الکتروموتور ها

پیش گفتار

الکتروموتور ها بدون انکه بدانیم در زندگی روز مره ما ، بخش بزرگی را موتور ها یا محرک های که انرژی الکتریکی را تبدیل به انرژِ مکانیکی میکند تشکیل داده است .

برای مثال درحال حاضر که این مقاله را از سیستم رانه ای خود مطالعه میکنید قسمت خنک کنده رایانه شما با فن های موتور DC در حال خنک شدن هست و یا در برخی از موبایل های هوشمند مدرن از فن های میکرو استفاده شده ، حتی ما در خانه دنیایی از متور های الکتریکی را داریم که خود از وجود آنها خبر نداریم مثل مخلوط کن ها ، ماکروفر ، آسانسو ،ابزار های خانگی مثل دریل و فرز ها و ده ها قلم کالای مشابه که با مطالعه این مقاله شما از نوع و نحوه کاری این موتور ها مطلع خواهید شد .

نحوه عمل کرد

نحوه عمل کرد اصلی موتور ها الکتریکی به اینگونه است که با ورود جریان الکتریکی ، جریان الکتریکی تبدل به نیروی میکانیکی شده و شروع به چرخش 360 درجه حول محور خود کرده و اما در صورت که این مکنیزم را برعکس کنیم یعنی انرژِ مکانیکی را به انژی الکتریکی تبدیل کنیم یک ژنراتور درست کرده ایم به ای صورت که شما فرزبگیرید با توان دست خود شروع به چرخش میله یک موتور کرده اید و انبار میتوانید از وردی ان خروجی ولتاژ بگیرید (مبحث ژنراتو ها در این مغاله نمیگنجد و مقاله طولانی مشود فقط گریزی بود تا شنخاتی سطحی از نحویه اولیه ژنراتور ها هم داشته باشید )

موتور های الکترونیکی دو دسته اصلی دارند :

موتور های الکترونیکی AC جریان ورودی یا محرک از طریق جریان متناوب می باشد که از شبکه برق (یرق شهری ) اینورتر ها ، ژنراتورها و… تامیین می گردد .

موتورهای الکترونیکی DC  یا جریان مستیم جریان برق وردی به موتور با استفاده از یکسوکننده (آداپتور) و یا باتری ها تامیین میشود.

موتورهای الکتریکی را می‌توان با توجه به کاربردهای انها مانند نوع منبع تغذیه، ساختار درونی، کاربرد و نوع حرکت خروجی دسته بندی کرد. علاوه بر انواع AC در و  DC، موتورها ممکن است دارای جاروبک یا بدون جاروبک باشند (در ادامه جارو بک توضیح داده خواهد شد) ، ممکن است چند فازه باشند ( تک‌فاز، دو فاز یا سه فاز) و ممکن است به صورت هوا-خنک یا مایع-خنک باشند. موتورهای کاربرد عمومی با ابعاد و مشخصات استاندارد، توان مکانیکی مناسبی را برای کاربردهای صنعتی فراهم می‌کنند. بزرگترین موتورهای الکتریکی در پیشرانه‌های کشتی‌ها، فشرده‌سازی سیالات درون خطوط لوله و نیروگاه‌های ذخیره تلمبه‌ای با درجه‌بندی ۱۰۰ مگاوات استفاده می‌شوند.

میدان مغناطیسی

میدان مغناطیسی، ساخته شده  از بار الکتریکی در حال چرخش می‌باشد. به زبان ساده‌تر، میدان مغناطیسی، تولید شده تأثیر دو میدان الکتریکی (برای مثال دو بار مثبت و منفی) بر روی هم است که به ساخت یک میدان مغناطیسی ایجاد می شود. میدان مغناطیسی از تک بارها، سیم‌های حامل جریان، جهت‌گیری جریان دوقطبی‌های مغناطیسی (آهنرباهای دایمی)، جریان سیال رسانا (میدان مغناطیسی زمین) تولید  می‌شوند.

دینام های الکترونیکی نسبیتی، تفاوتی میان میدان الکتریکی و میدان مغناطیسی وجود ندارد و میدان الکترومغناطیسی، اثر بار الکتریکی در اطراف آن تعریف می‌شود. چون حرکت، کاملاً نسبی در نظر گرفته می‌شود و نمی‌توان بین بار ثابت و بار متحرک تفاوتی قایل شد (متحرک بودن یا ثابت بودن برای بیننده‌های گوناگون تفاوت می‌کند). نیروی حاصل از این میدان را نیروی لورنتس می‌خوانند.

جریان سیم‌پیچ‌ها و نیز قطر و تعداد دور آنها، قدرت میدان الکترومغناطیسی تولیدشده را تعیین می‌کند.

با عبور جریان الکترونیکی از سیم‌پیچ‌ها ، میدان مغناطیسی تولید می‌شود، این میدان با میدانی که در استاتور (بالشتک )توسط آهنربای (دائم یا الکترومغناطیسی) ساخته شده، باعث محرک حرکتی چرخشی  در آرمیچر می‌شود که آن را می‌چرخاند (ساخت گشتاور). البته برای تداوم چرخش آرمیچر، جهت جریان مستقیم در سیم‌پیچ آن می‌بایست در بازه‌های زمانی منظم (مثلاً هر نیم دور)، معکوس شود (کموتاسیون) موتور DC از هوا برای خنک کردن سیم پیچ های لاکی استفاده میکنند تا گرمای تولید شده باعث از بین بردن لاک های سیم نشود و مجموعه از بین نرود؛ برای بهترین تولید تحویه در ارمیچر پروانه های را در روتور قرار میدهند تا بیشترین جریان هوارا ایجاد کرده و سیم پیچ ها خنک میشوند .

مهندسی و طراحی تعداد میدان‌های (سیم پیچ های لاکی ) استاتور (بالشتک )و روتور  (آرمیچر ) و نحویه ٔ اتصال آن‌ها به یکدیگر معین کننده میزان قدرت ، سرعت و گشتاور موتور دارند. سرعت این نوع ماشین‌ها می‌تواند با افزایش و کاهش ولتاژ ورودی  سرعتچرخش کم و زیاد شود. همچنین با افزودن مقاومت متغیر  (دیمر )در مدار آرمیچر می‌توان سرعت را کنترل کرد. در موتور DC جدید در بیشتر مواقع با استفاده از مدار الکترونیک قدرت سطح ولتاژ را با قطع و وصل‌ جریان به سیکل‌های خاموش و روشن کد های صفر و یک کاهش می‌دهند که تأثیر محسوسی در کنترل سرعت الکتروموتور دارد.

کُموتاتور یا جابه‌جاگر (Commutator)چیست ؟

 به سوئیچ اغلب مکانیکی در بعضی از موتورها یا ژنراتورهای الکتریکی گفته می‌شود که دائماً جهت جریان را در روتور عوض می‌ کند. کموتاتور در موتورها برای انتقال توان الکتریکی به روتور و در ژنراتورها برای جمع‌آوری توان به شیوه مشابه استفاده می‌شود. به عنوان یک کلید و با توجه به تعداد کلیدزنی‌هایی که در عمر مفید خود انجام می‌دهد، دارای عمر بسیار طولانی است. کموتاتور باعث تغییر حالت AC به DC میباشد، در عمل  یکسوسازی در ژنراتور را به انجام میدهد .

این کلید  در ماشین‌های گردانی که با جریان مستقیم سر و کار دارند به کار می‌رود. کموتاتور با تغییر جهت جریان در سیم‌پیچ آرمیچر یک موتور الکتریکی، موجب ایجاد نیروی (گشتاور) چرخشی می‌شود. به طور مشابه، در ژنراتورها با معکوس کردن اتصال سیم‌پیچ به مدار خارجی، جهت جریان را حفظ می‌کند و جریانی یک ‌سویه را به مدار خارجی تحویل می‌دهد. نخستین ماشین DC کموتاتوری توسط ایپولیت پیکسی  و بر پایهٔ پیشنهاد آندره-ماری آمپر در سال ۱۸۳۲ میلادی ساخته شد.

بیان ساده کموتاتور عملی

اگر پهنای جاروبک‌ها باریکتر از فاصلهٔ عایقی بین قسمت‌ها باشد، هنگام عبور جاروبک (ذغال ) از روی این فاصله، تماس جاروبک‌ها با هر دو قسمت قطع شده و انتقال توان بازمی‌ایستد (موتور از چرخش باز می افتد ). در چنین حالتی ژنراتور نمی‌تواند توان تولید کند و یک موتور دوقطبی نمی‌تواند آغاز به کار نماید.

زمانی که پهنای جاروبک‌ها از پهنای فضای عایق بیشتر باشد، هنگام تماس جاروبک‌ها یا همان ذغال با هر دو قسمت اتصال کوتاه رخ می‌دهد و در چنین حالتی کل توان تولیدشده توسط ژنراتور از این اتصال کوتاه تخلیه می‌شود یا جریان تغذیهٔ موتور در آنجا اتصالی پیدا می‌کند. هر دو حالت منجر به اتلاف توان شدید و گرم‌شدن شدید کموتاتور و جاروبک‌ها می‌شود.

اگر کموتاتوری (پلاتین ) دارای سه قسمت یا بیشتر باشد، با وجود اینکه احتمال ایستادن روتور در حالتی که قسمتی از کموتاتور یک جاروبک (ذغال )را لمس می‌کند وجود دارد، این امر تنها موجب تخلیهٔ انرژی یکی از بازوهای روتور خواهد شد در حالی که سایرین (در این یک بازوی باقی‌مانده) به درستی کار می‌کنند. همین بازوهای باقی‌مانده برای تولید گشتاور کافی در موتور و شروع چرخش موتور کافیست، و ژنراتور می‌تواند توان مفیدی را به مدار خارجی انتقال می دهد .

سیم پیچ موتور های الکترونیکی و میدان مغناطیسی

آهن‌رباهای دائم   موتور DC را می شود  با آهن‌رباهای الکتریکی جایگذین  کرد. انتقال جریان میدان (پیچیدن سیم لاکی به دور قطعه ای فلزی می توان یک آهن ربای الکتریکی ساخت) نسبتسرعت به گشتاور موتور را تغییر داد. اگر سیم‌پیچ میدان مغناطیس به صورت سری با سیم‌پیچهای روتور  قرار داده شود، یک موتور گشتاور بالای کم سرعت و اگر به صورت موازی قرار داده شود، یک موتور سرعت بالا با گشتاور (چرخش) کم خواهیم داشت. می‌توانیم برای بدست آوردن حتی سرعت بیشتر اما با گشتاور به همان میزان کمتر، جریان میدان را کمتر هم می شود . این تکنیک برای کشش الکتریکی و بسیاری از کاربردهای مشابه آن عالی  و ایده آل هست  و کاربرد این حرکت می‌تواند منجر به حذف تجهیزات یک جعبه دنده متغیر مکانیکی شود.

الکتروموتور های DC ( جریان موستقیم ) تحریک مستقل

الکتروموتور های DC یا همان الکتروموتور های جریان برق مستقیم همانند دیگر الکتروموتور ها از گشتاور بالا در زمان راه اندازی برخوردار هستند ، با این تفاوت که گشتاور و میزان سرعت چرخش به میزان ولتاژ ورودی به بالشتک ها یا همان فیلد بستگی دارد.

برای نمونه اگر ولتاژ ورودی یک موتور تحریک مستقل ۱۰۰ولت باشد باید ابتدا بالشتک رو مستقل از آرمیچر تحریک کرده (حداقل ۵۰ ولت) و در ادامه آرمیچر را برق دار کرد. در این صورت موتور شروع به چرخیدن و ایجاد گشتاور می‌کند. و برای بالا بردن سرعت ولتاژ ورودی آرمیچر را به حد نامی میرسانیم و ولتاژ فیلد را کاهش کم میکنیم .

برای بالا بردن گشتاور ولتاژ فیلد را بالا برده و دقت کنید که در این شرایط سرعت ب نسبت بالا رفتن گشتاور کاهش می‌یابد (قدرت چرقش ) . برای تغییر جهت چرخش جریان فیلد را معکوس کرده (جهت قطب های جریان مستقیم را جابجا می کنیم )هرگز بدون تحریک فیلد، آرمیچر را برق دار نکنید، زیرا چرخش اولیه ایجاد نشده و موجب سوختن آرمیچر میشود.

الکترو موتور های جریان مستیم سری Series

مدار این گونه از الکترو موتور ها سیم پیچ تحریک مدار با آرمیچر سری شده .

در این صورت برابری بین سیم پیچ تحریکی با جریان A آرمیچر برابر است .

در الکتروموتور های DC سری (series) گشتاور راه انداز بالا هستن در صنعت که قدرت گستاوری بالای برای راه اندازی اولیه است (زیرا بار حجمی زیادی به مجموعه وظایف الکترو موتور است ) ماننده جرثقیل‌ها، بالابر هیدرولیک، پرس‌ها ی ضربه ای، آسانسور ، بالابر های ساختمانی و… موتور هایDCسری قابل استفاده هستن .

دیگر کربرد جذاب این الکترو موتور ها لوکوموتیوهای شهری (مترو و تراموا) است که در صنعت به آنها موتور های کششی یا اصطکاکی گفته می شود .Traction Motor

الکتروموتورهای جریان مستقیم موازی یا شانت (shunt connected dc motors)

این گونه از الکترو موتور ها سم پیچ تحریکی ، دو سر مدار تحریکی و آرمیچر ولتاژ منبع تغذیه متصل می شود و به اصطلاح مدار موازی آرمیچر قرار می گیرد .

موتورهای جریان مستقیم مختلط (سری-موازی یا کمپوند)

الکتروموتورهایDCکمپوند (مختلط) گونه ای از موتور های هستن که حاوی هر دو سیم پیچ تحریک سری و سیم پیچ تحریک شانت باشد و یکی از پر کربرد ترین و منعطف ترین موتورهای در انواع مدار هارا دارند ،نسبت به اشتباه های کاربر دوام بالاتری دارند و سوختگی کمتری داریم .

موتور های با قابلیت جریان برق AC و DC (موتورهای یونیورسال)

در بالا گفتیم یکی از پرکاربرد ترین موتورها مختلط بود اما با پیدایش موتور های یونیورسال در صنعت به سرعت محبوبیت پیدا کرد .

موتور های یونیورسال یکی از موتورهای DC سری میباشند ولی در این حال توانایی استفاده از برق AC را هم دارند .

در بیشتر مواقع این موتورها با جریان متناوب کار می‌کنند. اصول کار این موتورها براساس است که وقتی یک موتور DC سری به جریان متناوب وصل می‌شود، به علت سری بودن دو سیم پیچ میدان و آرمیچر، جریان مساوی از سیم‌پیچ میدان و سیم‌پیچ آرمیچر عبور می‌کند، و بنابراین گشتاورِ خالصِ نسبتاً ثابتی ایجاد می‌شود. در عمل موتور بایستی به صورت خاصی طراحی شود تا با جریان متناوب سازگاری داشته باشد (امپدانس/راکتانس بایستی مدنظر قرار گیرند) و موتور نهایی عموماً دارای کارایی کمتری نسبت به یک موتور معادل DC خالص خواهد بود. قابلیت این موتورها این است که می‌توان تغذیه AC را روی موتورهایی که دارای مشخصه‌های نوعی موتورهای DC هستند بکار برد، خصوصاً اینکه این موتورها دارای گشتاور راه اندازی بالا و طراحی جمع و جور در سرعت‌های بالا هستند. جنبه منفی این موتورها تعمیر و نگهداری و مشکل قابلیت اطمینان آنهاست که به علت وجود کموتاتور ایجاد می‌شود و در نتیجه این موتورها به ندرت در صنایع مشاهده می‌شوند، اما در دستگاه‌هایی نظیر مخلوط کن، جاروبرقی، لوازم برقی آشپزخانه، و ابزارهای برقی مانند دریل استفاده می‌شوند.