پیوند برق ، مغناطیس و حرکت در ابتدا در سال ۱۸۲۰ توسط فیزیکدان فرانسوی آندره-ماری آمپره (۱۸۷۵-۱۷۷۵) کشف شد و این علم اساسی در پشت یک موتور الکتریکی است. اما اگر بخواهیم این کشف علمی شگفت انگیز را به فناوری عملی تری تبدیل کنیم تا بتوانیم از ماسوره های برقی و مسواک های خود استفاده کنیم ، باید کمی بیشتر از این استفاده کنیم. مخترعین این کار را انگلیسی ها مایکل فارادی (۱۸۹۱ – ۱۷۹۱) و ویلیام استورژون (۱۸۸۳-۱۷۸۳) و جوزف هنری آمریکایی (۱۸۷۸-۱۷۹۷) انجام دادند. در اینجا نحوه دستیابی به اختراع درخشانشان آورده شده است.
فرض کنید سیم خود را به یک حلقه مربع شکل U خم کنیم ، بنابراین دو سیم موازی در بین میدان مغناطیسی وجود دارد. یکی از آنها جریان الکتریکی را از طریق سیم از ما دور می کند و دیگری جریان را دوباره برمی گرداند. از آنجا که جریان در جهت های مخالف در سیم ها جریان می یابد ، قانون چپ دست Fleming به ما می گوید دو سیم در جهت مخالف حرکت می کنند. به عبارت دیگر ، وقتی برق را روشن کنیم ، یکی از سیم ها به سمت بالا حرکت می کند و دیگری به سمت پایین حرکت می کند.
اگر سیم پیچ سیم می تواند مانند این حرکت کند ، به طور مداوم می چرخد - و ما در راه ساخت موتور الکتریکی به خوبی خواهیم بود. اما با تنظیم فعلی ما این اتفاق نمی افتد: سیم ها به سرعت در هم می خورند. نه تنها این ، بلکه اگر سیم پیچ می توانست به اندازه کافی بچرخد ، اتفاق دیگری رخ خواهد داد. پس از رسیدن سیم پیچ به حالت عمودی ، آن را می چرخاند ، بنابراین جریان الکتریکی از طریق آن جریان می یابد. اکنون نیروها در هر طرف کویل معکوس می شوند. به جای چرخش مداوم در همان جهت ، در همان مسیری که تازه آمده بود عقب حرکت می کند! قطار برقی را با موتور مانند این تصور کنید: این امر باعث می شود تا در مکان های مختلف به عقب و جلو حرکت کرده و به جلو بروید.
چگونه یک موتور الکتریکی کار می کند — در عمل
برای رفع این مشکل دو روش وجود دارد. یکی استفاده از نوعی جریان الکتریکی است که بطور دوره ای جهت را معکوس می کند ، که به عنوان جریان متناوب (AC) شناخته می شود. در نوع موتورهای کوچک و باطری که در اطراف خانه از آنها استفاده می کنیم ، یک راه حل بهتر این است که یک قطعه به نام کمون را به انتهای سیم پیچ اضافه کنید. (در مورد نام فنی بی معنی نگران نباشید: این کلمه قدیمی قدیمی “رفت و آمد” کمی شبیه کلمه “رفت و آمد” است) این به معنای تغییر عقب و جلو به همان روشی است که رفت و آمد به معنای سفر به جلو و عقب است. .) به ساده ترین شکل آن ، رفت و آمد یک حلقه فلزی است که به دو نیمه جداگانه تقسیم می شود و کار آن برعکس کردن جریان الکتریکی در سیم پیچ هر بار که سیم پیچ از طریق یک چرخش نیم چرخش است. یک انتهای سیم پیچ به هر نیمی از رفت و آمد متصل است. جریان الکتریکی از باتری به ترمینال های برقی موتور متصل می شود. این نیروها از طریق یک جفت اتصالات سست به عنوان برس ، از طریق یک جفت اتصال دهنده سست به داخل سیلاب وارد می شوند ، یا از تکه های گرافیت (کربن نرم شبیه به مداد “سرب”) یا طول های نازک فلز بهاری تغذیه می شوند ، که (همانطور که از نام آن پیداست) “قلم مو” در برابر رفت و آمد با جابجایی در محل ، هنگامی که برق از طریق مدار عبور می کند ، سیم پیچ به طور مداوم در همان جهت می چرخد.
یک موتور ساده و آزمایشی مانند این قادر به ایجاد نیروی زیادی نیست. ما می توانیم نیروی چرخش (یا گشتاور) را که موتور می تواند از سه طریق ایجاد کند ، افزایش دهیم: یا می توانیم آهنربای دائمی قوی تری داشته باشیم ، یا می توانیم جریان الکتریکی را که از طریق سیم عبور می کند ، افزایش دهیم ، یا می توانیم سیم پیچ را به این ترتیب ایجاد کنیم. به جای یک “چرخش” سیم ضخیم ، بسیاری از “چرخشها” (حلقه) سیم بسیار نازک را تشکیل می دهند. در عمل ، یک موتور همچنین آهنربای دائمی را به شکل دایره ای در اختیار دارد ، بنابراین تقریباً سیم پیچ سیم را که درون آن می چرخد لمس می کند. هرچه آهنربا و سیم پیچ به هم نزدیک تر باشند ، نیرویی که موتور قادر به تولید باشد بیشتر است.
اگرچه ما بخش های مختلفی را توصیف کردیم ، اما می توانید یک موتور را فقط دو مؤلفه اساسی تصور کنید:
در اطراف لبه موتور موتور آهنربای دائمی (یا آهنربا) وجود دارد که ثابت است ، بنابراین به آن استاتور موتور گفته می شود.
در داخل استاتور ، کویل وجود دارد که بر روی محوری نصب شده است که با سرعت زیاد می چرخد - و به آن روتور گفته می شود. روتور همچنین شامل رفت و آمد می شود.
موتورهای جهانی
موتورهای DC مانند این برای اسباب بازیهای باطری (مواردی مانند قطارهای مدل ، ماشینهای با کنترل رادیویی یا تراش برقی) بسیار عالی هستند ، اما شما آنها را در بسیاری از لوازم خانگی پیدا نمی کنید. وسایل کوچک (وسایلی مانند چرخ قهوه یا مخلوط کن های برقی مواد غذایی) تمایل دارند از آنچه که موتورهای جهانی نامیده می شوند استفاده کنند ، که می توانند توسط AC یا DC تغذیه شوند. بر خلاف یک موتور DC ساده ، یک موتور جهانی به جای یک آهنربای دائمی دارای یک الکترومغناطیس است و انرژی خود را از توان DC یا AC که در آن تغذیه می کنید ، می گیرد:
هنگامی که در DC تغذیه می کنید ، الکترومغناطیس مانند یک آهنربا دائمی معمولی کار می کند و یک میدان مغناطیسی را تولید می کند که همیشه در همان جهت قرار دارد. این کمر جریان سیم پیچ را هر بار که پیچ سیم پیچ می چرخد ، دقیقاً مانند یک موتور DC ساده معکوس می کند ، بنابراین سیم پیچ همیشه در همان جهت می چرخد.
با این وجود ، هنگامی که در AC تغذیه می کنید ، جریان از طریق الکترومغناطیس جریان می یابد و جریان در سیم پیچ هر دو برعکس ، دقیقاً در مرحله ، بنابراین نیروی روی سیم پیچ همیشه در یک جهت قرار دارد و موتور همیشه در حال چرخش یا در جهت عقربه های ساعت یا ضد می باشد. در جهت عقربه های ساعت در مورد رفت و آمد؟ فرکانس جریان خیلی سریعتر از چرخش موتور تغییر می کند و از آنجا که میدان و جریان همیشه در مرحله هستند ، در واقع مهم نیست که در هر لحظه چه وضعیتی در رفت و آمد قرار دارد.
انواع دیگر موتورهای برقی
در موتورهای ساده DC و جهانی ، روتور درون استاتور می چرخد. روتور سیم پیچ متصل به منبع تغذیه است و استاتور یک آهنربای دائمی یا الکترومغناطیس است. موتورهای AC بزرگ (که در مواردی مانند ماشینهای کارخانه مورد استفاده قرار می گیرند) با روشی کمی متفاوت کار می کنند: آنها جریان متناوب را از طریق جفت آهنرباهای متضاد برای ایجاد یک میدان مغناطیسی در حال چرخش عبور می دهند ، که “باعث القاء (ایجاد) یک میدان مغناطیسی در روتور موتور می شود ، و باعث می شود آن را به چرخش در اطراف. در مورد ما در مورد موتورهای القایی AC می توانید اطلاعات بیشتری در این باره بخوانید. اگر یکی از این موتورهای القایی را بگیرید و آن را “باز کنید” ، بنابراین استاتور به طور موثری در یک مسیر مداوم طولانی قرار می گیرد ، روتور می تواند در امتداد آن در یک خط مستقیم بچرخد. این طراحی مبتکرانه به عنوان یک موتور خطی شناخته می شود و شما آن را در مواردی مانند ماشین های کارخانه و راه آهن شناور “ماگلو” (جریان مغناطیسی) شناور خواهید یافت.
طراحی جالب دیگر موتور DC (BLDC) بدون برس است. استاتور و روتور به طور مؤثر جابجایی می شوند ، با استفاده از کویل های آهنی متعدد در مرکز و آهنربای دائمی در اطراف آنها می چرخد و رفت و برگشت و برس ها توسط یک مدار الکترونیکی جایگزین می شوند. می توانید در مقاله اصلی ما درباره موتورهای هاب بیشتر بخوانید. موتورهای استپر که از زاویه های دقیقاً کنترل شده دور می شوند ، نوعی از موتورهای DC بدون برس هستند.