گشتاور الکتروموتور چیست؟ و چه نقشی در موتورهای AC و DC دارد؟ قبل از شروع توضیحات در مورد گشتاور الکتروموتور، بهتر است توضیحات کوتاهی در مورد مفهوم الکتروموتور و تعریف گشتاور، ارائه دهیم.

درباره الکتروموتور

موتور الکتریکی یا الکتروموتور، نوعی ماشین الکتریکی است که انرژی الکتریکی را به انرژی مکانیکی تبدیل می‌ کند. اغلب موتور های الکتریکی از طریق اثر متقابل بین میدان مغناطیسی و جریان الکتریکی در داخل یک سیم‌ پیچ برای تولید نیرو به شکل گشتاور و اعمال آن به شفت موتور عمل می‌‌ کنند.

 موتور های الکتریکی را می‌ توان توسط منابع برق جریان مستقیم (DC) مثل باتری‌ ها یا یکسوکننده‌ ها یا از طریق منابع برق جریان متناوب (AC) مانند شبکه ‌برق، اینورتر ها یا ژنراتور های الکتریکی به حرکت درآورد. ژنراتور الکتریکی از نظر مکانیکی با موتور الکتریکی یکسان است، اما جریان قدرت در آن معکوس است، یعنی انرژی مکانیکی را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند.

 الکتروموتور ها، انواع مختلفی دارند و از موتور های الکتریکی در فن‌ ها، پمپ‌ ها، کمپرسور ها، ابزار های خانگی، لوازم خانگی، خودرو های برقی، تجهیزات تهویه مطبوع، ابزار های برقی و ربات ‌های صنعتی استفاده می‌ شود. شاید کمی اغراق آمیز به نظر برسد اما، الکتروموتور ها جز جدایی ناپذیر زندگی امروزی ما هستند و حذف آن ها، ممکن نیست.

گشتاور چیست؟

اگر بخواهیم به ساده ترین شکل ممکن توضیح دهیم، باید بگوییم که گشتاور، به تمایل یک نیرو برای دوران جسمی حول یک محور، گفته می شود. گشتاور یک کمیت برداری می باشد و جهت آن، به جهت نیرو نسبت به محور بستگی دارد.

همانطور که نیرو چیزی است که باعث می شود یک جسم در سینماتیک خطی شتاب بگیرد، گشتاور چیزی است که باعث می شود یک جسم شتاب زاویه ای کسب کند. هر کسی که در را باز کرده است، درک شهودی از گشتاور دارد. هنگامی که شخصی در را باز می کند، نزدیکترین لولا ها به طرف در را فشار می دهد.

 فشار دادن لولا های نزدیک تر نیاز به نیروی قابل ملاحظه ای دارد. اگرچه کار های انجام شده در هر دو مورد یکسان است (نیروی بیشتر در فاصله کوچکتر اعمال می شود) عموماً افراد ترجیح می دهند نیروی کمتری اعمال کنند، پس محل معمول، دستگیره در است.

گشتاور می تواند ایستا یا پویا باشد. گشتاور ایستا، گشتاوری است که شتاب زاویه ای ایجاد نمی کند. کسی که در بسته را فشار می دهد، یک گشتاور ساکن به در وارد می کند زیرا با وجود نیروی وارد شده، درب به سمت لولا نمی چرخد. شخصی که دوچرخه را با سرعت ثابت رکاب می زند، باز هم گشتاور ساکن را اعمال می کند، زیرا شتاب نمی گیرد.

 محور محرک در یک ماشین مسابقه ای که از خط شروع شتاب می گیرد، دارای گشتاور پویا است زیرا با توجه به این که خودرو در طول پیست شتاب می گیرد، باید شتاب زاویه ای برای چرخ ها ایجاد کند.

اصطلاحاتی که هنگام توصیف گشتاور استفاده می شود می تواند گیج کننده باشد. گاهی مهندسان از واژه های متفاوتی استفاده می کنند. واحد SI برای گشتاور نیوتن متر است. در واحد های بزرگ، اغلب از پوند-فوت استفاده می شود. این مسئله گیج کننده است زیرا به طور محاوره ای پوند گاهی به عنوان واحد جرم و گاهی نیرو استفاده می شود. در اینجا منظور نیروی پوند است، نیروی ناشی از گرانش زمین بر یک جسم یک پوندی.

نقش گشتاور در الکتروموتور

برای انتخاب صحیح الکتروموتور، باید از قبل به انجام یک سری محاسبات بپردازیم. مثلا شما باید بدانید به موتور الکتریکی با چه توانی نیاز دارید، سرعت و گشتاور مورد نیاز شما چقدر است، آیا برای کار خود نیاز به کنترل موقعیت، سرعت یا گشتاور دارید یا خیر و مواردی دیگر. در هنگام به دست آوردن گشتاور مورد نیاز برای مکانیزم خود باید یک سری نکات را در نظر داشته باشید :

گشتاور مکانیزم حرکتی باید به دقت محاسبه شود و نیاز به مشاوره با مهندس مکانیک دارد.

گشتاور مورد نیاز مکانیزم خود را بر حسب نیوتن.متر یا کیلوگرم.سانتیمتر محاسبه کنید، زیرا کاتالوگ موتور ها بیشتر بر اساس این دو واحد تنظیم شده است.

بین گشتاور راه اندازی، گشتاور نامی و گشتاور حداکثر تفاوت وجود دارد. به این تفاوت ها دقت کنید.

در مکانیزم های لخت (با اینرسی زیاد) یا مکانیزم هایی با شتاب مثبت راه اندازی بالا، حتما گشتاور مربوط به لختی موتور و بار را هم در محاسبه وارد کنید. در شتاب های خیلی کم و بار های با اینرسی پایین می توانید از آن صرف نظر کنید.

کنترل گشتاور موتور، با کنترل جریان مصرفی موتور صورت می گیرد و بهترین راه برای این کار، استفاده از سرو موتور ها است که این قابلیت در بیشتر سرو موتور های AC وجود دارد.

در انواع مختلف موتور ها، قیمت موتور و همچنین سایز موتور به نسبت گشتاور آن تغییر می کند، بنابراین محاسبه هر چه دقیق تر آن، طراحی شما را بهینه تر خواهد نمود.

به طور کلی گشتاور موتور از رابطه زیر به دست می آید.

فاصله × نیروی محوری = گشتاور

که در این رابطه منظور از فاصله، همان شعاع دورانی است.

اما باید به این نکته توجه داشته باشید که کشیدن بار در حالت افقی کمتر از کشیدن بار در حالت عمودی نیروی محوری لازم دارد و گشتاور در حالت افقی ضریبی از گشتاور در حالت عمودی است که این ضریب، ضریب اصطکاک است. ضریب اصطکاک معمولا بین ۰٫۰۳ (برای سطوح صاف) تا ۰٫۲ (برای سطوح خشن) در نظر گرفته می شود.

گشتاور الکتروموتور القایی AC

موتور AC یک ماشین طراحی شده برای تبدیل انرژی الکتریکی به انرژی مکانیکی است تا بتوان کار را انجام داد‌ و نوعی از الکتروموتور ها است.

کار (w)، در یک سیستم ترجمه ای (خطی)، به عنوان نیروی (f) اعمال شده به برخی اجسام ضرب شده در فاصله (d) مسافتی است که تعریف می کند. در سیستم انگلیسی نیروی بر حسب پوند و فاصله با فوت اندازه گیری می شود.

معادله کار، که کاملاً رو به جلو است (بدون منظور از کلمات)، این است :  w=fd

اگر ۱۰۰ پوند را تا ارتفاع ۱۰ فوت بلند کنید، ۱۰۰۰ پوند فوت کار انجام می دهید.

اگر یک جسم ۲۰۰ پوندی را به ارتفاع ۵ فوت یا به عنوان مثال، یک جسم ۵۰ پوندی را ۲۰ فوت بلند کنید، همین مقدار کار انجام می شود.

کار اصطلاحی تا حدودی نادرست است زیرا برای انجام کار، ما باید در واقع یک شی را به سمتی حرکت دهیم که در مقابل نیروی وارد بر آن قرار دارد.

به عنوان مثال، اگر چمدانی را از روی زمین بردارید، کار را انجام داده اید زیرا نیرویی که وارد کرده اید بر نیروی جاذبه ای که آن را روی زمین نگه داشته غلبه کرده است. با این حال حمل آن در سراسر اتاق کار نمی باشد، زیرا شما در مسیری حرکت نمی کنید که با نیروی وارد بر آن مخالف باشد. با این حال، سعی کنید این را به کسی بگویید که در هر دست یک چمدان سی پوندی دارد. او انرژی مصرف می کند اما هیچ کاری را انجام نمی دهد.

معادله کار به ما می گوید که چقدر کار انجام می شود، اما هیچ چیزی در مورد سرعت انجام آن نمی گوید. اگر یک جسم ۵۰ پوندی را از پله هایی به ارتفاع ۱۰ فوت حمل کنید، ۵۰۰ پوند فوت کار انجام می دهید. فرقی نمی کند اگر این کار را در پنج ثانیه یا پنج روز انجام دهید، همان مقدار کار انجام می شود.

میزان انجام کار قدرت یا توان است. توان (p) برابر است با کار (w) تقسیم بر زمان (t) انجام آن. معادله، همچنین بسیار مستقیم، این است :

p = w / t

در اواخر قرن هجدهم، جیمز وات پیشرفت های بزرگی در زمینه موتور بخار داشت- پیشرفت هایی که آن را به جایگزینی مناسب برای سایر منابع قدرت تبدیل کرد. یکی از کاربرد های نیازمند برق در اسکاتلند در آن زمان، پمپاژ آب از معادن زغال سنگ بود.

پمپ ها از اسب تغذیه می کردند و وات به راهی نیاز داشت که قدرت موتور خود را با یک تیم اسب مرتبط کند.

طبق آزمایشات، او مشخص کرد که اسب معمولی می تواند ۱۵۰ پوند را در یک دقیقه به ارتفاع ۲۲۰ فوت برساند. کار انجام شده در آن زمان ۳۳۰۰۰ پوند فوت (w = fd) است. قدرت، یا در این مورد اسب بخار، ۳۳۰۰۰ پوند فوت/دقیقه است. این عدد نسبتاً دست و پاگیر در سیستم MKS برابر ۷۴۵٫۷ ژول/ثانیه است.

یک ژول/ثانیه به افتخار او، وات نامیده شد. بنابراین، یک اسب بخار معادل تقریبا ۷۴۶ وات است. در ایالات متحده قدرت موتور را در اسب بخار ارزیابی می کنند. در بیشتر کشور های دیگر، کیلووات (KW) است.

گشتاور به عنوان نیرویی که باعث ایجاد حرکت چرخشی می شود تعریف می شود. همچنین نتیجه حرکت چرخشی است. گشتاور (t) برابر است با نیرو (f) برابر شعاع (r) که از طریق آن عمل می کند و زاویه ای (Ø) که نیرو از طریق آن اعمال می شود.

معادله مورد استفاده برای محاسبه گشتاور عبارت است از : T = f (r sin Ø)

گشتاور در یک سیستم چرخشی مشابه نیرو در یک سیستم خطی است. با این حال، فاصله خط مستقیم سیستم خطی با مقدار زاویه ای جایگزین می شود.

برای هر اسب بخار، گشتاور با سرعت چرخش به طور معکوس متفاوت است.

به عنوان مثال، یک موتور ۱۰۰ اسب بخاری که در ۳۶۰۰ دور در دقیقه کار می کند، گشتاوری معادل ۱۵۰ پوند فوت تولید می کند. در ۱۸۰۰ دور در دقیقه، گشتاور حدود ۳۰۰ پوند فوت و در ۱۲۰۰ دور در دقیقه ۴۵۰ پوند فوت است. این دقیقاً همان چیزی است که می توان انتظار داشت زیرا اسب بخار (قدرت) میزان انجام کار است.

اگر یک موتور ۱۸۰۰ دور در دقیقه ای، بخواهد همان مقدار کار را با یک دور در ۳۶۰۰ دور در دقیقه انجام دهد، باید در هر دور دو برابر کار را انجام دهد.

به همین دلیل است که قطر شافت یک موتور ۹۰۰ دور در دقیقه بیشتر از مدل ۳۶۰۰ دور در دقیقه است، هرچند که آنها یک اسب بخار قدرت تولید می کنند.

موتور های دور پایین از شافت های با قطر بزرگتر استفاده می کنند تا گشتاور بالاتری را که برای انجام همان مقدار کار در چرخش کمتر مورد نیاز است، فراهم کنند.

قبلاً، اسب بخار w / t تعریف می شد و بر حسب lb-ft یا watt بیان می شد. همچنین می توان آن را از نظر گشتاور (t) و سرعت (rpm) تعریف کرد.

HP = (t * rpm) / 5،۲۵۰

گشتاور را می توان بر حسب نیرو و شعاعی که از طریق آن حرکت می کند، بر حسب نیرو بیان کرد.

با تنظیم مجدد معادله قبلی، این فرمول بدست می آید :

t = (HP * 5،۲۵۰) / rpm

این دو معادله احتمالاً در کارهای روزانه مفیدتر از معادلات قبلی هستند.

گشتاور الکتروموتور DC

ما با مدار معادل یک موتور DC جاروبک دار شروع می کنیم :

با استفاده از یک حلقه ولتاژ ساده می توانیم ببینیم که ولتاژ ورودی (?) برابر با افت ولتاژ در مقاومت سیم پیچ (?) و سلف (?) است، در حالی که EMF عقب (?) توسط موتور در حال حرکت تولید می شود، یعنی :

با این حال، برای نشان دادن تأثیر ولتاژ و گشتاور بر سرعت، ما در حال حاضر فقط به رفتار حالت پایدار توجه داریم. در حالت پایدار به دو موضوع ساده شده، توجه داریم.

اول، جریان ثابت است به این معنی که سلف ? قابل حذف است

دوم، چون هیچ تغییری در سرعت ایجاد نمی شود، گشتاور تولید شده توسط موتور و گشتاور تولید شده توسط بار باید برابر باشد

ساده سازی دوم با در نظر گرفتن نحوه تولید گشتاور در موتور ، معادله زیر را می سازد :

جایی که ?? نشان دهنده ثابت به ارث رسیده از طراحی داخلی آن است،

? شار کل است و ? می تواند گشتاور بار ما را نشان دهد. ما این را برای I دوباره تنظیم می کنیم و آن را در معادله اصلی خود وارد می کنیم :

اکنون ما توجه خود را به E معطوف می کنیم، که بستگی به کل فاکتورهای خاص موتور (مانند شعاع و طول آن) دارد که یک ثانیه ثانیه و سرعت موتور را ایجاد می کند:

با جایگزینی این مقدار E  در معادله ما موارد زیر به دست می آید:

معادله بالا در واقع نشان دهنده یک موتور خطی است، در تطبیق آن با یک موتور چرخشی زاویه ای، ما شار را در مقدار کامل آن ثابت می دانیم. برای انجام این کار، با هر ثابت ترکیب گشتاور و ثابت الکتریکی موتور، به ترتیب ?? و

k?، تولید می شود. همانطور که قبلاً بحث شد، این ثابت ها در واقع واحد های مشابهی دارند، بنابراین ما می توانیم هر دو ثابت موجود در معادله خود را با مقدار k جایگزین کنیم. همچنین، ما اکنون سرعت خطی را با سرعت زاویه ای جایگزین می کنیم ، بنابراین معادله ما به صورت زیر می شود:

تغییر جهت سرعت زاویه ای:

به طور خلاصه ، ما می توانیم دو متغیر اصلی را که بر سرعت موتور در معادله نهایی ما تأثیر می گذارد، برجسته کنیم :

ولتاژ ورودی : برای بار ثابت، سرعت موتور تحت تأثیر ولتاژ اعمال شده قرار می گیرد.

افزایش ولتاژ = افزایش سرعت

گشتاور بار : برای ولتاژ ثابت، سرعت موتور به طور معکوس تحت تأثیر بار قرار می گیرد.

افزایش گشتاور بار = کاهش سرعت

منابع: pumpsandsystems، electrical4u، khanacademy و engineeringtoolbox