ماشین های Dc

[am in 25041]

موتور الکتریکی یک موتور الکتریکی، الکتریسیته را به حرکت مکانیکی تبدیل می‌کند. عمل عکس آن که تبدیل حرکت مکانیکی به الکتریسیته است، 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. 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 دوارند، اما موتور خطی هم وجود دارند. در یک موتور دوار بخش متحرک (که معمولاً درون موتور است) چرخانه و بخش ثابت ایستانه (استاتور) خوانده می‌شود. موتور شامل آهنربای الکتریکی است که روی یک قاب سیم پیچی شده است. 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 کیت هایی را در مدارس استفاده می‌کنند.// موتورهای دی‌سی

 

یکی از اولین موتورهای دوار، اگر نگوییم اولین، توسط مایکل فارادی در سال 1821م ساخته شده بود و شامل یک سیم آویخته شده آزاد که در یک ظرف جیوه غوطه‌ور بود، می‌شد. یک آهنربای دائم در وسط ظرف قرار داده شده بود. وقتی که جریانی از سیم عبور می‌کرد، سیم حول آهنربا به گردش در می‌آمد و نشان می‌داد که جریان منجر به افزایش یک میدان مغناطیسی دایره‌ای اطراف سیم می‌شود. این موتور اغلب در کلاسهای فیزیک مدارس نشان داده می‌شود، اما گاهاً بجای ماده سمی جیوه، از آب نمک استفاده می‌شود. موتور کلاسیک Dc دارای آرمیچری از آهنربای الکتریکی است. یک سوییچ گردشی به نام کموتاتور جهت جریان الکتریکی را در هر سیکل دو بار برعکس می کند تا در آرمیچر جریان یابد و آهنرباهای الکتریکی، آهنربای دائمی را در بیرون موتور جذب و دفع کنند. سرعت موتور Dc به مجموعه‌ای از ولتاژ و جریان عبوری از سیم پیچهای موتور و بار موتور یا گشتاور ترمزی، بستگی دارد. سرعت موتور Dc وابسته به ولتاژ و گشتاور آن وابسته به جریان است. معمولاً سرعت توسط ولتاژ متغیر یا عبور جریان و با استفاده از تپها (نوعی کلید تغییر دهنده وضعیت سیم پیچ) در سیم‌پیچی موتور یا با داشتن یک منبع ولتاژ متغیر، کنترل می‌شود. بدلیل اینکه این نوع از موتور می‌تواند در سرعتهای پایین گشتاوری زیاد ایجاد کند، معمولاً از آن در کاربردهای کششی نظیر لوکوموتیوها استفاده می‌کنند. اما به هرحال در طراحی کلاسیک محدودیتهای متعددی وجود دارد که بسیاری از این محدودیتها ناشی از نیاز به جاروبکهایی برای اتصال به کموتاتور است. سایش جاروبک ها و کموتاتور، ایجاد اصطکاک می‌کند و هر چه که سرعت موتور بالاتر باشد، جاروبکها می‌بایست محکمتر فشار داده شوند تا اتصال خوبی را برقرار کنند. نه تنها این اصطکاک منجر به سر و صدای موتور می‌شود بلکه این امر یک محدودیت بالاتری را روی سرعت ایجاد می‌کند و به این معنی است که جاروبکها نهایتاً از بین رفته نیاز به تعویض پیدا می‌کنند. اتصال ناقص الکتریکی نیز تولید نوفه (نویز) الکتریکی در مدار متصل می‌کند. این مشکلات با جابجا کردن درون موتور با بیرون آن از بین می‌روند، با قرار دادن آهنرباهای دائم در داخل و سیم پیچها در بیرون به یک طراحی بدون جاروبکمی‌رسیم.

[am in 25041]

موتورهای میدان سیم پیچی شده

 

آهنرباهای دائم در (ایستانه) بیرونی یک موتور Dc را می‌توان با آهنرباهای الکتریکی تعویض کرد. با تغییر جریان میدان (سیم پیچی روی آهنربای الکتریکی) می‌توانیم نسبت سرعت/گشتاور موتور را تغییر دهیم. اگر سیم پیچی میدان به صورت سری با سیم پیچی آرمیچر قرار داده شود، یک موتور گشتاور بالای کم سرعت و اگر به صورت موازی قرار داده شود، یک موتور سرعت بالا با گشتاور کم خواهیم داشت. می‌توانیم برای بدست آوردن حتی سرعت بیشتر اما با گشتاور به همان میزان کمتر، جریان میدان را کمتر هم کنیم. این تکنیک برای کشش الکتریکی و بسیاری از کاربردهای مشابه آن ایده‌آل است و کاربرد این تکنیک می‌تواند منجر به حذف تجهیزات یک جعبه دنده متغیر مکانیکی شود.

[am in 25041]

موتورهای یونیورسال

 

یکی از انواع موتورهای Dc میدان سیم پیچی شده موتور ینیورسال است. اسم این موتورها از این واقعیت گرفته شده است که این موتورها را می‌توان هم با جریان Dc و هم Ac بکار برد، اگر چه که اغلب عملاً این موتورها با تغذیه Ac کار می‌کنند. اصول کار این موتورها بر این اساس است که وقتی یک موتور Dc میدان سیم پیچی شده به جریان متناوب وصل می‌شود، جریان هم در سیم پیچی میدان و هم در سیم پیچی آرمیچر (و در میدانهای مغناطیسی منتجه) هم‌زمان تغییر می‌کند و بنابراین نیروی مکانیکی ایجاد شده همواره بدون تغییر خواهد بود. در عمل موتور بایستی به صورت خاصی طراحی شود تا با جریان Ac سازگاری داشته باشد (امپدانس/راکتانس بایستی مدنظر قرار گیرند) و موتور نهایی عموماً دارای کارایی کمتری نسبت به یک موتور معادل Dc خالص خواهد بود. مزیت این موتورها این است که می‌توان تغذیه Ac را روی موتورهایی که دارای مشخصه‌های نوعی موتورهای Dc هستند بکار برد، خصوصاً اینکه این موتورها دارای گشتاور راه اندازی بسیار بالا و طراحی بسیار جمع و جور در سرعتهای بالا هستند. جنبه منفی این موتورها تعمیر و نگهداری و مشکل قابلیت اطمینان آنهاست که به علت وجود کموتاتور ایجاد می‌شود و در نتیجه این موتورها به ندرت در صنایع مشاهده می‌شوند، اما عمومی‌ترین موتورهای Ac در دستگاههایی نظیر مخلوط کن و ابزارهای برقی که گاهاً استفاده می‌شوند، هستند. هنگام راه اندازی، خازن و سیم پیچ راه اندازی از طریق یک دسته از کنتاکت های تحت فشار فنر روی کلید گریز از مرکز دوار، به منبع برق متصل می‌شوند. خازن به افزایش گشتاور راه اندازی موتور کمک می‌کند. هنگامی که موتور به سرعت نامی رسید، کلید گریز از مرکز فعال شده، دسته کنتاکتها فعال می‌شود، خازن و سیم پیچ راه انداز سری شده را از منبع برق جدا می‌سازد، در این هنگام موتور تنها با سیم پیچ اصلی عمل می‌کند.

[am in 25041]

عکس العمل مغناطیسی آرمیچر و اثرات آن بر کار ماشین های جریان مستقیم:

تضعیف میدان اصلی قطب ها

اتصال کوتاه دو تیغه مجاور کموتاتور توسط جاروبک

انحراف محور خنثی ماشین

جرقه های شدید زیر جاروبک

ایجاد جریان اتصال کوتاه در کلاف هایی که در محور خنثی قرار دارند

کاهش ولتاژ القایی به موجب تصعیف میدان اصلی ماشین

چگالی فوران در زیر قطبها غیر یکنواخت می شود

[am in 25041]

وسايل تبديل انرژي الكترومكانيكي گردان را ماشينهاي الكتريكي مي گويند.

طبقه بندي ماشينهاي الكتريكي

ماشينهاي الكتريكي به دو طريق دسته بندي مي شوند:

از نظر نوع جريان الكتريكي

الف- ماشينهاي الكتريكي جريان مستقيم

ب- ماشينهاي الكتريكي جريان متناوب

از نظر نوع تبديل انرژي

الف- مولدهاي الكتريكي كه انرژي مكانيكي را به انرژي الكتريكي تبديل مي كنند

ب- موتورهاي الكتريكي كه انرژي الكتريكي را به انرژي مكانيكي تبديل مي كنند

به طور كلي ماشينهاي الكتريكي جزء وسايل تبديل انرژي غير خطي هستند يعني هر تغيير در ورودي هميشه به يك نسبت در خروجي ظاهر نمي شود.

 

 

مولد ساده جريان مستقيم

يك مولد ساده جريان مستقيم از چهار قسمت اصلي زير تشكيل شده است

1- قطبهاي مغناطيسي: كه وظيفه ايجاد ميدان مغناطيسي مولد را بعهده دارد و مي تواند بصورت آهنرباي دائم و يا آهنرباي الكتريكي باشد

2- هاديها: براي ايجاد ولتاژ القايي به كار گرفته ميشود

3- كموتاتور: در ساده ترين حالت از دو نيم استوانه مسي كه توسط ميكا نسبت به يكديگر عايق شده اند تشكيل مي گردد، وظيفه يك طرفه كردن ولتاژ و جريان القايي را در خارج از مولد بعهده دارد.

4- جاروبك: جهت انتقال جريان الكتريكي از هاديها به مصرف كننده استفاده ميشود شكل زير مولد ساده جريان مستقيم را نشان ميدهد.

[am in 25041]

طرز كار مولد ساده جريان مستقيم: با حركت هاديها در فضاي ما بين قطبها باعث ميشود ميدان مغناطيسي توسط هاديها قطع ميشود بدين ترتيب مطابق پديده القاء در هاديها ولتاژ القاء ميشود.ابتدا و انتهاي هر كلاف به يك نيم استوانه مسي يا يك تيغه كوموتاتور وصل ميشود روي تيغه هاي كوموتاتور دو عدد جاروبك بطور ثابت قرار داشته و با حركت هاديها تيغه هاي كموتاتور زير جاروبك مي لغزند، بدين ترتيب در ژنراتورهاي جريان مستقيم از طريق كوموتاتور ولتاژ القاء شده طوري به جاروبكها منتقل مي شود كه هميشه يكي از جاروبكها داراي پلاريته مثبت و ديگري داراي پلاريته منفي است. شكل موج ولتاژ القاء شده در اين مولد ساده بصورت زير مي باشد.

براي افزايش سطح ولتاژ القاء شده و بهبود يكسوسازي بمنظور داشتن ولتاژ با دامنه ثابت بايد تعداد كلافها را افزايش داد و كلافها را به كمك تيغه هاي كوموتاتور سري كنيم.

چگونگي تغيير پلاريته ولتاژ القايي در مولد ساده

در مولد جريان مستقيم تغيير پلاريته ولتاژ خروجي عملاٌ در صورت ايجاد يكي از دو حالت زير ممكن مي شود:

1- جهت چرخش آرميچر عوض شود

2- جهت جريان در سيم پيچ قطبها تغيير كند در صورتيكه قطبها از نوع مغناطيس دائم نباشد

چگونگي تغيير دامنه ولتاژ القايي در مولد ساده

براي افزايش دامنه ولتاژ القا شده دو روش ممكن است:

1- افزايش سرعت چرخش آرميچر كه باعث افزايش ولتاژ بصورت خطي مي شود

2- افزايش جريان تحريك كه باعث افزايش ولتاژ مولد بصورت غير خطي مي شود

[am in 25041]

موتور ساده جريان مستقيم

موتور ساده از نظر ساختماني مانند مولد ساده جريان مستقيم مي باشد فقط نحوه كار آن با مولد ساده جريان مستقيم تفاوت دارد. در موتور ساده هاديها از طريق كوموتاتور و جاروبكها به يك منبع جريان مستقيم متصل مي شود در اينصورت جرياني از هاديها عبور كرده و در نتيجه مطابق نيروي لورنس به هاديها نيروي وارد ميشود و آنها به حركت در مي آيد.

نحوه ايجاد نيرو و گشتاور در موتور ساده: در صورتيكه از يك كلاف تك حلقه كه بين قطبهاي يك مغناطيس قرار دارد جريان الكتريكي عبور كند مطابق شكل به بازوي سمت راست نيروي به سمت بالا و به بازوي سمت چپ نيروي بسمت پايين وارد مي شود با وارد شدن دو نيروي مختلف الجهت به دو طرف كلاف طبيعي است كه كلاف حول محورش شروع به دوران خواهد نمود يعني وارد آمدن زوج نيرو موجب ايجاد گشتاور لازم شده است.

در اين موتور ساده اگر صفحه كلاف عمود بر خطوط ميدان مغناطيسي قرار گيرد به آن گشتاوري وارد نميشود در ضمن كه گشتاور وارد شده نيز دامنه يكنواخت ندارد براي رفع شدن اين معايب مي بايست تعداد كلافها و تيغه هاي كوموتاتور را افزايش داد كلافها در زاويه هاي مختلف قرار مي گيرد و با هم توسط تيغه هاي كوموتاتور سري مي شود.

[am in 25041]

تغيير جهت گردش در موتور ساده dc: تغيير جهت گردش موتور ساده به دو روش زير ممكن است:

1- تغيير جهت جريان در كلاف كه با تغيير پلاريته ولتاژ منبع از خارج موتور ميسر است

2- تغيير قطبهاي مغناطيسي كه با تغيير جهت جريان در سيم پيچي تحريك ممكن است

ساختمان ماشينهاي جريان مستقيم

اجزاء تشكيل دهنده ماشينهاي جريان مستقيم را ميتوان به صورت زير دسته بندي كرد:

1- قسمت ساكن شامل قطبها و بدنه

2- قسمت گردان (آرميچر)

3- مجموعه جاروبك و جاروبك نگهدارها

هر كدام از قسمتهاي فوق بطور خلاصه توضيح داده مي شود

[am in 25041]

1- اجزاء ساكن ماشينهاي جريان مستقيم: قسمتهاي ساكن جريان مستقيم شامل اجزاء زير هستند:

الف- قطبهاي اصلي

ب- قطبهاي كمكي

ج- بدنه

- قطبهاي اصلي: وظيفه اين قسمت تامين ميدان مغناطيسي مورد نياز ماشين است. قطبهاي اصلي خود شامل قسمتهاي زير مي باشد:

- هسته قطب: از ورقهاي فولاد الكتريكي به ضخامت حدود 5/0 تا 65/0 ميلي متر با خاصيت مغناطيسي قابل قبول تشكيل مي شود.

- كفشك قطب: شكل قطب به نحوي است كه سطح مقطع كوچكتر براي سيم پيچ اختصاص داده مي شود و قسمت بزرگتر كه كفشك قطبي نام دارد سبب شكل دادن ميدان مغناطيسي و سهولت هدايت فوران مغناطيسي به فاصله هوايي مي شود.

- سيم پيچ تحريك: يا سيم پيچ قطب اصلي كه دور هسته قطب پيچيده مي شود، براي جريانهاي كم بايد تعداد دور سيم پيچ تحريك زياد باشد و سطح مقطع آن كم و برا ي جريانهاي زياد تعداد دور كم براي سيم پيچ لازم است و با سطح مقطع زياد- قطبهاي كمكي: قطبهاي كمكي در ماشينهاي جريان مستقيم از هسته و سيم پيچ تشكيل مي شوند، هسته قطبهاي كمكي را معمولاٌ از فولاد يكپارچه مي سازند. سيم پيچي قطبهاي كمكي نيز با تعداد دور كم و سطح مقطع زياد پيچيده مي شوند.

- بدنه: قطبهاي اصلي، كمكي، جاروبك نگهدارها روي بدنه ماشين محكم مي شوند و بوسيله ماشين روي پايه اش نصب مي گردد. قسمتي از بدنه را هسته آهني تشكيل مي دهد كه براي هدايت فوران مغناطيسي قطبهاي اصلي و كمكي بكار مي رود اين قسمت طوق بكار مي رود. شكلهاي زير قطب اصلي و كمكي ماشين جريان مستقيم را نشان ميدهد.

[am in 25041]

2- قسمت گردان يا آرميچر: در ماشينهاي جريان مستقيم قسمت گردنده را القاء شوند يا آرميچر مي نامند كه از اجزاء زير تشكيل شده است:

الف- هسته آرميچر

ب- سيم پيچي آرميچر

ج- كلكتور يا يكسوكننده مكانيكي

د- محور

ﻫ- پروانه خنك كننده

- سيم پيچي آرميچر: از كلافهاي مشابهي تشكيل مي شود كه با الگوي مناسب تهيه و در شيارها قرار مي گيرد سيم پيچي آرميچر مبتني بر اصول فني بوده و از طراحي ماشينهاي جريان مستقيم تبعيت مي كند.

- كلكتور: از تيغه هاي مسي سخت كه توسط ميكا نسبت به يكديگر و محور ماشين عايق شده اند تشكيل مي شود.

- محور: محور آرميچر ماشينهاي جريان مستقيم بايد از فولادي تهيه گردد كه خاصيت مغناطيسي آن كم اما استحكام مكانيكي كافي در مقابل تنشهاي برشي، كششي، و پيچشي را دارا باشد انتخاب كردن محور ضعيف خطر آفرين بوده و ممكن بوده در مواقع بروز خطا سبب انهدام كلي ماشين گردد.

- پروانه خنك كننده: پروانه خنك كننده سبب تهويه و ازدياد عمر مفيد ماشين ميشود شكل زير آرميچر ماشين dc با پروانه خنك كننده را نشان ميدهد.

[am in 25041]

3- جاروبك و جاروبك نگهدارها: وظيفه جاروبك نگهدار قرار دادن صحيح جاروبك روي تيغه هاي كلكتور است جاروبكها قطعاتي از جنس زغال يا گرافيت مي باشند كه براي گرفتن جريان از كلكتور يا دادن جريان به آن استفاده مي شود.

سيم پيچي آرميچر ماشينهاي جريان مستقيم

همانطور كه قبلا اشاره شد سيم پيچي آرميچر مبتني بر اصول فني خاص مي باشد كه در طراحي آن به نكات مهمي از قبيل استحكام مكانيكي، الكتريكي و حرارتي با عمر مفيد و عادي حدود 20 سال حداكثر گشتاور و جريان و ولتاژ با حداقل نوسانة جرقه كم بين زغال و كلكتور و صرفه جويي در مواد اوليه بايد توجه كرد.

بسته به نياز كلافها مي توانند بطور سري يا موازي يا تركيبي از اين دو به همديگر وصل مي شوند.

در صورتيكه كلافها با هم سري شوند نيرومحركه كلافها با هم جمع مي شوند و ولتاژ دهي آرميچر افزايش مي يابد. (سيم پيچي موجي)

در صورتيكه كلافها موازي شوند تعداد مسيرهاي جريان موجود در آرميچر افزايش يافته و قابليت ولتاژ دهي آرميچر افزايش مي يابد. (سيم پيچي حلقوي)

توضيح كامل روشهاي سيم پيچي آرميچر در كتابهاي سيم پيچي DC مطرح شده است و ما در اين جزوه به مصرفي آن كفايت مي كنيم.

الف- سيم پيچي حلقوب شامل حلقوي ساده و حلقوي مركب

ب- سيم پيچي موجي شامل موجي ساده و موجي مركب

ج- سيم پيچي پاي قورباغه اي

لازم است در اينجا تعداد مسيرهاي جريان كه در هر نوع ايجاد مي شود نيز معرفي شود. تعداد مسيرهاي جريان را با 2a نشان ميدهند كه بشرح زير است:

2a = 2P حلقوي ساده

2a = 2P.m حلقوي مركب

2a = 2 موجي ساده

2a = 2m موجي مركب

2P : تعداد قطبهاي آرميچر ، m : درجه مركب بودن آرميچر

[am in 25041]

عكس العمل مغناطيسي آرميچر:

چنانچه ماشينهاي جريان مستقيم زير بار قرار گيرند يعني از سيم پيچي آرميچر جريان عبور كند يك ميدان عكس العمل (عرضي) توسط آرميچر ايجاد مي گردد. اين ميدان باعث مي شود منطقه خنثي در مولدها در جهت چرخش و در موتورها در خلاف جهت چرخش تغيير مكان دهد. عكس العمل آرميچر علاوه بر انحراف محور خنثي سبب تضعيف ميدان مغناطيسي اصلي مي شود در نتيجه نيرو محركه القاء شده در سيم پيچ كم شده، تلفات انرژي در ماشين و جرقه در زير جاروبكها بوجود مي آيد براي از بين بردن و يا كم كردن اثر عكس العمل در ماشينهاي جريان مستقيم مي توان از قطبهاي كمكي و يا در ماشينهاي بزرگتر از سيم پيچي جبرانگر هم استفاده كرد.پديده كموتاسيون:

تغيير تماس جاروبك از يك تيغه كموتاتور به تيغه ديگر كموتاسيون نام دارد در اين جابجايي كلافي كه تحت كموتاسيون قرار مي گيرد چون توسط جاروبك اتصال شده بايد در صفحه خنثي قرار گيرددر عين حال چون جريان در اين كلاف در زمان كموتاسيون تغيير مقدار و جهت ميدهد سبب بوجود آمدن ولتاژ خود القايي در اين كلاف شده و از آنجا كه اين كلاف توسط جاربك و تيغه هاي كموتاتور اتصال كوتاه شده است جرقه نسبتاٌ شديد بين زغالها و كموتاتور بوجود مي آيد. قطبهاي كمكي براي رفع اين عيب موثر خواهد بود. اما در ماشينهاي كه قطب كمكي ندارند بهبود عمل كموتاسيون با تغيير محل جاروبكها (در جهت گردش در مولدها و در خلاف جهت گردش در موتورها) انجام گيرد. اين جابجايي درست كاملا امكان پذير و قابل مشاهده مي باشد.