موتورهای الکتریکی
مقدمه
یک موتور الکتریکی ،الکتریسیته را به حرکت مکانیکی تبدیل می‌کند. عمل عکس آن که تبدیل حرکت مکانیکی به الکتریسیتهاست، توسطژنراتورانجام می‌شود. این دو وسیله بجز درعملکرد ، مشابه یکدیگر هستند. اکثر موتورهای الکتریکی توسطالکترومغناطیس کار می‌کنند، اما موتورهایی که بر اساس پدیده‌های دیگری نظیر نیروی الکتروستاتیک واثر پیزوالکتریککار می‌کنند، هم وجوددارند.
ایده کلی این است که وقتی که یک ماده حامل جریان الکتریسیته تحت اثریکمیدان مغناطیسیقرار می‌گیرد، نیرویی بر رویآن ماده از سوی میدان اعمال می‌شود. در یک موتور استوانه‌ای ، روتوربه علتگشتاوری که ناشی از نیرویی است که به فاصله‌ای معین از محور روتور به روتور اعمالمی‌شود، می‌گردد.
اغلب موتورهای الکتریکی دوارند، اماموتور خطی هم وجود دارند. در یک موتور دوار بخش متحرک (که معمولاً درون موتور است) روتور و بخش ثابت استاتورخوانده می‌شود. موتور شاملآهنرباهایالکتریکی است که روی یک قاب سیم پیچی شده است. گر چه این قاب اغلبآرمیچرخوانده می‌شود، اما این واژه عموماًبه غلط بکار برده می‌شود. در واقع آرمیچر آن بخش از موتور است که به آن ولتاژ ورودیاعمال می‌شود یا آن بخش از ژنراتور است که در آن ولتاژ خروجی ایجاد می‌شود. با توجهبه طراحی ماشین ، هر کدام از بخشهای روتور یا استاتور می‌توانند به عنوان آرمیچرباشند. برای ساختن موتورهایی بسیار ساده کیتهایی را در مدارس استفاده می‌کنند.
انواع موتورهای الکتریکی
موتورهای DC
یکی از اولین موتورهای دوار ، اگر نگوییم اولین ، توسطمایکلفارادی در سال 1821م ساخته شده بود و شامل یک سیم آویخته شده آزاد که در یک ظرفجیوه غوطه‌ور بود، می‌شد. یک آهنربای دائم در وسط ظرف قرار داده شده بود. وقتی کهجریانی از سیم عبور می‌کرد، سیم حول آهنربا به گردش در می‌آمد و نشان می‌داد کهجریان منجر به افزایش یک میدان مغناطیسی دایره‌ای اطراف سیم می‌شود. این موتور اغلبدر کلاسهای فیزیک مدارس نشان داده می‌شود، اما گاهاً بجای ماده سمی جیوه ، از آبنمک استفاده می‌شود.
موتور کلاسیک DC دارای آرمیچری از آهنربای الکتریکیاست. یک سوییچ گردشی به نامکموتاتورجهت جریان الکتریکی را در هر سیکلدو بار برعکس می کند تا در آرمیچر جریان یابد و آهنرباهای الکتریکی، آهنربای دائمیرا در بیرون موتور جذب و دفع کنند. سرعت موتور DC به مجموعه ای از ولتاژ و جریانعبوری از سیم پیچهای موتور و بار موتور یا گشتاور ترمزی ، بستگی دارد.
سرعتموتور DC وابسته به ولتاژ و گشتاور آن وابسته به جریان است. معمولاً سرعت توسطولتاژ متغیر یا عبور جریان و با استفاده از تپها (نوعی کلید تغییر دهنده وضعیت سیمپیچ) در سیم پیچی موتور یا با داشتن یک منبع ولتاژ متغیر ، کنترل می‌شود. بدلیلاینکه این نوع از موتور می‌تواند در سرعتهای پایین گشتاوری زیاد ایجاد کند، معمولاًاز آن در کاربردهای ترکشن (کششی) نظیر لکوموتیوها استفاده می‌کنند.
اما بههرحال در طراحی کلاسیک محدودیتهای متعددی وجود دارد که بسیاری از این محدودیتهاناشی از نیاز به جاروبکهایی برای اتصال به کموتاتور است. سایش جاروبکها و کموتاتور، ایجاد اصطکاک می‌کند و هر چه که سرعت موتور بالاتر باشد، جاروبکها می‌بایستمحکمتر فشار داده شوند تا اتصال خوبی را برقرار کنند. نه تنها این اصطکاک منجر بهسر و صدای موتور می‌شود بلکه این امر یک محدودیت بالاتری را روی سرعت ایجاد می‌کندو به این معنی است که جاروبکها نهایتاً از بین رفته نیاز به تعویض پیدا می‌کنند. اتصال ناقص الکتریکی نیز تولید نویز الکتریکی در مدار متصل می‌کند. این مشکلات باجابجا کردن درون موتور با بیرون آن از بین می‌روند، با قرار دادن آهنرباهای دائم درداخل و سیم پیچها در بیرون به یک طراحی بدون جاروبک می‌رسیم.
موتورهای میدان سیم پیچی شده
آهنرباهای دائم در (استاتور) بیرونی یک موتور DC را می‌توان با آهنرباهای الکتریکی تعویض کرد. با تغییر جریان میدان (سیم پیچیروی آهنربای الکتریکی) می‌توانیم نسبت سرعت/گشتاور موتور را تغییر دهیم. اگر سیمپیچی میدان به صورت سری با سیم پیچی آرمیچر قرار داده شود، یک موتور گشتاور بالایکم سرعت و اگر به صورت موازی قرار داده شود، یک موتور سرعت بالا با گشتاور کمخواهیم داشت. می‌توانیم برای بدست آوردن حتی سرعت بیشتر اما با گشتاور به همانمیزان کمتر ، جریان میدان را کمتر هم کنیم. این تکنیک برای ترکشن الکتریکی و بسیاریاز کاربردهای مشابه آن ایده‌آل است و کاربرد این تکنیک می‌تواند منجر به حذفتجهیزات یک جعبه دنده متغیر مکانیکی شود.
موتورهای یونیورسال
یکی از انواعموتورهای DC میدان سیم پیچی شدهموتورینیورسال است. اسم این موتورها از این واقعیت گرفته شده است که این موتورها رامی‌توان هم با جریان DC و هم AC بکار برد، اگر چه که اغلب عملاً این موتورها باتغذیه AC کار می‌کنند. اصول کار این موتورها بر این اساس است که وقتی یک موتور DC میدان سیم پیچی شده بهجریانمتناوب وصل می‌شود، جریان هم در سیم پیچی میدان و هم در سیم پیچی آرمیچر (و درمیدانهای مغناطیسی منتجه) همزمان تغییر می‌کند و بنابراین نیروی مکانیکی ایجاد شدههمواره بدون تغییر خواهد بود. در عمل موتور بایستی به صورت خاصی طراحی شود تا باجریان AC سازگاری داشته باشد (امپدانس/راکتانس بایستی مدنظر قرار گیرند) و موتورنهایی عموماً دارای کارایی کمتری نسبت به یک موتور معادل DC خالص خواهدبود.
مزیت این موتورها این است که می‌توان تغذیه AC را روی موتورهایی کهدارای مشخصه‌های نوعی موتورهای DC هستند بکار برد، خصوصاً اینکه این موتورها دارایگشتاور راه اندازی بسیار بالا و طراحی بسیار جمع و جور در سرعتهای بالا هستند. جنبهمنفی این موتورها تعمیر و نگهداری و مشکل قابلیت اطمینان آنهاست که به علت وجودکموتاتور ایجاد می‌شود و در نتیجه این موتورها به ندرت در صنایع مشاهده می‌شوند،اما عمومی‌ترین موتورهای AC در دستگاههایی نظیر مخلوط کن و ابزارهای برقی که گاهاًاستفاده می‌شوند، هستند.
موتورهای AC
· موتورهای AC تک فاز:
معمولترین موتور تک فازموتور سنکرون قطب چاکداراست، که اغلب دردستگاه هایی بکار می رود که گشتاور پایین نیاز دارند، نظیرپنکه‌های برقی،اجاقهای ماکروویوو دیگر لوازم خانگی کوچک. نوع دیگر موتور AC تک فاز موتور القایی است، که اغلب در لوازم بزرگ نظیرماشین لباسشوییوخشک کن لباسبکار می‌رود. عموماً اینموتورها می‌توانند گشتاور راه اندازی بزرگتری را با استفاده از یک سیم پیچ راهانداز به همراه یک خازن راه انداز و یک کلید گریز از مرکز ، ایجادکنند.
هنگام راه اندازی ،خازن و سیم پیچ راهاندازی از طریق یک دسته از کنتاکتهای تحت فشار فنر روی کلید گریز از مرکز دوار ، بهمنبع برق متصل می‌شوند. خازن به افزایش گشتاور راه اندازی موتور کمک می‌کند. هنگامیکه موتور به سرعت نامی رسید، کلید گریز از مرکز فعال شده ، دسته کنتاکتها فعالمی‌شود، خازن و سیم پیچ راه انداز سری شده را از منبع برق جدا می‌سازد، در اینهنگام موتور تنها با سیم پیچ اصلی عمل می‌کند.
· موتورهای AC سه فاز:
برایکاربردهای نیازمند به توان بالاتر، از موتورهای القایی سه فاز AC (یا چند فاز) استفاده می‌شود. این موتورها از اختلاف فاز موجود بین فازهای تغذیه چند فازالکتریکی برای ایجاد یک میدان الکترومغناطیسی دوار درونشان ، استفاده می‌کنند. اغلب، روتور شامل تعدادی هادیهای مسی است که در فولاد قرار داده شده‌اند. از طریقالقای الکترومغناطیسیمیدان مغناطیسی دواردر این هادیها القای جریان می‌کند، که در نتیجه منجر به ایجاد یک میدان مغناطیسیمتعادل کننده شده و موجب می‌شود که موتور در جهت گردش میدان به حرکت درآید.
این نوع از موتور با نامموتور القاییمعروف است. برای اینکه اینموتور به حرکت درآید بایستی همواره موتور با سرعتی کمتر از فرکانس منبع تغذیهاعمالی به موتور ، بچرخد، چرا که در غیر این صورت میدان متعادل کننده‌های در روتورایجاد نخواهد شد. استفاده از این نوع موتور در کاربردهای ترکشن نظیر لوکوموتیوها ،که در آن بهموتور ترکشن آسنکرونمعروف است، روز به روزدر حال افزایش است. به سیم پیچهای روتور جریان میدان جدایی اعمال می‌شود تا یکمیدان مغناطیسی پیوسته ایجاد شود، که درموتور سنکرونوجود دارد، موتور به صورتهمزمان با میدان مغناطیسی دوار ناشی از برق AC سه فاز ، به گردش در می‌آید. موتورهای سنکرون را می‌توانیم به عنوان مولد جریان هم بکار برد.
سرعت موتور AC در ابتدا به فرکانس تغذیه بستگی دارد و مقدار لغزش ، یا اختلاف در سرعت چرخش بینروتور و میدان استاتور ، گشتاور تولیدی موتور را تعیین می‌کند. تغییر سرعت در ایننوع از موتورها را می‌توان با داشتن دسته سیم پیچها یا قطبهایی در موتور که با روشنو خاموش کردنشان سرعت میدان دوار مغناطیسی تغییر می‌کند، ممکن ساخت. به هر حال باپیشرفت الکترونیک قدرت می توانیم با تغییر دادن فرکانس منبع تغذیه ، کنترل یکنواختتری بر روی سرعت موتورها داشته باشیم.
موتورهای پله‌ای
نوع دیگری از موتورهای الکتریکیموتور پله‌ایاست، که در آن یک روتور درونی، شامل آهنرباهای دائمی توسط یک دسته از آهنرباهای خارجی که به صورت الکترونیکیروشن و خاموش می‌شوند، کنترل می‌شود. یک موتور پله‌ای ترکیبی از یک موتور الکتریکی DC و یکسلونوئیداست. موتورهای پله‌ای ساده توسطبخشی از یک سیستم دنده‌ای در حالتهای موقعیتی معینی قرار می‌گیرند، اما موتورهایپله‌ای نسبتا کنترل شده ، می‌توانند بسیار آرام بچرخند. موتورهای پله‌ای کنترل شدهبا کامپیوتر یکی از فرمهای سیستمهای تنظیم موقعیت است، بویژه وقتی که بخشی از یکسیستم دیجیتال دارای کنترل فرمان یار باشند.
موتورهای خطی
یکموتور خطیاساساً یک موتور الکتریکی است کهاز حالت دوار در آمده تا بجای اینکه یک گشتاور (چرخش) گردشی تولید کند، یک نیرویخطی توسط ایجاد یک میدان الکترومغناطیسی سیار در طولش ، بوجود آورد. موتورهای خطیاغلب موتورهای القایی یا پله‌ای هستند. می‌توانید یک موتور خطی را در یک قطار سریعالسیر ماگلیو مشاهده کنید که در آن قطار روی زمینپروازمی‌کند .
