انواع موتورهای الکتریکی

فقط برای یک دقیقه دنیای بدون الکتروموتور را تصور کنید. اگر موتورها نباشند؛ پمپ‌، جرثقیل‌، کمپرسور، بالابر و آسانسور، درب‌ اتوماتیک، پله‌برقی، کانوایر، دستگاه‌ تراشکاری و فِرِز دیگر وجود نخواهند داشت. نبودِ موتور برابر است با نقص در صنعت و زندگی روزمره تمام جهان. این تجهیز جذاب و کارآمد بیشترین سهم را در بین عملگرهای دنیای صنعت دارد.

یکی از مهم‌ترین مزایای این تجهیز، تنوع و گستردگی آن است. درمیان انواع الکتروموتورها، موتورهای جریان متناوب (AC)، از پرکاربردترین انواع موتورهای الکتریکی هستند. در این مقاله، یک دسته‌بندی کامل از انواع موتورهای الکتریکی ارائه می کنیم و موتورهای الکتریکی متناوب را بررسی می‌کنیم. 

ساختمان داخلی، کاربردها، نحوه عملکرد، روش راه‌اندازی و چالش‌های یک موتور سه‌فاز آسنکرون قفس‌سنجابی (پرکاربردترین موتور) را در دوره برق صنعتی ماهر آموزش خواهید دید.

شکل ۱- انواع موتورهای الکتریکی. دسته‌بندی بر اساس نوع برق ورودی

الکتروموتور 

از نظر لغوی، Motor کسی یا چیزی است که حرکت ایجاد می‌کند. آمریکایی‌ها به الکتروموتور workhorse می‌گویند. Workhorse در لغت به اسبی گفته می‌شود که برای  بارکشی استفاده می‌شود. این کلمه در اصطلاح شخص یا ماشینی است که مدت زمان طولانی، خودش به تنهایی و به سختی کار کند.

الکتروموتور یا موتور الکتریکی تجهیزی است که انرژی الکتریکی را به انرژی مکانیکی تبدیل می‌کند. موتور انرژی الکتریکی را دریافت کرده و در خروجی خود حرکتی خطی یا دورانی تولید می‌کند. 

برای آشنایی بیشتر با اجزای الکتروموتورها مقاله «الکتروموتور و اجزای آن» را بخوانید.

آمار نشان می‌د‌هد،۷۰ درصد برق مصرفی در صنعت را الکتروموتورها مصرف می‌کنند. این عدد نشان از اهمیت بالای این تجهیز در صنعت دارد.

شکل ۲ – مصرف انرژی الکتریکیِ الکتروموتورها در مصارف صنعتی و غیرصنعتی

دسته‌بندی الکتروموتورها

الکتروموتورها را می‌توان از جنبه‌های مختلف دسته‌بندی کرد. در این مقاله به دسته‌بندی موتورهای الکتریکی از منظر نوع برق ورودی می‌پردازیم. 

موتورهای الکتریکی از منظر برق ورودی سه دسته هستند: موتورهای AC، موتورهای DC و موتورهای یونیورسال. این مقاله را به بررسی انواع موتورهای الکتریکی متناوب یا AC اختصاص داده‌ایم. 

۱. الکتروموتور AC

یک موتور AC نوعی موتور الکتریکی است که عامل عملکرد (برق ورودی) آن، یک جریان متناوب (AC: Alternating Current) است. جریان الکتریکی متناوب، جریانی است که جهت و دامنه‌ آن به‌طور متناوب با زمان تغییر می‌کند.

شکل ۳- موتور AC

موتورهای AC به سه دسته خطی (Linear)، تک‌فاز (Single Phase) و سه‌فاز (Three Phase) تقسیم می‌شوند.

۱-۱ موتورهای AC خطی

به شکل ۴ نگاه کنید. موتور AC غیرخطی، استاتور و روتوری دایره‌ای‌‌ شکل دارد. در این موتور، نیروی مغناطیسی، حرکت دورانی (گشتاور) ایجاد می‌کند. در موتورهای خطی، روتور و استاتور خطی هستند (دایره‌ای‌شکل نیستند). بنابراین نیروی ایجاد شده به صورت دایره‌ای نیست و نیرویی خطی در امتداد طول استاتور ایجاد می‌کنند. پس حرکت مکانیکی این موتور، خطی خواهد بود. 

شکل۴- مقایسه استاتور در موتورهای خطی و غیرخطی

مهم‌ترین انواع موتورهای خطی، موتورهای خطیِ آهنربای دائم و القایی هستند. مهم‌ترین کاربرد این موتور، قطارهای سریع‌السیر است.

۱-۲ موتورهای AC تک‌فاز

موتور AC تک‌فاز یکی از موتورهای پرکاربرد صنعت است. این موتور به دو دسته موتور تکفاز سنکرون و موتور تکفاز آسنکرون تقسیم می‌شود.

بیشتر بدانیم:

تفاوت موتورهای سنکرون و آسنکرون

در موتورهای سنکرون، سرعت میدان استاتور و روتور برابر است، اما در موتور آسنکرون این دو سرعت برابر نیست. در موتورهای آسنکرون سرعت میدان استاتور از  سرعت میدان روتور بیشتر است. زیرا میدان روتور حاصل از القای جریان در روتور است، اما در موتورهای سنکرون روتور و استاتور هر یک به صورت جداگانه به جریان متصل می‌شوند.

موتورهای تک‌فاز قفس سنجابی و موتورهای تک‌فاز روتور سیم‌پیچی‌شده در دسته موتورهای آسنکرون قرار می‌گیرند.

۱-۲-۱ موتور تک‌فاز آسنکرون قفس‌سنجابی

موتور تک‌فاز قفس‌سنجابی یا روتور قفسی (Squirrel cage rotor)، روتوری با شیارهای طولی دارد. شکل کلی این روتور مانند قفس‌هایی است که برای شکار سنجاب استفاده می‌شود. در ادامه به بررسی انواع موتورهای قفس‌سنجابی می‌پردازیم.

شکل ۵- روتور قفس‌سنجابی

• موتور با فاز شکسته (Split phase motor) که در کولر و پنکه‌ها بسیار استفاده می‌شود.

شکل۶- موتور تک‌فاز آسنکرون از نوع قفس‌سنجابی با فاز شکسته

• موتور با خازن راه‌انداز (Capacitor start motor) را در کمپرسورها می‌توانید ببینید. این موتور برای راه‌اندازی به یک خازن راه‌انداز وابسته است.

شکل ۷- موتور تک‌فاز آسنکرون از نوع قفس‌سنجابی با خازن راه‌انداز

• موتور با خازن دائم  (Permanent capacitor motor) در پنکه‌های سقفی کاربرد استفاده می‌شود. یک خازن دائم در عملکرد و گشتاور این موتور تاثیر مستقیم دارد.

شکل ۸- موتور تک‌فاز آسنکرون قفس‌سنجابی با خازن دائم

• موتور دو خازنه (Dual Capacitor or Capacitor start capacitor run motor) که با یک خازن راه‌انداز و یک خازن دائم کار می‌کند و گشتاور بالایی دارد.

شکل ۹- موتور تک‌فاز آسنکرون قفس‌سنجابی دوخازنه

• موتور با قطب چاک‌دار (Shaded pole motor) در تهویه‌ها و موتورهای فن استفاده می‌شود.

شکل ۱۰- موتور تک‌فاز آسنکرون قفس‌سنجابی با قطب چاک‌دار

۱-۲-۲ موتور تک‌فاز آسنکرون روتور سیم‌پیچی شده

موتورهای تک‌فاز روتور سیم‌پیچی شده یک دسته هستند، که با نام موتور دفعی یا repulsion motor شناخته می‌شوند. 

شکل ۱۱- موتور تک‌فاز آسنکرون روتور سیم‌پیچی شده (دفعی)

• موتور تک‌فاز سنکرون رلوکتانسی

موتور رلوکتانسی (Reluctance motor) با نام موتور مقاومت مغناطیسی هم شناخته می‌شود. در این موتور استاتور کاملاً شبیه استاتور موتور قفس سنجابی است. اما روتور آن‌ با روتور قفسی تفاوت‌هایی جزئی دارد. روتور در موتور رلوکتانسی بدون سیم‌پیچ و از جنس مواد فرومغناطیس ساخته می‌شود.

شکل ۱۲ – روتور در موتور رلوکتانسی

بیشتر بدانیم:

رِلوکتانس (Reluctance) یا مقاومت مغناطیسی، کمیتی معادل مقاومت الکتریکی در مدارهای مغناطیسی است. مقاومت مغناطیسی برابر است با نسبت نیروی محرکه مغناطیسی به شار مغناطیسی کل.

• موتور با آهنربای دائم

موتور با آهنربای دائم (Permanent Magnet Motor)، همانطور که از نام آن مشخص است، از آهنربای دائم تعبیه شده روی روتور برای عملکرد استفاده می‌کند. با وصل جریان AC به استاتور، موتور شروع به چرخش می‌کند. 

شکل ۱۳ – ساختار داخلی موتور تک‌فاز با آهنربای دائم

۱-۳ موتورهای AC سه‌فاز

موتور سه‌فاز (Three phase motor) برق سه‌فاز را در ورودی خود دریافت کرده و در خروجی به حرکت مکانیکی تبدیل می‌کند. این موتورها از پرکاربردترین انواع الکتروموتورها هستند. موتورهای AC سه‌فاز به دو دسته موتورهای آسنکرون و سنکرون تقسیم می‌شوند.

موتور AC قفس‌سنجابی و روتور سیم‌پیچی از دسته‌ موتورهای سه‌فاز آسنکرون هستند. موتور آهنربای دائم، موتور رلوکتانسی، موتور با قطب برجسته و موتور با قطب غیر برجسته در دسته موتورهای سه‌فاز سنکرون قرار می‌گیرند.

۱-۳-۱ موتور سه‌فاز آسنکرون

۱-۳-۱-۱ موتور سه‌فاز آسنکرون قفس‌سنجابی

بدونِ شک پرکاربردترین نوع موتورهای الکتریکی سه‌فاز، موتور قفس‌سنجابی است که با سه‌فاز مجزا تغذیه می‌شود. پمپ‌ها، ماشین‌های پِرِس، کانوایرها و کمپرسورها مهم‌ترین کاربردهای این نوع موتور هستند. 

استاتور و روتور دو قسمت اصلی موتور سه‌فاز قفس‌سنجابی را تشکیل می‌دهند.

شکل ۱۴ – روتور (سمت راست تصویر) و استاتور(سمت چپ تصویر)

استاتور

استاتور از چند لایه فلزی ساخته شده و قسمت ثابت موتور است. روی ورقه‌های فلزی استاتور شیارهایی وجود دارد که سیم‌پیچ‌های (کلاف‌های) استاتور در آن‌ها قرار می‌گیرد. با اتصال کلاف‌ها به منبع، میدانی مغناطیسی ایجاد می‌شود. 

روتور

روتور قسمت متحرک موتور است که در میدان مغناطیسی استاتور قرار می‌گیرد. این میدان در روتور جریان القا کرده و یک میدان ثانویه ایجاد می‌کند. تقابل دو میدان اولیه و ثانویه، روتور را به حرکت درمی‌آورد. 

مزایای استفاده از موتور القایی سه فاز

• ساختمان این موتور بسیار ساده است.
• به دلیل ساختار ساده به تعمیر و نگهداری کمتری نیاز دارد.
• قیمت آن مناسب است.
• به آسانی قابل دسترسی هستند.
• طول عمر بالایی دارد.
•  بهر‌وری آن بالا است.
• در رنج توانی بسیار بالا قابل دستیابی است.
• گشتاور قابل قبولی دارد.
• به منبع جداگانه برای راه‌اندازی نیاز ندارد.
• در محیط‌های صنعتی مختلف قابل استفاده است.

۱-۳-۱-۲ موتور سه‌فاز آسنکرون روتور سیم‌پیچی شده

روتور در این موتورها به صورت سیم‌پیچی شده است. از مزایای موتور روتور سیم‌پیچی شده می‌توان به گشتاور راه‌اندازی زیاد، جریان راه‌اندازی کم و تعداد دور سیم‌پیچ قابل تنظیم (به دلیل وجود رئوستا) اشاره کرد. راه‌اندازی تِرَن‌ها و جرثقیل‌ها از کاربردهای این نوع موتور هستند. 

شکل ۱۵ – روتور در موتورهای روتور سیم‌پیچی شده

۱-۳-۲ موتور سه‌فاز سنکرون 

۱-۳-۲-۱ موتور سه‌فاز سنکرون آهنربای دائم 

دقت بالا و بهره‌وری زیاد از مهم‌ترین مزایای موتورهای سنکرون با آهنربای دائم هستند. ساعت‌های بزرگ در میدان‌ها و برج‌های ساعت شهرها، کاربردی از این موتور هستند.

شکل ۱۶- موتور سه‌فاز سنکرون آهنربای دائم

۱-۳-۲-۲ موتور سه‌فاز سنکرون رلوکتانسی

موتور رلوکتانسی بر خلاف موتورهای القایی، در روتور خود هیچ‌گونه سیم‌پیچی ندارند. از طرفی، آهنربای دائمی هم در ساختار آن‌ها وجود ندارد. عملکرد این موتورها، بر اساس اصل تفاوت رلوکتانس است. الکتروپمپ‌ها، فن‌ها و خودروهای برقی از کاربردهای موتور رلوکتانسی است.

شکل ۱۷ – موتور رلوکتانسی

۱-۳-۲-۳ موتور سه‌فاز سنکرون قطب برجسته

به تصویر ۱۸ نگاه کنید. روتور قطب برجسته شامل تعدادی قطب روی یک حلقه است که از لایه‌های فولادی ساخته می‌شود. این موتورها معمولاً در سرعت پایین (۱۰۰ تا ۱۵۰۰ دور بر دقیقه) استفاده می‌شوند.

شکل ۱۸ – روتور با قطب برجسته

۱-۳-۲-۴ موتور سه‌فاز سنکرون قطب غیر برجسته

روتورهای قطب غیر برجسته به شکل استوانه‌ای هستند که روی آن شکاف‌های موازی (برای قرار دادن سیم‌پیچ‌های روتور) وجود دارد. این روتورها از فولاد جامد ساخته شده‌اند. روتور با قطب غیر برجسته با نام روتور درام نیز شناخته می‌شود.   

شکل ۱۹ – روتور با قطب غیر برجسته 

۲. الکتروموتور DC

موتور DC، یکی از انواع موتورهای الکتریکی است که با جریان‌ مستقیم (DC: Direct Current) کار می‌کند. آرمیچر یا روتور (Armature)، استاتور(Stator or Field Coil)، کوموتاتور (Commutator) و براش‌ها (Brushes) اصلی‌ترین قسمت‌های یک موتور DC هستند. موتورهای تحریک کامپوند، تحریک مستقل، تحریک سری، آهنربای دائم و تحریک موازی از موتورهای DC هستند.

شکل ۲۰- موتور الکتریکی DC

۳. موتورهای یونیورسال

موتور یونیورسال، نوع خاصی از موتورها است که هم با منبع AC و هم با منبع DC کار می‌کند. اکثر این موتورها برای عمل در سرعت‌های حدود ۳۵۰۰ دور بر دقیقه ساخته می‌شوند. در یک ولتاژ یکسان، سرعت موتور یونیورسال با منبع DC از سرعت آن با منبع AC بیشتر است. سرعت بالا، ابعاد و وزن کم و گشتاور راه‌اندازی زیاد، از مزایای موتورهای یونیورسال هستند.

شکل ۲۱- موتور یونیورسال

جمع‌بندی

با این مقاله به دسته‌بندی و انواع موتورهای الکتریکی بر اساس نوع برق ورودی دسترسی خواهید داشت. موتورهای خطی، تک‌فاز و سه‌فاز دسته‌های اصلی موتورهای AC هستند که به بررسی آن‌ها پرداختیم. سایر انواع موتورهای الکتریکی (DC و یونیورسال) را در مقالات بعدی بررسی خواهیم کرد.

منبع: elprocus.com