کموتاتور چیست؟ — به زبان ساده

عملکرد موتور DC بر اساس تعامل بین میدان مغناطیسی یک آرمیچرِ چرخان و میدان مغناطیسی یک استاتورِ ثابت است. وقتی قطب شمال آرمیچر جذب قطب جنوب استاتور شود (و بالعکس)، نیرویی روی آرمیچر اعمال می‌گردد که سبب چرخش آن خواهد شد. کموتاسیون (Commutation) فرایند سوئیچینگ (تغییر) میدان در سیم‌پیچی آرمیچر برای تولید گشتاور ثابت در یک جهت است و کموتاتور (Commutator) وسیله‌ای است که به آرمیچر متصل می‌شود و سوئیچینگ جریان را انجام می‌دهد.

دلیل استفاده از کموتاتور

به شکل زیر توجه کنید. بازوی میله‌ای، به دلیل گشتاور تولید شده آرمیچر، با زاویه سیم‌پیچ تغییر می‌کند ($$\cos \alpha $$). بنابراین، وقتی سیم‌پیچ نسبت به میدان مغناطیسی استاتور عمودی (قائم) است، گشتاوری تولید نمی‌شود.

فیلم آموزش ماشین های الکتریکی ۱ در فرادرس

کلیک کنید

به همین دلیل است که موتورهای DC سیم‌پیچ‌های چندگانه دارند؛ بنابراین، ساز و کار حرکت آرمیچر، به نیرو گرفتن (حتی وقتی که یک سیم‌پیچ عمود بر میدان مغناطیسی باشد) ادامه می‌دهد.

هدف اصلی کموتاسیون، تضمین این موضوع است که گشتاوری که روی آرمیچر عمل می‌کند همیشه در یک جهت باشد. ماهیت ولتاژ تولیدی آرمیچر متناوب است و کموتاتور آن را به جریان مستقیم تبدیل می‌کند. به بیان ساده، سیم‌پیچ‌ها را برای کنترل جهت میدان‌ها روشن و خاموش می‌کند. جریان سیم‌پیچ باید همیشه از یک طرف وارد و از طرف دیگر همواره خارج گردد. این امر تضمین می‌کند که گشتاور همیشه در یک جهت تولید شود. در غیر این صورت، سیم‌پیچ به اندازه ۱۸۰ درجه در یک جهت می‌چرخد و پس از آن جهت چرخشش تغییر می‌کند.

کموتاتور چیست؟

کموتاتور یک حلقه رسانای استوانه‌ای لغزان دارای شکاف است که معمولاً از مس ساخته می‌شود و هر بخش از حلقه به انتهای هر یک از سیم‌پیچ‌های آرمیچر متصل است. اگر آرمیچر چند سیم‌پیچی داشته باشد، کموتاتور نیز چند بخش خواهد داشت که هر کدام از آن‌ها متناظر با یک بخش از سیم‌پیچ است. در دو طرف حلقه لغزان کموتاتور، دو جاروبک (Brush) یا اصطلاحاً زغال قرار دارد که روی پایه‌های فنری سوار شده‌اند و با چرخش کموتاتور، با آن تماس فیزیکی دارند. در نتیجه این تماس، جریان سیم‌پیچ‌ متناظر با هر بخش از کموتاتور برقرار می‌شود.

فیلم آموزش ماشین های الکتریکی ۱ در فرادرس

کلیک کنید

کموتاتور، جاروبک و سیم‌پیچی یک موتور در شکل زیر نشان داده شده است.

شکل زیر نیز جاروبک‌ها و فنرهای متصل به آن را نشان می‌دهد. جنس جاروبک‌ها معمولاً کربن (گرافیت) است.

همان‌گونه که در شکل متحرک زیر می‌بینیم، وقتی بخش‌های کموتاتور، در فاصله هوایی داخل استاتور، از جاروبک‌ها عبور می‌کنند، جاروبک‌ها شارژ الکتریکی بخش‌های کموتاتور را سوئیچ می‌کنند که همین موضوع پلاریته الکتریکی سیم‌پیچ‌های آرمیچر را تغییر می‌دهد. این سوئیچینگ پلاریته در سیم‌پیچ‌ها، چرخش آرمیچر را در یک جهت نگه می‌دارد. ولتاژ بین جاروبک‌ها با دامنه‌ای بین صفر و یک مقدار بیشینه نوسان می‌کند، اما همیشه در یک جهت است.

همان‌طور که قبلاً گفته شد، کموتاتور از بخش‌هایی تشکیل شده که نسبت به هم ایزوله هستند. وقتی بخش‌های کموتاتور به ترتیب از جاروبک‌ها عبور می‌کنند، لحظه‌ای وجود دارد که در آن، جاروبک‌ها همزمان با دو بخش تماس دارند. این حالت به عنوان خنثی شناخته می‌شود و در این نقطه ولتاژ‌ القایی برابر با صفر است. در غیر این صورت، جاروبک‌ها، انتهای سیم‌پیچ‌ها را به یکدیگر اتصال کوتاه کرده و باعث ایجاد جرقه و شوک شدید در اثر ولتاژ بالا می‌شود.

بررسی کموتاسیون از دیدگاه مداری

از دیدگاه ساده مداری می‌توان گفت جریان‌ها و ولتاژهایی که در کموتاسیون در یک موتور DC برقرار می‌شوند، جواب مداری با مقاومت R و اندوکتانس L هستند که در آن، R از مقاومت سیم‌پیچ‌ها و مقاومت جاروبک‌ها تشکیل می‌شود و L اندوکتانس سیم‌پیچی است. تغییر جهت جریان در سیم‌پیچ‌ها باید در طول زمانی که فاصله بین بخش‌ها یا تیغه‌های لغزان کموتاتور از جاروبک عبور می‌کند رخ دهد.

فیلم آموزش ماشین های الکتریکی ۱ – مرور و حل مساله در فرادرس

کلیک کنید

شکل زیر، یک موتور DC را با چهار سیم‌پیچ متصل به چهار کنتاکت یا تیغه لغزان کموتاتور نشان می‌دهد که با دو جاروبک ثابت تماس دارند. وقتی روتور - که در اینجا آرمیچر است - حرکت می‌کند، جهت جریان‌ها تغییر خواهد کرد. چگونگی این تغییر جریان را در یک‌چهارم دور چرخش بررسی می‌کنیم.

در ابتدا، مطابق شکل بالا، موتور در یک سرعت ثابت در حال چرخش است و سیم‌پیچی‌های روتور در یک موقعیت متقارن کاملاً انرژی‌دار شده‌اند. جریان کل $$i$$ از دو مجموعه سیم‌پیچی موازی عبور می‌کند. فرض می‌کنیم ثابت زمانی $$L/R$$ انرژی‌دار شدن سیم‌پیچ‌ها به اندازه کافی کوچک بوده و حداکثر جریان در آن‌ها برقرار باشد.

اکنون، مطابق شکل زیر روتور کمی به سمت چپ چرخیده است.

هنوز هم حداکثر جریان در سیم‌پیچ‌ها برقرار است، اما فاصله بین بخش‌ها تیغه‌های لغزان کموتاتور در حال عبور از زیر جاروبک است.

در یک لحظه (شکل بالا)، سیم‌پیچ بالایی توسط جاروبک اتصال کوتاه می‌شود و جریان آن برای رسیدن به صفر شروع به کاهش می‌کند.

بعد از آنکه روتور اندکی دیگر بچرخد، سیم‌پیچ سمت چپ که در حال کشیدن جریان جاروبک بود، به دلیل تنجیدگی سطح تماسِ کنتاکت (تیغه) لغزان و سمت چپ جاروبک، با افزایش مقاومت روبه‌رو می‌شود. البته سیم‌پیچ بالایی هنوز با مقاومت جاروبک بالایی متصل است. جریان سیم‌پیچ سمت چپ باید ثابت باشد (زیرا مانند یک سلف عمل است). بنابراین، سیم‌پیچ سمت چپ برای افزایش جریان گذرنده از جاروبک، ولتاژ انتهای سمت چپ سیم‌پیچ بالا را تغییر می‌دهد. این امر سبب شروع عبور جریان از سیم‌پیچ بالایی در جهتی عکس و نسبت به زمانی می‌شود که فاصله بین تیغه‌های حلقه‌ لغزان ابتدا در زیر جاروبک قرار گرفته بود.

در شکل زیر، حلقه لغزان در سمت چپ بالا تماس خود با جاروبک را از دست می‌دهد و جریان سیم‌پیچی در سمت چپ باید تماماً از سیم‌پیچ بالایی بگذرد که سبب آرک و جرقه جریان از حلقه لغزان سمت چپ بالا به جاروبک می‌شود.

اگر مقاومت جاروبک زیاد باشد، ثابت زمانی $$L/R$$ کمتر بوده و کموتاسیون بهبود می‌یابد. وقتی تماس تیغه سمت چپ بالایی با جاروبک قطع می‌شود، همه جریان سمت چپ اکنون از سیم‌پیچ بالایی می‌گذرد. در نتیجه تغییر جهت کامل جریان حاصل شده و یک‌چهارم دور بعدی شروع می‌شود.

اگر این مطلب برای شما مفید بوده است، آموزش‌های زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:

• موتور القایی چگونه کار می‌کند؟ — به زبان ساده
• کنترل سرعت موتورهای DC — از صفر تا صد
• کنترل موتورهای الکتریکی — به زبان ساده

^^