موتور الکتریکی (الکترو موتور) و تاریخچه آن

در زندگی پیشرفته ماشینی امروز، انسانی پیدا نخواهد شد که با الکتروموتور یا موتور الکتریکی برخورد نداشته باشد، گرچه ممکن است که آن را درک نکند. بطور عمومی هرکجا حرکتی است، الکتروموتور یا موتور الکتریکی هم وجود دارد. الکتروموتورها امروزه در زمینه های مختلفی اعم از لوازم خانگی ها، دمنده ها، فن ها و انواع ابزارآلاتی که به نحوی در تبدیل انرژی الکتریکی به مکانیکی دخیل هستند، کاربرد دارند.

تاریخچه موتورهای الکتریکی

در سال ۱۸۸۲ نیکولا تسلا اصول میدان مغناطیسی دوار را پایه گذاری کرد و راه را برای استفاده از میدان دوار به عنوان یک نیروی مکانیکی باز کرد. در سال ۱۸۸۳ او از این اصول برای طراحی یک موتورالقایی دو فاز استفاده کرد. در سال ۱۸۸۵ «گالیلئو فراریس» (Galileo Ferraris) مستقلاً تحقیقاتی را در این باره آغاز کرد و در ۱۸۸۸ نتایج تحقیقات خود را در قالب مقاله‌ای به آکادمی‌سلطنتی علوم در تورین ایتالیا ارایه داد.

حرکتی که نیکولا تسلا در ۱۸۸۸ آغاز کرد چیزی بود که امروزه برخی از آن به عنوان «انقلاب صنعتی دوم» یاد می‌کنند، چراکه این حرکت به تولید آسانتر انرژی الکتریکی و همچنین امکان انتقال انرژی الکتریکی در طول مسافت‌های طولانی انجامید.

اصل موضوع حرکت در الکتروموتورها و معرفی انواع الکتروموتورها

الکتروموتور دستگاهی است که انرژی الکتریکی را به انرژی مکانیکی تبدیل می کند. الکتروموتورها توسط اثر الکترومغناطیس کار می‌کنند. ایده کلی بر این اساس است که، وقتی یک هادی حامل جریان الکتریسیته تحت اثر یک میدان مغناطیسی قرار می‌گیرد، نیرویی بر روی آن هادی حامل جریان از سوی میدان مغناطیسی اعمال می‌شود. اغلب موتورهای الکتریکی دوار هستند، اما موتورهای خطی هم وجود دارند. در یک موتور دوار بخش متحرک چرخانه یا روتور و بخش ثابت (که معمولاً درون موتور است) ایستانه یا استاتور خوانده می‌شود. در یک الکتروموتور، روتور به علت گشتاوری که ناشی از نیرویی است که توسط میدان مغناطیسی ایجاد شده در استاتور است به حول محور خود می چرخد. هر الکتروموتور بر اساس ساختارش توسط برق جریان مستقیم DC و یا برق جریان متناوب AC تغذیه می گردد.

انواع الکتروموتورها

موتور های DC: موتور الکتریکی DC دارای یک آرمیچر از آهنربای الکتریکی می باشد که سرعت آن وابسته به ولتاژ و گشتاور آن وابسته به شدت جریان می باشد.

موتور های AC: موتور های AC عمومی ترین موتور هایی هستند که در صنعت و مصرف خانگی استفاده می شوند. موتور های AC از یک استاتور و روتور و یک شکاف هوایی که فاصله ثابت میان روتور و استاتور است، تشکیل شده اند.

معرفی الکتروموتورهای نوع DC

۱- ساختمان موتور DC و کاربردهای عمومی آن

موتور DC چیست؟

موتور DC یک موتور چرخشی است که قادر است انرژی DC را به انرژی مکانیکی یا انرژی مکانیکی را به انرژی DC تبدیل کند. وقتی که موتور DC به عنوان یک موتور کار می‌کند، انرژی الکتریکی به انرژی مکانیکی تبدیل می‌شود و وقتی که موتور به عنوان ژنراتور کار می‌کند، انرژی مکانیکی به انرژی الکتریکی تبدیل می‌شود.

موتور DC از دو جزء اصلی تشکیل شده است: استاتور و روتور. قسمتی از موتور DC که هنگام کارکرد موتور ثابت است، استاتور نام دارد و نقش استاتور تولید میدان مغناطیسی است. قسمتی دیگر که هنگام کارکرد موتور، محرک است روتور نام دارد و نقش اصلی آن تولید گشتاور الکترو مغناطیسی و نیروی الکتریکی القایی است. همچنین روتور به عنوان قطب موتور DC برای تبدیل انرژی است، به همین دلیل آرمیچر نیز نامیده می‌شود.

ساختار موتورهای DC

موتورهای DC اصولاً از چهار قسمت اصلی تشکیل شده است :

۱- استاتور (stator): آهن ربایی دائمی است که با داشتن دو قطب N و S میدانی مغناطیسی (Magnetic) را ایجاد می کند.

۲- روتور (Rotator): سیم پیچی است که حول یک هسته پیچیده می شود و آهن ربای مغناطیس نامیده می شود. این سیم پیچ معمولاً از سه کلاف سیم پیچ تشکیل شده است.

۳- جاروبک (Brusher): اتصالاتی می باشند که جریان را به کَموتاتور می رسانند.

۴- کموتاتور (Commutator): از آنجا که جریان مستقیم است، قطب های آهن ربای مغناطیسی (روتور) نیز ثابت خواهند ماند و تغییر نمی کنند و به همین دلیل موتور پس از نیم دور چرخیدن ثابت خواهد ماند.

۲- نحوه کار موتور DC

استاتور در موتورهای جریان مستقیم، توسط یک منبع خارجی تغذیه می شود که در نتیجه آن جریان جاری شده در استاتور یک میدان یکنواختی را زیر قطب ها به وجود می آورد، حال اگر آرمیچر نیز توسط منبع خارجی و یا جریان خود استاتور تغذیه شود یک میدان مغناطیسی در آرمیچر نیز پدید خواهد آمد. از کنش میدان های استاتور و آرمیچر چرخش حاصل می شود که نتیجه آن تبدیل انرژی الکتریکی به مکانیکی خواهد بود.

نحوه عملکرد به این صورت است که ولتاژ DC اعمال شده به موتور از طریق برس کربن که روی کموتاتور سوار شده است به سیم پیچ های آرمیچر اعمال می شود که این کار باعث تبدیل شدن سیم پیچ های آرمیچر به آهنربا می شود. ( سیم پیچ های آرمیچر به کموتاتور متصل هستند ) البته در موتور های جریان مستقیم کوچک از آهنربای دائمی برای استاتور استفاده می شود، که معمولا در دستگاه های الکتریکی کوچک از این روش استفاده می شود؛ مانند درایوهای سی دی، اسباب بازی ها، فن های لب تاپ و … . ولی در موتورهای بزرگتر در کاربردهای صنعتی استاتور همچنان یک آهنربای الکتریکی است. معمولاً از آن در کاربردهای ترکشن (کششی) نظیر لکوموتیوها استفاده می‌کنند.

۳- مزایا و معایب موتور DC

در زیر به مواردی از مزایا و معایب موتورهای DC می پردازیم :

مزایا :

دقت قابل قبول در کنترل سرعت

گشتاور یکنواخت

کنترل و راه اندازی آسان

تامین مناسب گشتاور در سرعت های پایین

امکان کنترل مستقل دور از گشتاور

معایب :

استهلاک بالا و هزینه تعمیر و نگهداری بالا

قیمت نسبتا بالا

نیاز به جریان DC برای راه اندازی

پاسخ سرعت نه چندان مناسب

راندمان نسبتا پایین

۴- انواع موتورهای DC و کاربرد آن ها

• الکتروموتورهای BRUSH DC

• الکتروموتورهای BRUSHLESS DC

موتورهای الکتریکی DC در صنایع زیر کاربرد دارند:

صنایع غذایی، صنایع دریایی، صنایع بسته بندی، صنایع نفت، گاز و پتروشیمی، صنایع بافندگی و ریسندگی، صنایع فلزی، صنایع دارویی، صنایع رنگ و رزین، صنایع کاشی و سرامیک، صنایع سیمان

معرفی الکتروموتورهای نوع AC

۱- ساختمان موتور AC و کاربردهای عمومی آن

موتور AC چیست؟

عمومی ترین الکتروموتور های مورد استفاده در مصارف صنعتی و خانگی الکتروموتور های القایی AC هستند. موتورهای القایی AC عمومی ترین موتورهایی هستند که در سامانه های کنترل حرکت صنعتی و همچنین خانگی استفاده می شوند. طراحی ساده و مستحکم، قیمت ارزان، هزینه نگه داری پایین و اتصال آسان و کامل به یک منبع نیروی AC امتیازات اصلی موتورهای القایی AC هستند. انواع متنوعی از موتورهای القایی AC در بازار موجود است. موتورهای مختلف برای کارهای مختلفی مناسب اند. با اینکه طراحی موتورهای القایی AC آسانتر از موتورهای DC است، ولی کنترل سرعت و گشتاور در انواع مختلف موتورهای القایی AC نیازمند فهم عمیقتر در طراحی و مشخصات در این نوع موتورهاست.

ساختار کلی موتور AC

موتور AC مانند بیشتر موتورهای الکتریکی دارای استاتور ( قسمت ثابت بیرونی ) و روتور ( قسمتی که داخل استاتور می چرخد ) می باشد، که با فاصله دقیق و حساب شده ای از هم قرار داده شده اند. در حالت کلی برای چرخش موتورAC ، روتور داخل یک میدان مغناطیسی دوار قرار می گیرد، که درموتور AC به صورت طبیعی توسط استاتور بدلیل شکل منبع تغذیه این میدان مغناطیسی دوار ایجاد می شود، درحالیکه در موتورهای DC و همچنین موتورهای AC تک فاز این میدان دوار باید توسط یک وسیله الکتریکی یا مکانیکی ایجاد گردد.

ساختمان استاتور:  استاتور و روتور مدار الکتریکی هستند که نقش آهن ربای الکتریکی را ایفا می کنند. استاتور قسمت ساکن موتور است.

پيچش استاتور:  استاتور ورقه ای از دسته هایی تشکیل شده است که با یکدیگر شکل یک استوانه تو خالی را ایجاد می کند. کلاف سیم داخل شکاف و مغز استاتور جا زده می شود. هر گروه کلاف، در یک جهت، مغز استاتور را فرا گرفته است و به شکل یک آهن ربای مغناطیسی در می آید. جریان مغناطیسی، اصل عملکرد موتور است .

ساختمان روتور:  روتور، قسمت چرخنده ی مدار مغناطیسی است .بیشتر روتورها از نوع معروف قفس سنجابی هستند.

۲- نحوه کار موتور AC

موتور AC یک موتور الکتریکی است که بوسیله یک جریان متناوب هدایت می شود. موتور AC انرژی الکتریکی را به انرژی مکانیکی تبدیل می کند. موتور AC از جریان متناوب استفاده می کند یعنی جهت جریان جاری به صورت دوره ای تغییر می کند. عملکرد اساسی موتور AC متکی بر اصول مغناطیسی است. موتور AC شامل یک سیم پیچ و در آهنربای ثابت اطراف شفت است. هنگامی که یک شارژ الکتریکی AC به سیم پیچ اعمال می شود این به یک الکترومغناطیس تبدیل می شود که یک میدان مغناطیسی تولید می کند. هنگامی که آهنربا ها متقابلا اثر می کنند، شفت و کویل سیم شروع به چرخیدن می کنند. موتور AC یکی از مزایایش انتقال ولتاژ بالا از راه دور است.

۳- مزایا و معایب موتور AC

موتورهای الکتریکی AC دارای مزایا و معایبی است که در زیر به مواردی از آن ها اشاره می کنیم.

مزایا:

قیمت پایین

استهلاک پایین و هزینه تعمیر و نگهداری کم

راه اندازی و کنترل آسان

کنترل با استفاده از اینورتر ارزان

معایب:

پایین بودن دقت کنترل سرعت

نداشتن گشتاور یکنواخت

عدم توانایی کنترل موقعیت به علت مساوی نبودن سرعت روتور با میدان دوار (وجود لغزش)

پایین بودن پاسخ زمان سرعت

تلفات زیاد و راندمان پایین

۴- انواع موتور AC و کاربرد آن ها

موتورهای AC تک فاز

معمول ترین موتور تک فاز، موتور سنکرون قطب چاکدار است، که اغلب در دستگاه هایی بکار می رود که گشتاور پایین نیاز دارند، نظیر پنکه‌های برقی، اجاق های ماکروویو و دیگر لوازم خانگی کوچک. نوع دیگر موتور AC تک فاز موتور القایی است، که اغلب در لوازم بزرگ نظیر ماشین لباسشویی و خشک کن لباس بکار می‌رود. عموماً این موتورها می‌توانند گشتاور راه اندازی بزرگتری را با استفاده از یک سیم پیچ راه انداز به همراه یک خازن راه انداز و یک کلید گریز از مرکز، ایجاد کنند.

موتورهای AC سه فاز

برای کاربردهای با توان بالاتر، از موتورهای القایی سه فاز AC یا چند فاز استفاده می‌شود. این موتورها از اختلاف فاز موجود بین فازهای تغذیه چند فاز الکتریکی برای ایجاد یک میدان الکترومغناطیسی دوار درونشان، استفاده می‌کنند. اغلب، روتور شامل تعدادی هادی های مسی است که در فولاد قرار داده شده‌اند. از طریق القای الکترومغناطیسی میدان مغناطیسی دوار در این هادی ها القای جریان می‌کند، که در نتیجه منجر به ایجاد یک میدان مغناطیسی متعادل کننده شده و موجب می‌شود که موتور در جهت گردش میدان به حرکت در آید.

تفاوت بین انواع موتور الکتریکی AC و DC چیست؟

۱- میدان‌های چرخشی مغناطیسی:

کسانی که در برق و الکتریک سررشته دارند یا دوره آموزش سیم پیچی موتورهای الکتریکی را گذرانده اند به خوبی می دانند که بین موتور AC و DC از لحاظ چرخش میدان مغناطیسی تفاوت وجود دارد. برای موتور سنکرونAC، میدان استاتور به دلیل چرخش جریان‌های متناوب متقارن که همه به اندازه ۱۲۰ درجه پشت سر هم قرار دارند چرخیده می‌شوند، بدین معنا که چرخش میدان مغناطیسی استاتور به علت سرعت تغییر AC است؛ درحالی که در موتور DC چرخش میدان مغناطیسی با تغییر بین ولتاژ ثابت و مکان واقعی کویل متصل شده شکل می‌گیرد.

۲- روش کنترل سرعت:

برای موتورهای AC سنکرون ویچی، سرعت موتور می‌تواند تا زمانی که سرعت جریان متناوب تغییر می‌کند، تغییر کند. برای موتورهای DC ویچی، سرعت فقط با تغییر سرعت روتور تغییر می‌کند، در حالی که سرعت روتور متناسب با ولتاژ است، بنابراین سرعت را می‌توان با تغییر ولتاژ تغییر داد. به نظر می رسد که تفاوت بین موتور AC و DC رابطه مشخصی با اختلاف توان آنها دارد.

۳- روش تولید گشتاور:

برای موتور القاییAC ، میدان مغناطیسی چرخشی استاتور و میدان مغناطیسی چرخشی روتور برای تولید گشتاور تعامل دارند و سرعت‌های روتور و میدان مغناطیسی با هم همگام هستند. برای موتورDC، میدان مغناطیسی استاتور و میدان مغناطیسی روتور برای تولید گشتاور تعامل می‌کنند، اما میدان مغناطیسی حین چرخش آرمیچر ثابت است.

با توجه به این تفاوت‌های اصلی بین موتور DC و موتورAC، محرک‌های موتور AC و DC نیز در عملکرد و کاربرد متفاوت هستند.