهيمن المولدات الكهربائية البسيطة على توليد الطاقة على نطاق واسع ، لأسباب تتعلق بالكفاءة والموثوقية والتكلفة. وللدينامو عيوب المبدل الميكانيكي . كما أن تحويل التيار المتناوب إلى تيار مستمر باستخدام مقومات (مثل الصمامات المفرغة أو مؤخرًا عبر تقنية الحالة الصلبة ) فعال وعادة ما يكون اقتصاديًا.

تم اكتشاف مبدأ تشغيل المولدات الكهرومغناطيسية في عامي 1831-1832 بواسطة مايكل فاراداي . المبدأ، الذي سمي فيما بعد بقانون فاراداي ، هو أن القوة الدافعة الكهربائية تتولد في موصل كهربائي يحيط بتدفق مغناطيسي متغير .

كما قام ببناء أول مولد كهرومغناطيسي، والذي أطلق عليه اسم قرص فاراداي ، وهو نوع من المولدات أحادية القطب ، باستخدام قرص نحاسي يدور بين قطبي مغناطيس حدوة الحصان . وقد أنتج هذا القرص جهد تيار مستمر صغير . ولم يكن هذا المولد دينامو بالمعنى الحالي، لأنه لم يستخدم مبدلًا .

كان هذا التصميم غير فعال، وذلك بسبب التدفقات المعاكسة للتيار التي تلغي نفسها في مناطق القرص التي لم تكن تحت تأثير المجال المغناطيسي. وبينما كان التيار يتم تحفيزه مباشرة أسفل المغناطيس، كان التيار يدور للخلف في مناطق خارج تأثير المجال المغناطيسي. وقد أدى هذا التدفق المعاكس إلى تقييد خرج الطاقة إلى أسلاك الالتقاط، وتسبب في تسخين القرص النحاسي بشكل زائد. وفي وقت لاحق، حلت المولدات أحادية القطب هذه المشكلة باستخدام مجموعة من المغناطيسات مرتبة حول محيط القرص للحفاظ على تأثير مجال ثابت في اتجاه واحد لتدفق التيار.

كان من بين العيوب الأخرى أن جهد الخرج كان منخفضًا جدًا، بسبب مسار التيار الوحيد عبر التدفق المغناطيسي. وجد فاراداي وآخرون أنه يمكن إنتاج جهد أعلى وأكثر فائدة عن طريق لف عدة لفات من الأسلاك في ملف. يمكن أن تنتج لفات الأسلاك أي جهد مرغوب فيه بسهولة عن طريق تغيير عدد اللفات، لذلك كانت سمة لجميع تصميمات المولدات اللاحقة، مما يتطلب اختراع المبدل لإنتاج التيار المستمر.

تم بناء أول دينامو متبادل في عام 1832 بواسطة هيبوليت بيكسي ، وهو صانع أدوات فرنسي. وقد استخدم مغناطيسًا دائمًا يدور بواسطة مرفق. تم وضع المغناطيس الدوار بحيث يمر قطباه الشمالي والجنوبي بقطعة من الحديد ملفوفة بسلك معزول.

وجد بيكسي أن المغناطيس الدوار ينتج نبضة تيار في السلك في كل مرة يمر فيها قطب بالملف. ومع ذلك، فإن القطبين الشمالي والجنوبي للمغناطيس يسببان تيارات في اتجاهين متعاكسين. لتحويل التيار المتناوب إلى تيار مستمر، اخترع بيكسي جهاز تبديل ، وهو عبارة عن أسطوانة معدنية مقسمة على العمود، مع وجود جهتي اتصال معدنيتين زنبركيتين تضغطان عليه.

كان هذا التصميم المبكر يعاني من مشكلة: حيث كان التيار الكهربائي الذي ينتجه يتألف من سلسلة من "النبضات" أو النبضات من التيار الكهربائي التي لا يفصل بينها أي شيء على الإطلاق، مما أدى إلى انخفاض متوسط ​​خرج الطاقة. وكما هو الحال مع المحركات الكهربائية في تلك الفترة، لم يدرك المصممون تمامًا التأثيرات الضارة الخطيرة للفجوات الهوائية الكبيرة في الدائرة المغناطيسية.

قام أنطونيو باشينوتي ، أستاذ الفيزياء الإيطالي، بحل هذه المشكلة حوالي عام 1860 عن طريق استبدال الملف المحوري ثنائي القطب الدوار بملف حلقي متعدد الأقطاب ، والذي ابتكره عن طريق لف حلقة حديدية بلف مستمر، متصل بالمبدل في العديد من النقاط المتباعدة بالتساوي حول الحلقة؛ حيث يتم تقسيم المبدل إلى العديد من الأجزاء. وهذا يعني أن جزءًا من الملف كان يمر باستمرار عبر المغناطيسات، مما يؤدي إلى تنعيم التيار. ^[1]

مولد وولريتش الكهربائي الذي يعود تاريخه إلى عام 1844، والذي يوجد الآن في Thinktank، متحف برمنغهام للعلوم ، هو أقدم مولد كهربائي تم استخدامه في عملية صناعية. ^[2] وقد استخدمته شركة Elkingtons في الطلاء الكهربائي التجاري . ^{[3] [4] [5]}

في عام 1827، وبشكل مستقل عن فاراداي، بدأ المخترع المجري أنيوس جيدليك في إجراء تجارب على أجهزة دوارة كهرومغناطيسية أطلق عليها اسم الدوارات الذاتية الكهرومغناطيسية . في النموذج الأولي للمبدئ الكهربائي أحادي القطب، كانت الأجزاء الثابتة والدوارة كهرومغناطيسية.

حوالي عام 1856، قبل ست سنوات من سيمنز وويتستون ، صاغ أنيوس مفهوم الدينامو، لكنه لم يحصل على براءة اختراع لأنه اعتقد أنه ليس أول من أدرك الفكرة. بدلاً من المغناطيسات الدائمة، استخدم دينامو الخاص به مغناطيسين كهربائيين موضوعين مقابل بعضهما البعض من أجل إحداث مجال مغناطيسي حول الدوار. ^{[6] [7]} كان هذا أيضًا اكتشاف مبدأ الإثارة الذاتية للدينامو ، ^[8] والذي حل محل تصميمات المغناطيس الدائم.

كان الدينامو أول مولد كهربائي قادر على توصيل الطاقة للصناعة. تم اختراع الدينامو الحديث، المناسب للاستخدام في التطبيقات الصناعية، بشكل مستقل من قبل السير تشارلز ويتستون وفيرنر فون سيمنز وصمويل ألفريد فارلي . حصل فارلي على براءة اختراع في 24 ديسمبر 1866، بينما أعلن كل من سيمنز وويتستون عن اكتشافاتهما في 17 يناير 1867، حيث قدم الأخير ورقة بحثية عن اكتشافه إلى الجمعية الملكية .

استخدمت "آلة الدينامو الكهربائية" ملفات مجال كهرومغناطيسي ذاتية التشغيل بدلاً من المغناطيسات الدائمة لإنشاء مجال الجزء الثابت. ^{[ بحاجة لمصدر ]} كان تصميم ويتستون مشابهًا لتصميم سيمنز، مع اختلاف أنه في تصميم سيمنز كانت المغناطيسات الكهربائية للجزء الثابت في سلسلة مع الدوار، ولكن في تصميم ويتستون كانت متوازية. ^[9] أدى استخدام المغناطيسات الكهربائية بدلاً من المغناطيسات الدائمة إلى زيادة كبيرة في خرج الطاقة من الدينامو ومكّن من توليد طاقة عالية لأول مرة. أدى هذا الاختراع مباشرة إلى أول الاستخدامات الصناعية الكبرى للكهرباء. على سبيل المثال، في سبعينيات القرن التاسع عشر، استخدمت سيمنز دينامو كهرومغناطيسي لتشغيل أفران القوس الكهربائي لإنتاج المعادن والمواد الأخرى.

تتكون آلة الدينامو التي تم تطويرها من هيكل ثابت يوفر المجال المغناطيسي ومجموعة من الملفات الدوارة التي تدور داخل هذا المجال. في الآلات الأكبر حجمًا، يتم توفير المجال المغناطيسي الثابت بواسطة مغناطيس كهربائي واحد أو أكثر، والتي تسمى عادةً ملفات المجال.

أعادت زينوب جرام ابتكار تصميم باشينوتي في عام 1871 عند تصميم أول محطات الطاقة التجارية التي تعمل في باريس . كانت إحدى مزايا تصميم جرام هي مسار أفضل للتدفق المغناطيسي ، من خلال ملء المساحة التي يشغلها المجال المغناطيسي بقلوب حديدية ثقيلة وتقليل الفجوات الهوائية بين الأجزاء الثابتة والدوارة. كان دينامو جرام أحد أوائل الآلات التي تولد كميات تجارية من الطاقة للصناعة. ^[10] تم إجراء تحسينات أخرى على حلقة جرام، لكن المفهوم الأساسي للحلقة السلكية الدوارة التي لا نهاية لها لا يزال في قلب جميع الديناموهات الحديثة. ^[11]

قام تشارلز ف. بروش بتجميع أول دينامو له في صيف عام 1876 باستخدام جهاز جري يجره حصان لتشغيله. قام تصميم بروش بتعديل دينامو جرام من خلال تشكيل المحرك الحلقي على شكل قرص بدلاً من شكل أسطوانة. تم أيضًا وضع المغناطيسات الكهربائية الميدانية على جانبي قرص المحرك بدلاً من محيطه. ^{[12] [13]}

بعد اكتشاف أن الدينامو والمحركات تسمح بسهولة التحويل ذهابًا وإيابًا بين الطاقة الميكانيكية أو الكهربائية، تم دمجها في أجهزة تسمى المحولات الدوارة ، وهي آلات دوارة لم يكن الغرض منها توفير الطاقة الميكانيكية للأحمال ولكن تحويل نوع واحد من التيار الكهربائي إلى نوع آخر، على سبيل المثال التيار المستمر إلى تيار متردد . كانت عبارة عن أجهزة أحادية الدوار متعددة المجالات مع مجموعتين أو أكثر من جهات الاتصال الدوارة (إما محولات أو حلقات انزلاقية، حسب الحاجة)، واحدة لتوفير الطاقة لمجموعة واحدة من لفائف المحرك لتدوير الجهاز، وواحدة أو أكثر متصلة بلفائف أخرى لإنتاج تيار الخرج.

يمكن للمحول الدوار تحويل أي نوع من الطاقة الكهربائية إلى أي نوع آخر من الطاقة مباشرة داخليًا. ويشمل ذلك التحويل بين التيار المستمر والتيار المتناوب، والطاقة ثلاثية الطور وأحادية الطور ، والتيار المتردد بتردد 25 هرتز والتيار المتردد بتردد 60 هرتز، أو العديد من الفولتات الناتجة المختلفة في نفس الوقت. تم تصميم حجم وكتلة الدوار بحيث يعمل الدوار كدولاب موازنة للمساعدة في تخفيف أي ارتفاعات مفاجئة أو انقطاعات في الطاقة المطبقة.

تم استبدال تقنية المحولات الدوارة في أوائل القرن العشرين بمقومات بخار الزئبق ، والتي كانت أصغر حجمًا ولم تنتج اهتزازًا أو ضوضاء وتطلبت صيانة أقل. يتم تنفيذ نفس مهام التحويل الآن بواسطة أجهزة أشباه الموصلات ذات الطاقة الصلبة . ظلت المحولات الدوارة قيد الاستخدام في مترو أنفاق ويست سايد آي آر تي في مانهاتن حتى أواخر الستينيات، وربما بعد ذلك ببضع سنوات. كانت تعمل بتيار متردد بتردد 25 هرتز، وتوفر تيارًا مستمرًا بجهد 600 فولت للقطارات.

تتمتع الآلات التي تعمل بالتيار المستمر مثل الدينامو والمحركات التي تعمل بالتيار المستمر المبدل بتكاليف صيانة وحدود طاقة أعلى من الآلات التي تعمل بالتيار المتناوب (AC) بسبب استخدامها للمبدل . هذه العيوب هي:

• يستهلك الاحتكاك الانزلاقي بين الفرش والمبدل الطاقة، وهو ما قد يكون مهمًا في دينامو الطاقة المنخفضة. ^{[ بحاجة لمصدر ]}
• بسبب الاحتكاك، تتآكل الفرش وأجزاء المبدل النحاسية، مما يؤدي إلى تكوين الغبار. تتطلب الآلات الكبيرة المبدلة استبدال الفرش بشكل منتظم وإعادة طلاء المبدل من حين لآخر. لا يمكن استخدام الآلات المبدلة في التطبيقات منخفضة الجسيمات أو المغلقة أو في المعدات التي يجب أن تعمل لفترات طويلة دون صيانة.
• تتسبب مقاومة التلامس المنزلق بين الفرشاة والمبدل في حدوث انخفاض في الجهد يسمى "انخفاض الفرشاة". قد يكون هذا الانخفاض عدة فولتات، وبالتالي يمكن أن يتسبب في خسائر كبيرة في الطاقة في الآلات ذات الجهد المنخفض والتيار العالي (انظر المبدل الضخم لمولد الطلاء الكهربائي 7 فولت في الصورة المجاورة). المحركات ذات التيار المتناوب، والتي لا تستخدم المبدلات، أكثر كفاءة بكثير.
• يوجد حد لأقصى كثافة تيار وجهد يمكن تبديلهما باستخدام محول. لا يمكن بناء آلات التيار المستمر الكبيرة جدًا، على سبيل المثال، ذات تصنيفات القدرة بالميجاواط، باستخدام محولات. أكبر المحركات والمولدات هي آلات تعمل بالتيار المتناوب.
• يؤدي عمل تبديل المبدل إلى حدوث شرارات عند نقاط التلامس، مما يشكل خطر نشوب حريق في الأجواء المتفجرة، ويولد تداخلاً كهرومغناطيسياً .

على الرغم من أن دينامو التيار المستمر كان المصدر الأول للطاقة الكهربائية للصناعة، إلا أنه كان لابد من وضعها بالقرب من المصانع التي تستخدم طاقتها. ولم يكن من الممكن توزيع الكهرباء على مسافات اقتصادية إلا في صورة تيار متناوب، وذلك من خلال استخدام المحولات . ومع تحويل أنظمة الطاقة الكهربائية إلى تيار متناوب في تسعينيات القرن التاسع عشر، تم استبدال الدينامو بمولدات التيار المتناوب خلال القرن العشرين ، وهي الآن أصبحت قديمة تقريبًا.

كانت كلمة "دينامو" (من الكلمة اليونانية dynamis (δύναμις)، والتي تعني القوة أو القدرة) في الأصل اسمًا آخر للمولد الكهربائي ، ولا يزال لها بعض الاستخدام الإقليمي كبديل لكلمة مولد. صاغ الكلمة في عام 1831 مايكل فاراداي ، الذي استخدم اختراعه في تحقيق العديد من الاكتشافات في الكهرباء (اكتشف فاراداي الحث الكهربائي) والمغناطيسية . ^{[14] [15]}

كان "مبدأ الدينامو" الأصلي لفيرنر فون سيمنز يشير فقط إلى مولدات التيار المستمر التي تستخدم مبدأ الإثارة الذاتية (الحث الذاتي) حصريًا لتوليد طاقة التيار المستمر. لم تُعتبر مولدات التيار المستمر السابقة التي تستخدم المغناطيس الدائم "آلات دينامو كهربائية". ^[16] كان اختراع مبدأ الدينامو (الحث الذاتي) قفزة تكنولوجية كبرى على مولدات التيار المستمر التقليدية القديمة القائمة على المغناطيس الدائم. جعل اكتشاف مبدأ الدينامو توليد الطاقة الكهربائية على نطاق صناعي ممكنًا من الناحية الفنية والاقتصادية. بعد اختراع المولد الكهربائي وإمكانية استخدام التيار المتناوب كمصدر للطاقة، أصبحت كلمة دينامو مرتبطة حصريًا بـ " مولد التيار المستمر الكهربائي المبدل "، في حين أصبح المولد الكهربائي المتردد الذي يستخدم إما حلقات الانزلاق أو مغناطيسات الدوار يُعرف باسم المولد المتناوب .

يُطلق على المولد الكهربائي الصغير المدمج في محور عجلة الدراجة لتشغيل الأضواء اسم دينامو المحور ، على الرغم من أن هذه الأجهزة هي في العادة أجهزة تيار متردد، ^{[ بحاجة لمصدر ]} وهي في الواقع مغناطيسات .

يستخدم الدينامو الكهربائي ملفات دوارة من الأسلاك والحقول المغناطيسية لتحويل الدوران الميكانيكي إلى تيار كهربائي مباشر نابض من خلال قانون فاراداي للحث . تتكون آلة الدينامو من هيكل ثابت يسمى الجزء الثابت ، والذي يوفر مجالًا مغناطيسيًا ثابتًا ، ومجموعة من اللفات الدوارة تسمى المحرك والتي تدور داخل هذا المجال. وبسبب قانون فاراداي للحث، فإن حركة السلك داخل المجال المغناطيسي تخلق قوة دافعة كهربائية ، والتي تدفع الإلكترونات في المعدن، مما يخلق تيارًا كهربائيًا في السلك. في الآلات الصغيرة، يمكن توفير المجال المغناطيسي الثابت بواسطة مغناطيس دائم واحد أو أكثر ؛ تحتوي الآلات الأكبر على المجال المغناطيسي الثابت الذي توفره مغناطيسات كهربائية واحدة أو أكثر ، والتي تسمى عادةً ملفات المجال .

إن المبدل ضروري لإنتاج تيار مستمر . فعندما تدور حلقة من الأسلاك في مجال مغناطيسي، فإن التدفق المغناطيسي من خلالها - وبالتالي الجهد المستحث فيها - ينعكس مع كل نصف دورة، مما يولد تيارًا متناوبًا . ومع ذلك، في الأيام الأولى للتجارب الكهربائية، لم يكن للتيار المتناوب عمومًا أي استخدام معروف. أما الاستخدامات القليلة للكهرباء، مثل الطلاء الكهربائي ، فقد استخدمت التيار المستمر الذي توفره بطاريات سائلة فوضوية . وقد تم اختراع الدينامو كبديل للبطاريات. والمبدل هو في الأساس مفتاح دوار . ويتكون من مجموعة من جهات الاتصال المثبتة على عمود الآلة، مقترنة بجهات اتصال ثابتة من كتلة الجرافيت، تسمى "الفرش"، لأن أقدم هذه جهات الاتصال الثابتة كانت فرشًا معدنية. ويعكس المبدل اتصال اللفات بالدائرة الخارجية عندما ينعكس الجهد - لذا بدلاً من التيار المتناوب، يتم إنتاج تيار مستمر نابض.

استخدمت أقدم المولدات المغناطيسات الدائمة لإنشاء المجال المغناطيسي. وقد أُشير إليها باسم "الآلات المغناطيسية الكهربائية" أو المغنطيسات . ^[17] ومع ذلك، وجد الباحثون أنه يمكن إنتاج مجالات مغناطيسية أقوى - وبالتالي المزيد من الطاقة - باستخدام المغناطيسات الكهربائية (ملفات المجال) على الجزء الثابت. ^[18] وقد أُطلق عليها "آلات دينامو كهربائية" أو المولدات. ^[17] كانت ملفات المجال للجزء الثابت تُثار بشكل منفصل في الأصل بواسطة دينامو أو مغناطيس منفصل أصغر حجمًا. كان أحد التطورات المهمة التي حققها وايلد وسيمنز هو اكتشاف (بحلول عام 1866) أن الدينامو يمكنه أيضًا تمهيد نفسه ليكون مُثارًا ذاتيًا ، باستخدام التيار الناتج عن الدينامو نفسه . سمح هذا بنمو مجال أقوى بكثير، وبالتالي طاقة خرج أكبر بكثير.

تشتمل المولدات الكهربائية ذات التيار المستمر المثارة ذاتيًا عادةً على مجموعة من الملفات ذات المجال المتوازي والمتسلسل، والتي يتم تزويدها بالطاقة مباشرة من الدوار من خلال المبدل بطريقة متجددة. يتم تشغيلها بطريقة مماثلة لمولدات التيار المتردد المحمولة الحديثة، والتي لا تُستخدم مع المولدات الأخرى على شبكة كهربائية.

يوجد مجال مغناطيسي متبقي ضعيف يظل موجودًا في الإطار المعدني للجهاز عندما لا يكون قيد التشغيل، وقد تم طبعه على المعدن بواسطة لفات المجال. يبدأ الدينامو في الدوران وهو غير متصل بحمل خارجي. يحفز المجال المغناطيسي المتبقي تيارًا كهربائيًا صغيرًا جدًا في لفائف الدوار عندما تبدأ في الدوران. بدون وجود حمل خارجي متصل، يتم بعد ذلك توفير هذا التيار الصغير بالكامل لملفات المجال، والتي بالاقتران مع المجال المتبقي، تتسبب في إنتاج الدوار لمزيد من التيار. بهذه الطريقة، يبني الدينامو المثار ذاتيًا مجالاته المغناطيسية الداخلية حتى يصل إلى جهد التشغيل الطبيعي. عندما يكون قادرًا على إنتاج تيار كافٍ لدعم كل من حقوله الداخلية والحمل الخارجي، يكون جاهزًا للاستخدام.

لن يتمكن الدينامو المثار ذاتيًا مع وجود مجال مغناطيسي متبقي غير كافٍ في الإطار المعدني من إنتاج أي تيار في الدوار، بغض النظر عن سرعة دوران الدوار. يمكن أن يحدث هذا الموقف أيضًا في المولدات المحمولة المثارة ذاتيًا الحديثة، ويتم حله لكلا النوعين من المولدات بطريقة مماثلة، عن طريق تطبيق شحنة بطارية تيار مستمر موجزة على أطراف خرج المولد المتوقف. تعمل البطارية على تنشيط اللفات بما يكفي لطباعة المجال المتبقي، لتمكين بناء التيار. يشار إلى هذا باسم وميض المجال .

لن يتمكن كلا النوعين من المولدات المثارة ذاتيًا، والتي تم توصيلها بحمل خارجي كبير أثناء ثباتها، من بناء الجهد حتى في حالة وجود المجال المتبقي. يعمل الحمل كمصرف للطاقة ويستنزف باستمرار تيار الدوار الصغير الناتج عن المجال المتبقي، مما يمنع تراكم المجال المغناطيسي في ملف المجال.

كانت المولدات الكهربائية، التي تعمل عادةً بمحركات بخارية ، تُستخدم على نطاق واسع في محطات الطاقة لتوليد الكهرباء للأغراض الصناعية والمنزلية. ومنذ ذلك الحين تم استبدالها بالمولدات المتناوبة .

قد يكون من الصعب استخدام الدينامو الصناعية الكبيرة ذات الملفات المتسلسلة والمتوازية (المحولة) معًا في محطة طاقة، ما لم يتم ربط الأسلاك الدوارة أو الميدانية أو أنظمة الدفع الميكانيكية معًا في مجموعات خاصة معينة. ^[19]

كانت تستخدم الدينامو في المركبات الآلية لتوليد الكهرباء لشحن البطاريات. وكان النوع الأول من الدينامو هو الدينامو ذو الفرشاة الثالثة . وقد تم استبداله مرة أخرى بالمولدات المتناوبة .

لا تزال الدينامو لها بعض الاستخدامات في تطبيقات الطاقة المنخفضة، وخاصة حيث تكون هناك حاجة إلى تيار مستمر منخفض الجهد ، حيث أن المولد ذو مقوم أشباه الموصلات قد يكون غير فعال في هذه التطبيقات.

تُستخدم الدينامو التي تعمل بالكرنك اليدوي في أجهزة الراديو التي تعمل بالساعة ، والمصابيح اليدوية وغيرها من المعدات التي تعمل بالطاقة البشرية لإعادة شحن البطاريات .

يمكن أن نطلق على المولد المستخدم في إضاءة الدراجات اسم "دينامو"، ولكن هذه الأجهزة تكون في الغالب عبارة عن أجهزة تعمل بالتيار المتردد، وبالتالي، وبشكل صارم، يُطلق عليها اسم "مولدات التيار المتناوب".

• دينامو الزجاجة
• نظرية الدينامو

• كهربة العالم – فيرنر فون سيمنز ومبدأ الديناموكهرباء أرشيف 2020-09-20 على موقع واي باك مشين معهد سيمنز التاريخي