یکی از کاربرد های مغناطیس در ساخت الکتروموتور است . موتور وسیله ای است که انرژی مکانیکی تولید میکند که منجر به ایجاد نیروی گشتاور و چرخاندن یک شفت میشود و از آن در راه اندازی انواع ماشین آلات استفاده میشود ، این انرژی مکانیکی میتواند از تبدیل هر انرژی دیگری مثل انرژی شیمیایی ، الکتریکی و… به وجود بیاید. الکتروموتور ، موتوری است که با تبدیل انرژی الکتریکی به انرژی مکانیکی از طریق ایجاد میدان مغناطیسی در داخل یک سیم پیچ کار میکند.
همچنین بخوانید: مغناطیس و مفاهیم مربوط به آن
در یک الکتروموتور موتور بخش متحرک روتور و بخش ثابت استاتور نام دارد. الکتروموتور را میتوان هم توسط منابع برق جریان مستقیم (DC) و هم از طریق منابع برق جریان متناوب (AC) به حرکت درآورد.
الکتروموتور های DC:
در یک موتور DC قسمت روتور از یک سیم پیچ تشکیل شده و در آن یک میدان مغناطیسی ناشی از جریان برق وجود دارد ، یعنی با قطع جریان برق این میدان مغناطیسی از بین میرود. .قسمت استاتور یک میدان مغناطیسی ثابت است که میتواند آهنربای دائمی یا سیم پیچ باشد .میدان روتور تمایل دارد با میدان استاتور همسو شود و موجب نیم دور چرخیدن روتور میشود یک سوئیچ گردشی به نام کموتاتور به شکل مکانیکی و با مکانیزم خاص خود جهت جریان الکتریکی را در هر نیم دور چرخش روتور عوض میکند و جریان داخل سیم پیچ پس از هر نیمدور چرخش معکوس میشود.
این تغییر جهت جریان در سیمپیچ، با تغییر جهت میدان روتور همراه است و به این ترتیب یک میدان مغناطیسی گردان به کمک کموتاتور به وجود می آید. بنابراین موتور دائماً در حال تلاش برای رسیدن به حالت سکون است و یک چرخش متناوب با سرعت زاویه ای ثابتی به وجود میآید.
موقعیت روتور و جهت جریان و میدان در شروع نیم سیکل اول
موقعیت روتور و جهت جریان و میدان در شروع نیم سیکل دوم
سرعت موتور DC وابسته به ولتاژ، و گشتاور آن، وابسته به جریان است و مزیت این نوع الکتروموتور ها ساده بودن کنترل آنهاست و میتوان با تغیر جریان آنها بزرگی میدان مغناطیسی روتور را کنترل کرد و در نتیجه سرعت جذب و دفع قطب ها را کم و زیاد کرد و نهایتا گشتاور های متنوعی از آنها به دست آورد و در سیستم هایی کاربرد دارند که نیاز به کنترل دور و گشتار زیادی وجود دارد. مثل دریل. ایراد این موتور ها این است که کموتاتور به تدریج فرسوده میشود و نیاز به تعمیر و نگهداری زیادی دارند.
میتوان در استاتور موتور های DC به جای آهنربای دائمی از سیم پیچ حامل جریان الکتریکی برای ایجاد میدان مغناطیسی استفاده کردکه به این نوع موتورهای DC میدان سیم پیچ شده میگویند ، دلیل این کار کنترل بیشتر روی شدت میدان های مغناطیسی روتور و استاتور و سرعت جذب و دفع آنها و نهایتا کنترل بیشتر روی دور و گشتاور موتور میباشد.
الکتروموتور های AC القایی :
با اینکه طراحی موتورهای AC آسانتر از موتورهای DC است، ولی کنترل سرعت و گشتاور در انواع مختلف موتورهای AC نیازمند درکی عمیقتر در طراحی و مشخصات در این نوع موتورهاست.
یک موتور AC القایی یک قسمت ثابت بیرونی به نام استاتور و یک روتور که در درون آن میچرخد دارند، که میان آنها یک فاصله دقیق و ثابتی وجود دارد و مثل موتور DC از میدان مغناطیسی گردان برای گرداندن روتوراستفاده میکند. اما در موتور AC میدان مغناطیسی گردان به طور طبیعی به وسیله استاتور به خاطر طبیعت تغذیه گر آن تولید میشود برخلاف موتورهای DC که به کموتاتور برای تولید این میدان گردان نیاز دارند.
در یک موتور AC سه فاز استاتور از یک استوانه توخالی که داخل آن تعدادی شیار قرار دارد تشکیل شده که سه سری سیم پیچ با فاصله ی 120 درجه از هم به طوری که سیم ها از این شیار ها عبور میکند قرار دارد و یک جریان برق متناوب سه فاز به این استاتور وصل است که هر فاز آن به یک سیم پیچ وصل است .
در اطراف هر کدام از سیم پیچ ها یک میدان مغناطیسی تشکیل میشود و مجموعا 6 قطب مغناطیسی تشکیل میشود ( که میتوان تعداد این قطب ها را با ترفند های سیم پیچی بیشتر هم کرد) با توجه به اینکه جریان متناوب است و جریان ها مدام درحال تغیر سینوسی هستند و از آنجایی که نمودار جریان های برق متناوب سه فاز طوری است که در هیچ لحظه ای هر سه جریان صفر نمیشوند.
در هر 120 درجه یکی از جریان ها ماکزیمم یا مینیمم است و در نتیجه میدان بیشتری دارد و برایند میدان به میدان آن سیم پیچ نزدیک تر است و هیچگاه برایند میدان ها صفر نمیشود . جهت میدان برایند این سه میدان دائما در حال تغیر است و و نهایتا جهت و مقدار جریان ها طوری تغییر میکند که یک میدان گردان به وجود می آید.
در موتور AC سه فاز یک شکل قفس سنجابی دارد که از بین میله های آن سیم رد شده و حلقه سیم پیچ اتصال کوتاه تشکیل شده است.
زمانی که جریان برق سه فاز در استاتور برقرار شده و میدان مغناطیسی گردان در آن به وجود می آید بر اساس قانون القای فارادی در سیم پیچ روتور نیروی محرکه ای القا میشود که دارای جریان است و در نتیجه یک میدان مغناطیسی گردانی اطراف آن تشکیل میشود.
جهت این میدان مغناطیسی بر اساس قانون لنز خلاف جهت میدان استاتور است و روتور که متحرک است سعی دارد با چرخیدن به حال سکون برگردد و به میدان روتور برسد اما هیچگاه به آن نمیرسدزیرا به دلیل مقاومت های مکانیکی و تلفات نیرویی که وجود دارد سرعت چرخش آن کمتر از سرعت چرخش میدان استاتور است و یک چرخش مداوم به این شکل ایجاد میشود . هرچه تعداد قطب های مغناطیسی استاتور زیاد تر باشد دور موتور بالاتر میرود ؛ همچنین با تغییر فرکانس ولتاژ هم میتوان دور موتور را کنترل کرد.
در یک موتور AC تک فاز هم مثل سه فاز استاتور از یک استوانه توخالی که داخل آن تعدادی شیار قرار دارد تشکیل شده با این تفاوت که در اینجا دو سری سیم پیچ با فاصله ی عمود بر هم به طوری که سیم ها از این شیار ها عبور میکند قرار دارد ، یکی از سیم پیچ ها اصلی است و سیم پیچ دیگر که سیم پیچ کمکی است با آن موازی شده و یک جریان برق متناوب تکفاز به سیم پیچ اصلی وصل است.
سیم پیچ ها طوری است که نمودار جریان عبوری از سیم پیچ اصلی با جریان سیم پیچ کمکی فرق دارد و بین آنها با روش های مختلف اختلاف ایجاد کرده اند یک کلید گریز از مرکز هم در میان راه سیم پیچ کمکی قرار دارد که بصورت مکانیکی عمل میکند و بعد از اینکه دور موتور به 75 درصد دور نامی خود برسد باز شده و سیم پیچ کمکی از مدار خارج میشود .
متفاوت بودن جریان دو سیم پیچ باعث میشود که میدان مغناطیسی حاصل از آن ها که به صورت متناوب در حال تغییر است هم با یکدیگر فرق کند و جهت میدان برآیند نزدیک به جهت میدان قوی تر باشد و با توجه به متناوب بودن جریان برق ، جهت میدان برآیند تغییر کند و یک میدان گردان در استاتور موتور تکفاز به وجود بیاید. اگر سیم پیچ کمکی وجود نداشته باشد میدان اساتور با وصل شدن جریان برق گردان نخواهد بود و برای گردان بودن نیاز به یک نیروی اولیه راه انداز خواهد داشت که این نیروی اولیه به کمک این سیم پیچ کمکی که بعد از راه اندازی از مدار خارج میشود تامین میشود.
روتور در موتور AC تکفاز نیز یک شکل قفس سنجابی دارد اما دیگر از بین میله های آن سیم رد نشده است و میله های روتور تشکیل محیط بسته اتصال کوتاه میدهند که میدان گردان استاتور باعث به وجود آمدن میدان مغناطیسی القایی در این محیط بسته میشود که طبق قانون لنز با میدان گردان استاتور مخالف است و روتور سعی دارد با چرخیدن میدان خود را با میدان استاتور هم جهت کند اما چون سرعت چرخیدن میدان استاتور بیشتر از سرعت چرخیدن روتور است هیچ گاه به آن نمیرسد و چرخش مدام صورت میگیرد.