تحقیق مقاله موتور الکتریکی

موتور الکتریکی

 نوعی ماشین الکتریکی است که الکتریسیته را به حرکت مکانیکی تبدیل می‌کند. عمل عکس آن که تبدیل حرکت مکانیکی به الکتریسیته‌است، توسط ژنراتور انجام می‌شود. این دو وسیله بجز در عملکرد، مشابه یکدیگر هستند. اکثر موتورهای الکتریکی توسط الکترومغناطیس کار می‌کنند، اما موتورهایی که بر اساس پدیده‌های دیگری نظیر نیروی الکترواستاتیک و اثر پیزوالکتریک کار می‌کنند، هم وجود دارند.

موتورهای قطب چاکدار نسبت به موتورهای القائی دیگر هم توان، از لحاظ ساختمان ساده تر و از لحاظ قیمت کم هزینه تر بوده و دارای قابلیت اطمینان بیشتری می باشند. بنابراین موتورهای قطب چاکدار یکی از پرکاربردترین نوع الکتروموتور در قدرتهای کمتر از اسب بخار می باشند.یکی از معایب این نوع الکتروموتورها بازده بسیار پائین آنها می باشد.در پروژه حاضر به کمک روش المان محدود ‏‎FEM‎‏ پارامترهای دخیل در شکل ورق استاتور یک نمونه موتور قطب چاکدار که مستقیما در هزینه تمام شده و تلفات نیز تاثیر دارد، بررسی شده و با چهار روش از روشهای موجود در ‏‎ANSYS‎‏ شکل ورق استاتور برای داشتن بازده بیشتر بهینه شده و نتایج با طرح اولیه نیز مقایسه شده است

موتورهای القایی تکفاز :

موتورهای القایی تکفاز که گاهی نیز به نام موتورهای القایی سنکرون از انها یاد میشود دارای روتور قفس سنجاقی بوده و استاتور انها هاوی یک سیم پیچ تکفاز است که در طول محیط استاتور درون شیارها توزیع شده است . در این گونه موتورها ذاتاً گشتاور راه اندازی حاصل نمی شود ولذا اگر استاتور به منبع ac تکفاز وصل شود موتور خود به خود راه اندازی نمی شود اما اگر محور روتور توسط عامل خارجی بچرخ در اید . گردش خود را دائماٌ ادامه خواهد داد.

موتورهای فاز شکسته :

در این موتورها روتور قفس سنجاقی بوده و استاتور توسط دو سیم پیچ که از لحاظ موقعیت مکانی در فضا با یکدیگر 90 درجه اختلاف ذاویه دارند تشکیل شده اند اگر za  بزرگتر از  zm  باشد در لحظحه راه اندازی جریان سیم پیچ ها با هم همفاز نبوده لذا ماشین شبیه یک موتور 2 فاز نا متعادل شده و شروع به حرکت می کند در این موتورها معمولاً یک کلید گریز از مر کز قرار می دهند و در سرعتی بیش از 75 % سرعت نامی این کلید عمل کرده و سیم پیچ کمکی را از مدار خارج می کند . این موتورها دارای گشتاور راه اندازی متوسط و جریان راه اندازی کم می باشند و کاربرد انها در فن ها دمنده ها و پمپ های سانتریوژ وتاً سیسات دفتری که ظرفیت انها بین  400 تا  40  وات است مورد استفاده قرار   میگیرند  مزیت این موتورها  ارزان بودن و فراوانی انها است .

موتورهای خازنی :

از خازن جهت بهبود عملکرد راه اندازی و عملکرد کاری یا هر دو مورد استفاده میشودموتور با راه انداز خازنی یک موتور فاز شکسته است اما جابجایی زمانی فاز بین جریانهای اصلی و کمکی ازطریق یک خازنسری با سیم پیچ کمکی به حداکثر مقدارخود می رسد اگرخازن بطور مناسب طراحی گردد این اختلاف زاویه 90 درجه شده شبیه یک موتوردوفازه کامل عمل می کند چون زاویه به بین دوجریان زیاد است لذا گشتاورراه اندازی این موتور بالا بوده و ازآنها کمپرس ها پمپ هایخچال ها وتجهیزات تصویهمتبوع وسایر موارد که راه اندازی دشواری دارند استفاده می شوند این موتورها دو ولتاژ 110ولت وهم220 ولت کارکنند برای این منظور سیم پیچ  110vاصلی رادوقسمتکرده هنگام کار با سیم پیچ راموازی می کنیم وهنگام کار باولتاژ220vدوقسمت سیم  پیچ را سری می کنیم .

موتور با خازن دائم :

برای اینکه مشکلات پدید آمده برای خازن هنگام قطع کلید گریز از مرکز رفع شود همچنین موتور تکفاز شبیه یک موتور دو فاز نا متعادل در کل مدت زمان کاری (راه اندازی و کار دائم)شود با حذف کلید در بعضی موتورهای قدرت کم یا پایین خازن همیشه در مدار با قی می ماند ساختمان موتور ساده تر شده راندمان و گشتاور بهبود می یابد .

موتور های القایی تک فاز با خازن راه انداز(خازن موقت) و خازن دائم:

این موتورها به موتورهای دو خازنی نیز معروفند . یکی از خازن ها برای راه اندازی مورد استفاده قرار می گیرد و توسط کلید گریز از مرکز از مدار بیرون می رود . خازن دیگر دائماً در مدار باقی می ماند . این موتورها گرانتر از نوع های قبلی که مورد بحث قرار گرفت هستند اما عملکرد انها بسیار درخشان است . در این گونه موتورها وجود دو خازن (دائمی و موقتی )گشتاور راه اندازی خوب و شرایط جالبی برای کار عادی ماشین فراهم می کند .از این موتورها در یخچال ها آب سرد کن ها و .... مورد استفاده  قرار می گیرند .

موتورهای القایی تکفاز قطب چاک دار :

استاتور حاوی قطب های برجسته وسیم پیچی اصلی برروی این قطب ها استوار است.همان طور که ازشکل پیداستقطب هاچاک دارند وبرقسمت باریک هرقطب چاک دار حلقه اتصال کوتاه شده ای نصب شده پیداست وبه آن سیم پیچی یا کلاف چاک نیز اطلاق می گردد.جریان القاء شده در سیم پیچیچاک باعث می گردد که شارژدرناحیه چاک هرقطب از شارژدر ناحیه بی چاک قطب عقب بیفتد(پس فاز)به عبارت دیگرشارژدرناحیهچاک هرقطب پس ازآن که شارژدر قسمت بی چاک به ماکزیمم رسید به حداکثر یا ماکزیمم می رسد این امر به مثابه دوران میدان از قسمت بی چاک به ناحیه چاکدار قطب تلقی می شود بنابرین گشتاور راه انداز حاصل می گردد مشخصه گشتاور رانشان می دهد.این موتورها بسیارارزان هستند.                                                               

موتورهای تک فاز سری یا یونیورسال:

موتورهای تک فازسری رامی توان همDC وهم به منبعAC  وصل نمود و لذابه انها لفظ بونیورسال اطلاق می گردد.این موتورها درلوازم خانگی به وفور بافت می شوند.وزن این موتورها سبک و سرعت آنها زیاد است (1500تا10000دوردردقیقه)موتورهای ACسری بزرگ درسیستم های حمل و نقل به کار می روند.موتورهای یونیورسال عمدتابه برقACوصل می شوند لذاهسته های رتور واستراتورآنها لایه به لایه یا مورق است تا تلفات هسته کاهش یابد.جریان آرمیچر از سیم پیچ میدان سری می گذرد وشار را در امتداد محور بوجود می اورد.این جریان ازسیم پیچ ارمیچر نیز می گذرد و شار را در امتداد محور حاصل می سازد.اگر از جریان گردابیصرف نظر شود هر دو باهم فازاند.

موتورهای رلوکتانسی:

موتورهای سنکرون تک فاز رلوکتانسی اساسا شبیه موتورهای تک فاز القایی بوده (بخش 7-1 همین فصل ) به جز ان که در ساختمان رتور برجستگی ایجاد می شود. ایجاد بر جستگی در رتور توسط بر داشتن چند دندانه از رتور حاصل می شود. البته بر داشتن دندانه ها باید توری باشد که تعداد قطب های مطلوب حاصل شود. یک رتورچهار قطبی را برای موتور سنکرون تک فاز رلوکتانسی نسان می دهد. البته باید دانست میله های رتور قفس سنجابی و حلقه های انتهایی بقوت خود باقی هستند تا موتور رلوکتانسی شبیه موتور القایی راه اندازی شوند. در فصل ششم دیدیم که اگر موتور تحت سرعت سنکرون بچرخد بر جستگی رتور باعث ایجاد گشتاور رلوکتانسی می شود و رتور تمایل دارد خود راهم دریف میدان گردن سازد. استاتور موتور های رلوکتانسی تک فاز نیز حاوی سیم پیچی اصلی و سیم پیچی کمکی است هر گاه استاتور به منبع ACوصل گردد موتور همانند موتور القایی تک فاز راه می افتد .

درسرعتی حدود 75 % سرعت سنکرون کلید گریز از مرکز سیم پیچ کمکی را ازمدار بیرون میبرد هرگاه سرعت به حوالی سرعت سنکرون رسید روتور مایل است خود را هم ردیف میدان راستگرد سازد و بالاخره گریبان این میدان راستگرد را می گیرد  و با سرعت سنکرون بچرخش خود ادامه میدهد ضریب توان این موتورها کم است زیرا برای تحریک به جریان راکتیو زیادی نیاز دارنددر این موتورها چون تحریک DC وجود ندارد گشتاور ماکزیمم کاهش میابد  . لذا موتورهای رلوکتانسی در تحت توان یکسان حجیم تر از موتورهای سنکرون با جریان تحریک DC هستند اما نکته مثبت در این رابطه با انها سادگی ساختمان ؛ هزینه کم و تعمیر و نگه داری ناچیز می باشد .

موتورهای هیسترزیس :

در موتور های هیسترزیس ( پس ماند ) از خاصیت هیسترزیس ( پس ماند ) مواد مغناطیسی برای ایجاد گشتاور استفاده می شود . رتور این گونه موتورها از یک حلقه تشکیل شده است که از خاصیت مغناطیسی بسیار خوبی برخورداراست . روتور این گونه موتورها از یک حلقه تشکیل شده که از مواد مغناطیسی نیست سوار می با شد . استاتور این گونه موتورها شبیه موتورهای تک فاز القایی با خازن راه انداز است هرگاه استاتور به برق تک فاز وصل شود ، میدان دوار شکل می گیرد و ان میدان با سرعت سنکرون می چرخد .این میدان گردان در روتور که از ماده مغناطیسی بسیار خوبی تهیه شده است جریان گردابی القا می کند . بخاطر پدیده پس ماند ( هیسترزیس ) میدان حاصله توسط روتور از میدان استاتور عقب است در این گونه موتورها بخاطر پدیده هیسترزیس  اختلاف زاویه & بین این دو میدان بوجود می اید تا زمانی که سرعت روتور به سرعت سنکرون نرسیده است سیکل هیسترزیس تحت فرکانس لغزش در ماده روتور تکرار میشود با نزدیک شدن سرعت به سرعت سنکرون فرکانس جریان گردابی روتور کم شده ودر سرعت ماده مغناطیسی روتور به صورت آهن ربای دائم کار می کند . مشخصه گشتاور سرعت ثابت یکی از مشخصات بارز این موتور هاست و به علت این مشخصه می تواند خود را با هر نوع باری تطبیق دهد .

گشتاور در این گونه موتورها به نیروی محرکه استاتور شار روتور و زاویه بین میدان استاتور و میدان دوار روتور بستگی دارد و چون شار روتور ثابت است و تابعی از مقدار بار نیست این موتورها تقریباریاً دارای گشتاور ثابت می با شند .

مو تور های پله ای :

موتور های پله ای می توانند تحت پالس های الکتریکی ورودی چند درجه بچرخند.معمولا اندازه یاگام پله ها 2و5/2و5و5/7و15درجه به ازاءهر پالس الکتریکی می باشد.موتورهای پله ای مبدل های الکترومغناطیسی هستند.وقادرند پالس های دیجیتالی ورودی را به حرکتی برروی محور مبدل سازند.ازاین موتورها در سیستم های کنترل دیجیتالی استفاده میشود.      دراین سیستم ها، قطاری از پالس ها ایجاد می شود تا بصورت پله ای یا گام به گام محور موتور بچرخش در اید .معمولا در این موتورها  به حس کننده وضعیت و سیستم های فید بک جهت هم آهنگی حرکت محور و پالس ورودی فرمان ، نیازی نیست . د رچاپگرهای کامپیوتر و و محور های دیسک کامپیوتر و ادمهای اهنی از این موتورها استفاده می شود .

موتورهای پله ای بر دو نوع هستند :

1- موتورهای پله ای با مقاومت مغناطیسی(رلوکتانس) متغیر

2- موتورهای پله ای از نوع مغناطیس دائم

 موتورهای پله ای رلوکتانس متغیر :

این موتورها دارای دونوع یک تکه یا چند تکه هستند:

موتورهای پله ای یک تکه( تک پارچه):

هرگاه فازهای استاتوربه نوبت توسط جریان مستقیم تحریک شوند ، شار منتجه در شکاف هوایی تغیروضعیت داده و روتور ، محور مغناطیسی شار شکاف هوایی را بخاطر ماهیت گشتاور رلوکتانسی تعقیب می کند . گشتاور رلوکتانیس به خاطر این که روتور فرو مغنبطیس مایل به همسو شدن با محور میدان مغناطیسی شکاف هوایی می باشد پدید می آید .عملکرد این گونه موتورها را با پله ها یا گامهای 45 درجهای نشان میدهند و جهت چرخش روتور ( محور ) در جهت عقربه ساعت می باشد.

موتورهای پله ای چند تکه :

این موتورها نیز جزء موتورهای پله ای با رلوکتانس متغیر محسوب می شود و برای گامها یا پله های کوچک مورد استفاده قرار می گیرد . در این گونه موتورها روتور از سه تکه یا چهار پارچه مجزا تشکیل شده است و استاتور مربوط به هر تکه (هر پارچه ) دارای تعدادی قطب است .

جهت سیم پیچی بر روی قطب های استاتور هر تکه طوری است که چهار میدان هم جهت پدی می اید .

موتورهای پله ای از نوع آهن ربای دائم :

استاتور این موتورها شبیه موتورهای پله ای تک تکه ای از نوع رلوکتانس متغییر می باشد اما روتور انها از آهن ربای دائم ساخته می شود .در این گونه موتورها رتور خود را هم جهت میدان حاصله می کند اگر سیم پیچ فاز تحریک شود روتور خود را هم سوی میدان حاصله میاید. به عبارت دیگر گام یا پله 90 درجه ای حاصل می شود از انجایی که ساخت موتور های کوچک با تعداد قطب های زیاد از نوع اهن ربای دائم کار مشکلی است لذا گام یا پله های این گونه موتورها بزرگ بوده و بین 30تا90 درجه می باشد .

موتورهای پله ای از نوع اهن ربای دائم از اینرسی بالایی برخوردار هستند . لذا به نسبت موتورهای پله ای با رلوکتانس متغیر از سرعت کمتری برخوردار می باشند ماکزیمم پله یا گامها برای این گونه موتورها 300 پالس در هر ثانیه است ، در حالی که در موتورهای پله ای با رلوکتانس متغیر در هر امپر از جریان استاتور گشتاور بیشتری تولید می کند.موتورهای پله ای هیبرید نیز از نظر تجاری در دسترس هستند که در انها روتور دارای یک اهن ربا دائم مصوری در وسط و دندانه ای فرو مغناطیسی در بخشهای خارجی می باشد.

موتورهای با پله های کوچکتر نیز وجود دارند ولی بسیار گرانتر از موتورهای پله ای با رلوکتانس متغیر هستند .

ایده کلی این است که وقتی که یک ماده حامل جریان الکتریسیته تحت اثر یک میدان مغناطیسی قرار می‌گیرد، نیرویی بر روی آن ماده از سوی میدان اعمال می‌شود. در یک موتور استوانه‌ای، چرخانه (روتور) به علت گشتاوری که ناشی از نیرویی است که به فاصله‌ای معین از محور چرخانه به چرخانه اعمال می‌شود، می‌گردد.

اغلب موتورهای الکتریکی دوار هستنند، اما موتور خطی هم وجود دارند. در یک موتور دوار بخش متحرک (که معمولاً درون موتور است) چرخانه یا روتور و بخش ثابت ایستانه یا استاتور خوانده می‌شود. موتور شامل آهنرباهای الکتریکی است که روی یک قاب سیم پیچی شده‌است. گر چه این قاب اغلب آرمیچر خوانده می‌شود، اما این واژه عموماً به غلط بکار برده می‌شود. در واقع آرمیچر آن بخش از موتور است که به آن ولتاژ ورودی اعمال می‌شود یا آن بخش از ژنراتور است که در آن ولتاژ خروجی ایجاد می‌شود. با توجه به طراحی ماشین، هر کدام از بخش‌های چرخانه یا ایستانه می‌توانند به عنوان آرمیچر باشند. برای ساختن موتورهایی بسیار ساده کیتهایی را در مدارس استفاده می‌کنند.