موتورهای الکتریکی در همه جا هستند! در خانه شما، تقریباً هر حرکت مکانیکی که می‌بینید ناشی از یک موتور الکتریکی AC (جریان متناوب) یا DC (جریان مستقیم) است. در این مقاله به بررسی هر دو نوع خواهیم پرداخت.
با درک نحوه کار یک موتور، می‌توانید اطلاعات زیادی درباره مغناطیس، آهنربای الکتریکی و برق به طور کلی یاد بگیرید. یک موتور الکتریکی از آهنرباها برای ایجاد حرکت استفاده می‌کند. اگر تا به حال با آهنرباها بازی کرده‌اید، درباره قانون اساسی همه آهنرباها می‌دانید: قطب‌های مخالف یکدیگر را جذب می‌کنند و قطب‌های مشابه یکدیگر را دفع می‌کنند.
بنابراین، اگر دو آهنربای میله‌ای داشته باشید که انتهای آن‌ها با “شمال” و “جنوب” علامت‌گذاری شده است، انتهای شمال یکی از آهنرباها انتهای جنوب دیگری را جذب خواهد کرد. از طرف دیگر، انتهای شمال یکی از آهنرباها انتهای شمال دیگری را دفع خواهد کرد (و جنوبی‌ها نیز یکدیگر را دفع می‌کنند). درون یک موتور الکتریکی، این نیروهای جذب و دفع باعث ایجاد حرکت چرخشی (Rotational motion) می‌شوند.
درون موتور الکتریکی
برای درک نحوه عملکرد یک موتور الکتریکی، کلید کار در فهم آهنربای الکتریکی یا الکترومگنت نهفته است. (برای جزئیات کامل به «چگونه الکترومگنت‌ها کار می‌کنند» مراجعه کنید.)
یک آهنربای الکتریکی اساس یک موتور الکتریکی است. فرض کنید که یک آهنربای الکتریکی ساده ایجاد کرده‌اید که از ۱۰۰ حلقه سیم دور یک میخ پیچیده شده و به یک باتری متصل است. در این حالت، میخ به یک آهنربا تبدیل می‌شود و در حالی که باتری متصل است، دارای قطب شمال و قطب جنوب خواهد بود.
حالا فرض کنید آهنربای الکتریکی میخی خود را برداشته و یک میله را از وسط آن عبور داده و در وسط یک آهنربای نعل‌اسبی معلق نگه دارید. اگر باتری را به آهنربای الکتریکی وصل کنید به طوری که قطب شمال میخ به شکل نشان داده شده باشد، قانون اساسی مغناطیس به شما می‌گوید چه اتفاقی می‌افتد: قطب شمال آهنربای الکتریکی از قطب شمال آهنربای نعل‌اسبی دور می‌شود و به قطب جنوب آن جذب می‌شود. قطب جنوب آهنربای الکتریکی نیز به طرز مشابهی دچار عمل مشابهی خواهد شد. میخ نیمی از چرخش را انجام می‌دهد و سپس در وضعیتی که نشان داده شده متوقف می‌شود.
کلید کارکرد یک موتور الکتریکی این است که یک قدم جلوتر برویم، به طوری که در لحظه‌ای که این نیم‌چرخش حرکت به پایان می‌رسد، میدان آهنربای الکتریکی برعکس شود. برای معکوس‌کردن میدان مغناطیسی، باید جهت جریان الکترون‌ها در سیم تغییر کند، که به معنای معکوس کردن باتری است. این تغییر باعث می‌شود آهنربای الکتریکی نیم‌چرخش دیگری از حرکت را تکمیل کند. اگر میدان آهنربای الکتریکی دقیقاً در لحظه مناسب، در پایان هر نیم‌چرخش حرکت معکوس شود، موتور الکتریکی به راحتی می‌چرخد.
موتور الکتریکی DC چگونه کار می‌کند؟
همانطور که اشاره کردیم، شما با دو نوع موتور الکتریکی مواجه خواهید شد: موتورهای جریان مستقیم و موتورهای جریان متناوب. موتورهای جریان مستقیم یا DC، برای اولین بار در اواسط قرن نوزدهم توسعه یافتند و هنوز هم در حال استفاده هستند.
یک موتور ساده دارای شش قسمت است:
۱- استاتور (Stator)
۲- روتور (Rotor)
۳- کموتاتور (Commutator)
۴- برس‌ها (Brushes)
۵- محور
۶- منبع تغذیه DC
قسمت بیرونی یک موتور DC استاتور است: یک آهنربای دائمی که حرکت نمی‌کند. قسمت داخلی روتور است که حرکت می‌کند. روتور در اینجا مانند میخ در مثال قبلی ما است و استاتور مانند آهنربای نعل‌اسبی است.
زمانی که برق DC به روتور ارسال می‌شود، یک میدان الکترومغناطیسی موقتی ایجاد می‌کند که با میدان مغناطیسی دائمی استاتور تعامل دارد. وظیفه کموتاتور این است که قطبیت میدان را به طور مداوم تغییر دهد که باعث می‌شود روتور به چرخش ادامه دهد. این چرخش، گشتاور لازم برای تولید قدرت مکانیکی را ایجاد می‌کند.
موتور اسباب‌بازی
موتور DC الکتریکی کوچکی که تصویر آن نمایش داده شده است، تقریباً به اندازه یک سکه است و دارای دو رشته سیم باتری است. اگر رشته‌های باتری موتور را به یک باتری متصل کنید، محور موتور می‌چرخد. اگر رشته‌ها را وارونه کنید، موتور در جهت مخالف می‌چرخد.
کاپ یا درپوش انتهایی نایلونی با دو زبانه در جای خود محکم شده است. درون کاپ پایینی، برس‌های موتور، با چرخش موتور، نیروی برق را از باتری به کومتاتور منتقل می‌کنند. (از آنجا که برس‌ها ممکن است فرسوده شوند و نیاز به تعویض داشته باشند، موتورهای دی‌سی مدرن معمولاً بدون برس هستند.)
محور موتور دربردارنده روتور و کومتاتور است. روتور یک مجموعه از آهنرباهای الکتریکی است، در این مورد سه عدد. آرماتور (armature) (به فارسی آرمیچر-م) در این موتور مجموعه‌ای از صفحات فلزی نازک است که به هم چسبیده‌اند و سیم‌های نازک مسی دور هر یک از سه قطب روتور پیچیده شده است. دو انتهای هر سیم (یکی برای هر قطب) به یک ترمینال متصل است و سپس هر یک از سه ترمینال به یک صفحه از کومتاتور متصل می‌شود.
آخرین بخش هر موتور الکتریکی DCاستاتور است. در این موتور، استاتور از خود محفظه به علاوه دو آهنربای دائمی منحنی تشکیل شده است. در موتورهای دی‌سی، آرماتور، روتور و میدان، استاتور است.
روتور، کموتاتور و برس‌ها
همانطور که قبلاً اشاره کردیم، روتور مانند میخ در تصویر ما از یک آهنربای الکتریکی است. کموتاتور نیز به محور متصل است. کموتاتور در واقع یک جفت صفحه است که به محور متصل شده‌اند. این صفحات دو اتصال برای سیم‌پیچ آهنربای الکتریکی فراهم می‌کنند.
قسمت “معکوس‌شدن میدان الکتریکی” در یک موتور الکتریکی توسط دو قسمت انجام می‌شود: کموتاتور و برس‌ها.
نمودار نشان می‌دهد که چگونه کموتاتور (به رنگ سبز) و برس‌ها (به رنگ قرمز) با هم کار می‌کنند تا جریان به آهنربای الکتریکی برسد و همچنین جهت جریان الکترون‌ها را در لحظه مناسب تغییر می‌دهند (معکوس می‌کنند). کنتاکت‌ها یا تماس‌های کموتاتور به محور آهنربای الکتریکی متصل هستند، بنابراین با آهنربا می‌چرخند. برس‌ها دو قطعه فلز یا کربن فنری هستند که با تماس‌های کموتاتور در تماس هستند.
سرهم کردن همه اجزاء
زمانی که تمام این قسمت‌ها را با هم ترکیب می‌کنید، آنچه که به دست می‌آورید یک موتور الکتریکی کامل است.
کلید کار این است که در هنگام عبور روتور از موقعیت افقی، قطب‌های آهنربای الکتریکی تغییر کنند. به خاطر این تغییر، قطب شمال آهنربای الکتریکی همیشه بالای محور قرار دارد تا بتواند قطب شمال استاتور را دفع و قطب جنوب استاتور را جذب کند.
معمولاً روتور به جای دو قطبی که در این مقاله گفته شده، سه قطب دارد. دو دلیل خوب برای اینکه یک موتور سه قطب داشته باشد وجود دارد:
این باعث بهبود حرکت موتور می‌شود. در یک موتور دو قطبی، اگر آهنربای الکتریکی در نقطه تعادل، یعنی وقتی که موتور شروع به کار می‌کند کاملاً افقی بین دو قطب استاتور باشد، می‌توانید تصور کنید که روتور در آنجا “گیر می‌کند”. این اتفاق هرگز در یک موتور سه قطبی اتفاق نمی‌افتد.
هر بار که کموتاتور به نقطه‌ای می‌رسد که در یک موتور دو قطبی، میدان را معکوس می‌کند، کموتاتور به مدت کوتاهی باتری را اتصال کوتاه می‌کند (قطب مثبت و منفی باتری بدون واسطه به هم متصل می‌شوند-م). این اتصال کوتاه، انرژی را هدر می‌دهد و باتری را بی‌دلیل تخلیه می‌کند. یک موتور سه قطبی این مشکل را نیز حل می‌کند.
امکان داشتن هر تعداد قطب، بسته به اندازه موتور و نیازهای آن وجود دارد.
چگونه یک موتور AC کار می‌کند؟
حال می‌خواهیم به موتور AC نگاه کنیم. موتورهای AC از جریان متناوب به جای جریان مستقیم استفاده می‌کنند. آن‌ها بسیاری از قطعات مشترک با موتورهای DC دارند و هنوز هم به الکترومغناطیس و معکوس‌شدن میدان‌های مغناطیسی برای تولید قدرت مکانیکی وابسته‌اند.
قطعات داخلی یک موتور AC شامل موارد زیر است:
۱- استاتور
۲- روتور
۳- محور جامد
۴- سیم‌پیچ‌ها (Coils)
۵- قفس سنجابی (Squirrel cage)
سیم‌پیچ استاتور در یک موتور AC به نوعی کار روتور در یک موتور DC را انجام می‌دهد. در این حالت، این سیم‌پیچ یک حلقه از آهنرباهای الکتریکی است که به صورت جفت هستند و به ترتیب انرژی می‌گیرند و میدان مغناطیسی چرخشی ایجاد می‌کنند.
یادآوری می‌کنیم که روتور در یک موتور DC به باتری متصل است. اما روتور در یک موتور AC هیچ اتصال مستقیمی به منبع قدرت ندارد. همچنین، این روتور برس ندارد. در عوض، معمولاً از چیزی به نام قفس سنجاب استفاده می‌شود. درست خواندید.
قفس سنجابی در یک موتور AC مجموعه‌ای از میله‌های روتور است که به دو حلقه در هر دو انتها متصل هستند. این شبیه به چیزی است که یک موش (یا سنجاب) درون آن می‌دود. روتور قفس سنجابی درون استاتور قرار دارد. وقتی که قدرت AC به استاتور ارسال می‌شود، یک میدان الکترومغناطیسی ایجاد می‌کند. میله‌های روتور قفس سنجابی رسانا هستند، بنابراین به تغییر قطب‌های استاتور پاسخ می‌دهند. اینگونه است که روتور می‌چرخد و میدان مغناطیسی خود را ایجاد می‌کند.
روتور و استاتور AC
رمز ساخت یک موتور القایی AC، جایی که میدان روتور توسط میدان استاتور القاء می‌شود، این است که روتور همیشه در تلاش است تا به حالت تعادل برسد. این روتور همیشه در حال چرخش است تا آن حالت پایدار را پیدا کند. اما میدان الکترومغناطیسی تولید شده توسط استاتور با استفاده از قدرت AC همیشه کمی سریع‌تر از میدان روتور خواهد بود. چرخش روتور، گشتاور لازم برای تولید قدرت مکانیکی را برای چرخاندن چرخ‌های یک خودرو یا چرخش یک فن ایجاد می‌کند.
برخی از موتورهای AC از روتور پیچیده‌ای استفاده می‌کنند که به جای اینکه قفس سنجابی باشد، با سیم پیچیده شده است. اما نوع قفس سنجابی رایج‌تر است. در هر صورت، تنها یک قسمت متحرک در یک موتور AC وجود دارد، که به این معنی است که تعداد کمتری از اجزا نیاز به تعویض یا نگهداری دارند.
موتورها در همه جا!
به اطراف خانه‌تان نگاه کنید و خواهید دید که پر از موتورهای الکتریکی است. از آنجا که خانه‌های ما از برق AC استفاده می‌کنند، بیشتر این وسایل دارای موتورهای AC هستند. موتورهای DC بیشتر در چیزهایی که از باتری استفاده می‌کنند یافت می‌شوند. از آشپزخانه شروع می‌کنیم، در آنجا موتورها وجود دارند:
- فن بالای اجاق و در مایکروویو
- مخلوط‌کن
- یخچال – در واقع دو یا سه تا: یکی برای کمپرسور، یکی برای فن داخل یخچال و همچنین یکی در دستگاه یخ‌ساز
- مخلوط‌کن ایستاده
در اتاق ابزار، یک موتور الکتریکی در:
- خشک‌کن
- پیچ‌گوشتی برقی
- جاروبرقی
- دریل برقی
- موتور کولر
وجود دارد، حتی در حمام، یک موتور در:
- فن
- مسواک برقی
- سشوار
- ماشین اصلاح برقی
وجود دارد. خودروی شما پر از موتورهای الکتریکی است:
- پنجره‌های برقی
- صندلی‌های برقی
- فن‌های بخاری و رادیاتور
- برف‌پاک‌کن‌ها
- موتور استارت
یک موتور AC (اصطلاحاً دینام خودرو-م) ممکن است برق خودرو شما را به جای یک موتور سوختی تأمین کند.
علاوه بر این، موتورهایی در مکان‌های دیگر وجود دارند:
- کامپیوترها
- گوشی‌های هوشمند
- اسباب‌بازی‌ها
- بازکن درب گاراژ
- پمپ‌های آکواریوم
تقریباً هر چیزی که حرکت می‌کند از یک موتور الکتریکی برای انجام حرکت خود استفاده می‌کند.
حالا این قدرتمند است
شاید در مورد خودروهای الکتریکی تعجب کنید اگر بدانید که از موتورهای AC استفاده می‌کنند اما با باتری‌هایی که برق DC تأمین می‌کنند کار می‌کنند. پاسخ ساده است: وسایل نقلیه الکتریکی یک قسمت اضافی دارند، به نام مبدل، که برق DC را از باتری‌ها به برق AC تبدیل می‌کند که موتور می‌تواند از آن استفاده کند.
سوالات متداول درباره موتور الکتریکی
یک موتور الکتریکی اسباب‌بازی چگونه کار می‌کند؟
یک موتور الکتریکی بسیار کوچک دارای دو آهنربای دائمی کوچک، یک کموتاتور، دو برس، سه قطب و یک آهنربای الکتریکی است که با پیچیدن سیم دور یک تکه فلز ساخته می‌شود. این موتور به همان شیوه‌ای که یک نسخه بزرگ‌تر کار می‌کند، اما در مقیاس بسیار کوچک‌تر عمل می‌کند.
موتور الکتریکی DC چیست؟
یک موتور الکتریکی DC انرژی الکتریکی جریان مستقیم را به انرژی مکانیکی تبدیل می‌کند، بر خلاف نسخه AC که از جریان متناوب استفاده می‌کند.
اجزای یک موتور ساده چیست؟
یک موتور ساده دارای شش قسمت است: آرمیچر یا روتور، کموتاتور، برس‌ها، محور، آهنربای میدان و منبع تغذیه DC از نوعی.
یک موتور الکتریکی چقدر می‌تواند دوام بیاورد؟
در شرایط آزمایش، یک موتور الکتریکی می‌تواند بین 15 تا 20 سال دوام بیاورد، به شرطی که تحت شرایط عملیاتی عادی استفاده شود.
آیا موتور الکتریکی DC یا AC بهتر است؟
موتورهای AC معمولاً قوی‌تر هستند و نیاز به نگهداری کمتری دارند، با این حال، موتورهای DC معمولاً بسیار کارآمد هستند. کاربرد موتور الکتریکی معمولاً تأثیرگذار است که آیا AC یا DC انتخاب شود.
