محركات التيار المستمر بدون فرش (شربون) -2- المحركات ذو الكميوتيتور والفرش -B DC Motor

مقدمة

بعد المقدمة عن ذاك النوع من المحركات على الرابط : https://wp.me/paiFWG-2d1 وقبل الغوص عميقا فى تصميمه ونظرية عمله نعرض المبادىء الأساسية التى يقوم عليها جميع المحركات عامة .

الطاقة الثلاث الكهربية والمعناطيسية والحركية لها تأثير متبادل فيما بينها والشكل ش (1) يوضح ذلك التأثير والذى قام عليه علم المحركات والمولدات الكهربية

ش(1)

ففى الشكل ش(1) مثلنا الثلاث طاقات بدوائر ، الدائرة الوسطى تمثل الطاقة المغناطيسية (خضراء) واليمنى الحمراء الطاقة الميكاميكية (الحركية) واليسرى الزرقاء تمثل الطاقة الكهربية ،

• إذا تزاوجت (تقاطعت) الطاقة المغناطيسية مع الطاقة الكهربية أنتاجا مولودا جديدا هو الطاقة الحركية الممثلة فى الجزء المشترك للدائرتين وهذا المولود هو المحرك

• إذا تزاوجت الطاقة المغناطيسية والطاقة الميكاميكية (الحركية أنتجا مولودا هو الطاقة الكهربية ويسمى المولود مولدا كهربيا .

 المبادىء الأساسية فى الهندسة الكهرومغناطيسية

1- إذا مر تيار كهربى فى موصل أنتج فيضا مغناطيسيا حول الموصل فى شكل جلقات متعامدة على اتجاة التيار فى الموصل وقاعدة اليد اليمنى حيث أصابع اليد مضمومة إلى راحة اليد تشير إلى اتجاة خطوط القوة المغناطيسة والابهام فى اتجاة التيار ( أو قاعدة المسمار البريمة) ، وأذا كان السلك ملفوف لفا حلزونيا (سلونيد) نتج فى محور الملف مجالا مغناطيسيا , وبالتالى تحولت الطاقة الكهربية إلى طاقة مغناطيسة واتجاة خطوط المجال للمغناطيس الناتج تحدده قاعدة ماكسويل باليد ذو الأصابع الأربع مضمومة وتمثل اتجاة التيار فى الملف فيشير الإبهام لاتجاة المجال كما فى ش (2)

ش(2)                                            ش(3)                                                        ش(4)

2- إذا تواجد موصل معدنى فى مجال مغناطيسى كما فى ش (3) فإنه بمرور تيار كهربى فى الموصل يتعرض لقوة محركة له ، ومقدارها حاصل ضرب  كثافة الفيض المغناطيسى (B) فى شدة التيار المار فى الموصل وتبلغ أقصى قيمة لها إذا تعامدت خطوط المجال المغناطيسى على الموصل F=B.I.sinθ (حاصل ضرب متجهين) ، أما اتجاة القوة فتحدده قاعدة اليد اليسرى لفلمنج فلو أن السبابة فى اتجاة المجال المغناطيسى (B) والوسطى فى اتجاة التيار (I) فالابهام يشير إلى اتجاة القوة الناشئة المؤثرة على الموصل فهى متعامدة على المستوى الذى يضم المجال والتيار ش(4)

الملف فى المجال المغناطيسى (الأرمتشر)

لو أن الموصل المعدنى على شكل ملف ش (5) ومر تيار بالملف من (d) إلى (c)ومنه إلى (b)ف (a ) فالتيار فى الجنب dcمن الملف عكسه فى الجنب ab أما اتجاة المجال قثابت فتنشأ قوتان على جامبى الملف متساويتان ومتضاتان لتصنع عزم ازدواج يدير الملف فى اتجاة عقارب الساعة كالآتى :

 نيوتن F=B.I.l.N

 T=2.r.B.I.L.N

لاحظ أن 2rl هى مساحة الملف A وبالتالى AB= الفيض المغناطيسى Φ

T=IΦN

  (1)      T=Kt.I

B – كثافة المجال المغناطيسى I-  شدة التيار المستمر فى الملف L- طول الملف r – بعد جنب الملف عن مركزه Kt- العزم الناتج فى الملف بمرور تيار شدته واحد أمبير ويسمى ثابت العزم

ش(5)

فالعزم كما هو واضح فى المعادلة (1) يتناسب طرديا مع التيار فى الملف

محرك التيار المستمر بكميوتيتور وشربون

فى شكل (5) لكى يستمر دوران الملف فعند انتقال جنب الملف إلى الناحية العكسية لابد أن ينعكس فيه التيار كى نحاقظ على اتجاة القوتين متضاتين وأمكن ذلك بإضافة اسطوانة فى نهاية عمود الدوران (Commutator) من مادة عازلة كهربيا ومحيطها الخارجى ينتهى بحلقة معدنية مشقوقة  ينتهى علىها طرفى الملف  و يتصل نصفا الحلقة المعدنية  بقطعتىن من الكربون (فرش) مضغوطة التلامس بالحلقة بواسطة سوست ومن خلال قطعتى الشربون يتدفق التيار المستمر من المصر وبدوران الكموتيتور  مع العمود  يظا اتجاة  اتجاة التيار ثابت فى كل من جانبى الملف  أمام القطب المغناطيسى كما فى الشكل ش (6) وتلك نظرية عمل محرك التيار المستمر بموحد Commutator وشربون   كميوتتور (مبدلة) Commutator

ش (6)

3- إذا تحرك موصل معدنى فى مجال مغناطيسى قاطعا له تولدت على طرفى الموصل قوة دافعة كهربية قيمتها تتناسب مع معدل قطع خطوط المجال أى مع سرعة حركة الموصل واتجاهها تحددة قاعة اليد اليمنى لفلمنج ، السبابة فى اتجاة المجال والإبهام  فى اتجاة الحركة فيكون اتجاهة القوة الدافعة الكهربية  (ق.د. ك) وبالتالى اتجاة التيار هو اتجاة الوسطى  ش ( 7)

ش(7)                                                                  ش(8)

الحركة الدورانية  لملف فى مجال مغناطيسى

لو أن الموصل على شكل ملف بعدد (N) لفة وبأبعاد (L) طول و (R) بعد كل من جنبيه عن محور دورانه فى منتصفه ويدور فى  مجال كثافته (B) كما فى ش (8) فإنه طبقا لقاعدة اليد اليمنى تتولد ق.د.ك فى الجنب cd فى اتجاة يصنع تيارا لو الملف مغلق من c إلى d أما على الجانب الآخر من الملف ونظرا لعكس اتجاة الحركة فإن القوة الدافعة المنتجة تكن هى الأخرى معكوسة أى من a إلى b وكأنهما بطاريتان متصلتان على التولى فيكون المحصلة على طرفى الملف ضعف أحدهما

القوة الدافعة الكهربية (ق.د.ك) المنتجة بتأثير حركة جنب الملف  بطول (L) بسرعة (V) فى فى مجال مغناطيسى كثافته (B)

   E=B.V.L.sinθ

وتبلغ أقصاها فى حال تعامد خطوط القوى على اتجاة الحركة

  E=B.V.L

فى الحركة المحيطية (الزاوية) السرعة على المحيط وهى طول القوس المقطوع فى وحدة الزمن بالتعريف الزاوية نصف قطرية والسرعة الزاوية (ω) تساوى  نصف القطر (r)مضروبا السرعة الزاوية (ω)

 V=rω

E=B.r.L.ω

فتكون  (ق.د.ك) بين طرفى الملف (الجانبين)  وعدد لفات (N)

E =2.r.L.N.B.ω

 القيض المغناطيسى (Φ) = كثافة المجال (B) ×مساحة الملف  (2r.L)

 الأمبير . لفات للملف=  NΦ

(2)       E =Ke.ω

 أى أن القوة الدافعة الكهربية المنتجة فى ملف تتناسب طرديا مع سرعتة الدورانية (الزاوية) ω وتلك نظرية عمل المولد الكهربى

4- من قوانين المغناطيسية تنافر الأقطاب المتشابهة وتجاذب الأقطاب المختلفة بقوة تتناسب طرديا مع حاصل ضربهما وعكسيا مع مربع المسافة بينهما ش (9)

ش(9)

5- المحركات عموما تتكون من عضوين أحدهما ثابت  (Stator) والآخر متحرك (Rotor) وبحكم التجاذب أو التنافر بين مجاليهما المغناطيسيين يدور العضو الحر (الرواتر) ولدواعى التشغيل ممكن أن يكون العضو الثابت خارجى أو داخلى وكذلك العضو المتحرك .

6- محركات التيار المستمر الشربونية تنقسم طبقا

أ- مصدر المجال المغناطيس بمغناطيس طبيعى دائم  ش ( 11)

ب- مغناطيس منتج كهرومغناطيسيا من مصدر تيار مستمر وينقسم هو الآخر إلى أنواع طبقا لكيفية تغذية الأرمتشر (الراوتر- البوبينة) إلى :-

1- لكل من العضو الثابت والعضو الدوار تغذيتهم الخاصة والمنفصلة عن الآخر  ش(10a)

2- مصدر كهربى مستمر لكل  من ملفات المجال وملفات الأرمتشر  فإما توصيل توالى بينهما Serial DC Motor  ش (10b) أو توصيل توازى Shunt ش (10c)أو خليط من كلاهما Combined  ش (10d)

ش (10) أنواع محركات التيار المستمر                       ش(أ12)                                                                                         ش(12ب )

منحنى العزم والسرعة فى نوع المغناطيس الدائم            منحنى العزم والسرعة فى النوع التوازى

مكونات محرك التيار المستمر بالشربون                                                                     ش(12 ت)

منحنى العزم والسرعة فى التوع التوازى

     ش (11)                                                                                                                      ش (12)ث

محرك تيار مستمر  المجال مغناطيس دائم                                                 منحنى العزم والسرعة فى محرك PM

مزايا وعيوب محرك التيار المستمر الشربونى

مزايا محركات التيار المستمر منحنى الخواص للعزم مع السرعة  ش (12) وعزم بدء دوران عالى بالمقارنة مع المحركات الحثية المنخفضة فى عزم بدء دورانها ومدى أوسع كثيرا لتغيير السرعة تلك المشكلة الكبيرة بالنسبة للمحركات الحثية بكافة أنواعها ،أما عيوبها فتنحصر فى الجزء الميكانيكى من موحد اتجاة التيار (Commutator)  وفرش كربونية  (Brushes) ويايات ضغط (Spring) تحدث ضجيجا وشوشرة ناهيك عن حاجتها إلى  إلى صيانة دورية فكان ابتكار محرك تيار مستمر بلا شربون  Brushless DC Motor للتخلص من الجزء الميكانيكى  ونعرض له تفصيلا فى المحاضرات القادمة وتلك المحاضرة وما قبلها تعد مدخلا للمحرك المستمر بدون شربون

المحاضرة التالية : https://wp.me/paiFWG-2eF