المحرك الحثي، المعروف أيضًا باسم المحرك غير المتزامن، هو نوع من محركات التيار المتردد يستخدم على نطاق واسع في الأجهزة الصناعية والمنزلية. يعتمد مبدأ تشغيله على قانون الحث الكهرومغناطيسي، والذي ينص على أن الحث الكهرومغناطيسي ينتج جهدًا كهربائيًا وتيارًا في موصل، والذي بدوره ينتج عزم دوران يدفع المحرك للدوران. لفهم كيفية عمل المحركات الحثية بشكل أفضل، سنجيب عن هذا السؤال خطوة بخطوة أدناه، بدءاً من المبادئ الأساسية.
أ. ما هو المحرك الحثي؟
المحرك الحثي، هو محرك كهربائي يحول الطاقة الكهربائية إلى طاقة ميكانيكية من خلال مبدأ الحث الكهرومغناطيسي. خاصيته الرئيسية هي أن الدوار (الجزء الدوار داخل المحرك) غير متصل مباشرة بجهد الإمداد أثناء التشغيل، بل يقوم بتحويل الطاقة من خلال مجال مغناطيسي دوار يولده الجزء الثابت.
ب. هيكل المحرك الحثي
يتكون الهيكل الرئيسي للمحرك الحثي من الجزء الثابت والدوار وغطاء طرفي ومحامل.
1. الجزء الثابت:
الجزء الثابت هو الجزء الثابت من المحرك. وعادة ما يتكون عادة من صفائح فولاذية مغلفة من السيليكون أو لفات أسلاك نحاسية لتقليل خسائر التيار الدوامي.
يتم لف الجزء الثابت بملفات ثلاثية الأطوار أو متعددة الأطوار يتم توصيلها بمصدر طاقة ينتج مجالاً مغناطيسيًا دوارًا داخل الجزء الثابت عند تمرير التيار المتردد.
2. الدوّار:
الدوّار هو الجزء الدوّار من المحرك والأنواع الشائعة من الدوّارات هي دوّار القفص السنجابي ودوّار الجرح السلكي.
يتكون دوّار القفص السنجابي من قضبان من الألومنيوم المصبوب أو قضبان نحاسية مدمجة في فتحات في قلب الدوّار، والتي يتم تقصيرها من كلا الطرفين بواسطة حلقات طرفية لتشكيل هيكل يشبه قفص السنجاب.
يعتبر الدوار ذو الجرح السلكي أقل شيوعًا وله لفات منفصلة ثلاثية الأطوار على الدوار يمكن توصيلها بمصدر طاقة كهربائية خارجي من خلال حلقات انزلاق وفرش.
ج. مبدأ تشغيل المحركات الحثية
يعتمد مبدأ تشغيل المحرك الحثي على قوانين الحث الكهرومغناطيسي وقانون فاراداي للحث الكهرومغناطيسي. ويمكن شرح مبدأ عملها من خلال الخطوات التالية:
1 - تنشيط الجزء الثابت لإنتاج مجال مغناطيسي دوار: عند تمرير تيار متناوب ثلاثي الأطوار عبر لفات الجزء الثابت، ينتج التيار مجالاً مغناطيسياً متردداً في لفات الجزء الثابت. ويدور هذا المجال المغناطيسي المتناوب ويعتمد اتجاهه وسرعته على تردد مصدر الطاقة وعدد أزواج أقطاب المحرك. وتسمى سرعة دورانه ”السرعة المتزامنة“. 2.
2- التيار المستحث الدوار: يدخل المجال المغناطيسي الدوار إلى الجزء الدوار من خلال فجوة الهواء. ونظراً لأن الدوار مصنوع من مادة موصلة للكهرباء، فإن تياراً كهربائياً يُستحث في الدوار أثناء مرور المجال المغناطيسي الدوار خلاله. ووفقاً لقانون الحث الكهرومغناطيسي لفاراداي، فإن أي تغيير في المجال المغناطيسي ينتج تياراً كهربائياً في الدوار.
3- عزم الدوران الناتج عن الدوّار: يتفاعل التيار المستحث في الدوّار مع المجال المغناطيسي الذي يولده الجزء الثابت لتكوين قوة مغناطيسية تولد عزم دوران. وهذا هو مصدر القدرة على تدوير الدوار.
4 - الفرق بين حركة الدوار والسرعة المتزامنة: في المحرك الحثي، لا تصل سرعة الدوار أبداً إلى السرعة المتزامنة للمجال المغناطيسي الدوار للجزء الثابت. إذا كانت سرعة الدوار هي نفس السرعة المتزامنة، فلن يتولد تيار مستحث في الدوار وبالتالي لن يكون هناك عزم دوران ولن يعمل المحرك. ولذلك، فإن سرعة الدوار ستكون دائماً أقل قليلاً من السرعة المتزامنة، وهذا هو أصل المحركات ”غير المتزامنة“.
د. سرعة وانزلاق المحركات الحثية
تكون سرعة المحرك الحثي أقل بقليل من السرعة المتزامنة للمجال المغناطيسي الدوار الذي يولده الجزء الثابت، ويسمى الفرق بين الاثنين ”الانزلاق“. يعد الانزلاق من الخصائص المهمة للمحرك الحثي الذي يؤثر بشكل مباشر على كفاءة المحرك وقدرته الإنتاجية. ويعتمد حجم الانزلاق على حجم حمل المحرك، فكلما كان الحمل أثقل، كان الانزلاق أكبر.
في الصيغة، العلاقة بين سرعة الدوار nr والسرعة المتزامنة ns هي:
ه. خصائص التشغيل والتحكم
1. خصائص البدء:
تتطلب المحركات الحثية تيار بدء تشغيل كبير عند بدء التشغيل لأن معدل الانزلاق يكون أقصى ما يكون عند بدء التشغيل ويكون التيار المستحث أقوى.
من أجل تقليل تيار بدء التشغيل وصدمة بدء التشغيل، عادةً ما يتم استخدام أجهزة مثل المشغلات الناعمة أو العاكسات لتخفيف عملية بدء التشغيل.
2. التحكم في السرعة:
تقليديًا، المحركات الحثية هي محركات ذات سرعة ثابتة، ولكن يمكن تحقيق تنظيم السرعة بدون خطوات من خلال استخدام محركات التردد المتغير (VFDs).
يمكن لمحركات VFDs ضبط السرعة المتزامنة للمجال المغناطيسي الدوار عن طريق تغيير الجهد والتردد المطبق على اللفات الثابتة، وبالتالي التحكم في سرعة المحرك.
3. الكفاءة والخسائر:
تقوم المحركات الحثية بتحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة ميكانيكية، ويتم استخدام جزء من الطاقة الكهربائية للتغلب على الخسائر داخل المحرك (مثل خسائر النحاس وخسائر الحديد، إلخ)، ويتم تحويل الباقي إلى ناتج عمل ميكانيكي مفيد.
تعتمد كفاءة المحرك على تصميمه وظروف تشغيله.
وباختصار، تعمل المحركات الحثية على مبدأ الحث الكهرومغناطيسي القائم على قانون الحث الكهرومغناطيسي، حيث يتم حث تيار دوار من خلال الحركة النسبية بين المجال المغناطيسي الدوار الذي يولده الجزء الثابت والموصل الدوار، والذي بدوره يولد عزم دوران يدفع الدوار للدوران. مع مزايا الهيكل البسيط والموثوقية العالية والتشغيل المستقر، يعد هذا النوع من المحركات أحد الأنواع الرئيسية للمحركات المستخدمة على نطاق واسع في مختلف المجالات الصناعية والمدنية.