قسمت سوم دوره آنلاین

ویدیو قسمت سوم دوره آنلاین

 انواع موتورهای الکتریکی

چه موتور الکتریکی باید برای کار خود انتخاب کنید؟

در بخش‌های قبلی درباره‌ی مزایای موتورهای الکتریکی نسبت به موتورهای معمولی صحبت کردیم ولی کدام موتور الکتریکی بهترین است؟ برای پاسخ به این سوال شما می‌توانید از دیدگاه‌های مختلفی نگاه کنید. مهندسان برق ده‌ها روش برای طبقه بندی موتورها دارند. مهندسان مکانیک به خواصی مانند اندازه، وزن و حداکثر گشتاور نگاه می‌کنند. سازندگان حرفه‌ای به چیزهایی مانند دسترسی، سادگی و استحکام نگاه می‌کنند. اقتصاددانان و افراد کسب و کار عمدتا به قیمت توجه می‌کنند. و در نهایت، افراد علاقه مند به محیط زیست اغلب علاقه‌مند به استفاده از فلزات کمیاب می‌باشند و مواردی که به انتشار گاز CO2  مربوط می‌شود.

صحبت درباره تمام زمینه‌ها ممکن است اما ما به بررسی 3 دسته اصلی موتورهای الکتریکی که عمدتا در تمام وسایل الکتریکی و خودروها به کار برده می‌شوند خواهیم پرداخت.

بررسی‌ها نشان می‌دهد که تعداد بسیار زیادی موتور الکتریکی در دنیا وجود دارد اما وقتی درباره‌ی خودرو صحبت می‌کنیم این موتور ها تنها 3 دسته‌اند. همانطور که در این مرور کلی از سال 2014 نشان داده شده است. به همین دلیل ما روی موتورهای القایی، موتورهای آهنربای دائمی و موتورهای مقاومت مغناطیسی همزمان تمرکز خواهیم کرد. قبل از اینکه به موتورهای مورد استفاده در وسایل الکتریکی بپردازیم، توضیح را با یک مثال ساده یعنی موتور الکتریکی DC  که از دوران دبیرستان به یاد داریم شروع می‌کنیم. این موتور دارای یک قسمت ثابت به نام STATOR است چون استاتیک است و حاوی آهنربا است. همچنین این موتور دارای یک بخش متحرک و چرخان به نام ROTOR  است که شامل سیم پیچ یا کویل‌های الکتریکی است.

استاتور ثابت است و روتور می‌چرخد. هنگامی که سیم پیچ درون روتور را به جریان مستقیم تولید شده توسط یک باتری متصل می‌کنید، جریان باتری یک میدان مغناطیسی در روتور ایجاد خواهد کرد. تعامل بین میدان مغناطیسی درون سیم پیچ و میدان مغناطیسی ناشی از آهنربای دائمی در استاتور سبب چرخش روتور خواهد شد. بعد از کمی چرخش میدان مغناظیسی درون روتور شروع به هم‌تراز شدن با میدان مغناظیسی استاتور می‌کند و دیگر نمی‌چرخد اما قبل از این اتفاق می‌افتد، commutatorقطبیت اتصال بین سیم پیچ و باتری را تغییر می‌دهد. قطبیت معکوس منجر به یک میدان مغناطیسی جدید می‌شود و روتور به چرخش ادامه می‌دهد.می‌توان بیشتر در مورد این موتورها صحبت کرد اما این موتورها در خودروهای الکتریکی دیگر جایی ندارند. این موضوع عمدتا به دلیل برس‌هایی است (brushes)  که برای کار کردن commutator  لازم هستند. این برس‌ها می‌توانند باعث خرابی و ایجاد جرقه شوند، آن‌ها باید به طور مرتب جایگزین شوند و همچنین بازدهی را کاهش می‌دهند. آن‌ها همچنین نیاز به یک مکانیزم شروع برای جلوگیری از سوختن دارند.

موتور القایی

جایگزین مناسب توسط نیکولا تسلا اختراع شد. این موتور القایی AC یا موتور القایی، نیاز به آهنرباهای دائمی ندارد. در عوض میدان مغناطیسی توسط یک جریان تولید می‌شود  که در سیم پیچ قرار گرفته در استاتور جریان پیدا می‌کند. میدان مغناطیسی استاتور سبب القای ولتاژ و جریان در سیم پیچ درون روتور خواهد شد که این امر سبب خواهد شد روتور میدان مغناطیسی خودش را تولید کند و این میدان مغناطیسی سبب چرخش روتور خواهد شد به طوری که خود را با میدان مغناطیسی استاتور ترکیب کند و هم ردیف و هم تراز قرار دهد. نیکولا تسلا کار دیگه‌ای نیز انجام داد. او استاتور را به جریان AC  وصل کرد که به معنی این است که میدان مغناطیسی در استاتور نیز متناوب خواهد بود. در حقیقت، اگر شما به اندازه کافی هوشمندانه عمل کنید  می‌توانید یک میدان مغناطیسی چرخانده یا RMF ایجاد کنید و روتور میدان مغناطیسی درون استاتور را دنبال خواهد کرد. بدون نیاز به commutator with brushes . چون روتور میدان مغناطیسی را تنها پس از اینکه تولید و القا شد دنبال می‌کند همواره یک مقدار عقب می ماند. فاصله‌ای که روتور عقب می‌ماند را slip  می‌نامند و این لغزش سبب می‌شود همواره روتور با میدان مغناطیسی همگام نشود. به همین دلیل موتور القایی یک موتور ناهمگام یا غیرهمزمان نامیده می‌شود.

اولین موتورهای القایی در سرعت ثابت به کار برده می‌شدند اما در ادامه این امکان فراهم شد که فرکانس جریان AC  را تغییر داده و به اصطلاح از درایو فرکانس متغییر استفاده (variable frequency drive or VFD) کرد.

با استفاده از VFD، با تغییر جریان متناوب یا فرکانس AC شما می‌توانید میدان مغناطیسی را سریع تغییر دهید. اسامی دیگر این سیستم عبارتند از : Variable Speed Drive, Adjustable Frequency Drive, AC drive converter

این موتور بسیار موفق بوده و محاسبات نشان می‌دهد که 90% موتورهای صنعتی در سال 2017 موتور القایی بوده‌اند. این موتورها همچنین در اولین مجموعه خودروهای الکتریکی شرکت تسلا به کار گرفته شدند.

موتورهای القایی مزایای زیادی دارند که مهم ترین آن‌ها می‌تواند این باشد که ساخت آن‌ها بسیار ساده است. قیمت آن هم به نسبت پایین‌تر است چون نیاز به آهنربای دائمی، برس و مکانیزمی برای استارت ندارد. کنترل سرعت بسیار ساده است و  با کنترل فرکانس میتوان سرعت را نیز کنترل کرد.

اما معایبی هم وجود دارد.جریان القا شده در سیم پیچ‌ها سبب کاهش بازدهی خواهد شد. القای تلف شده همچنین به معنای گرم شدن روتور و نیاز به خنک کاری است. این موتور سبک‌ترین و فشرده‌ترین موتور الکتریکی هم نیست.

موتور آهنربای دائمی

پیشرفت های اخیر در علم مواد این امکان را فراهم کرده است تا آهنرباهای بسیار قدرتمندی با استفاده از نئودیمیم ساخته شود. اگر روتور را با استفاده از آهنربای دائمی بسازیم دیگر نیازی به القای میدان مغناطیسی در روتور نداریم و آهنربا خودش میدان مغناطیسی را در آنجا قرار می‌دهد. این امر اتلاف انرژی و گرمای تولید شده در روتور را حذف می‌کند. به همین دلایل موتورهای آهنربای دائمی کوچک‌ترین و سبک‌ترین موتورهای الکتریکی هستند که شما می‌توانید خریداری کنید و از آنجایی که روتور مغناطیسی شده است همواره با میدان مغناطیسی چرخان همگام است. به همین دلیل است که این موتورها تحت عنوان موتورهای همگام هم دسته بندی می‌شوند. اغلب روتور با آهنربای دائمی در اطراف و بیرون فعالیت می کند و دور موتور قرار گرفته است که به آن out-runner می‌گویند. Out-runner می‌تواند گشتاور بالایی را در سرعت‌های پایین ارائه دهد.

در مواقعی هم روتور در داخل فعالیت می‌کند و داخلی کار می‌کند و همانطور که احتمالا حدس می‌زنید آن را in-runner  می‌نامند. این مدل می‌تواند سریعا به سرعت‌های بالا برسد. پس زمانی که سرعت بالا مشکل ساز نیست این مدل می‌تواند قدرت برابری با مدل قبلی تولید کند در حالی که کوچکتر،سبک تر و ارزان‌تر هم هست.

موتورهای اهنربای دائمی به طور فزاینده‌ای در انواع برنامه‌های کاربردی با کارایی بالا استفاده می‌شوند که خودروهای الکتریکی را نیز شامل می‌شوند و شاید نتوان دقیقا ثابت کرد ولی اینطور به نظر می‌رسد که تولید کنندگان خودروهای الکتریکی به سمت این نوع موتورها حرکت می‌کنند که مثال خوب آن تسلا است که در خودروهای جدید خود از این موتورها استفاده کرده است. که تسلا مدل 3 را در تصویر می‌بینید.

مزایای این موتورها این است که سبک‌ترین و کوچک‌ترین موتورهای الکتریکی هستند. همچنین موتوری با کمترین سر و صدا و نویز و بیشترین بازدهی.

بزرگ‌ترین عیب آن این است که نیاز به فلزات کمیاب برای آهنربای دائمی دارد که بسیار هم گران قیمت‌اند. همچنین برای استارت و شروع به کار این موتورها نیاز به یک مکانیزم داریم.

موتور مقاومت مغناطیسی

نتیجه تحقیقات اخیر موتوری است که می‌خواهد مزایای هر دو موتور قبلی را داشته باشد. این موتور دارای روتوری است که حاوی فلز است به طوری که می‌خواهد خودش را به طور طبیعی با میدان مغناطیسی اطراف همگام کند. پس نیازی ندارد که میدان مغناطیسی خودش را از طریق جریان القایی مثل موتور القایی تولید کند که به معنی اتلاف کمتر است و به آهنربای دائمی هم نیازی ندارد که آن را ارزان‌تر از موتور آهنربای دائمی می‌کند.

این موتور مزایایی مهمی دارد که عبارتند از: این موتور گشتاور و بازدهی بالایی به خصوص در سرعت‌های بالا دارد که قابل مقایسه با موتور آهنربای دائمی است. نیاز به آهنربای دائمی ندارد که آن را ارزان‌تر می‌کند که برای محیط زیست هم بهتر است.

البته این موتور معایبی هم دارد. بازدهی در سرعت‌های پایین در مقایسه با موتور آهنربای دائمی پایین‌تر است. صدای ذاتی موتور هم به نسبت بالاتر است اما با طراحی بهتر روتور می‌توان این صداها را کاهش داد و این موتورها را به خوبی موتور آهنربای دائمی دانست که معایب موتور القایی را نیز ندارد.

شایعاتی درباره موتور خودرو ی تسلا مدل 3 وجود دارد که موتور آن یک موتور آهنربای دائمی تنها نیست و ترکیبی از این موتور و موتور مقاومت مغناطیسی است. البته باز هم نمی‌توان شایعات را باور کرد.

نتیجه گیری قسمت سوم دوره آنلاین

اگر قابلیت اطمینان و قیمت نگرانی اصلی شماست دیگر می‌توانید به راحتی به موتور القایی بسنده کنید. اما اگر مسائل دیگری برای شما مطرح است گزینه‌های دیگری هم دارید.

اگر مسائل مورد توجه شما حداکثر عملکرد از نظر اندازه، وزن و کارایی باشد، بهترین گزینه موتور مقاومت مغناطیسی است. اگرچه در این مقایسه گران‌ترین موتور مقاومت مغناطیسی است ولی هنوز در مقایسه با موتورهای بنزینی بسیار ارزان‌تر است.

اگر دنبال بهترین گزینه در تمام جنبه‌ها می‌گردید و از بابت کنترل پیشرفته نگرانی ندارید موتور مقاومت مغناطیسی بهترین گزینه برای شماست و پیشرفت زیادی در این موتورها پیش بینی می‌شود.

مطمئنا هزاران موتور مختلف وجود دارد، بنابراین انتخاب هرگز آسان نخواهد بود اما من امیدوارم این ارائه به شما اطلاعاتی بدهد تا برخی از مبانی که به آن نیاز دارید را در اختیارتان گذاشته باشد.

برای دیدن قسمت‌های بعدی دوره اینجا کلیک کنید

برای دیدن قسمت‌های قبلی دوره اینجا کلیک کنید