محرك عالمي

المحرك الشامل هو نوع من المحركات الكهربائية التي يمكن أن تعمل إما على طاقة التيار المتردد أو المستمر ويستخدم مغناطيسًا كهربائيًا كمحرك ثابت لإنشاء مجاله المغناطيسي. ^[1] إنه محرك متسلسل مبدل حيث يتم توصيل ملفات مجال المحرك الثابت في سلسلة مع لفائف الدوار من خلال مبدل . غالبًا ما يشار إليه باسم محرك متسلسل تيار متردد. المحرك الشامل مشابه جدًا لمحرك متسلسل تيار مستمر في البناء، ولكن تم تعديله قليلاً للسماح للمحرك بالعمل بشكل صحيح على طاقة التيار المتردد. يمكن لهذا النوع من المحركات الكهربائية أن يعمل بشكل جيد على التيار المتردد لأن التيار في كل من ملفات المجال والمحرك ( والمجالات المغناطيسية الناتجة) سوف يتناوب (عكس القطبية) بشكل متزامن مع الإمداد. وبالتالي فإن القوة الميكانيكية الناتجة ستحدث في اتجاه ثابت للدوران، بغض النظر عن اتجاه الجهد المطبق، ولكن يتم تحديدها من خلال المبدل وقطبية ملفات المجال. ^[2]

تتمتع المحركات العالمية بعزم بدء مرتفع ، ويمكن تشغيلها بسرعة عالية، وهي خفيفة الوزن وصغيرة الحجم. تُستخدم عادةً في الأدوات والمعدات الكهربائية المحمولة، فضلاً عن العديد من الأجهزة المنزلية. يسهل التحكم فيها نسبيًا، إما كهروميكانيكيًا باستخدام ملفات ملولبة، أو إلكترونيًا. ومع ذلك، يحتوي المبدل على فرش تتآكل، لذا فهي أقل ملاءمة للمعدات التي تكون في استخدام مستمر. بالإضافة إلى ذلك، ويرجع ذلك جزئيًا إلى المبدل، فإن المحركات العالمية عادةً ما تكون صاخبة جدًا، سواء صوتيًا أو كهرومغناطيسيًا. ^[3]

لا تعمل جميع المحركات ذات اللف المتسلسل بشكل جيد على التيار المتردد. ^{[4] [ملاحظة 1]} إذا تم توصيل محرك تيار مستمر عادي ذي لف متسلسل بمصدر تيار متردد، فسيعمل بشكل سيئ للغاية. يتم تعديل المحرك الشامل بعدة طرق للسماح بتشغيل مصدر التيار المتردد بشكل صحيح. عادةً ما يتم إضافة لف تعويضي ، جنبًا إلى جنب مع قطع أقطاب مغلفة ، على عكس قطع الأقطاب الصلبة الموجودة في محركات التيار المستمر. ^[2] عادةً ما يحتوي محرك التيار المستمر على ملفات وألواح أكثر بكثير من محرك التيار المستمر، وبالتالي عدد أقل من اللفات لكل ملف. هذا يقلل من المحاثة. ^[5]

حتى عند استخدامها مع طاقة التيار المتردد، فإن هذه الأنواع من المحركات قادرة على العمل بتردد دوران أعلى بكثير من تردد مصدر التيار الرئيسي، ولأن معظم خصائص المحرك الكهربائي تتحسن مع السرعة، فهذا يعني أنها يمكن أن تكون خفيفة الوزن وقوية. ^[5] ومع ذلك، فإن المحركات العالمية عادة ما تكون غير فعالة نسبيًا: حوالي 30٪ للمحركات الأصغر وما يصل إلى 70-75٪ للمحركات الأكبر. ^[5]

تستجيب المحركات الكهربائية الملفوفة على التوالي لزيادة الحمل عن طريق التباطؤ؛ حيث يزداد التيار ويرتفع عزم الدوران بما يتناسب مع مربع التيار لأن نفس التيار يتدفق في كل من الملف اللولبي والملف اللولبي. إذا توقف المحرك، فإن التيار يقتصر فقط على المقاومة الكلية للملفات ويمكن أن يكون عزم الدوران مرتفعًا جدًا، وهناك خطر ارتفاع درجة حرارة الملفات. تساعد القوة الدافعة الكهربائية المضادة مقاومة الملف اللولبي على الحد من التيار عبر الملف اللولبي. عندما يتم تطبيق الطاقة لأول مرة على المحرك، لا يدور الملف اللولبي. في تلك اللحظة، تكون القوة الدافعة الكهربائية المضادة صفراً والعامل الوحيد الذي يحد من تيار الملف اللولبي هو مقاومة الملف اللولبي. عادة ما تكون مقاومة الملف اللولبي للمحرك منخفضة؛ وبالتالي فإن التيار عبر الملف اللولبي سيكون كبيرًا جدًا عند تطبيق الطاقة. وبالتالي، قد تنشأ الحاجة إلى مقاومة إضافية على التوالي مع الملف اللولبي للحد من التيار حتى يتمكن دوران المحرك من بناء القوة الدافعة الكهربائية المضادة. ومع زيادة دوران المحرك، يتم قطع المقاومة تدريجيًا. إن خاصية عزم السرعة عبارة عن خط مستقيم تقريبًا بين عزم التوقف وسرعة عدم التحميل. وهذا يناسب الأحمال بالقصور الذاتي الكبيرة حيث تنخفض السرعة حتى يبدأ المحرك في الدوران ببطء وهذه المحركات لها عزم توقف مرتفع للغاية. ^[6]

مع زيادة السرعة، يعني محاثة الدوار أن نقطة التبديل المثالية تتغير. عادةً ما يكون للمحركات الصغيرة نقطة تبديل ثابتة. بينما تحتوي بعض المحركات العالمية الأكبر على تبديل دوار، إلا أن هذا نادر. بدلاً من ذلك، غالبًا ما تحتوي المحركات العالمية الأكبر على لفات تعويض في سلسلة مع المحرك، أو في بعض الأحيان مقترنة بالحث، وموضوعة عند تسعين درجة كهربائية على محور المجال الرئيسي. يقلل هذا من مفاعلة المحرك، ويحسن التبديل. ^[5]

من الخصائص المفيدة لوجود لفائف المجال في سلسلة مع لفائف المحرك أنه مع زيادة السرعة، يقلل EMF المضاد بشكل طبيعي من الجهد عبر والتيار عبر لفائف المجال، مما يؤدي إلى إضعاف المجال عند السرعات العالية. هذا يعني أن المحرك ليس لديه سرعة قصوى نظرية لأي جهد مطبق معين. يمكن تشغيل المحركات العالمية بسرعات عالية، 4000-16000  دورة في الدقيقة، ويمكن أن تتجاوز 20000  دورة في الدقيقة. ^[5] على النقيض من ذلك، لا يمكن لمحركات الحث المتزامنة ذات التيار المتردد ومحركات القفص السنجابي تدوير عمود أسرع من المسموح به بواسطة تردد خط الطاقة . في البلدان التي بها إمداد تيار متردد 60 هرتز، تقتصر هذه السرعة على 3600 دورة في الدقيقة. ^[7]  

قد يحدث تلف المحرك نتيجة للسرعة الزائدة (التشغيل بسرعة دوران تتجاوز حدود التصميم) إذا تم تشغيل الوحدة بدون حمل ميكانيكي كبير. في المحركات الأكبر حجمًا، يجب تجنب فقدان الحمل المفاجئ، ويتم دمج إمكانية حدوث مثل هذا في مخططات الحماية والتحكم في المحرك. في بعض التطبيقات الأصغر حجمًا، غالبًا ما تعمل شفرة المروحة المرفقة بالعمود كحمل اصطناعي للحد من سرعة المحرك إلى مستوى آمن، بالإضافة إلى كونها وسيلة لتدوير تدفق الهواء المبرد فوق لفائف المحرك والحقل. إذا لم تكن هناك حدود ميكانيكية مفروضة على محرك عالمي، فيمكنه نظريًا أن يخرج عن نطاق السيطرة بنفس الطريقة التي يمكن بها لأي محرك تيار مستمر ملفوف على التوالي . ^[3]

من مزايا المحرك العالمي أنه يمكن استخدام إمدادات التيار المتردد في المحركات التي تتمتع ببعض الخصائص الأكثر شيوعًا في محركات التيار المستمر، وتحديدًا عزم بدء التشغيل العالي والتصميم المدمج للغاية إذا تم استخدام سرعات تشغيل عالية. ^[3]

من الجوانب السلبية مشاكل الصيانة وقصر العمر التي يسببها المبدل ، بالإضافة إلى مشاكل التداخل الكهرومغناطيسي (EMI) بسبب أي شرارة. ونظرًا لصيانة فرش المبدل العالية نسبيًا، فإن المحركات العالمية هي الأنسب للأجهزة مثل الخلاطات الغذائية والأدوات الكهربائية التي تُستخدم بشكل متقطع فقط، وغالبًا ما تتطلب عزم بدء تشغيل مرتفع.

هناك جانب سلبي آخر وهو أن هذه المحركات لا يجوز استخدامها إلا في الأماكن التي يتوفر فيها هواء نظيف في أغلب الأوقات. وبسبب زيادة خطر ارتفاع درجة الحرارة بشكل كبير، فإن المحركات العالمية المبردة بالمروحة المغلقة بالكامل ستكون غير عملية، على الرغم من تصنيع بعضها. سيحتاج مثل هذا المحرك إلى مروحة كبيرة لتوزيع كمية كافية من الهواء، مما يقلل من الكفاءة حيث يجب أن يستخدم المحرك المزيد من الطاقة لتبريد نفسه. يأتي عدم العملية من الحجم والوزن ومشاكل الإدارة الحرارية الناتجة والتي لا تعاني منها المحركات المفتوحة.

تعتبر المحركات العالمية أيضًا صاخبة جدًا مقارنة بأنواع أخرى من محركات التيار المتردد والتيار المستمر.

يمكن الحصول بسهولة على التحكم المستمر في السرعة لمحرك عالمي يعمل بالتيار المتردد باستخدام دائرة الثايرستور ، بينما توفر الصنابير المتعددة على ملف الحقل التحكم المتدرج في السرعة (غير الدقيق). غالبًا ما تجمع الخلاطات المنزلية التي تعلن عن سرعات عديدة بين ملف حقل وعدة صنابير وصمام ثنائي يمكن إدخاله على التوالي مع المحرك (مما يتسبب في تشغيل المحرك بالتيار المتردد المصحح بنصف الموجة).

المحركات العالمية هي محركات ملفوفة على التوالي. تم استخدام اللف المتتالي تجريبيًا في أواخر القرن التاسع عشر، ^[8] ولكنه كان غير عملي بسبب مشاكل التبديل. تم محاولة العديد من مخططات المقاومة المضمنة والمحاثة والاقتران المتبادل المضاد للطور لتقليل ذلك. تم تفضيل المحركات العالمية، بما في ذلك اللف المتتالي، كمحركات تيار متردد في هذا الوقت لأنها كانت ذاتية التشغيل. ^{[4] عندما أصبحت} محركات الحث ذاتية التشغيل والمبتدئين التلقائيين متاحة، حلت محل المحركات العالمية الأكبر (فوق 1 حصان) واللف المتتالي.

في الماضي، كانت محركات اللفائف ذات البدء التنافري توفر عزم بدء مرتفع، ولكن مع تعقيد إضافي. كانت دواراتها مماثلة لدوارات المحركات العالمية، لكن فرشاتها كانت متصلة ببعضها البعض فقط. عمل المحول يحث التيار في الدوار. يعني وضع الفرشاة بالنسبة لأقطاب المجال أن عزم البدء يتطور عن طريق تنافر الدوار من أقطاب المجال. آلية الطرد المركزي، عندما تقترب من سرعة التشغيل، تربط جميع قضبان المبدل معًا لإنشاء ما يعادل دوار القفص السنجابي. أيضًا، عندما تقترب من حوالي 80 في المائة من سرعة تشغيلها، يمكن لهذه المحركات أن تعمل كمحركات تحريضية. ^[9]

تعمل المحركات العالمية بترددات خطوط الطاقة العادية ، ولا توجد غالبًا في نطاق أقل من 1000 واط . تجعلها سرعتها العالية مفيدة للأجهزة مثل الخلاطات والمكانس الكهربائية ومجففات الشعر حيث تكون السرعة العالية والوزن الخفيف مرغوبة. كما تُستخدم أيضًا بشكل شائع في الأدوات الكهربائية المحمولة، مثل المثاقب والصنفرة والمناشير الدائرية والمناشير الكهربائية ، حيث تعمل خصائص المحرك بشكل جيد. تتمثل إحدى الفوائد الإضافية للأدوات الكهربائية التي يستخدمها اللحامون في أن آلات اللحام الكلاسيكية التي تعمل بالمحرك قد تكون مولد تيار مستمر نقي، وستظل مآخذ الطاقة المساعدة الخاصة بها تيارًا مستمرًا، على الرغم من تكوين المنزل النموذجي NEMA 5-15. طاقة التيار المستمر جيدة للإضاءة المتوهجة النموذجية (عتيقة الطراز) في موقع العمل والمحركات العالمية في بعض المثاقب والمطاحن. تتجاوز العديد من محركات المكانس الكهربائية وقص الأعشاب الضارة 10000 دورة في الدقيقة ، بينما تتجاوز العديد من أدوات الطحن المصغرة المماثلة 30000 دورة في الدقيقة .

كما أن المحركات العالمية تلائم التحكم الإلكتروني في السرعة ، وبالتالي كانت الخيار الأمثل للغسالات المنزلية . ويمكن استخدام المحرك لتحريك الأسطوانة (إلى الأمام والخلف) عن طريق تبديل لف الحقل بالنسبة للمحرك. ويمكن أيضًا تشغيل المحرك إلى السرعات العالية المطلوبة لدورة العصر. في الوقت الحاضر، تُستخدم محركات الدفع ذات التردد المتغير بشكل أكثر شيوعًا بدلاً من ذلك.

كما شكلت المحركات العالمية الأساس لمحرك الجر التقليدي للسكك الحديدية في السكك الحديدية الكهربائية . في هذا التطبيق، فإن استخدام التيار المتردد لتشغيل محرك مصمم في الأصل للعمل على التيار المستمر من شأنه أن يؤدي إلى خسائر في الكفاءة بسبب تسخين التيار الدوامي لمكوناته المغناطيسية، وخاصة قطع أقطاب مجال المحرك التي، بالنسبة للتيار المستمر، كانت ستستخدم الحديد الصلب (غير المصفح). وعلى الرغم من تقليل تأثيرات التسخين باستخدام قطع أقطاب مصفحة، كما هو الحال في نوى المحولات وباستخدام رقائق من الفولاذ الكهربائي عالي النفاذية ، إلا أن أحد الحلول المتاحة في بداية القرن العشرين كان تشغيل المحركات من مصادر تيار متردد منخفضة التردد للغاية، بتردد 25 هرتز و 16 هرتز.+التشغيل بتردد 2⁄3 هرتز شائع  .

عادةً ما تكون محركات الاحتراق الداخلي محركات عالمية، وتتميز بأنها صغيرة الحجم وذات عزم دوران مرتفع عند السرعات المنخفضة. تحتوي بعض محركات الاحتراق الداخلي على مغناطيسات دائمة، بينما تحتوي محركات أخرى على أحد الأقطاب الأربعة ملفوفًا بملف تحويل بدلاً من الملفات الملفوفة على التوالي.