کلید را بزنید و از برق دائمی استفاده کنید. اجداد ما چقدر دوست داشتند از موتورهای الکتریکی استفاده کنند! امروزه شما میتوانید موتور های الکتریکی را همه جا ببینید از قطارهای برقی گرفته تا ماشین های کنترل از راه دور، شاید از این که این موتورها به راحتی در دسترس عموم است تعجب بکنید واقعا به این نکته توجه کردید که چند تا از این موتور های الکتریکی در اتاق شما هست ؟ احتمالا دو تا از این موتور ها را در هارد و فن کامپیوتر دیدید. نگاهی به اتاق خواب بیندازید این موتورها را میتوانید در سشوار و اسباب بازی بچه ها هم ببینید حتی آنها در فن حمام و ریش تراش هم وجود دارند به آشپزخانه بروید این موتور ها را در لوازم خانگی مثل ماشین لباسشویی ، ماشین ظرفشویی، مایکروویو، دستگاه قهوه آسیاب کن و قوطی باز کن برقی هم میتوان دید. اصولا موتور های الکتریکی جایگاه خود را به عنوان بزرگترین اختراع بشر تثبیت کرده اند . برای آشنایی بیشتر بهتر است که یکی از این موتور ها را باز کنیم و ببینیم که از چه بخشهایی تشکیل شده است.
الکترومغناطیس چگونه باعث حرکت موتور میشود؟
ایده اصلی موتور های برقی به صورت تئوری کاملا ساده است. اتصال جریان برق از یک طرف و چرخش محور یا میله که نیروی لازم برای حرکت هر نوع دستگاهی را فراهم میکند. حالا این ایده در عمل چگونه کار میکند؟ به عبارت بهتر چگونه الکتریسته به نیروی حرکتی تبدیل میشود؟ برای پاسخ به این سوال باید تقریبا به 200 سال پیش برگردیم.
فرض کنید شما سیمی معمولی را به صورت حلقه ای بزرگ در می آورید و بین قطب های آهنربایی نعل اسبی قوی و دائمی قرار می دهید. حال اگر دو سر سیم را به یک باتری وصل کنید ، سیم برای مدت کوتاهی بالا می رود. البته برای بار اول حیرت انگیز و مثل شعبده بازی به نظر میرسد! اما برای این اتفاق یک توضیح کاملا علمی وجود دارد. به این صورت که وقتی جریان الکتریسته وارد سیم میشود میدانی مغناطیسی در اطراف آن بوجود می آید حال اگر سیم را در نزدیک آهنربا دائمی قرار دهید ، این میدان مغناطیسی موقتی با میدان آهنربای دائمی تعامل می کند. از طرفی به این نکته واقف هستید که اگر دو آهنربا در کنار یکدیگر قرار بگیرند یکدیگر را جذب یا دفع میکنند لذا نتیجه این تعامل بلند شدن سیم است.
موتور الکتریکی از نظر تئوری به چه صورت کار میکند؟
اصولا رابطه بین الکتریسیه ، میدان مغناطیسی و حرکت در سال 1820 توسط فیزیکدانی فرانسوی بنام آندره ماری آمپر کشف شد میتوان گفت این کشف مبنای علمی موتور الکتریکی است از طرفی اگر بخواهیم این کشف علمی حیرت آور را به صورت عملی در وسایل امروزی ببینیم باید کمی جلوتر برویم. مخترعینی که این کشف را از حالت تئوری به شکل عملی در آوردن مایکل فارادی انگلیسی (1867-1791) ، ویلیام استورجون (1850-1783) و جوزف هنری (1878-1797) آمریکایی بودند. حالا ببینیم که آنها چگونه به این اختراع درخشان رسیدند.
فرض کنید سیمی U شکل را به صورت موازی در داخل میدان مغناطیسی قرار دهیم بر طبق قانون فلمینگ وقتیکه از یک طرف جریان وارد و از طرف دیگر خارج میشود یکی از سیمها رو به بالا و دیگری به طرف پایین حرکت میکند.[1]
اگر سیم پیچ مطابق توضیح بالا به این شکل حرکت کند در این صورت این چرخش دائمی بوده و باعث بوجود آمدن موتور الکتریکی میشود. البته با این تنظیمات این اتفاق نمیافتد برای اینکه سیم ها بلافاصله به هم میپیچند ولی اگر سیم پیچ ما به اندازه کافی بچرخد، در این صورت سیم ها در هم نمیروند. زمانی که سیم پیچ در وضعیت عمودی قرار بگیرد ، بر میگردد بنابراین جریان برق از طرف دیگر خارج میشود حالا نیروهای دو طرف سیم پیچ، عکس هم عمل میکنند به این معنا که از مسیری که آمده اند بازمیگردند، به عنوان مثال تصور کنید قطار برقی را که در حال رفت و برگشت بر روی یک نقطه است بدون اینکه به جایی برود.
توضیح تصویر :
همانگونه که در عکس میبینید یک تکنسین در حال تعمیر موتور برقی بر روی یک ناو هواپیما بر امریکایی است فلز براقی که وی استفاده میکند شبیه طلا است ولی در واقع مس میباشد این فلز علاوه بر اینکه رسانای خوبی است، ارزانتر هم میباشد.
یک موتور الکتریکی به صورت عملی چگونه کار میکند؟
برای غلبه بر این مشکل دو راه وجود دارد. استفاده از جریان متناوب یا AC که به طور دوره ای جهت جریان را معکوس می کند.در مقیاس کوچک میتوان به موتورهایی اشاره کرد که مجهز به باتری هستد و در خانه استفاده میشوند، راه حل دوم و بهتر افزودن قطعه ای به نام کموتاتور به انتهای سیم پیچ است. . به عبارت دیگر کموتاتور یک حلقه فلزی است که از دو نیمه جدا از هم تشکیل شده و وظیفه آن معکوس کردن جریان برق در سیم پیچ در هر بار نیم دور چرخش سیم پیچ است. جریان باتری نیز به ترمینال موتور وصل است. این جریان ، نیروی برق کموتاتور را ازطریق یک جفت جاروبک موتورهای الکتریکی تامین میکند جنس این جاروبک ها گرافیتی و یا از نوع فنری است. با قرار گرفتن کموتاتور در دستگاه ، سیم پیچ به صورت پیوسته در یک جهت حرکت میکند.
توضیح شکل: نمودار ساده شده قطعات در موتور الکتریکی و نحوه کار آن.
توجه داشته باشید که هر بار که سیم پیچ نیم دور میچرخد ، کموتاتور جریان را معکوس می کند. این بدان معنی است که نیروی موجود در هر طرف سیم پیچ همیشه در همان جهت فشار می آورد که باعث چرخش سیم پیچ در جهت عقربه های ساعت می شود.
البته این نوع موتور در ابعاد آزمایشی توان تولید نیروی برق لازم را ندارد. ولی میتوانیم به سه روش نیروی گشتاور را زیاد کنیم:
- استفاده از آهنربای قویتر
- افزایش جریان برق از طریق سیم
- افزایش تعداد دورهای سیم پیچ با سیم نازکتر به جای سیم ضخیم
ضمنا در موتور هایی که آهنربای مداوم به صورت مدور قرار گرفته و سیم پیچ تماس بیشتری با آهنربا دارد، نیروی بیشتری تولید میشود.
اگرچه در اینجا بخشهای مختلف را توضیح دادیم ولی موتوری را در نظر بگیرید که لزوما فقط دارای دو بخش اساسی است:
• در اطراف لبه بدنه موتور، یک آهنربا (یا آهنربا دائمی) وجود دارد که ثابت است و به آن استاتور موتور می گویند.
• در داخل استاتور ، یک سیم پیچ وجود دارد ، که بر روی محوری نصب شده است که با سرعت زیاد به دور خود می چرخد و روتور نامیده می شود. این روتور همچنین شامل کموتاتور است.
موتورهای یونیورسال
موتورهایی که با برق مستقیم یا DC کار میکنند را میتوان در وسایلی دید که از باتری استفاده میکنند. این موتورها را معمولامیتوان در وسایلی مانند قطارهای مدل ، ریش تراش یا رادیوی کنترلی اتومبیل پیدا کرد.اما در بسیاری از لوازم خانگی این موتورها دیده نمیشوند. چرا که لوازم خانگی کوچک مانند دستگاه اسیاب قهوه یا مخلوط کن معمولاً از موتورهای یونیورسال استفاده می کنند که منبع تغذیه آنها برق AC یا DC میباشد. برخلاف یک موتور ساده DC ، یک موتور یونیورسال به جای آهنربای دائمی ، دارای آهنربای الکترومغناطیسی است و انرژی خود را از جریان مستقیم ( DC ) یا متناوب ( AC ) به دو شکل زیر تامین میکند:
• وقتی که منبع تغذیه برق DC است ، آهنربای الکتریکی مانند آهنربای دائمی معمولی کار می کند و میدانی مغناطیسی تولید می کند که همیشه در یک جهت است.در اینجا کموتاتور دقیقاً مانند یک موتور ساده DC عمل میکند بدین معنا که در هر بار چرخش، جریان سیم پیچ را معکوس می کند ، بنابراین سیم پیچ همیشه در یک جهت می چرخد.
• وقتی که از برق AC استفاده میکنیم ، جریان جاری در آهنربای الکترومغناطیسی و سیم پیچ معکوس می شود ، دقیقاً به صورت مرحله ای ، بنابراین نیروی وارد شده به سیم پیچ همیشه در یک جهت است و موتور همیشه در جهت عقربه های ساعت یا برعکس آن می چرخد حال وضعیت کموتاتور چگونه است ؟ در این حالت فرکانس جریان خیلی سریعتر از چرخش موتور تغییر می کند و چون میدان مغناطیسی و جریان همیشه در یک مرحله قرار دارند ، لذا مهم نیست که در هر لحظه کموتاتور در چه موقعیتی قرار دارد.
عکسی از داخل یک موتور جهانی معمولی و در اندازه متوسط :
قسمتهای اصلی موتور قهوه آسیاب کن که با برق DC یاAC کار میکند. بخش خاکستری دور لبه، آهنربای الکترومغناطیسی است که استاتور (قسمت استاتیک) میباشد و نیروی آن از طریق سیم پیچ های نارنجی رنگ تأمین می شود. همچنین به شکاف های موجود در کموتاتور و برس های کربنی که به آن فشار می آورند. توجه کنید این شکاف ها نیروی لازم را برای روتور (قسمت چرخان) را تأمین می کنند البته موتور های القایی موجود در قطارهای برقی چندین برابر بزرگتر و قدرتمندتر از این هستند. در این موتور ها به جای استفاده ازجریان مستقیم DC یا AC خانگی با ولتاژ پایین از جریان متناوب (AC ) ولتاژ بالا استفاده میشود.
انواع دیگر موتور های الکتریکی
در موتورهای ساده DC و جهانی ، روتور در داخل استاتور می چرخد. روتور سیم پیچی است که به منبع تغذیه الکتریکی متصل است و استاتور یک آهنربا دائمی یا آهنربای الکترومغناطیسی است. موتورهای بزرگ که با برق AC کار میکنند مانند ماشین آلات موجود در کارخانه ها با کمی تفاوت به شکل دیگری عمل می کنند:
به این صورت که این موتورها جریان متناوب برق را از طریق یک جفت آهنربا که مخالف هم هستند عبور می دهند تا یک میدان مغناطیسی چرخشی ایجاد شود ، این میدان مغناطیسی چرخشی ، میدان مغناطیسی را در روتور ایجاد میکند که نهایتا منجر به چرخیدن روتور میشود. اگر یکی از این موتورهای القایی را باز کنید ، میبینید که استاتور بر روی خطی قرار گرفته بطوری که می تواند در امتداد آن و در یک خط مستقیم بچرخد. این طراحی هوشمندانه به عنوان یک موتور خطی شناخته می شود و شما آن را در مواردی از جمله ماشین آلات کارخانجات و مونوریل خواهید یافت.
طراحی جالب دیگر ، موتورهای بدون جاروبک[2] هستند. در این موتورها استاتور و روتور به طور موثری جایگزین یکدیگر می شوند به این شکل که در مرکز سیم پیچهای آهنی چند لایه ثابت میمانند و آهنربای دائمی به دور استاتور و روتور می چرخد. کموتاتور و جاروبک ها نیز با یک مدار الکترونیکی جایگزین می شوند. نوعی دیگر از موتورهای BLDC موتور های پله ای یا استپرموتورها[3] هستند که با زوایای دقیق و کنترل شده به دور خود میچرخند.
[1] Fleming’s Left-Hand Rule
[2] BLDC
