موتور یونیورسال

از ویکی‌پدیا، دانشنامهٔ آزاد
پرش به ناوبری پرش به جستجو
موتور یونیورسال کم‌هزینهٔ یک جاروبرقی. سیم‌پیچ‌های آن از سیم مسی هستند. هسته آهنی روتور و استاتور خاکستری است. قطعه بزرگ قهوه ای پلاستیکی جاروبک‌ها و یاتاقان موتور را پشتیبانی می‌کند.

موتور یونیوِرسال، یک نوع موتور الکتریکی است که هم با جریان متناوب (AC) و هم با جریان مستقیم (DC) کار می‌کند. به‌ همین‌ دلیل به آن یونیورسال، به معنیِ «جهانی»، می‌گویند.

این موتور، در اصل یک موتور خودتحریک (self-excited) جریان مستقیم با سیم‌پیچ سری است که سیم‌پیچ‌ استاتور به‌صورت سری به سیم‌پیچ روتور و به‌ کُموتاتور وصل شده‌است. موتور یونیورسال در ساختار شبیه موتور سری جریان مستقیم است ولی به تغییرات اندکی نیاز دارد تا بتواند با منبع تغذیه جریان متناوب به خوبی کار کند. این موتور می‌تواند به خوبی با جریان متناوب کار کند زیرا جهت جریان میدان و جهت جریان آرمیچر هم‌زمان با منبع تغییر پیدا می‌کند. در نتیجه گشتاور خالصی در یک جهت تولید می‌شود. این جهت با توجه به قطعات کموتاتور و قطب‌های هسته اصلی مشخص می‌شود.[۱]

موتورهای یونیورسال گشتاور اولیه نسبتاً بالایی دارند که می‌تواند در سرعت بالا شروع به کار کند. وزن کمی دارند و نیز جمع‌وجور هستند. از آن‌ها اکثراً در ابزار برقی قابل حمل مانند دریل، یا لوازم برقی خانگی مانند جاروبرقی، مخلوط‌کن و ... استفاده می‌شود. همچنین کنترل دور آن‌ها در مقایسه با سایر موتورها راحت‌تر است، مثلاً با تغییر ولتاژ ورودی آن‌ها.

کموتاتور، جاروبک‌هایی زغالی دارد در نتیجه برای استفاده مداوم اغلب استفاده نمی‌شود.[۲]

خواص[ویرایش]

سیم‌پیچ میدان موتور یونیورسال با سیم‌پیچ روتور و کموتاتور به صورت سری بسته می‌شوند.
مدار معادل

موتورهای جریان مستقیم معمولاً وقتی به منبع جریان متناوب وصل می‌شوند خوب کار نمی‌کنند. اگر یک موتور سری جریان مستقیم به منبع جریان متناوب وصل شود خیلی ضعیف کار می‌کند. موتور یونیورسال تغییراتی کرده‌است تا بتواند به خوبی با منبع جریان متناوب کار کند. استفاده از سیم‌پیچی جبران‌کننده که اغلب اضافه می‌شود به همراه لایه لایه ساختن قطب‌ها بر خلاف قطب‌های یکپارچه در موتورهای جریان مستقیم. یک آرمیچر موتور یونیورسال نسبت به موتور جریان مستقیم اغلب بیشتر سیم‌پیچ و صفحات در داخل خود دارد. در نتیجه کمتر سیم‌پیچی به ازای هر سیم‌پیچی خواهیم داشت که باعث کم شدن اندوکتانس موتور می‌شود.[۳]

بهره‌وری[ویرایش]

حتی وقتی برای موتور یونیورسال از منبع متناوب استفاده کنیم، این موتور می‌تواند با سرعتی بیشتر از فرکانس منبع تغذیه بچرخد و چون اغلب مشخصه‌های موتور با سرعت بهتر می‌شوند در نتیجه موتورهایی با وزن کم و قدرتمند خواهیم داشت. به هر حال موتورهای یونیورسال معمولاً ناکار آمد هستند؛ حدود ۳۰ درصد موتورهای با سایز کوچک و ۷۰–۷۵ درصد موتورهای سایز بزرگ.

مشخصۀ گشتاور-سرعت[ویرایش]

موتور سری با افزایش بار کند می‌شود؛ جریان افزایش می‌یابد و گشتاور متناسب با مربع جریان افزایش می‌یابد تا وقتی که جریان یکسانی در آرمیچر و سیم بندی جبران‌کننده جاری شود. اگر موتور بی‌بار باشد، جریان تنها با مقاومت کل سیم‌پیچ‌ها محدود می‌شود و گشتاور می‌تواند بسیار زیاد شود و خطر داغ‌شدن بیش از حد سیم‌پیچ‌ها وجود دارد. ضد نیروی محرکه الکتریکی به مقاومت آرماتور کمک می‌کند تا جریان وارده به آرمیچر را محدود کند. وقتی که ولتاژ برای اولین بار به موتور اعمال می‌شود آرمیچر نمی‌چرخد. در آن لحظه نیروی ضد محرکه موتور صفر است و تنها عامل محدودکننده جریان آرمیچر مقاومت آرمیچر است. معمولاً مقاومت آرمیچر کم است در نتیجه جریانی که از آرمیچر می‌گذرد وقتی قدرت اعمال شود بسیار زیاد خواهد بود. به همین دلیل نیاز بیشتری به مقاومتی اضافی در لحظه راه اندازی تا وقتی که موتور به نیروی ضد محرکه خود برسد دارد. همین‌طور که سرعت موتور در حال زیاد شدن است مقاومت اضافی در حال کم شدن است. مشخصه سرعت-گشتاور تقریباً یک خط صاف بین سرعت بی‌باری و تمام‌گشتاور است. این برای بارهای با اینرسی بسیار بالا هم مناسب است همین‌طور که سرعت افزایش پیدا کند تا وقتی که موتور حداکثر گشتاور خود برسد.[۴]

وقتی سرعت در حال افزایش است اندوکتانس روتور یعنی نقطه ایده‌آل عمل کموتاسیون عوض می‌شود. موتورهای کوچک اکثراً کموتاسیون ثابت دارند در حالی که بعضی از موتورهای یونیورسال بزرگتر به ندرت کموتاسیون چرخشی دارند. در عوض موتورهای بزرگ یونیورسال اغلب دارای دو سیم‌پیچ جبران‌کننده هستند که در ۹۰ درجه الکتریکی محور اصلی قرار می‌گیرد. این راکتانس آرمیچر را کاهش می‌دهد و کموتاسیون را بهبود می‌بخشد.

یک از خوبی‌های داشتن سیم‌پیچی سری با سیم‌پیچی آرمیچر این است که وقتی سرعت افزایش پیدا می‌کند نیروی ضد محرکه به صورت طبیعی ولتاژ و جریانی که از سیم‌پیچی می‌گذرد را کاهش می‌دهد؛ یک اثر تضعیف‌کننده در سرعت‌های بالا. این به معنای آن است که از لحاظ تئوری ماکسیمم سرعتی به ازای یک ولتاژ ورودی نداریم. موتورهای یونیورسال می‌توانند در سرعت‌های بالا راه اندازی شوند، حدود ۴۰۰۰ تا ۱۶۰۰۰۰ RPM و می‌توانند به ۲۰۰۰۰ تا هم برسند. بر خلاف این، موتورهای جریان متناوب سنکرون نمی‌توانند بیشتر از مقداری که فرکانس برق ورودی اجازه می‌دهد شفت را بچرخانند. در کشورهایی با برق ۶۰hz، این سرعت در 3600 RPM محدود شده‌است.[۵]

خرابی موتور ممکن است بر اثر کار کردن بیشتر از سرعت نامی رخ دهد وقتی که موتور به بار قابل توجهی وصل نباشد. در موتورهای بزرگ، کم‌کردن ناگهانی بار نهی شده‌است. در کاربردهای کوچکتر، یک فن که به شفت متصل شده‌است اغلب به عنوان یک بار مصنوعی عمل می‌کند تا سرعت موتور را محدود کند، و همزمان باعث جریان هوای خنک دور آرمیچر می‌شود. اگر هیچ بار مکانیکی محدودکننده‌ای بر روی موتور یونیورسال نباشد می‌تواند منجر به فرار موتور و عدم کنترل موتور شود همان‌طور که برای هر موتور سری ای ممکن است رخ دهد

معایب[ویرایش]

از معایب این موتور، مشکلات تعمیر و نگهداری و عمر کوتاه ناشی از کموتاتور، و همچنین تداخل الکترومغناطیسی (EMI) به علت جرقه‌زدن است. جاروبک‌های کموتاتور به تعمیر و نگهداری نسبتاً زیادی نیاز دارد. موتورهای یونیورسال مناسب برای دستگاه‌هایی مانند میکسر و ابزار برقی استفاده می‌شوند.

کنترل سرعت[ویرایش]

سرعت یک موتور یونیورسال به راحتی به وسیله یک مدار تریستوری کنترل می‌شود.

تغییرات[ویرایش]

سیم‌پیچ شانت[ویرایش]

موتورهای یونیورسال به صورت سری بسته شدند. سیم‌پیچ شانت به صورت آزمایشی در اواخر قرن نوزدهم مورد استفاده قرار گرفت، اما به علت مشکلاتی که از تعویض استفاده می‌شد، عملی نبود. طرح‌های مختلفی از مقاومت جاسازی شده، القایی و اتصال متقابل آنتی فاز به منظور رفع این مشکل به کار گرفته شده‌است. موتورهای یونیورسال، از جمله سیم‌پیچ‌های شانت، در آن زمان به عنوان موتورهای الکتریکی مورد استفاده قرار گرفتند. هنگامی که موتورهای خودالقایی و شروع کننده‌های اتوماتیک در دسترس قرار گرفتند، موتورهای یونیورسال بزرگتر (بالاتر از ۱ اسب بخار) و سیم پیج شانت جایگزین شدند.

دافعه-شروع[ویرایش]

در قدیم شوک اولیه سیم‌پیچی موتور یک گشتاور بسیار زیادی تولید می‌کرده، اما با بیشتر شدن پیچیدگی. روتورهای آن‌ها مشابه موتورهای یونیورسال بودند، اما برسهایشان فقط به یکدیگر متصل بود. کار ترانسفورماتور رساندن جریان به روتور است. موقعیت برس نسبت به قطبهای میدان به این معنی است که گشتاور شروع شده توسط انفجار روتور از قطبهای میدان ساخته شده‌است. مکانیسم گریز از مرکز، هنگامی که به سرعت در حال اجرا است، این است که تمام میله‌های مجاور را به هم متصل کرده تا معادل یک روتور قفس سنجاب ایجاد شود. همچنین، در هنگام سرعت عمل، موتورهای بهتر برس را از تماس خارج می‌کنند.

کاربردها[ویرایش]

لوازم خانگی[ویرایش]

موتورهای یونیورسال اغلب در محدوده کمتر از ۱۰۰۰ وات کار می‌کنند. سرعت بالای آن‌ها را برای لوازم خانگی مانند جاروبرقی و سشوار که در آن سرعت بالا و وزن کم مطلوب است مفید است. آن‌ها معمولاً در ابزارهای قابل حمل قدرتمند مانند دریل، سندر، اره گردبر و عمودبر استفاده می‌شوند.

موتورهای یونیورسال نیز به کنترل سرعت دارند و به عنوان یک انتخاب ایده‌آل برای ماشین‌های شستشوی خانگی می‌باشند.

کشش راه‌آهن[ویرایش]

موتورهای یونیورسال همچنین اساس موتورهای ریلی در راه‌های ریلی الکتریکی شکل دادند. در این کاربرد استفاده از جریان متناوب برای راه اندازی موتوری که برای کار با ولتاژ جریان مستقیم از اول طراحی شده‌است منجر به کاهش بازده به خاطر اثر گرمایش جریان ادی بر روی قطعات مغناطیسی است. به خصوص که قطعات قطب موتور جریان مستقیم آهنی و یکپارچه است. اگر چه که اثرات گرما با استفاده از ساختار لایه ای برای قطب‌ها کم می‌شود همان‌طور که برای ترانسفورماتورها استفاده می‌شود و همچنین استفاده از ماده مرغوب استیل برای رسانایی بهتر در مغناطیس ولی یکی از راهکارها در اوایل قرن بیستم این بود که موتورها را در با منبع متناوب با فرکانس بسیار پایین راه اندازی کنند. حدود ۲٫۳ هرتز این عمل عمومیت داشت.

موتور استارتر[ویرایش]

استارت موتورهای درون‌سوز معمولاً موتورهای یونیورسال بود با این مزیت که که کوچک بودند با گشتاور بسیار بالا در سرعت پایین. بعضی از استارترها یک آهنربای دایمی داشتند بقیه دارای یکی از ۴ قطب شیار با سیم‌پیچی موازی بودند به جای سیم‌پیچی سری.

منابع[ویرایش]

  1. Herman, Stephen L. Delmar's Standard Textbook of Electricity, 3rd Edition. Clifton Park, NY: Delmar Learning, 2004. p.998
  2. Herman, Stephen L. Delmer's Standard Textbook of Electricity, 3rd Edition. Clifton Park, NY: Delmar Learning, 2004. p.1001
  3. Transformers and Motors, by George Patrick Shultz
  4. Herman, Stephen L. Delmar's Standard Textbook of Electricity, 3rd Edition. Clifton Park, NY: Delmar Learning, 2004. p.850
  5. Herman, Stephen L. Delmar's Standard Textbook of Electricity, 3rd Edition. Clifton Park, NY: Delmar Learning, 2004. p.905