المكثف: التعريف والوظيفة والأجزاء (المحرك الكهربائي والمولد)
ما هو الذراع؟
الذراع هو المكون في الجهاز الكهربائي (مثل المحرك أو المولد) الذي يحمل التيار المتناوب (AC). الذراع يوصل التيار المتناوب حتى في الأجهزة ذات التيار المستمر (DC) عبر جهاز التبديل (الذي يعكس اتجاه التيار بشكل دوري) أو بسبب التبديل الإلكتروني (مثل محرك DC بدون فرشاة).
يوفر الذراع السكن والدعم لللفائف الذراعية، والتي تتفاعل مع المجال المغناطيسي المتكون في الفجوة الهوائية بين الدوار والستاتور. يمكن أن يكون الستاتور جزءًا متحركًا (دوار) أو جزءًا ثابتًا (ستاتور).
تم تقديم مصطلح الذراع في القرن التاسع عشر كمصطلح تقني يعني "حافظ للمغناطيس".
كيف يعمل الذراع في المحرك الكهربائي؟
يقوم المحرك الكهربائي بتحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة ميكانيكية باستخدام مبدأ الحث الكهرومغناطيسي. عندما يتم وضع موصل يحمل تيارًا في مجال مغناطيسي، فإنه يتعرض لقوة وفقًا لقاعدة يد فليمنغ اليسرى.
في المحرك الكهربائي، ينتج الستاتور مجالًا مغناطيسيًا دورانيًا باستخدام المغناطيس الدائمة أو المغناطيس الكهربائي. الذراع، والذي عادة ما يكون الدوار، يحمل لفائف الذراع المتصلة بجهاز التبديل والفراشات. يقوم جهاز التبديل بتغيير اتجاه التيار في لفائف الذراع أثناء دورانه بحيث يكون دائمًا متوافقًا مع المجال المغناطيسي.
تؤدي التفاعل بين المجال المغناطيسي ولفائف الذراع إلى إنتاج عزم دوران يسبب دوران الذراع. يتم نقل القوة الميكانيكية بواسطة العمود المرتبط بالذراع إلى أجهزة أخرى.
كيف يعمل الذراع في المولد الكهربائي؟
يقوم المولد الكهربائي بتحويل الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية باستخدام مبدأ الحث الكهرومغناطيسي. عندما يتحرك الموصل في مجال مغناطيسي، فإنه يثير قوة كهربائية حافزة (EMF) وفقًا لقانون فاراداي.
في المولد الكهربائي، يكون الذراع عادة الدوار الذي يُحرك بواسطة محرك رئيسي، مثل محرك ديزل أو توربين. الذراع يحمل لفائف الذراع المتصلة بجهاز التبديل والفراشات. ينتج الستاتور مجالًا مغناطيسيًا ثابتًا باستخدام المغناطيس الدائمة أو المغناطيس الكهربائي.
تحفز الحركة النسبية بين المجال المغناطيسي ولفائف الذراع على إنتاج EMF في لفائف الذراع، مما يدفع تيارًا كهربائيًا عبر الدائرة الخارجية. يقوم جهاز التبديل بتغيير اتجاه التيار في لفائف الذراع أثناء دورانه بحيثينتج تيارًا متناوبًا (AC).
أجزاء الذراع والرسم البياني
يتكون الذراع من أربعة أجزاء رئيسية: اللب، واللفائف، وجهاز التبديل، والعمود. يتم عرض رسم بياني للذراع أدناه.
خسائر الذراع
يتأثر الذراع في الجهاز الكهربائي بأنواع مختلفة من الخسائر التي تقلل من كفاءته وأدائه. أنواع الخسائر الرئيسية في الذراع هي:
خسارة النحاس: هذه هي خسارة الطاقة بسبب المقاومة لفائف الذراع. وهي تناسبية مع مربع تيار الذراع ويمكن تقليلها باستخدام أسلاك أسمك أو مسارات متوازية. يمكن حساب خسارة النحاس باستخدام الصيغة:
حيث Pc هي خسارة النحاس، Ia هو تيار الذراع، وRa هي المقاومة الذراع.
خسارة التيار الدوامي: هذه هي خسارة الطاقة بسبب التيار المندفع في اللب الذراع. تتسبب هذه التيارات في تغير التيار المغناطيسي وتنتج حرارة وخسائر مغناطيسية. يمكن تقليل خسارة التيار الدوامي باستخدام مواد لب ملتصقة أو زيادة الفجوة الهوائية. يمكن حساب خسارة التيار الدوامي باستخدام الصيغة:
حيث Pe هي خسارة التيار الدوامي، ke هي ثابت تعتمد على مادة وشكل اللب، Bm هي الكثافة المغناطيسية القصوى، f هي تردد عكس التيار المغناطيسي، t هي سمك كل طبقة، وV هي حجم اللب.
خسارة الهيستريسيس: هذه هي خسارة الطاقة بسبب التمغناطيس والتخلص من التمغناطيس المتكرر لللب الذراع. يؤدي هذا العملية إلى الاحتكاك والحرارة في البنية الجزيئية لمادة اللب. يمكن تقليل خسارة الهيستريسيس باستخدام مواد مغناطيسية ناعمة ذات مقاومة تقويم منخفضة ومعامل النفاذية عالي. يمكن حساب خسارة الهيستريسيس باستخدام الصيغة:
حيث Ph هي خسارة الهيستريسيس، kh هي ثابت تعتمد على مادة اللب، Bm هي الكثافة المغناطيسية القصوى، f هي تردد عكس التيار المغناطيسي، وV هي حجم اللب.
يمكن الحصول على الخسارة الكلية للذراع بإضافة هذه الخسائر الثلاثة:
يمكن تعريف كفاءة الذراع كنسبة القوة الخارجة إلى القوة الداخلة للذراع:
حيث ηa هي كفاءة الذراع، Po هي القوة الخارجة، وPi هي القوة الداخلة للذراع.
تصميم الذراع
يؤثر تصميم الذراع على أداء وكفاءة الجهاز الكهربائي. بعض العوامل التي تؤثر على تصميم الذراع هي:
عدد الفتحات: تستخدم الفتحات لتوفير مساحة للفائف الذراع وتوفير الدعم الميكانيكي. يعتمد عدد الفتحات على نوع اللفائف، وعدد الأقطاب، وحجم الجهاز. بشكل عام، يؤدي المزيد من الفتحات إلى توزيع أفضل للتيار المغناطيسي والكهرباء، وممانعة أقل وخسائر أقل، وعزم دوران أكثر سلاسة. ومع ذلك، يؤدي المزيد من الفتحات أيضًا إلى زيادة وزن وتكلفة الذراع، وتقليل المساحة المتاحة للعزل والتبريد، وزيادة التسرب المغناطيسي والتفاعل الذراعي.
شكل الفتحات: يمكن أن تكون الفتحات مفتوحة أو مغلقة، اعتمادًا على ما إذا كانت معرضة للفجوة الهوائية أم لا. الفتحات المفتوحة أسهل في اللف والتبريد، ولكنها تزيد من الرفض والمغناطيسية تسرب في الفجوة الهوائية. الفتحات المغلقة صعبة في اللف والتبريد، ولكنها تقلل من الرفض والمغناطيسية تسرب في الفجوة الهوائية.
نوع اللفائف: يمكن أن يكون اللفائف لفائف متداخلة أو موجية، اعتمادًا على كيفية توصيل الملفات بشرائح جهاز التبديل. اللفائف المتداخلة مناسبة للأجهزة ذات التيار العالي والجهد المنخفض، حيث توفر مسارات متعددة متوازية لتدفق التيار. اللفائف الموجية مناسبة للأجهزة ذات التيار المنخفض والجهد العالي، حيث توفر اتصالًا متسلسلًا للملفات ويضيف الجهد.
حجم الموصل: يستخدم الموصل لحمل التيار في لفائف الذراع. يعتمد حجم الموصل على كثافة التيار، وهو نسبة التيار إلى المساحة العرضية. يؤدي زيادة كثافة التيار إلى زيادة خسارة النحاس وارتفاع درجة الحرارة، ولكن بتكلفة وأوزان أقل للموصل. يؤدي انخفاض كثافة التيار إلى انخفاض خسارة النحاس وارتفاع درجة الحرارة، ولكن بتكلفة وأوزان أعلى للموصل.
طول الفجوة الهوائية: الفجوة الهوائية هي المسافة بين الستاتور والدوار الأقطاب. يؤثر طول الفجوة الهوائية على الكثافة المغناطيسية، والممانعة، والتسرب المغناطيسي، والتفاعل الذراعي في الجهاز. يؤدي تقليل الفجوة الهوائية إلى زيادة الكثافة المغناطيسية، وتقليل الممانعة، وتقليل التسرب المغناطيسي، وزيادة التفاعل الذراعي. يؤدي زيادة الفجوة الهوائية إلى تقليل الكثافة المغناطيسية، وزيادة الممانعة، وزيادة التسرب المغناطيسي، وتقليل التفاعل الذراعي.
تصميم الذراع (المواصلة)
بعض الأساليب المستخدمة لتصميم الذراع هي:
