موتور الکتریکی – از صفر تا صد

«موتور الکتریکی» (Electric Motor) انرژی الکتریکی را به «انرژی جنبشی» (kinetic energy) تبدیل می‌کند. عمل عکس آن یعنی تبدیل انرژی جنبشی به انرژی الکتریکی توسط «ژنراتور» (generator) یا «دینام» (dynamo) انجام می‌شود. ساختمان کلی این دو «ماشین» (machine) به هم شبیه است و در برخی موارد یک ماشین می‌تواند هر دو نقش موتوری و ژنراتوری را بازی کند. برای مثال، موتور‌های «کشش» (traction) لوکوموتیو‌هایی که دارای ترمز دینامیکی هستند، در هر دو نقش ظاهر می‌شوند و در هنگام ترمز، انرژی جنبشی را به انرژی الکتریکی تبدیل و ذخیره می‌کنند.

اغلب موتور‌های الکتریکی بر اساس اصول «الکترومغناطیس» (electromagnetism) به حرکت درمی‌آیند، اما موتورهایی که بر اساس دیگر «پدیده‌های الکترو مکانیکی» (electromechanical phenomena) مانند «نیروی الکترو استاتیک» (electrostatic force) و «اثر پیزو الکتریک» (piezoelectric effect) کار می‌کنند، نیز وجود دارند. اصل اساسی در موتورهای الکترومغناطیسی این است که به سیم‌های حامل جریان الکتریکی در داخل «میدان مغناطیسی» (magnetic field) نیروی مکانیکی اعمال می‌شود. این نیرو در «قانون نیروی لورنتز» (Lorentz force law) تشریح شده است. جهت این نیرو بر هر دو میدان مغناطیسی و سیم حامل جریان عمود است که با استفاده از قانون دست راست به دست می‌آید. در شکل زیر قانون دست راست بیان شده است.

اغلب موتورها «دوار» (rotary) هستند، اما موتورهای «خطی» (linear) نیز وجود دارند. در یک موتور دوار، قسمت دوار که اغلب در داخل قرار دارد «روتور» (rotor) و قسمت ایستا «استاتور» (stator) نامیده می‌شود. «آرمیچر» (Armature) آن بخش از موتور الکتریکی 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، روتور یا استاتور هر کدام می‌تواند به عنوان آرمیچر باشد. در شکل زیر استاتور و روتور در یک موتور الکتریکی مشخص شده است.

در ادامه به معرفی انواع موتور الکتریکی و کارکرد آن‌ها می‌پردازیم. در شکل زیر چند نمونه موتور الکتریکی نشان داده شده است.

موتورهای جریان مستقیم

یکی از اولین موتورهای دوار الکترومغناطیسی توسط «مایکل فارادی» (Michael Faraday) در سال ۱۸۲۱ میلادی اختراع شد و شامل یک سیم آویخته شده‌ی آزاد که در یک ظرف جیوه غوطه‌ور بود، می‌شد. یک «آهنربای دائم» (permanent magnet) 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.

فیلم آموزش مروری ماشین های الکتریکی 1 در فرادرس

کلیک کنید

این موتور اغلب در کلاس‌های فیزیک مدارس نشان داده می‌شود، اما گاهی به جای ماده سمی جیوه ، از آب نمک استفاده می‌گردد. این موتور ساده‌ترین شکل از موتورهای الکتریکی است که «موتور هوموپولار» (homopolar motor) نامیده می‌شود. موتور اصلاح شده‌ی بعدی که از چرخ در آن استفاده شده «چرخ بارلو» (Barlow’s Wheel) است. در شکل زیر نمونه‌ای از چرخ بارلو به همراه تعیین جهت حرکت با استفاده از قانون دست نشان داده شده است.

یکی دیگر از طراحی‌های اولیه موتور الکتریکی از یک «پلانجر رفت و برگشتی» (reciprocating plunger) در داخل یک «سلونوئید سوییچ شده» (switched solenoid) استفاده می‌کرد؛ به طور مفهومی می‌توان آن را به عنوان یک نسخه الکترومغناطیسی از یک «موتور احتراق داخلی» (internal combustion engine) دو مرحله‌ای مشاهده کرد. سلونوئید سیم پیچی‌ای دارای طول است که وقتی یک شدت جریان به آن متصل شود باعث به وجود آمدن میدان مغناطیسی می‌شود. «توماس داونپورت» (Thomas Davenport) در سال ۱۸۳۴ میلادی یک موتور الکتریکی DC کوچک برای یک قطار اسباب بازی که در یک مسیر دایره‌ای حرکت می‌کرد ساخت. او این اختراع خود را در سال ۱۸۳۷ میلادی به ثبت رساند.

«موتور جریان مستقیم» (Direct Current Motor) یا «DC» امروزی به صورت تصادفی در سال ۱۸۷۳ میلادی اختراع شد. زمانی که «زنوب گرام» (Zénobe Gramme) یک دینام چرخشی به یک واحد مشابه دیگر متصل کرد تا به عنوان یک موتور کار کند. ماشین گرام اولین موتور الکتریکی صنعتی بود. اختراعات قبلی به عنوان اسباب بازی یا کنجکاوی آزمایشگاهی در نظر گرفته می‌شوند. موتور کلاسیک DC دارای آرمیچری روی روتور به شکل «آهنربای الکتریکی» (electromagnet) است. یک سوییچ دوار به نام «کموتاتور» (commutator) جهت جریان الکتریکی را در آرمیچر در هر سیکل دو بار برعکس می‌کند تا «قطب‌های» (poles) آهنرباهای الکتریکی، «آهنربای دائمی» (permanent magnet) واقع در استاتور را جذب و دفع کنند. در واقع کموتاتور «پلاریته» (polarity) آهنربای الکتریکی آرمیچر را با عبور قطب‌های آهنربای الکتریکی آرمیچر از جلوی قطب‌های آهنربای دائمی استاتور معکوس می‌کند. در طول این جابجایی پلاریته، «تکانه» (momentum) روتور در یک جهت ثابت می‌ماند و روتور به چرخش خود ادامه می‌دهد. در شکل زیر این عملکرد نشان داده شده است.

موتورهای میدان سیم پیچی شده

آهنرباهای دائم در محیط بیرونی (استاتور) یک موتور DC ممکن است با آهنرباهای الکتریکی تعویض شود. با تغییر جریان سیم پیچی میدان (تحریک)، این پدیده که نسبت سرعت به «گشتاور» (torque) موتور تغییر کند ممکن می‌شود. به طور نمونه سیم پیچی میدان به صورت سری با سیم پیچی آرمیچر قرار داده می‌شود تا یک موتور گشتاور بالا و سرعت کم حاصل شود و اگر سیم پیچی میدان به صورت موازی (شنت) با سیم پیچی آرمیچر قرار داده شود، یک موتور گشتاور کم و سرعت بالا خواهیم داشت. برای تعادل سرعت و گشتاور قسمتی از سیم پیچی میدان سری و قسمتی از آن موازی با سیم پیچی آرمیچر (سیم پیچی کمپوند) قرار داده می‌شود تا سرعت تقریبا ثابتی را در محدوده‌ی تغییرات بار فراهم کند. موتور «تحریک مستقل» (separate excitation) نیز در صنعت رایج است. در این موتور با ثابت نگه داشتن ولتاژ سیم پیچی میدان، سرعت با تغییر ولتاژ سیم پیچی آرمیچر کنترل می‌شود. به علاوه با کاهش ولتاژ سیم پیچی میدان و به تبع کاهش جریان آن می‌توان به سرعت بالاتر و گشتاور پایین‌تر دست یافت که بهره برداری «میدان ضعیف» (weak field) خوانده می‌شود. در مجموع با استفاده از این تکنیک‌ها کنترل سرعت در موتور DC فراهم می‌شود. در شکل زیر مدارهای موتورهای DC سری و شنت و کمپوند نشان داده شده است.

تئوری

اگر «شافت» (shaft) موتور DC با نیروی خارجی به حرکت درآید، موتور شبیه یک ژنراتور عمل می‌کند و «نیروی الکتروموتیو» (EMF | Electromotive force) تولید می‌کند. این ولتاژ حاصل از EMF همچنین در طول کارکرد عادی موتوری تولید می‌شود. چرخش موتور یک ولتاژ تولید می‌کند که به عنوان «عکس العمل EMF» معادل (CEMF; counter-EMF) یا بازگشت EMF نامیده می‌شود، زیرا با ولتاژ اعمال شده در موتور مخالف است. بنابراین، افت ولتاژ در یک موتور شامل افت ولتاژ به علت CEMF و افت ولتاژ ناشی از «مقاومت» (resistance) داخلی سیم پیچی‌های آرمیچر می‌شود.

به دلیل این که CEMF متناسب با سرعت موتور است، زمانی که یک موتور الکتریکی در ابتدای راه اندازی است یا روتور قفل شده است، میزان CEMF برابر صفر است. بنابراین در این حالت‌ گذرا جریان گذرنده از آرمیچر بسیار بالا است. این جریان بالا یک میدان مغناطیسی قوی ایجاد می‌کند که چرخش موتور را آغاز می‌کند. همان طور که چرخش موتور افزایش می‌یابد، CEMF نیز افزایش می‌یابد، تا آنکه برابر ولتاژ اعمالی منهای افت ولتاژ ناشی از مقاومت داخلی سیم پیچ‌های آرمیچر شود. در این نقطه‌ی پایدار، جریان گذرنده از آرمیچر در کمترین حالت ممکن است.

موتورهای یونیورسال

یکی از انواع موتورهای DC میدان سیم پیچی شده، «موتور یونیورسال» (Universal motors) است. به دلیل این ‌که این موتورها را می‌توان هم با جریان DC و هم AC تغذیه کرد، این موتورها را یونیورسال نام نهاده‌اند، گرچه اغلب در عمل این موتورها با تغذیه‌ی AC به کار می‌روند. اصول کار این موتورها این گونه است که وقتی یک موتور DC میدان سیم پیچی شده با جریان متناوب تغذیه می‌شود، جریان هم در سیم پیچی میدان و هم در سیم پیچی آرمیچر (و از این رو در میدان‌های مغناطیسی حاصل شده) به صورت هم زمان تغییر می‌کند و بنابراین نیروی مکانیکی تولید شده همواره در یک جهت است. امپدانس سیم پیچی‌های موتور باید به گونه‌ای طراحی شود تا با جریان AC سازگاری داشته باشد که باعث می‌شود این موتور اغلب بازده کمتری نسبت به یک موتور معادل DC داشته باشد. در فرکانس‌های عادی (۵۰ یا ۶۰ هرتز) خط قدرت، حداکثر توان خروجی موتورهای یونیورسال محدود است و موتورهای بیش از یک «کیلو وات» (kilowatts) نادر هستند. اما موتورهای یونیورسال همچنین پایه‌ی موتورهای کششی راه‌آهن‌های سنتی را تشکیل می‌دهند. در این کاربرد، برای حفظ بهره ‌وری الکتریکی بالا، از منابع با فرکانس پایین استفاده می‌شود که عملکرد آن‌ها در 25 هرتز و ۱۶ ۲/۳ هرتز معمول است. همچنین لوکوموتیوهایی که دارای موتورهای یونیورسال هستند قادرند در راه‌ آهن‌های نسل سوم که تغذیه DC دارند حرکت کنند.

فیلم آموزش موتورهای درون سوز و احتراق داخلی ICE – بخش یکم‎ در فرادرس

کلیک کنید

مزیت موتورهای یونیورسال این است که می‌توان تغذیه AC را روی موتورهایی که دارای مشخصه‌های نوعی از موتورهای DC هستند به کار برد، خصوصاً این‌که این موتورها دارای گشتاور راه ‌اندازی بسیار بالا و طراحی بسیار فشرده در سرعت‌های بالا هستند. جنبه منفی این موتورها تعمیر و نگهداری و عمر کوتاه آن‌ها است که به علت وجود کموتاتور است و در نتیجه این موتورها معمولا در دستگاه‌های AC نظیر مخلوط کن و ابزارهای برقی که گاهی استفاده می‌شوند، به کار می‌روند. کنترل سرعت پیوسته یک موتور یونیورسال با تغذیه AC به راحتی با استفاده از یک مدار تریستوری انجام می‌شود، در حالی‌ که کنترل سرعت پله‌ای با استفاده از چندین تپ روی «کویل» (coil) میدان انجام می‌شود.

بر خلاف موتورهای AC، موتورهای یونیورسال به راحتی می‌توانند از یک دور در هر سیکل جریان برق تجاوز کنند. این کار باعث می‌شود آن‌ها برای لوازم خانگی مانند مخلوط کن، جارو برقی و سشوار، که عملیات با سرعت بالا مورد نظر است مفید باشند. برای مثال دور موتور بسیاری از جاروبرقی‌ها و موتورهای برش علف‌های هرز از 10،000 دور در دقیقه تجاوز می‌کند. از لحاظ تئوری یک موتور یونیورسال بدون بار مکانیکی با «سرعت بالاتر از حد مجاز» (overspeed) کار خواهد کرد که باعث خسارت آن خواهد شد. ولی در واقعیت،‌ «اصطکاک‌های» (frictions) گوناگون «یاتاقان» (bearing)‌، «مقاومت هوای» (windage) آرمیچر و بار هر «فن خنک کننده » (cooling fan)، همگی از سرعت بالاتر از حد مجاز جلوگیری می‌کنند.

با هزینه بسیار پایین از یکسو کننده‌های نیمه هادی، برخی کاربردها که قبلا از یک موتور یونیورسال استفاده کرده‌اند، الآن از یک موتور DC، معمولا با یک میدان مغناطیسی دائمی استفاده می‌کنند. این امر به ویژه اگر مدار نیمه هادی برای کنترل سرعت متغیر نیز مورد استفاده قرار گیرد، بسیار مناسب است. از مزایای موتور یونیورسال و توزیع جریان متناوب، نصب سیستم توزیع جریان با فرکانس کم و مقرون به صرفه برای بعضی از تأسیسات راه آهن است. در فرکانس‌های به اندازه کافی کم، عملکرد موتور تقریبا مشابه وقتی است که موتور در جریان مستقیم عمل می‌کند. در شکل زیر نمونه‌ای از یک موتور یونیورسال نشاده داده است.

موتورهای «جریان متناوب» (AC: Alternating Current)

در سال ۱۸۸۲ میلادی، «نیکلا تسلا» (Nikola Tesla) اصل میدان مغناطیسی چرخشی را شناسایی کرد و پیشگام استفاده از یک میدان چرخشی برای نیروی کارکرد ماشین‌آلات شد. او از این اصل برای طراحی یک موتور القایی دو فاز منحصر به فرد در سال 1883 م استفاده کرد. در سال 1885، «گالیله فراریس» (Galileo Ferraris) به طور مستقل این مفهوم را مورد بررسی قرار داد. در سال ۱۸۸۸ م، فراریس تحقیقات خود را در مقاله‌ای در آکادمی سلطنتی علوم در تورین منتشر کرد.

فیلم آموزش شبیه سازی ماشین های الکتریکی در سیمولینک و متلب در فرادرس

کلیک کنید

اختراع موتور تسلا از سال 1888 آغاز به کار کرد که به عنوان انقلاب صنعتی دوم شناخته می‌شود و امکان تولید بهینه و توزیع انرژی الکتریکی از راه دور را با استفاده از سیستم انتقال جریان متناوب فراهم کرد. قبل از ابداع میدان مغناطیسی چرخشی، موتورها با عبور مداوم رسانا از میان میدان مغناطیسی ایستا (مانند موتورهای homopolar) عمل می‌کردند. تسلا پیشنهاد کرده بود که کموتاتورهای یک ماشین می‌تواند برداشته شود و دستگاه بتواند با نیروی حاصل از یک میدان چرخشی کار کند. «پروفسور پوچل» (Professor Poeschel) ، استادش، اظهار داشت که او به ساخت یک ماشین حرکت دائمی نزدیک می‌شود. تسلا بعدا در دسامبر سال ۱۸۸۹ م به ثبت اختراع موتور الکتریکی در ایالات متحده که شبیه موتور در بسیاری از عکس‌های تسلا است، دست یافت. این موتور الکترومغناطیسی جریان متناوب کلاسیک یک موتور القایی بود.

بعدا «میخائیل اوسپویچ دولیوو-دوبرولسکی» (Michail Osipovich Dolivo-Dobrovolsky) موتور القایی سه فاز «روتور قفسه سنجابی» (squirrel cage rotor) را در سال ۱۸۹۰ م اختراع کرد. با استفاده از این اختراع، سیستم چند فاز تجاری تولید و انتقال انرژی الکتریکی از راه دور به صورت موفق توسط «آلمرین دکر» (Almerian Decker) در Mill Creek در Redlands California طراحی شد.

اجزا و انواع موتور AC

یک موتور AC متشکل از دو بخش است که عبارتند از:

جز بیرونی: یک استاتور ایستا که دارای کویل‌هایی است که با جریان متناوب برای تولید میدان مغناطیسی دوار تغذیه می‌شود. در شکل زیر استاتور و سیم پیچی آن نشان داده شده است.

جز درونی: یک روتور متصل به شفت خروجی است که توسط میدان مغناطیسی دوار گشتاور داده می‌شود. در شکل‌های زیر دو نمونه روتور قفسه سنجابی و سیم پیچی شده نشان داده شده است.

دو نوع اساسی موتور AC وجود دارد که بسته به نوع روتور مورد استفاده قرار می‌گیرد. این دو نوع عبارت هستند از:

• «موتور سنکرون» (synchronous motor): سرعت چرخش این موتور دقیقا متناسب با فرکانس تغذیه است.
• «موتور القایی» (induction motor): سرعت چرخش این موتور کمی کندتر از موتور سنکرون است و به طور معمول (هر چند نه الزاما همیشه) موتور با روتور قفس سنجابی است.

موتورهای القایی AC سه فاز

در جایی که تغذیه چند فاز موجود است، خصوصا برای موتورهای با توان بالاتر، از موتورهای القایی سه فاز AC (یا چند فاز) استفاده می‌شود. اختلاف فاز موجود بین فازهای تغذیه چند فاز الکتریکی، یک میدان الکترومغناطیسی دوار درون این موتورها ایجاد می‌کند.

فیلم آموزش موتورهای پله ای یا استپر موتور – ساختار، عملکرد و کنترل در فرادرس

کلیک کنید

از طریق القای الکترومغناطیسی، میدان مغناطیسی چرخشی، جریان را در هادی‌ها در روتور ایجاد می‌نمایدکه به نوبه خود یک میدان مغناطیسی متعادل ایجاد می‌کند که سبب چرخاندن روتور در جهت چرخش میدان می‌شود. روتور همیشه باید کندتر از میدان مغناطیسی چرخشی تولید شده توسط منبع تغذیه چند فازی باشد؛ در غیر این صورت، هیچ جریان و میدان مغناطیسی متعادلی در روتور تولید نخواهد شد.
موتورهای القایی نیروی کار صنعتی هستند و موتورهایی که توان خروجی آن‌ها حدود 500 کیلو وات (۶۷۰ اسب بخار) است در اندازه‌های بسیار استاندارد تولید می‌شوند و تقریبا به طور کامل قابل تعویض بین تولید کنندگان هستند (اگرچه ابعاد استاندارد اروپایی و آمریکای شمالی متفاوت است). موتورهای سنکرون بسیار بزرگ (مانند موتورهای مورد استفاده برای کمپرسورهای خط لوله) قادر به تولید ده‌ها هزار کیلو وات در خروجی هستند. در شکل زیر یک موتور القایی AC سه فاز با روتور قفسه سنجابی نشان داده شده است.