موتور جریان مستقیم

طرز کار موتور الکتریکی با جاروبک، روتور دو قطبی و استاتور با آهنربای دائمی، حروف N و S نشان دهنده برآیند نیروی مغناطیسی حاصل از آهنرباهای دائمی است.
علائم + و - نشانگر جریانی است که به کموتاتور اعمال می‌شود که وظیفه تغذیه سیم پیچهای رتور را بر عهده دارد. همچنین فلش سبز رنگ جهت چرخش رتور را نمایش می‌دهد
ماشین جریان مستقیم وسیله‌ای الکتریکی است که انرژی جریان مستقیم برق را به انرژی مکانیکی تبدیل می‌کند. مدل معمول این نوع موتورها وابسته به نیروی حاصل از میدانهای مغناطیسی است. اخیرا غالب موتورهای جریان مستقیم (DC) دارای مکانیسم داخلی برای تغییر جهت جریان به صورت دوره‌ای در موتور هستند. اکثر ماشین‌های دی سی حرکت گردشی دارند به جز ماشین‌های القایی خطی که نیرو و حرکت خطی و در مسیر مستقیم دارند.
این نوع ماشین به خاطر توانایی تولید گشتاور و راه‌اندازی بالا و متغیر برای بارهای مورد استفاده کاربرد بسیاری در صنعت دارد. سرعت ماشینهای دی سی توسط روش‌های مختلفی قابل کنترل است از جمله تغییر میزان ولتاژ تغذیه‌کننده یا تغییر میزان جریانی که در سیم پیچ‌های ماشین جاری می‌شوند به وسیله‌ی پالس‌ها (PWM).
ماشینهای دی سی در سایز کوچک در ابزارآلات، اسباب بازی‌ها و تجهیزات زیادی مورد استفاده قرار می‌گیرد. موتورهای DC در ابعاد بزرگتر در آسانسورها، وسائل نقلیه، بالابرها و حتی در بعضی آسیابها استفاده می‌شوند. به دلیل پیشرفت‌های چشمگیر الکترونیک قدرت امروزه این نوع ماشینها می‌توانند جایگزین اغلب موتورهای جریان متناوب (AC) شوند. همچنین این نوع ماشین در کاربردهای صنعتی که کنترل دقیق سرعت و گشتاور مورد نیاز است، استفاده‌های فراوان دارد.
موتورهای الکترومغناطیسی
خطوط ریلی پنسیلوانیا، لوکوموتیوی که با استفاده از جریان مستقیم دائمی که به واسطه ریل سوم کوپل شده موتورهای خود را تغذیه می‌کند. استفاده از این نوع لوکوموتیو به خاطر ممنوعیت ورود نوع بخاری این دستگاه‌ها به ناحیه شهری نیویورک بود.
(سقف اتاقک این لوکوموتیو برداشته شده‌است)
سیم پیچ‌هایی که از سیم داخل آن‌ها جریان الکتریکی جاری می‌شود میدان مغناطیسی وابسته به مرکز سیم پیچ تولید می‌کند. جهت و شدت این میدان مغناطیسی بستگی به جریانی دارد که از سیم‌های این سیم پیچ‌ها عبور می‌کند.
به‌طور ساده‌تر یک ماشین دی سی تشکیل شده از یک دست آهنربای ثابت در قسمت استاتور (ایستانه) و یک آرمیچر با یک یا چند سیم پیچ با سیم‌های عایقی که دور یک هسته آهنی نرم (که برای متمرکز کردن میدان مغناطیسی استفاده می‌شود) تابانده شده. سیم پیچ‌ها معمولا چندین دور به محور هسته تابانده شده و در موتورهای بزرگتر می‌توان از مسیرهای جریانی موازی زیادی استفاده کرد. انتهای همه سیم‌ها به کموتاتور متصل شده‌است. کموتاتور به هرکدام از سیم پیچ‌های آرمیچر اجازه می‌دهد تا با عبور جریان تحریک شوند و با گردش آرمیچر قسمت‌های مختلف سیم پیچ آرمیچر توسط منابع تغذیه خارجی از طریق گذر از جاروبک تحریک می‌شوند. لازم است ذکر شود ماشین‌های دی سی بدون جاروبک مدارهای الکترونیکی دارند که جریان مستقیم را در هر سیم پیچ روشن و خاموش می‌کند و جاروبکی ندارد.
مقدار کل جریانی که به سیم پیچ‌ها فرستاده می‌شود، اندازه و تعداد دور سیم پیچ‌ها می‌تواند میزان قدرت میدان نیروی الکترومغناطیسی که تولید می‌شود را تعیین کند.
با خاموش و روشن شدن مرتب و با برنامه سیم پیچ‌ها میدان مغناطیسی دوار تولید می‌شود. این میدان دوار با میدانی که در استاتور توسط آهنربای (دائم یا الکترومغناطیسی) ایجاد شده واکنش نشان داده و نیرویی در آرمیچر ایجاد می‌شود که باعث چرخش آرمیچر می‌شود. در بعضی از ماشین‌های دی سی طراحی استاتور به گونه‌ای است که میدان مغناطیسی توسط آهنربای الکترومغناطیسی ایجاد می‌شود که باعث می‌شود کنترل بسیار بیشتری بر روی موتور داشت.
در سطوح بالاتر قدرت، ماشینهای دی سی غالبا از هوای تحت فشار برای خنک کردن موتور استفاده می‌کنند.
آرایش و تعداد مختلف میدان‌های موجود در استاتور و رتور و طریقه اتصال آن‌ها به یکدیگر نقش تعیین‌کننده‌ای در میزان سرعت/گشتاور موتور دارد. سرعت این نوع ماشین‌ها می‌تواند با تغییر ولتاژ اعمال شده به آرمیچر تنظیم شود. همچنین با افزودن مقاومت متغیر در مدار آرمیچر و کنترل آن می‌توان سرعت را کنترل کرد. در ماشین‌های دی سی مدرن غالبا با استفاده از مدار الکترونیک قدرت سطح ولتاژ را با برش جریان به سیکل‌های خاموش و روشن کاهش می‌دهند که تاثیر بسزایی در کنترل سرعت دارد.
از زمانی که ماشین‌های دی سی سیم پیچی شده ابداء شدند به دلیل گشتاور بسیار زیاد در سرعت پایین در کشنده‌ها خصوصا در لوکوموتیوهای الکتریکی و ترن‌ها استفاده می‌شود. ماشین‌های دی سی پای ثابت دستگاه‌های کشنده و لوکوموتیوهای الکتریکی و دیزل - الکتریکی، ماشینهای خیابانی، ترن، … برای سالهای متمادی بودند. آغاز استفاده از ماشینهای دی سی و شبکه‌های الکتریکی برای تغذیه ماشینهای الکتریکی در سال ۱۸۷۰ میلادی باعث انقلاب دوم صنعتی شد. ماشینهای دی سی می‌تواند به صورت مستقیم با باتری قابل شارژ مورد استفاده قرار گیرد که همین سیستم امروزه در خودروهای هیبریدی و الکتریکی استفاده می‌شود.
اگر نیروی خارجی به ماشین دی سی اعمال شود باعث می‌شود تا ماشین به مانند یک ژنراتور دی سی عمل کند. این ویژگی منحصر به فرد در خودروهای هیبریدی برای شارژ مجدد 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 مورد استفاده قرار گیرد. در لوکوموتیوهای دیزل الکتریکی موقع ترمزگیری از ماشین‌های دی سی به عنوان ژنراتور استفاده می‌شود تا به ترمزگیری کمک کنند و انرژی برق تولید شده در این عملیات به باکسهای مقاومتی فرستاده می‌شود تا در آنجا خنثی شود. در طراحی‌های جدید به جای بسته‌های مقاومت از پکیجهای بزرگ باتری استفاده شده تا مقداری از این انرژی به جای خنثی شدن ذخیره شود.
ماشین الکتریکی جاروبک دار با استفاده از منبع تغذیه دی سی و کموتاسیون داخلی در حال تولید گشتاور است. آهنرباهای دائمی ثابت میدان مغناطیسی استاتور را تشکیل می‌دهند. گشتاور بر اساس اصل به هر سیم حامل جریان در داخل میدان مغناطیسی نیرو وارد می‌شود که به نام اثر لورنس شناخته شده تولید می‌شود. در داخل موتور شدت اثر نیروی لورنس (پیکان سبز رنگ) و همچنین گشتاور خروجی تابعی از زاویه رتور است که منجر به پدیده‌ای به نام ریپل گشتاور می‌شود.
از آنجایی که این موتور تکفاز، 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.
جاروبک دار
ماشین دی سی جاروبک دار گشتاور مورد نظر را توسط کموتاسیون، آهنرباها و میدان مغناطیسی گردان مستقیما از طریق منبع تغذیه دی سی تامین می‌کند. مزایای استفاده از ماشین‌های دی سی جاروبک دار شامل: هزینه اولیه پایین، قابلیت اطمینان بالا و سادگی کنترل سرعت موتور است. معایب آن عبارتست از تعمیر و نگهداری زیاد، 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. این قطعات برای انتقال انرژی الکتریکی از منابع تغذیه به سیم پیچ‌های رتور است. جاروبک‌ها شامل رساناها هستند.
بدون جاروبک (براشلس)
عموما ماشین‌های دی سی بدون جاروبک دارای یک یا چند آهنربای دائم در داخل رتور هستند و آهنرباهای الکتریکی که در استاتور قرار گرفته‌اند. کنترلر موتور جریان دی سی را به متناوب تبدیل می‌کند. طراحی این مدل از لحاظ مکانیکی بسیار ساده‌تر از مدل جاروبک دار است زیرا درد سرهای انتقال و رساندن انرژی الکتریکی به یک قطعه متحرک دورانی را ندارد.
کنترلگر موتور می‌تواند موقعیت رتور را با کمک سنسورها یا قطعات مشابه اثر هال تشخیص داده و دقیقا زمانبندی و فاز و غیره را کنترل کند و باعث افزایش گشتاور، صرفه جویی انرژی، تنظیم سرعت و حتی گاهی ترمزگیری بشود. مزایای موتورهای بدون جاروبک عمر طولانی آن، تعمیرات نادر یا بدون تعمیرات، صرفه جویی بسیار زیاد. معایب آن شامل هزینه اولیه بالا، پیچیدگی و دردسر زیاد در کنترل‌گرهای سرعت موتور. 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
برای تبدیل کمیت چرخان (گردش آرمیچر) به کمیت مستقیم (ولتاژ و جریان) و ساکن نگه‌داشتن نیروی محرکه مغناطیسی آرمیچر به کموتاتور نیاز است. مهترین کار کموتاتور همان‌طور که گفته شد یکسوکردن کمیت متناوب در پیچک آرمیچر به کمیت مستقیم در جاروبک‌های یک ژنراتور می‌باشد.
نیروی محرکه تولید شده در آرمیچر
ولتاژ یکسوشده به وسیله جمع‌کردن عرض موج‌های تولیدشده از پیچک‌های سری به وجود می‌آید. هرچه تعداد پیچک‌های سری افزایش یابد مقدار ولتاژ DC افزایش و تضاریس موج کاهش می‌یابد، اما به‌طور کلی شکل موج ولتاژ یکسوشده توسط جاروبک نمی‌تواند به شکل موج ولتاژ مستقیم تولیدشده از یک باتری برسد.
میانگین ولتاژ تولیدشده در یک پیچک با تعداد دور از رابطه زیر به دست می‌آید:
که در آن تعداد قطب، شار عبوری و سرعت چرخش روتور است.
اگر را تعداد کل پیچک‌های آرمیچر و را تعداد مسیرهای موازی بین جاروبک‌ها بدانیم تعداد پیچک‌های سری بین جاروبک‌ها می‌شود و با احتساب به عنوان هادی‌های موجود در آرمیچر، نیروی محرکه موجود در آرمیچر این‌گونه محاسبه می‌شود:
با محاسبه ضریب سیم‌پیچی ، که برای ماشین‌های DC معمولا تنها از ضریب توزیع تشکیل شده‌است، ولتاژ القایی آرمیچر بدین‌گونه خواهد بود:
گشتاور ماشین جریان مستقیم
با توجه به برابری توان‌های تبدیل‌شده و با احتساب شرایط ایده‌آل تبدیل توان، گشتاور مکانیکی ماشین این‌گونه محاسبه می‌شود:
که با توجه به آن که مقادیر ، و برای ماشین ثابت است، نشان می‌دهد که گشتاور رابطه‌ای مستقیم با تغییرات و دارد.
گشتاور=k*i*tفی
تحریک آرمیچر
ماشین جریان مستقیم به جز دز مواردی که از مغناطیس دائم در روتور خود استفاده می‌کند برای تبدیل انرژی الکتریکی به مکانیکی یا بالعکس به یک سیم پیچ تحریک که جریان مستقیم از آن عبور می‌کند، احتیاج دارد. به این سیم‌پیچ، سیم‌پیچ میدان گفته می‌شود.
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.
تحریک خودی
تحریک سیم‌پیچ میدان به وسیله آرمیچر ماشین را تحریک خودی می‌نامند. در این ماشین قطب‌های میدان باید پس‌ماند مغناطیسی داشته باشند تا هنگام چرخش آرمیچر ولتاژ پس‌ماندی در جاروبک‌ها تولید شود.
تحریک سری: سیم پیچ 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 شنت: پیچک میدان از سیم‌های نازک با تعداد دور زیاد تشکیل شده که به‌طور موازی به آرمیچر متصل شده‌است.
تحریک کمپوند: شامل هر دو سیم‌پیچ تحریک سری و تحریک شنت می‌باشد، البته در مواقعی به جای تحریک شنت 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 غیر این صورت به آن ماشین کمپوند نقصانی می‌گویند.
راه‌اندازی موتور جریان مستقیم
در لحظه شروع راه‌اندازی سرعت موتور صفر است و بنابرین نیروی ضد محرکه نیز صفر می‌باشد، در نتیجه با اعمال ولتاژ پایانه به دو سر ماشین جریان عبوری از آرمیچر از رابطه در ماشین‌های شنت و در ماشینهای سری و کمپوند به دست می‌آید که در این صورت جریان ورودی زیادی وارد موتور می‌شود که نتایج زیر را دربردارد:
ایجاد جرقه 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، که این کار با قرار دادن مقاومت خروجی بر سر مدار آرمیچر انجام می‌شود. البته این مقاومت باید به تدریج از سر راه مدار برداشته شود، زیرا در هنگام کار عادی ماشین باعث کاهش سرعت کار ماشین و تلفات سلفی 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.
روش دیگری نیز وجود دارد
طراحی راه‌انداز
مقاومت راه‌انداز بین دکمه‌های مختلف یک راه‌انداز به قسمت‌های نامساوی تقسیم می‌شود تا از ضربات غیرعادی جریان به خصوص در آخرین دکمه 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 بعلت 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 P mech نمایش می‌دهند.
تلفات هسته از تلفات هیسترزیس و تلفات ناشی از جریانهای گردابی در هسته آرمیچر تشکیل می‌شود و آن را با P Fe نشان می‌دهند. مقدار این تلفات برای ماشین مشخص، تابع دور محور و مقدار ولتاژ القایی E A است. تلفات مسی یا تلفات ژولی ماشین‌های dc در اثر عبور جریان از سیم پیچه‌ای تحریک آرمیچر و دیگر سیم پیچ‌های موجود در ماشین از قبیل سیم پیچهای جبرانگر و قطبهای کمکی و همچنین جاروبک‌ها بوجود می‌آید.
مجموع تلفات آهنی و مکانیکی از بی‌باری تا بار کامل تغییر چندانی ندارد.