مقدمه

موتورهای القایی در فرآیندهای زندگی روزمره در همه جا حضور دارند. شما می توانید آن ها را در تهویه مطبوع، یخچال، خودرو، کمپرسور هوا و غیره پیدا کنید. اما آن ها چه هستند و چگونه کار می کنند؟ شما با خواندن این مقاله فهم خوبی از موتور القایی و نحوه عملکرد آن کسب خواهید کرد.

موتور القایی چیست؟

موتورهای القایی موتورهای الکتریکی هستند که از جریان متناوب (AC) استفاده می کنند و توسط یک میدان مغناطیسی که در حال چرخش است به حرکت در می آید. آن ها از یک روتور، یک استاتور و سیم پیچ هایی تشکیل شده اند که انرژی الکتریکی را با استفاده از القای الکترومغناطیسی به انرژی مکانیکی تبدیل می کنند. موتورهای القایی AC بسیار کارآمد و انعطاف پذیر هستند و از نظر طراحی نسبتاً ساده هستند که به آنها امکان می دهد تقریباً برای هر کاربرد الکتریکی با تقاضای بار مطابقت داشته باشند.

موتور القایی پرکاربردترین موتور در بین ماشین های الکتریکی است. آنها ارزان و مستحکم هستند و نگهداری آن ها نسبت به موتورهای دیگر آسان تر است.

ویدئوی ساختمان و نحوه عملکرد موتور القایی

در زمینه ساختمان و نحوه عملکرد موتور القایی یک ویدئوی زبان انگلیسی داریم که در موسسه موتور درایو ترجمه و به صورت حرفه ای ویرایش و زیرنویس شده است. (مدت زمان ویدئو 7 دقیقه و حجم آن در کیفیت 480P تقریبا 33 مگابایت می باشد) این ویدئوی جذاب را در ادامه ملاحظه بفرمایید

 

موتور القایی چگونه کار می کند؟

ساختمان موتور القایی سه فاز

موتورهای القایی دارای ساختار استاتوری شبیه به ماشین های سنکرون می­باشند. به لحاظ ساختار روتور، موتورهای القایی را می ­توان به دو نوع الکتروموتور با روتور سیم بندی شده و روتور قفسی یا قفس سنجابی تقسیم بندی کرد. در عمده متنهای علمی نیز بر همین دو نوع کلی تقسیم بندی شده­اند. ساختمان کلی آن شامل دو قسمت اصلی روتور و استاتور و یک قسمت نگهدارنده اجزای آن به نام محفظه می­باشند.

شکل 1 : ساختمان یک موتور القایی سه فاز

همان طور که قبلا اشاره شد موتور القایی دارای دو قسمت اصلی استاتور و روتور می باشد. استاتور بخش ساکن آن است و روتور بخش دوار موتور القایی است. استاتور از پشته کردن تعدادی زیادی ورقه از جنس آهن با نفوذ پذیری مغناطیسی بالا که در یک محفظه چدنی یا آلومینیومی قرار گرفته است تشکیل شده است. سیم پیچها بصورت سه فاز در داخل شیارهای استاتور قرار گرفته اند.

شکل 2: ورقه های تشکیل دهنده استاتور و استاتور سیم پیچی شده کامل درون فریم

هنگامی که جریان سه فاز از آنها عبور می کند. اتفاق جالبی می افتد. یک میدان مغناطیسی دوار داخل استاتور ایجاد می شود. برای درک بهتر این پدیده بهتر است یک سیم پیچ سه فاز ساده را در نظر بگیرید. فقط سه تا کلاف دارد.

شکل 3: طرح واره ای از یک سیم پیچ سه فاز ساده در استاتور

 می دانیم که با عبور جریان در یک سیم اطراف آن میدان مغناطیسی ایجاد می شود. جهت میدان ایجاد شده در اطراف سیم با قانون دست راست یا پیچ راستگرد بدست می آید در صورتیکه شست خود را عمود نگه دارید و انگشت شست جهت عبور جریان را نشان دهد چهار انگشت مشت شده جهت میدان ایجاد شده را نشان می دهند.

شکل 4: میدان مغناطیسی اطراف سیم حامل جریان و تاثیر میدان مغناطیسی بر سیم حامل جریان

ترکیب میدان مغناطیسی حاصل از عبور جریان سه فاز را مشاهده کنیم. در میدان مغناطیسی سه فاز در صورتیکه که جهت میدانها مشابه باشد با هم جمع شده و یک میدان بزرگتر را ایجاد می کنند.

در یک زمان معین با تغییر جهت جریان مطابق با تغییر در ولتاژ AC جهت میدان مغناطیسی تغییر می کند در این چهار لحظه مشخص دیده می شود که میدان مغناطیسی در حال چرخش است. به شکل زیر توجه کنید.

شکل 5: چگونگی تشکیل میدان مغناطیسی دوار در استاتور

ولتازهای سه فاز که بصورت استاندارد با هم اختلاف فاز 120 درجه دارند در شکل فوق نشان داده شده اند. و استاتور ساده تشریح شده که در هر فاز فقط از یک کلاف تشکیل شده است در پایین آن آورده شده است. بصورت قراردادی در صورتیکه جریان در حال خروج از سیم یا کلاف باشد آن را با علامت نقطه نشان می دهیم و در صورتیکه جهت آن به سمت داخل سیم باشد با ضربدر نشان می دهیم. حال بیایید در زمانهای مختلف جهت میدان مغناطیسی را بدست بیاوریم.

لحظه I: دامنه ولتاژ فاز U (مشکی رنگ) صفر ، ولتاژ فاز V (قرمز رنگ) منفی و ولتاژ فاز W (آبی رنگ( مثبت است. با استفاده از قانوت دست راست یا پیچ راستگرد جهت میدان در هر کدام از کلافها را بدست می آوریم و میانهای هم جهت را با هم جمع می کنیم تا یک میدان مجموع بدست بیاید. جهت خروج شار از میدان مجموع را با قطبS نشان می دهیم.

لحظهII : در این لحظه دامنه ولتاژ فاز U (مشکی رنگ( مثبت، ولتاژ فاز V (قرمز رنگ( منفی و ولتاژ فاز W (آبی رنگ( منفی است. با استفاده از قانوت دست راست یا پیچ راستگرد جهت میدان در هر کدام از کلافها را بدست می آوریم و میانهای هم جهت را با هم جمع می کنیم تا یک میدان مجموع بدست بیاید. جهت خروج شار از میان مجموع را با قطب S نشان می دهیم. همان طور که مشاهده می کنید در این لحظه جهت میدان 90 درجه بصورت ساعتگرد نسبت به لحظه I چرخیده است.

در صورتیکه مراحل تشریح شده را برای لحظات III و IV نیز دنبال کنید مشاهده خواهید کرد که جهت میدان تشکیل شده در استاتور بصورت ساعتگرد می چرخد. روابط زیر را خواهیم داشت.

سرعت دوران میدان مغناطیسی با عنوان سرعت سنکرون شناخته می شود.

در صورتیکه یک حلقه سیم را درون میدان مغناطیسی قرار دهیم. میدان مغنطیسی را حس می کند و مطابق قانون فاراده در آن emf (نیروی محرکه الکتریکی) القا می شود. emf القاء شده جریانی را در حلقه بسته برقرار می کند در این حالت مطابق قانون لورنس یک نیرو در حلقه تولید می شود که باعث می شود حلقه بچرخد.

 شکل 6: تاثیر میدان مغناطیسی دوار استاتور بر روی حلقه اتصال کوتاه شده در داخل آن

پدیده مشابهی نیز در موتور القایی رخ می دهد. در اینجا به جای یک حلقه ساده ساختاری شبیه به یک قفس سنجاب وجود دارد جریان سه فاز با عبور از استاتور با سیم پیچی سه فاز یک میدان مغناطیسی دوار تولید می کند.

مطابق گفته های پیشین ما جریان گذرنده در میله های روتور نیرو تولید می کند باید میله های روتور با استفاده از رینگهای انتهایی اتصال کوتاه شده باشند. در این حالت روتور شروع به چرخش می کند. این ترکیب موتور القایی نامیده می شود. الکتریسیته به جای هدایت مستقیم از طریق القاء وارد روتور می شود.

شکل 7: جریان القایی در روتور و نیروی وارده بر میله های اتصال کوتاه شده روتور

 برای کمک به هدایت بهتر میدان مغنطیسی در میان میله های روتور ورقه های مغنطیسی قرار داده می شود. که برای کوچکتر کردن جریان گردابی به صورت ورقه های پشته شده هستند.در شکل زیر اجزای یک روتور را نشان می دهد.

شکل 8: اجزای تشکیل دهنده روتور موتور القایی

یکی دیگر از بزرگترین مزایای موتورهای القایی این است که ذاتا بصورت نرم راه اندازی می شوند. حال شما مشاهده می کنید که میدان مغناطیسی استاتور خود روتور می چرخند. اما روتور با چه سرعتی می چرخد؟ برای تجزیه و تحلیل بیشتر چند حالت را در نظر می گیریم.

سرعت روتور برابر با سرعت میدان مغناطیسی استاتور چون سرعت روتور با سرعت میدان مغناطیسی یکسان است با میدان مغناطیسی ثابتی مواجه است از اینرو هیچ emf در آن القاء نمی شود و نیروی وارده به میله های روتور صفر می شود. و از این رو سرعت روتور شروع به کاهش می کند و با کاهش سرعت آن حلقه روتور در معرض میدان مغناطیسی متغیر قرار می گیرد و جریان مجددا القاء شده و نیرو افزایش می یابد سرعت روتور افزایش می یابد و سرعت روتور افزایش می یابد در عمل سرعت روتور هیچ وقت نمی تواند از سرعت میدان مغناطیسی بیشتر شود.

روتور همیشه با سرعتی کمتر از سرعت میدان مغناطیسی می چرخد. اختلاف بین سرعت سنکرون و سرعت چرخش روتور به عنوان سرعت لغزش شناخته می شود. گردش روتور توان مکانیکی را به شفت انتقال می دهد. در واقع در موتور القایی انرژی برق به استاتور وارد می شود و از طریق شفت روتور بصورت مکانیکی از موتور خارج می شود. تلفات انرژی در موتور بصورت حرارت تلف می گردد از اینرو برای خنک کاری آن به یک پره نیاز می باشد.

خلاصه ای کوتاه و مفید

موتورهای القایی موتورهای الکتریکی هستند که از جریان متناوب (AC) استفاده می کنند و توسط یک میدان مغناطیسی که در حال چرخش است به حرکت در می آید. آن ها از یک روتور، یک استاتور و سیم پیچ تشکیل شده اند.

هنگامی که جریان سه فاز از استاتور عبور می کند، با سیم پیچی سه فاز یک میدان مغناطیسی دوار تولید می کند سپس روتور شروع به حرکت می کند.