چند بار ابزار برقی را باز کرده‌اید و از عملکرد پیچیده داخلی آن گیج شده‌اید؟ در قلب این دستگاه‌ها موتور قرار دارد - مؤلفه‌ای که انرژی الکتریکی را به حرکت مکانیکی تبدیل می‌کند. این مقاله عملکرد موتورهای DC (که موتورهای یونیورسال نیز نامیده می‌شوند) را تشریح می‌کند، آنها را با انواع دیگر موتورها مقایسه می‌کند و بینش‌های مبتنی بر داده را در مورد کاربردهای آنها ارائه می‌دهد.

موتورهای DC، به ویژه موتورهای یونیورسال، به دلیل ساختار نسبتاً ساده‌شان، به عنوان یک مقدمه عالی برای فناوری موتور عمل می‌کنند. آنها معمولاً در ابزارهای برقی دستی مانند دریل، روتر، اره منبت‌کاری و سنباده یافت می‌شوند. برای درک عملکرد آنها، اجزای اصلی را با تشریح یک دریل برقی بررسی خواهیم کرد.

روتور موتور DC سنتی از یک هسته آهنی فلزی تشکیل شده است که با سیم‌پیچ‌های مسی پیچیده شده است. این سیم‌پیچ‌ها به نقاط تماس به نام کموتاتور در یک انتها متصل می‌شوند. هنگامی که جریان به کنتاکت‌های کموتاتور مخالف اعمال می‌شود، روتور به یک الکترومغناطیس با قطب‌هایی که با موقعیت جریان هم‌تراز هستند، تبدیل می‌شود.

این اصل را می‌توان با استفاده از سیم‌های نازک متصل به کموتاتور و یک قطب‌نما برای تشخیص میدان مغناطیسی تولید شده نشان داد. تغییر نقطه اعمال جریان، میدان مغناطیسی را بر این اساس می‌چرخاند و مکانیسم اساسی پشت چرخش موتور DC را نشان می‌دهد: سوئیچینگ جریان، چرخش میدان مغناطیسی را هدایت می‌کند.

موتورهای DC از طریق تعامل الکترومغناطیسی کار می‌کنند. روتور (به عنوان یک الکترومغناطیس) معمولاً حدود 90 درجه اختلاف زاویه‌ای از قطب‌های مغناطیسی استاتور را حفظ می‌کند. قطب‌های مخالف یکدیگر را جذب می‌کنند و باعث می‌شود روتور به سمت هم‌ترازی بچرخد. نوآوری کلیدی این است که ماهیت الکترومغناطیسی روتور امکان چرخش مداوم را با تغییر جریان در سراسر کنتاکت‌های کموتاتور فراهم می‌کند.

در حالی که تظاهرات اساسی اصول را تأیید می‌کنند، اما ناکارآمد هستند. شار مغناطیسی به یک مدار کامل نیاز دارد - نفوذپذیری آهن حدود 1000 برابر بیشتر از هوا است که توضیح می‌دهد چرا روتورهای موتور از هسته‌های آهنی استفاده می‌کنند. پیاده‌سازی‌های عملی از قطعات آهنی C شکل با آهنرباهای خاکی کمیاب برای بهینه‌سازی مسیرهای میدان مغناطیسی استفاده می‌کنند.

موتورهای در حال کار همزمان به عنوان ژنراتور عمل می‌کنند. چرخش دستی می‌تواند تا 0.6 ولت در تظاهرات تولید کند - این نیروی محرکه الکتروموتوری (EMF) معکوس، ولتاژ مخالفی ایجاد می‌کند که حداکثر سرعت را در ولتاژهای معین محدود می‌کند. موتورهای یونیورسال عملی معمولاً با سرعت 100-200 دور در ثانیه کار می‌کنند.

در موتورهای واقعی، استاتورها از انحنای روتور پیروی می‌کنند و شکاف‌های هوا را کمتر از 1 میلی‌متر حفظ می‌کنند. این طراحی مقاومت مغناطیسی را به حداقل می‌رساند و راندمان را به طور قابل توجهی بهبود می‌بخشد.

جریان از طریق برس‌های کربنی به کموتاتور می‌رسد - اجزای رسانا اما بادوام که توسط فنرها به کموتاتور فشرده می‌شوند. در حالی که اینها در نهایت فرسوده می‌شوند (محدود کردن طول عمر موتور)، برای کاربردهایی مانند ابزارهای برقی که خرابی گاه به گاه قابل قبول است، ایده‌آل هستند.

فراتر از موتورهای DC، چندین نوع موتور دیگر اهداف متمایزی را در سراسر صنایع انجام می‌دهند.

موتورهای القایی که در یخچال‌ها، کوره‌ها، پمپ‌ها و فن‌های تهویه مطبوع رایج هستند، ساختار ساده و عملکرد قابل اعتمادی را برای عملکرد بدون مراقبت و طولانی مدت ارائه می‌دهند.

این موتورها که به طور فزاینده‌ای در ابزارهای بی‌سیم استفاده می‌شوند، برس‌ها را با سوئیچینگ الکترونیکی جایگزین می‌کنند. روتور حاوی آهنرباهای دائمی است در حالی که استاتور دارای سیم‌پیچ‌های کنترل‌شده است. راندمان و دوام استثنایی آنها، آنها را برای ابزارهای بی‌سیم پیشرفته و وسایل نقلیه الکتریکی مناسب می‌کند.

موتورهای پله‌ای که برای اسکنرها، چاپگرهای قدیمی‌تر و روترهای CNC ایده‌آل هستند، موقعیت‌یابی کنترل‌شده توسط کامپیوتر را بدون حسگرهای بازخورد ارائه می‌دهند. در حالی که از نظر سرعت و قدرت محدود هستند، مقرون به صرفه بودن و سادگی کنترل آنها، ارتباط آنها را در کاربردهای دقیق حفظ می‌کند.

انتخاب موتور مناسب مستلزم متعادل کردن عوامل فنی و اقتصادی متعدد از طریق تجزیه و تحلیل کمی است.

• راندمان: موتورهای DC بدون برس معمولاً در تبدیل انرژی پیشرو هستند
• سرعت: موتورهای DC یونیورسال و بدون برس در کاربردهای با دور در دقیقه بالا عالی هستند
• گشتاور: موتورهای القایی گشتاور راه‌اندازی قوی را برای بارهای سنگین فراهم می‌کنند

• هزینه اولیه: موتورهای یونیورسال مقرون به صرفه‌ترین هستند. موتورهای بدون برس و پله‌ای حق بیمه دارند
• نگهداری: طرح‌های بدون برس هزینه‌های بلندمدت را از طریق حذف فرسودگی برس کاهش می‌دهند

میانگین زمان بین خرابی‌ها (MTBF) به نفع موتورهای القایی به دلیل سادگی مکانیکی آنها است.

• ابزارهای دستی: موتورهای یونیورسال (هزینه) در مقابل بدون برس (عملکرد)
• لوازم خانگی: موتورهای القایی برای دوام غالب هستند
• تجهیزات صنعتی: موتورهای القایی برای قدرت؛ موتورهای پله‌ای برای دقت

درک انواع موتور و ویژگی‌های آنها، مهندسان و طراحان را قادر می‌سازد تا تصمیمات آگاهانه‌ای را با متعادل کردن الزامات عملکرد، محدودیت‌های هزینه و نیازهای قابلیت اطمینان اتخاذ کنند. تجزیه و تحلیل کمی، معیارهای عینی را برای انتخاب فناوری موتور بهینه برای هر کاربرد منحصر به فرد ارائه می‌دهد.