ما هو مبدأ التشغيل لمحرك التيار المستمر؟
ما هو مبدأ التشغيل للمحرك الكهربائي المستمر؟
تعريف محرك التيار المستمر
محرك التيار المستمر هو جهاز يقوم بتحويل الطاقة الكهربائية المباشرة إلى طاقة ميكانيكية باستخدام المجالات المغناطيسية والتيارات الكهربائية.
تلعب المحركات الكهربائية المستمرة دورًا مهمًا في الصناعة الحديثة. فهم مبدأ عمل محرك التيار المستمر، الذي نستكشفه في هذا المقال، يبدأ ببنائه الأساسي من حلقة واحدة.
يتضمن البناء الأساسي لمحرك التيار المستمر ذراعًا موصلًا للتيار متصلًا بنقطة التغذية عبر مقاطع التبديل والأدوات الفرشاة. يتم وضع الذراع بين القطب الشمالي والجنوبي لمغناطيس دائم أو كهرومغناطيسي كما هو موضح في الرسم البياني أعلاه.
عندما يتدفق التيار المستمر عبر الذراع، يتعرض لقوة ميكانيكية من المغناطيس المحيطة. لفهم كيفية عمل محرك التيار المستمر بشكل كامل، من الضروري فهم قاعدة يد فليمنج اليسرى، والتي تساعد في تحديد اتجاه القوة على الذراع.
إذا تم وضع موصل يحمل تيارًا في مجال مغناطيسي عموديًا، فإن الموصل يتعرض لقوة في الاتجاه العمودي على كل من اتجاه المجال والموصل الحامل للتيار.
يمكن لقاعدة يد فليمنج اليسرى أن تحدد اتجاه دوران المحرك. تقول هذه القاعدة أنه إذا تم مد الإصبع الأوسط والإبهام والسبابة من اليد اليسرى بحيث يكون الإصبع الأوسط في اتجاه التيار في الموصل، والسبابة في اتجاه المجال المغناطيسي، أي من القطب الشمالي إلى القطب الجنوبي، فإن الإبهام يشير إلى اتجاه القوة الميكانيكية الناتجة.
للفهم الواضح لمبدأ محرك التيار المستمر، يجب أن نحدد حجم القوة، بالنظر إلى الرسم البياني أدناه.
نعلم أنه عندما يتم إجراء شحنة صغيرة جداً dq لتتدفق بسرعة 'v' تحت تأثير مجال كهربائي E ومجال مغناطيسي B، فإن القوة اللورنتزية dF التي تتأثر بها الشحنة تعطى بما يلي:
بالنسبة لعمل محرك التيار المستمر، مع اعتبار E = 0.
أي أنها ضرب متجهي لـ dq v والمجال المغناطيسي B.
حيث dL هو طول الموصل الحامل للشحنة q.
من الرسم البياني الأول يمكننا أن نرى أن بناء محرك التيار المستمر هو بحيث يكون اتجاه التيار عبر الموصل الذراعي في جميع الأوقات عموديًا على المجال. لذلك تعمل القوة على الموصل الذراعي في الاتجاه العمودي على كلا المجالين المتساويين، والتيار ثابت.
لذا إذا أخذنا التيار على الجانب الأيسر من الموصل الذراعي ليكون I، والتيار على الجانب الأيمن من الموصل الذراعي ليكون -I، لأنهما يتدفقان في الاتجاه المعاكس لبعضهما البعض.
ثم تكون القوة على الموصل الذراعي على الجانب الأيسر،
وبالمثل، القوة على الموصل على الجانب الأيمن،
لذلك، يمكننا أن نرى أنه في تلك الموضع القوة على كلا الجانبين متساوية في الحجم ولكن متعاكسة في الاتجاه. بما أن الموصلين مفصولة بمسافة w = عرض دوران الذراع، فإن القوتين المتعاكستين تنتج قوة دوارة أو عزم دوران يؤدي إلى دوران الموصل الذراعي.
الآن دعنا نفحص تعبير العزم عندما يخلق دوران الذراع زاوية α (ألفا) مع موقعه الأولي.يعطى العزم الناتج بما يلي:
هنا α (ألفا) هي الزاوية بين مستوى دوران الذراع ومستوى المرجع أو الموقع الأولي للذراع والذي هنا على امتداد اتجاه المجال المغناطيسي.
وجود المصطلح cosα في معادلة العزم يشير بشكل جيد إلى أن العزم ليس ثابتًا في جميع المواقع على عكس القوة. فهو في الواقع يتغير بتغير الزاوية α (ألفا). لتوضيح تغير العزم ومبدأ دوران المحرك، دعنا نقوم بتحليل تدريجي.
الخطوة 1:
في البداية، بافتراض أن الذراع في نقطة البداية أو الموضع المرجعي حيث الزاوية α = 0.
بما أن α = 0، فإن المصطلح cos α = 1، أو القيمة القصوى، وبالتالي العزم في هذا الموضع هو الأقصى ويتم إعطاؤه بواسطة τ = BILw. يساعد هذا العزم العالي في بداية الدوران في التغلب على الكسل البدائي للذراع ويضعه في الدوران.
الخطوة 2:
بمجرد أن يبدأ الذراع في الحركة، تزداد الزاوية α بين الموضع الفعلي للذراع والموضع المرجعي الأولي له في مسار دورانه حتى تصبح 90 o من موقعه الأولي. نتيجة لذلك، يقل المصطلح cosα وكذلك قيمة العزم.
في هذه الحالة، يتم إعطاء العزم بواسطة τ = BILwcosα وهو أقل من BIL w عندما α أكبر من 0o.
الخطوة 3:
في مسار دوران الذراع، يتم الوصول إلى نقطة يكون فيها الموضع الفعلي للروتور تماماً عموديًا على موقعه الأولي، أي α = 90 o، وبالتالي المصطلح cosα = 0.
العزم المؤثر على الموصل في هذا الموضع يتم إعطاؤه بواسطة،
أي أن العزم الدوّار لا يعمل تقريبًا على الذراع في هذه اللحظة. ومع ذلك، لا يتوقف الذراع عن الحركة، وهذا بسبب حقيقة أن تشغيل محرك التيار المستمر قد تم تصميمه بطريقة تجعل القصور الذاتي للحركة في هذا الموضع كافياً للتغلب على نقطة العزم الصفر.
بمجرد أن يتجاوز الروتور هذا الموضع، تقل الزاوية بين الموضع الفعلي للذراع والموضع الأولي مرة أخرى ويبدأ العزم في العمل عليه مرة أخرى.
