ساختمان و نحوه کار موتور DC قسمت اول

مواد این پست تجربیات چند سال کار در آزمایشگاه ماشین های الکتریکی دانشگاه و تدریس در مرکز آموزش شرکت الکتروژن می باشد. امیدوارم بتواند دیدگاه مناسبی از عملکرد موتورهای DC ارائه کند.

فهرست مطالب

  • مقدمه
  • ساختمان ماشينهاي DC
  • اصول کار يک موتور DC
  • روابط نيرو و گشتاور در موتورهاي DC
  • حفاظت موتورهاي DC
  • راه اندازي موتورهای DC
  • تغيير جهت دوران در موتورهاي DC
  • پديده کموتاسيون و مشکلات مرتبط با آن
  • کنترل سرعت موتورهای DC
  • انواع موتورهاي DC
  • موتورهاي اونيورسال

مقدمه

  • سيستمهاي توزيع برق DC در حال حاضر متداول نبوده و ژنراتورهاي DC نيز کاربرد بسيار کمي در صنعت دارند.
  • موتورهاي DC به علت مزيت کنترل پذيري مطلوب آنها، هنوز کاربردهاي متنوعي در صنعت دارند.
  • ماشين هاي DC عمدتا شبيه به ماشين هاي AC مي باشند چونکه ماهيت ولتاژ توليد شده در سيم پيچ ها AC است و در ماشین DC وجود يکسو کننده باعث می شود ولتاژ ماشين يکسو گردد و بدين ترتيب گشتاور در موتور DC و ولتاژ در ژنراتور DC يکسو مي گردد. اين مکانيزم کموتاتور نام دارد.
  • عيب عمده ماشينهاي DC استفاده از کموتاتور و متعاقب آن فرسودگي، نياز به تعمير و نگهداري و ايجاد جرقه مي باشد .
  • جايگاه ماشينهاي DC با تغيير و تحولات رخ داده در عرصه الکترونيک قدرت خدشه ديده و رفته رفته جايگاه خود را در زمينه کنترل دور و گشتاور به رقباي خود واگذار مي کند. اما تا چند سال پیش موتورهای DC در دستگاههای اتوماتیک و اتوماسیون صنعتی سلطه مطلق داشتند. مدل ریاضی ساده و بسیار خوش فهم ماشینهای DC کمک می کند که روشهای کنترلی به خوبی توسعه یابند و مقدمه ای برای ورود به بحث موتورهای القایی و سنکرون می باشد. و البته باید ذکر گردد که در کارخانه های مختلف هنوز هم موتورهای DC فراوانی مشغول به کار هستند. لذا بررسی و مطالعه این نوع از ماشین ها بسیار سودمند بوده و بینشی عمیق برای فهم روش های کنترل پیشرفته ایجاد می کند.

ساختمان ماشین های DC

ساختمان ماشین های DC

ماشینهای DC از سه قسمت عمده به صورت زیر تشکیل شده اند. ۱- استاتور ۲- روتور ۳ جاروبک و نگهدارنده در شکل زیر اجزای مختلف به صورت شماتیک آورده شده است.

تعمیر الکتروموتور

۱- استاتور موتور DC

همان طور که ملاحظه می گردد سیم پیچ میدان که خود به دو سیم پیچ سری و شنت تقسیم بندی می گردد هسته آهنی و فریم موتور اجزای اصلی استاتور هستند در موتورهای بزرگتر قطب کمکی و سیم پیچی جبرانگر نیز به این اجزا افزوده می گردد.

استاتور موتور DC

۲- روتور موتور DC

روتور موتور DC که به عنوان آرمیچر نیز شناخته می شود در شکل مقابل آورده شده است. اجزای اصلی روتور هسته سیم پیچی و یاتاقانها هستند. روتور قسمت گردان ماشین DC است.

روتور موتور DC

۳- مکانیزم های جاروبک و نگهدارنده جاروبک

جاروبک وظیفه انتقال جریان به کلکتور گردان را بر عهده دارد. جاروبک و کلکتور عامل یکسو کردن گشتاور در موتورهای الکتریکی DC هستند.

جاروبک

اصول کار یک موتور DC

عبور جريان در يک هادي، در اطراف آن ميدان مغناطيسي ايجاد مي کند. اين موضوع در شکل (A) نشان داده شده است. هنگامي که هادي حامل جريان در يک ميدان مغناطيسي خارجي قرار مي گيرد. ميدان خارجي بر هادي حامل جريان نيرويي وارد مي کند که اين موضوع در شکل (B) نشان داده شده است.

میدان مغناطیسی ایجاد شده بر اثر عبور جریان

با بررسی اشکال بالا می توان موارد زیر را استنتاج کرد.

  • اگر يک هادي داخل ميدان مغناطيسي قرار داده شود

– حرکت هادي درون ميدان جريان الکتريکي توليد مي کند (ژنراتور) – عبور جريان الکتريکي درون هادي توليد نيروي محرک ميکند ( موتور)

  • بيان معکوس قضيه فوق به اين صورت است که: يک موتور DC مي تواند به عنوان ژنراتور مورد استفاده قرار گيرد.

– گرچه ماشيني که به منظور موتور بودن طراحي شده است براي کارکرد موتوري بهينه تر مي باشد.

روابط نیرو و گشتاور در موتور DC

روابط نیرو و گشتاور در موتور DC

در روابط فوق F نیروی تولید شده، i جریان عبوری از هادی، l طول هادی تحت تاثیر میدان، B چگالی شار، r شعاع گردش هادی و T (تاو) گشتاور تولید شده است. در رابطه فوق q زاويه بين F و r است. بنابراين هنگامي که حلقه سيم در خارج از محدوده ميدان مغناطيسي قرار مي گيرد گشتاور صفر مي شود. نیروی وارد بر قطعات مختلف هادی در میدان الکتریکی به صورت زیر محاسبه می گردد.

محاسبه نیروی وارد شده

گشتاور در تمامي موتورهاي واقعي از سه عامل زير تبعيت مي کند. ۱- شار داخل ماشين ۲- جريان ماشين ۳- يک عدد ثابت به نمايندگي از ساختار ماشين

T=K*φ*Ia

به طریق مشابه می توان رابط نیروی محرکه داخلی ماشین را بصورت زیر استخراج کرد.

Ea=K*φ*ω

در رابطه فوق Ea نیروی محرکه موتور، K یک ضریب ثابت، φ شار موتور و ω سرعت زاویه ای بر حسب رادیان بر ثانیه است. از طریق همین دو رابطه و مدار معادل هر موتور می توان تحلیل های اساسی خیلی جالبی زد .

حفاظت موتور در مقابل جريان زياد راه اندازي

الف: با وارد کردن مقاومت در مسير آرميچر

ب- با کاهش ولتاژ ترمينال در هنگام راه اندازي

الف: کنترل جريان راه اندازي با مقاومت راه انداز

در هنگام راه اندازي، موتور نمي چرخد، پس ω=۰ بوده و از اينرو طبق روابط پیشین نيروي محرکه داخلي موتور EA = 0V مي شود. و از طرف ديگر مقاومت داخلي معمولي موتور DC بسيار کم است (۳-۶ درصد پريونيت) ، که موجب می شود جريان بسيار زيادي در موتور برقرار گردد. براي مثال، یک موتور DC، از نوع تحریک مستقل (انواع موتورهای DC در مقاله جداگانه ای تشریح شده است) با ولتاژ ۲۵۰ ولت، توان ۵۰HP و مقاومت آرميچر Ra=0.06 اهم جريان بار کامل ۲۰۰ امپر دارد، در اين حالت جريان راه اندازي برابر است با:

محاسبه جریان راه انداز

این جريان در حدود ۲۰ برابر جريان نامي موتور مي باشد و احتمالا خسارت بسيار جدي به آن وارد مي کند. يک راه حل براي مشکل جريان راه اندازي وارد کردن مقاومت راه انداز در مسير آرميچر براي محدود کردن جريان ميباشد تا هنگامي که EA بتواند ايجاد گردد . البته اين مقاومت ميبايست با افزايش نيروي محرکه داخلي موتور از مدار خارج شود در غير اين صورت اين مقاومت باعٍث تلفات گرديده و مشخصه گشتاور سرعت موتور را مختل خواهد کرد.   کنترل جریان راه اندازی یک مدار نمونه برای راه اندازی مقاومتی موتور DC در شکل زیر آورده شده است.

یک مدار نمونه برای راه اندازی مقاومتی موتور DC

مقاومت راه اندازی که به صورت سری با مدار آرمیچر متصل شده است به سه قسمت جدا از هم تقسیم شده است و با Rstart نشان داده شده است. تیغه های باز بسته شونده رله یا کنتاکتور نیز با ۱A ، ۲A ، ۳A نشان داده شده اند. در لحظه راه اندازی هر سه تیغه رله باز هستند و کل مقاومت راه اندازی در مدار است و جریان راه اندازی محدود می شود با دور گرفتن موتور و افزایش نیروی محرکه القایی EA به ترتیب تیغه رله ها عمل کرده و در هر مرحله قسمتی از مقاومت راه اندازی را اتصال کوتاه می کند و پس از چند ثانیه کل مقاومتها از مدار خارج شده و بای پس می شوند.

فروش تجهیزات حفاظت الکتروموتور

ب- کنترل جريان راه اندازي با کاهش ولتاژ ترمينال در هنگام راه اندازي

با زدن یک KVL ساده می توان به رابطه زیر برای محاسبه جریان آرمیچر رسید.

Ia=(Vt-Ea)/Ra

در هنگام راه اندازی نیروی محرکه موتور EA=0 است. پس رابطه به صورت زیر خلاصه می شود.

Ia=Vt/Ra

برای کنترل جریان راه اندازی در هنگام راه اندازي مي توان ولتاژ موتور را بتدريج افزايش داد تا جريان آرميچر محدود گردد اين کاري است که در درايوها و سافت استارترها انجام مي شود.

57 دیدگاه

  • سلام….
    خیلی خوب بود‌ و ساده.
    توی چندتا سایت خونده بودم زیاد متوجه نمیشدم. اما شما ساده تر و بهتر نوشتید…
    موفق باشید.

  • با سلام و تشکر من توی یه شرکت فولاد کار میکنم و با موتورهای DC سرو کار دارم واقعا اطلاعات خوب بود.

  • با سلام و احترام – جهت تغییر دور موتور dc چهار قطب چه مراحلی را باید انجام داد ، در صورت امکان با نقشه با تشکر از جناب آقای مهندس کریمی .

    • سلام امیر جان

      جهت تغییر دور موتور DC باید جهت جریان در میدان یا آرمیچر و نه هر دوی آنها تغییر کند در موتور تحریک مستقل و PMDC با تغییر پلاریته ولتاژ آرمیچر یا تحریک این کار صورت می گیرد. اما در شنت و سری باید اتصالات در تخته ترمینال تغییر کند. به بخش مربوط به جهت دوران در مقاله موتورهای DC همین سایت مراجعه بفرمایید.

  • باسلام،راجع به کنترل دورهای dc motor و همینطور استفاده ازاین موتورها در موتور سیکلت های برقی لطفا راهنمایی بفرمایید ،متشکرم.

    • سلام آقای بیگوند

      موتورهای DC معمولا در وسایل نقلیه برقی استفاده نمی شوند معمولا در این وسایل از موتورهای BLDC استفاده می شود. کنترل موتورهای DC در برنامه کاری ما قرار دارد. اگر سوالی دارید می توانید با ما تماس بگیرید. اطلاعات تماس در بالای صفحه اصلی ذکر شده است.

  • با سلام من موتور 24 ولت دی سی دارم چطور میتونم با عوض کردن سیم پیج تبدیل کنم به 12 ولت یا 6 ولت؟؟ آیا مبدل هم هست بدون عوض کردن سیم پیج بتونم ؟؟؟ با تشکر

    • سلام آقای خواجویی

      برای اینکه یک موتور 24 ولت را با تعویض سیم پیچ به 12 یا 6 ولت تغییر دهید نیاز دارید که موتور را مجددا برای توان ثابت و ولتاژ کمتر طراحی کنید. از طریق مبدلهای سوئیچینگ افزاینده ولتاژ DC (مبدل بوست) نیز می توانید ولتاژ تغذیه را به مقدار مورد نیاز موتور برسانید.

  • باسلام و عرض ادب لطفاً بفرمائید جریان بی باری در الکتروموتور D.C به چه صورت میباشد.با توجه به اینکه در A.C 1/2 , 2/3 جریان نامی است.

    • جریان بری باری در موتور DC نسبت به موتور القایی کوچکتر است.جریان بی باری 5 تا 10 درصد جریان نامی برای موتور DC متعارف است.

  • سلام وقتتون بخیر. من پروژه کارشناسیم کنترل دور موتور dc تکفاز هست که درایورشم خودم باید طراحی کنم. چنتا سوال ازتون دارم :اولیش اینکه از چه انکدری استفاده کنم واسه نمونه برداری از سرعت و اینکه انکدر روی موتور سوار میشه؟کلا اتصال انکدر به موتور و pcb من چجوریه (یعنی از چه هدری با چنتا پین باید استفاده شه؟)

  • سلام جناب مهندس کریمی ممنون از متن پرمحتوا و کاربردیتون بنده از مطالب ارزشمند شما بازدید کردم واقعا دستتون درد نکنه آرزوی موفقیت روز افزون دارم برای شما و همکارانتون

  • باسلام و احترام مطالب شما راجب موتورهای DCبسار خوب هستند، این مقالات رو چطور میتونم دانلود کنم برای پروژه به این مطالب نیاز دارم باتشکر

    • سلام مبینا خانم

      ممنونم از لطفی که به ما دارید. مطالب ما در فرمت وب هستند و به صورت PDF قابل دانلود در نظر گرفته نشده اند. ولی همان را نیز می توان تحت وب ذخیره کرد و مورد استفاده قرار داد.

  • سلام وقت بخیر-من احتیاج به یک موتوری دارم که بتونه میل لنگ پراید رو بچرخونه دنبال چه موتور یا دینامی بگردم-البته میخوام مثل چرخ خیاطی عمل کنه که وقتی گاز میدم دینام شروع به چرخش کنه

    • سلام محمد جان

      سوال شما خیلی کلی است. شما باید خروجی موتور پراید را داشته باشید و سپس متناسب با آن موتور خود را انتخاب کنید البته باید توجه داشته باشید که موتور خودروهای برقی در دینا معمولا دو نوع القایی و BLDC هستند. موفق باشید.

  • با سلام از مطالب خوبتون. من میخواستم بدونم ولتاژ فیلد در موتور dc را چطور میتونم از درایو تغییر بدم . ما مشکلمون از اونجایی شروع شد که یک موتور dc جایگزین کردیم که ولتاژ فیلدش 210 تا 310 هست ولی موتور قبلی 180بود. آیا نیاز به تغییر ولتاژ فیلد هست یا خیر؟ اگر نیاز هست چطور میتونم این کار را انجام بدم؟ با تشکر

    • سلام حسین جان

      در زمان راه اندازی موتور باید ولتاژ فیلد آن کامل باشد. تنظیمات درایو را ببینید اگر امکان تامین ولتاژ نامی فیلد موتور وجود ندارد باید درایو تعویض شود. در صورتیکه موتور با ولتاژ فیلد و در نتیجه شار کمتری کار کند امکان دارد نتواند گشتاور مورد نیاز را تامین کند و در صورت کم بار بودن سرعت آن از سرعت نامی بیشتر می شود.

  • سلام خداقوت الکترو موتور DC که چهار عدد دیود برای یکسو کردن برق AC استفاده شده راست گرد می چرخد می خواهم چپ گرد بچرخد چکار کنم.

    • سلام آقای درویشوند

      اگر چهار عدد دیود برای یکسو سازی استفاده شده است احتمالا شما یک پل دیودی در مجموعه خود دارید. در صورتیکه موتور PMDC است و استاتور آن مغناطیس دائم باشد با تغییر پلاریته ولتاژ ورودی (سیمی که به پلاریته مثبت وصل بوده به منفی وصل کنید و بالعکس) جهت گردش موتور معکوس می شود. و در صورتیکه استاتور موتور نیز سیم پیچ دارد پلاریته میدان یا آرمیچر را (فقط یکی از آنها) تغییر دهید.

  • سلام علت صدای زیاد در موتورهای DC(مثلا موتور بخاری تیبا)چیست؟ چطور میتوان ان راکاهش داد؟

    • سلام رامین جان

      در مورد موتورهای کوچک مربوط به خودرو تجربه زیادی ندارم. ولی در فنهایی این شکل معمولا صدای یاتاقانها یا از بالانس خارج شدن پره ها از دلایل ایجاد صدای ناهنجار می باشد.

  • با سلام علت جرقه زدن در قسمت جلوی کموماتور از چی میتونه باشه و برای رفع عیب چه باید کرد. با تشکر

    • سلام علی جان

      جرقه زدن در سطح کموتاتور دلایل مختلفی می تواند داشته باشد. مانند آسیب سیم پیچی، شل بودن جاروبک ها، تمام شدن جاروبک و یا همان ذغالها، ناهموار بودن سطح کلکتور هر کدام از این موارد باید بررسی شود و سپس اقدام مناسب با آن صورت پذیرد.

  • سلام.ممنون بابت توضیحات عالی شما.موضوع پروژه ی من موتورهای DCسری هست.میخوام اگر بشه خودم انجامش بدم اما برای فرمولهاش دقیقا نمیدونم از کجا شروع کم و برای مدل سازی تو متلب قراره به چی برسم.ممکنه کمکم کنید؟

    • سلام خانم رضوانی

      من دقیقا نمی دانم که پروژه شما چگونه تعریف شده است. اما در خود محیط سیمولینک متلب انواع ماشینهای DC وجود دارند و در صورتیکه بخواهید خودتان کد مربوط به موتور را بنویسید باید در ابتدا مدل ماشین خود را داشته باشید که معمولا یک مدل درجه چندم می شود و سپس آن را در محیط متلب بصورت کد نویسی وارد کرده و حل بفرمایید. تا جایی که یادم می آید کتاب پال سی کراوز اینها را فرمول بندی کرده بود می توانید از آن کمک بگیرید.

  • با سلام . من دانشجوی ترم 3 برق هستم و به این مطالب و پژوهش علاقه دارم ولی تازه شروع کردم و چیز زیادی از این مطالب نمیفهمم. اگه امکان داره چنتا مقاله یا سایت برای شروع به من معرفی کنید.

    • سلام محمدامین عزیز

      برای شروع به کار سایت خود ما را می توانید ببینید. ما به غایت مسائل را ساده توضیح داده ایم. اگر اینها را متوجه نمی شوید شما در ابتدا باید کتاب مطالعه کنید تا بصورت پایه ای مطالب اصلی را فرا بگیرید و بعد برای حل مسائل خود مقاله مطالعه کنید. در زبان فارسی وبسایت ارزشمند خیلی کم است اما در زبان انگلیسی با یک جستجوی ساده موارد زیادی پیدا می کنید.

    • سلام وحید جان

      اگر منظور شما را خوب متوجه شده باشم. موتور دو سیم پیچه معمولا در مورد موتورهای القایی با چند سیم پیچ مصداق پیدا می کند سرعت موتور در موتورهای القایی نسبت عکس با تعداد قطب دارد برای داشتن سرعتهای مختلف دو سیم پیچی مثلا یکی شش قطب و دیگری چهار قطب (در موتورهای کولر) سیم پیچی می کنند و شما با کلید می توانید دو دور مختلف از موتور در اختیار داشته باشید. موتورهای دو دور آسانسور نیز به همین صورت می باشند دور تند چهار قطب و دور کند 16 قطب هستند.

  • با سلام و عرض احترام بعلت معیوب شدن یکی از موتورهای DCخط تولیدمون موتور دیگه ای رو که تقریبا مشابه اون بود جایگزین کردیم. این موتور دو تا ولتاژ فیلد داره.185 و 310 ولت.جریان کاری موتور 1150 آمپره و ولتاژ آرمیچرش 500 ولت. rpm پلاک 10-995 و 995-1140 ثبت شده. دور کاری ما 500 دوره با ولتاژ آرمیچر 300 ولت. ولتاژ تغذیه فیلدمون که الان به موتور میدیم 205 ولته. سوالی که از حضورتون دارم اینه که افزایش ولتاژ فیلد به 310 ولت به کم شدن فشار روی آرمیچر کمک میکنه یا اینکه نتیجه عکس میده؟ با تشکر فراوان

    • سلام مهیار جان

      من باید پلاک را ببینم تا مطمئن شوم که شما مجاز به اعمال ولتاژ بیشتر می باشید یا خیر؟ به فرض اینکه شما مجا به انجام این کار باشید. می دانیم که در صورت افزایش ولتاژ تحریک (فیلد) جریان آن نیز افزایش یلفته و باعث افزایش شار می شود. با افزایش شار مطابق رابطه نیروی ضد محرکه القایی در مرحله نخست ثابت می ماند مطابق رابطه شما یک پارامتر در سمت دیگر رابطه EA را افزایش داده اید لذا سرعت کم می شود. در این حالت جریان آرمیچر نیز کاهش خواهد یافت اول اینکه سرعت کم شده و توان تحویلی به بار کاهش یافته و دیگر اینکه در گشتاور ثابت هم با افزایش شار جریان آرمیچر کاهش خواهد یافت (رابطه گشتاور را ببینید). برای ثابت نگهداشتن دور موتور مجبور خواهید بود ولتاژ ترمینال آرمیچر را افزایش دهید. کلا یک سری از حالتهای گذرا به وجود می آید که باید تحلیل شود.

    • سلام بهمن جان

      با توجه به منحنی های گشتاور-سرعت در دو حالت سرعت بی باری موتور زیاد است. اول اینکه موتور دارای خودتحریک سری باشد که این موتورها نباید بی بار راه اندازی شوند. و مورد دیگر اینکه موتور شنت باشد اما تحریک آن قطع شده باشد که باعث خواهد شد سرعت به سمت بی نهایت شدن و آسیب به موتور پیش برود.

    • سلام فرهاد جان

      در موتورهای تحریک موازی مساوی ولتاژ شبکه است. و در موتورهای تحریم مستقل نیز به صورت مستقل کنترل می شود و به نظر طراحی الکتروموتور بستگی دارد.

  • درود فراوان بر شما استاد گرامی بنده جهت مونتاژ درایو dc از بردهایی استفاده میکنم،که آنچنان حفاظت خوبی برای تریستورها و یا حفاظت فیلد ندارند.شما چه چیزی پیشنهاد میکنید..با تشکر

    • سلام مجید جان

      خیلی ممنون از لطفی که به بنده دارید من در پروژه خودم از فیوزهای نیمه هادی استفاده کرده بودم.

  • با سلام یک موتور DC هنگام راه اندازی یک جریان معکوس به ما میده و بعد آزاد کردن ترمزهای درام متصل جریان معکوس حذف شده میشه علت این قضیه رو توضیح بدین با تشکر

    • سلام جناب قوامی
      خیلی متوجه نشدم که منظور شما چیست. لطفا در صورت نیاز با بنده تماس بگیرید.

    • سلام امید عزیز
      در موتورهای DC که سیم پیچ میدان دارند بله باید هر دو بصورت یک پیکربندی (سری، موازی، کمپوند یا تحریم مستقل) به برق متصل شوند. فقط در موتورهای PMDC که تحریک توسط آهنربا تامین می شود استاتور یا همان میدان به برق نیاز ندارد.

  • سلام جناب مهندس خسته نباشید در موتور دی سی فرق اینکه استاتور و روتور هر دو به یک منبع برق متصل بشن یا اینکه به منبع برق جداگانه وصل بشن چیه؟ با سپاس

    • سلام امید جان

      تفاوت آن به نوع عملکرد و رفتار موتور بستگی دارد. شما در حالت تحریک مستقل بیشترین درجه آزادی برای کنترل دور و گشتاور موتور را در اختیار دارید در موتور DC رفتار موتور به موتور القایی نزدیک است و در موتور سیری بیشترین گشتاور را در سرعتهای پایین خواهد داشت و پیوسته باید تحت بار راه اندازی شوند نیاز شما نوع اتصال و طراحی موتور را تعیین می کند.

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *