ماغنيتو

كانت أول آلة كهربائية تُستخدم في عملية صناعية هي مولد كهربائي من نوع وولريتش، وهو عبارة عن مغناطيس كهربائي . ^{[ 3 ]} في عام 1842، مُنح جون ستيفن وولريتش براءة اختراع بريطانية رقم 9431 لاستخدام مولد كهربائي في الطلاء الكهربائي ، بدلاً من البطاريات. تم بناء آلة في عام 1844، ورُخِّص استخدامها لمصانع إلكينغتون في برمنغهام . ^{[ 4 ]} توسع هذا النوع من الطلاء الكهربائي ليصبح جانبًا مهمًا من صناعة الألعاب في برمنغهام ، حيث تم تصنيع الأزرار والأبازيم وغيرها من القطع المعدنية الصغيرة المماثلة.

تحتوي الآلة المتبقية على مجال كهربائي مُطبق من أربعة مغناطيسات حدوية الشكل ذات مجالات محورية. ويحتوي الدوار على عشر بكرات محورية. تتطلب عملية الطلاء الكهربائي تيارًا مستمرًا، لذا فإن المغناطيس التقليدي ذو التيار المتردد غير عملي. تتميز آلة وولريتش، على نحو غير معتاد، بوجود مُبدِّل لتقويم خرجها إلى تيار مستمر.

كانت معظم الديناموهات المبكرة ثنائية القطب ^{[ ملاحظة 1 ]} وبالتالي فإن ناتجها يتغير بشكل دوري مع دوران المحرك عبر القطبين.

لتحقيق قدرة خرج كافية، استخدمت مولدات المغناطيس عددًا أكبر من الأقطاب؛ عادةً ستة عشر قطبًا، موزعة على ثمانية مغناطيسات حدوية الشكل مرتبة في حلقة. ولأن التدفق المغناطيسي المتاح كان محدودًا بخصائص معدن المغناطيس، كان الخيار الوحيد هو زيادة المجال باستخدام المزيد من المغناطيسات. ولأن هذه القدرة لم تكن كافية، تم تكديس أقراص دوارة إضافية بشكل محوري على طول المحور. وكانت ميزة هذا التصميم هي أن كل قرص دوار يمكنه على الأقل مشاركة تدفق مغناطيسي من مغناطيسين باهظي الثمن. تستخدم الآلة الموضحة هنا ثمانية أقراص وتسعة صفوف من المغناطيسات: أي 72 مغناطيسًا إجمالًا.

كانت الدوارات المستخدمة في البداية تُلفّ على شكل ستة عشر بكرة محورية، بكرة واحدة لكل قطب. وبالمقارنة مع الدينامو ثنائي القطب، تميز هذا النوع بوجود عدد أكبر من الأقطاب، مما يُعطي خرجًا أكثر سلاسة لكل دورة، ^{[ ملاحظة 2 ]} وهو ما كان ميزة عند تشغيل مصابيح القوس الكهربائي. وهكذا، رسّخت المغناطيسات مكانتها في سوق مولدات الإضاءة.

اشتهر المهندس الكهربائي البلجيكي فلوريس نوليه (1794-1853) بشكل خاص بهذا النوع من مولدات إضاءة القوس الكهربائي، وأسس الشركة البريطانية الفرنسية Société de l'Alliance لتصنيعها.

قام المهندس الفرنسي أوغست دي ميريتينس (1834-1898) بتطوير المغناطيسات لهذا الغرض. ^{[ 5 ]} تمثلت ابتكاراته في استبدال ملفات الدوار الملفوفة سابقًا على بكرات منفصلة، ​​بملفات حلقية الشكل. ^{[ 6 ]} وُضعت هذه الملفات على قلب حديدي مجزأ، يشبه حلقة غرام ، لتشكيل حلقة متصلة واحدة. وقد أدى ذلك إلى تيار خرج أكثر انتظامًا، وهو ما كان أكثر فائدة لمصابيح القوس الكهربائي. ^{[ 7 ]}

يُذكر دي ميريتينز اليوم بشكل أساسي لإنتاجه مولدات مغناطيسية مصممة خصيصًا للمنارات. وقد لاقت هذه المولدات رواجًا لبساطتها وموثوقيتها، ولا سيما استغنائها عن المبدلات. ^{[ 7 ]} في هواء البحر داخل المنارة، كان المبدل، الذي كان يُستخدم سابقًا مع مولدات الدينامو، مصدرًا مستمرًا للمشاكل. ولم يكن حراس المنارات في ذلك الوقت، والذين كانوا في الغالب بحارة شبه متقاعدين، يمتلكون المهارات الميكانيكية أو الكهربائية الكافية لصيانة هذه الآلات الأكثر تعقيدًا.

يُظهر مولد دي ميريتينز المغناطيسي الموضح في الشكل العضو الدوار الملفوف حلقيًا. وبما أنه لا يوجد الآن سوى قرص دوار واحد، فإن كل مغناطيس على شكل حدوة حصان يتكون من مجموعة من المغناطيسات الفردية، ولكنه يعمل من خلال زوج من قطع القطب .

تحتاج المولدات الكهربائية والمولدات المتناوبة إلى مصدر طاقة لتشغيل ملفات المجال الخاصة بها. ولا يمكن توفير هذه الطاقة من خلال خرج المولد نفسه، دون عملية ما تُعرف باسم " التشغيل الذاتي ".

قام هنري وايلد ، مهندس كهربائي من مانشستر بإنجلترا، بتطوير مولد كهربائي مغناطيسي ومولد كهرومغناطيسي، حيث يُستخدم المولد المغناطيسي فقط لتزويد المولد الأكبر بالمجال الكهربائي. وقد تم توضيح ذلك في كتاب رانكين كينيدي " التركيبات الكهربائية" ^{[ 8 ].} وقد طور كينيدي نفسه نسخة أبسط من هذا المولد، مخصصة للاستخدام في إضاءة السفن، حيث تم تجميع مولد كهربائي ومغناطيسي على نفس العمود. ^{[ 9 ]} تمثلت ابتكارات كينيدي هنا في الاستغناء التام عن الحاجة إلى فرشات التوليد. يتم نقل التيار المتولد في المولد المغناطيسي عبر أسلاك متصلة بالعمود الدوار إلى ملف المجال الدوار للمولد الكهربائي. ثم يتم أخذ خرج المولد الكهربائي من ملفات الجزء الثابت. يُعد هذا التصميم "معكوسًا" مقارنةً بالمولد الكهربائي التقليدي، ولكنه يُغني عن الحاجة إلى فرشات التوليد.

أدى اختراع المجال ذاتي الإثارة من قِبل فارلي وسيمنز وويتستون إلى الاستغناء عن الحاجة إلى مُثير مغناطيسي. يعمل مجال مغناطيسي متبقٍ صغير في العضو الحديدي لملفات المجال كمغناطيس دائم ضعيف، وبالتالي كمُثير مغناطيسي. تُعيد أسلاك التوازي للمولد جزءًا من تيار الخرج إلى ملفات المجال، مما يزيد بدوره من الخرج. ونتيجةً لذلك، يتراكم المجال بشكل متجدد، على الرغم من أن ذلك قد يستغرق من 20 إلى 30 ثانية حتى يكتمل. ^{[ 10 ]}

أصبح استخدام المغناطيسات هنا متقادمًا، على الرغم من استمرار استخدام المحفزات المنفصلة في مجموعات توليد الطاقة العالية، لأنها تتيح تحكمًا أسهل في الطاقة الناتجة. وتُعد هذه المحفزات شائعة بشكل خاص في ناقلات الحركة الخاصة بقاطرات الديزل الكهربائية .

تعتمد توربينات الرياح الصغيرة ، وخاصةً التصاميم ذاتية الصنع، على نطاق واسع مولدات التيار المتردد المغناطيسية لتوليد الطاقة. ^{[ 11 ] [ 12 ]} تستخدم هذه المولدات مغناطيسات النيوديميوم الدوارة المصنوعة من معادن أرضية نادرة، مع جزء ثابت ثلاثي الأطوار ومقوم جسري لإنتاج تيار مستمر. يُستخدم هذا التيار إما لضخ المياه مباشرةً، أو يُخزن في بطاريات، أو لتشغيل عاكس التيار الكهربائي الذي يمكنه تغذية شبكة الكهرباء التجارية . يُعد التصميم النموذجي مولدًا محوريًا مُعاد تدويره من قرص فرامل سيارة ومحمل محور. يوفر دعامة ماكفرسون محمل السمت لتوجيه التوربين نحو اتجاه الرياح. ^{[ 13 ]} يدور قرص الفرامل، مع مغناطيساته الأرضية النادرة المُثبتة عليه، لتشكيل الجزء الدوار. يوضع قرص من الخشب الرقائقي يحمل ملفات محورية متعددة بجانبه، مع حلقة حديدية للجزء الدوار خلفه.

في الأحجام الكبيرة، من 100  كيلوواط إلى نطاق ميغاواط، تسمى الآلات المطورة لتوربينات الرياح الحديثة بالمولدات المتزامنة ذات المغناطيس الدائم . ^{[ 14 ]}

بحلول أواخر ثمانينيات القرن العشرين، أتاحت التطورات في المواد المغناطيسية، مثل الساماريوم-كوبالت (وهو نوع مبكر من العناصر الأرضية النادرة)، استخدام مولدات التيار المتردد ذات المغناطيس الدائم في التطبيقات التي تتطلب مولدًا فائق المتانة. في الصواريخ الموجهة ، يمكن لهذه المولدات أن تحل محل مولد التيار المتردد ذي تبديل التدفق . ^{[ 15 ]} يجب أن تعمل هذه المولدات بسرعات عالية، موصولة مباشرة بالتوربين. يشترك كلا النوعين في ميزة كون ملفات الإخراج جزءًا من الجزء الثابت، مما يُغني عن الحاجة إلى تروس الفرش.