موتور DC و کاربرد های آن

موتور DC و کاربرد های آن :

موتور DC یکی از دسته موتورهای الکتریکی دوار است که انرژی الکتریکی جریان مستقیم را به انرژی مکانیکی تبدیل می کند. متداول ترین انواع آن بر نیروهای تولید شده توسط میدان های مغناطیسی تکیه دارند. تقریباً همه انواع موتورهای DC دارای مکانیزم داخلی هستند، اعم از الکترومکانیکی یا الکترونیکی، تا به طور متناوب جهت جریان در بخشی از موتور را تغییر دهند.

موتورهای DC اولین شکل از موتورهایی بودند که به طور گسترده مورد استفاده قرار گرفتند، زیرا می‌توانستند از سیستم‌های توزیع برق موجود در جریان مستقیم تغذیه شوند. سرعت یک موتور DC را می توان در محدوده وسیعی با استفاده از ولتاژ منبع تغذیه متغیر یا با تغییر قدرت جریان در سیم پیچ های میدان آن کنترل کرد. موتورهای DC کوچک در ابزار، اسباب‌بازی‌ها و لوازم خانگی استفاده می‌شوند. موتور یونیورسال می تواند با جریان مستقیم کار کند، اما یک موتور برس دار سبک وزن است که برای ابزارهای برقی قابل حمل و لوازم خانگی استفاده می شود. موتورهای DC بزرگتر در حال حاضر در پیشرانه وسایل نقلیه الکتریکی، آسانسورها و بالابرها و در پیشرانه کارخانه های نورد فولادی استفاده می شوند. ظهور الکترونیک قدرت باعث شده است که جایگزینی موتورهای DC با موتورهای AC در بسیاری از کاربردها امکان پذیر شود.

استاتور:

استاتور قسمت ثابت یک سیستم چرخشی است که در ژنراتورهای الکتریکی، موتورهای الکتریکی، آژیرها، موتورهای گل یا روتورهای بیولوژیکی یافت می‌شود. انرژی از طریق یک استاتور به جزء دوار سیستم جریان می یابد. در یک موتور الکتریکی، استاتور یک میدان مغناطیسی ایجاد می کند که آرمیچر در حال چرخش را به حرکت در می آورد. در ژنراتور، استاتور میدان مغناطیسی دوار را به جریان الکتریکی تبدیل می‌کند. در دستگاه‌هایی که از سیال استفاده می‌کنند، استاتور جریان سیال را به سمت یا از قسمت چرخان سیستم هدایت می‌کند.

روتور یا آرمیچر:

آرمیچر سیم پیچ (یا مجموعه ای از سیم پیچ ها) یک ماشین الکتریکی است که جریان متناوب را حمل می کند.سیم‌پیچ‌های آرمیچر AC را حتی در ماشین‌های DC به دلیل عملکرد کموتاتور (که به طور دوره‌ای جهت جریان را معکوس می‌کند) یا به دلیل کموتاسیون الکترونیکی مانند موتورهای DC بدون جاروبک هدایت می‌کنند. بسته به نوع ماشین الکتریکی، آرمیچر می تواند روی روتور (قطعه چرخان) یا استاتور (قطع ثابت) باشد.

اصل موتورهای DC:

وقتی هادی حامل جریان در میدان مغناطیسی قرار می گیرد، گشتاوری را تجربه می کند و تمایل به حرکت دارد.

به عبارت دیگر، هنگامی که یک میدان مغناطیسی و یک میدان الکتریکی برهم کنش می‌کنند، نیروی مکانیکی ایجاد می‌شود. موتور DC یا موتور جریان مستقیم بر این اصل کار می کند. این به عنوان عمل حرکتی شناخته می شود.

جهت چرخش این موتور با قانون دست چپ فلمینگ مشخص می‌شود که اگر انگشت اشاره، وسط و شست دست چپ شما متقابلاً عمود بر یکدیگر کشیده شوند و اگر انگشت اشاره نشان دهنده جهت مغناطیسی باشد. میدان، انگشت وسط جهت جریان را نشان می‌دهد، سپس انگشت شست جهتی را نشان می‌دهد که در آن نیرو توسط شفت موتور DC وارد می‌شود.

موتور های الکترومغناطیسی:

یک سیم پیچ با جریانی که از آن عبور می کند، میدان الکترومغناطیسی را با مرکز سیم پیچ هم تراز می سازد. جهت و بزرگی میدان مغناطیسی تولید شده توسط سیم پیچ را می توان با جهت و بزرگی جریانی که از آن عبور می کند تغییر داد.

یک موتور DC ساده دارای مجموعه ای ثابت از آهنرباها در استاتور و آرمیچر با یک یا چند سیم پیچ سیم عایق است که دور یک هسته نرم آهنی پیچیده شده است که میدان مغناطیسی را متمرکز می کند. سیم پیچ ها معمولاً دارای چرخش های متعدد در اطراف هسته هستند و در موتورهای بزرگ می توانند چندین مسیر جریان موازی وجود داشته باشند. انتهای سیم پیچ سیم به یک کموتاتور متصل است. کموتاتور اجازه می دهد تا هر سیم پیچ آرمیچر به نوبه خود انرژی داده شود و سیم پیچ های دوار را با منبع تغذیه خارجی از طریق برس ها متصل می کند. (موتورهای DC بدون جاروبک دارای قطعات الکترونیکی هستند که جریان DC را به هر سیم پیچ روشن و خاموش می کند و بدون برس می باشد.)

مقدار کل جریان ارسال شده به سیم پیچ، اندازه سیم پیچ و آنچه که به دور آن پیچیده شده است، قدرت میدان الکترومغناطیسی ایجاد شده را دیکته می کند.

توالی روشن یا خاموش کردن یک سیم پیچ خاص نشان می دهد که میدان های الکترومغناطیسی موثر در چه جهتی هستند. با روشن و خاموش کردن سیم پیچ ها به صورت متوالی می توان یک میدان مغناطیسی چرخشی ایجاد کرد. این میدان‌های مغناطیسی دوار با میدان‌های مغناطیسی آهن‌رباها (دائمی یا الکترومغناطیس) در قسمت ثابت موتور (استاتور) برهمکنش می‌کنند و گشتاوری روی آرمیچر ایجاد می‌کنند که باعث چرخش آن می‌شود. در برخی از طراحی‌های موتورهای DC، میدان‌های استاتور از آهنرباهای الکتریکی برای ایجاد میدان‌های مغناطیسی خود استفاده می‌کنند که امکان کنترل بیشتر بر موتور را فراهم می‌کند.

تعداد متفاوت میدان های استاتور و آرمیچر و همچنین نحوه اتصال آنها ویژگی های تنظیم سرعت و گشتاور ذاتی متفاوتی را ارائه می دهد. با تغییر ولتاژ اعمال شده به آرمیچر می توان سرعت یک موتور DC را کنترل کرد. مقاومت متغیر در مدار آرمیچر یا مدار میدان اجازه کنترل سرعت را می دهد. موتورهای DC مدرن اغلب توسط سیستم های الکترونیک قدرت کنترل می شوند که ولتاژ را با "قطع کردن" جریان DC به چرخه های روشن و خاموش که دارای ولتاژ موثر پایین تر هستند، تنظیم می کنند.

این موتورها بر اساس نحوه اتصال سیم پیچ های سلف آنها به 4 دسته تقسیم می شوند:

• موتور با تحریک جداگانه
• موتور سری
• موتور شنت-پیچ
• موتور مرکب

مزایای موتورهای DC:

• کنترل سرعت بهتر
• تداخل الکترومغناطیسی کمتر (برای دستگاه های الکترونیکی حساس عالی است)
• این محصول می تواند با باتری کار کند
• پایداری برای بردهای مدار و الکترونیک حساس

کاربردهای موتورDC:

موتورهای DC برای بسیاری از کاربردها - از جمله نوار نقاله ها، میزهای گردان و موارد دیگر که برای آنها به سرعت قابل تنظیم و گشتاور ثابت یا کم سرعت نیاز است، مناسب هستند. آنها همچنین در کاربردهای ترمز دینامیکی و معکوس کردن، که در بسیاری از ماشین‌های صنعتی رایج است، به خوبی کار می‌کنند.

شتاب سریع، توقف و معکوس کردن آنها - همراه با منحنی گشتاور سرعت خطی آنها - موتور DC را به یک انتخاب محبوب در بسیاری از طرح های جدید، به ویژه برای کاربردهای اسب بخار کسری تبدیل می کند.

موتور براش:

موتور الکتریکی DC برس خورده گشتاور را مستقیماً از نیروی DC عرضه شده به موتور با استفاده از کموتاسیون داخلی، آهنرباهای ثابت (دائمی یا الکترومغناطیس) و آهنرباهای الکترومغناطیسی چرخان تولید می کند.

مزایای موتور DC برس دار شامل هزینه اولیه کم، قابلیت اطمینان بالا و کنترل ساده سرعت موتور است. معایب تعمیر و نگهداری بالا و طول عمر کم برای استفاده های با شدت بالا است. تعمیر و نگهداری شامل تعویض منظم برس ها و فنرهای کربنی است که جریان الکتریکی را حمل می کنند و همچنین تمیز کردن یا تعویض کموتاتور. این اجزا برای انتقال نیروی الکتریکی از خارج موتور به سیم پیچ های سیم چرخان روتور در داخل موتور ضروری هستند.

برس‌ها معمولاً از گرافیت یا کربن ساخته می‌شوند، گاهی اوقات مس پراکنده اضافه می‌کنند تا رسانایی را بهبود بخشد. در هنگام استفاده، مواد برس نرم متناسب با قطر کموتاتور سایش می‌یابند و به سایش ادامه می‌دهند. نگهدارنده برس دارای یک فنر برای حفظ فشار بر روی برس در هنگام کوتاه شدن آن است. برای برس هایی که بیش از یک آمپر یا دو آمپر در نظر گرفته شده است، یک سرب پرنده در برس قالب گیری شده و به پایانه های موتور متصل می شود. برس های بسیار کوچک ممکن است به تماس لغزنده با نگهدارنده برس فلزی برای انتقال جریان به برس متکی باشند یا ممکن است به فنر تماسی که انتهای برس را فشار می دهد متکی باشند. برس‌های موجود در موتورهای بسیار کوچک و با عمر کوتاه، مانند مواردی که در اسباب‌بازی‌ها استفاده می‌شوند، ممکن است از یک نوار فلزی تا شده ساخته شده باشند که با کموتاتور تماس پیدا می‌کند.

موتور براشلس:

موتورهای DC معمولی بدون جاروبک از یک یا چند آهنربا دائمی در روتور و آهنرباهای الکتریکی روی محفظه موتور برای استاتور استفاده می کنند. یک کنترلر موتور DC را به AC تبدیل می کند.

این طراحی از نظر مکانیکی ساده تر از موتورهای برس خورده است زیرا عوارض انتقال نیرو از خارج موتور به روتور چرخان را برطرف می کند. کنترل‌کننده موتور می‌تواند موقعیت روتور را از طریق سنسورهای اثر هال یا دستگاه‌های مشابه حس کند و می‌تواند دقیقاً زمان‌بندی، فاز و غیره جریان در سیم‌پیچ‌های روتور را برای بهینه‌سازی گشتاور، صرفه‌جویی در قدرت، تنظیم سرعت و حتی اعمال برخی ترمزها، کنترل کند. از مزایای موتورهای براشلس می توان به طول عمر طولانی، تعمیر و نگهداری کم یا بدون جاروبکی و راندمان بالا اشاره کرد. از معایب آن می توان به هزینه اولیه بالا و کنترل کننده های سرعت موتور پیچیده تر اشاره کرد. برخی از چنین موتورهای بدون جاروبکی گاهی اوقات به عنوان "موتورهای سنکرون" نامیده می شوند، اگرچه آنها منبع تغذیه خارجی ندارند که با آنها هماهنگ شود، همانطور که در مورد موتورهای سنکرون معمولی AC چنین است.

یک موتور DC سری آرمیچر و سیم‌پیچ‌های میدان را به صورت سری با یک منبع تغذیه D.C مشترک متصل می‌کند. سرعت موتور به عنوان تابع غیر خطی گشتاور بار و جریان آرمیچر تغییر می کند. جریان برای هر دو رفتار استاتور و روتور که جریان مجذور (I^2) را ایجاد می کند، مشترک است . یک موتور سری دارای گشتاور راه اندازی بسیار بالایی است و معمولاً برای راه اندازی بارهای اینرسی بالا، مانند قطار، آسانسور یا بالابر استفاده می شود. این مشخصه سرعت/گشتاور در کاربردهایی مانند بیل مکانیکی مفید است، جایی که ابزار حفاری هنگام تخلیه به سرعت حرکت می کند اما در هنگام حمل بار سنگین به آرامی حرکت می کند.

موتور DC گیربکس دار:

همانطور که از نام موتور گیربکس  پیداست این موتور از ترکیب یک موتور dc و گیربکس تشکیل شده است. موتورهای DC الکتروموتورهایی هستند که با ولتاژ مستقیم کار می کنند. به عبارت دیگر با اعمال ولتاژ مستقیم (DC) به سیم  پیچی استاتور آنها، میدان مغناطیسی درون آن ایجاد می شود از طرف دیگر با اعمال ولتاژ به روتور نیز یک میدان مغناطیسی دیگری ایجاد می شود که از بر هم کنش این دو میدان تولید شده موتور می چرخد.

وجود گیربکس سر راه این موتورها سبب کاهش سرعت و به دنبال آن افزایش قدرت و گشتاور موتور می گردد.