ملف المجال

ملف المجال هو مغناطيس كهربائي يُستخدم لتوليد مجال مغناطيسي في آلة كهرومغناطيسية، وعادةً ما تكون آلة كهربائية دوارة مثل المحرك أو المولد . ويتكون من ملف سلكي يمر عبره تيار المجال .

في الآلة الدوارة، تُلف ملفات المجال المغناطيسي حول قلب مغناطيسي حديدي يوجه خطوط المجال المغناطيسي. يتكون القلب المغناطيسي من جزأين: الجزء الثابت (الساكن ) والجزء الدوار (الدوار) الذي يدور داخله. تمر خطوط المجال المغناطيسي في مسار دائري متصل، أو دائرة مغناطيسية، من الجزء الثابت عبر الجزء الدوار ثم تعود عبر الجزء الثابت مرة أخرى. قد تكون ملفات المجال المغناطيسي مثبتة على الجزء الثابت أو على الجزء الدوار.

يتميز المسار المغناطيسي بالأقطاب ، وهي مواقع بزوايا متساوية حول الدوار، حيث تمر خطوط المجال المغناطيسي من الجزء الثابت إلى الجزء الدوار أو العكس. يُصنف الجزء الثابت (والجزء الدوار) حسب عدد الأقطاب الموجودة فيه. تستخدم معظم الترتيبات ملف مجال واحد لكل قطب. بينما تستخدم بعض الترتيبات القديمة أو الأبسط ملف مجال واحد بقطب في كل طرف.

على الرغم من أن ملفات المجال تُستخدم عادةً في الآلات الدوارة، إلا أنها تُستخدم أيضاً، وإن لم يكن بنفس المصطلحات دائماً، في العديد من الآلات الكهرومغناطيسية الأخرى. وتشمل هذه الآلات المغناطيسات الكهربائية البسيطة وصولاً إلى أجهزة المختبرات المعقدة مثل مطياف الكتلة وأجهزة الرنين النووي المغناطيسي . وكانت ملفات المجال تُستخدم على نطاق واسع في مكبرات الصوت قبل توفر المغناطيسات الدائمة خفيفة الوزن على نطاق واسع.

تُنتج معظم ملفات المجال للتيار المستمر ^{[ ملاحظة 1 ]} مجالًا ثابتًا وساكنًا. وتُستخدم معظم ملفات المجال للتيار المتردد ثلاثي الأطوار لتوليد مجال دوار كجزء من محرك كهربائي . وقد تتبع محركات التيار المتردد أحادية الطور أحد هذين النمطين:

• عادةً ما تكون المحركات الصغيرة محركات عالمية ، مثل محرك التيار المستمر ذي الفرش المزود بمبدل، ولكنها تعمل بالتيار المتردد.
• تُعد محركات التيار المتردد الأكبر حجماً بشكل عام محركات حثية، سواء كانت ثلاثية الطور أو أحادية الطور.

تتطلب العديد من الآلات الكهربائية الدوارة ^{[ ملاحظة 1 ]} نقل التيار إلى (أو استخراجه من) دوار متحرك، عادةً عن طريق نقاط تلامس انزلاقية: مبدل التيار أو حلقات الانزلاق . غالبًا ما تكون نقاط التلامس هذه الجزء الأكثر تعقيدًا والأقل موثوقية في هذه الآلات، وقد تحد أيضًا من الحد الأقصى للتيار الذي يمكن للآلة تحمله. لهذا السبب، عندما تستخدم الآلات مجموعتين من الملفات، توضع الملفات التي تحمل أقل تيار عادةً على الدوار، بينما توضع الملفات التي تحمل أعلى تيار على الجزء الثابت.

يمكن تركيب ملفات المجال إما على الدوار أو الجزء الثابت ، اعتمادًا على الطريقة الأكثر فعالية من حيث التكلفة لتصميم الجهاز.

في محرك التيار المستمر ذي الفرش، يكون المجال ثابتًا، ولكن يجب تبديل تيار العضو الدوار لضمان دورانه المستمر. ويتم ذلك بتزويد ملفات العضو الدوار على الجزء الدوار عبر مبدل التيار ، وهو عبارة عن حلقة انزلاق دوارة ومفاتيح. كما تستخدم محركات التيار المتردد الحثية ملفات المجال على الجزء الثابت، ويتم تزويد الجزء الدوار بالتيار عن طريق الحث في قفص سنجابي .

في المولدات، يكون تيار المجال أصغر من تيار الخرج. ^{[ ملاحظة 2 ]} ولذلك، يُركّب المجال على الدوّار ويُغذّى عبر حلقات انزلاق. يُؤخذ تيار الخرج من الجزء الثابت، مما يُغني عن الحاجة إلى حلقات انزلاق عالية التيار. في مولدات التيار المستمر، التي أصبحت الآن قديمة الطراز لصالح مولدات التيار المتردد المزودة بمقومات، فإن الحاجة إلى التبديل تعني أنه قد لا يزال من الضروري استخدام فرش دوارة ومبدلات. بالنسبة للمولدات عالية التيار ومنخفضة الجهد المستخدمة في الطلاء الكهربائي ، قد يتطلب ذلك فرش دوارة كبيرة ومعقدة للغاية.

في السنوات الأولى لتطوير المولدات، مر مجال الجزء الثابت بتحسين تطوري من مجال ثنائي القطب واحد إلى تصميم متعدد الأقطاب لاحق.

كانت المولدات ثنائية القطب شائعة الاستخدام قبل عام 1890، ولكن في السنوات اللاحقة استُبدلت بالمغناطيسات متعددة الأقطاب. وكانت المولدات ثنائية القطب تُصنع آنذاك بأحجام صغيرة جدًا. ^{[ 1 ]}

كانت المرحلة الانتقالية بين هذين النوعين الرئيسيين هي مولد ثنائي القطب ذو قطبين متتاليين، مع ملفين للمجال مرتبين في حلقة حول الجزء الثابت.

كان هذا التغيير ضروريًا لأن الفولتية العالية تنقل الطاقة بكفاءة أكبر عبر الأسلاك الصغيرة. ولزيادة جهد الخرج، يجب تدوير مولد التيار المستمر بسرعة أكبر، ولكن بعد سرعة معينة يصبح ذلك غير عملي بالنسبة لمولدات نقل الطاقة الكبيرة جدًا.

بزيادة عدد أوجه الأقطاب المحيطة بحلقة غرام ، يمكن جعل الحلقة تقطع عددًا أكبر من خطوط القوة المغناطيسية في دورة واحدة مقارنةً بمولد ثنائي الأقطاب أساسي. ونتيجةً لذلك، يمكن لمولد رباعي الأقطاب أن يُخرج ضعف جهد مولد ثنائي الأقطاب، ويمكن لمولد سداسي الأقطاب أن يُخرج ثلاثة أضعاف جهد مولد ثنائي الأقطاب، وهكذا. وهذا يسمح بزيادة جهد الخرج دون زيادة سرعة الدوران.

في المولد متعدد الأقطاب، تُحاط مغناطيسات المحرك والمجال بإطار دائري أو "حلقة نير" تُثبّت عليها مغناطيسات المجال. يتميز هذا التصميم بالقوة والبساطة والمظهر المتناظر والحد الأدنى من التسرب المغناطيسي، نظرًا لأن أقطاب المولد تتمتع بأقل مساحة سطح ممكنة، ويكون مسار التدفق المغناطيسي أقصر منه في تصميم ثنائي الأقطاب. ^{[ 1 ]}

تُلفّ الملفات عادةً بسلك نحاسي مطلي بالمينا ، يُسمى أحيانًا سلك المغناطيس . يجب أن تتميز مادة اللف بمقاومة منخفضة لتقليل الطاقة التي يستهلكها ملف المجال، والأهم من ذلك، لتقليل الحرارة المهدرة الناتجة عن التسخين المقاوم . تُعدّ الحرارة الزائدة في الملفات سببًا شائعًا للأعطال. ونظرًا لارتفاع تكلفة النحاس، يتزايد استخدام ملفات الألومنيوم.

يُعدّ الفضة مادةً أفضل من النحاس، لولا ارتفاع تكلفتها، نظرًا لانخفاض مقاومتها الكهربائية . وقد استُخدمت الفضة في حالات نادرة. فخلال الحرب العالمية الثانية، استخدم مشروع مانهاتن، الذي كان يهدف إلى بناء أول قنبلة ذرية، أجهزة كهرومغناطيسية تُعرف باسم الكالوترونات لتخصيب اليورانيوم . وقد استُعيرت آلاف الأطنان من الفضة من احتياطيات الخزانة الأمريكية لبناء ملفات مجال مغناطيسي عالية الكفاءة ومنخفضة المقاومة لمغناطيساتها. ^{[ 2 ] [ 3 ]}

• الإثارة (المغناطيسية)