الکتروموتور چیست

در این مقاله به جزئیاتی در مورد اینکه الکتروموتور چیست و چگونه کار میکند، قانون دست چپ فلمینگ و بررسی بعضی از انواع الکتروموتور می پردازیم.

الکتروموتور چیست

 الکتروموتور

یک کلید را فشار می دهید و فورا توان دریافت می کنید. آیا اجداد ما الکتروموتور ها را دوست داشتند! شما می توانید الکتروموتور را در همه جا از قطارهای برقی تا ماشینهای کنترل از راه دور مشاهده کنید- و ممکن است از اینکه اینقدر متداول هستند تعجب کنید. چه تعداد الکتروموتور در اتاقی که شما در آن حضور دارد، وجود دارد؟ احتمالا دو عدد در کامپیوتر شما برای راه انداز، یک عدد درایو هارد شما را می چرخاند و دیگری فن خنک کننده را به گردش در می آورد. اگر شما در اتاق خواب نشسته اید، شما موتورهایی در سشوار مو و اسباب بازی ها خواهید یافت. در حمام در فنهای تخلیه قرار دارند، و در ریش تراشهای برقی. در آشپزخانه، در هر وسیله ای از ماشین لباسشویی و ماشین ظرفشویی تا آسیاب قهوه، مایکروویو و قوطی بازکنهای برقی وجود دارند. موتورهای الکتریکی نشان داده اند که در میان بزرگترین اختراعات تمامی دوران قرار دارند. بیایید مقداری اینها را بررسی کنیم و ببینیم چگونه کار می کنند؟

موتور الکتریکی

عکس: حتی یک الکتروموتور کوچک نیز بطور قابل توجهی سنگین است. چونکه از کلافهای سیم پیچی و مگنتهای سنگین تشکیل شده اند. این موتور از یک چمن زن قدیمی باز شده است. قطعه مسی همراستا با محور شفت که از قطعات کوچکتری تشکیل شده است کموتاتور می باشد که باعث می شود موتور در یک جهت بچرخد (در ادامه تشریح خواهد شد).

الکتریسیته، مغناطیس و حرکت

ایده اساسی یک الکتروموتور واقعا ساده است: شما برق را در یک سمت اعمال می کنید و در سوی دیگر محور (میله فلزی) چرخیده و در انتها انرژی لازم برای گرداندن ماشین به طرق مختلف را به شما تحویل می دهد. اما این کار در عمل چگونه رخ می دهد؟ چگونه انرژی برق به حرکت تبدیل می شود؟ برای یافتن پاسخ آن، ما به زمان تقریبی 200 سال قبل باز می گردیم.

شما فرض کنید که یک قطعه سیم معمولی با طول مشخص را بردارید، و یک حلقه بزرگ درست کنید، و آن را بین قطبهای قدرتمند یک آهنربای دایمی نعلی شکل قرار دهید.  حال اگر شما دو انتهای سیم حلقه شده را به یک باطری متصل کنید، سیم مقداری به بالا خواهد جهید. هنگامی که برای اولین بار این پدیده را می بینید شگفت انگیز است. دقیقا شبیه جادو است! اما یک توضیح کاملا علمی دارد. هنگامی که یک جریان الکتریکی شروع به گردش در طول سیم می کند، یک میدان مغناطیسی در تمام محیط اطراف خود ایجاد می کند. اگر شما این سیم را در نزدیکی یک آهنربای دائمی قرار دهید، این میدان مغناطیسی موقتی با میدان دائمی آهنربا واکنش نشان می دهد. همان طور که می دانید دو آهنربا (مگنت) که نزدیک هم قرار گرفته اند همدیگر را جذب کرده و یا می رانند. به همین ترتیب، مغناطیس موقت ایجاد شده در اطراف سیم هادی، مغناطیس دائمی حاصل از آهنربای دائم را جذب کرده و یا دفع می کند. و همین دلیل بالا پریدن سیم است.

قانون دست چپ فلمینگ

شما می توانید جهت حرکت سیم داخل میدان را با استفاده از (دست برای اینکه در حافظه باقی بماند) با قانونی که اصطلاحا قانون دست چپ فلمینگ (برخی اوقات قانون موتوری) نامیده می شود، تعیین کنید.

دست خود را باز کنید، انگشت اشاره و انگشت وسط خود را به گونه ای نگهدارید که هر سه نسبت به هم زاویه قائمه داشته باشند. اگر انگشت وسط در جهت عبور جریان قرار بگیرد (که از ترمینال مثبت به ترمینال منفی باطری جریان دارد)، و انگشت اشاره جهت میدان را (که از قطب شمال به قطب جنوب آهنربا شارش دارد)، انگشت شست شما جهت نیروی اعمال شده به سیم و جهت حرکت آن را نشان می دهد.

بدین ترتیب

انگشت اشاره = جهت میدان

انگشت وسط = جهت جریان

انگشت شست = جهت حرکت هادی یا سیم

قانون دست چپ فلمینگ

عبارتی درباره جریان

اگر شما از حرف ما که گفتیم جریان از قطب مثبت به منفی جاری است سر در گم شده اید، به صورت تاریخی این قرارداد بوده است. افرادی چون بنجامین فرانکلین، که به کشف راز الکتریسیته در قرن 18 کمک کردند، اعتقاد داشتند که جریان حرکت بارهای مثبت می باشد، به گونه ای که از مثبت به منفی جاری هستند. ما این ایده را جریان قراردادی می گوییم و هنوز نیز استفاده می شود  در قانون دست چپ فلمینگ نیز از آن استفاده کردیم. حالا  ما تصویر بهتری از چگونگی عملکرد برق داریم، ما قصد داریم از جریان به عنوان شارش الکترونها صحبت کنیم، از قطب منفی به مثبت، مخالف با جهت جریان قراردادی. هنگامی که شما قصد دارید جهت چرخش الکتروموتور یا ژنراتور را تعیین کنید، مطمئن شوید که  بخاطر دارید جریان به معنای جریان قراردادی استفاده شده است نه شارش الکترونها.

یک الکتروموتور بصورت تئوری چگونه کار می کند.

عکس: یک تعمیر کار برق بر روی الکتروموتور قرار گرفته بر روی ناو هواپیمابر کار می کند. فلز درخشانی که استفاده می کند ممکن است شبیه طلا بنظر برسد اما در حقیقت مس است، رسانای خوبی که از طلا خیلی ارزان تر است.

ارتباط بین الکتریسیته، مغناطیس و حرکت در آغاز کار در سال 1820 توسط فیزیک دان فرانسوی آندره-ماری-آمپر (1775-1867)  کشف شد. که دانش پایه ای پشتیبان الکتروموتور است. اما اگر بخواهیم کشفیات خود را به سمت جنبه های عملی تر تکنولوژی برای اینکه بتواند مسواک برقی و یا محرکه های الکتریکی ما را بچرخاند ببریم. باید مقدار بیشتری بر کارهای مخترعین انگلیسی نظیر مایکل فاراده (1791-1867) و ویلیام استورگئون (1783-1850) و مخترع آمریکایی جوزف هنری (1797-1878) تمرکز کنیم. در اینجا می خواهیم توضیح دهیم که چگونه به این کشفیات درخشان دست یافتند.

فرض کنید تکه سیم خود را به صورت تقریبا مربع که همانند حلقه U شکل باشد در بیاورید به گونه ای که دو بازوی موازی سیمها در میان میدان مغناطیسی قرار داشته باشد. جریان در یکی از آنها به سمت بالا و در دیگری به سمت پایین بر می گردد. بدلیل اینکه جریان در سیمها در جهتهای معکوس هم جاری است، قانون دست چپ فلمینگ به ما می گوید که دو بازوی حلقه در جهتهای مخالف هم حرکت خواهند کرد. به عبارت دیگر، وقتی ما برق را وصل کنیم، یکی از بازوهای سیمها به سمت بالا حرکت خواهد کرد و دیگری به سمت پایین خواهد رفت.

اگر جهت جریان در کلاف سیمها را بتوان با چرخش کلاف تغییر داد، به طور پیوسته خواهد چرخید- و راه بسیار خوبی برای ساخت یک الکتروموتور یا موتور القایی خواهد بود. اما با مجموعه ای که ما در حال حاضر ساخته ایم قابل انجام نیست: سیمها با نیم دور چرخش گیر خواهند کرد، با چرخش بازوها و قرار گرفتن در موقعیت عمودی، با یک تلنگر مواجه می شود، میدان در این قسمت خلاف جهت قبلی خواهد شد و حالا نیروی اعمال شده به هر ضلع از کلاف برعکس خواهد شد. به جای چرخش پیوسته در یک جهت یکسان، جهت گردش برعکس خواهد شد. موتور در یک لحظه به چپ و در لحظه دیگر می خواهد به راست بچرخد لذا حرکت نکرده و خواهد لرزید.

یک الکتروموتور چگونه کار می کند – در عمل

دو راه برای غلبه بر این مشکل وجود دارد. یکی از آنها استفاده از نوعی جریان الکتریکی است که بصورت دوره ای جهت آن معکوس می گردد. که به عنوان جریان متناوب (AC) شناخته می شود. یک راه حل بهتر، اضافه کردن قطعه ای به نام کموتاتور در انتهای کلافهای الکتروموتور  است . 

در ساده ترین شکل، کموتاتور یک حلقه فلزی است که به دو نیمه مساوی تقسیم شده است و وظیفه آن معکوس کردن جریان الکتریکی با هر نیم دور چرخش در کلاف می باشد. هر کدام از سرهای کلاف به یکی از نصفه های کموتاتور متصل است. جریان برق از باطری های متصل به ترمینالهای الکتروموتور تامین می شود. نیروی برق از طریق اتصالات لغزان که جاروبک نامیده می شود به کموتاتور جاری می شود. جاروبکها از قطعات گرافیت درست شده اند (کربن نرم همانند نوک مداد) همراه با یک فنر فلزی که به سر آن متصل شده است. با  قرار گرفتن بر روی کموتاتور، هنگامی که جریان داخل مدار برقرار می شود، کلاف سیم پیچ بصورت پیوسته و در یک جهت شروع به چرخش خواهد کرد.  

  

طرح واره: یک دیاگرام ساده شده از قطعات در یک موتور الکتریکی.  

انیمیشن: الکتروموتور در عمل چگونه کار می کند. توجه کنید که کموتاتور چگونه جریان را در هنگامی که کلاف نیم دور چرخید معکوس می کند. این بدین معنی است که نیرو بر روی هر ضلع از کلاف همیشه به یک جهت هل می دهند، که باعث می شود کلاف ساعتگرد بچرخد.

یک الکتروموتور ساده مشابه چیزی که توضیح داده شد قادر به ایجاد توان زیادی نمی باشد. ما می توانیم نیروی گردان (یا گشتاور) تولید شده توسط الکتروموتور را به سه روش افزایش دهیم: می توانیم آهنربای دائمی خیلی قوی تر در میدان استاتور قرار دهیم، یا می توانیم جریان الکتریکی گذرنده از داخل سیم را افزایش دهیم، و یا می توانیم به جای یک حلقه سیم کلفت از تعداد دور زیادی از سیمها که یک سیم پیچ را تشکیل می دهند استفاده کنیم. در عمل، آهنربای دائم موتور بشکل مدور خم دارد که باعث می شود نزدیکترین فاصله ممکن را با سیم پیچ گردان داشته باشد و با چرخش سیم پیچ فاصله پیوسته یکنواخت باقی بماند. نزدیکی بیشتر آهنربا و سیم پیچ باعث می شود موتور بتواند نیروی بیشتری تولید کند. 

اگر چه ما تعدادی از اجزای مختلف را تشریح کردیم، شما می توانید فرض کنید الکتروموتور به دو قسمت اصلی و ضروری نیاز دارد.

یک مغناطیس دائم (یا آهنربا) گرداگرد پوسته موتور که ساکن باقی می ماند و به همین دلیل استاتور موتور نامیده می شود. قرار گرفته است.

در داخل استاتور، سیم پیچها در اطراف شفت در داخل ورقه های آهن قرار گرفته است و با سرعت می چرخد به همین دلیل روتور نامیده می شود. کموتاتور نیز جزیی از روتور است.

موتورهای اونیورسال

موتورهای DC نظیر این برای استفاده در اسباب بازی های تغذیه شونده با باطری بسیار مناسب هستند (چیزهایی مثل مدلهای قطار، ماشینهای کنترل از راه دور یا ریش تراشهای برقی). مطلوب است که در لوازم خانگی کوچک (مانند دستگاه آسیاب قهوه یا مخلوط کن غذا) از موتورهایی که اونیورسال نامیده می شود استفاده کنند. که می توانند با برق AC یا DC تغذیه شوند. بر خلاف الکتروموتور DC ساده، یک موتور اونیورسال یک الکترومغناطیس (مغناطیس غیر دائم با استفاده از سیم پیچی) به جای آهنربای مغناطیس دائم دارد، و توان خود را از برق AC یا DC که شما تغذیه می کنید دریافت می کند.

  • هنگامی که با برق DC تغذیه می شود، الکترومغناطیس همانند آهنربای دائمی متداول کار می کند و میدان مغناطیسی تولید می کند که همیشه در یک جهت قرار دارد، کموتاتور هر زمان که کلاف به جاروبک رسید جریان در کلاف را معکوس می کند، کاملا شبیه به یک موتور DC ساده، و ریان در کلاف همیشه در یک جهت ثابت می چرخد.

در هنگامی که با برق DC تغذیه می شود، از آنجاییکه جریان گذرنده از الکترومغناطیس (میدان) و جریان گذرنده از سیم پیچی آرمیچر هر دو در یک زمان معکوس می شود، از اینرو نیروی اعمال شونده به بوبین ها همیشه در یک جهت بوده و موتور همیشه ساعتگرد و یا پادساعتگرد در یک جهت می چرخد. از کموتاتور چه خبر؟ فرکانس جریان خیلی سریعتر از گردش موتور تغییر می کند. بدلیل اینکه جریان گذرنده از سیم پیچ میدان و آرمیچر هر دو در یک مرحله تغییر می کنند، عملا هیچ  اهمیتی ندارد که موقعیت کموتاتور در هر لحظه مفروض کجا قرار دارد؟ 

انیمیشن: یک موتور اونیورسال چگونه کار می کند: منبع تغذیه برق میدان مغناطیسی (استاتور) و سیم پیچی دوار (آرمیچر) را تامین می کند. با استفاده از یک تغذیه DC، موتور اونیورسال کاملا شبیه به یک موتور DC متداول مانند بالا کار می کند. با یک تغذیه AC، جهت جریان در هر دوی میدان مغناطیسی و بوبین آرمیچر در هر زمان که جریان منبع تغذیه معکوس می شود تغییر می کند. این بدین معنا است که نیروی اعمالی بر روی بوبین همیشه به یک جهت اعمال می شود.

عکس: درون یک الکتروموتور اونیورسال نوعی: قطعات اصلی داخل یک موتور با اندازه متوسط از آسیاب قهوه، که می تواند با هر دو تغذیه AC و DC کار کند.  جسم مدور فلزی خاکستری رنگ هسته الکترومغناطیس استاتور (جزئ ساکن) است و سیم پیچی میدان مغناطیسی به رنگ طلایی بوده و در داخل هسته استاتور پیچیده شده است. توجه کنید که مجموعه کموتاتور که (اجزای مسی به هم پیوسته عایق شده نسبت به یکدیگر است) و جاروبکهای کربنی با فشار فنر بر روی کموتاتور نگه داشته شده اند و از طریق آنها جریان به روتور (قسمت دوار) الکتروموتور می رسد. موتورهای القایی در وسایلی نظیر لوکوموتیو قطارهای برقی خیلی بزرگتر بوده و توان بسیار بیشتری دارند، و بر خلاف ولتاژ پایین جریان DC، یا موتورهای که با ولتاژ خانگی متوسط موتورهای یونیورسال راه اندازی و کار می کنند،موتورهای القایی پیوسته با استفاده از جریانهای متناوب ولتاژ بالا کار می کنند.

بقیه انواع موتورهای الکتریکی

در موتورهای ساده DC و اونیورسال، روتور در داخل استاتور می چرخد. روتور یک سیم پیچی متصل به منبع تغذیه برق است و استاتور یک آهنربای دائمی یا الکترومغناطیس می باشد. موتورهای AC بزرگ (که در کاربردهایی نظیر ماشین آلات کارخانه ها استفاده می شوند) به روشی متفاوت کار می کنند: آنها جریان متناوب را از طریق جفت قطبهایی از سیم پیچها عبور داده و میدان مغناطیسی دوار ایجاد می کنند، این میدان دوار یک میدان مغناطیسی در روتور موتور ایجاد (القائ) می کند، که از اثر متقابل میدان دوار روتور و استاتور، روتور شروع به گردش می کند. شما می تواند در این مورد اطلاعات بیشتری را در مقاله "موتورهای AC القایی" مطالعه کنید. اگر شما یکی از این موتورهای القایی خطی را بردارید و آن را باز کنید، مشاهده می کنید که استاتور از کنار هم قرار گرفتن ورقه های آهن در یک پشته پیوسته تشکیل شده است و روتور در امتداد استاتور در داخل آن به صورت یک خط مستقیم می باشد. این طراحی هوشمندانه به عنوان "موتور خطی" نامیده می شود. یک چنین موتورهایی در ماشین های کارخانه و در قطارهای مغناطیسی شناور مورد استفاده قرار می گیرد.

طرح دیگر خیلی جذاب موتور DC بدون جاروبک (BLDC) است. استاتور از تعداد سیم پیچی که در داخل هسته آن پیچیده شده است تشکیل شده و در مرکز آن روتور با آهنربای دائم قرار دارد، کموتاتور و جاروبکها با مدارات الکترونیکی جایگزین شده اند.

 منبع : by : Chris Woodford electric motors, www.explainthatstuff.com

 

نظرات کاربران

نظر خود را ثبت نمایید

CAPTCHA code