الکتروموتور
الکتروموتور چیست؟
الکتروموتور یا موتور الکتریکی (Electric Motor)، وسیله‌ای است که انرژی الکتریکی را به انرژی مکانیکی (معمولاً به شکل دورانی) تبدیل می‌کند. به عبارت ساده‌تر، الکتروموتورها وسایلی هستند که از نیروی الکتریکی برای تولید نیروی محرکه استفاده می‌کنند.
موتورهای الکتریکی نه تنها وسیله‌ای ساده و کارآمد برای تولید سطوح بالای خروجی محرکه هستند، بلکه کوچکتر کردن آن‌ها نیز آسان است و می‌توانند در ماشین‌آلات و تجهیزات دیگر ادغام شوند. در نتیجه، آن‌ها در طیف گسترده‌ای از کاربردها هم در صنعت و هم در زندگی روزمره یافت می‌شوند.
اکثر الکتروموتورها از طریق تعامل بین میدان مغناطیسی موتور و جریان الکتریکی در سیم پیچ کار می‌کنند تا نیرویی به شکل گشتاور روی شفت موتور ایجاد شود. یک ژنراتور الکتریکی از نظر مکانیکی با موتور الکتریکی یکسان است، اما به صورت معکوس عمل کرده و انرژی مکانیکی را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند.
موتورهای الکتریکی می‌توانند از منابع جریان مستقیم (DC) مانند باتری یا یکسوساز یا منابع جریان متناوب (AC) مانند شبکه برق، اینورتر یا ژنراتور الکتریکی تغذیه شوند. این نوع موتورها ممکن است بر اساس فاکتورهایی مانند نوع منبع نیرو، ساختار، کاربرد و نوع خروجی حرکت طبقه‌بندی شوند. الکتروموتورها می‌توانند از نوع جاروبک‌دار، بدون جاروبک، تک فاز، دو فاز، سه فاز، شار محوری یا شار شعاعی باشند. همچنین، موتورهای الکتریکی ممکن است دارای سیستم هواخنک یا آب‌خنک برای دفع حرارت حین کارکرد باشند.
تاریخچه کوتاهی از موتور الکتریکی
نخستین موتورهای الکتریکی، دستگاه‌های الکترواستاتیک ساده بودند که توسط یک راهب اسکاتلندی به نام اندرو گوردون و آزمایشگر آمریکایی بنجامین فرانکلین در دهه 1740 آزمایش شدند. با توجه به دشواری تولید ولتاژهای بالای مورد نیاز، موتورهای الکترواستاتیک هرگز برای اهداف عملی استفاده نشدند.
اولین الکتروموتور کموتاتور DC که قادر به چرخش ماشین‌آلات بود، توسط دانشمند انگلیسی ویلیام استورجن در سال 1832 اختراع شد. مخترعان متعددی از استورجن در توسعه موتورهای DC تقلید کردند، اما همه به خاطر مشکلاتی مانند هزینه بالای تأمین انرژی اولیه، از نظر تجاری نتوانستند موفق عمل کنند. پس از تلاش‌های کم و بیش موفقیت‌آمیز دیگر، مورتیز فون جاکوبی نخستین الکتروموتور دوار واقعی را در سال 1834 توسعه داد و توانست قدرت خروجی مکانیکی قابل توجهی را ایجاد کند.
اولین موتور القایی بدون کموتاتور AC توسط گالیله فراریس در سال 1885 اختراع شد. شرکت جنرال الکتریک توسعه موتورهای القایی سه فاز را در سال 1891 آغاز کرد. اکنون در قرن 21 و در سال 2022، فروش الکتروموتور 800 میلیون دستگاه در جهان تخمین زده شده است. حدود چهار دهه است که موتورهای AC سهم بیشتری از بازار الکتروموتور را به خود اختصاص داده‌اند. جالب است بدانید موتورهای الکتریکی حدود 50 درصد از برق جهان را مصرف می‌کنند.
الکتروموتور چگونه کار می‌کند؟
طبق قانون دست چپ فلمینگ، زمانی که جریان عمود بر میدان مغناطیسی از آهنربا جریان می‌یابد، نیروی رو به بالا ایجاد می‌شود. الکتروموتور با نیروی تولیدشده توسط جریان الکتریکی که از طریق یک سیم پیچ در حضور میدان مغناطیسی جریان می‌یابد و باعث چرخش شفت موتور می‌شود، کار می‌کند. به عنوان مثال، در مورد یک الکتروموتور DC دارای جاروبک، می‌توان از این نیرو برای حفظ چرش پیوسته با معکوس کردن جهت جریان در هر نیم چرخش سیم پیچ استفاده کرد.
به طور کلی، کارکرد الکتروموتور شامل پنج مرحله است، به شرح زیر:
- جریان الکتریکی از منبع از طریق جاروبک‌های کربنی از میان مدار روتور عبور می‌کند.
- این جریان یک میدان مغناطیسی در اطراف روتور ایجاد می‌کند. میدان شمالی رو به میدان شمالی آهنربا است و میدان جنوبی رو به میدان جنوبی آهنربای دیگر.
- میدان‌های مغناطیسی مخالف باعث ایجاد نیروی دافعه می‌شوند که روتور را از آهنرباها دور می‌کند.
- چنانکه روتور از نقطه‌ای که کنتاکت‌های کموتاتور از هم جدا می‌شوند، می‌چرخد، جریان عبوری از روتور معکوس می‌شود.
- معکوس شدن جریان باعث می‌شود که میدان اطراف روتور نیز معکوس شود و به خاطر میدان‌های دافعه آهنرباها، به فشار دادن روتور به اطراف ادامه می‌دهد. به این ترتیب، حرکت چرخشی ایجاد می‌شود.
اجزای الکتروموتور
یک الکتروموتور دارای دو بخش مکانیکی روتور و استاتور است. از نظر الکتریکی، موتور از دو بخش آهنربای میدان و آرمیچر تشکیل شده است که یکی به روتور و دیگری به استاتور متصل است. آن‌ها با همدیگر یک مدار مغناطیسی را تشکیل می‌دهند. آهنربای میدان معمولاً روی استاتور و آرمیچر روی روتور قرار دارد.
- روتور: روتور قطعه متحرکی است که نیروی مکانیکی را تولید می‌کند.
- استاتور: استاتور، روتور را احاطه کرده و آهنرباهای میدانی را در خود نگه می‌دارد.
- آرمیچر: آرمیچر از سیم پیچ مسی روی یک هسته فرومغناطیس تشکیل شده است. عبور جریان الکتریکی از سیم باعث می‌شود که میدان مغناطیسی نیرویی به آن وارد کند و روتور را بچرخاند.
- کموتاتور: کموتاتور یک کلید الکتریکی دوار است که جریان را به روتور می‌رساند و با چرخش شفت به صورت دوره‌ای، جریان در سیم پیچ‌های روتور را معکوس می‌کند.
- شفت: شفت موتور تا قسمت بیرونی امتداد می‌یابد تا بار را تأمین کند.
- یاتاقان: یاتاقان‌ها نقش پشتیبان را برای روتور دارند که به روتور اجازه می‌دهد تا با انتقال نیروی محوری و شعاعی از شفت به محفظه موتور، روی محور خود بچرخد.
انواع الکتروموتور
الکتروموتور بسته به نوع جریانی که استفاده می‌کند، طراحی سیم پیچ‌ها و نحوه تولید میدان مغناطیسی، به اشکال مختلف تولید می‌شود. موتورهای الکتریکی به سه نوع اصلی زیر طبقه‌بندی می‌شوند که عبارتند از:
- الکتروموتور DC
- الکتروموتور AC
- الکتروموتور استپر
الکتروموتور DC
الکتروموتورهای DC، موتورهایی هستند که توسط منبع تغذیه جریان مستقیم کار می‌کنند. بسته به اینکه از جاروبک استفاده می‌کنند یا نه، الکتروموتورهای DC به دو دسته جاروبک‌دار یا بدون جاروبک دسته‌بندی می‌شوند. در حالی که موتورهای DC دارای جاروبک برای کار کردن فقط باید به منبع تغذیه DC متصل شوند، اما موتورهای DC بدون جاروبک به یک سنسور برای تعیین جهت قطب‌های مغناطیسی روتور و یک مدار محرک برای تأمین جریان مناسب نیاز دارند.
الکتروموتور AC
الکتروموتورهای AC، موتورهایی هستند که توسط منبع تغذیع جریان متناوب تغذیه می‌شوند. موتورهای الکتریکی AC را بر اساس تک فاز یا سه فاز بودن این منبع تغذیه گروه‌بندی می‌کنند. موتورهای الکتریکی تک فاز خود به دو دسته موتورهای خازنی که از خازن برای تولید گشتاور استفاده می‌کنند و موتورهای قطب‌چاکدار که دارای یک سیم پیچ اضافی به نام سیم پیچ چاکدار یا سیم پیچ سایه‌ای هستند، طبقه‌بندی می‌شوند.
الکتروموتور استپر
الکتروموتورهای استپر (Stepper Motor)، موتورهای الکتریکی هستند که هر بار که یک پالس وارد می‌شود، با یک گام (زاویه) ثابت می‌چرخند. موتورهای استپر را می‌توان بر اساس ساختار روتور آن‌ها گروه‌بندی کرد. موتورهای با آهنربای دائمی (PM) دارای آهنربا در روتور هستند، موتورهای رلوکتانس متغیر (VR) دارای هسته آهنی هستند و موتورهای هیبریدی هر دو نوع هسته را دارند.
علاوه بر دسته‌بندی بالا، موتورهای الکتریکی را به انواع دیگری نیز طبقه‌بندی می‌کنند.
| نوع موتور الکتریکی | خصوصیات |
| موتور خطی | الکتروموتوری که استاتور و روتور آن شکل خطی و مستطیلی دارد و دوار نیست. |
| موتور اولتراسونیک | الکتروموتوری که به وسیله ارتعاشات اولتراسونیک می‌چرخد. |
| موتور بدون هسته | الکتروموتور DC دارای جاروبک با روتوری که فاقد هسته آهنی است یا یک الکتروموتور بدون جاروبک با استاتوری که هسته آهنی ندارد. |
| موتور یونیورسال | الکتروموتوری که دارای روتور و استاتور لغزان است که هم با جریان متناوب و هم با جریان مستقیم کار می‌کند. |
| موتور هیسترزیس | الکتروموتور AC که جنس روتور به گونه‌ای است که خاصیت هیسترزیس دارد و با استفاده از گشتاور هیسترزیس می‌چرخد. |
| موتور SR | الکتروموتور استپر که دارای عملکردی برای تشخیص موقعیت روتور است که مانع از ناهمگام‌سازی می‌شود. |
کاربرد الکتروموتور
ویژگی‌هایی مانند اندازه کوچک، خروجی بالا، نویز و لرزش کم و طول عمر بالا به این معنی است که می‌توان از موتورهای الکتریکی در طیف گسترده‌ای از کاربردها استفاده کرد. از جمله کاربردهای الکتروموتور، می‌توانیم به موارد زیر اشاره کنیم:
- دستگاه‌های تهویه مطبوع
- لوازم خانگی
- آبگرمکن‌ها و مشعل‌ها
- تجهیزات مراقبت از سلامت
- سیستم‌های آنالیز آزمایشگاهی
- ماشین‌آلات تولیدی
- تجهیزات اداری
- دستگاه‌های خودپرداز
- دستگاه‌های کپی
- و...