21.4 : الأنظمة الكهروميكانيكية

الأنظمة الكهروميكانيكية عبارة عن تكوينات معقدة تجمع بشكل فعال بين العناصر الكهربائية والميكانيكية لتحقيق النتيجة المرجوة. ويشكل المحرك التيار المستمر عنصرًا أساسيًا في العديد من هذه الأنظمة، وهو جهاز يحوِّل الطاقة الكهربائية إلى حركة ميكانيكية، مما يتيح تطبيقات مختلفة تتراوح من المراوح البسيطة إلى الآليات الروبوتية المعقدة.

أحد المكونات الرئيسية للمحرك التيار المستمر هو المحرك، وهو عبارة عن دائرة دوارة موضوعة داخل مجال مغناطيسي. عندما يمر التيار الكهربائي عبر المحرك، فإنه يواجه قوة بسبب التفاعل مع المجال المغناطيسي، مما ينتج عزم الدوران. يبدأ هذا العزم دوران الدوار، وبالتالي تحويل الطاقة الكهربائية إلى حركة ميكانيكية. يتناسب الجهد المستحث في المحرك طرديًا مع سرعته، وهي الظاهرة المعروفة باسم القوة الدافعة الكهربائية العكسية (EMF).

لتحليل سلوك محرك التيار المستمر، نطبق المبادئ الكهربائية على دائرة المحرك. من خلال استخدام معادلة الحلقة وتحويلها عبر طريقة لابلاس، يمكننا توضيح العلاقة بين تيار المحرك (i_a) وجهد المحرك المطبق (V_a) والقوة الدافعة الكهربائية الخلفية (E_b). تُعطى المعادلة بواسطة:

حيث يمثل R_a مقاومة المحرك ويمثل E_b القوة الدافعة الكهربائية الخلفية.

في المجال s، يكون عزم الدوران (𝑇) الناتج عن المحرك متناسبًا بشكل مباشر مع تيار المحرك، كما هو موضح بواسطة:

​هنا، k_t هو ثابت عزم الدوران. يمكن أيضًا كتابة عزم الدوران هذا من حيث القصور الذاتي (𝐽) للدوار:

من خلال التعبير عن عزم الدوران من حيث الموضع الزاوي (𝜃) لعمود المحرك وتبسيطه، يمكن للمرء استنتاج دالة التحويل. بافتراض أن محاثة المحرك مهملة مقارنة بمقاومة المحرك، تصبح دالة التحويل المبسطة للمحرك DC:

توفر دالة التحويل هذه فهمًا شاملاً للاستجابة الديناميكية للمحرك، وتربط المدخلات الكهربائية بالمخرجات الميكانيكية وتسهل تصميم الأنظمة الكهروميكانيكية والتحكم فيها.