دوار قفص السنجاب
يُعدّ دوّار القفص السنجابي الجزء الدوّار من محرك الحثّ ذي القفص السنجابي الشائع . ويتكوّن من أسطوانة من صفائح فولاذية، مع موصلات من الألومنيوم أو النحاس مصبوبة على سطحها. أثناء التشغيل، يتم توصيل ملفّ الجزء الثابت غير الدوّار بمصدر طاقة تيار متردد ؛ حيث يُولّد التيار المتردد في الجزء الثابت مجالًا مغناطيسيًا دوّارًا . يتولد تيار في ملفّ الدوّار بفعل مجال الجزء الثابت، كما هو الحال في المحوّل ، إلا أن التيار في الدوّار يتغير بمعدل دوران مجال الجزء الثابت مطروحًا منه معدل الدوران الفعلي. ينتج عن تفاعل المجالات المغناطيسية في الجزء الثابت والتيارات في الدوّار عزم دوران على الدوّار.
من خلال تعديل شكل القضبان في الدوار، يمكن تغيير خصائص السرعة وعزم الدوران للمحرك، لتقليل تيار البدء أو لزيادة عزم الدوران عند السرعات المنخفضة، على سبيل المثال.
تُعدّ محركات الحث ذات القفص السنجابي شائعة الاستخدام في الصناعة، بأحجام تتراوح من أقل من كيلوواط واحد (1.3 حصان) إلى عشرات الميغاواط (عشرات آلاف الحصان). تتميز هذه المحركات ببساطتها ومتانتها وقدرتها على بدء التشغيل الذاتي، كما تحافظ على سرعة ثابتة نسبيًا من الحمل الخفيف إلى الحمل الكامل، وتُحدد هذه السرعة بتردد مصدر الطاقة وعدد أقطاب ملفات الجزء الثابت. تُستخدم عادةً في الصناعة محركات ذات أحجام إطارات قياسية وفقًا لمعايير اللجنة الكهروتقنية الدولية (IEC) أو الرابطة الوطنية لمصنعي المعدات الكهربائية (NEMA) ، وهي قابلة للتبديل بين مختلف الشركات المصنعة، مما يُسهّل استخدامها واستبدالها.
تاريخ
في عام 1885، وصف غاليليو فيراريس آلة حثية ذات ملف ثابت ثنائي الطور وعضو دوار أسطواني من النحاس الصلب. وفي عام 1888، حصل نيكولا تيسلا على براءة اختراع لمحرك حثي ثنائي الطور ذي ملف دوار نحاسي قصير الدائرة وملف ثابت ثنائي الطور. وقد اكتسبت تطويرات هذا التصميم أهمية تجارية كبيرة. وفي عام 1889، طور ميخائيل دوليفو-دوبروفولسكي محركًا حثيًا ذو دوار ملفوف، وبعد ذلك بفترة وجيزة طور ملف دوار من نوع القفص. وبحلول نهاية القرن التاسع عشر، شاع استخدام المحركات الحثية في أنظمة توزيع التيار المتردد الكهربائية المتنامية. [ 1 ]
بناء
يتكون دوار المحرك من أسطوانة مثبتة على عمود. ويحتوي داخلياً على قضبان موصلة طولية (مصنوعة عادةً من الألومنيوم أو النحاس) مثبتة في أخاديد ومتصلة من كلا الطرفين بحلقات تقصير تشكل شكلاً شبيهاً بالقفص. وقد اشتق الاسم من التشابه بين هذا اللف الحلقي والقضبان وقفص السنجاب .
يتكون القلب الصلب للدوار من طبقات من صفائح الفولاذ الكهربائي. يوضح الشكل ثلاثًا من مجموعات الصفائح العديدة المستخدمة. تحتوي صفائح الدوار على عدد أكبر من الفتحات مقارنةً بصفائح الجزء الثابت المقابلة لها ، ويجب أن يكون عدد فتحات الدوار مضاعفًا غير صحيح لعدد فتحات الجزء الثابت لمنع التداخل المغناطيسي بين أسنان الدوار والجزء الثابت لحظة بدء التشغيل. [ 2 ]
قد تُصنع قضبان الدوّار من النحاس أو الألومنيوم. يُستخدم في المحركات الصغيرة هيكلٌ شائعٌ جدًا، وهو عبارة عن ألومنيوم مصبوب يُصبّ في الدوّار بعد تكديس الصفائح. أما المحركات الأكبر حجمًا، فتُصنع قضبانها من الألومنيوم أو النحاس، وتُلحم أو تُلحم بالنحاس الأصفر بحلقات طرفية. ونظرًا لانخفاض الجهد المتولد في ملفات قفص السنجاب وارتفاع التيار، فلا توجد طبقة عازلة مُتعمّدة بين القضبان وفولاذ الدوّار. [ 3 ]
نظرية
تُنشئ ملفات المجال في الجزء الثابت للمحرك الحثي مجالًا مغناطيسيًا دوارًا عبر الجزء الدوار . وتُحفز الحركة النسبية بين هذا المجال والجزء الدوار تيارًا كهربائيًا في القضبان الموصلة. بدورها، تتفاعل هذه التيارات، الممتدة طوليًا في الموصلات، مع المجال المغناطيسي للمحرك لتوليد قوة تعمل بشكل مماس وعمودي على الجزء الدوار، مما ينتج عنه عزم دوران لتدوير العمود. في الواقع، يدور الجزء الدوار مع المجال المغناطيسي، ولكن بسرعة دوران أبطأ قليلًا. يُسمى فرق السرعة هذا بالانزلاق ، ويزداد مع زيادة الحمل. [ 2 ]
الانحراف
غالبًا ما تكون الموصلات مائلة قليلاً على طول الدوار لتقليل الضوضاء وتخفيف تقلبات عزم الدوران التي قد تحدث عند بعض السرعات نتيجةً لتفاعلها مع أقطاب الجزء الثابت، وذلك بضمان وجود نفس الجزء من قضيب الدوار أسفل كل فتحة في الجزء الثابت في أي وقت. فلو كانت قضبان الدوار موازية لأقطاب الجزء الثابت، لكان المحرك سيشهد انخفاضًا ثم استعادة لعزم الدوران مع مرور كل قضيب عبر الفجوة في الجزء الثابت.
تحتوي الصفائح الموضحة في الصورة على 36 قضيبًا في الجزء الثابت و40 قضيبًا في الجزء الدوار. القاسم المشترك الأكبر للعددين 36 و40 هو 4، مما يعني أنه لا يمكن محاذاة أكثر من 4 قضبان من الجزء الثابت والجزء الدوار في أي وقت، وهو ما يقلل أيضًا من تقلبات عزم الدوران.
يُحدد عدد قضبان الدوار مدى عودة التيارات المستحثة إلى ملفات الجزء الثابت، وبالتالي مقدار التيار المار فيها. وتُستخدم في التصاميم التي تُوفر أقل قدر من التغذية الراجعة أعداد أولية من قضبان الدوار.
التغليف
يُستخدم القلب الحديدي لنقل المجال المغناطيسي عبر موصلات الدوّار. ولأن المجال المغناطيسي في الدوّار متناوب مع الزمن، فإن القلب يستخدم بنية مشابهة لقلب المحوّل لتقليل فقد الطاقة فيه . وهو مصنوع من صفائح رقيقة مفصولة بعازل ورنيشي، لتقليل التيارات الدوامية الدائرة فيه. المادة المستخدمة هي حديد منخفض الكربون وعالي السيليكون ، ذو مقاومة كهربائية أعلى بعدة مرات من الحديد النقي، مما يقلل فقد التيارات الدوامية، كما أن قسريته منخفضة لتقليل فقد التخلف المغناطيسي .
قضبان الدوار
يُستخدم التصميم الأساسي نفسه في كلٍ من المحركات أحادية الطور وثلاثية الطور، وبأحجام متنوعة. تختلف دوارات المحركات ثلاثية الطور في عمق وشكل القضبان لتناسب تصنيف التصميم. عمومًا، تتميز القضبان السميكة بعزم دوران جيد وكفاءة عالية عند الانزلاق المنخفض، نظرًا لانخفاض مقاومتها للقوة الدافعة الكهربائية . مع ازدياد الانزلاق، يبدأ تأثير الجلد بتقليل العمق الفعال وزيادة المقاومة، مما يؤدي إلى انخفاض الكفاءة مع الحفاظ على عزم الدوران.
يمكن استخدام شكل وعمق قضبان الدوار لتغيير خصائص عزم الدوران والسرعة للمحرك الحثي. عند التوقف، يمر المجال المغناطيسي الدوار عبر قضبان الدوار بسرعة عالية، مما يحث تيارًا بتردد التيار الكهربائي في هذه القضبان. وبسبب ظاهرة التغلغل السطحي، يميل التيار المستحث إلى التدفق عند الحافة الخارجية للملف. ومع تسارع المحرك، يقل معدل الانزلاق ويتدفق التيار المستحث على أعماق أكبر في الملف. ومن خلال تضييق شكل قضبان الدوار لتغيير مقاومتها عند أعماق مختلفة، أو من خلال بناء قفص سنجابي مزدوج، مع مزيج من دوار ذي مقاومة عالية وآخر ذي مقاومة منخفضة موصولين على التوازي، يمكن ضبط المحرك لإنتاج عزم دوران أكبر أو أقل عند التوقف وبالقرب من سرعته التزامنية. [ 3 ]
عرض عملي
لتوضيح آلية عمل الدوار القفصي، يمكن استخدام الجزء الثابت لمحرك أحادي الطور وأنبوب نحاسي (كدوار). عند تطبيق طاقة تيار متردد كافية على الجزء الثابت، سيتولد مجال مغناطيسي متناوب يدور حوله. عند إدخال الأنبوب النحاسي داخل الجزء الثابت، سيتولد تيار مستحث فيه، وهذا التيار سيولد بدوره مجالًا مغناطيسيًا خاصًا به. ينتج عن تفاعل المجال المغناطيسي الدوار للجزء الثابت مع المجال المغناطيسي المستحث للأنبوب النحاسي عزم دوران، وبالتالي دوران.
يُستخدم في المحركات المتزامنة
قد يحتوي المحرك التزامني على ملفات قفص سنجابي مدمجة في دوّاره، تُستخدم لزيادة عزم بدء تشغيل المحرك، وبالتالي تقليل زمن التسارع إلى السرعة التزامنية. عادةً ما تكون ملفات القفص السنجابي في المحرك التزامني أصغر من تلك الموجودة في محرك حثي ذي قدرة مماثلة. عندما يدور الدوّار بنفس سرعة المجال المغناطيسي الدوّار للجزء الثابت، لا يتولد تيار في ملفات القفص السنجابي، وبالتالي لا يكون لهذه الملفات أي تأثير إضافي على تشغيل المحرك التزامني في حالة الاستقرار.
يُوفّر ملف القفص السنجابي في بعض الآلات تأثيرًا مُخمّدًا لاضطرابات الحمل أو النظام، ويُمكن تسميته في هذه الحالة بملفات التخميد . قد تحتوي الآلات الكبيرة على قضبان تخميد في أوجه الأقطاب الفردية فقط، دون أن تكون متصلة بين الأقطاب. ولأن ملف القفص السنجابي ليس كبيرًا بما يكفي لتبديد حرارة التشغيل المستمر، غالبًا ما تحتوي الآلات التزامنية الكبيرة على مرحلات حماية للكشف عن فقدان تزامن الآلة مع جهد التغذية. [ 4 ]
مولدات الحث
يمكن استخدام محركات الحث ثلاثية الأطوار ذات القفص السنجابي كمولدات كهربائية. ولتحقيق ذلك، يجب أن يتعرض المحرك لحمل تفاعلي، وأن يكون موصولاً إما بشبكة كهربائية أو بمجموعة من المكثفات لتوفير تيار الإثارة. ولكي يعمل المحرك كمولد بدلاً من محرك، يجب أن يدور الدوار بسرعة أكبر من سرعة التزامن للجزء الثابت. وهذا سيؤدي إلى توليد المحرك للطاقة بعد تراكم مغناطيسيته المتبقية.
انظر أيضاً
مراجع
- ↑ أيون بولديا، سيد أ. ناصر، دليل آلة الحث ، مطبعة سي آر سي 2010، رقم ISBN 1420042653الصفحات 2-3
- 1 2 غوبتا، جيه بي (2009). نظرية وأداء الآلات الكهربائية . إس كيه كاتاريا وأولاده. ISBN 978-81-85749-15-0.
- 1 2 غوردون ر. سليمان، الأجهزة الكهرومغناطيسية ، جون وايلي وأولاده 1966، الصفحات 384-389
- ↑ غار إم. جونز (محرر)، تصميم محطات الضخ، الطبعة الثالثة المنقحة، إلسيفير، 2008، رقم ISBN 978-1-85617-513-5، الصفحات 13-4
- المحركات الحثية