ساختار موتورهای DC

ساختار موتورهای DC

موتورهای DC یا موتور جریان مستقیم  (Direct current or DC motor)، موتور هایی الکتریکی هستند که با جریان مستقیم (ولتاژ DC) کار می‌کنند. این موتورها، انرژی الکتریکیِ جریان مستقیم را به انرژی مکانیکی تبدیل می‌کنند.

ساختار موتورهای DC

همه موتورهای جریان مستقیم به یک مکانیسم داخلی یا بیرونی (مکانیکی یا الکترونیکی) برای تغییر مداوم جهت جریان در آرمِیچر موتور نیاز دارند. به مکانیسم مکانیکی کوموتاسیون (کلکتور) و الکترونیکی یا درایور می‌گویند.

همه موتورهای DC حرکت چرخشی دارند، به جز موتورهای خطی (اکچویتور) که حرکت خطی دارند و (نمی‌چرخند).

موتورهای DC گشتاور راه‌اندازی بالا و قابل تغییر دارند و کاربرد بسیاری در صنایع مختلف مانند خودرو سازی، کفش سازی، نساجی، پزشکی، ورزشی، ماساژورو فیزیو تراپی و زیبایی پوست و مو و لاغری و ذوب آهن و … دارند. سرعت موتور DC با روش‌های مختلفی قابل کنترل هستند؛ از جمله با تغییر ولتاژ تغذیه‌  و یا به روش ولتاژ  PWMو یا با تغییر جریان سیم‌پیچ‌های موتور DC

موتورهای DC با ابعاد کوچک در ابزارآلات برقی و لوازم برقی خانگی (مانندموتورهای یونیورسال)، اسباب‌بازی‌ها …، و با ابعاد بزرگ در صنایع، خودروهای الکتریکی، وینچ ها و در کارخانه‌های نَوَرد لوله و فولاد و… استفاده می‌شوند. همچنین موتورهای DC در کاربردهای صنعتی که به کنترل دقیق سرعت و گشتاور نیاز دارند، استفاده‌ فراوان دارند.

ساختار موتورهای DC

ساده‌ترین موتور هایDC  از یک آهنربای ثابت در استاتور و یک آرمیچر با یک یا چند سیم‌پیچ با سیم‌های عایقی که دور یک هسته آهنی پیچیده‌شده‌اند، تشکیل می‌شوند. سیم‌پیچ‌ها معمولاً چندین دور به محور هسته تابیده شده و انتهای همهٔ سیم‌ پیچها به کموتاتور (کلکتور) متصل شده‌است. کموتاتور (کلکتور) به هرکدام از سیم‌پیچ‌های آرمیچر اجازه می‌دهد تا با عبور جریان تحریک شوند و با گردش آرمیچر سیم‌پیچ آرمیچر توسط ولتاژ ورودی تحریک ‌شوند و باعث دوران موتور الکتریکی می شود.

ساختار موتورهای DC

موتورهای DC بدون جاروبک(براشلس، (Brushless نیاز به مدارهای الکترونیکی بنام درایور دارند که جریان مستقیم را با فرکانس های مختلف به سیم‌پیچ های موتور اعمال می کند و این کار باعث دوران موتور براشلسBrushless.

قطر سیم و تعداد دور سیم پیچ ها قدرت میدان الکترومغناطیسی تولیدشده را تعیین می‌کند.

با عبور جریان الکتریکی از سیم‌پیچ‌های موتور، میدان مغناطیسی تولید می‌شود. اَندَرکُنش این میدان با میدانی که در استاتور توسط آهنربای (دائمی یا الکترومغناطیسی) تولیدشده، باعث ایجاد نیرویی در آرمیچر می‌شود که آن را می‌چرخاند (تولید گشتاور). البته برای تداوم چرخش آرمیچر، جهت جریان مستقیم در سیم‌پیچ آن می‌بایست در بازه‌های زمانی منظم تکرار و جهت آن تغییر پیدا کند و این عمل یاعث دوران موتور الکتریکیمی شود.

موتور هایDC  غالباً از هوا برای خنک شدن استفاده می‌کنند. ولی جهت افزایش راندمان و سرعت خنک کنندگی از پروانه یا فن استفاده می شود.

ساختار موتورهای DC

ساده‌ترین موتور هایDC  از یک آهنربای ثابت در استاتور و یک آرمیچر با یک یا چند سیم‌پیچ با سیم‌های عایقی که دور یک هسته آهنی پیچیده‌شده‌اند، تشکیل می‌شوند. سیم‌پیچ‌ها معمولاً چندین دور به محور هسته تابیده شده و انتهای همهٔ سیم‌ پیچها به کموتاتور (کلکتور) متصل شده‌است. کموتاتور (کلکتور) به هرکدام از سیم‌پیچ‌های آرمیچر اجازه می‌دهد تا با عبور جریان تحریک شوند و با گردش آرمیچر سیم‌پیچ آرمیچر توسط ولتاژ ورودی تحریک ‌شوند و باعث دوران موتور الکتریکی می شود.

موتورهای DC بدون جاروبک(براشلس، (Brushless نیاز به مدارهای الکترونیکی بنام درایور دارند که جریان مستقیم را با فرکانس های مختلف به سیم‌پیچ های موتور اعمال می کند و این کار باعث دوران موتور براشلسBrushless.

قطر سیم و تعداد دور سیم پیچ ها قدرت میدان الکترومغناطیسی تولیدشده را تعیین می‌کند.

با عبور جریان الکتریکی از سیم‌پیچ‌های موتور، میدان مغناطیسی تولید می‌شود. اَندَرکُنش این میدان با میدانی که در استاتور توسط آهنربای (دائمی یا الکترومغناطیسی) تولیدشده، باعث ایجاد نیرویی در آرمیچر می‌شود که آن را می‌چرخاند (تولید گشتاور). البته برای تداوم چرخش آرمیچر، جهت جریان مستقیم در سیم‌پیچ آن می‌بایست در بازه‌های زمانی منظم تکرار و جهت آن تغییر پیدا کند و این عمل یاعث دوران موتور الکتریکیمی شود.

موتور هایDC  غالباً از هوا برای خنک شدن استفاده می‌کنند. ولی جهت افزایش راندمان و سرعت خنک کنندگی از پروانه یا فن استفاده می شود.

در موتورها آرایش و تعداد شیارهای استاتور و روتور و طریقهٔ اتصال سیم پیچ ها به یکدیگر نقش تعیین‌کننده‌ای در میزان سرعت و گشتاور موتورهای الکتریکی دارد. سرعت این نوع ماشین‌های الکتریکی می‌تواند با تغییر ولتاژ آرمیچر تغییر پیدا کند. همچنین با افزودن مقاومت متغیر در مدار آرمیچر می‌توان سرعت را کنترل کرد. در موتور DC براشلس که موتور های مدرن هستند غالباً با استفاده از مدار الکترونیکی قدرت سطح ولتاژ را با قطع و وصل‌ جریان PWM بصورت سیکل‌های خاموش و روشن کنترل سرعت و قدرت را در دست میگیرند.

از زمانی که موتور های DC  ابداع شدند به دلیل گشتاور زیاد آن‌ها در سرعت پایین، در کِشنده‌های لوکوموتیوهای الکتریکی و قطارها استفاده می‌شدند. موتورهای DC پای ثابت دستگاه‌های کشنده و لوکوموتیوهای الکتریکی و دیزل-الکتریکی، قطار و … برای سال‌های متمادی بودند.

استفاده از موتورهایDC  و شبکه‌های الکتریکی برای تغذیه ماشین‌های الکتریکی در سال ۱۸۷۰ میلادی باعث انقلاب دوم صنعتی شد. موتور DC می‌تواند به صورت مستقیم با باتری (باطری) قابل شارژ مورد استفاده قرار گیرد که این سیستم امروزه در خودروهای هیبریدی و الکتریکی استفاده می‌شود.

اگر نیروی خارجی به موتور DC اعمال شود، یعنی اگر از طرف شفت موتورDC، موتور DC را بچرخانیم موتور مانند یک ژنراتور DC عمل می‌کند. این ویژگی منحصر به فرد در خودروهای هیبریدی برای شارژ باتری‌ها (باطری) مورد استفاده قرار می گیرد و در قطارهای برقی شهری، برق تولید شده بر اثر این ویژگی برای کاهش سرعت قطار به شبکه برق بازگردانده می‌شود تا توسط سایر دستگاه‌ها استفاده شود. در لوکوموتیوهای دیزلی-الکتریکی موقع ترمز از موتور DC به عنوان ژنراتور استفاده می‌شود تا به ترمز کردن کمک کنند و انرژی برق تولیدشده در این عملیات به باکس‌های مقاومتی فرستاده‌می‌شود تا در آنجا تلف شود.

تذکر: در طراحی‌های جدید به جای بسته‌های مقاومت از بسته‌های بزرگ باتری (باطری) استفاده می شود تا مقداری از این انرژی به جای تلف‌شدن ذخیره شود.
ماشین الکتریکی جاروبک‌دار با استفاده از منبع تغذیه جریان مستقیم (ولتاژ DC) و کموتاسیون (کلکتور) داخلی که در حال چرخش است.

در موتورهای DC آهنرباهای دائمی، میدان مغناطیسی استاتور را تشکیل می‌دهند. گشتاور بر اساس این اصل که “به هر سیم پیچ حامل جریان در داخل میدان مغناطیسی نیرو وارد می‌شود” (نیروی لورنتس) تولید می‌شود. شدت اثر نیروی لورنتس و همچنین گشتاور، تابعی از زاویه روتور است که منجر به پدیده‌ای به نام ریپل گشتاور می‌شود. از آنجایی که این موتور دو قطبی است، کموتاتور از یک حلقه تقسیم‌کننده دو تکه تشکیل شده که بعد از هر ۱۸۰ درجه گردش (نیم دور) جهت جریان را معکوس می‌کند.

موتور DC جاروبک‌دار، برای تولید میدان مغناطیسی گردان، نیاز به کموتاسیون دارد. مزایای استفاده از موتور DC جاروبک‌دار شامل هزینه اولیه پایین، قابلیت اطمینان بالا و سادگی کنترل سرعت موتور است.

معایب موتور های DC جابربک دار: عبارتست از تعمیر و نگهداری زیاد، و طول عمر کم در مواردی است که به صورت مداوم از آن استفاده شود. تعمیرات شامل تعویض ذغال کربنی جاروبک‌ها همراه با سیم متصل به آن که وظیفه انتقال انرژی را به عهده دارد و در بعضی موارد تعویض کموتاتور (کلکتور) این قطعات برای انتقال انرژی الکتریکی از منابع تغذیه به سیم‌پیچ‌های روتور مورد استفاده قرار می گیرد.

ساختار موتورهای DC

عموماً موتور های DC بدون جاروبک  (براشلس)‌ دارای یک یا چند آهنربای دائم در داخل روتور است، و آهنرباهای الکتریکی در استاتور قرار گرفته‌اند. کنترلر موتورهای براشلس، جریان DC را به متناوب (پالس) تبدیل می‌کند. طراحی این مدل از لحاظ مکانیکی بسیار ساده‌تر از مدل جاروبک‌دار است زیرا دردسرهای انتقال و رساندن انرژی الکتریکی به یک قطعه متحرک دورانی را ندارد.

درایور موتورهای براشلس می‌تواند موقعیت روتور را با کمک سنسورهای اثر هال تشخیص داده و دقیقاً زمانبندی و فاز و غیره را کنترل کند و باعث افزایش گشتاور، صرفه جویی انرژی، تنظیم سرعت و حتی گاهی ترمز بشود. مزایای موتورهای بدون جاروبک عمر طولانی آن، تعمیرات نادر یا بدون تعمیرات، صرفه جویی بسیار زیاد. معایب آن شامل هزینه اولیه بالا، پیچیدگی و دردسر زیاد در درایور کنترل سرعت موتور.

در بعضی موارد موتورهای بدون جاروبک به موتورهای سنکرون ترجیح داده می‌شوند چرا که به دستگاه و منبع خارجی دیگری برای سنکرون شدن نیاز ندارند.

از آنجایی‌که موتور DC با جریان مستقیم تغذیه می‌شود، برای چرخش مداوم آرمیچر آن، جهت جریان DC  وارد شونده به آرمیچر باید به‌طور مداوم و منظم عوض شود. این کار با کُموتاتور (کلکتور) انجام می‌شود.
نیروی محرکهٔ تولیدشده در آرمیچر میانگین ولتاژ تولیدشده در یک پیچک با تعداد دور N_C از رابطهٔ زیر به دست می‌آید:

{\displaystyle E_{C}=2N_{C}pn\phi }

که در آن  p تعداد قطب، \phi شار میدان مغناطیسی استاتور و n سرعت چرخش روتور است.
اگر  C تعداد کل پیچک‌های آرمیچر، و  a تعداد مسیرهای موازی بین جاروبک‌ها باشد، تعداد پیچک‌های سری بین جاروبک‌ها  C/a می‌شود و با احتساب Z به عنوان هادی‌های موجود در آرمیچر، نیروی محرکهٔ آرمیچر این‌گونه محاسبه می‌شود:

E_A=\frac{2 C N_C }{a}p n \phi = \frac{Z p n \phi}{a}

با محاسبه ضریب سیم‌پیچی k_w ، که برای ماشین‌های DC معمولاً تنها از ضریب توزیع k_d تشکیل شده‌است، نیروی محرکۀ الکتریکی القایی آرمیچر بدین‌گونه خواهد بود:

{\displaystyle E_{A}={\frac {Zpn\phi k_{w}}{a}}={\frac {Zp}{2\pi a}}\phi \omega }

در این رابطه،

\omega  سرعت چرخش روتور است.

با توجه به برابری توان‌های تبدیل‌شده (الکتریکی به مکانیکی)، با احتساب شرایط ایده‌آل تبدیل توان، و با توجه به اینکه مقادیر Z، p و a برای ماشین ثابت است، گشتاور \tau  رابطه‌ای مستقیم با I_a و \phi دارد:

{\displaystyle \tau =k\phi I_{a}}که در آن k ثابت است.

تحریک آرمیچر موتور DC

موتور جریان مستقیم، به جز مواردی که از مغناطیس دائم در استاتور خود استفاده می‌کند، به یک سیم‌پیچ تحریک که جریان مستقیم از آن عبور می‌کند، احتیاج دارد. به این سیم‌پیچ، سیم‌پیچ میدان گفته می‌شود.

تحریک جداگانه

سیم پیچ تحریک جداگانه که از صدها دور سیم نازک تشکیل شده، به منبع خارجی یا جدا از آرمیچر متصل است و ولتاژ آن منبع هیچ‌گونه وابستگی با ولتاژ آرمیچر ندارد.

تحریک خودی در موتور های DC

تحریک سیم‌پیچ میدان به وسیلهٔ آرمیچر موتورهای DC را تحریک خودی می‌نامند. در این موتورها قطب‌های میدان باید پس‌ماند مغناطیسی داشته باشند تا هنگام چرخش آرمیچر ولتاژ پس‌ماندی در جاروبک‌ها تولید شود.

تحریک سری: سیم‌پیچ میدان در این نوع موتور ها DC از سیم‌ های ضخیم با دور اندک (مقاومت کم) تشکیل شده که به‌طور سری به آرمیچر متصل شده‌است و جریان میدان سری به جریان آرمیچر بستگی دارد.

تحریک موازی (شانت): سیم پیچ میدان از سیم‌های نازک با تعداد دور زیاد تشکیل شده که به‌طور موازی به آرمیچر متصل شده‌است.

تحریک کُمپُوند: شامل هر دو سیم‌پیچ تحریک سری و تحریک شنت می‌باشد، البته در مواقعی به جای تحریک شانت از تحریک جداگانه استفاده می‌شود. در صورتی که شار میدان تحریک سری در جهت شار میدان تحریک شنت باشد ماشین را کمپوند اضافی و در غیراین‌صورت به آن ماشین کمپوند نقصانی می‌گویند.

در لحظهٔ شروع راه‌اندازی سرعت موتور صفر است و بنابرین نیروی ضد محرکه E_a نیز صفر می‌باشد، در نتیجه با اعمال ولتاژ پایانه V_t به موتور، جریان آرمیچر از رابطهٔ  =  I_a=\frac{V_t}{r_a} در ماشین‌های شانت، و  =   + I_a=\frac{V_t}{r_a + r_s} در ماشین‌های سری و کمپوند به دست می‌آید که در این صورت جریان زیادی وارد موتور می‌شود که نتایج زیر را دربردارد:

جرقهٔ زدن زیان‌آور در روی کلکتور موقع دوران

آسیب‌دیدن سیم‌پیچ آرمیچر و از بین رفتن عایق بر اثر گرمای بیش از اندازه گشتاور راه‌اندازی بالا و شتاب سریع که به قسمت‌های متحرک ماشین آسیب می‌رساند.

افت زیاد ولتاژ تغذیه

بنابراین برای راه‌اندازی مناسب ماشین لازم است که جریان راه‌اندازی محدود شود. این کار با قرار دادن مقاومت بر سر مدار آرمیچر انجام می‌شود. البته این مقاومت باید به تدریج از مدار برداشته شود، زیرا در هنگام کار عادی ماشین باعث کاهش سرعت ماشین و تلف انرژی و در نتیجه کاهش بازدهی ماشین می‌شود.

از انواع راه‌اندازهای سری می‌توان راه‌اندازهای سه‌سر، راه‌اندازهای چهارسر و راه‌اندازهای اتوماتیک را نام برد.

راه‌اندازی موتورهای جریان مستقیم با قراردادن مقاومت در مدار آرمیچر انجام می‌گیرد که این مقاومت خود از مقاومت‌های کوچک‌تری که هر کدام در بخش مجزایی هستند تشکیل می‌شود و هر کدام از این اجزا به تدریج در هنگام راه‌اندازی از مدار ماشین خارج می‌شود تا مقاومت موجود در مدار آرمیچر تنها مقاومت آرمیچر یا مقاومت سیم‌پیچ سری باشد.

طراحی راه‌انداز

مقاومت راه‌انداز بین دکمه‌های مختلف یک راه‌انداز به قسمت‌های نامساوی تقسیم می‌شود تا از ضربات غیرعادی جریان به خصوص در آخرین دکمهٔ اتصالی جلوگیری شود. در این فرآیند جریان ماکزیمم آرمیچر  1  I_{a1} باید به گونه‌ای باشد تا کموتاسیون خوب به وجود بیاید (جرقه‌های خطرناک هنگام کموتاسیون رخ ندهد.)

تلفات موتور‌های الکتریکی جریان مستقیم dc را می‌توان چنین تقسیم‌بندی نمود:

تلفات مکانیکی یا اصطکاکی

تلفات مکانیکی بعلت اصطکاک محور موتور در یاتاقان‌ها و اصطکاک جاروبک‌ها با کلکتور و مقاومت هوا به وجود می‌آید. این تلفات برای موتور الکتریکی مشخصی، تابع دور محور موتور می‌باشد و آن را با Pmech نمایش می‌دهند.

تلفات آهنی یا تلفات هسته

تلفات هسته موتور الکتریکی از تلفات هیسترزیس و تلفات ناشی از جریانهای گردابی در هستهٔ آرمیچر تشکیل می‌شود و آن را با PFe نشان می‌دهند. مقدار این تلفات برای موتور های الکتریکی مشخص، تابع دور محور و مقدار ولتاژ القایی EA است.

تلفات مسی

تلفات مسی یا تلفات ژولی موتور‌های dc در اثر عبور جریان از سیم‌پیچ تحریک آرمیچر و دیگر سیم‌پیچ‌های موجود در موتور های الکتریکی از قبیل سیم‌پیچ‌های جبرانگر و قطب‌های کمکی و همچنین جاروبک‌ها به وجود می‌آید.

(مجموع تلفات آهنی و مکانیکی از بی‌باری تا بار کامل تغییر چندانی ندارد).