آشنایی با الکتروموتور dc + مزایا و معایب آن

معرفی تمامی کاربرد موتور DC در صنایع

الکتروموتور dc از سری الکتروموتورهای متداول در طراحی سیستم‌های صنعتی هستند. این موتورها با استفاده از جریان مستقیم DC کار می‌کنند. جریان DC متفاوت از جریان سینوسی، یک خط سیگنال ثابت و عاری از نوسان می‌باشد. انواع موتورهای DC با قابلیت کار در سطوح مختلف جریان DC طراحی شده‌اند. عمده کاربرد موتور DC در طراحی سیستم‌های دقیق صنعتی است.

کاربرد موتور DC در امتداد عملکرد دقیق و تنظیم ساده آنها توسعه پیدا کرده است. اما هرگز نتوانسته اند جایگاه ارزان تر موتورهای AC را داشته باشند. جریان AC به‌ مراتب از جریان DC متداول‌تر است. برق شهری و صنعتی در تولید فضاهای نیروگاهی همگی از نوع جریان AC یا همان جریان متناوب هستند. موتورهای AC الگوی کار ساده و قابلیت تولید قدرت بالایی دارند. با این وجود نمی‌توانند کارایی دقیق موتورهای DC در سرعت‌های پایین را داشته باشند.

کاربرد موتور DC عموماً در طراحی سیستم‌های دقیق می باشد که تحت سرعت تنظیم شده ‌کار میکنند. این موتورها می‌توانند حرکت ظریف و کاملاً کنترل‌ شده‌ای را تولید نمایند. طراحی بازوهای رباتیکی، سیستم‌های دقیق اتوماسیون صنعتی، دستگاه‌های حساس CNC و… همگی از جمله کاربرد الکتروموتور DC در صنایع هستند.

موتورهای DC شرایط کار و مراحل نصب متفاوتی از موتورهای AC دارند. برای بررسی فنی و علمی موتورهای AC مقالات و مباحث آموزشی بسیار زیادی تدوین شده ‌است. اما در زمینه کاربرد الکتروموتور DC در صنایع موضوعات آموزشی کمی در مجامع علمی و فنی وجود دارد. در این مقاله همراه تجربیات علمی و فنی تیم مهندسی گروه گذرگاه صنعت و تجارت ایرانیان هستید تا با هم به بحث کاملی از انواع کاربرد موتور دی سی در بخش‌های مختلف صنایع اشاره کنیم.

موتور DC چیست؟

به هر نوع ماشین الکتریکی دوار که با استفاده از انرژی الکتریکی جریان مستقیم کار می‌کند، اصطلاحاً الکتروموتور DC گفته می‌شود. این موتورها در انواع گوناگون با قابلیت‌های فنی و کاربردی متفاوت طراحی می‌شوند. اما در همگی آنها از سطح ولتاژ DC برای گردش روتور در داخل استاتور موتور استفاده شده ‌است.

الکتروموتورهای DC از سطح موتورهای کوچک کار شده در اسباب‌بازی‌های خانگی تا موتورهای قدرتمند در طراحی خودروها و ماشین‌آلات سنگین کارخانه‌ای را شامل می‌شوند. اساس طراحی این موتورها قابلیت کار کردن آنها با جریانی مستقل از تولید برق ژنراتوری می‌باشد. عمده کاربرد موتور DC نیز در همین زمینه و برای طراحی سیستم های مستقل است.

موتورهای DC می‌توانند بدون نیاز به منبع برق ژنراتوری تنها با استفاده از انواع باطری راه‌اندازی شوند. الگوی طراحی وسایل برقی و موتوری متحرک مانند اسباب‌بازی‌ها و یا خودروهای برقی بر این اساس شکل گرفته‌اند. اصولاً راه‌اندازی ساده تنها با حضور یک باتری مهمترین قابلیت کاربرد موتور DC است. زیرا از این تکنیک می‌توانیم در طراحی ماشین‌آلات مستقل از برق شهری با شرایط جابه‌جایی ساده استفاده کنیم.

البته برای طراحی الکتروموتورهای DC قدرتمند مناسب کار در فضاهای کارخانه‌ای نیاز به استفاده از اینورترهای صنعتی داریم. این تجهیزات، برق AC را به برق DC در سطح ولتاژ استاندارد و توان بالا، مناسب راه‌اندازی موتورهای قدرتمند DC تبدیل می‌کنند. در این شرایط کاربرد موتور DC برای فعالیت صنعتی اندکی دشوار است. اما بهرحال قابلیت های کنترل دقیق در سرعت کم موتورهای DC است که حضور آنها در فضاهای صنعتی را توسعه داده است.

مزایای استفاده از موتورهای DC

کاربرد موتور DC در صنایع و یا طراحی انواع ماشین‌آلات عموماً در زمینه کنترل دقیق در چگونگی تولید حرکت مکانیکی است. موتورهای DC در تولید گشتاور با کنترل مؤثر بهتر از موتورهای AC هستند. از این ‌رو کاملاً مناسب نصب و طراحی در ماشین‌آلات خاص صنعتی می‌باشند. در عین ‌حال می‌توان آنها را مستقل از برق شهری راه‌اندازی نمود که در طراحی تجهیزات سیار یک مزیت قابل‌ توجه می‌شود. با در نظر داشتن این مقدمه عمده مزایای کاربرد الکتروموتور DC در صنایع به ‌قرار زیر هستند.

• موتورهای DC توان تولید گشتاور یکنواخت دارند. گشتاور آنها حین کار و حتی به ‌خاطر نوسان بار تغییر نمی‌کند.
• کنترل سرعت موتورهای DC ساده و دقیق است. این موتورها را می‌توان به ‌راحتی در سرعتی ثابت و کاملاً محاسبه ‌شده راه‌اندازی کرد.
• مراحل راه‌اندازی موتورهای DC ساده است.
• توان کار در سرعت‌های خیلی پایین را دارند.
• گشتاور این موتورها در سرعت‌های خیلی کم افت پیدا نمی‌کند.
• می‌توان سرعت موتورهای DC را مستقل از گشتاور آنها تنظیم نمود. گشتاور موتورهای DC با تلرانس سرعت تغییر نمی‌کند.

مزایای کاربرد موتور DC در طراحی سیستم‌های صنعتی قابل ‌توجه است. اما در کنار این مزایا باید متوجه استهلاک بالای آنها و همچنین هزینه تعمیرات و نگهداری زیاد آنها نیز باشید. در عین ‌حال راندمان کار انواع موتورهای DC پائین است و در کل همگی آنها به نسبت توان دهی، موتورهای گران‌قیمتی محسوب می‌شوند. از طرفی تولید جریان DC در ابعاد صنعتی نیز دشوار است. این ‌همه ما را مجاب می‌کند تا از موتورهای DC فقط در کاربردهای خاص برای طراحی سیستم‌های حساس صنعتی استفاده کنیم. چالشی که ما را به بحث جدی تری از کاربرد موتور دی سی در فضاهای صنعتی می کشاند.

انواع موتورهای DC

برای تحلیل کاربرد موتور DC در فعالیت‌های مختلف صنعتی باید درک مناسبی از انواع آنها داشته باشید. موتورهای DC در مدل‌های مختلف با شرایط طراحی و قابلیت‌های کاربردی متفاوت ساخته می‌شوند. هر کدام از این مدل‌ها دارای مزایا و معایب خاصی هستند. اما اگر با توجه به نوع کاربرد تخصصی استفاده شوند، عملکردی بهینه و راندمان کار مناسبی را تامین می‌نمایند. انواع موتورهای DC به ‌قرار زیر می‌باشند.

• الکتروموتور DC براش‌دار
• الکتروموتور DC بدون براش
• الکتروموتور DC موازی
• الکتروموتور DC سری
• الکتروموتور DC سروو

کاربرد الکتروموتور DC براش دار

در طراحی این موتورهای DC از یک کموتاتور استفاده شده ‌است که جریان ورودی موتور را در هر نیم چرخه رتور معکوس می‌نماید. به‌ این ‌ترتیب این موتورها توان تولید گشتاور یک‌طرفه را دارند. موتورهای DC براش دار از مدل‌های قدیمی هستند که در حال حاضر استفاده از آنها چندان متداول نیست. با این ‌وجود عمده کاربرد الکتروموتور DC برش‌دار در طراحی انواع جرثقیل‌ها، ماشین‌های نورد فولاد، صنایع تولید کاغذ و نساجی و همچنین طراحی پیشرانه‌های الکتریکی می‌باشد. در حال حاضر استفاده از الکتروموتورهای DC با طراحی بهینه‌تر مانند نمونه‌های بدون براش متداول شده ‌است.

کاربرد الکتروموتور DC بدون براش

این الکتروموتورهای DC فاقد جاروبک هستند. موتورهای DC بدون براش را اصطلاحاً با عنوان موتورهای DC سنکرون معرفی می‌کنند. در طراحی این موتورهای DC از کموتاتور استفاده ‌نشده است. بلکه از یک سروو مکانیسم الکترونیکی برای تشخیص و تنظیم زاویه حرکت روتور استفاده شده‌ است. این الگوی طراحی تاثیر مستقیم در قابلیت کاربرد الکتروموتور DC بدون براش دارد.

طراحی بدون کموتاتور با حذف جاروبک‌ها الگوی ساخت کارکرد موتورهای DC بدون براش را ساده‌تر کرده‌ است. در عین ‌حال شرایط کارکرد آنها در کنترل دقیق حرکت روتور بهینه‌تر از مدل‌های کلاسیک براش‌دار می‌باشد. کاربرد الکتروموتور DC بدون براش برای طراحی وسایل نقلیه سنگین مانند انواع خودروهای برقی متداول است.

همچنین از این موتورها برای طراحی سیستم‌های کنترل حرکت مانند بازوهای رباتیک و یا دستگاه‌های CNC استفاده می‌شود. این موتورها در تثبیت موقعیت، عملکردی عالی دارند. لذا کاملاً مناسب طراحی سیستم‌ها مبتنی بر تشخیص حرکت و متکی بر موقعیت‌یابی هستند. موضوعی که همواره از بحث های جدی در کاربرد موتور DC است.

کاربرد الکتروموتور DC سری

الگوی طراحی الکتروموتورهای DC از نوع سری ساده است. آنها از قدیمی‌ترین گونه موتورهای DC هستند که در دسته موتورهای براش دار قرار می‌گیرند. در طراحی استاتور این نوع الکتروموتور DC تمامی سیم‌پیچ‌های میدان و روتور با یکدیگر به شکل سری متصل شده‌اند. به ‌این ‌ترتیب تمام جریان روتور به سیم‌پیچ میدان منتقل می‌شود. در نتیجه مقدار شار مغناطیسی بالایی تولید شده که به ‌سرعت بسیار زیادی می‌انجامد.

اگر چه سرعت کارکرد الکتروموتور DC سری بسیار زیاد است و قاعدتاً مناسب طراحی بسیاری از سیستم‌های سرعت بالا می باشد، اما با محدودیت‌ها مانند عدم تنظیم ولتاژ ورودی مواجه هستیم. لذا نمی‌توانیم این سرعت بسیار بالای الکتروموتورهای DC از نوع سری را تغییر بدهیم. از این ‌رو عمده کاربرد الکتروموتور DC سری در طراحی ماشین‌های کوچک با سرعت زیاد اما تک دور است. در عین ‌حال مناسب راه‌اندازی تجهیزاتی هستند که نیاز به گشتاور بالایی ندارند. اسباب‌بازی‌ها، ماشین‌های ساده خانگی مانند چرخ خیاطی‌ها و تجهیزات سبک صنعتی از این دست ماشین‌آلات می‌باشند.

کاربرد الکتروموتور DC موازی

الکتروموتور DC موازی نیز از سری موتورهای DC براش دار است. در طراحی این موتورها از کموتاتور تحت اتصال موازی سیم‌پیچ‌های استاتور و روتور استفاده شده ‌است. سیم‌پیچ میدانی که طرح بدنه الکتریکی استاتور است، در موازات سیم‌پیچ تحریک روتور قرار دارد. این اتصال موازی از طریق جاروبک‌های متحرک کموتاتور جریان دهی می‌شود. این نوع موتورهای DC را اصطلاحاً با عنوان الکتروموتور شنت معرفی می‌کنند.

الکتروموتور DC موازی در تولید گشتاور ثابت توانمند است. گشتاور این موتورها تحت نوسان بار و یا تغییر سرعت موتور جابجا می‌شود. از این ‌رو حتی در سرعت‌های خیلی کم مقدار توان مکانیکی خود را حفظ می‌کنند. کاربرد الکتروموتور DC موازی در طراحی سیستم‌هایی است که دارای بار متغیر هستند.

اما باید سرعت آنها ثابت باقی بماند. نوار نقاله‌ها، بالابرهای ساختمانی مانند آسانسورها و انواع میکسر از چنین تجهیزاتی می‌باشند. در تمامی این ماشین‌آلات با بار متغیر روبه‌رو هستیم. مثلاً بار قابل ‌حمل یک آسانسور دائماً تغییر می‌کند. اما نباید سرعت آسانسور در حین جابه‌جایی چه در سمت بالا رونده و چه در سمت پایین رونده تغییر کند. لذا نیاز به نصب موتورهایی داریم که مقدار گشتاور آنها تحت هر شرایطی ثابت باقی بماند. چالشی که تنها در عهده کاربرد موتور DC از نوع سری است.

کاربرد الکتروموتور DC سروو

الکتروموتور DC سروو نوع بهینه‌ شده از موتورهای DC براش دار است. این الکتروموتورها از قابلیت پایش حرکت مکانیکی خود برخوردار هستند. به ‌این ‌ترتیب که در طراحی آنها از یک انکودر برای فیدبک اطلاعات از چگونگی موقعیت حرکت موتور استفاده شده‌ است.

الگوی طراحی الکتروموتور DC سروو شبیه به دیگر موتورهای DC است. اما در شفت خروجی آن از یک انکودر پالس شمار استفاده شده‌ است. این وسیله وظیفه دارد تا هر نوع حرکت موتور را بررسی کرده و مقدار جابجایی موتور را به سیستم کنترل مرکزی ارسال نماید. به نوعی فیدبکی از حرکت موتور در اختیار کنترلر قرار بگیرد. کنترلر یا همان درایو سروو موتور DC با استفاده از این اطلاعات فیدبک شده کنترل دقیقی بر موقعیت حرکت موتور دارد.

کنترل الکتروموتور DC سروو معمولاً از دو روش مدولاسیون پهنای باند و یا پالس کنترل PWM صورت می‌گیرد. در هر صورت این موتورها برای طراحی سیستم‌های دقیق و کنترل موقعیت طراحی شده‌اند. عمده کاربرد الکتروموتور DC سروو در طراحی بازوهای رباتیک مخصوص ساخت فرآیندهای صنعتی می‌باشد. کاربرد موتور DC از نوع سروو در صنایع خودروسازی به مقدار زیاد متداول است. در عین ‌حال مناسب طراحی تجهیزات حساس مانند ابزارهای دقیق پزشکی، فوکوس خودکار دوربین، سیستم‌های ردیابی و هر نوع سیستم رباتی می‌باشند.