کاربرد الکتروموتور در صنعت
یک موتور الکتریکی ، الکتریسیته را به حرکت مکانیکی تبدیل می‌کند. عمل عکس آن که تبدیل حرکت مکانیکی به الکتریسیته است، توسط ژنراتور انجام میشود. این دو وسیله بجز در عملکرد ، مشابه یکدیگر هستند. اکثر موتورهای الکتریکی توسط الکترومغناطیس کار میکنند، اما موتورهایی که بر اساس پدیده‌های دیگری نظیر نیروی الکتروستاتیک و اثر پیزوالکتریک کار میکنند، هم وجود دارند.
یک موتور الکتریکی ، الکتریسیته را به حرکت مکانیکی تبدیل می‌کند. عمل عکس آن که تبدیل حرکت مکانیکی به الکتریسیته است، توسط ژنراتور انجام میشود. این دو وسیله بجز در عملکرد ، مشابه یکدیگر هستند. اکثر موتورهای الکتریکی توسط الکترومغناطیس کار میکنند، اما موتورهایی که بر اساس پدیده‌های دیگری نظیر نیروی الکتروستاتیک و اثر پیزوالکتریک کار میکنند، هم وجود دارند.
ایده کلی این است که وقتی که یک ماده حامل جریان الکتریسیته تحت اثر یک میدان مغناطیسی قرار می‌گیرد، نیرویی بر روی آن ماده از سوی میدان اعمال میشود. در یک موتور استوانه‌ای ، روتور به علت گشتاوری که ناشی از نیرویی است که به فاصله‌ای معین از محور روتور به روتور اعمال میشود، می‌گردد.
اغلب موتورهای الکتریکی دوارند، اما موتور خطی هم وجود دارند. در یک موتور دوار بخش متحرک (که معمولاً درون موتور است) روتور و بخش ثابت استاتور خوانده میشود. موتور شامل آهنرباهای الکتریکی است که روی یک قاب سیم پیچی شده است. گر چه این قاب اغلب آرمیچر خوانده میشود، اما این واژه عموماً به غلط بکار برده میشود. در واقع آرمیچر آن بخش از موتور است که به آن ولتاژ ورودی اعمال میشود یا آن بخش از ژنراتور است که در آن ولتاژ خروجی ایجاد میشود. با توجه به طراحی ماشین ، هر کدام از بخشهای روتور یا استاتور می‌توانند به عنوان آرمیچر باشند. برای ساختن موتورهایی بسیار ساده کیتهایی را در مدارس استفاده میکنند.
انواع موتورهای الکتریکی
موتورهای DC
یکی از اولین موتورهای دوار ، اگر نگوییم اولین ، توسط مایکل فارادی در سال 1821م ساخته شده بود و شامل یک سیم آویخته شده آزاد که در یک ظرف جیوه غوطه‌ور بود، می‌شد. یک آهنربای دائم در وسط ظرف قرار داده شده بود. وقتی که جریانی از سیم عبور می‌کرد، سیم حول آهنربا به گردش در می‌آمد و نشان می‌داد که جریان منجر به افزایش یک میدان مغناطیسی دایره‌ای اطراف سیم میشود. این موتور اغلب در کلاسهای فیزیک مدارس نشان داده میشود، اما گاهاً بجای ماده سمی جیوه ، از آب نمک استفاده میشود.
موتور کلاسیک DC دارای آرمیچری از آهنربای الکتریکی است. یک سوییچ گردشی به نام کموتاتور جهت جریان الکتریکی را در هر سیکل دو بار برعکس می کند تا در آرمیچر جریان یابد و آهنرباهای الکتریکی، آهنربای دائمی را در بیرون موتور جذب و دفع کنند. سرعت موتور DC به مجموعه ای از ولتاژ و جریان عبوری از سیم پیچهای موتور و بار موتور یا گشتاور ترمزی ، بستگی دارد.
سرعت موتور DC وابسته به ولتاژ و گشتاور آن وابسته به جریان است. معمولاً سرعت توسط ولتاژ متغیر یا عبور جریان و با استفاده از تپها (نوعی کلید تغییر دهنده وضعیت سیم پیچ) در سیم پیچی موتور یا با داشتن یک منبع ولتاژ متغیر ، کنترل میشود. بدلیل اینکه این نوع از موتور می‌تواند در سرعتهای پایین گشتاوری زیاد ایجاد کند، معمولاً از آن در کاربردهای ترکشن (کششی) نظیر لکوموتیوها استفاده میکنند.
اما به هرحال در طراحی کلاسیک محدودیتهای متعددی وجود دارد که بسیاری از این محدودیتها ناشی 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 می‌بایست محکمتر فشار داده شوند تا اتصال خوبی را برقرار کنند. نه تنها این اصطکاک منجر به سر و صدای موتور میشود بلکه این امر یک محدودیت بالاتری را روی سرعت ایجاد می‌کند و 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 با جابجا کردن درون موتور با بیرون آن از بین می‌روند، با قرار دادن آهنرباهای دائم در داخل 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 پیچی روی آهنربای الکتریکی) می‌توانیم نسبت سرعت/گشتاور موتور را تغییر دهیم. اگر سیم پیچی میدان به صورت سری با سیم پیچی آرمیچر قرار داده شود، یک موتور گشتاور بالای کم سرعت و اگر به صورت موازی قرار داده شود، یک موتور سرعت بالا با گشتاور کم خواهیم داشت. می‌توانیم برای بدست آوردن حتی سرعت بیشتر اما با گشتاور به همان میزان کمتر ، جریان میدان را کمتر هم کنیم. این تکنیک برای ترکشن الکتریکی و بسیاری از کاربردهای مشابه آن ایده‌آل است و کاربرد این تکنیک می‌تواند منجر به حذف تجهیزات یک جعبه دنده متغیر مکانیکی شود.
موتورهای یونیورسال
یکی از انواع موتورهای DC میدان سیم پیچی شده موتور ینیورسال است. اسم این موتورها از این واقعیت گرفته شده است که این موتورها را میتوان هم با جریان DC و هم AC بکار برد، اگر چه که اغلب عملاً این موتورها با تغذیه AC کار میکنند. اصول کار این موتورها بر این اساس است که وقتی یک موتور DC میدان سیم پیچی شده به جریان متناوب وصل میشود، جریان هم در سیم پیچی میدان و هم در سیم پیچی آرمیچر (و در میدانهای مغناطیسی منتجه) همزمان تغییر می‌کند و بنابراین نیروی مکانیکی ایجاد شده همواره بدون تغییر خواهد بود. در عمل موتور بایستی به صورت خاصی طراحی شود تا با جریان AC 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.
مزیت این موتورها این است که میتوان تغذیه AC را روی موتورهایی که دارای مشخصه‌های نوعی موتورهای DCهستند بکار برد، خصوصاً اینکه این موتورها دارای گشتاور راه اندازی بسیار بالا و طراحی بسیار 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 عمومی‌ترین موتورهای AC در دستگاههایی نظیر مخلوط کن و ابزارهای برقی که گاهاً استفاده می‌شوند، هستند.
موتورهای AC
· موتورهای AC تک فاز:
معمولترین موتور تک فاز موتور سنکرون قطب چاکدار است، که اغلب در دستگاه هایی بکار می رود که گشتاور پایین نیاز دارند، نظیر پنکه‌های برقی ، اجاقهای 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.
هنگام راه اندازی ، خازن و سیم پیچ راه اندازی از طریق یک دسته از کنتاکتهای تحت فشار فنر روی کلید گریز از مرکز دوار ، به منبع برق متصل می‌شوند. خازن به افزایش گشتاور راه اندازی موتور کمک می‌کند. هنگامی که موتور به سرعت نامی رسید، کلید گریز از مرکز فعال شده ، دسته کنتاکتها فعال میشود، خازن و سیم پیچ راه انداز سری شده را از منبع برق جدا می‌سازد، در این هنگام موتور تنها با سیم پیچ اصلی عمل می‌کند.
· موتورهای AC سه فاز:
برای کاربردهای 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 فاز الکتریکی برای ایجاد یک میدان الکترومغناطیسی دوار درونشان ، استفاده میکنند. اغلب ، روتور شامل تعدادی هادیهای مسی است که در فولاد قرار داده شده‌اند. از طریق القای الکترومغناطیسی میدان مغناطیسی دوار در این هادیها 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.
این نوع از موتور با نام موتور القایی معروف است. برای اینکه این موتور به حرکت درآید بایستی همواره موتور با سرعتی کمتر از فرکانس منبع تغذیه اعمالی به موتور ، بچرخد، چرا که در غیر این صورت میدان متعادل کننده‌های در روتور ایجاد نخواهد شد. استفاده از این نوع موتور در کاربردهای ترکشن نظیر لوکوموتیوها ، که در آن به موتور ترکشن آسنکرون معروف است، روز به روز در حال افزایش است. به سیم پیچهای روتور جریان میدان جدایی اعمال میشود تا یک میدان مغناطیسی پیوسته ایجاد شود، که در موتور سنکرون وجود دارد، موتور به صورت همزمان 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 بین روتور و میدان استاتور ، گشتاور تولیدی موتور را تعیین می‌کند. تغییر سرعت در این نوع از موتورها را میتوان با داشتن دسته سیم پیچها یا قطبهایی در موتور که با روشن و خاموش کردنشان سرعت میدان دوار مغناطیسی تغییر می‌کند، ممکن ساخت. به هر حال با پیشرفت الکترونیک قدرت می توانیم با تغییر دادن فرکانس منبع تغذیه ، کنترل یکنواخت تری بر روی سرعت موتورها داشته باشیم.
موتورهای پله‌ای
نوع دیگری از موتورهای الکتریکی موتور پله‌ای است، که در آن یک روتور درونی ، شامل آهنرباهای دائمی توسط یک دسته از آهنرباهای خارجی که به صورت الکترونیکی روشن و خاموش می‌شوند، کنترل میشود. یک موتور پله‌ای ترکیبی از یک موتور الکتریکی DC و یک سلونوئید است. موتورهای پله‌ای ساده توسط بخشی از یک سیستم دنده‌ای در حالتهای موقعیتی معینی قرار می‌گیرند، اما موتورهای پله‌ای نسبتا کنترل شده ، می‌توانند بسیار آرام بچرخند. موتورهای پله‌ای کنترل شده با کامپیوتر یکی از فرمهای سیستمهای تنظیم موقعیت است، بویژه وقتی که بخشی از یک سیستم دیجیتال دارای کنترل فرمان یار باشند.
موتورهای خطی .
ایده موتور خطی اولین بار توسط پرفسور اریک لیتویت از کالج امپریال در لندن مطرح شد. در طرح وی و در اکثر طرح‌های شتاب پایین، نیرو توسط یک میدان مغناطیسی خطی سیار که بر روی هادیها موجود در میدان عمل می‌کند، ایجاد خواهد شد. در هر هادی چه یک حلقه، چه یک سیم‌پیچ یا یک تکه از فلز تخت که در این میدان قرار گیرد جریان‌های گردابی القا شده وجود خواهد داشت و بنابراین یک میدان مغناطیسی مخالف را ایجاد خواهد کرد. دو میدان مغناطیسی همدیگر را دفع خواهند کرد و بنابراین جسم هادی را از استاتور دور خواهند کرد و آن را در طول جهت میدان مغناطیسی سیار حمل خواهند کرد. با توجه به این نظریه موتور های خطی ساخته شدند.
یک موتور خطی در واقع یک موتور الکتریکی است که استاتورش استونه ای نیست و نمیتواند یک گردش چرخشی ایجاد کند ولی در عوض یک نیروی خطی در راستای طول استاتور ایجاد کند. ، در واقع استاتور در یک مکان ثابت نگه داشته است و روتور روی ان میلغزد ، با استفاده از موتور خطی میتوان یک حرکت طولی در محدوده استاتور ایجاد کرد .این حرکت طولی در همه جا کاربرد دارد ، از ترن هوایی تا ریل های حمل اجناس در کارخانه ها و فرودگاه ها
انواع موتور های خطی : (دسته بندی کلی ) موتورهای خطی شتاب بالا و شتاب پایین.
موتورهای شتاب پایین برای قطارهای مگلیو و دیگر کاربردهای حمل و نقلی روی زمین مناسب هستند. از این نوع موتور ها معمولا برای جابجایی اجسام استفاده میشود و طول استاتور انها بلند است .
موتورهای شتاب بالا معمولاً خیلی کوتاه هستند و برای شتاب دادن به جسمی تا سرعت بسیار زیاد و سپس رها کردن آن به کار می‌روند. این موتورها معمولاً برای مطالعات برخورد سرعت بالا به عنوان تسلیحات نظامی یا به عنوان راه‌اندازنده جرمی برای پیشرانه فضاپیما به کار می‌رود.
معمولا از موتور های شتاب بالا در موارد خاص استفاده میشود ، چون طراحی این موتورها به دلایل متعددی مشکل است. آنها برای ایجاد شتاب مناسب ، به مقادیر بزرگ انرژی در مدت زمان کوتاهی نیاز دارند.
مثلا یک موتور برای پرتاب یک جسم 100 کیلو در راستای قائم (به سمت بالا ) به نیرو برابر با 1000 نیتون نیاز دارد (از عامل ارتفاع صرف نظر شده است ). ژنراتورهای الکتریکی معمولی برای چنین نوع از باری طراحی نشده‌اند . اما میتوان برای ایجاد چنین انرژی از خازن ها استفاده نمد ، که این مورد علاوه بر هزینه ی زیاد ، نیاز به محاسبات زیادی دارد . به علاوه خازن های مناسب فضای زیادی را اشغال میکنند و به حفاظت نیاز دارند .
موتور آسنکرون با روتور سیم پیچی
موتور آسنکرون با روتور قفسی سنجابی در لحظه راه اندازی جریان بسیاری را از شبکه جذب کرده و گشتاور راه اندازی آن کم است. برای حل این مشکل بجای استفاده از روتور قفسی از روتور سیم پیچی استفاده می کنیم.
درصد لغزش
حتماً باید بین سرعت میدان دوار و سرعت روتور اختلافی وجود داشته باشد؛ در غیر اینصورت ولتاژی روی میله های روتور به وجود نخواهد آمد و روتور نیم چرخد. این اختلاف سرعت را لغزش می گویند. لغزش بستگی به بار موتور دارد و وجودش برای تولید گشتاور ضروری است. اگر بار موتور زیاد شود، سرعت روتور کم می شود و بنابراین لغزش کم می شود. کاهش بار نیز باعث کاهش لغزش می گردد
امروزه، موتورهای الکتریکی کاربردهای فراوان و متنوعی در صنایع پیدا کرده اند. در تمامی کارخانه ها یا واحدهای صنعتی، می توان موتورهای الکتریکی فراوانی را پیدا کرد که با اندازه ها و توان های مختلف، بارهای گوناگون را به حرکت در می آورند.
موتورهای الکتریکی وسایلی هستند که انرژی الکتریکی را به انرژی مکانیکی تبدیل می کنند. این موتورها در چهار نوع کلی DC، آسنکرون یا القایی، سنکرون و مخصوص وجود دارند.
در این میان موتورهای القایی به دلیل سادگی ساختمان آنها، قابلیت اطمینان بالا و نیاز کم آنها به تعمیرات، از کاربرد گسترده ای در صنایع برخوردار شده اند. این موتورها بسته به نوع تغذیه شان در دو نوع سه فاز و تک فاز تولید و در بازار عرضه می شوند.
موتورهای القایی سه فاز معمولاً در صنایع و در توان های بالا در دو سطح ولتاژ فشار ضعیف و فشار متوسط مورد استفاده قرار می گیرند، در حالیکه موتورهای القایی تک فاز بیشتر در توان های کوچک ساخته شده و قدرت آنها از 5/7 کیلووات بالاتر نمی رود.
انواع موتورهای الکتریکی
1- موتورهای الکتریکی جریان متناوب
موتورهای جریان متناوب، انرژی الکتریکی را جذب و به انرژی مکانیکی تبدیل می کنند. اینگونه موتورها به دو دسته تقسیم می شوند:
موتورهای سنکرون
موتورهای آسنکرون
برای راه اندازی موتورهای آسنکرون از یک منبع جریان متناوب استفاده می شود و ولتاژ متناوب به سیم پیچی استاتور اعمال شده، در نتیجه عبور جریان از سیم پیچ های میدان مغناطیسی دوار تولید می کند.
این میدان، روتور (قسمت گردان) قطع کرد? آن را حامل جریان می کند و در اثر نیروی وارد شده از طرف میدان دوار به روتور موجب حرکت آن می شود. در موتورهای سنکرون از دو منبع ولتاژ استفاده می شود به سیم پیچ های استاتور منبع ولتاژ متناوب و به سیم پیچ های روتور منبع ولتاژ مستقیم اعمال می شود.
موتورهای آسنکرون به دلیل سادگی ساختمان و نداشتن کلکتور بیش تر از موتورهای سنکرون در صنعت به کار می روند موتورهای آسنکرون به صورت تک فاز و سه فاز کاربرد فراوانی دارند. توجه شود که موتورهای AC از اجزای زیر تشکیل می شوند.
2- موتورهای آسنکرون تک فاز و سه فاز
موتورهای آسنکرن تنها دارای یک سیم پیچی بوده که در قسمت ساکن (استاتور) قرار دارد و به سیم پیچی استاتور معروف است. این سیم پیچی از جریان متناوب تغذیه می شود.
چون جریان القایی روتور بر اثر القای الکترومغناطیسی صورت می گیرد به این نوع موتورها، موتورهای القایی نیز می گویند. ساختمان موتور آسنکرون از دو قسمت اصلی تشکیل می شود:
استاتور
روتور
استاتور: استاتور از صفحه نازک فولاد سیلیسیم دار به ضخامت نیم میلی متر تشکیل شده که با قرار دادن این ورقه ها در کنار هم، استوانه ای تو خالی به دست می آید.
این استوانه تو خالی درون یک پوست? چدنی پیچ شده است و در داخل شیارهای استاتور سیم پیچی هایی که از سیم های عایق تشکیل شده اند، قرار می گیرد. این سیم پیچ ها در برابر بدن? استاتور عایق می شوند. سیم بندی موتورهای آسنکرون ممکن است یک فاز یا سه فاز باشد.
روتور قفسی سنجابی: روتور از ورقه های مخصوص فولاد که نسبت به هم عایق هستند، به شکل استوانه ساخته و بر محوری قرار داده می شود. در این محیط شیارها یا سوراخ خالی تعبیه شده است.
شیارها نیمه بسته و یا تمام بسته هستند. در داخل شیارهای روتور از تعدادی میله های مسی یا آلومینیومی استفاده شده که از دو طرف روتور به وسیل? دو حلق? فلزی اتصال کوتاه می شوند. به اینگونه روتور، روتور قفسی سنجابی می گویند.
مزایا و معایب موتورهای آسنکرون با روتور قفسی سنجابی
ساختمان و راه اندازی موتور اسنکرون با روتور قفسی بسیار ساده است و به هیچ وسیل? کمکی نیاز ندارد. تعمیر و نگهداری این گونه موتورها به راحتی انجام می شود، اما جریان راه اندازی آن زیاد و گشتاور شروع به کار ضعیفی دارد.
.
در زیر تصویر یک نمونه موتور خطی که برای بخه حرکت در اوردن یک قطار شهری استفاده شده است را مشاهده میکنید در این پروژه قطار به عنوان روتور و ریل به عنوان استاتور میباشد ، میدان مغناطیسی موجود در ریل
باعث حرکت قطار به جلو میشود
دیگر کاربرد های موتور خطی :
خطوط نورد فلزات مختلف ، پمپ فلزات مذاب برای استفاده در ریخته‌گری تحت فشار، انتقال فلزات مذاب و پمپ سیکل بستهء نیروگاههای اتمی و خورشیدی برای انتقال مواد بدون دخالت انسان .خطوط نقاله لانچرهای هواپیماهای جنگی، توپهای الکترومغناطیسی، قطارهای معلق مغناطیسی ،
استفاده از موتور خطی در نوار های نقاله ، نیاز به موتور ، تسمه ، نقاله و... را از بین میبرد ، به علاوه بدیدن نبودن اسطحکاک بین قطعات ، عمر انها زیاد میباشد .
یکی از معایب موتور خطی مصرف انرژی ان میباشد.