انواع موتورهای ‌DC

 

1.  موتور شنت: اگر موتور، توسط ولتاژی ثابت تغذیه شود، مشخصه‌های تحریك مجزا و یا تحریك شنت را نمی‌توان از یكدیگر تفكیك نمود، در هر دو حالت، سیم‌پیچ تحریك توسط ولتاژی تغذیه می‌شود كه مستقل از جریان دریافتی توسط آرمیچر است. بنابر این منطقی است كه از یك منبع جهت تحریك و آرمیچر استفاده گردد.

2.  موتور سری: موتور سری مطلوب‌ترین موتور زیر یك كیلووات با سرعت بار كامل بین 4000 تا 10000 دور در دقیقه (د ـ د ـ د) است. موتور سری با قابلیت استفاده از منبع تغذیه مستقیم و یا متناوب، سرعتی زیاد با دامنه وسیع و گشتاور راه‌اندازی بزرگ (حدود 500% مقدار نامی) دارد و محرك ایده‌آلی برای كاربردهای مختلف با توان چند وات تا چند صد كیلووات است. گشتاور بیشینة كوتاه مدت این موتور را در كمتر از 400% مقدار نامی محدود نگاه می‌دارد. گر چه این موتور از نظر شكل تقریباً شبیه موتور شنت است ولیكن، آرمیچر و میدان آن به طور سری (و نه موازی) نسبت به خط متصلند. این مشخصه اجازه می‌دهد كه موتور سری برای بهره‌برداری با جریان متناوب و یا مستقیم طراحی شود.

3.  موتور فراگیری (یونیورسال): عصر رفاه‌طلبی ایجاب می‌كند كه در كاربردهایی از قبیل وسایل برقی خانگی،‌ وسایل صنعتی برقی قابل حمل و غیره، بتوانیم این دستگاه‌ها را توسط هر منبع تغذیه‌ای چه مستقیم و جه متناوب به كار ببریم. از اینرو با اصلاح كامل طرح و رفع اشكالات موجود در موتور سری جریان متناوب، موتور فراگیر (یونیورسال) ساخته شد. موتور جامع سبك‌وزن است و سرعت زیادی دارد. این موتور در لوازم خانگی (كه وزن كم اهمیت دارد) از قبیل جارو‌برقی، درل، چرخ خیاطی، و ... به وفور یافت می‌شود. اگر چه سرعت زیاد، معمولاً یك مزیت است اما مشكلاتی را هم به وجود می‌آورد. سرعت زیاد به ویژه عمر یاتاقان و جاروبك را كاهش می‌دهد. موتور فراگیر بزرگ غالباً در سیستمهای حمل و نقل به كار می‌رود و در این گونه كاربردها جهت كاهش مشكلات خاموش‌سازی، فركانس به 25 هرتز محدود می‌گردد.

4.  موتور مركب: در بعضی كاربردها از موتور مركب كه دارای هر دو سیم‌پیچی تحریك موازی و سری است، استفاده می‌شود. اگر جهت میدان سری، مخالف جهت میدان موازی باشد، در این صورت موتور را مركب كاهنده می‌نامند. این موتور به دلیل ناپایداری سرعت (تضعیف فوران با بار سبب افزایش شدید سرعت می‌شود) مورد استفاده عمومی ندارد. بارهای مكانیكی همین كه سرعت بالا رود به گشتاور زیادتری نیاز دارند. مشخصه بالا رونده سرعت ـ گشتاور موتورهای مركب كاهنده، وقتی این موتورها به چنین بارهای بته شوند، وضع ناپایداری پدید می‌آورد. سرعت، گشتاور را افزایش می‌دهد و گشتاور، سرعت را و ... ـ اگر در مقابل،‌میدان تحریك سری به میدان تحریك موازی كمك نماید، در این حالت موتور را مركب افزاینده می‌نامند و روشن است كه مشخصه‌های این موتور بین موتورهای شانت و سری قرار می‌گیرد.

5.  موتورهای دسی آهنربایی

 

 

 

موتور دی‌سی آهنربایی

 

موتور دی‌سی آهنربایی برای تأمین فوران به جای كلاف جریان دارد، از مواد آهنربای دائم استفاده می‌كند. هر سال،‌ بی‌اغراق میلیونها موتور آهنربای دائم ساخته می‌شود كه برای به كار انداختن برف‌پاك‌كن و شوینده شیشه خودرو، دمنده رادیاتور، بالا و پایین بردن پنجره‌ها، دستگاه‌های تهویه مطبوع و غیره به كار می‌روند. همین موتورها در ماشین‌های اسباب‌بازی، مسواك برقی، راه‌انداز موتور كشتی و در لوازمی كه با باتری تغذیه می‌شوند، به كار می‌روند.

این موتورها تا توان 200 اسب بخار برای صنعت تولید شده است.

مزیت بزرگ این موتور این است كه به جریان تحریك نیاز ندارد. این امر موجب صرفه‌جویی در انرژی، نسبت به موتور هم ارز با قطبهای سی‌پیچی شده در طول عمر نوعی ماشین می‌شود. مواد آهنربای دائم گرانند اما اندازه قطب تحریك آهنربایی بسیار كمتر از اندازه قطب هم‌ارز سیم‌پیچی شده است. بدین ترتیب ماشین بر روی هم كوچكتر می‌شود. كاهش بهای سایر مواد، دست كم بخشی از بهای آهنربا را جبران می‌كند.

در موتور دی‌سی آهنربایی، فوران قطبرا نمی‌توان كنترل نمود و بنابر این سرعت و گشتاور با جریان زیاد آرمیچر كنترل می‌شود. در بیشتر موارد كنترل، به كار بردن كنترل مدار آرمیچر، بر كنترل مدار تحریك حتی در ماشین با قطب سیم‌پیچی شده برتری دارد. بنابراین انتخاب موتور آهعنربایی برای كاربردهای صنعتی كه به كنترل دقیق نیاز دارند چیزی را فدا نمی‌كند و حذف منبع جداگانه جریان تحریك، اغلب مزیت بزرگی است.

اثر فوران ثابت بر مشخصات كاركرد ماشین دی‌سی، بسیار ساده است. در واقع، كاركرد موتورهای دی‌سی آهنربایی به كاركرد ماشین شانت خیلی شباهت دارد. استفاده از آهنرباهای دائم جهت تولید تحریك در موتورهای dc، در محدوده معینی از ابعاد مزایای اقتصادی را در بر خواهد داشت. در موتورهای كوچك (با قطر حدوداً زیر mm70) ساختار آهنربای الكتریكی نمی‌تواند از نظر قیمت با آهنرباهای دائم رقابت كند. اما در قطرهای حدوداً بالای mm150 بررسی‌های اقتصادی منجر به استفاده از موتورهای با آهنربای الكتریكی [1][1] می‌شود. بدیهی است كه در محدوده‌ای از ابعاد، این دو نوع موتور از نظر قیمت با هم رقابت دارند. بعضی از موتورهای مربوط به خودرو و اغلب موتورهای مربوط به وسایل خانگی در این محدوده ابعادی قرار دارند.

مشخصه گشتاور ـ سرعت موتور dc آهنربای دائم، تقریباً خط مستقیمی است كه بین دو نقطه سرعت بی‌باری در روی محور عمودی و گشتاور ایستا در روی محور افقی كشیده شده است. موتورهای آهنربای دائم به علت نداشتن تلفات میدان، بالقوه نسبت به موتورهای با آهنربای الكتریكی كارامدتر می‌باشند. همچنین موتورهای آهنربای دائم در محدوده‌ای گسترده، از راندمان بالا برخوردار می‌باشند. اهمیت راندمان بالا در افزایش عمر باتری تجهیزات قابل حمل، روشن و بدیهی است.

موتورهای آهنربای دائم بدون عیب نیز نمی‌باشند. برای مثال، هنگامی كه ملاحظات اقتصادی، استفاده از آهنرباهای سرامیكی را تحمیل می‌نماید، چگالی شار فاصله هوایی نسبت به موتوری با آهنربای الكتریكی با ابعاد مشابه، كمتر خواهد بود. اگر چه این امر در اكثر موارد، مستلزم افزایش در قطر آرمیچر می‌باشد، اما همیشه این مسئله افزایش متناظر در قطر كلی را موجب نخواهد گردید. علت این امر آن است كه ابعاد شعاعی هر قطب آهنربا همیشه كمتر از ارتفاع قطب سیم‌پیچی گردید. علت این امر آن است كه ابعاد شعاعی هر قطب آهنربا همیشه كمتر از ارتفاع قطب سیم‌پیچی شده می‌باشد. این استدلال به راحتی با بررسی معادله زیر روشن می‌گردد.

بابكارگیری مقادیرنوعی برای پارامترها در RHS معادله بالا، آمپر دور در هر متر از سیم‌پیچ میدان حدود  بدست می‌آید. مقدار mmf یك آهنربای سرامیكی در نقطه تولید ماكزیموم انرژی حدود  می‌باشد. بنابر این، ضخامت آهنربا حدود 60 درصد ارتفاع سیم‌پیچ میدان خواهد بود.

در صورتی كه موتور آهنربای دائم درست طراحی نشود ممكن است مغناطیس زدایی جزئی بوسیله میدان عكس‌العمل آرمیچر بوجود آید. با این حال امروزه این امر مشكل چندانی نیست زیرا روشهای CAD ( طراحی به كمك كامپیوتر) موجود و در دسترس می‌باشند و از طریق این روشها قادر خواهند بود طراحی‌های بسیار دقیق را فراهم سازند.

 

ساختمان موتور با آهنربای دائمی

 

ساختمان موتورهای با آهنربای دائمی كوچك تا قدرت نامی چند كیلووات كاملاً با موتورهای موازی فرق دارد. در چنین ماشینهای كوچك از آهنربای فریت كه دانه‌های آنها جهت‌دار است استفاده شده و قبل از قرار گرفتن در استاتور آهنربا می‌شوند.

برای قدرت نامی معین معمولاً لازم است آرمیچر موتور با آهنربای دائمی را قدری بزرگتر از موتور موازی (شنت) در نظر گرفت زیرا چگالی شار فاصله هوائی كه با آهنربای فریت به دست می‌آید محسوساً كمتر از قطبهای با سیم‌پیچی است. اما در اثر صرفه‌جوئی در فضای ناشی از حذف پیچك‌های تحریك موتور با آهنربای دائمی بجای قطبهای پیچیده شده می‌توان 30 درصد كاهش در وزن ماشین بدست آورد.

در موتورهای بزرگ با آهنربای دائمی كه سوار كردن قطبهای بزرگ مغناطیس شده از جنس فریت یا آلیاژ دیگر ممكن نیست، لازم است قطبهای ماشی را به سیم‌پیچی تحریك بعد از سوار كرده تنه قطبهای مغناطیس نشده مجهز كرد. لازم نیست مقطع این سیم‌پیچی بزرگ باشد زیرا بنا نیست دائماً تحریك شوند. با این حال وجودشان به ماشین‌ساختاری مشابه موتور شنت می‌دهد.

 

روشهای كنترل سرعت

 

موتورهای جریان مستقیم به دلیل داشتن تیغه‌های مسی، از بقیه موتورها از نظر خرید، نگهداری و تعمیرات بسیار گرانتر هستند. با این وجود همانطور كه قبلاً هم گفته شد، موتور دی‌سی به دو دلیل خریداران زیادی دارد:

1-   موتورهای دی‌سی مشخصه‌های مكانیكی متفاوتی دارند (شانت، سری و مركب).

2-   روش‌های مختلف مطلوب و ارزان‌قیمتی برای كنترل سرعت آنها موجود است.

در بسیاری از كاربردهای صنعتی، به كنترل سرعت موتورهای الكتریكی نیاز است. موتور دی‌سی از نظر كنترل سرعت نقش ارزنده‌ای ایفا می‌كند، زیرا به راحتی می‌توان سرعت آنرا از كمتر تا بالاتر از سرعت مبنا كنترل نمود. همچنین سیستمهای كنترل دور موتور دی‌سی ارزانتر از سیستمهای كنترل دور موتور ای‌سی است. در ادامه برای درك بیشتر مطلب، بعضی از واژه‌های مورد استفاده تعریف می‌شوند:

 

كنترل سرعت:

 به معنی آنست كه مشخصة گشتاور ـ سرعت جابجا شود.

سرعت مبنا:

 سرعتی كه موتور تحت ولتاژ نامی آرمیچر و جریان تحریك نامی دارد، "سرعت مبنا" نامیده می‌شود. سرعت مبنا مساوی سرعت نامی یا سرعت حك شده بر روی "پلاك مشخصات" موتور است.

انتظام سرعت:

 تغییر سرعت به آن معنی است كه "نقطه كار" روی مشخصه گشتاور ـ سرعت حركت كند. اگر تغییر سرعت از بی‌باری تا بار كامل،  باشد در اینصورت "انتظام سرعت" از نسبت  به سرعت نامی  به دست می‌آید:

درصد  

پهنه سرعت:

 تفاضل سرعت بیشینه و كمینة مجاز موتور، "پهنه سرعت" موتور نامیده می‌شود.

                محركة توان ثابت:

 اگر توان محور موتور (گشتاور محور  سرعت) در دامنه‌ای از سرعت، ثابت باقی بماند، یك سیستم "محركة توان ثابت" خواهید داشت. باید متوجه بود كه در این سیستم، گشتاور سنگین‌تر در سرعت كمتر حاصل می‌شود. اندازه موتور هم بر این اساس انتخاب می‌گردد.

محركه گشتاور ثابت:

 در صورتیكه گشتاور محور موتور در دامنه‌ای از سرعت، ثابت باقی بماند، یك سیستم " محركة گشتاور ثابت" دارید. در این سیستم، توان موتور با كم و زیاد شدن سرعت تغییر می‌كند. رابطه‌ای ساده برای مشخصة گشتاور ـ سرعت تنها در موتور شانت موجود است و برای سایر موتورها،‌مشخصه به منحنی اشباع بستگی دارد. با یاد‌آوری معادلة گشتاور ـ سرعت در ادامه، متوجه خواهید شد كه عامل‌های كنترل سرعت، مقاومت مدار آرمیچر، فوران و ولتاژ پایانه هستند. (ضمناً این مطلب برای موتورهای سری و مركب نیز صادق است).

 

كنترل مقاومت آرمیچر

 

روش "كنترل مقاومت آرمیچر" یا رئوستایی احتمالاً قدیمی‌تر روش كنترل سرعت است كه امروزه هنوز به ویژه در موتور سری مورد استفاده قرار می‌گیرد. در اینروش ولتاژ پایانه و جریان تحریك (و یا فوران) ثابت هستند و كنترل سرعت توسط تغییر مقاومت آرمیر صورت می‌پذیرد. زمانیكه رئوستایی با مدار آرمیچر سری بسته شود، در حقیقت كل مقاومت مدار آرمیچر افزایش می‌یابد. رابطه بالا نشان می‌دهد كه این افزایش مقاومت سبب كاهش سرعت حالت پایدار به استثناء شرایط بی‌باری ایده‌آل می‌گردد. شكل زیر مشخصه گشتاور سرعت را تحت مقاومتهای مختلف آرمیچر  نشان می‌دهد. مقاومت رئوستا را می‌توان طوری تنظیم كرد كه سرعتهای مختلف (از صفر تا سرعت مبنا) تحت گشتاور ثابت (جریان آرمیچر ثابت) حاصل گردد.

این سیستم كنترل سرعت نسبتاً ساده و ارزان‌قیمت است ولی معایب زیر را نیز دارد:

1-  سرعت تنها كاهش می‌یابد و هیچگاه بالاتر از سرعت مبنا نمی‌رود.

2-  این روش در بی‌باری تقریباً بی‌اثر است.

3-  موتور خاصیت "سرعت ثابت" خود را از دست می‌دهد (انتظام سرعت افزایش می‌یابد).

4-  از حداكثر توان تولید شده به نسبت كاهش سرعت كاسته می‌شود.

5-  انرژی زیادی در مقاومت تنظیم تلف می‌شود. تلفات توان با كاهش سرعت نسبت مستقیم دارد. تحت گشتاور ثابت، جریان آرمیچر ثابت است و توان ورودی به موتور  ثابت می‌ماند. توان تبدیل شده از رابطة  به دست می‌آید. بازدهی در این روش كنترل عبارت است از:

            اگر برای پایین آوردن سرعت كار،  افزایش داده شود، طبق رابطة بالا بازدهی كاهش و در نتیجه هزینه بهره‌برداری افزایش می‌یابد.

از اینرو، روش رئوستایی در شرایطی كه موتور به طور مداوم خاموش و روشن می‌شود و یا تنها برای مدتی كوتاهی به سرعتهای كم احتیاج است (جرثقیل، بالابر ، قطار) مورد استفاده قرار می‌گیرد.

 

                كنترل ولتاژ آرمیچر

 

دومین روش كنترل سرعت، تغییر ولتاژ آرمیچر است. این روش برای موتور تحریك ـ مستقل و تحریك ـ سری استفاده می‌شود. در این سیستم كنترل سرعت، فوران و یا جریان تحریك و مقاومت آرمیچر ثابت نگاه داشته می‌شود.

            كه  و  ثابت هستند. در بارهائی از قبیل آسانبر و بالابر كه گشتاور بار ثابت است، سرعت طبق معادله بالا با ولتاژ پایانه، رابطة خطی دارد. در كاربردهای عملی جهت استفاده بهتر از موتور هر گاه تغییر سرعت توسط تغییر ولتاژ پایانه صورت پذیرد، جریان آرمیچر در مقدار نامی ثابت نگاه داشته می‌شود. این روش در حقیقت شبیه به روش كنترل مقاومت آرمیچر است كه اجازة كار با سرعتهای كمتر را می‌دهد بدون آنكه معایب روش مزبور را داشته باشد. همان گونه كه گفته شد معمولاً كنترل سرعت با جریان آرمیچر و فوران ثابت انجام می‌پذیرد كه در این صورت تا سرعت مبنا، گشتاور ثابت به دست می‌آید. توان ورودی از منبع به موتور نیز نسبت به سرعت، به طور خطی تغییر می‌كند. این نوع عمل‌كرد تا سرعت مبنا را بهره‌برداری در شرایط "گشتاور ثابت ـ توان متغیر" می‌نامند.

كنترل ولتاژ آرمیچر، سرعت را به آرامی كنترل كرده و تغییر می‌دهد و می‌توان سرعت را از صفر تا سرعت مبنا تغییر داد. در این روش شیب مشخصة گشتاور ـ سرعت تغییر نمی‌كند (انتظام سرعت ثابت می‌ماند) و توان نیز تلف نمی‌شود. این سیستم كنترل به دلیل نیاز به منبع دسی با ولتاژ متغیر، قدری گران است.