أنواع المحركات الكهربائية: AC وDC، وغير المتزامنة والمتزامنة، وأيها يناسب أي عمل؟

عند النظر داخل آلة CNC يمكن رؤية ثلاث عائلات مختلفة من المحركات في آلة واحدة: محرك غير متزامن ثلاثي الطور بسيط يدير ناقل الرايش، ومحركات سيرفو تحدد مواضع المحاور بدقة تقل عن المليمتر، ومحرك صغير يدير مضخة سائل التبريد. جميعها تحوّل الطاقة الكهربائية إلى حركة دورانية، لكن لا يمكن استخدام أحدها مكان الآخر. ومعرفة الفرق بين أنواع المحركات الكهربائية تتيح تحويل سؤال "أي محرك هو الأفضل؟" إلى سؤال "أي عائلة تناسب هذا العمل؟".

التمييز الأول: تيار متردد أم تيار مستمر؟

تُصنَّف المحركات أولًا حسب التيار الذي تتغذى به.

• محركات DC تعمل بالتيار المستمر. ولأن سرعتها تُضبط بسهولة بالجهد، استُخدمت لسنوات طويلة في وحدات الإدارة المتحكم في سرعتها والرافعات ومصانع الدرفلة. وفي الأنواع ذات الفرش يتآكل المبدّل والفرش ويحتاجان إلى صيانة منتظمة. واليوم تركت مكانها في الصناعة إلى حد كبير لمحركات AC المزودة بمحوّلات التردد؛ لكنها لا تزال شائعة في المركبات العاملة بالبطاريات والرافعات الشوكية والأجهزة الصغيرة.
• محركات AC يمكنها العمل مباشرة بالتيار المتردد للشبكة. وبسبب بنيتها التي لا تتطلب فرشًا ولا مبدّلًا، تنتمي الغالبية العظمى من المحركات في الصناعة إلى هذه المجموعة.

ضمن محركات AC: غير المتزامنة والمتزامنة

السؤال الأساسي الذي يميز محركات التيار المتردد هو ما إذا كان الدوار يدور بالسرعة نفسها للمجال المغناطيسي الدوار.

المحرك غير المتزامن (التحريضي)

يحرّض المجال الدوار الذي ينتجه الجزء الثابت تيارًا في الدوار ويسحبه خلفه. ويدور الدوار متأخرًا قليلًا عن هذا المجال؛ ويُسمى هذا الفرق الانزلاق. وله نوعان حسب بنية الدوار:

• ذو الدوار القفصي: يحتوي الدوار على قضبان من الألمنيوم أو النحاس مقصورة الأطراف. ولا توجد له وصلة خارجية أو فرش أو حلقات. وهو بسيط ومتين ومنخفض التكلفة؛ وتعمل به الغالبية العظمى من التطبيقات مثل المضخات والمراوح والضواغط والسيور الناقلة والكسارات.
• ذو الحلقات الانزلاقية (الدوار الملفوف): تُخرج ملفات الدوار إلى الخارج عبر حلقات وفرش، ويمكن إضافة مقاومة إلى دائرة الدوار عند البدء. وكان يُستخدم في وحدات الإدارة الكبيرة ذات البدء الثقيل جدًا؛ ومع انتشار محوّلات التردد والبادئات الناعمة أصبح نادرًا في المشاريع الجديدة.

المحرك المتزامن

يدور الدوار بالسرعة نفسها تمامًا للمجال الدوار. والأنواع التي تحتوي على مغناطيس دائم في الدوار (PM المتزامن) تقدم كفاءة عالية وتعمل عادةً مع محرك تحكم. أما المحركات المتزامنة الممانعية فتدور تزامنيًا دون استخدام مغناطيس، بفضل الشكل المغناطيسي للدوار. وكلا النوعين في أغلب الأحيان لا يمكن توصيله مباشرة بالشبكة دون محوّل تردد؛ ولهذا يُختار المحرك ومحرك التحكم معًا.

تعتمد سرعة المحرك غير المتزامن على عدد الأقطاب، وتكون على شبكة 50 Hz نحو 3000 و1500 و1000 و750 دورة/دقيقة تقريبًا لـ2 و4 و6 و8 أقطاب. والتفاصيل موجودة في مقالنا حول جدول الأقطاب والسرعة.

حسب نوع التغذية: أحادية الطور وثلاثية الطور

تنقسم المحركات غير المتزامنة أيضًا إلى قسمين حسب التوصيل بالشبكة. المحركات أحادية الطور تعمل من خط أحادي الطور بجهد 220 V؛ ولأنها لا تستطيع إنتاج عزم بدء بمفردها فإنها تستخدم ملفًا مساعدًا ومكثفًا. وتُفضَّل في الأماكن ذات الشبكة المنزلية للمضخات والضواغط الصغيرة وآلات الورش؛ وسلسلة HEM Motor أحادية الطور ضمن النطاق 0.18–5.5 kW. المحركات ثلاثية الطور أما هذه فتتغذى من الشبكة الصناعية ثلاثية الطور، وتصل إلى قدرات أعلى، وتنتج عزمًا أكثر انتظامًا، وتكون أصغر حجمًا عند القدرة نفسها. وقد قارنّا أيهما يُختار في مقال أحادي الطور أم ثلاثي الطور.

محركات خاصة لتحديد المواضع والحركة الدقيقة

بعض المحركات لا تُصمَّم للدوران المستمر، بل للذهاب إلى زاوية معينة والتوقف عندها:

• محرك السيرفو: يعمل مع عنصر تغذية راجعة يقرأ موضع العمود (مُرمِّز أو محلّل) ومع محرك التحكم الخاص به. ويُستخدم للحركات السريعة والدقيقة في محاور CNC والروبوتات وآلات التعبئة والتغليف.
• المحرك الخطوي: يدور بزاوية محددة مع كل نبضة. ولأنه يمكن أن يعمل دون تغذية راجعة فهو شائع في أعمال تحديد المواضع البسيطة والطابعات ثلاثية الأبعاد وأجهزة الجرعات. وقد يفقد خطوات عند السرعة العالية والحمل العالي.
• محرك DC عديم الفرش (BLDC): محركات مدمجة وعالية الكفاءة ذات تبديل إلكتروني. وتُرى كثيرًا في المراوح والمضخات الصغيرة والمعدات المحمولة.

تُباع هذه المحركات كنظام مع محركات التحكم الخاصة بها، ولا تُستخدم مكان المحرك الصناعي غير المتزامن؛ والعكس صحيح أيضًا.

الأنواع الفرعية للمحرك الصناعي غير المتزامن

عند اتخاذ قرار المحرك ثلاثي الطور ذي الدوار القفصي لا ينتهي التنوع، بل ينتقل فقط إلى محاور أخرى. ففي الكتالوج تتميز النسخ المختلفة من المحرك الأساسي نفسه بالخصائص التالية:

• فئة الكفاءة: IE3 وIE4 وIE5. فخسائر المحركات ذات القدرة نفسها مختلفة؛ فمثلًا في محرك رباعي الأقطاب بقدرة 7.5 kW تكون الكفاءات الحدية على التوالي 90.4% و92.6% و94.0%. وقد حسبنا كيفية استرداد فرق الاستثمار في مقال IE3 أم IE4.
• مادة الهيكل: يُفضَّل الهيكل من حديد الزهر للصناعات الثقيلة والبيئات الصعبة، والهيكل من الألمنيوم لخفة الوزن في قدرات صغيرة مختارة.
• طريقة التركيب: بالأرجل (B3)، أو بالشفة (B5, B14)، أو كلاهما معًا (B35, B34)؛ وفي التشغيل الرأسي أوضاع مثل V1 وV5.
• درجة الحماية: IP55 قياسية؛ وحسب البيئة IP44 أو IP56 أو IP65 بطلب خاص.
• نسخ خاصة بالتطبيق: محركات الخدمة الشاقة للأحمال التي تتطلب عزم بدء عاليًا مثل الكسارات والمطاحن، ومحركات الاهتزاز التي تولّد الاهتزاز في المناخل والمغذيات، والمحركات المزودة بمخفضات سرعة حيث تلزم سرعة خرج منخفضة.

خاصية بدء المحرك معيار تمييز آخر أيضًا. فمحركان بدوار قفصي بالقدرة نفسها قد يقدمان عزم بدء مختلفًا حسب تصميم قضبان الدوار. وقد تناولنا هذا الموضوع في مقال فئات العزم.

أي عمل لأي عائلة محركات؟

المطابقة التالية ليست قاعدة قاطعة، بل للتوجيه الأولي:

• حمل يدور باستمرار بسرعة ثابتة (مضخة، مروحة، ضاغط، سير ناقل): محرك غير متزامن ثلاثي الطور.
• حمل تتغير سرعته كثيرًا (مضخة بتدفق قابل للضبط، سير ناقل متحكم في سرعته): محرك غير متزامن ثلاثي الطور يُدار بمحوّل تردد؛ وعند استهداف كفاءة عالية محرك PM أو ممانعي مع محرك التحكم المناسب له.
• بدء ثقيل وصدمي (كسارة، مطحنة): محرك غير متزامن للخدمة الشاقة بعزم بدء عالٍ.
• حركة بطيئة بعزم عالٍ (خلاطة، أسطوانة دوارة): محرك مزود بمخفض سرعة أو محرك ومخفض سرعة منفصلان.
• موضع دقيق وتوقف وبدء سريعان (روبوت، محور CNC): نظام سيرفو.
• شبكة أحادية الطور فقط (ورشة صغيرة، زراعة): محرك أحادي الطور.

الخلاصة

رغم أن أنواع المحركات الكهربائية تبدو كثيرة للوهلة الأولى، فإن الجزء الأكبر من الأعمال في الصناعة يقع على عاتق المحرك غير المتزامن ثلاثي الطور ذي الدوار القفصي؛ ويتم الاختيار الحقيقي بين خيارات القدرة والسرعة والكفاءة والهيكل والتركيب لهذا المحرك. أما المحركات الخاصة بتحديد المواضع والمرتبطة بمحرك التحكم فيجب تقييمها كنظام منفصل. ويمكنكم الاطلاع على النسخة المناسبة لتطبيقكم في صفحة المحركات الكهربائية ثلاثية الطور لدينا.

الأسئلة الشائعة

ما المحرك الكهربائي الأكثر استخدامًا في الصناعة؟

النوع الأكثر انتشارًا هو المحرك غير المتزامن ثلاثي الطور ذو الدوار القفصي. ولأنه لا يحتوي على أجزاء متآكلة مثل الفرش والحلقات فإن صيانته قليلة، ويُستخدم في الغالبية العظمى من التطبيقات مثل المضخات والمراوح والضواغط والسيور الناقلة.

ما الفرق بين المحرك غير المتزامن والمحرك المتزامن؟

في المحرك غير المتزامن يدور الدوار متأخرًا قليلًا عن المجال المغناطيسي الدوار وينتج العزم بفضل هذا الانزلاق. أما في المحرك المتزامن فيدور الدوار بالسرعة نفسها تمامًا للمجال؛ وتُشغَّل هذه المحركات غالبًا مع محوّل تردد.

هل يمكن استخدام محرك غير متزامن بدلًا من محرك السيرفو؟

في الأعمال التي تدور باستمرار ولا تتطلب دقة في الموضع يكفي المحرك غير المتزامن. أما في المحاور التي يجب أن تذهب بسرعة إلى زاوية معينة وتتوقف فيلزم التغذية الراجعة ومحرك التحكم الخاصان بنظام السيرفو؛ ولا يستطيع المحرك غير المتزامن أداء هذا العمل بالدقة نفسها.

ألم تعد محركات DC مستخدمة؟

في وحدات الإدارة الصناعية المتحكم في سرعتها حلّت محركات AC المزودة بمحوّلات التردد إلى حد كبير محل محركات DC. لكنها لا تزال مستخدمة على نطاق واسع في التطبيقات التي يتوفر فيها مصدر تيار مستمر، مثل المركبات العاملة بالبطاريات والرافعات الشوكية والأجهزة الصغيرة.

للمحركات غير المتزامنة ثلاثية الطور من HEM Motor يمكنكم الاطلاع على الطرازات ذات الهيكل من الألمنيوم (0.25–11 kW) وذات الهيكل من حديد الزهر (0.55–355 kW).