موتور الکتریکی چیست و چگونه کار می‌کند: انواع و اجزای موتورهای الکتریکی
موتور الکتریکی (الکتروموتور)
موتور برقی یا موتور الکتریکی، انرژی الکتریکی را به انرژی مکانیکی تبدیل می‌کند. موتورهای الکتریکی برق مصرف می‌کنند و در عوض، انرژی مکانیکی ارائه می‌دهند. پنکه از رایج‌ترین وسایلی است که از موتور الکتریکی بهره می‌برد. موتور برقی پنکه، برق مصرف می‌کند و در عوض، انرژی مکانیکی ارائه می‌دهد که نوعی انرژی جنبشی است. انرژی مکانیکی، محور متصل به پره‌ها را می‌چرخاند. در فرآیند تبدیل انرژی الکتریکی به مکانیکی، بخشی از انرژی الکتریکی به‌شکل گرما از دست می‌رود. به‌همین علت، پنکه یا هر وسیله مشابه دیگری هنگام کار، کم‌کم گرم میشود و پس از مدتی طولانی حتی داغ می‌کند. در این مطلب می‌دهیم که موتور الکتریکی چیست و چگونه کار می‌کند. همچنین به انواع موتورهای الکتریکی و اجزای موتورهای الکتریکی اشاره خواهیم کرد.
(توضیح تصویر ابتدای مقاله: نمونه‌ای از موتورهای الکتریکی شرکت موتوژن و نمونه‌ای از پنکه‌های شرکت پارس‌خزر، ساخت کشورمان ایران)
موتور الکتریکی چیست و چگونه کار می‌کند؟
الکتروموتور، موتور برقی یا موتور الکتریکی وسیله‌ای است که انرژی الکتریکی را به انرژی مکانیکی تبدیل می‌کند. هر موتور الکتریکی دو بخش مهم دارد که یکی ثابت و دیگری متحرک است. بخش ثابت را ایستانه یا استاتور (stator) و بخش متحرک را چرخانه یا روتور (rotor) می‌گویند. موتور الکتریکی با بهره‌گیری از اصل الکترومغناطیس کار می‌کند: وقتی موتور الکتریکی روشن میشود و برق در سیم‌پیچ‌های چرخانه و ایستانه جریان می‌یابد، در آنها میدان مغناطیسی ایجاد می‌کند و آنها مثل دو آهن‌ربای مجزا عمل می‌کنند. می‌دانیم که قطب‌های هم‌نامِ دو آهنربا یکدیگر را دفع و قطب‌های غیرهم‌نام یکدیگر را جذب می‌کنند.
در موتورهای جریان برق مستقیم (DC)، نیروی دافعه بین قطب‌های هم‌نامِ دو آهنربا چرخانه را به چرخش درمی‌آورد. اما در موتورهای جریان برق متناوب (AC)، نیروی جاذبه یا ربایش بین قطب‌های غیرهم‌نام چرخانه را می‌چرخاند. در هر دو صورت، چرخش چرخانه، محور را نیز به حرکت درمی‌آورد و بدین‌سان انرژی الکتریکی به انرژی مکانیکی تبدیل میشود.
تصویر ۱. نحوه کار موتور الکتریکی: جریان برق، ایستانه و چرخانه را به دو آهنربا تبدیل می‌کند که جاذبه یا دافعه مکررِ قطب‌های‌شان محور را به چرخش درمی‌آورد.
مطلب مرتبط: توربین بادی چیست و چگونه کار می‌کند و چه اجزایی دارد؟
تبدیل انرژی در موتور الکتریکی: در موتورهای الکتریکی انرژی الکتریکی به چه نوع انرژی تبدیل میشود؟
همانطور که گفتیم، موتور الکتریکی انرژی الکتریکی را به انرژی مکانیکی تبدیل می‌کند. مثلا وقتی پنکه را به برق می‌زنید، انرژی الکتریکی از طریق پریز و کابل به موتور الکتریکی پنکه منتقل میشود و محورِ موتور را به چرخش درمی‌آورد. چرخش محورِ موتورِ پنکه نوعی انرژی مکانیکی است و می‌تواند کار انجام دهد. مثلا ما انرژی مکانیکی پنکه را برای خنک کردن محیط به کار می‌بریم. جالب است بدانیم که ژنراتور برعکس پنکه، انرژی مکانیکی را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند. توربین‌های بادی نیز با استفاده از همین ویژگی ژنراتورها برق تولید می‌کنند. نیروی باد پره‌های توربین را به حرکت درمی‌آورد و ژنراتوری که درون توربین جای دارد، انرژی مکانیکی حاصل از چرخش پره‌ها را به انرژی الکتریکی تبدیل و می‌کند و اینگونه برق تولید میشود.
یادآوری: همانطور که قبلا نیز اشاره کردیم، طی فرآیند تبدیل انرژی الکتریکی به مکانیکی، بخشی از انرژی الکتریکی بشکل گرما هدر می‌رود و به‌همین علت، بدنه موتور پنکه پس از مدتی گرم میشود. (انرژی الکتریکی ورودی = انرژی مکانیکی خروجی + انرژی گرمایی خروجی)
تصویر ۲. تبدیل انرژی در موتورهای الکتریکی
مطلب مرتبط: انواع توربین بادی
اجزای موتور الکتریکی
موتورهای الکتریکی انواع مختلفی دارند و لذا در ساختارشان تفاوت‌هایی مشاهده میشود. اما در عین حال، همه آنها چند بخش یا جزء اصلی نیز دارند که بین همه موتورهای الکتریکی مشترک هستند. این بخش توضیح می‌دهد که قسمت‌ها یا اجزای مختلف موتور الکتریکی چیست و هر کدام چه کار انجام می‌دهند. اجزا یا قسمت‌های اصلی موتور الکتریکی به‌طور کلی چنین است:
- ایستانه یا استاتور (stator)
- چرخانه یا روتور (rotor)
- جابه‌جاگر یا کموتاتور (commutator)
- یاتاقان (bearing)
- محور یا شفت (shaft)
- محفظه (casing)
- جاروبک (brush)
- پایانه‌ها (terminals)
تصویر ۳. برخی از اجزای یک موتور الکتریکی ساده
مطلب مرتبط: ماهواره مخابراتی چیست و ماهواره‌های مخابراتی چگونه کار می‌کنند؟
وظایف قسمت‌ها یا اجزای اصلی موتور الکتریکی
- ایستانه یا استاتور (stator): به بخش ثابت موتور الکتریکی، ایستانه یا استاتور می‌گویند. در بعضی از موتورهای الکتریکی، ایستانه در اصل آهن‌ربای دائمی است و در برخی دیگر از موتورها، سیم‌پیچی است که وقتی برق به‌آن وصل میشود، خاصیت مغناطیسی پیدا می‌کند و به آهنربا تبدیل میشود. در موتورهای جریان متناوب (AC)، استاتور از القاگر (آرمیچر) بهره می‌برد. اما استاتورِ موتورهای جریان مستقیم (DC)، در اصل نوعی سیم‌پیچ است.
- چرخانه یا روتور (rotor): چرخانه یا روتور همان سیم‌پیچ و هسته مغناطیسی است که محور متحرک موتور به آن وصل است. هسته چرخانه را از ورقه فولاد می‌سازند. چرخانه یا روتور، انرژی مکانیکی را به محور متحرک منتقل می‌کند و آن‌را به چرخش درمی‌آورد.
- جابه‌جاگر یا کموتاتور (commutator): جابه‌جاگر یا کموتاتور جهت جریان برق را در چرخانه معکوس می‌کند تا بین قطب‌های چرخانه و ایستانه نیروی دافعه ایجاد کند. چرخانه همه موتورهای جریان برق مستقیم (DC) به چنین قطعهای احتیاج دارد.
- یاتاقان و محور: یاتاقان قطعهای است که چرخانه را نگاه می‌دارد. بین یاتاقان و چرخانه هوا وجود دارد تا از اصطکاک آنها جلوگیری کند. یاتاقان فشار محور را به محفظه موتور منتقل می‌کند تا محور آسیب نبیند. هسته و سیم‌پیچ چرخانه به محور وصل هستند.
- محفظه: از ایستانه و دیگر اجزای موتور محافظت می‌کند و معمولا از آلومینیوم ساخته میشود.
- جاروبک (brush): نوعی زغال، گرانیت یا فلز رسانا است که به چرخانه وصل است و به‌آن برق می‌رساند. جاروبک با فشار فنر همواره به جابه‌جاگر (کموتاتور) متصل می‌ماند تا برق چرخانه قطع نشود.
- پایانه‌ها: به نقطه اتصال کابل یا رسانای الکتریکی با موتور پایانه می‌گویند. نیروی الکتریکی توسط پایانه‌ها به موتور الکتریکی منتقل میشود.
- مواد عایق: دور سیم‌پیچ با مواد نارسانا یا عایق مثل کاغذ، صمغ گیاهی، لاستیک، روغن، لعاب و الیاف شیشه محافظت میشود تا درون موتور اتصال کوتاه ایجاد نشود و آلودگی نیز به‌آن راه نیابد.
مطلب مرتبط: انرژی هسته‌ای چیست و چگونه تولید میشود: کاربردها و ویژگی‌ها
انواع موتور الکتریکی
یکی از شاخص‌های دسته‌بندی موتورهای الکتریکی، منبع تغذیه آن‌هاست. بر این اساس موتورهای الکتریکی به ۳ دسته کلی تقسیم می‌شوند:
- موتور الکتریکی جریان برق متناوب یا برق AC (مخفف Alternating Current)
- موتور الکتریکی جریان برق مستقیم یا برق DC (مخفف Direct Current)
- الکتروموتور مخصوص (special electric motor)
موتور الکتریکی جریان متناوب (AC) چیست و چگونه کار می‌کند
موتورهایی که با برق متناوب کار می‌کنند، به برق سه‌فاز یا اصطلاحا برق شهری متصل می‌شوند. برق سه‌فاز در ایستانه، میدان مغناطیسی چرخشی و در چرخانه میدان مغناطیسی ثابت ایجاد می‌کند. درنتیجه، قطب شمال میدان مغناطیسی چرخانه پیوسته به‌سمت قطب جنوب میدان مغناطیسی ایستانه و بالعکس کشیده میشود. قطب‌های هم‌نامِ چرخانه و ایستانه نیز طبیعتا یکدیگر را دفع می‌کنند. همین جذب و دفع مکرر، محور موتور را می‌چرخاند.
موتور الکتریکی جریان مستقیم (DC) چیست و چگونه کار می‌کند
در موتورهای الکتریکی برق مستقیم یا DC (مثلا موتورهایی که با باتری کار می‌کنند)، میدان مغناطیسی ایستانه، ثابت اما میدان مغناطیسی چرخانه متغیر است زیرا جهت جریان ورودی به چرخانه با استفاده از دینام یا یکسوساز پیوسته تغییر می‌کند. لذا قطب‌های مغناطیسی غیرهم‌نامِ چرخانه و ایستانه پیوسته یکدیگر را جذب و قطب‌های هم‌نام آنها یکدیگر را دفع می‌کنند و همین جذب و دفع مکرر، محور موتور را می‌چرخاند.
موتور الکتریکی مخصوص چیست
موتورهای الکتریکی مخصوص همان موتورهای برق متناوب یا مستقیم هستند که آنها را برای کاربردهای خاصی تغییر داده‌اند. هر یک از انواع اصلی موتورهای الکتریکی زیرگونه‌هایی نیز دارند که در ادامه ویژگی بعضی از این زیرگونه‌ها را خلاصه‌وار توضیح می‌دهیم.
تصویر ۴. نمودار انواع موتورهای الکتریکی: سه نوع اصلی موتورهای الکتریکی و بعضی از زیرگونه‌های‌شان
به موتوری که چرخانه و ایستانه آن هماهنگ با هم بچرخند، سنکرون می‌گویند. اما در موتور آسنکرون، آهنگ چرخش چرخانه و ایستانه یکسان نیست.
موتور برق مستقیم جاروبکی
در موتور برق مستقیم جاروبکی (Brushed DC motor)، چرخانه یا روتور از قطعهای موسوم به آرمیچر بهره می‌برد. زغال‌ها یا اصطلاحا جاروبک‌ها توان الکتریکی را به آرمیچر منتقل می‌کنند. جابه‌جاگر (کموتاتور) نیز جهت جریان برق را مرتباً تغییر می‌دهد.
موتور برق مستقیم بدون جارویک
در موتورهای برق مستقیم بدون جارویک (Brushless DC motor)، روتور از آهن‌ربای دائمی بهره می‌برد و یک نیمه‌رسانا نیز مرتبا به استاتور سوئیچ می‌کند. سوئیچ‌های نیمه‌رسانا برق مستقیم ورودی را به برق مستقیم تپشی (pulsating) تبدیل می‌کنند تا حداکثر گشتاور ممکن را تولید کنند.
موتور سنکرون (هم‌گام)
در موتورهای الکتریکی هم‌گام یا سنکرون (synchronous) سرعت چرخش موتور با بسامد ولتاژ هماهنگ است. ولتاژ متناوب سه‌فاز به استاتور اعمال میشود. سیم‌پیچِ چرخانه وقتی تحریک میشود مثل آهن‌ربای الکتریکی عمل می‌کند.. موتورهای هم‌گام، خودآغازگر نیستند، بلکه به محرکِ اولیه خارجی نیاز دارند تا سرعت چرخش موتور را آن‌قدر افزایش دهد تا با ولتاژ هماهنگ شود.
موتور القایی یا آسنکرون (ناهم‌گام)
موتور القایی (induction motor) نوعی موتور برق متناوب است. در موتورهای القایی، میدان الکترومغناطیسیِ ایستانه، چرخانه را هم مغناطیسی می‌کند. لذا چرخانه برای مغناطیسی شدن به برق نیازی ندارد. بسیاری از موتورهای صنعتی، موتور القایی هستند.
موتور پله‌ای
در موتور پله‌ای (stepper motor)، محور موتور مثل عقربه ساعت مرحله‌به‌مرحله می‌چرخد و در هر حرکت خود، زاویه ثابت و خاصی را می‌پیماید. لذا با شمارش تعداد حرکت‌های پله‌ای محور می‌توانید زاویه جاری آن را دریابید و برای این منظور به حسگر موقعیت‌سنج نیازی ندارید. ساعت‌های دیواری باتری‌دار که عقربه ثانیه‌شمارشان پرشی جلو می‌رود، از رایج‌ترین وسایلی هستند که موتور الکتریکی پله‌ای بهره می‌برند.
موتور جهانی یا یونیورسال
موتورهای جهانی یا یونیورسال (Universal motor)، هم با جریان برق مستقیم و هم با جریان برق متناوب کار می‌کنند. این نوع موتور می‌تواند بسیار سریع بچرخد. دستگاه‌های خشک‌کن و جاروبرقی‌ها با این نوع موتور کار می‌کنند.
موتور خودمهار (سروو)
موتور خودمهار یا سروو (servo) معمولا برای تکرار منظم مجموعه حرکاتی از پیش تعریف‌شده به‌کار می‌رود. ربات‌های صنعتی از رایج‌ترین دستگاه‌هایی هستند که با موتور خودمهار یا سروو کار می‌کنند. این‌نوع ربات‌ها طی دوره کاری خود، حرکات مشخصی را بارها و بارها تکرار می‌کنند. موتور سروو یا خودمهار برای کنترل دقیق موقعیت به‌کار می‌رود و برای این منظور از موتور جریان مستقیم بدون جاروبک و موقعیت‌سنج‌هایی مثل انکُدر (encoder) و پتانسیومتر بهره می‌برد. پتانسیومتر نوعی مقاومت متغیر است که می‌تواند مقاومت مدار را تغییر دهد. برای هدایت زیردریایی، دستگاه‌های خودکار، هواپیماها و… از موتورهای خودمهار استفاده میشود.
مطلب مرتبط: قسمت‌ها یا اجزای اصلی هواپیما چیست
جمع‌بندی
در این مطلب گفتیم که موتور الکتریکی چیست و چگونه کار می‌کند. همچنین درباره انواع و اجزای موتورهای الکتریکی مطالبی بیان کردیم. گفتیم موتور الکتریکی وسیله‌ای است که انرژی الکتریکی را به انرژی مکانیکی تبدیل می‌کند. موتورهای الکتریکی به دو یا سه دسته اصلی تقسیم می‌شوند: موتورهای الکتریکی جریان متناوب (AC)، موتورهای الکتریکی جریان مستقیم (DC) و موتورهای الکتریکی مخصوص که معمولا یکی از موتورهای دو دسته قبلی هستند که متناسب با کاربردهای خاصی تغییر یافته و بهینه شده‌اند. البته موتورهای الکتریکی انواع متعددی دارند که در این مطلب به برخی از آنها پرداختیم.
موضوع: موتور الکتریکی چیست و چگونه کار می‌کند
عبارت کلیدی: موتور الکتریکی چیست و چگونه کار می‌کند