الکتروموتورها یا موتورهای الکتریکی مدلی از ماشین ها هستند که انرژی الکتریکی را به حرکتی مکانیکی تبدیل میکنند. به صورت کلی این فرآیند به این صورت است؛ موقعی که یک هادی جریان الکتریکی تحت تاثیر میدان مغناطیسی قرار گرفته باشد نیرویی به هادی الکتریکی از سمت میدان مغناطیسی وارد میشود.
بیشتر الکتروموتورها دوار هستند ولی موتورهای خطی هم وجود دارند. موتورهای الکتریکی از دو قسمت متحرک و محرک ساخته شده اند. قسمت متحرک “روتور” نام دارد و قسمتی که ثابت است و در قسمت داخلی موتور قرار دارد “استاتور یا ایستانه” هم گفته میشود.
موتورهای روتور به دلیل گشتاوری که ناشی از نیروی تولید شده توسط میدان مغناطیسی استاتور است, به دور محور خود می چرخند.
هر الکتروموتور بر پایه ساختارش به وسیله برق جریان مستقیم دی سی و یا جریان متناوب آ سی مورد تغذیه قرار می‌گیرد.
تاریخچه‌ی الکتروموتورها
در سال 1882 نیکولا تسلا قوانین مربوط به میدان مغناطیس دوار را تدوین کرد و راه را برای به کار بردن میدان دوار به عنوان نیرویی مکانیکی هموار کرد.
یک سال بعد تسلا با توجه به این قوانین, موتوری القایی با دو فاز را طراحی کرد. دو سال بعد گالیلئو فراریس به تنهایی تحقیقاتی را در این مورد شروع کرده و سه سال بعد از آن نتایج پژوهش های خود را به شکل مقاله به آکادمی سلطنتی علوم در تورین ایتالیا تقدیم کرد.
حرکتی که نیکولا تسلا در آن سالها شروع کرده بود امروزه با نام “انقلاب صنعتی دوم” از آن یاد می شود. دلیل این نامگذاری این است که این حرکت باعث تولید آسان تر الکتریسیته و در ضمن امکان انتقال انرژی الکتریکی در طول مسافت های زیاد می شود.
قبل تر از آنکه تسلا موتورهای جریان متناوب را اختراع کند موتورها با حرکت دائم یک هادی در بین میدان مغناطیسی ثابت حرکت می کردند. تسلا به این موضوع توجه ویژه کرد که می توان کلکتورهای موتور را حذف کرده به صورتی که موتور با کمک میدانی دوار حرکت کند. لازم به ذکر است که تسلا سال های بعد موفق شد تا حق امتیازی را در ایالات متحده به خاطر اختراع موتور خود به دست آورد. در حقیقت این موتور یک نوع ویژه از موتورهای القایی است.
سپس در سال 1890 میلادی میخایل اسیبوویچ موتور سه فاز روتور قفسی را اختراع کرد که این مدل از موتور در حال حاضر به صورت گسترده برای فعالیت های متفاوتی استفاده می شود.
الکتروموتورها
امروزه با توجه به پیشرفت گسترده در زندگی های ماشینی کسی پیدا نمی شود که با الکتروموتور یا موتور الکتریکی یا دینام آشنایی نداشته باشد. اصولاً هر زمانی که حرکتی انجام می شود نقش الکتروموتور یا موتورهای الکتریکی پررنگ است.
1. موتورهای دی سی
موتورهای سری – موتورهای کمپوند – موتور های موازی – موتورهای خود تحریک – موتورهای مغناطیس دائم
2. موتورهای آ سی
موتورهای القایی – موتورهای سنکرون
3. موتور های خاص
موتورهای پله‌ای – موتورهای هیسترزیسی – موتورهای دی سی بدون جاروبک – موتورهای رلوکتانسی – موتورهای اوینورسال
انواع الکتروموتور
- الکتروموتورهای تک فاز
- الکتروموتورهای سه فاز
1. الکتروموتور تک فاز چیست؟
به طور گسترده بیشترین تقاضا را در صنایع, این نوع الکتروموتور دارد و علت آن هم مقرون به صرفه بودن آن است. این محصول از یک کلاف یا پیچه به کار برده شده است و به وسیله یک منبع تغذیه متناوب تک فاز کارایی دارد. در الکتروموتورهای تک فاز موتور خودش راه انداز نبوده و در همه این مدل ها از روتور قفس سنجابی استفاده می شود.
مدل های مختلف الکتروموتورهای تک فاز:
- تک فاز آ سی با فاز شکسته
- تک فاز آ سی با استارت خازنی
- تک فاز آ سی با خازن دائمی اسپیلت
الکتروموتورهای سه فاز چیست؟
برای کاربری هایی که به توان زیادتر نیاز است از این محصول استفاده میکنند. این محصولات از اختلاف فازی که بین فازهای منبع تغذیه چند فاز الکتریکی برای ایجاد یک میدان الکترومغناطیسی دوار درونشان استفاده میکنند.
اصولاً روتور شامل تعدادی هادی مسی بوده که در فولاد جایگذاری شده اند. از راه القای الکترومغناطیسی میدان مغناطیسی دوار در این هادی ها القای جریان کرده که باعث ایجاد شدن یک میدان مغناطیسی متعادل کننده می شود.
این نکته باعث میشود تا محور الکتروموتور در جهت گردش میدان شروع به حرکت کند. برای به حرکت درآمدن محور الکتروموتور سه فاز باید حتماً محور با سرعت کمتری نسبت به فرکانس منبع تغذیه ای که به الکتروموتور اعمال می شود به چرخش در آید. اگر این کار انجام شود میدان متعادل کننده در روتور تشکیل نمی شود.
مدلهای مختلف الکتروموتورهای سه فاز:
- حفاظ قفس سنجابی
- سه فاز قفس سنجابی با روتور سیم پیچی شده و یا اسلیپ رینگ
الکتروموتورها چه کاربردی دارند؟
وقتی که موتور به منبعی تک فاز اتصال دارد کلاف اصلی دارای جریان متناوب است. زیرا میدان مغناطیسی پایه و روانی بوده و گشتاوری که برای چرخیدن موتور الکتریکی مورد نیاز به وجود نیامده و باعث ارتعاش روتور می شود. به همین علت الکتروموتور تک فاز دستگاه استارتر احتیاج دارد تا بتوانند ضربه‌های آغازی را برای چرخیدن موتور تولید کند.
آغازگر یا همان استارتر الکتروموتورهای تک فاز اصولاً کلافی اضافی در استاتور بوده است. کلاف های استارتر می‌توانند خازنهای سری و همچنین سوئیچ گریز از مرکز داشته باشد. وقتی که ولتاژ تغذیه جریان دارد جریان در کلاف پایه به دلیل مقاومت کلاف اصلی ولتاژ تغذیه را کم می کند.
در این حالت جریان در پیچه استارت با توجه به مقاومت دستگاه استارتر منجر به زیاد شدن ولتاژ تغذیه تبدیل می شود. اتفاقاتی که در بین میدان های مغناطیسی پیچه اصلی و دستگاه استارتر ایجاد میشود میدان برآیندی را ایجاد میکنند که در یک جهت حرکت می کند و محور موتور چرخش را در جهت میدان برآیند شروع می کنند.
وقتی دور موتور به هفتاد درصد دور طبیعی خود رسید یک سوئیچ گریز از مرکز پیچه استارت را از مدارش خارج می کند. بعد از انجام این کار الکتروموتورهای تک فاز می‌توانند گشتاور مورد نیاز برای ادامه کار خود نگه دارد به جز مدل های ویژه‌ای اغلب همه موتورهای تک فاز تنها برای کاربردهای کمتر از سه اسب بخار مورد استفاده قرار می گیرند.
اصطلاحات الکتریکی در الکتروموتورها
جریان چیست؟ | نسبت تغییرات بار الکتریکی کیو بر روی زمان را جریان می گویند که واحد آن در اس “آی آمپر” بوده و با دستگاه آمپرمتر که به شکل سری در مدارها نصب می شود قابل اندازه گیری است. |
اختلاف پتانسیل چیست؟ | ولتاژ یا اختلاف پتانسیل یک کمیت بوده که باعث می شود جریان الکتریکی در مداری بسته جریان داشته باشد و واحد آن در اس آی “ولت” بوده و به وسیله ولت متر که به شکل موازی در مدارها بسته می شود قابل اندازه‌گیری است. |
| واحد توان ظاهری و واحد کار الکتریکی چیست؟ | می‌توان گفت که واحد کار الکتریکی “وات بر ثانیه” و واحد توان ظاهری “ولت آمپر”, “کیلوولت آمپر” و همچنین “مگاولت آمپر” می باشد. |
جریان نامی چیست؟ | به جریانی که دستگاهی الکتریکی در شرایط معین میتواند از خودش انتقال بدهد, بدون اینکه به مقدار زیادی گرم شود و یا زیر نظر تنش های مکانیکی زیادتر از حدی قرار بگیرد, گفته می شود. |
| اهم چیست؟ | هنگامی که یک ولتاژ یک ولتی به دو سوی یک مقاومت اعمال شود و جریانی معادل با یک آمپر از آن عبور کند, مقدار مقاومت ایجاد شده یک اهم می شود. واحد مقاومت الکتریکی نیز “اهم” می باشد. |
وات چیست؟ | مقدار انرژی تولید شده را بر اساس وات اندازه گیری می کنند. به عنوان نمونه لامپ های روشنایی با واحد وات اندازه گیری و بیان می شوند. این واحد بیان می‌کند که این لامپ ها تا چه اندازه می توانند انرژی نوری تولید کنند. |
آمپر چیست؟ | آمپر میزان جریان الکتریسیته ای است که در یک مدار انتقال می یابد. در حقیقت وقتی که یک نیرو باعث حرکت الکترون ها در سمت به خصوصی می شود جریان الکتریکی تولید می شود. واحد جریان در اس آی بر اساس “آمپر” بیان می شود. |
| ولت چیست؟ | مقدار ولت یا ولتاژ به اندازه مقدار الکتریسیته گفته می شود. در حقیقت به اختلاف پتانسیل الکتریکی میان دو نقطه یا نیرویی که باعث میشود الکترون های آزاد به حرکت در بیاید ولتاژ میگویند. در اس آی اختلاف پتانسیل الکتریکی را بر اساس “ولت” بیان میکنند. |
در ادامه نگاهی به داخل یک موتور الکتریکی ساده می‌اندازیم. با ما همراه باشید.
اجزای تشکیل دهنده الکتروموتورهای الکتریکی
موتور ساده از شش قسمت تشکیل شده است؛
- آرمیچر
- سوئیچ تغییرات جهت برق
- ذغالهای هادی محور
- آهنربا
- منبع برق دی سی
الکتروموتورها از لحاظ جریان های مصرفی به دو قسمت کلی تقسیم بندی می شوند:
- الکتروموتور با جریان متناوب آسی
- الکتروموتور با جریان مستقیم دی سی
الکتروموتورهای جریان مستقیم یا دی سی چه الکتروموتورهایی هستن؟
موتورهای دی سی یا جریان مستقیم آرمیچری از آهنربای الکتریکی دارند. در این نوع از الکتروموتورها یک سوئیچ گردشی به اسم کموتاتور وجود دارد که جریان الکتریسیته را در هر دوره دوبار برعکس کرده تا آهنربای الکتریکی پدید بیاید. در آرمیچر آهنربای دائم را در خارج آرمیچر جذب و دفع میکنند.
سرعت گردش موتور دی سی به گشتاور ترمزی وابسته است به بیانی دیگر به ولتاژی که وارد شده و همچنین به گشتاور جریانی که وارد می شود بستگی دارد.
الکتروموتورهای دی سی و یا سری چه الکتروموتور هایی هستند؟
موتورهای دی سی سری, گشتاور راه اندازی بالایی دارند و به همین جهت در صنایعی که به گشتاور راه اندازی بالا نیاز دارند و در بالابرهای هیدرولیکی, جرثقیل, پرس های ضربه‌ای و آسانسورها به کار برده می شود.
علاوه بر آن از این مدل دینام ها در لوکوموتیوهای شهری مثل تراموا و مترو به کار برده می شود که به اصطلاح به آن موتور کششی یا اصطکاکی میگویند.
الکترو موتورهای دی سی شانت چه الکتروموتور هایی هستند؟
الکترو موتورهای دی سی شانت و یا موازی گشتاور حرکتی حداکثر در دور نامی را دارند به همین علت در کارهایی مثل دمنده ها و هواکش های صنعتی کارایی دارند.
این مدل از موتورها نباید به هیچ عنوان در زیر بارهای سنگین به کار برده شوند زیرا جریان آرمیچر در آنها بیش از اندازه زیاد شده و باعث آسیب به موتور میشود.
الکترو موتورهای دی سی مرلک
در این نوع الکتروموتورها ویژگی های موتور های سری و شانت هر دو وجود داشته و به دو دسته زیر تقسیم می شوند:
1. الکترو موتور های دی سی کمپوند اضافی
از این مدل الکتروموتور در مواقعی استفاده می شود که ویژگی های موتور های سری مورد نیاز باشد ولی با برداشتن بار موتور مهار ناپذیر نشود و دوران خیلی زیاد نشود. مثل دستگاه های تراش که در هر دوره کاری دیوار می شود و دوباره زیر بار قرار می‌گیرد.
در صنایع متفاوتی اغلب به جای کاربرد از دینام کمپوند اضافی که طراحی آن به شکل موتورهای الکتریکی سری بوده است مورد استفاده قرار می گیرد.
2. الکترو موتور های دی سی کمپوند نقصانی
در بارهای کمتر از بارهای نامی و مواقعی که به سرعت ثابتی نیاز است از موتورهای کمپوند نقصانی استفاده می شود. این الکتروموتورها اغلب در آزمایشگاه ها برای ایجاد دوره های ثابت و پایدار به کار برده می شوند.
الکتروموتورهای آ سی یا الکتروموتورهای جریان متناوب
رایج ترین دینام های پر کاربرد در صنایع خانگی مدل القایی آ سی هستند.
مزیت کاربری الکتروموتورهای آ سی:
- یکی از مزیت های این مدل از الکتروموتورها طراحی ساده و با استحکام بالاست.
- یکی دیگر از مزیت ها نیز قیمت مناسب و مقرون به صرفه بودن آن است.
- از دیگر مزیت ها نیز هزینه نگهداری پایین آن بوده است.
- اتصال آسان و بهینه به منبع تغذیه اصلی نیز دیگر مزیت این گونه از الکتروموتور هاست.
مدلهای مختلفی از الکتروموتورهای آ سی و یا القایی در صنایع هستند که برای کارهای مختلف مناسب می باشند. با توجه به این که طراحی و ساخت موتورهای آسی آسان‌تر از الکترو موتورهای دی سی بوده است اما کنترل کردن سرعت و گشتاور در مدل های متفاوت از الکتروموتورهای آسی نیازمند درک عمیقی در طراحی و مشخصات این مدل از الکتروموتورها است.
استاتور چیست؟
استاتور از چند قسمت باریک آلومینیوم و یا آهن کم وزن ساخته شده است. این قطعه ها به شکل سیلندری توخالی به هم وصل شده اند. همچنین سیم پیچ های روکش داری در این مکانها جاسازی شده اند که هر قسمت پیچه با هسته که دور آن را گرفته است آهنربایی مغناطیسی که دوبل است را برای به کار بردن با تغذیه آ سی تشکیل می‌دهد.
تعداد قطب های الکتروموتورهای آ سی و اتصالات داخلی به پیچ های استاتور بستگی دارد. پیچ های استاتور به طور مستقیم به منبع انرژی اتصال داشته‌اند و آنها به شکلی اتصال دارند که به وسیله یک منبع تغذیه آ سی میدانی مغناطیسی که خاصیت چرخندگی دارد را می سازند.
روتور چیست؟
این قسمت از چند قسمت مجزا و باریک از جنس فولاد تشکیل شده است که بین آنها میله هایی از جنس مس یا آلومینیوم کار گذاشته شده است.
در متداول ترین مدل روتور، روتور قفس سنجابی است که این میله ها در آخرین قسمت خودشان به شکل الکتریکی و مکانیکی با حلقه هایی به هم اتصال می یابند. به طور تقریبی نود درصد الکتروموتورها شامل روتورهای قفس سنجابی هستند و این به این دلیل است که این مدل از روتورها ساختاری ساده و در عین حال مستحکم دارند.
این مدل از روتور ها دارای هسته ی چند تکه ای استوانه‌ای شکلی هستند که با محوری که شکاف های موازی برای جاگیری رساناها در داخل آن است تشکیل شده‌اند.
هرکدام از این شکاف ها دارای میله ای از جنس مس یا آلومینیوم و یا آلیاژی خاص است. درون این میله ها حلقه های انتهایی مدار کوتاهی قرار دارد زیرا این مدل مونتاژ دقیقا به شکل قفس سنجاب بوده است و این نام به این علت انتخاب شده است.
میله روتور به طور دقیق با محور موازی نبوده ولی در عوض آن به علت دو دلیل ویژه نصب می شوند .
دلایل
دلیل اول : موتور با کم شدن صوت مغناطیس و بدون هیچ صدایی کار می‌کند و به همین علت از هارمونیک ها در شکاف ها کم می شود.
دلیل دوم : روتور کمتر هنگ می کند و دلیل آن این است که دندانه های روتور به دلیل جذب کردن مغناطیس به صورت مستقیم در تلاش هستند تا در برابر دندانه های استاتور قرار بگیرند و این واقعه هنگامی اتفاق می‌افتد که تعداد دندانه های استاتور و روتور هم اندازه باشند.
مدلهای مختلف الکتروموتور آ سی
- الکتروموتورهای آ سی سنکرون
- الکتروموتورهای آ سی آسنکرون
الکتروموتور آ سی سنکرون
دینام هایی که سنکرون است روتور و استاتور سیم پیچی شده اند. وقتی که استاتور به منبع برقی اتصال می‌یابد میدان گردان در موتور پدید می‌آید که با سرعت سنکرون به چرخش در می آید.
روتور هم سیم پیچی شده و به وسیله منبع دی سی تغذیه میشود. با متصل شدن جریان دی سی روتور، روتور گردش خود را آغاز کرده و با میدان دوار استاتور می چرخد. برای شروع به کار موتور الکتریکی سنکرون اول الکتروموتور بعد از قطع محرک اولیه با سرعت سنکرون شروع به چرخش می کند.
کارایی الکتروموتورهای سنکرون
این الکتروموتور برای اصلاح ضریب توان است و این در صورتی است که روی محور موتور سنکرون هیچ باری گذاشته نشود.
این بدین معنی است که موتور الکتریکی بدون هیچ باری کار می کند. در این صورت به موتورهای سنکرون، “خازن سنکرون” نیز می گویند و در صنایع و کارخانجات مورد استفاده قرار می گیرد.
از این موتورها نیز برای ژنراتور سنکرون و همچنین به صورت الکتروموتور سنکرون هم مورد استفاده قرار می‌گیرد. چون که الکتروموتورهای الکتریکی سنکرون دور ثابتی دارند در وسایلی مثل ساعت‌های الکتریکی که به این ویژگی دور ثابت نیاز دارند استفاده می شوند.
مزیت الکتروموتورهای سنکرون:
- الکتروموتورهای سنکرون در برابر نوسانات حساس نیستند.
- این محصول بازدهی خیلی خوبی دارد.
- این الکتروموتورها ضریب قدرت قابل تنظیم و مناسبی را دارد.
- این الکتروموتور می‌توانند به صورت مستقیم با ولتاژهای بالا کار کنند.
معایب الکتروموتورهای سنکرون:
- سرعت این مدل از الکتروموتورها ثابت بوده و دارای قابلیت تنظیم برای سرعت های کمتر و بیشتر را ندارند.
- این محصول توانایی تحمل بار اضافه‌تر را ندارد.
- این الکتروموتورها به غیر از جریان متناوب برای سیم پیچ استاتور، جریان دائم برای قطب های این محصول نیاز دارد و به همین علت قیمت این مدل نسبت به محصولات مشابه خود بیشتر است.
- این محصول به یک وسیله راه انداز اولیه که بتواند یک موتور کمکی باشد نیاز دارد.
الکتروموتور آ سی آسنکرون چیست؟
- الکتروموتور قفس سنجابی
- الکتروموتور سیم پیچی شده
1. الکتروموتور آ سی آسنکرون قفسه سنجابی
روتور موتورهای قفسه سنجابی استوانه‌ای به صورت میله هایی از جنس آلومینیوم و یا مس, داخل شیارهای محیطی آهنی و یا فولادی قرار می گیرد که به دو شکل طراحی شده؛
- نوع اول از یک سری میله های گرد ساخته شده و نوع دوم از یکسری میله های مستطیل شکل و یا به صورت دو دایره که به هم اتصال یافته و یا از هم جدا هستند شکل گرفته است.
دلیل مورب طراحی کردن میله های روتور الکتروموتور این است که از لرزش و قفل شدگی در لحظه استارت زدن که تحت اثر میدان های استاتور روی روتور ایجاد می شود جلوگیری شود.
مزیت الکترو موتورهای آسنکرون قفس سنجابی:
- این محصول در صنایع زیادی جایگزین دیگر موتورها شده است و دلیل آن هم قیمت مناسب و طراحی ساده آن است.
- دیگر مزیت این الکتروموتور سرعت گردش آن است که در بارهای متفاوت به طور تقریبی یکسان است.
- تغییرات باری باعث میشود تا این نوع محصول از حرکت کردن بایستد.
- این الکتروموتور در مقابل الکتروموتورهای سیم پیچی شده ضریب قدرت بالاتری دارد.
معایب الکتروموتورهای آسنکرون قفس سنجابی:
- هنگامی که با دور کم در حال حرکت است از ضریب قدرت آن کم می شود.
- تغییرات در این مدل الکتروموتور به روش کم شدن ولتاژ تقریباً غیرممکن بوده و به دستگاه نیاز است.
- این محصول به تغییر ولتاژ حساس بوده و در حالت کاهش ولتاژ جریان، جریان در آن به همان اندازه زیاد میشود.
- الکتروموتورهای آسنکرون قفس سنجابی دارای گشتاور پایینی است.
- در موقع استارت زدن این الکتروموتور جریان زیادی را از شبکه، حدوداً سه تا ۷ برابر جریان نامی می گیرد.
مقاله برای مطالعه بیشتر؛ آشنایی با انواع صادرات
2. الکتروموتورهای آ سی سنکرون روتور سیم پیچی
نقصی که در الکتروموتورهای قفس سنجابی است مقاومت بسیار کم روتور آنها است. میله های روتور به وسیله حلقه‌ای در اول و آخر آن ها به صورت کوتاه متصل شده اند این مورد در زمان استارت زدن که روتور مغناطیسی نبوده شار بالایی را برای مغناطیسی شدن جذب کرده و باعث می شود که جریان موتور الکتریکی بالا برود و باعث شود در زمان استارت زدن جریان بالایی را از شبکه بگیرد و این نکته باعث میشود گشتاور شروع, کم شود.
برای اینکه این مسئله حل شود الکتروموتورهای با روتور سیم پیچی تولید شدند که این عیوب را مقداری برطرف کند. در الکتروموتورهای آ سی سنکرون روتور سیم پیچی به جای اینکه میله در روتور قرار دهند، روتور را سیم پیچی کرده و آخر این سیم پیچ ها را به حلقه های لغزنده که خودش به وسیله جاروبک هایی به خارج موتور هدایت شده‌اند وصل می نماید.