معرفی و بررسی موتورهای الکترومغناطیسی

access_time۱۴۰۳-۰۹-۰۹
perm_identity توسط:
folder_open مقالات آموزشی,مهندسی برق
موتورهای الکترومغناطیسی

با عرض سلام و آرزوی اوقات خوش برای شما، که در حال خواندن این مقاله هستید و دایاتیم را دنبال میکنید.

در این مقاله قصد بررسی موتور های الکترومغناطیسی و نحوه ی کارکرد آنها، اجزا و محتویاتشان بپردازیم. از اینکه که با صبر و اشتیاق مطالب دایا تیم را دنبال میکنید از شما سپاس گزاریم.

در ابتدا به بررسی مفهموم یک موتور الکتریکی میپردازیم، اینکه یک موتور الکتریکی چیست، چگونه کار میکند و از چه اجزایی تشکیل شده است ، برای این کار سه پرسش اصلی مطرح است :

موتور الکتریکی
موتور الکتریکی

 

1- اصلا به چه وسیله ای موتور الکتریکی میگوییم ؟

  • به‌طورکلی کاری که موتورهای الکتریکی انجام می‌دهند این است که انرژی الکتریکی را به انرژی مکانیکی تبدیل می‌کنند. یعنی می‌توانیم بگوییم موتورهای الکتریکی وسیله‌هایی هستند که توانایی انجام این کار را دارند. برخی از آنها با استفاده از برق و نیروی الکتریکی این عمل را انجام می‌دهند؛ و برخی دیگر حتی خود نیز می‌توانند تولید نیروی الکتریکی و برق داشته باشند. از یکی از مواردی که باعث خاص شدن موتورهای الکتریکی شده است می‌توان به این اشاره کرد که این موتورها بر خلاف اسمی که دارند تنها نیروی الکتریکی در آنها دخیل نیست و نیروی مکانیکی، مغناطیسی و… درون آنها مشاهده می‌شود.
  • موتورهای الکترومغناطیسی وسیله‌هایی هستند که در آنها برهم‌کنش دو نیروی الکتریکی و مغناطیسی باعث ایجاد حرکت و سایر کارهای مکانیکی می‌شود. برای اینکه موتورهای الکترومغناطیسی را خوب بشناسیم و درک کنیم ابتدا باید موتور الکتریکی را بشناسیم. نام دیگر این موتورها، موتورهای القایی است.

2- موتور الکتریکی چگونه کار می‌کند؟

  • یک موتور القایی سه‌فاز چهار قطبی از دو قسمت اصلی استاتور و روتور ساخته شده است: روتور و استاتور (Rotor and Stator). در ادامهٔ مقاله به برسی کامل روتور و استاتور خواهیم پرداخت پس هیچ جای نگرانی نیست اگر که با این اسم‌ها آشنایی ندارید.

3- حال، درون این موتورها چه چیزهایی نهفته‌اند؟

  • اگر شما یک مهندس برق هستید، می‌دانید موتور الکتریکی چگونه کار می‌کند. اگر این‌طور نیستید، می‌تواند برای شما بسیار گیج‌کننده باشد، بنابراین، با یک مثالی که تقریباً همهٔ ما با آن آشنا هستیم متوجه خواهید شد که این موتورها چگونه کار می‌کنند.

 

سه فاز یعنی چی؟

  • بر اساس اصول اولیه نیکولا تسلا تعریف شده در موتور القایی چند فازی او که در سال ۱۸۸۳ ارائه شد، “سه‌فاز” به جریان‌های انرژی الکتریکی اشاره دارد که از طریق باتری خودرو به استاتور عرضه می‌شود. این انرژی باعث می‌شود که سیم‌پیچ‌های سیم رسانا مانند آهنرباهای الکتریکی رفتار کنند.
سه فاز
سه فاز
  • یک راه ساده برای درک سه‌فاز این است که سه سیلندر را در نظر بگیرید که به شکل Y شکل دارند و از انرژی به سمت نقطه مرکزی برای تولید نیرو استفاده می‌کنند. همان‌طور که انرژی ایجاد می‌شود، جریان به جفت سیم‌پیچ‌های داخل موتور جریان می‌یابد، به‌گونه‌ای که به طور طبیعی یک قطب شمال و جنوب در داخل سیم‌پیچ‌ها ایجاد می‌کند و به آنها اجازه می‌دهد؛ مانند طرف مقابل یک آهنربا عمل کنند.

 

حال که تعریف سه‌فاز را می‌دانیم می‌توانیم به بررسی مهم‌ترین اجزای سازندهٔ این موتورهای الکتریکی و الکترومغناطیسی بپردازیم:

اجزای سازندهٔ این موتورهای الکتریکی و الکترومغناطیسی
اجزای سازندهٔ این موتورهای الکتریکی و الکترومغناطیسی

  1. روتور (Rotor):

  • روتور از سه قسمت ساخته شده است – یک هسته روتور، میله‌های رسانا و دو حلقه انتهایی. ورقه‌های فولادی آلیاژی با درجه بالا هسته روتور استوانه‌ای را تشکیل می‌دهند که شبیه میله‌ای است که از مرکز آن عبور می‌کند. در قسمت خارجی هسته روتور شکاف‌هایی وجود دارد که یا به‌موازات میله میله مانند در مرکز هسته روتور قرار دارند یا کمی پیچ‌خورده‌اند تا شکاف‌های مورب را تشکیل دهند. اگر هسته استاتور دارای شکاف‌های مورب در قسمت بیرونی هسته باشد، به آن روتور قفس سنجابی می‌گویند.
  • روتور بخش پویا موتور است؛ بخشی که چرخش می‌کند و کار سنگین را انجام می‌دهد.

  • دو نوع رایج روتور عبارت‌اند از:

  1. موتور سنجابی (Squirrel Cage Induction Motor): در این نوع روتور، پیچ‌های روتور به شکل یک سنجابی تراشه شده‌اند و به یک حلقهٔ فلزی متصل هستند. این نوع روتور بسیار مقاوم و کارآمد است.
  2. موتور با روتور پیچ‌دار (Slip-ring or Wound Rotor Induction Motor): در این نوع روتور، پیچ‌های روتور به یک حلقهٔ پیچ‌دار متصل هستند. این نوع روتور برای کاربردهای خاص مانند کنترل سرعت مناسب.

 

موتور با روتور پیچ‌دار و سنجابی
موتور با روتور پیچ‌دار و سنجابی

  1. استاتور(Stator):

  • استاتور از سه بخش تشکیل شده است – یک هسته استاتور، یک سیم رسانا و یک قاب. هسته استاتور گروهی از حلقه‌های فولادی است که از یکدیگر عایق شده و با هم لمینت شده‌اند. این حلقه‌ها دارای شکاف‌هایی در داخل حلقه‌ها هستند که سیم رسانا به‌دور آنها می‌پیچد و سیم‌پیچ‌های استاتور را تشکیل می‌دهد.
  • به زبان ساده، در یک موتور القایی سه‌فاز، سه نوع سیم مختلف وجود دارد. می‌توانید این نوع سیم‌ها را فاز ۱، فاز ۲ و فاز ۳ بنامید.
  • هنگامی که سیم رسانا درون‌هسته استاتور قرار گرفت، هسته درون قاب قرار می‌گیرد.
  • استاتور قسمت ثابت موتور الکتریکی است که روتور درون آن قرار دارد.
  • این قسمت معمولاً به بدنهٔ موتور متصل است و حرکت نمی‌کند.
  • استاتور با ایجاد میدان مغناطیسی، باعث به حرکت در آمدن روتور می‌شود.
  • در برخی موتورها، استاتور نیز می‌تواند به‌عنوان آرمیچر عمل کند.
  • به طور خلاصه روتور بخش متحرک و استاتور بخش ثابت موتور الکتریکی است. (باتوجه‌به اسم آنها نیز می‌توان متوجه شد: چرخش،Rotation=ثابت( Stator=
  • یک موتور القایی سه‌فاز و چهار قطبی از روتورهای قفس سنجابی استفاده می‌کند. در امتداد خطوط مورب در هسته، میله‌های رسانا برای ایجاد سیم‌پیچی روتور قرار می‌گیرند. سپس حلقه‌های انتهایی در دو طرف هسته قرار می‌گیرند تا تمام میله‌های رسانایی که در خطوط مورب هسته روتور قرار گرفته‌اند، اتصال کوتاه کنند.
  • هنگامی که روتور و استاتور مونتاژ شدند، روتور به داخل استاتور می‌لغزد و دو زنگ انتهایی در دو طرف قرار می‌گیرد. این زنگ‌های انتهایی از همان ماده‌ای ساخته شده‌اند که قاب استاتور است و برای محافظت از موتور از هر دو طرف استفاده می‌شود. روتور قسمتی از موتور الکتریکی است که درون آن چرخش ایجاد می‌شود. این قسمت معمولاً در داخل موتور قرار دارد و به حرکت درمی‌آید. وقتی جریان الکتریکی از سیم حامل درون موتور عبور می‌کند نیروی مکانیکی ایجاد می‌شود که باعث چرخش روتور می‌شود.
  • روتور می‌تواند به‌عنوان آرمیچر (Armature) نیز شناخته شود.

 

استاتور
استاتور

 

همان‌طور که در اول این مقاله ذکر کردیم، بررسی این موتورها درصورتی‌که با آنها آشنایی نداشته باشید می‌تواند سخت و گیج‌کننده باشد. اکنون در قالب مثال می‌خواهیم نمونه‌ای از یک موتور که با نیروی الکتریکی و مغناطیسی کار می‌کند شما را با این وسیله‌های جذاب آشنا کنیم.

 

مثال ما با باتری ماشینی که به موتور متصل است شروع می‌شود:  انرژی الکتریکی از طریق باتری خودرو به استاتور می‌رسد. سیم‌پیچ‌های درون استاتور (ساخته شده از سیم رسانا) در طرفین مخالف هسته استاتور قرار گرفته‌اند و به‌نوعی مانند آهنربا عمل می‌کنند؛ بنابراین، هنگامی که انرژی الکتریکی از باتری خودرو به موتور عرضه می‌شود، سیم‌پیچ‌ها میدان‌های مغناطیسی چرخشی ایجاد می‌کنند که میله‌های رسانای بیرونی روتور را در امتداد پشت آن می‌کشد. روتور چرخان چیزی است که انرژی مکانیکی موردنیاز را برای چرخاندن چرخ‌دنده‌های خودرو ایجاد می‌کند که به نوبه خود لاستیک‌ها را می‌چرخاند.

اکنون، در یک ماشین معمولی که برقی نیست، هم موتور و هم دینام وجود دارد. باتری موتور را تأمین می‌کند که چرخ‌دنده‌ها و چرخ‌ها را تأمین می‌کند. چرخش چرخ‌ها همان چیزی است که دینام خودرو را تغذیه می‌کند و دینام باتری را دوباره شارژ می‌کند.

 

سوال : در خودروهای برقی دینام وجود ندارد. بنابراین، باتری چگونه شارژ می شود؟

درحالی‌که هیچ دینام جداگانه‌ای وجود ندارد، موتور در یک ماشین الکتریکی هم به‌عنوان موتور و هم به‌عنوان دینام عمل می‌کند. این یکی از دلایل منحصربه‌فرد بودن خودروهای الکتریکی است. همان‌طور که در بالا ذکر شد، باتری موتور را روشن می‌کند که انرژی را به چرخ‌دنده‌ها می‌رساند و تایرها را می‌چرخاند. این فرایند زمانی اتفاق می‌افتد که پای شما روی پدال گاز قرار می‌گیرد – روتور توسط میدان مغناطیسی در حال چرخش کشیده می‌شود و به گشتاور بیشتری نیاز دارد. اما وقتی پدال گاز را رها می‌کنید چه اتفاقی می‌افتد؟

وقتی پای شما از شتاب‌دهنده جدا می‌شود، میدان مغناطیسی در حال چرخش متوقف می‌شود و روتور سریع‌تر شروع به چرخش می‌کند (برخلاف اینکه توسط میدان مغناطیسی کشیده می‌شود). هنگامی که روتور سریع‌تر از میدان مغناطیسی دوار در استاتور می‌چرخد، این عمل باتری را شارژ می‌کند و به‌عنوان یک دینام عمل می‌کند.

 

یکی از مفاهیم مهم در این زمینه بررسی انواع جریان و اثراتی است که هر کدام از آنها ایجاد می‌کنند.

 

  • جریان متناوب (AC) در مقابل جریان مستقیم (DC) چیست؟

تفاوت‌های مفهومی پشت این دو نوع جریان به‌ظاهر کاملاً آشکار است. درحالی‌که یک جریان ثابت است، جریان دیگر متناوب‌تر است. بااین‌حال، همه چیز کمی پیچیده‌تر از این توضیح ساده است، بنابراین اجازه دهید این دو اصطلاح را با کمی جزئیات بیشتر تحلیلی کنیم.

جریان متناوب (AC) در مقابل جریان مستقیم (DC)
جریان متناوب (AC) در مقابل جریان مستقیم (DC)
1- جریان مستقیم (DC):

اصطلاح جریان مستقیم به برقی اطلاق می‌شود که همیشه در یک‌جهت منفرد و ثابت حرکت می‌کند. علاوه بر این، ولتاژ جریان مستقیم یک قطبیت منظم را حفظ می‌کند، یعنی قطبی که تغییر نمی‌کند.

به این فکر کنید که باتری‌ها چگونه جنبه‌های مثبت و منفی خود را به‌وضوح مشخص کرده‌اند. آنها از جریان مستقیم برای ارسال ولتاژ یکسان به بیرون استفاده می‌کنند. علاوه بر باتری‌ها، پیل‌های سوختی و سلول‌های خورشیدی نیز جریان مستقیم تولید می‌کنند، درحالی‌که اعمال ساده مانند مالش برخی مواد به یکدیگر می‌توانند DC را نیز تولید کنند.

مطابق با مفهوم باتری ما، هنگام درنظرگرفتن جنبه‌های مثبت و منفی باتری، توجه به این نکته مهم است که جریان مستقیم همیشه در یک‌جهت بین طرف مثبت و منفی جریان دارد. این تضمین می‌کند که هر دو طرف باتری همیشه مثبت و منفی هستند.

 

2- جریان متناوب (AC)

اصطلاح جریان متناوب نوعی الکتریسیته را تعریف می‌کند که با ولتاژ (فشار آب در شیلنگ) و جریان (میزان جریان آب از طریق شیلنگ) مشخص می‌شود که باتوجه‌به زمان متفاوت است. با تغییر ولتاژ و جریان یک سیگنال AC، اغلب از الگوی یک موج سینوسی پیروی می‌کنند. باتوجه‌به اینکه شکل موج یک موج سینوسی است، ولتاژ و جریان در طول زمان بین قطب مثبت و منفی متناوب می‌شوند. شکل موج سینوسی سیگنال‌های AC به دلیل نحوه تولید الکتریسیته است.

اصطلاح دیگری که ممکن است هنگام بحث در مورد برق AC بشنوید فرکانس است. فرکانس سیگنال تعداد سیکل‌های موج کاملی است که در طول یک ثانیه زمان تکمیل شده است. فرکانس بر حسب هرتز اندازه‌گیری می‌شود و در ایالات متحده، فرکانس استاندارد خط برق ۶۰ هرتز است. این بدان معنی است که سیگنال AC با نرخ ۶۰ چرخه کامل برگشت در هر ثانیه نوسان می‌کند.

 

سوال : پس چرا این موضوع نوع جریان برق مهم است؟

برق AC بهترین راه برای انتقال انرژی قابل‌استفاده از یک منبع تولید (سد یا آسیاب بادی) در فواصل دور است. این به دلیل ماهیت متناوب سیگنال AC است که اجازه می‌دهد تا ولتاژ به‌راحتی به مقادیر مختلف افزایش یا کاهش یابد. به همین دلیل است که پریزهای خانه شما ۱۲۰ ولت متناوب (ایمن‌تر برای مصرف انسان) می‌گویند، اما ولتاژ یک ترانسفورماتور توزیع که برق یک محله را تأمین می‌کند (آن جعبه‌های خاکستری استوانه‌ای که روی تیرهای خطوط برق می‌بینید) ممکن است ولتاژی به‌اندازه ولتاژ داشته باشد. ۶۶ کیلوولت آمپر (۶۶۰۰۰ ولت AC).

برق AC به ما امکان می‌دهد ژنراتورها، موتورها و سیستم‌های توزیع را از برق بسازیم که بسیار کارآمدتر از جریان مستقیم هستند، به همین دلیل است که AC محبوب‌ترین جریان انرژی برای کاربردهای برق است.

 

موتورهای القایی سه فاز چهار قطبی چگونه کار می کند و کاربرد آنها چیست؟

 

موتورهای القایی سه فاز چهار قطبی
موتورهای القایی سه فاز چهار قطبی

 

بیشتر موتورهای صنعتی بزرگ، موتورهای القایی هستند و برای تغذیه قطارهای دیزلی، ماشین ظرف‌شویی، فن‌ها و موارد بی‌شمار دیگر استفاده می‌شوند. اما، موتور “القایی” دقیقاً به چه معناست؟ در اصطلاح فنی به این معنی است که سیم‌پیچ‌های استاتور جریانی را به هادی‌های روتور القا می‌کنند. در اصطلاح عامیانه، این بدان معناست که موتور به این دلیل راه‌اندازی می‌شود که الکتریسیته به‌جای اتصال مستقیم به الکتریسیته، مانند موتورهای دیگر مانند موتور کموتاتور DC، توسط جریان‌های مغناطیسی به روتور القا می‌شود.

 

پلی فاز به چه معناست؟

هر زمان که یک استاتور دارید که چندین سیم‌پیچ منحصربه‌فرد در هر قطب موتور را در خود جای دهد، با چند فاز سروکار دارید. معمولاً انتظار می‌رود که یک موتور چند فاز از سه‌فاز ساخته شود، اما موتورهایی وجود دارند که از دوفاز استفاده می‌کنند. یک سیستم چند فازی از چندین ولتاژ برای تغییر فاز جدا از هر یک استفاده می‌کند تا عمداً از خط خارج شود.

 

نتیجه

موتور الکتریکی مسیر تاریخ را تغییر می‌دهد به همان شیوه‌ای که موتور بخار و ماشین چاپ پیشرفت را دوباره تعریف کردند. درحالی‌که موتور الکتریکی زمینه‌های جدیدی را مانند این اختراعات هموار نمی‌کند، بخش جدیدی از صنعت حمل‌ونقل را باز می‌کند که نه‌تنها بر سبک و عملکرد متمرکز است، بلکه تأثیر خارجی نیز دارد؛ بنابراین، درحالی‌که موتور الکتریکی ممکن است به دلیل معرفی برخی از اختراعات جدید یا ایجاد یک بازار جدید، جهان را اصلاح نکند، اما در حال تعریف مجدد نحوه تعریف ما به‌عنوان یک جامعه از پیشرفت است.

اگر هیچ‌چیز دیگری از پیشرفت‌های موتور الکتریکی حاصل نمی‌شود، حداقل می‌توانیم بگوییم که جامعه ما با آگاهی ما از تأثیرات زیست‌محیطی ما به جلو حرکت کرده است. این تعریف جدید پیشرفت است که توسط موتور الکتریکی تعریف شده است.

 

منابع:

زبان برنامه نویسی پایتون چیست و چه توانایی هایی دارد؟

کانال اطلاع رسانی تیم علمی و آموزشی دایا (کلیک کنید)

برچسب ها:
درباره محمدرضا رمضانی

دانشجوی مهندسی برق، علاقه مند به یادگیری هرچه بیشتر در حوزه های مختلف تکنولوژی به ویژه الکترونیک و برنامه نویسی.

دیدگاهتان را بنویسید