موتورهای الکتریکی

سلام.

موتور های الکتریکی عضوی جداناپذیر از صنعت امروزی شده اند. چرا که بهترین شکل از انرژی را همواره در خدمت خود گرفته تا بتوانند اهداف بشر را تامیین نمایند.انرژی الکتریکی یکی از پاک ترین انرژی هاست که امروزه هم برای تولید و هم برای انتقال حرف اول را می زند.هدف از درج این نوشته آشنایی مختصر دانشجویان یا بعضا مهندسین مکانیک با نحوه کار این موتور ها می باشد.البته سعی شده است بیشتر از تصاویر استفاده شود تا متون.چرا که تصاویر خود با هزاران زبان سخن می گویند اما متون تنها قابلیت یک نحوه ی بیان را دارند.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

موتور های الکتریکی:

موتورهای الکتریکی شامل سیم پیچ هایی با جریان الکتریکی هستند که  نیروی مغناطیس وارده از سمت میدان مغناطیس به آنها سبب گردش این سیم پیچ ها خواهد شد.این موتورها انرژی الکتریکی را به انرژی مکانیکی تبدیل می نمایند. در ادامه به عملکرد دو نوع موتور الکتریکی که با جریان های مستقیم DC و متناوب AC  کار میکنند می پردازیم.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . .

یک موتور الکتریکی چگونه کار میکند؟

در شکل زیر نحوه کار یک موتور به صورت قسمت به قسمت بیان شده است.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

همانطور که میدانید یکه جریان الکتریکی در یک سیم، هرگاه خطوط میدان مغناطیس را قطع کند نیرویی را از طرف آن میدان تجربه خواهد کرد.این نیرو در اولین شکل بالا سمت چپ نشان داده شده است.در موتور ها از همین خاصیت بهره برده اند.

شما یک سیم پیچ را در نظر بگیرید که متشکل از یک رشته سیم بوده، حال اگر این رشته سیم را حاوی جریان کنیم چون رشته سیم به صورت رفت و برگشتی است پس جهت جریان در نصف آن «رفت» و در نیمه دیگر «برگشت» است.همین اختلاف در جهت جریان سبب ایجاد یک زوج نیرو(دو نیروی مساوی اما مخالف جهت هم) خواهد شد که در تصویر بالا به وضوح نشان داده شده است.این زوج نیرو را از نمایی دیگر بین دو قطب N و S نشان داده ایم.حال در موتور های واقعی به جای یک سیم پیچ.تعداد بسیاری را بر روی چرخنده وسط (روتور) سوار کرده تا تعداد زیادی از این زوج نیروها را بسازند.به همین سبب گشتاور ایجادی در موتور افزایش یافته و اهداف مورد نظر را تامین می نماید.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . .

DC

موتور های DC یا جریان مستقیم:

این موتور ها با جریان مستقیم و بدون تناوب کار میکنند.بیشتر در مواقعی که نیاز به گشتاور بالا و قدرت خطی نیاز هست از موتور های DC بهره می برند(جرثقیل ها و لوکوموتیو های راه آهن از آن جمله اند).عملکرد این موتور ها بسیار ساده است، تنها کافی است قبل از بررسی موتور های عملی، موتوری با یک رشته سیم پیچیده شده را همانند شکل زیر در نظر بگیرید.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

عملکرد موتور DC:

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

قبلا هم توضیح داده شد، با عبور جریان از حلقه ای که توسط سیم پیچ ایجاد شده نیروهایی به سیم پیچ که بر روی روتور سوار است وارد می شود.همین سبب گردش روتور خواهد شد.(میدان از شمال N به سمت جنوب S است).از قانون دست راست (انگشتان در جهت جریان-کف دست به سمت جهت میدان- انگشت شست هم جهت اعمال نیرو) به راحتی میتوان جهت نیروی اعمال شده در یک سیم را بدست آورد.اما برای اینکه جهت اعمال نیرو در چرخش ها بگونه ای باشد که سیم پیچ به حرکت دوار خود ادامه دهد، میبایست طرحی  داشته باشیم تا این سیم پیچ در هر نیم دور یک بار جهت جریانش تعویض گردد تا قادر به حرکت دوار پیوسته باشد.برای همین هم از مکانیزم کلکتور استفاده میکنیم!

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . .

کلکتور چیست؟

اگر تا به حال موتور الکتریکی باز کرده باشید، قطعا متوجه تیغه های مسی که در زیر زغال ها قرار دارند شده اید؟ این تیغه ها یک تکه نیستند؟ بلکه مابین آنها به وسیله نارسانا پرشده است؟از خود پرسیده اید که این تیغه های کوچک فلزی که هر کدام به یک سیم متصل اند به چه درد می خورند؟

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

آری کمی نزدیک شده اید! اینها تیغه هایی هستند که به جهت برقراری جریان در هر یک ازسیم پیچ های روتور تعبیه شده اند. جریان از زغال ها بر روی تیغه ها جاری شده و سپس از هر تیغه به سیم پیچ مورد نظر انتقال می یابد. اما طراحی دایروی این کلکتور این امکان را می دهد تا در هر دور، جریان در سیم پیچ مورد نظر قرار گیرد و زوج نیرو برای دوران تامین شود.

به تصویر تئوری بالا کمی دقت کنید. در این شکل ما فرض بر این داریم که یک سیم پیچ تک رشته ای داریم؟ هر سر این سیم پیچ به یک تیغه از کلکتور ما متصل شده است. با هر  نیم  دوران این سیم پیچ محل اتصال سر های آن تعویض شده و جهت جریان  در سیم پیچ  برعکس خواهد شد. این تعویض جهت جریان باعث برآورده شدن جهت درست اعمال نیرو در سیم پیچ شده تا چرخش مداوم ادامه پیدا کند.در موتور های واقعی تعداد تیغه های کلکتور بیشتر از این حالت است.(بر روی کلکتور های کار کرده رد پای سایش زغال کاملا مشهود است و دیگر اینکه جرقه هایی که در موتور های الکتریکی رخ میدهد مربوط به تماس همزمان زغال به چند تیغه بر روی کلکتور می باشد.)

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . .

جریان در موتور های DC:

در شکل زیر جاری شدن جریان در سیم پیچ تک رشته ای موتور DC را مشاهده می کنید اما در عمل این تک رشته به یک کلاف از سیم پیچ تبدیل شده،به این علت که بتوان از تقاطع، سیمهای حامل جریان با خطوط میدان، نیروی بیشتر حاصل کرد.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . .

میدان مغناطیس در موتور های DC:

در این تصویر هم خطوط میدان را مشاهده میکنید که درعمل دیده نمی شوند اما همین خطوط هستند که در زمان عبور سیم حامل جریان از میانشان به آن نیرو وارد میکنند.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . .

نیرو در موتور های DC:

جهت نیروی اعمالی به سیم ها هم در شکل زیر نمایش داده شده است.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . .

گشتاور در موتورهای DC:

فرمول محاسبه گشتاور موتور در شکل زیر نوشته شده است.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . .

AC

موتور های جریان متناوب AC:

در موتورهای جریان متناوب نیز جریانی از سیم پیچ عبور میکند و سبب چرخش آن می شود.از آنجایی که جریان متناوب است، موتور به صورت یکنواخت، در فرکانسهای سینوسی جریان، به حرکت در می آید.به این نوع موتور ها «سنکرون» یا همزمان گفته میشود.نوع رایج، موتور های القایی هستند که به جای تزریق مستقیم جریان به سیم پیچ از طریق زغال ها آن را به صورت القا به سیم پیچ متحرک می دهند. از نظر نوع روتور مورد استفاده قرار گرفته در موتورها، موتورهای جریان متناوب به دو صورت طبقه‌بندی می‌شوند:

•  موتور سنکرون یا هم‌زمان که در آن روتور دقیقاً با سرعت میدان دوار می‌چرخد. در این نوع موتورها میدان الکتریکی روتور به وسیله یک منبع خارجی تامین می‌شود.
•  موتور اسنکرون یا القایی که در آن میدان الکتریکی روتور از القای میدان استاتور پدید می‌آید.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

یکی از معایب موتورهای تماسی جریان متناوب، انتقال جریان از طریق تماس زغال ها با رینگ های فلزی است.  جرقه ،تولید حرارت ، تلفات انرژی و به طبع آن کاهش عمر موتور از نتایج این نوع انتقال جریان است.در موتورهای AC رایج  میدان مغناطیسی توسط  الکترو مگنت هایی ایجاد می شود که با همان جریان متناوب سیم پیچ روتور تغذیه میشوند.بعضا از سیم پیچ هایی که سبب تولید میدان مغناطیس میشوند به عنوان «استاتور» یاد می شود. در حالی که از سیم پیچ ها و هسته مرکزی که دوران میکند به عنوان «آرمیچر» یاد می شود.در موتور های AC همچنان که جریان به صورت سینوسی در سیم پیچ دوارتغییر می کند همزمان سبب تغییر میدان مغناطیس در موتور خواهد شد.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . .

ژنراتور های AC:

همانطور که اعمال جریان به یک سیم پیچ در یک میدان مغناطیس سبب حرکت آن می شود.پس برعکس اگر سیم پیچ را در یک میدان حرکت دهیم می بایست در آن سیم پیچ ولتاژی ایجاد شود.از همین اصل استفاده میکنیم و ژنراتور ها را به وجود می آوریم.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

با توجه به قانون فارادی این ولتاژ ایجاد شده به مولفه سرعت حرکت، عمود بر راستای میدان مغناطیسی، وابسته است،از آنجا که با چرخش سیم پیچ در میدان، مولفه سرعت عمود بر راستای میدان به صورت سینوسی متغیر است پس در نهایت ولتاژ ایجاد شده هم سینوسی خواهد بود این بدان معناست که ولتاژ متناوب تولید خواهیم کرد.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . .

ژنراتور و موتور:

یک ژنراتور هندل دستی میتواند برای راه اندازی یک موتور الکتریکی به کار گرفته شود.این مثالی از تبدیل انرژی مکانیکی به الکتریکی و تبدیل دوباره آن به مکانیکی است.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

وقتی موتور راه اندازی شود،همچنین به عنوان یک ژنراتور نیز عمل میکند و سبب تولید یک «ولتاژ برگشتی» خواهد شد. طبق قانون «لنز» این ولتاژ بوجود آمده توسط سیم پیچ موتور، مخالف تغییر عامل بوجود آورنده اش است.پس هنگامی که موتور بدون بار کار میکند،این ولتاژ برگشتی مقدار ناچیزی جریان در سیم پیچ برای توازن ولتاژ ورودی ایجاد میکند و هرگاه موتور زیر بار باشد،این ولتاژ برگشتی خیلی کم خواهد شد و جریان بیشتری در سیم پیچ موتور جاری می گردد که این انرژی الکتریکی به انرژی مکانیکی برای حمل بار مذکور تبدیل خواهد شد.

————————————————————————————————————–

تهیه و تنظیم:

محسن ملایجردی

منبع

—————————————————————-

وقتی کبوتری شروع به معاشرت با کلاغها می کند پرهایش سفید می ماند،

ولی قلبش سیاه میشود.

دوست داشتن کسی که لایق دوست داشتن نیست اسراف محبت است.