انواع موتورهای الکتریکی AC

موتور الکتریکی چیست

موتور الکتریکی ماشینی است که انرژی الکتریکی را به انرژی مکانیکی تبدیل می‌کند. این وسیله الکتریکی برای تولید گشتاور برای بلند کردن بارها، جابجایی اجسام و کارهای مکانیکی مختلف استفاده می‌شود. موتورهای الکتریکی عمدتاً به سه نوع طبقه‌بندی می‌شوند: موتورهای AC، موتورهای DC و موتورهای مخصوص. در این مطلب، به انواع موتورهای الکتریکی AC می‌پردازیم.

موتور AC

موتور الکتریکی AC انرژی الکتریکی AC (جریان متناوب) را به انرژی مکانیکی تبدیل می‌کند. این موتورهای الکتریکی با استفاده از جریان متناوب تک‌فاز یا سه‌فاز تغذیه می‌شوند. اصل کار موتور AC یک میدان مغناطیسی دوار (RMF) است که توسط سیم‌پیچ استاتور در هنگام عبور جریان متناوب از آن ایجاد می‌شود. روتور، که میدان مغناطیسی خاص خود را دارد، از RMF پیروی و شروع به چرخش می‌کند.
موتورهای AC بیشتر به دو نوع طبقه‌بندی می‌شوند:

• موتور سنکرون
• موتور آسنکرون یا القایی

موتور سنکرون

همان‌طور که از نام آن پیداست، این موتور AC دارای سرعت ثابتی به نام سرعت سنکرون است که فقط به فرکانس جریان تغذیه بستگی دارد. سرعت این موتورهای الکتریکی تنها با تغییر در فرکانس منبع تغییر می‌کند و در بارهای مختلف ثابت می‌ماند. از این موتورها برای کاربردهایی با سرعت ثابت و کنترل دقیق استفاده می‌شود.
یک موتور سنکرون طراحی استاتور مشابهی با موتور آسنکرون دارد و هنگامی که با جریان متناوب ورودی تأمین شود، میدان مغناطیسی گردان ایجاد می‌کند. این در حالی است که طراحی روتور ممکن است متفاوت باشد، یعنی از یک تحریک DC جداگانه برای تولید میدان مغناطیسی‌اش استفاده می‌کند.

موتور سنکرون با سیستم تحریک

این موتور سنکرون نیاز به تحریک DC دارد. تحریک DC به این معنی است که روتور منبع DC جداگانه‌ای برای تولید شار مغناطیسی خود دارد. این شار با شار گردان استاتور واکنش می‌دهد و چرخش ایجاد می‌کند. از روتور سیم‌پیچی‌شده با مجموعه کموتاتور و جاروبک‌ها برای تأمین جریان به سیم‌پیچ‌های روتور استفاده می‌شود.

موتور سنکرون تک‌فاز

این نوع موتور سنکرون با منبع AC تک‌فاز کار می‌کند. به طور دقیق، این موتور از دو فاز استفاده می‌کند که فاز دوم از فاز اول گرفته شده است. دلیل استفاده از دو فاز این است که یک فاز نمی‌تواند میدان مغناطیسی دوار ایجاد کند. چنین موتوری می‌تواند در هر جهت بچرخد و شروع به کار کند، یعنی جهت آن نامشخص است. به همین دلیل است که یک توالی راه‌اندازی اضافی برای جهت دادن به آن استفاده می‌شود.
سرعت چنین موتوری فقط به فرکانس منبع بستگی دارد. از این موتورها در ابزار ضبط و ساعت‌های دیواری برقی استفاده می‌شود.

موتور سنکرون سه‌فاز

این موتور سنکرون با منبع تغذیه سه‌فاز کار می‌کند. مزیت جریان متناوب سه‌فاز این است که یک میدان مغناطیسی دوار در استاتور ایجاد می‌کند، در حالی که آرایش فازها جهت چرخش را تعیین می‌کند. این موتورها برای تعیین جهت به مکانیزم راه‌اندازی خاصی نیاز ندارند. با این حال، روتور همچنان به یک منبع DC اضافی برای تحریک نیاز دارد.
این موتورها در صنایع برای کاربردهایی استفاده می‌شوند که به سرعت ثابت در طیف وسیعی از بارها نیاز دارند و نیاز به موقعیت‌یابی دقیق در رباتیک وجود داشته باشد.

موتور سنکرون بدون سیستم تحریک

این موتور سنکرون نیازی به تحریک DC ندارد، یعنی روتور برای تولید شار مغناطیسی به منبع DC جداگانه نیاز ندارد. این موتورها، مانند موتورهای القایی، از روتورهای قفس سنجابی استفاده می‌کنند.

موتور رلوکتانسی

موتور رلوکتانسی یک موتور سنکرون تک‌فاز است که بر اساس اصل تولید گشتاور و رلوکتانس مغناطیسی کار می‌کند. این موتور دو نوع سیم‌پیچ استاتور دارد، یعنی سیم‌پیچ‌های اصلی و سیم‌پیچ‌های کمکی. سیم‌پیچ‌های کمکی برای راه‌اندازی موتور استفاده می‌شود. روتور این نوع موتور مانند موتورهای القایی، از نوع قفس سنجابی (بدون سیم‌پیچ) و از مواد فرومغناطیسی ساخته شده است.
موتور رلوکتانسی مانند یک موتور القایی تک‌فاز واقعی با استفاده از سیم‌پیچ کمکی راه‌اندازی می‌شود. هنگامی که موتور به سرعت نزدیک به سنکرون برسد، سیم‌پیچ کمکی قطع می‌شود و روتور به دلیل ماهیت فرومغناطیسی به طور همزمان قفل می‌شود و سعی می‌کند خود را در موقعیتی با رلوکتانس کمتر در داخل میدان مغناطیسی دوار نگه دارد.

موتور هیسترزیس

این نوع موتور سنکرون بر اساس اصل تلفات پسماند یا هیسترزیس یا مغناطیس باقی‌مانده در روتور کار می‌کند. این موتورهای الکتریکی با استفاده از منبع AC تک‌فاز و همچنین سه‌فاز کار می‌کنند. در یک موتور هیسترزیس تک‌فاز، یک سیم‌پیچ کمکی در کنار سیم‌پیچ اصلی مانند یک موتور رلوکتانس وجود دارد. روتور که به شکل استوانه است، از مواد فرومغناطیسی با قابلیت پایداری مغناطیسی بالا یا تلفات هیسترزیس مانند فولاد سخت ساخته شده است. روتور توسط یک شفت غیرمغناطیسی پشتیبانی می‌شود.

موتور به عنوان یک موتور القایی روشن می‌شود و میدان مغناطیسی دوار استاتور باعث القای جریان گردابی در روتور می‌شود. جریان گردابی به دلیل خاصیت تلفات هیسترزیس بالای مواد روتور، گشتاور همراه با گشتاور هیسترزیس ایجاد می‌کند. با توجه به گشتاور جریان گردابی، موتور به عنوان یک موتور القایی رفتار می‌کند.

هنگامی که موتور به سرعت نزدیک به سنکرون می‌رسد، میدان مغناطیسی دوار استاتور روتور را به صورت همزمان می‌کشد. ماهیت فرومغناطیسی روتور به دلیل RMF استاتور قطب‌های مغناطیسی مخالف ایجاد و شروع به رفتاری مانند یک آهنربای دائمی می‌کند. در چنین سرعتی، هیچ حرکت نسبی‌ای بین استاتور و روتور وجود ندارد، پس القایی نیز وجود ندارد. بنابراین، جریان گردابی یا گشتاور جریان گردابی وجود ندارد. گشتاور تولیدشده توسط موتور در سرعت سنکرون در اثر هیسترزیس است که به همین دلیل به آن موتور هیسترزیس می‌گویند.

مزیت اصلی موتور هیسترزیس این است که بدون جاروبک است و هیچ سیم‌پیچی در داخل روتور وجود ندارد. همچنین، هیچ صدایی تولید نمی‌کند و بی صدا کار می‌کند.
از معایب موتور هیسترزیس می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• گشتاور بسیار کمی تولید می‌کند.
• اگر گشتاور بار از یک حد معین افزایش یابد، سرعت آن کاهش می‌یابد و بنابراین دیگر به عنوان موتور سنکرون عمل نمی‌کند.
• بازده کمتری دارد. 
• فقط در اندازه‌های کوچک موجود است.

این موتور در پخش‌کننده‌ها و ضبط‌صوت‌ها که به ویژه برای ضبط و پخش نیاز به سرعت ثابت دارند، استفاده می‌شود. همچنین، در ساعت برقی نیز به کار می‌روند.

موتور آسنکرون

به نوعی از موتور AC که با سرعت سنکرون کار نمی‌کند، موتور آسنکرون می‌گویند. سرعت روتور این موتور همیشه کمتر از سرعت سنکرون است و نیازی به تحریک جداگانه روتور ندارد.
موتورهای آسنکرون به طور خلاصه به دو نوع دسته‌بندی می‌شوند:

• موتور القایی
• موتور کموتاتوری

موتور القایی

موتور القایی نوعی موتور آسنکرون AC است که بر اساس اصل القای الکترومغناطیسی بین استاتور و روتور کار می‌کند. شار مغناطیسی گردان، به دلیل القای الکترومغناطیسی، جریانی را در روتور القا می‌کند که باعث تولید گشتاور در روتور می‌شود. این موتور پرکاربردترین موتور الکتریکی در صنایع است و عمدتاً بر اساس ساختار روتور آن به دو نوع قفس سنجابی و سیم‌پیچی‌شده تقسیم می‌شود.

موتور القایی قفس سنجابی

روتور این موتور القایی شبیه قفس سنجاب است. بدین شکل که از میله‌های مسی که در هر دو انتها با استفاده از یک حلقه رسانا که برای ایجاد یک مدار حلقه‌بسته متصل شده‌اند، ساخته شده است. میله‌ها هیچ اتصال الکتریکی به روتور ندارند.

میدان مغناطیسی متغیر استاتور جریانی را در میله‌های روتور القا می‌کند. جریان القایی میدان مغناطیسی خود را در روتور ایجاد می‌کند که با میدان مغناطیسی گردان استاتور در تعامل است و سعی می‌کند با چرخش با آن در همان جهت آن را از بین ببرد.
طراحی ساده، ارزان بودن و قابلیت اعتماد از ویژگی‌های این موتور است. از آنجا که هیچ اتصال الکتریکی یا مونتاژ کموتاتور و جاروبک وجود ندارد، این موتور به نگهداری کمتری نیاز دارد.

موتور القایی روتور سیم‌پیچی‌شده

موتور حلقه لغزان یا موتور القایی با روتور سیم‌پیچی‌شده نوع دیگری از موتورهای القایی است که روتور آن از سیم‌پیچ‌هایی ساخته شده است که به حلقه‌های لغزان متصل می‌شوند. حلقه‌های لغزان برای اتصال سیم‌پیچ‌ها به مقاومت‌های خارجی برای کنترل جریان روتور و امکان کنترل ویژگی‌های سرعت/گشتاور استفاده می‌شوند.

اصول عملکرد این موتورها مشابه موتور القایی قفس سنجابی است، با این تفاوت که جریان القایی در روتور را می‌توان با استفاده از مقاومت‌های خارجی کنترل کرد. مقاومت خارجی همچنین به افزایش مقاومت روتور در هنگام راه‌اندازی موتور کمک می‌کند تا جریان هجومی بالا را کاهش دهد. همچنین گشتاور راه‌اندازی را برای بارهای با اینرسی زیاد افزایش می‌دهد.

نقطه ضعف حلقه‌های لغزان این است که دائماً با جاروبک‌هایی که به دلیل سایش و پارگی مکانیکی نیاز به تعمیر و نگهداری پرهزینه دارند کار می‌کند. ساختار این موتور پیچیده است و گران‌تر از موتور قفس سنجابی است.

موتور با راه‌انداز خازنی و کار القایی 

این موتور یک موتور القایی تک‌فاز است که از یک خازن سری به همراه سیم‌پیچ کمکی برای تولید گشتاور اضافی در هنگام راه‌اندازی استفاده می‌کند. نام آن به وضوح نشان می‌دهد که خازن فقط برای راه‌اندازی موتور استفاده می‌شود و هنگامی که موتور با استفاده از یک کلید گریز از مرکز به سرعت نزدیک به سنکرون رسید، آن را قطع می‌کند.

موتور با راه‌انداز خازنی و کار القایی دارای دو سیم‌پیچ استاتور به نام سیم‌پیچ اصلی و سیم‌پیچ کمکی است. سیم‌پیچ کمکی با استفاده از یک کلید گریز از مرکز به صورت سری به خازن متصل می‌شود. هنگامی که موتور روشن می‌شود، جریان از هر دو سیم‌پیچ عبور می‌کند و گشتاور راه‌اندازی بالایی ایجاد می‌کند. هنگامی که موتور به ۷۰ تا ۸۰ درصد سرعت کامل رسید، سوئیچ گریز از مرکز منبع تغذیه سیم‌پیچ‌های کمکی را قطع می‌کند و موتور روی سیم‌پیچ اصلی کار خود را از سر می‌گیرد.

موتور با راه‌انداز خازنی و کار خازنی 

این موتور یک موتور القایی تک‌فاز است، اما در عملکرد خود از دو خازن استفاده می‌کند. این دو خازن، خازن راه‌اندازی و خازن در حال کار هستند. خازن راه‌اندازی فقط برای راه‌اندازی موتور استفاده می‌شود تا گشتاور راه‌اندازی زیادی را مهیا کند، در حالی که خازن در حال کار برای عملکرد عادی موتور استفاده می‌شود. خازن راه‌انداز با استفاده از سوئیچ گریز از مرکز متصل و جدا می‌شود.

هنگامی که موتور شروع به کار می‌کند، هر دو خازن وصل می‌شوند و گشتاور راه‌اندازی بالایی را به روتور می‌دهند. پس از آن، سوئیچ گریز از مرکز، خازن راه‌اندازی را قطع می‌کند. چنین موتوری از سیم‌پیچ اصلی و کمکی به طور مداوم استفاده می‌کند. به همین دلیل است که عملکرد آن نرم‌تر از موتوری است که فقط روی سیم‌پیچ‌های اصلی کار می‌کند.

موتور کموتاتوری

موتور کموتاتوری یک نوع موتور AC است که از مونتاژ کموتاتور و جاروبک برای تأمین برق روتور خود استفاده می‌کند. این موتورهای الکتریکی دارای روتور از نوع سیم‌پیچی‌شده هستند.

موتور سری AC

همانطور که می‌دانیم، الکتروموتورها دو نوع سیم‌پیچ دارند، یعنی سیم‌پیچ استاتور به نام سیم‌پیچ میدان و سیم‌پیچ روتور یا سیم‌پیچ آرمیچر.
هنگامی که هر دو سیم‌پیچ به صورت سری به هم متصل می‌شوند، موتور به عنوان موتور سیم‌پیچ سری شناخته می‌شود. این موتور همچنین به دلیل قابلیت کارکرد با منبع AC و DC به عنوان موتور یونیورسال شناخته می‌‌شود.

سیم‌پیچ‌های میدان همان مقدار جریانی را که سیم‌پیچ‌های روتور حمل می‌کنند، دارند. جاروبک‌هایی که جریان را از طریق کموتاتور به سیم‌پیچ آرمیچر می‌رسانند، سیم‌پیچ‌های آرمیچر را اتصال کوتاه می‌کنند و به عنوان یک ترانسفورماتور اتصال کوتاه عمل می‌کنند. جاروبک‌ها قوس‌هایی ایجاد می‌کنند که با افزایش سرعت کاهش می‌یابد.

موتور سری اصلاح‌شده

این یک شکل اصلاح‌شده از موتور سری AC است که در آن یک سیم‌پیچ اضافی به نام سیم‌پیچ جبران‌کننده به صورت سری به سیم‌پیچ‌های میدان و آرمیچر موجود اضافه می‌شود تا اثر ترانسفورماتور را که در موتورهای سری جبران‌نشده اتفاق می‌افتد، حذف کند.
سیم‌پیچ جبران‌کننده در کنار سیم‌پیچ‌های میدان به استاتور اضافه می‌شود و همانطور که در شکل نشان داده شده است وصل می‌شود تا مشکل قوس‌ الکتریکی را برطرف کند یا کاهش دهد.

موتور دفعی

موتور دفعی نیز یک موتور تک‌فاز AC است که ورودی AC فقط به سیم‌پیچ‌های میدان یا استاتور اعمال می‌شود. سیم‌پیچ‌های آرمیچر به کموتاتور متصل می‌شوند. سیم‌پیچ‌های آرمیچر با استفاده از یک جفت جاروبک اتصال کوتاه می‌شوند. هیچ اتصال الکتریکی بین سیم‌پیچ‌های میدان و سیم‌پیچ‌های آرمیچر وجود ندارد. جریان روتور از طریق القایی تولید می‌شود.

جاروبک‌ها به‌گونه‌ای پیکربندی شده‌اند که می‌توان موتور را حرکت داد تا زاویه آن نسبت به یک محور فرضی استاتور تغییر کند. موتور را می‌توان با تغییر زاویه جاروبک‌ها متوقف، راه‌اندازی و معکوس کرد (جهت حرکت) و همچنین سرعت موتور را تغییر داد.

از آنجا که روتور با استفاده از جاروبک‌ها برای تشکیل یک حلقه اتصال کوتاه می‌شود، زمانی که جریان متناوب در سیم‌پیچ میدان شارش می‌یابد، جریان القا می‌شود. این جریان القایی که در سیم‌پیچ‌های روتور شارش دارد، میدان مغناطیسی خود را ایجاد می‌کند. جهت میدان مغناطیسی به زاویه جاروبک بستگی دارد. این میدان مغناطیسی با میدان استاتور در تعامل است و روتور بر این اساس واکنش نشان می‌دهد. برای چرخش موتور، جاروبک‌ها حدود ۲۰ درجه در هر جهت چرخانده می‌شوند تا موتور در آن جهت بچرخد. قرار دادن جاروبک‌ها در ۹۰ درجه یا ۱۸۰ درجه یا ۰ درجه باعث توقف موتور می‌شود. تغییر زاویه دافعه بین میدان مغناطیسی استاتور و روتور را افزایش یا کاهش می‌دهد و سرعت روتور را تغییر می‌دهد.

گشتاور راه‌اندازی را می‌توان با تغییر زاویه جاروبک‌ها که حداکثر گشتاور راه‌اندازی را در ۴۵ درجه ایجاد می‌کند، کنترل کرد. این موتور به دلیل تنظیم سرعت خوب برای کشش مورد استفاده قرار می‌گرفت، سایر موتورهای کششی اکنون جایگزین آن شده‌اند.

موتور با راه‌انداز دفعی و کار القایی

موتور القایی دفعی که به عنوان موتور القایی راه‌انداز دفعی نیز شناخته می‌شود، نسخه اصلاح‌شده موتور القایی قفس سنجابی است که از ویژگی گشتاور راه‌اندازی بالا موتور دفعی استفاده می‌کند و معمولاً به عنوان موتور القایی قفس سنجابی کار می‌کند.

مکانیزم خاصی برای راه‌اندازی موتور وجود دارد. در هنگام راه‌اندازی موتور، یک جفت جاروبک اتصال کوتاه‌شده با زاویه‌ای مانند موتور دفعی به کموتاتور متصل می‌شود. هنگامی که موتور سرعت خود را افزایش می‌دهد، مکانیزم جاروبک‌ها را جدا می‌کند و میله را با اتصال کوتاه کردن کموتاتور به یکدیگر متصل می‌کند تا یک روتور قفس سنجابی را تشکیل دهد. موتور به عنوان یک موتور القایی کار خود را از سر می‌گیرد.

مزیت راه‌اندازی دفعی در مقایسه با هر موتور القایی دیگر، گشتاور راه‌اندازی ۵ تا ۶ برابری است. جاروبک‌ها همچنین طول عمر بیشتری دارند، زیرا فقط برای راه‌اندازی موتور استفاده می‌شود. بنابراین، این الکتروموتورها عمر مکانیکی بالا و نیاز به نگهداری کمتری دارند.

در مطالب آینده، به موتورهای DC و موتورهای مخصوص می‌پردازیم…

بیشتر مطالعه کنید:

انواع عیوب موتورهای الکتریکی و علل رخداد آن‌ها

منبع:

https://www.electricaltechnology.org/2021/01/types-of-electric-motors.html