الفصل الأول: مقدمة عن الكهربائية مقارنة بالمحركات الكهربائية
من بين أكثر الأجهزة الكهرومغناطيسية استخدامًا في الأتمتة الصناعية والإلكترونيات الاستهلاكية والمعدات الطبية وآلات التصنيع، نجد المغناطيسات الكهربائية والمحركات الكهربائية. يعمل كلا الجهازين باستخدام الكهرباء والمجالات المغناطيسية، إلا أن أغراضهما تختلف اختلافًا كبيرًا. فالمغناطيس الكهربائي جهاز يحول الكهرباء إلى مجال مغناطيسي يمكن تشغيله وإيقافه، بينما المحرك الكهربائي جهاز يحول الكهرباء إلى حركة ميكانيكية دورانية.
تتضمن بنية كلا الجهازين ملفات ومواد مغناطيسية؛ لذا، يميل العديد من المهندسين ومديري المشتريات ومصممي المنتجات إلى الخلط بين هاتين التقنيتين. ومع ذلك، فإن التمييز بينهما يلعب دورًا هامًا في اختيار المكون المناسب للمشروع.
سيتم في هذا الدليل الخاص بالمغناطيسات الكهربائية والمحركات الكهربائية مناقشة مبادئ العمل والهياكل والتطبيقات والمزايا والعيوب ونصائح حول كيفية اختيار المكون المناسب لمشروعك.
الفصل الثاني: ما هو المغناطيس الكهربائي؟
المغناطيس الكهربائي هو نوع من المغناطيسات لا يعمل إلا عند مرور تيار كهربائي في ملفه، مما يُنتج مجالًا مغناطيسيًا. ويمكن تشغيل المغناطيس الكهربائي وإيقافه فورًا [على عكس المغناطيس الدائم الذي لا يمكن تشغيله وإيقافه بهذه الطريقة]. ولذلك، فهو مثالي لأنظمة التحكم الآلي.
تعتمد القوة المغناطيسية على:
عدد لفات السلك
التيار المتدفق عبر الملف
محتوى النواة
الفضاء الجوي
الجهد الكهربائي المزوّد
تُستخدم المغناطيسات الكهربائية على نطاق واسع في:
لولبية
قفل الكهرومغناطيسي
مغناطيس للرفع
المحركات الصناعية
المعدات الطبية
معدات الفرز
الفصل الثالث: ما هو المحرك الكهربائي؟
المحرك الكهربائي هو جهاز كهروميكانيكي يحول الطاقة الكهربائية إلى طاقة دورانية ميكانيكية مستمرة.
بخلاف المغناطيس الكهربائي، ينتج المحرك الكهربائي مجالات مغناطيسية دوارة تقوم بتحريك عمود.
تُستخدم المحركات الكهربائية على نطاق واسع في:
المراوح والمضخات
نظام النقل
آلة التصنيع باستخدام الحاسب الآلي
الروبوتات
سيارات كهربائية
الأجهزة المنزلية
الفصل الرابع: كيف تعمل المغناطيسات الكهربائية؟
4.1 يكمن مبدأ عمل المغناطيس الكهربائي في قانون أمبير.
عند تمرير تيار كهربائي عبر ملف نحاسي، فإننا ننتج المجال المغناطيسي حول الموصل.
يتعزز المجال المغناطيسي بشكل ملحوظ بوجود قلب من الحديد اللين. نفاذية الحديد المغناطيسية عالية.
في حالة انقطاع التيار الكهربائي:
يختفي المجال المغناطيسي.
ستعيد الجاذبية أو الزنبرك المكبس أو الجسم المنجذب إلى موضعه الأولي.
نظراً لسهولة تشغيلها بنظام التشغيل/الإيقاف، فإن المغناطيسات الكهربائية ممتازة للتشغيل الخطي.
4.2 المكونات
السكن
المكبس (إن وجد)
لفائف النحاس
قلب من الحديد المطاوع
الربيع (إن وجد)
4.3 يتم التحكم بها بواسطة القوة المغناطيسية
حالياًّ
الجهد االكهربى
مقاومة الملف
فجوة الهواء
عدد الدورات
الفصل الخامس: مبدأ تشغيل المحركات الكهربائية
تعمل المحركات الكهربائية وفقًا لمبدأ قوة لورنتز.
ينتج عن مرور التيار عبر الملفات في المجال المغناطيسي القوة.
ينتج عن تفاعل المجالات المغناطيسية للجزء الثابت والجزء الدوار عزم دوران ثابت.
يتم إجراء عملية التبديل بطرق مختلفة حسب نوع المحرك:
فرشاة التلوين
وحدة التحكم الالكترونية
تنظيم تردد التيار المتردد
لا تقتصر وظيفة المحركات الكهربائية على توليد قوة سحب فحسب، بل إنها تدور طوال الوقت.
الإخراج الأساسي
سرعة
طوق معدني للعنق
الطاقة الميكانيكية
تطبيقات صناعية
تطبيقات المغناطيس الكهربائي
لا يوجد تقريبًا أي نظام أتمتة لا يحتاج إلى حركة خطية متحكم بها أو تثبيت مغناطيسي؛ ولذلك، تُستخدم المغناطيسات الكهربائية على نطاق واسع لهذه الأغراض.
من أمثلة التطبيقات النموذجية ما يلي:
الصمامات الكهروميكانيكية
أقفال الباب
أجهزة الصراف الآلي
آلات النسيج
معدات التحليل الطبي
آلات التعبئة والتغليف
أنظمة الفرز
صناعة الأتمتة
المصاعد المغناطيسية
أنظمة حقن الوقود
مشغلات السيارات
إن زمن الاستجابة الذي يبلغ أجزاء من الثانية يجعل المغناطيسات الكهربائية مثالية للتبديل السريع.
الفصل السادس: المغناطيسات الكهربائية مقابل المحركات الكهربائية: مقارنة بين التركيب والخصائص
6.1 مقارنة البنية
| مكون | الكهرومغناطيسية | موتور كهربائي |
| ملف | نعم | نعم |
| لب الحديد | نعم | نعم |
| المغناطيس الدائم | اختياري | غالبا |
| دوار | لا | نعم |
| رمح | لا | نعم |
| اتجاهات | لا | نعم |
| عاكس التيار | لا | أحيانا |
| حركة | معلم جذب خطي | دوران مستمر |
| مراقب | تشغيل/إيقاف بسيط | التحكم في السرعة وعزم الدوران |
تحتوي المحركات الكهربائية على مكونات ميكانيكية أكثر بكثير من المغناطيسات الكهربائية.
ميزة 6.2 مقارنة
| الميزات | الكهرومغناطيسية | موتور كهربائي |
| الهدف | توليد قوة مغناطيسية | إنشاء حركة دورانية |
| الناتج | اسحب، أمسك، ادفع | تناوب |
| حركة | خطي | دوار |
| استجابة | سريع جدا | سريعة |
| السيطرة | الاشارات | أكثر تعقيدا |
| تحويل الطاقة | كهربائي → مغناطيسي | الكهرباء → الميكانيكا |
| الدورية | منخفض جدا | معتدل |
| عمر | طويل جدا | يعتمد على المحامل |
| التكلفة | أقل | أكثر |
الفصل السابع: تطبيقات المحركات الكهربائية
من أجل الحصول على حركة ميكانيكية مستمرة، يتم استخدام المحركات الكهربائية.
تشمل الصناعات التي تُستخدم فيها المحركات الكهربائية على نطاق واسع ما يلي:
الإنتــاج
التدفئة والتهوية وتكييف الهواء والتبريد
الآلات الزراعية الروبوتية
المركبات الكهربائية
فضاء
الأجهزة المنزلية
مضخات المياه
أحزمة ناقلة.
أدوات الآلة
الضواغط و
تُنتج المحركات الكهربائية عزم دوران مستمر وتتمتع بكفاءة ميكانيكية عالية أثناء التشغيل طويل الأمد.
الفصل الثامن: مزايا المغناطيس الكهربائي
بناء بسيط
إنتاج منخفض التكلفة
وقت استجابة سريع
التحكم الأساسي في التشغيل/الإيقاف
موثوقية عالية
الحجم الصغير
لا تحتاج إلى عناية كبيرة
حياة طويلة
سهولة التكامل مع أنظمة التشغيل الآلي
قوة تثبيت عالية بالنسبة لحجمها
الفصل التاسع: عيوب المغناطيس الكهربائي
لا يمكن إجراء دوران دائم
كلما زاد طول الشوط، قلت القوة
استهلاك مستمر للطاقة وتوليد الحرارة
مناسب للقوات الكبيرة
مسافة سفر قصيرة
فقدان قوة التثبيت في حالة انقطاع التيار الكهربائي (إلا إذا كان التصميم مزودًا بآلية إغلاق).
الفصل العاشر: مزايا المحركات الكهربائية
حركة غير محدودة
كفاءة عالية
إنتاج عزم دوران عالٍ
محرك متغير السرعة
الخدمة الطويلة في الحياة
ممتاز للتطبيقات الثقيلة
مجموعة كاملة من الأحجام
تكنولوجيا مجربة
خصائص جيدة ملائمة للأتمتة
الفصل الحادي عشر: عيوب المحركات الكهربائية
أكثر تكلفة
حجم كبير
ارتداء أو مسيل للدموع
تحتاج المحامل إلى صيانة
دوائر تحكم أكثر تعقيدًا
سعر شراء أعلى
الاهتزازات والضوضاء
الفصل الثاني عشر: ما الفرق في العمر الافتراضي بين المغناطيسات الكهربائية والمحركات الكهربائية؟
تختلف المغناطيسات الكهربائية والمحركات الكهربائية في بنيتها الميكانيكية، وبالتالي تختلف في عمرها الافتراضي. تميل المغناطيسات الكهربائية إلى أن تدوم لفترة أطول بشكل عام، نظرًا لقلة أجزائها المتحركة أو انعدامها، بينما تتعرض المحركات الكهربائية للتآكل في المحامل والفرش (في المحركات ذات الفرش) وغيرها من الأجزاء الميكانيكية.
12.1 لماذا تدوم المغناطيسات الكهربائية لفترة أطول؟
المغناطيسات الكهربائية هي أجهزة بسيطة نسبياً تتكون من:
ملف سلك نحاسي، قلب حديدي، غلاف، مكبس اختياري ونابض إرجاع.
يقلّ التآكل الميكانيكي لعدم وجود مكونات دوارة باستمرار. وعند تصميمها وتشغيلها بشكل صحيح ضمن دورة التشغيل وحدود درجة الحرارة المحددة، فإنّ الأسباب الرئيسية للأعطال هي:
انهيار عزل الملف، ارتفاع درجة الحرارة، التآكل
الإجهاد الميكانيكي لزنبرك الإرجاع (إن وجد)
تآكل المكبس في دورات الغسيل العالية
على سبيل المثال، غالبًا ما يتم تصنيف الملفات اللولبية الصناعية وفقًا لما يلي:
الموديلات ذات الخدمة القياسية: من 500,000 إلى 5,000,000 دورة.
من 10 ملايين إلى أكثر من 100 مليون دورة للتصميمات المتطورة باستخدام مواد وتشحيم محسّنة.
لا تحتوي المغناطيسات الكهربائية، التي يتم تشغيلها بواسطة جهات أخرى، على أجزاء متحركة تقريبًا ويمكن الاعتماد عليها للعمل لأكثر من 20 عامًا.
12.2 كيف تتلف المحركات الكهربائية
تحتوي المحركات الكهربائية على العديد من الأجزاء المتحركة مثل:
محامل عمود الدوار، مروحة التبريد، الوصلات، موانع التسرب
الفرش والمبدل (للمحركات الكهربائية ذات التيار المستمر المزودة بفرش)
تتعرض هذه الأجزاء باستمرار للاحتكاك والاهتزاز والتغيرات الحرارية، مما يقلل تدريجياً من عمرها الافتراضي.
12.3 العوامل المؤثرة على طول العمر
تؤثر نفس ظروف التشغيل على المغناطيسات الكهربائية والمحركات الكهربائية:
دورة التشغيل (درجة حرارة الهواء المحيط) استقرار الجهد
التيار العامل
أداء التبريد
شروط التحميل
التعرض للغبار والرطوبة
اهتزاز التآكل
التركيب والصيانة
لا تحتوي على أجزاء متحركة، مما يعني أن المغناطيسات الكهربائية تتعرض لأقل قدر من التآكل الميكانيكي. في ظل التصميم السليم وضمن نطاق معايير التشغيل التي يحددها المصنّع، قد تكون الأسباب الأكثر شيوعًا للعطل هي:
12.4 مقارنة متوسط العمر
| الميزات | الكهربائية | المحركات الكهربائية |
| عمر الخدمة النموذجي | 5-20 + سنة | 5-15 + سنة |
| دورات التشغيل | من 500,000 ألف إلى أكثر من 100 مليون دورة (حسب التصميم) | 10,000-60,000 ساعة تشغيل (للمحركات الصناعية النموذجية) |
| أجزاء متحركة | مكبس اختياري فقط | الدوار، العمود، المحامل، مروحة التبريد |
| ارتداء الميكانيكية | منخفض جدا | معتدل |
| الدورية | أدنى | التشحيم والفحص الدوري للمحامل |
| وضع الفشل الرئيسي | تلف عازل الملف أو ارتفاع درجة حرارته | تآكل المحامل، وتلف العزل، وتآكل الفرش (إن وجد) |
الفصل 13: المغناطيسات الكهربائية أم المحركات الكهربائية: أيهما نختار؟
يعتمد اختيار الجهاز المناسب على الحركة المطلوبة والقوة والسرعة وظروف التشغيل.
13.1 متى تختار المغناطيس الكهربائي:
لا بد من وجود حركة خطية.
أحتاج إلى التحكم في التشغيل/الإيقاف الفوري.
يلزم ذلك للإمساك بالشيء أو تركه.
المساحة محدودة.
ينبغي أن تكون الصيانة في حدها الأدنى.
السعر هو العامل الرئيسي.
ومن الأمثلة النموذجية ما يلي:
صمامات الملف اللولبي *
أقفال الباب
آلات البيع الآلية
الأدوات الطبية.
ماكينات الفرز
13.2 متى يتم اختيار المحرك الكهربائي:
الدوران المستمر ضروري.
يجب أن يعمل بسرعة عالية.
وهو ضروري لنقل الطاقة الميكانيكية.
عزم الدوران مرتفع.
من المتوقع أن تكون دورات التشغيل طويلة.
ومن الأمثلة النموذجية ما يلي:
مضخات المراوح
أنظمة النقل
الروبوتات
المركبات الكهربائية
الآلات الصناعية
قائمة التحقق لاختيار المشروع
13.3 قبل اختيار المغناطيس الكهربائي أو المحرك الكهربائي، أجب عن الأسئلة التالية:
✔ هل المطلوب حركة خطية أم دورانية؟
✔ ما هي القوة أو عزم الدوران المطلوب؟
✔ كم من الوقت سيعمل الجهاز بعد شحنة واحدة؟
✔ ما هو مصدر الجهد الكهربائي المزوّد (تيار مستمر أم تيار متردد)؟
هل تريد التحكم في السرعة؟
✔ ما هو الارتفاع المسموح به في درجة الحرارة؟
✔ ما هي دورة التشغيل المطلوبة (10%، 25%، 50% أو 100%)؟
ما هي الظروف البيئية (الغبار، الرطوبة، الاهتزازات) التي سيتعرض لها الجهاز؟
✔ ما هي المساحة المتاحة لديّ للتركيب؟
✔ ما هي ميزانية المشروع؟
إن الاختيار الصحيح للمعدات في مرحلة التصميم سيؤدي إلى تقليل تكاليف الصيانة، وتحسين كفاءة النظام، وزيادة عمر المعدات.
الفصل الرابع عشر: المغناطيسات الكهربائية والمحركات الكهربائية: الاتجاهات المستقبلية
يتم تحسين كلتا التقنيتين باستمرار بفضل التطورات في المواد والإلكترونيات والتصنيع.
من التطورات الأخيرة ما يلي:
محركات بدون فرش عالية الكفاءة
مغناطيسات كهربائية ذكية مزودة بمستشعرات مدمجة
أنظمة التحكم في المحركات القائمة على الذكاء الاصطناعي
مغناطيس دائم خالٍ من العناصر الأرضية النادرة
مشغلات مصغرة للأجهزة الطبية
الأتمتة الصناعية عالية السرعة
حلول كهرومغناطيسية لكفاءة الطاقة
الصيانة التنبؤية وتكامل الثورة الصناعية الرابعة
مع ازدياد ذكاء المصانع وترابطها، ستظل المغناطيسات الكهربائية والمحركات الكهربائية عناصر لا غنى عنها في الأتمتة الصناعية.
الفصل 15: الأسئلة الشائعة حول المغناطيسات الكهربائية مقابل المحركات الكهربائية
1. ما الفرق بين المحرك الكهربائي والمغناطيس الكهربائي؟
المغناطيس الكهربائي هو جهاز يُنتج مجالًا مغناطيسيًا قابلًا للتحكم لجذب جسم ما أو تثبيته. أما المحرك الكهربائي فهو جهاز يحول الطاقة الكهربائية إلى دوران مستمر للمحور.
2. هل يمكنني استبدال المحرك الكهربائي بمغناطيس كهربائي؟
لا. ينتج المغناطيس الكهربائي قوة مغناطيسية خطية، بينما ينتج المحرك الكهربائي حركة دورانية مستمرة.
3. أي جهاز يستهلك طاقة أكبر؟
تميل المحركات الكهربائية إلى استهلاك طاقة أكبر لأنها تُنتج حركة ميكانيكية مستمرة. أما المغناطيسات الكهربائية، فعادةً ما تحتاج إلى طاقة فقط عند تشغيلها (على الرغم من وجود تصاميم تعمل بشكل مستمر وتستهلك طاقة كبيرة).
4. هل المغناطيسات الكهربائية موثوقة؟
تتميز المغناطيسات الكهربائية بموثوقية عالية ولا تحتاج إلا إلى القليل من الصيانة لأنها تتكون من أجزاء متحركة قليلة.
5. أيهما أفضل للأتمتة الصناعية؟
يعتمد ذلك على التطبيق. تُعدّ المغناطيسات الكهربائية مثالية للتبديل والقفل والتشغيل. أما المحركات الكهربائية فهي رائعة لتشغيل الآلات الدوارة.
6. هل يمكن تزويد المغناطيسات الكهربائية بالطاقة بشكل مستمر؟
نعم، إذا كانت تتمتع بتصنيف دورة تشغيل بنسبة 100% ومزودة بنظام تبديد حرارة جيد.
7. ما هي الصناعات التي تستخدم المغناطيسات الكهربائية والمحركات الكهربائية؟
تُستخدم هاتان التقنيتان على نطاق واسع معًا في مجالات السيارات والروبوتات والتعبئة والتغليف والأجهزة الطبية وأتمتة المصانع والفضاء واللوجستيات والتصنيع.
8. كيف أختار الحل المناسب لمشروعي؟
أولاً، يجب تحديد الحركة المطلوبة (خطية أو دورانية)، والقوة أو عزم الدوران، ودورة التشغيل، ومصدر الطاقة، وبيئة التشغيل، ومساحة التركيب المتاحة. ستحدد هذه العوامل ما إذا كان عليك اختيار مغناطيس كهربائي أو محرك كهربائي.
الفصل 16: الخاتمة
على الرغم من أن المغناطيسات الكهربائية والمحركات الكهربائية تعتمد على مبادئ الكهرومغناطيسية، إلا أنها مصممة لأغراض مختلفة تمامًا. تُنتج المغناطيسات الكهربائية مجالًا مغناطيسيًا قابلًا للتحكم فيه للحركة الخطية، أو التثبيت، أو التبديل. وهي مثالية للملفات اللولبية، والصمامات، والأقفال، وأنظمة الأتمتة. أما المحركات الكهربائية، فتحوّل الطاقة الكهربائية إلى دوران مستمر للمحور. وتُستخدم لتشغيل الآلات الصناعية، وأنظمة النقل، والمركبات الكهربائية، والأجهزة المنزلية.
يتم تحديد اختيارك بين المغناطيسات الكهربائية والمحركات الكهربائية في النهاية بناءً على متطلبات حركة تطبيقك.
