كيف يعمل المحرك الكهربائي؟

قراءة في 3 دقيقة

يقوم المحرك الكهربائي بتحويل الطاقة الكهربائية إلى حركة دورانية ميكانيكية [1]. وفي هذه العملية، يستغل قوة المغناطيسية التي تنشأ عندما يتدفق التيار الكهربائي عبر الملفات، مما يؤدي إلى توليد مجالات مغناطيسية [2].

التركيب والمبدأ الأساسي

يتكون المحرك الكهربائي في جوهره من جزأين رئيسيين: ستاتور (عضو ثابت) و روتور (عضو دوار) [1]. ويوجد في الستاتور أو الروتور إما مغانط دائمة أو ملفات يمر بها تيار كهربائي تعمل كمغانط كهربائية [1].

عندما يتدفق التيار عبر الملفات، فإنها تولد مجالات مغناطيسية. وتتفاعل هذه المجالات مع بعضها البعض: حيث تتنافر الأقطاب المتشابهة وتتجاذب الأقطاب المختلفة [3]. هذه قوى التجاذب والتنافر هي التي تضع الروتور في حالة حركة. ولكي لا تتوقف الدوران بعد نصف دورة، يتم عكس اتجاه التيار في الملفات بانتظام [3].

المجالات المغناطيسية وقوة لورنتز

الأساس الفيزيائي للحركة هو قوة لورنتز: وهي القوة التي تؤثر على الشحنات الكهربائية المتحركة، أي على التيار في الموصلات، عندما يكون هذا التيار موجوداً داخل مجال مغناطيسي [2]. ومن خلال التفاعل بين التيار والمجال المغناطيسي، ينشأ عزم دوران يدفع الروتور [1].

محركات التيار المستمر والتيار المتردد

يتم تشغيل محركات التيار المستمر (DC) بتيار مستمر. ويتم عكس اتجاه التيار في الروتور ميكانيكياً عبر فرش كربونية ومبدل (Commutator) [4]. وهذا يجعل التحكم فيها سهلاً، ولكن يجعلها أيضاً عرضة للتآكل والحاجة إلى الصيانة.

أما محركات التيار المتردد (AC) فتستخدم التيار المتردد، وغالباً ما يكون تياراً متردداً ثلاثي الأطوار. يولد التيار المتردد في الستاتور مجالاً مغناطيسياً دواراً يسحب الروتور معه [5]. ولا تحتاج محركات التيار المتردد غير التزامنية إلى تلامسات ميكانيكية لإمداد الروتور بالكهرباء، حيث يتم توليد التيار عن طريق الحث. وهذا يجعلها متينة للغاية وقليلة الصيانة.

المحركات بدون فرش (BLDC)

يتخلى محرك التيار المستمر بدون فرش (BLDC) عن الفرش والمبدل. بدلاً من ذلك، توجد الملفات التي يمر بها التيار في الستاتور الثابت، بينما يتكون الروتور من مغانط دائمة. وتتحكم إلكترونيات خارجية بدقة في تدفق التيار إلى الملفات، مما يضمن وجود مجال مغناطيسي دوار يسحب الروتور.

هذا التصميم أكثر كفاءة لأنه لا توجد خسائر ناتجة عن الاحتكاك بالفرش، ويمكن تصريف الحرارة بشكل أفضل عبر الستاتور، كما أن التحكم الإلكتروني يبقي المحرك دائماً في نقطة التشغيل المثالية.

لماذا السيارات الكهربائية عالية الكفاءة؟

تستفيد السيارات الكهربائية من عدة مزايا في نظام الدفع الكهربائي. فالمحركات الكهربائية الحديثة تحول حوالي 90 إلى 95 بالمائة من الطاقة الكهربائية إلى حركة [5]. بالإضافة إلى ذلك، فهي تتيح استعادة الطاقة (Rekuperation): فعند الكبح، يتحول المحرك إلى مولد ويحول الطاقة الحركية مرة أخرى إلى طاقة كهربائية يتم تخزينها في البطارية.

وفي حالة التوقف، يمكن إيقاف تشغيل المحرك الكهربائي تماماً دون خسائر ناتجة عن التشغيل في وضع الخمول. كما أن نظام الدفع الأبسط الذي يحتوي على أجزاء متحركة أقل يقلل من خسائر الاحتكاك الإضافية. ومع وجود إلكترونيات طاقة دقيقة وإدارة حرارية محسنة، ينتج عن ذلك كفاءة إجمالية عالية جداً.

ما هي المواد المستخدمة؟

تتطلب المحركات الكهربائية مواد مختلفة. تتكون الملفات غالباً من النحاس نظراً لموصليته الممتازة. أما القلوب الحديدية المصنوعة من الصلب الكهربائي فهي تعمل على تقليل الخسائر المغناطيسية.

تستخدم المحركات ذات الأداء العالي بشكل خاص، مثل المحركات المتزامنة ذات المغناطيس الدائم، مغناطيسات تعتمد على نيوديميوم-حديد-بورون. وفي هذا السياق، يتم استخدام أتربة نادرة مثل النيوديميوم، والبراسيو-ديميوم، والديسبروزيوم، والتيربيوم لتمكين وجود مجالات مغناطيسية قوية عند درجات حرارة عالية. وغالباً ما يتكون الهيكل من الألومنيوم لضمان تشتيت حراري جيد.

ومع ذلك، يتم تطوير أنواع من المحركات الخالية من الأتربة النادرة بشكل متزايد، مثل المحركات غير المتزامنة أو محركات الممانعة المتزامنة، وذلك لتقليل الاعتماد على المواد الخام الحرجة.

ملخص

يقوم المحرك الكهربائي بتحويل التيار الكهربائي إلى حركة، وذلك من خلال تدفق التيار عبر الملفات، مما يولد مجالات مغناطيسية تجعل قوة لورنتز تدير الدوار. وتختلف المحركات التي تعمل بالتيار المستمر، والتيار المتردد ثلاثي الأطوار، والمحركات بدون فرشات، حسب تصميمها، بشكل أساسي في طريقة تزويد الطاقة والتحكم. وبفضل الكفاءة العالية، واستعادة الطاقة (Rekuperation)، ووجود أجزاء متحركة أقل، تعد المحركات الكهربائية تكنولوجيا ذات أهمية متزايدة خاصة في قطاع السيارات.