محركات التيار المستمر ذو المسفرات (Brushed DC Motor)

مقدمة:

عادة ليتم الاستفادة من الطاقة الكهربائية يتم تحوليها من شكل لآخر وذلك يعتمد على طبيعة عمل الحمل الموصل به، وأحد أشهر هذه التحولات هو تحول الطاقة الكهربائية إلى طاقة ميكانيكية عن طريق المحرك الكهربائي.

تعد محركات التيار المستمر ذو المسفرات (Brushed DC Motor) من أهم وأشهر أنواع المحركات الكهربائية؛ وذلك لكثرة تطبيقاته وسهولة التعامل معه أيضا لسهولة التحكم بسرعته وعزم دورانه، دعونا نتعرف عليه وعلى طريقة عمله في هذا المقال.

نبذة عنه وعن مكوناته:

هي آلة كهربائية تعمل على تحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة ميكانيكية عن طريق تمرير تيار مستمر (DC) بوجود مجال مغناطيسي ثابت، وكأي نوع من أنواع المحركات فإنه يتكون من عضو ثابت وعضو دوار، ولكل نوع من أنواع المحركات مكونات مختلفة للعضو الثابت والعضو الدوار، والعضو الثابت والدوار لمحرك التيار المستمر يتكون من الآتي:

أولاً: العضو الثابت (Stator):

وهي عبارة عن أقطاب المغناطيسية North (N) و South (S) يفصل بينهما مسافة معينة كما بالصورة رقم (1)، والأقطاب المغناطيسية قد تنشأ من مغناطيس دائم (Permanent Magnet) أو مغناطيس كهربائي (Electromagnetic) .

ثانياً: العضو الدوار (Rotor):

وهي عبارة عن عضو الإنتاج (Armature) ملفوفة بأسلاك موجودة بين الأقطاب المغناطيسية والموصول بالمبادل (Commutator) والذي يمر به التيار من المصدر الكهربائي DC عن طريق المسفرات (brushes) كما هو موجود بالصورة رقم (1) .

FAQ: How can brush wear in DC motors be minimized? — صورة (1): مكونات محرك التيار المستمر ذو المسفرات [1]

مبدأ عمله:

لفهم مبدأ عمل محرك التيار المستمر يتم استخدام قاعدة اليد اليسرى والمبينة بالصورة رقم (2)، وطريقة استخدامها كالآتي:

بما أننا نتعامل مع محرك تيار مستمر فإن اتجاه المجال المغناطيسي ثابت وخطوط المجال المغناطيسي تمر من القطب الشمالي (N) إلى القطب الجنوبي (S)، وفي قاعدة اليد اليسرى يتم استخدام إصبع السبابة لتحديد اتجاه المجال المغناطيسي كما بالصورة رقم (2).
بالنسبة لاتجاه التيار فإما أن يكون داخل إلى المحرك أو خارجا منه، ويتم تحديد اتجاهه في قاعدة اليد اليسرى يتم باستخدام إصبع الوسطى كما بالصورة رقم (2).
والآن وبعد أن تم تحديد اتجاه المجال المغناطيسي واتجاه التيار باليد اليسرى سنلاحظ أن إصبع الإبهام يتجه إلى اتجاه معين، والاتجاه الذي يتجه إليه إصبع الإبهام هو اتجاه القوة أو اتجاه الحركة وبالتالي استطعنا تحديد اتجاه حركة المحرك باستخدام قاعدة اليد اليسرى.

وعندما يمر التيار بالموصل بوجود مجال مغناطيسي وحسب قاعدة اليد اليسرى فإن ذلك سيولد قوتين: أحدهم عند دخول التيار للمحرك باتجاه معين، والآخر عند خروج التيار باتجاه معاكس لاتجاه القوة عند دخول التيار للمحرك وبالتالي سينتج من ذلك حركة دورانية، وتعطى القوة بالعلاقة التالية:

(F=i(LxB

حيث أن :

i: التيار المار بالمحرك وتحديداً بعضو الإنتاج (Armature).

L: طول السلك الذي يمر به تيار عضو الإنتاج.

B:المجال المغناطيسي.

F: القوة الناتجة والتي عن طريقها سيتم إنشاء عزم وبالتالي يتم الدوران.

صورة (2): قاعدة اليد اليسرى لتحديد اتجاه الحركة [2]

لكن هناك مشكلة وهي في حال إذا كانت القوتين متعاكستين بالاتجاه وعلى خط عامودي واحد فهذا سيجبر المحرك على التوقف، فما العمل؟

هنا يأتي دور أحد أهم مكونات محرك التيار المستمر وهو المبادل (Commutator)، والذي يقوم بتبديل اتجاه التيار لكلا الطرفين كل ١٨٠ درجة وبالتالي تبديل اتجاه القوة وبالتالي استمرار الدوران .

أنواعه:

يتم تصنيف أنواع محركات التيار المستمر بناء على طريقة الإستثارة، وهي كالآتي:

صورة (3): أنواع محركات التيار المستمر ذو المسفرات [3]

١- مغناطيس دائم (Permanent Magnet) :وهو أبسط الأنواع ومن اسمه يتميز بأنه ينشىء مجال مغناطيسي بشكل دائم ولا يحتاج إلى وسيط كما سنرى في الأنواع الأخرى، ودائرتها الكهربائية كما هو مبين بالصورة رقم (4).

صورة (4): الدائرة الكهربائية لمحرك التيار المستمر ذو المغناطيس الدائم [4]

٢- إستثارة منفصلة (Separately Excited): ويشبه النوع الأول إلى حد كبير لكن الفرق بينهما أن المجال المغناطيسي يتم إنشاءه عن طريق تمرير تيار DC في ملف العضو الثابت، وتيار الإستثارة منفصل تماماً عن تيار المصدر الرئيسي المغذي للعضو الدوار للمحرك، ودائرتها الكهربائية كما هو مبين بالصورة (5).

Speed and Torque Control — صورة (5): الدائرة الكهربائية لمحرك التيار المستمر ذو المسفرات ذو استثارة منفصلة [5]

٣- إستثارة ذاتية (Self-Excited): ونعني بها المحرك الذي يتم إستثارته عن طريق المصدر الرئيسي الذي يغذي العضو الدوار ، بمعنى أن أسلاك العضو الثابت والدوار لهم مصدر تغذية واحد وهو المصدر الرئيسي، وينقسم في طريقة توصيلها إلى ثلاثة أقسام وهي :

١- على التوالي (Series): أي أن أسلاك العضو الثابت والمنشئة للمجال المغناطيسي موصلة على التوالي مع أسلاك العضو الدوار كما بالصورة رقم (6).

wound field motors — صورة (6): الدائرة الكهربائية لمحرك التيار المستمر ذو المسفرات ذو إستثارة منفصلة موصلة على التوالي [6]

٢- على التوازي (Shunt): أي أن أسلاك العضو الثابت والمنشئة للمجال المغناطيسي موصلة على التوازي مع أسلاك العضو الدوار كما بالصورة رقم (7).

٣- مركب (Compound): أي أن أسلاك العضو الثابت والمنشئة للمجال المغناطيسي موصلة على التوازي مع أسلاك العضو الدوار، وفي نفس الوقت هناك أيضاً أسلاك تنشئ للمجال المغناطيسي للعضو الثابت موصلة على التوالي مع أسلاك العضو الدوار أو مع المصدر، وينقسم هذا النوع إلى قسمين هما :

١- تراكمي (Cumulative):

وهو الأكثر شيوعاً و استخداماً من النوع الآخر، ونطلق على المحرك المركب أنه تراكمي إذا كان المجال المغناطيسي الناشئ من الأسلاك الموصلة على التوازي (Shunt) للعضو الثابت يزيد من تأثير المجال المغناطيسي الناشئ من الأسلاك الموصلة على التوالي (Series) للعضو الثابت.

٢- تفاضلي (Differential):

ونطلق على المحرك المركب أنه تفاضلي إذا كان المجال المغناطيسي الناشئ من الأسلاك الموصلة على التوازي (Shunt) للعضو الثابت يقلل من تأثير المجال المغناطيسي الناشئ من الأسلاك الموصلة على التوالي (Series) للعضو الثابت.

وكلا النوعين ينقسمان إلى قسمين بناء على طريقة توصيل أسلاك العضو الثابت الموصلة على التوازي مع العضو الدوار :

١- طويل (Long): أي أن أسلاك العضو الثابت الموصلة على التوازي (Shunt) تكون متوازية مع أسلاك العضو الدوار بالإضافة إلى أسلاك العضو الثابت الموصلة على التوالي (Series)، كما هو موجود بالصورة رقم (8).

صورة (8): الدائرة الكهربائية لمحرك التيار المستمر المركب الطويل [6]

٢- قصير (Short): أي أن أسلاك العضو الثابت الموصلة على التوازي (Shunt) تكون متوازية فقط مع أسلاك العضو الدوار، أي أن أسلاك العضو الثابت الموصلة على التوالي (Series) تكون موصلة على التوالي مع المصدر، كما هو موجود بالصورة رقم (9).