موضوع مقاله: موتور جریان مستقیم | مخاطب: عمومی | لحن: دانشنامه‌ای | ساختار: عنوان، مقدمه، 3 بخش، جمع‌بندی | مقاله: | # موتور جریان مستقیم | مقدمه: علائم + و - نشانگر جریانی است که به کموتاتور اعمال می‌شود که وظیفه تغذیه سیم‌پیچ‌های روتور را بر عهده دارد. | ## بخش 1: موتور جریان مستقیم | همه موتورهای جریان مستقیم به یک مکانیسم داخلی (مکانیکی یا الکترونیکی) برای تغییر مداوم جهت جریان در آرمِیچر موتور نیاز دارند. اکثر موتورهای DC حرکت چرخشی دارند، به جز موتورهای خطی که حرکت خطی دارند (نمی‌چرخند). موتورهای DC دارای گشتاور راه‌اندازی بالا و قابل تغییر هستند و کاربرد بسیاری در صنعت دارند. سرعت موتور DC با روش‌های مختلفی قابل کنترل است؛ از جمله با تغییر ولتاژ تغذیه‌ (مثلاً به روش PWM)، یا تغییر جریان سیم‌پیچ‌های موتور. موتورهای DC با ابعاد کوچک در ابزارآلات برقی و لوازم برقی خانگی (به شکل موتور یونیورسال)، اسباب‌بازی‌ها ...، و با ابعاد بزرگ در آسانسورها، خودروهای الکتریکی، بالابرها و در کارخانه‌های نَوَرد لوله و فولاد استفاده می‌شوند. همچنین این موتورها در کاربردهای صنعتی که به کنترل دقیق سرعت و گشتاور نیاز دارند، استفاده‌های فراوان دارند. استفاده از این نوع لوکوموتیو به خاطر ممنوعیت ورود نوع بخاری این دستگاه‌ها به ناحیه شهری نیویورک بود. (سقف اتاقک این لوکوموتیو برداشته شده‌است) در اطراف سیم‌پیچی که از آن‌ جریان الکتریکی می‌گذرد، میدان مغناطیسی تولید می‌شود. ساده‌ترین موتور DC از یک آهنربای ثابت در استاتور و یک آرمیچر با یک یا چند سیم‌پیچ با سیم‌های عایقی که دور یک هسته آهنی (که برای متمرکز کردن میدان مغناطیسی استفاده می‌شود) پیچیده‌شده‌اند، تشکیل می‌شود. سیم‌پیچ‌ها معمولاً چندین دور به محور هسته تابانده شده و در موتورهای بزرگتر می‌توان از مسیرهای جریانی موازی زیادی استفاده کرد. موتور DC بدون جاروبک، نیاز به مدارهای الکترونیکی دارند که جریان مستقیم را در هر سیم‌پیچ قطع و وصل کند. جریان سیم‌پیچ‌ها و نیز قطر و تعداد دور آنها، قدرت میدان الکترومغناطیسی تولیدشده را تعیین می‌کند. اَندَرکُنش این میدان با میدانی که در استاتور توسط آهنربای (دائم یا الکترومغناطیسی) تولیدشده، باعث نیرویی در آرمیچر می‌شود که آن را می‌چرخاند (تولید گشتاور). البته برای تداوم چرخش آرمیچر، جهت جریان مستقیم در سیم‌پیچ آن می‌بایست در بازه‌های زمانی منظم (مثلاً هر نیم دور)، معکوس شود (کموتاسیون). در سطوح بالاتر قدرت، موتور DC غالباً از هوا برای خنک کردن موتور استفاده می‌کنند. آرایش و تعداد میدان‌های استاتور و روتور و طریقهٔ اتصال آن‌ها به یکدیگر نقش تعیین‌کننده‌ای در میزان سرعت و گشتاور موتور دارد. در موتور DC مدرن غالباً با استفاده از مدار الکترونیک قدرت سطح ولتاژ را با قطع و وصل‌ جریان به سیکل‌های خاموش و روشن کاهش می‌دهند که تأثیر بسزایی در کنترل سرعت دارد. از زمانی که موتور DC ابداع شدند به دلیل گشتاور زیاد آن‌ها در سرعت پایین، در کِشنده‌های لوکوموتیوهای الکتریکی و قطارها استفاده می‌شدند. موتور DC پای ثابت دستگاه‌های کشنده و لوکوموتیوهای الکتریکی و دیزل-الکتریکی، قطار و … برای سال‌های متمادی بودند. | ## بخش 2: موتور جریان مستقیم | آغاز استفاده از موتور DC و شبکه‌های الکتریکی برای تغذیه ماشین‌های الکتریکی در سال ۱۸۷۰ میلادی باعث انقلاب دوم صنعتی شد. موتور DC می‌تواند به صورت مستقیم با باتری قابل شارژ مورد استفاده قرار گیرد که این سیستم امروزه در خودروهای هیبریدی و الکتریکی استفاده می‌شود. این ویژگی منحصر به فرد در خودروهای هیبریدی برای شارژ باتری‌ها استفاده می‌شود و در قطارهای برقی شهری برق تولید شده بر اثر این ویژگی و کاهش سرعت قطار به شبکه برق بازگردانده می‌شود تا توسط سایر دستگاه‌ها استفاده شود. در لوکوموتیوهای دیزلی-الکتریکی موقع ترمز از موتور DC به عنوان ژنراتور استفاده می‌شود تا به ترمز کردن کمک کنند و انرژی برق تولیدشده در این عملیات به باکس‌های مقاومتی فرستاده‌می‌شود تا در آنجا تلف شود. در طراحی‌های جدید به جای بسته‌های مقاومت از بسته‌های بزرگ باتری استفاده شده تا مقداری از این انرژی به جای تلف‌شدن ذخیره شود. گشتاور بر اساس این اصل که "به هر سیم حامل جریان در داخل میدان مغناطیسی نیرو وارد می‌شود" (نیروی لورنتس) تولید می‌شود. شدت اثر نیروی لورنتس (پیکان سبز رنگ) و همچنین گشتاور، تابعی از زاویه روتور است که منجر به پدیده‌ای به نام ریپل گشتاور می‌شود. از آنجایی که این موتور دو قطبی است، کموتاتور از یک حلقه تقسیم‌کننده دو تکه تشکیل شده که بعد از هر ۱۸۰ درجه گردش (نیم دور) جهت جریان را معکوس می‌کند. موتور DC جاروبک‌دار موتور DC جاروبک‌دار، برای تولید میدان مغناطیسی گردان، نیاز به کموتاسیون دارد. مزایای استفاده از موتور DC جاروبک‌دار شامل هزینه اولیه پایین، قابلیت اطمینان بالا و سادگی کنترل سرعت موتور است. معایب آن عبارتست از تعمیر و نگهداری زیاد، و طول عمر کم در مواردی است که به صورت مداوم از آن استفاده شود. تعمیرات شامل تغییر زغال کربنی جاروبک‌ها همراه با سیم متصل به آن که وظیفه انتقال انرژی را به عهده دارد و در بعضی موارد تعویض کموتاتور. موتور DC بدون جاروبک (براش‌لِس، Brushless) عموماً موتور DC بدون جاروبک‌ دارای یک یا چند آهنربای دائم در داخل روتور است، و آهنرباهای الکتریکی در استاتور قرار گرفته‌اند. طراحی این مدل از لحاظ مکانیکی بسیار ساده‌تر از مدل جاروبک‌دار است زیرا دردسرهای انتقال و رساندن انرژی الکتریکی به یک قطعه متحرک دورانی را ندارد. کنترل‌گر موتور می‌تواند موقعیت روتور را با کمک سنسورها یا قطعات مشابه اثر هال تشخیص داده و دقیقاً زمانبندی و فاز و غیره را کنترل کند و باعث افزایش گشتاور، صرفه جویی انرژی، تنظیم سرعت و حتی گاهی ترمز بشود. مزایای موتورهای بدون جاروبک عمر طولانی آن، تعمیرات نادر یا بدون تعمیرات، صرفه جویی بسیار زیاد. در بعضی موارد موتورهای بدون جاروبک به موتورهای سنکرون ترجیح داده می‌شوند چرا که به دستگاه و منبع خارجی دیگری برای سنکرون شدن نیاز ندارند. کموتاسیون از آنجایی‌که موتور DC با جریان مستقیم تغذیه می‌شود، برای چرخش مداوم آرمیچر آن، جهت جریان DC واردشونده به آرمیچر باید به‌طور مداوم و منظم عوض شود. نیروی محرکهٔ تولیدشده در آرمیچر میانگین ولتاژ تولیدشده در یک پیچک با تعداد دور از رابطهٔ زیر به دست می‌آید: که در آن تعداد قطب، شار میدان مغناطیسی استاتور و سرعت چرخش روتور است. | ## بخش 3: موتور جریان مستقیم | اگر تعداد کل پیچک‌های آرمیچر، و تعداد مسیرهای موازی بین جاروبک‌ها باشد، تعداد پیچک‌های سری بین جاروبک‌ها می‌شود و با احتساب به عنوان هادی‌های موجود در آرمیچر، نیروی محرکهٔ آرمیچر این‌گونه محاسبه می‌شود: با محاسبه ضریب سیم‌پیچی ، که برای ماشین‌های DC معمولاً تنها از ضریب توزیع تشکیل شده‌است، نیروی محرکۀ الکتریکی القایی آرمیچر بدین‌گونه خواهد بود: در این رابطه، سرعت چرخش روتور است. گشتاور ماشین جریان مستقیم با توجه به برابری توان‌های تبدیل‌شده (الکتریکی به مکانیکی)، با احتساب شرایط ایدئال تبدیل توان، و با توجه به اینکه مقادیر ، و برای ماشین ثابت است، گشتاور رابطه‌ای مستقیم با و دارد: که در آن ثابت است. تحریک آرمیچر موتور جریان مستقیم، به جز مواردی که از مغناطیس دائم در استاتور خود استفاده می‌کند، به یک سیم‌پیچ تحریک که جریان مستقیم از آن عبور می‌کند، احتیاج دارد. تحریک جداگانه پیچک تحریک جداگانه که از صدها دور سیم نازک تشکیل شده، به منبع خارجی یا جداگانه‌ای از آرمیچر متصل است و ولتاژ آن منبع هیچ‌گونه وابستگی با ولتاژ آرمیچر ندارد. در این ماشین قطب‌های میدان باید پس‌ماند مغناطیسی داشته باشند تا هنگام چرخش آرمیچر ولتاژ پس‌ماندی در جاروبک‌ها تولید شود. تحریک سری: سیم‌پیچ میدان در این نوع ماشین از سیم‌های ضخیم با دور اندک (مقاومت کم) تشکیل شده که به‌طور سری به آرمیچر متصل شده‌است و جریان میدان سری به جریان آرمیچر بستگی دارد. تحریک موازی (شانت): پیچک میدان از سیم‌های نازک با تعداد دور زیاد تشکیل شده که به‌طور موازی به آرمیچر متصل شده‌است. تحریک کُمپُوند: شامل هر دو سیم‌پیچ تحریک سری و تحریک شنت می‌باشد، البته در مواقعی به جای تحریک شانت از تحریک جداگانه استفاده می‌شود. در صورتی که شار میدان تحریک سری در جهت شار میدان تحریک شنت باشد ماشین را کمپوند اضافی و در غیراین‌صورت به آن ماشین کمپوند نقصانی می‌گویند. راه‌اندازی موتور جریان مستقیم در لحظهٔ شروع راه‌اندازی سرعت موتور صفر است و بنابرین نیروی ضد محرکه نیز صفر می‌باشد، در نتیجه با اعمال ولتاژ پایانه به موتور، جریان آرمیچر از رابطهٔ در ماشین‌های شانت، و در ماشین‌های سری و کمپوند به دست می‌آید که در این صورت جریان زیادی وارد موتور می‌شود که نتایج زیر را دربردارد: جرقهٔ زدن زیان‌آور هنگام کموتاسیون آسیب‌دیدن سیم‌پیچ آرمیچر و از بین رفتن عایق بر اثر گرمای بیش از اندازه گشتاور راه‌اندازی بالا و شتاب سریع که به قسمت‌های متحرک ماشین آسیب می‌رساند. افت زیاد ولتاژ تغذیه بنابراین برای راه‌اندازی مناسب ماشین لازم است که جریان راه‌اندازی محدود شود. البته این مقاومت باید به تدریج از مدار برداشته شود، زیرا در هنگام کار عادی ماشین باعث کاهش سرعت ماشین و تلف انرژی و در نتیجه کاهش بازدهی ماشین می‌شود. از انواع راه‌اندازهای سری می‌توان راه‌اندازهای سه‌سر، راه‌اندازهای چهارسر و راه‌اندازهای اتوماتیک را نام برد. چگونگی راه‌اندازی موتور راه‌اندازی موتورهای جریان مستقیم با قراردادن مقاومت در مدار آرمیچر انجام می‌گیرد که این مقاومت خود از مقاومت‌های کوچک‌تری که هر کدام در بخش مجزایی هستند تشکیل می‌شود و هر کدام از این اجزا به تدریج در هنگام راه‌اندازی از مدار ماشین خارج می‌شود تا مقاومت موجود در مدار آرمیچر تنها مقاومت آرمیچر یا مقاومت سیم‌پیچ سری باشد. طراحی راه‌انداز مقاومت راه‌انداز بین دکمه‌های مختلف یک راه‌انداز به قسمت‌های نامساوی تقسیم می‌شود تا از ضربات غیرعادی جریان به خصوص در آخرین دکمهٔ اتصالی جلوگیری شود. در این فرایند جریان ماکزیمم آرمیچر باید به گونه‌ای باشد تا کموتاسیون خوب به وجود بیاید (جرقه‌های خطرناک هنگام کموتاسیون رخ ندهد). تلفات تلفات ماشین‌های الکتریکی جریان مستقیم dc را می‌توان چنین تقسیم‌بندی نمود: تلفات مکانیکی یا اصطکاکی تلفات آهنی یا تلفات هسته تلفات مسی تلفات مکانیکی به‌علت اصطکاک محور ماشین در یاتاقان‌ها و اصطکاک جاروبک‌ها با کلکتور و مقاومت هوا به وجود می‌آید. این تلفات برای ماشین مشخصی، تابع دور محور ماشین می‌باشد و آن را با Pmech نمایش می‌دهند. تلفات هسته از تلفات هیسترزیس و تلفات ناشی از جریانهای گردابی در هستهٔ آرمیچر تشکیل می‌شود و آن را با PFe نشان می‌دهند. | ## جمع‌بندی | تلفات مسی یا تلفات ژولی ماشین‌های dc در اثر عبور جریان از سیم‌پیچ تحریک آرمیچر و دیگر سیم‌پیچ‌های موجود در ماشین از قبیل سیم‌پیچ‌های جبرانگر و قطب‌های کمکی و همچنین جاروبک‌ها به وجود می‌آید.