موتور الکتریکی یا الکتروموتور (Electric Motor)

موتور الکتریکی یا الکتروموتور (Electrical Motor) یکی از انواع ماشین‌های الکتریکی (Electric machine) است که بر اساس قوانین الکترومغناطیس (Electromagnetism)، انرژی الکتریکی را به انرژی مکانیکی تبدیل می‌کند. عکس این عمل، یعنی تبدیل انرژی مکانیکی به الکتریکی توسط ژنراتور (Electric generator) یا دینام انجام می‌شود. ساختار کلی این دو ماشین الکتریکی، شباهت بسیار زیادی به هم دارد؛ به همین علت، موتور الکتریکی یا الکتروموتور را با نام دینام نیز می‌شناسند.

معرفی و کاربردهای موتورهای الکتریکی یا الکتروموتورها (Electrical Motors)

امروزه موتورهای الکتریکی یا الکتروموتورها (Electrical Motors) به همراه گیربکس صنعتی و پمپ کاربردهای فراوانی در صنایع مختلف دارند. از دیگر کاربردهای موتورهای الکتریکی یا الکتروموتورها (Electrical Motors) می‌توان به دمنده‌ها، فن‌ها، ماشین آلات صنعتی، توربین‌ها، ابزارهای برقی (دریل، اره برقی و …) دینام، کمپرسورها، کشتی‌ها، محرک‌ها و به طور کلی هر کجا حرکت مکانیکی نیاز است اشاره کرد.

عملکرد اکثر موتورهای الکتریکی یا الکتروموتورها (Electrical Motors) بر مبنای اصول الکترومغناطیس است. بر اساس قانون نیروی لورنتس (Lorentz force) اگر ذره یا جسمی با جریان الکتریکی درون میدان مغناطیسی قرار گیرد، بر آن نیروی مکانیکی اعمال می‌شود. این نیرو بر خطوط میدان مغناطیسی و جهت جریان جسم عمود بوده و جهت آن از طریق قانون دست راست حاصل می‌شود. این نیروی مکانیکی می‌تواند به‌صورت دوار (Rotary) و یا خطی (Linear) باشد؛ الکتروموتور دوار نسبت به موتورهای خطی رایج‌تر بوده و کاربردهای بیشتری دارند.

اجزای موتورهای الکتریکی یا الکتروموتورها (Electrical Motors)

موتورهای الکتریکی از دو قسمت ثابت و دوار که به ترتیب استاتور (Stator) و روتور (Rotor) معروف هستند، تشکیل شده است. وظیفه استاتور ایجاد یک میدان مغناطیسی اطراف روتور است. ساختار استاتور از یک سری ورقه‌های فلزی تشکیل شده است که یک استوانه توخالی فلزی را تشکیل می‌دهد. درون ورقه‌های فلزی موجود در استاتور یک سری شیارهایی وجود دارد که در این شیارها سیم پیچ‌های موتورهای الکتریکی یا الکتروموتور جاسازی شده اند که به کلاف نیز معروف است.

روتور نیز همانند استاتور از دو قسمت هسته و سیم پیچ تشکیل شده‌است که سیم‌پیچ های اطراف روتور می‌تواند از جنس مس یا آلومینیوم باشد. جنس هسته رتور معمولا رابطه مستقیمی با قدرت موتور دارد به صورتی که برای موتورهای با قدرت بالا معمولا از مسی و در موتورهای با قدرت کم از آلومینیومی استفاده می‌شود.

• استاتور (Stator): یک قطعه ثابت در الکتروموتور است که معمولاً از تعدادی آهن ربا تشکیل شده است. ممکن است آهن ربا دائمی یا آهنربا الکترومغناطیسی باشد. آهنرباهای الکترومغناطیسی دارای سیم‌پیچ هستند که معمولاً از سیم‌مسی یا آلومینیومی ساخته شده‌است.
• روتور (Rotor/Armechar): روتور یا همان آرمیچر قطعه حامل جریان است که در مرکز موتور الکتریکی قرار دارد و زمانی که تحت تاثیر میدان مغناطیسی قرار می‌گیرد چرخش شفت را ایجاد می‌کند.
• شفت (shaft): قطعه‌ای فلزی که در امتداد روتور از موتور الکتریکی یا الکتروموتور بیرون آمده است و مصرف کننده به آن متصل می‌شود.
• کموتاتور (commutator): این قطعه نیز در امتداد استاتور و نزدیک به پروانه خنک کننده است، این قطعه جهت جریان را تغییر می دهد و یکی از قطعات متحرک در موتورهای الکتریکی به شمار می‌رود.
• جاروبک (brush): قطعه‌ای است که با کموتاتور در تماس است و برای تکمیل سوئیچ و تغییر جریان استفاده می‌شود.
• بلبرینگ‌ها (bearings): یاتاقان‌های یک موتور الکتریکی در نزدیکی نقطه‌ای قرار دارند که امتداد روتور از قاب و بدنه خارج می‌شود و بر روی براکت‌ها قرار می‌گیرد. بلبرینگ اجازه می‌دهد تا شفت با حداقل اصطکاک بچرخد و حرکت ناخواسته را از بین می‌برد.

موتورهای الکتریکی به عنوان یکی از اجزای کلیدی در صنایع و دستگاه‌های مختلف، به دسته‌های مختلفی تقسیم می‌شوند. در اینجا به معرفی انواع موتورهای الکتریکی، مزایا و معایب هر کدام و همچنین کاربردهای آن‌ها می‌پردازیم.

انواع موتورهای الکتریکی یا الکتروموتورها (Electrical Motors)

موتورهای الکتریکی یا الکتروموتورها (Electrical Motors) را با توجه‌ به عوامل مختلفی مانند نوع منبع تغذیه، ساختار، کاربرد، ولتاژ ورودی، توان و … به انواع مختلفی تقسیم‌بندی می‌کنند. یکی از مهم‌ترین عوامل برای تقسیم‌بندی انواع الکتروموتور، نوع جریان ورودی به آن‌ها است.

موتورهای الکتریکی بر اساس جریان ورودی به دو دسته DC (جریان مستقیم) و AC (جریان متناوب) تقسیم می‌شوند.

• موتورهای الکتریکی یا الکتروموتور AC (جریان متناوب)
• موتورهای الکتریکی یا الکتروموتور DC (جریان مستقیم)

موتور الکتریکی یا الکتروموتور جریان مستقیم (Direct Current = DC)

ابتدایی‌ترین نسخه الکتروموتور، نوعی موتور جریان مستقیم (DC) بود که توسط مایکل فارادی (Michael Faraday) اختراع شد. در الکتروموتور DC از برهم‌کنش میدان‌های مغناطیسی ثابت و متغیر نیروی گشتاور چرخشی تولید شده و آرمیچر به چرخش در می‌آید. میدان مغناطیسی ثابت توسط آهنربای دائمی یا سیم‌پیچ‌های استاتور و میدان مغناطیسی متغیر توسط جریان الکتریکی سیم‌پیچ‌های آرمیچر ایجاد می‌شود.

موتورهای الکتریکی یا الکتروموتورهای DC از نظر ساختار به دو دسته تقسیم می‌شوند:

1. موتور الکتریکی DC براش دار (Brushed DC Motor)
2. موتور الکتریکی DC بدون براش (Brushless DC Motor)
3. موتور الکتریکی DC سری (Series)
4. موتور الکتریکی DC شنت (Shunt)
5. موتور الکتریکی DC کامپوند (Compound)

موتور الکتریکی یا الکتروموتور جریان مستقیم براش دار (Brushed DC Motor)

موتورهای DC براش از دو قطعه کربنی یا گرافیتی به نام جاروبک برای برقراری اتصال الکتریکی منبع تغذیه به سیم‌پیچ‌های روتور استفاده می‌کنند.با چرخش روتور، کموتاتور نیز به چرخش درآمده و جاروبک‌ها به طور مداوم روی آن لغزیده و جهت جریان را در سیم‌پیچ‌های روتور تغییر می‌دهند.

این تغییر جهت جریان، دائماً قطبیت میدان مغناطیسی روتور را تغییر داده و در نتیجه برهم‌کنش این میدان و میدان مغناطیسی استاتور، نیروی گشتاور چرخشی ایجاد می‌شود. برس‌های موتور پس از حدود 10000 ساعت کارکرد فرسوده شده و باید تعویض شوند. همچنین سایش مداوم جاروبک‌ها روی کموتاتور باعث ایجاد جرقه، افزایش مقاومت الکتریکی و کاهش راندمان موتور می‌شود؛ بنابراین، استفاده از موتورهای DC براش دار برای تجهیزاتی که به‌صورت مداوم کار می‌کنند، مانند فن‌ها، غیرمنطقی است.

موتور الکتریکی یا الکتروموتور جریان مستقیم براشلس (Brushless DC Motor)

موتور دی سی براشلس (BLDC) بدون نیاز به قطعاتی مانند برس‌ها و کموتاتور کار می‌کند. در این موتورها روتور به آهنربای دائمی مجهز شده و سیم‌پیچ‌ها درون استاتور قرار دارند. در واقع موتورهای براشلس دارای سیم‌پیچ‌های ثابت و آهنربای چرخان هستند؛ در نتیجه، هیچ نوع اصطکاکی بین روتور و استاتور در این موتور وجود ندارد و بهره‌وری کلی موتور افزایش می‌یابد.

موتورهای براشلس با استفاده از کنترل‌کننده‌های الکترونیکی و بر اساس بازخورد موقعیت روتور از سنسورها، جریان سیم‌پیچ‌های استاتور را مدیریت می‌کنند. موتورهای DC به‌واسطه کنترل‌پذیری بالایی که دارند، در صنایع مختلفی مورداستفاده قرار می‌گیرند. این موتورها را می‌توان فوراً راه‌اندازی، متوقف و معکوس نمود که عامل بسیار مهمی برای کنترل عملکرد تجهیزات به شمار می‌آید.

موتور الکتریکی یا الکتروموتور جریان متناوب (Alternating Current = AC)

موتور الکتریکی یا الکتروموتور جریان متناوب یا AC استفاده‌های گسترده‌ای در صنایع مختلف دارند. این نوع الکتروموتورها با استفاده از جریان متناوب برای تولید گشتاور و سرعت استفاده می‌شوند. آنها به دلیل سادگی ساختار، قدرت بالا، هزینه کمتر و عملکرد قابل اطمینان، در بسیاری از صنایع مانند خودروسازی، معدن، نفت و گاز، صنایع غذایی و غیره استفاده می‌شوند. الکتروموتورهای AC انواع مختلفی دارند که شامل الکتروموتورهای القایی (Induction Motors) و الکتروموتورهای سنکرون (Synchronous Motors) می‌شوند. هر کدام از این انواع الکتروموتورها ویژگی‌ها و کاربردهای خاص خود را دارند.

موتورهای الکتریکی یا الکتروموتورها AC به دو دسته‌ی زیر تقسیم می‌شوند:

• موتورهای الکتریکی آسنکرون یا القایی (Asynchronous / Induction)
• موتورهای الکتریکی سنکرون (Synchronous)

موتورهای القایی و سنکرون از نظر تولید میدان مغناطیسی روتور تفاوت دارند. اما در موارد دیگر مانند لغزش، تعداد منبع تغذیه، هزینه، راندمان، ضریب قدرت، سرعت، نحوه راه اندازی و کاربرد نیز تفاوت دارند. در صنعت با توجه به عملکرد مناسب و مزایای الکتروموتورهای القایی نسبت به سنکرون، موتورهای القایی کاربرد بیشتری دارند.

موتورهای الکتریکی آسنکرون یا القایی (Asynchronous / Induction)

موتورهای آسنکرون، موتورهایی هستند که با استفاده از جریان متناوب کار می‌کنند. این موتورها با ایجاد یک میدان مغناطیسی چرخشی در قسمت ثابت موتور (استاتور)، باعث چرخش قسمت متحرک موتور (روتور) می‌شوند. سرعت چرخش روتور این موتورها همیشه کمتر از سرعت چرخش میدان مغناطیسی استاتور است. این اختلاف سرعت را لغزش می‌گویند و به عوامل مختلفی مانند بار موتور، فرکانس برق، و تعداد قطب‌های موتور بستگی دارد.
موتورهای آسنکرون مزایای زیادی دارند، از جمله:

1. قیمت پایین
2. طول عمر بالا
3. کارکرد بی‌صدا
4. تعمیر و نگهداری آسان

به همین دلیل، این موتورها در کاربردهای مختلفی مانند لوازم خانگی، تجهیزات صنعتی، و وسایل نقلیه استفاده می‌شوند. موتورهای الکتریکی آسنکرون یا القایی در دو نوع تک‌فاز (Single-phase) و سه‌فاز تولید می‌شوند.

• موتورهای الکتریکی آسنکرون یا القایی تک فاز (Single-phase Induction Motors)
• موتورهای الکتریکی آسنکرون یا القایی سه فاز (Three-phase Induction Motors)

در هنگام عبور جریان سه‌فاز از استاتور یک میدان مغناطیسی دوار داخل استاتور ایجاد می‌شود. جهت میدان به وجود آمده در سیم‌پیچ با توجه به قانون دست راست به دست می‌آید. چرخش دو قطب یک آهنربا با سرعت زاویه‌ای مشخص موجب القا جریان و ولتاژ مورد نظر در روتور می‌شود. در داخل روتور ورقه‌های مغناطیسی وجود دارد که به انتقال بهتر میدان مغناطیسی کمک می‌کنند.

پس از القای مغناطیسی روتور در جهت میدان اصلی شروع به گردش کرده و متناسب با سرعت چرخش، گشتاور ایجاد می‌کند. پس از تولید گشتاور توسط روتور، سرعت چرخش این تجهیز بالا رفته تا به نزدیکی سرعت چرخش میدان مغناطیسی (سرعت سنکرون) برسد. موتورهای القایی سه فاز براساس اصول میدان گردان کار می‌کنند. خطوط شار الکتریکی در فواصل هوایی به شکل شعاعی هستند. اندازه میدان مغناطیسی در فاصله هوایی یکسان ثابت است.

تئوری میدان گردان

سیم پیچ های هر فاز در موتورهای القایی سه فاز دارای اختلاف فاز 120 درجه ای هستند که دلیل آن استفاده از جریان برق سه فاز در این موتور ها می باشد. اختلاف فاز موجود در سیم پیچ ها موجب چرخش موتور در جهت میدان مغناطیسی سیم پیچ می شود که این موضوع نیاز به راه انداز را در این موتورها از بین می برد. برای تغییر جهت چرخش موتور کافیست فازهای موجود در دو سیم پیچ را تغییر دهیم. 

موتورهای الکتریکی یا الکتروموتورهای سنکرون (Synchronous)

موتور سنکرون یک موتور AC در حالت پایدار است که چرخش شفت آن با فرکانس جریان ورودی به آن برابر است. موتور سنکرون یک نوع موتور AC است و تعداد کل چرخش‌های انجام شده توسط شفت این نوع الکتروموتور برابر با عدد صحیح فرکانس جریان اعمال شده است. موتور سنکرون برای کار کردن به جریان القایی متکی نیست. در این موتورها، برخلاف موتور القایی ، آهنرباهای الكتریكی چند فاز روی استاتور وجود دارد كه یك میدان مغناطیسی چرخشی تولید می‌کند. در اینجا روتور یک آهن ربا دائمی است که با میدان مغناطیسی چرخان همگام می‌شود و همزمان با فرکانس جریان اعمال شده بر آن می چرخد.

عملکرد موتورهای الکتریکی یا الکتروموتورهای سنکرون (Synchronous)

الکتروموتور سنکرون با ایجاد جریان میدان مغناطیسی هماهنگ با جریان گذرا، باعث تولید گشتاور و چرخش روتور با سرعت ثابت و دقیق می‌شود. این ویژگی‌ها باعث استفاده الکتروموتور سنکرون در کاربردهایی که نیاز به سرعت ثابت و هماهنگی با فرکانس شبکه دارند، می‌شود. نحوه کارکرد موتورهای سنکرون بر اثر متقابل میدان مغناطیسی استاتور با میدان مغناطیسی روتور وابسته است. استاتور شامل تعدادی سیم پیچ که دارای برق سه‌فاز است.

بنابراین ، سیم پیچ استاتور یک میدان مغناطیسی چرخشی بر اساس برق 3 فاز تولید می‌کنند. منبع تغذیه DC به روتور داده می‌شود. روتور وارد میدان مغناطیسی چرخشی تولید شده توسط سیم‌پیچ‌های استاتور می‌شود و به صورت همزمان می چرخد. سرعت چرخش موتور سنکرون به فرکانس جریان ورودی به الکتروموتور بستگی دارد. سرعت موتور سنکرون توسط فرکانس جریان اعمال شده کنترل می شود. سرعت یک موتور سنکرون را می توان به این صورت محاسبه کرد. 

f = فرکانس جریان AC (هرتز) / p = تعداد کل قطب ها

اگر نیروی گرفته شده از موتور بیشتر از حداکثر نیرو تولید توسط الکتروموتور سنکرون باشد، موتور از حالت همزمان خارج می‌شود. سیم‌پیچ 3 فاز استاتور این امکان را فراهم می‌کنند که جهت چرخش الکتروموتور مشخص شود. در حالی که در سیم‌پیچ تک‌فاز، نمی‌توان جهت چرخش را بدست آورد و موتور می‌تواند در هر جهتی شروع به چرخش کند. برای کنترل جهت چرخش در این موتورهای سنکرون، تنظیمات اولیه نیاز است.

کاربرد موتورهای الکتریکی یا الکتروموتورهای سنکرون (Synchronous)

موتورهای سنکرون برای ایجاد سرعت مشخص و ثابت استفاده می‌شوند و می‌توان از آنها در کاربردهایی که چرخش با سرعت ثابت مورد نیاز باشد استفاده کرد. این موتورهای خود آغازگر نیستند و در صورت نیاز به موتور خود آغازگر نباید موتورهای سنکرون را انتخاب کرد. بازده در این موتورها نسبت به بیشتر موتورهای AC و DC بالاتر و بیشتر از 90٪ است.

موتورهای سنکرون برای شرایطی که نیاز به موتورهای سرعت پایین و توان بالا مناسب است و بهترین گزینه تولید نیرو برای دستگاه‌های سنگ شکن‌ها و انواع آسیاب ها است. سرعت این موتورها بدون توجه به بار ثابت باقی می‌ماند و سرعت آنها فقط از طریق VFD قابل تغییر است زیرا جریان ورودی مستقیماً با سرعت خروجی ارتباط دارد.

کارایی این موتورها به اصلاح ناکارآمدی موتورهای القایی کمک می‌کند و وسیله‌ای برای تصحیح تلفات توزیع فراهم می‌کند. این موتورها هم از نظر توانایی تصحیح قدرت و هم از نظر صحت بسیار ارزشمند هستند و گرچه گرانتر و پیچیده‌تر از موتور القایی هستند، اما موتورهای سنکرون یکی دیگر از ماشین های قابل استفاده طراحان است. الکتروموتورها یکی از تجهیزات بسیار پر‌ کاربرد در صنایع مختلف هستند.

این تجهیزات صنعتی انرژی الکتریسیته به انرژی مکانیکی تبدیل می‌کنند و متناسب با جریان برق ورودی، می‌توانند به صورت تک فاز یا سه‌فاز به مدار متصل شوند. در این مقاله تلاش می‌شود تا جزییات بیشتری در مورد انواع الکتروموتور سه فاز یا موتورهای القایی ارائه گردد. به غیر از چهار نوع اصلی الکتروموتور که در بالا ذکر شد، چندین نوع موتور الکتریکی خاص وجود دارد. این ها عبارتند از:

1. موتورهای القایی خطی (LIM)
2. موتور پسماندی
3. موتور پله ای
4. موتور سروو

هر کدام از این موتورها دارای ویژگی های خاصی هستند که با توجه به نیاز صنعت و یا برای استفاده در یک تجهیز خاص توسعه یافته‌اند. به عنوان مثال، موتور پسماندی به دلیل ماهیت کوچک و فشرده در ساعت‌های مچی استفاده می‌شود. موتور پسماندی به عنوان یک موتور سنکرون تعریف می‌شود که دارای روتور استوانه ای است و بر روی تلفات هیسترزیس ناشی از روتور فولاد سخت با قابلیت نگهداری بالا کار می‌کند. این موتور تک‌فاز است و روتور آن از مواد فرومغناطیسی با پشتیبانی غیر مغناطیسی روی شفت ساخته شده است. یک موتور پسماندی از پنج جزء اصلی ساخته شده است:

1. استاتور
2. سیم پیچ استاتور تک فاز
3. روتور
4. شفت
5. سیم پیچ سایه