فرادرسموتور DC چگونه کار می‌کند؟ — به زبان ساده
در آموزش‌های پیشین مجله فرادرس، درباره اصول عملکرد ژنراتوهای DC و همچنین اجزا و انواع آن‌ها بحث کردیم. در این آموزش، با اصول عملکرد موتور DC آشنا می‌شویم.
اصول عملکرد موتور DC
موتورهای DC از برهم‌کنش‌های میدان‌های مغناطیسی برای تبدیل انرژی الکتریکی به انرژی مکانیکی استفاده می‌کنند. خطوط مغناطیسیِ نیرو از قطب شمال به قطب جنوب یک آهنربا شارش می‌کنند. اگر یک هادی حامل جریان در میدان مغناطیسی قرار داده شود، دو میدان ظاهر خواهد شد.
همان‌طور که در شکل ۱ می‌بینیم، در سمت چپ هادی، خطوط نیرو جهت یکسانی دارند. این امر چگالی شار خطوط میدان در سمت چپ را متمرکز خواهد کرد و موجب تولید یک میدان مغناطیسی قوی خواهد شد، زیرا دو میدان یکدیگر را تقویت می‌کنند.
در سمت راست هادی، خطوط نیرو مخالف یکدیگرند. این امر سبب ایجاد یک میدان مغناطیسی ضعیف‌تر می‌شود. هادی تمایل دارد از میدان قوی به سمت میدان ضعیف حرکت کند. از این اصل از الکترومغناطیسی برای تبدیل انرژی الکتریکی به انرژی مکانیکی در یک موتور استفاده می‌شود.
یک موتور الکترومغناطیسی ساده در شکل زیر نشان داده شده است. سیم‌پیچی‌های داخل موتور، آرمیچر نامیده می‌شوند. آرمیچر بخشی از موتور است که از هادی‌های سیم‌پیچی شده به دور یک هسته آهنی ورقه ورقه تشکیل شده است. از آرمیچر برای تولید یک میدان مغناطیسی استفاده می‌شود. آرمیچر در فضایی درون سیمپیچهای ساکن می‌چرخد که سیم‌پیچی‌های میدان نامیده می‌شوند. سیم‌پیچی‌های میدان یا تحریک به دور کفشک‌های قطب‌ها پیچانده و از سیم مسی سنگین تشکیل شده‌اند. کفشک‌ها یک هسته آهنی هستند تا آهنربای الکتریکی تشکیل دهند.
وقتی جریان به سیم‌پیچی‌های میدان (تحریک) و آرمیچر اعمال می‌شود، هر دوی آن‌ها خطوط شار مغناطیسی تولید می‌کنند. جهت سیم‌پیچی‌ها قطب چپ را جنوب و قطب سمت راست را در پلاریته شمال قرار می‌دهد.
خطوط نیرو از از شمال به جنوب در میدان حرکت می‌کنند. در آرمیچر، خطوط شار در یک سمت به یک طرف و در جهت مخالف، به طرف دیگر گردش می‌کنند. اکنون، جریان یک میدان مغناطیسی در اطراف حلقه سیم تشکیل می‌دهد که با میدان‌های شمالی و جنوبی در تعامل خواهد بود و یک نیروی چرخشی بر حلقه اعمال می‌کند. این نیرو باعث می‌شود حلقه در جهت میدان ضعیف‌تر بچرخد.
با این حال، قدرت چرخش آرمیچر محدود است. هنگامی که آرمیچر در میانه کفشک‌های قطب‌ها باشد، میدان‌ها یکدیگر را متعادل (خنثی) می‌کنند. به نقطه‌ای که در آن میدان‌ها متعادل می‌شوند، نقطه خنثای ایستا گفته می‌شود.
برای ادامه حرکت آرمیچر، شارش جریان در حلقه باید برعکس شود. برای این منظور، یک کموتاتور متشکل از حلقه‌های بریده با انتهای کلاف‌های آرمیچر در تماس است. جریان حلقه از طریق مجموعه‌ای از جاروبک‌ها که در جوانب کموتاتور تعبیه شده‌اند به آرمیچر وارد و از آن خارج می‌شود. جاروبک‌ها کنتاکت‌های هادی هستند که معمولاً از مس و کربن ساخته می‌شوند.
وقتی جاروبک‌ها از یک بخش کموتاتور به بخش دیگری از آن عبور می‌کنند (البته کموتاتور متحرک و جاروبک‌ها ثابت هستند)، جهت شارش جریان آرمیچر برعکس می‌شود. موقعیت میدان‌های مغناطیسی مشابه است. با این حال، جهت شارش جریان حلقه معکوس شده است. این کار تا زمانی ادامه خواهد یافت که شارش جریان ادامه پیدا کند.
آرمیچر
آرمیچر از یک هسته ورقه ورقه تشکیل شده که در کنار یکدیگر قرار گرفته‌اند. به این دلیل از ساختار ورقه ورقه استفاده می‌شود که در یک هسته آهنی کامل، میدان‌های مغناطیسی جریان‌های گردابی تولید می‌کنند. این جریان‌ها سبب القای ولتاژ با پلاریته عکس در هسته می‌شوند. در نتیجه، هسته گرم شده و منجر به تلفات انرژی می‌شود. با استفاده از ساختار ورقه ورقه، جریان‌های گردابی در هسته به حداقل می‌رسند.
ورقه‌ها در قطر بیرونی خود شکاف‌هایی برای جا دادن سیم‌پیچی آرمیچر دارند. حلقه‌های سیم‌پیچی هسته به کموتاتور متصل شده‌اند. هر بخش کموتاتور از بخش‌های مجاور خود ایزوله شده است. کموتاتور یک آرمیچر عادی، بیش از ۳۰ بخش دارد. یک شفت یا محور فولادی در مرکز سوراخ ورقه‌های هسته تعبیه شده و کموتاتور نسبت به شفت ایزوله است.
در آرمیچر از دو طرح اصلی سیم‌پیچی استفاده می‌شود: سیم‌پیچی روی هم و سیم‌پیچی موجی. در سیم‌پیچی روی هم، دو انتهای سیم‌پیچ به بخش‌های مجاور کموتاتور متصل می‌شوند. در این طرح، سیم‌هایی که از زیر یک میدان قطب عبور می‌کنند دارای جریانی با جهت یکسان هستند.
در طرح سیم‌پیچی موجی، هر سر کلاف به بخش‌هایی از کموتاتور متصل می‌شوند که ۹۰ یا ۱۸۰ درجه با یکدیگر اختلاف درجه داشته باشند. در این طراحی، برخی کلاف‌ها در موقعیت‌های خاصی از چرخش آرمیچر، جریانی ندارند (جریانی از آن‌ها نمی‌گذرد). دلیل این امر آن است که انتهای بخش‌های حلقه کلاف با جاروبک‌هایی در تماس هستند که پلاریته یکسانی دارند. طرح سیم‌پیچی موجی رایج‌ترین طرح مورد استفاده است، زیرا مقاومت کمتری دارد.
میدان
سیمپیچهای میدان، آهنرباهای الکتریکی هستند که از نوارهای سیمی یا سیمپیچهای پیچیده شده به دور یک کفشک قطب تشکیل شده‌اند. کفشک‌های قطب از آهن سنگین تشکیل شده‌اند. سیم‌پیچی‌های میدان به دیواره داخلی استاتور چسبیده‌اند. اغلب موتورها چهار سیم‌پیچی میدان دارند.
وقتی جریان از سیم‌پیچی‌های میدان عبور کند، میدان‌های الکترومغناطیسی ایستای قوی ایجاد می‌شود. میدان‌ها، بر اساس جهت سیم‌پیچی‌های کفشک قطب، یک پلاریته مغناطیسی شمال و یک پلاریته جنوب دارند. پلاریته سیم‌پیچی‌های میدان برای تولید میدان‌های مغناطیسی مخالف هم به صورت متناوب تغییر می‌کند.
در هر موتور DC، سه روش برای اتصال سیمپیچهای میدان به آرمیچر وجود دارد: اتصال سری، اتصال موازی و اتصال کمپوند (سری و موازی). در آموزش‌های بعدی، با انواع این موتورها و معادلات آن‌ها آشنا می‌شویم.
اگر این مطلب برای شما مفید بوده است، آموزش‌های زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:
- مدارهای مغناطیسی — به زبان ساده
- اصول عملکرد ترانسفورماتور — به زبان ساده
- کنترل سرعت موتورهای DC — از صفر تا صد
^^
