ساختار داخلی و چگونگی تولید نیرو در الکتروموتور های قفس سنجابی :

مقدمه :

الکتروموتورهای قفس سنجابی (Squirrel Cage Induction Motor) پرکاربردترین نوع موتورهای الکتریکی در صنعت هستند و حدود ۸۰ تا ۹۰ درصد موتورهای مورد استفاده در صنایع را تشکیل می‌دهند. این موتورها به دلیل ساختار ساده، قیمت مناسب، راندمان بالا، استحکام مکانیکی زیاد و نیاز کم به تعمیر و نگهداری، در تجهیزاتی مانند پمپ‌ها، فن‌ها، کمپرسورها، نوار نقاله‌ها، ماشین‌آلات صنعتی و بسیاری از تجهیزات دیگر مورد استفاده قرار می‌گیرند.

اساس عملکرد این موتورها بر پایه القای الکترومغناطیسی است؛ یعنی بدون اتصال مستقیم برق به روتور، جریان الکتریکی در آن القا شده و در نتیجه گشتاور و حرکت چرخشی ایجاد می‌شود.

ساختار داخلی الکتروموتور قفس سنجابی :

این موتور از دو بخش اصلی تشکیل شده است :

استاتور (Stator)

روتور قفس سنجابی (Squirrel Cage Rotor)

علاوه بر این دو بخش، اجزای مکانیکی دیگری نیز وجود دارند که عملکرد موتور را کامل می‌کنند.

1- استاتور :

استاتور قسمت ثابت موتور است و وظیفه تولید میدان مغناطیسی گردان را بر عهده دارد.

اجزای استاتور عبارت‌اند از :

هسته استاتور :

هسته از تعداد زیادی ورقه فولادی سیلیس‌دار ساخته می‌شود.

دلایل استفاده از ورقه‌های نازک:

کاهش تلفات فوکو (Eddy Current)

کاهش گرم شدن موتور

افزایش راندمان

این ورقه‌ها توسط لایه‌ای عایق از یکدیگر جدا می‌شوند.

شیارهای استاتور :

بر روی سطح داخلی هسته، شیارهایی وجود دارد.

درون این شیارها سیم‌پیچ‌ها قرار می‌گیرند.

سیم‌ پیچ استاتور :

سیم ‌پیچ ‌ها معمولاً از سیم مسی لاکی ساخته می‌شوند.

در موتور سه‌فاز سه مجموعه سیم‌پیچ وجود دارد که با اختلاف زاویه ۱۲۰ درجه الکتریکی نسبت به هم قرار گرفته‌اند.

هنگامی که برق سه‌فاز به این سیم‌پیچ‌ها اعمال می‌شود، میدان مغناطیسی دوار تولید می‌شود.

2– روتور :

روتور قسمت متحرک موتور است.

اجزای روتور شامل :

هسته روتور :

از ورقه‌های فولادی سیلیس ‌دار ساخته می‌شود.

دلیل استفاده همان کاهش تلفات مغناطیسی است.

میله‌های هادی :

در داخل شیارهای روتور، میله‌های آلومینیومی یا مسی قرار دارند.

این میله‌ها هیچ اتصال مستقیمی به منبع برق ندارند.

حلقه‌های اتصال :

در دو انتهای روتور، تمام میله‌ها به وسیله دو حلقه هادی به هم متصل می‌شوند.

در نتیجه شکلی شبیه قفس سنجاب ایجاد می‌شود؛ به همین دلیل به آن روتور قفس سنجابی گفته می‌شود.

محور (Shaft) :

روتور روی محور نصب شده است و هنگام چرخش، توان مکانیکی را به بار منتقل می‌کند.

بلبرینگ :

برای کاهش اصطکاک و حرکت نرم محور استفاده می‌شود.

قاب موتور :

تمام قطعات را نگه می‌دارد و باعث استحکام مکانیکی موتور می‌شود.

فن خنک ‌کننده :

برای کاهش دمای موتور و افزایش عمر آن استفاده می‌شود.

فاصله هوایی (Air Gap) :

بین استاتور و روتور فاصله بسیار کمی وجود دارد.

این فاصله معمولاً بین : ۰٫۲ تا ۲ میلی‌متر است.

هرچه فاصله هوایی کمتر باشد : 

شار مغناطیسی بیشتر

راندمان بالاتر

گشتاور بیشتر

اما نباید آن‌ قدر کم باشد که برخورد مکانیکی ایجاد شود.

نحوه تولید میدان مغناطیسی :

هنگامی که برق سه‌فاز وارد سیم‌پیچ‌های استاتور می‌شود، در هر سیم‌پیچ یک میدان مغناطیسی متغیر تولید می‌شود.

اختلاف فاز ۱۲۰ درجه میان سه جریان باعث می‌شود که مجموع میدان‌ها به صورت یک میدان مغناطیسی چرخان ظاهر شود.

این میدان با سرعت مشخصی می‌چرخد که سرعت سنکرون نام دارد.

نحوه القای جریان در روتور :

میدان مغناطیسی گردان از روی میله‌های روتور عبور می‌کند.

طبق قانون فارادی:

هرگاه رسانایی در معرض میدان مغناطیسی متغیر قرار گیرد، در آن ولتاژ القا می‌شود.

بنابراین در میله‌های روتور:

ولتاژ القا می‌ شود.

جریان برقرار می‌شود.

روتور به یک آهنربای الکتریکی تبدیل می‌شود.

چگونگی تولید نیرو :

پس از ایجاد جریان در میله‌های روتور، جریان با میدان مغناطیسی استاتور برهم‌کنش می‌کند.

طبق قانون لورنتس، بر هر هادی حامل جریان که در میدان مغناطیسی قرار گیرد، نیرو وارد می‌شود.

چرا روتور هیچ‌ گاه به سرعت میدان مغناطیسی نمی‌رسد؟

اگر سرعت روتور دقیقاً برابر سرعت میدان شود :

دیگر میدان نسبت به روتور حرکت نمی‌کند.

ولتاژ القایی صفر می‌شود.

جریان روتور صفر می‌شود.

گشتاور صفر می‌شود.

در نتیجه موتور از حرکت بازمی‌ایستد.

به همین دلیل روتور همیشه کمی کندتر از میدان مغناطیسی حرکت می‌کند.

مراحل تولید نیرو به صورت خلاصه  :

برق سه ‌فاز وارد سیم‌پیچ استاتور می‌شود.

میدان مغناطیسی دوار ایجاد می‌شود.

میدان از میله‌های روتور عبور می‌کند.

در روتور ولتاژ و جریان القا می‌شود.

روتور به آهنربای الکتریکی تبدیل می‌شود.

میدان استاتور و جریان روتور با هم برهم‌ کنش می‌کنند.

نیروی الکترومغناطیسی تولید می‌شود.

نیرو باعث ایجاد گشتاور می‌شود.

محور موتور شروع به چرخش می‌کند.

انرژی الکتریکی به انرژی مکانیکی تبدیل می‌شود.

مزایای الکتروموتور قفس سنجابی :

ساختار ساده و مقاوم

قیمت مناسب

راندمان بالا

نیاز کم به تعمیر و نگهداری

نداشتن جاروبک و کموتاتور

عمر کاری طولانی

قابلیت اطمینان بالا

مناسب برای کار مداوم

معایب الکتروموتور قفس سنجابی :

جریان راه‌اندازی نسبتاً زیاد

کنترل سرعت دشوار بدون استفاده از اینورتر

گشتاور راه‌اندازی برخی مدل‌ها محدود است

سرعت همواره کمتر از سرعت سنکرون است.

کاربرد های الکتروموتور قفس سنجابی :

الکتروموتورهای قفس سنجابی در صنایع و تجهیزات مختلف به‌کار می‌روند، از جمله:

پمپ‌های آب و سیالات

فن‌ها و هواکش‌های صنعتی

کمپرسورها

نوار نقاله‌ها

ماشین‌آلات تولیدی

آسانسورها (با تجهیزات کنترلی مناسب)

سیستم‌های تهویه مطبوع (HVAC)

دستگاه‌های کشاورزی

صنایع نفت، گاز و پتروشیمی

کارخانه‌های سیمان، فولاد و معادن

نتیجه‌ گیری :

الکتروموتور قفس سنجابی یکی از مهم‌ترین و پرکاربردترین ماشین‌های الکتریکی در صنعت است. عملکرد آن بر پایه القای الکترومغناطیسی و ایجاد میدان مغناطیسی دوار در استاتور است. این میدان، بدون تماس الکتریکی مستقیم، در میله‌های روتور جریان القا می‌کند و بر اثر برهم‌کنش میدان و جریان، نیروی الکترومغناطیسی و گشتاور تولید می‌شود. سادگی ساختار، استحکام، راندمان بالا و هزینه نگهداری پایین باعث شده است این نوع موتور به انتخاب اصلی بسیاری از کاربردهای صنعتی و تجاری تبدیل شود. درک دقیق ساختار داخلی و فرآیند تولید نیرو در این موتورها، برای دانشجویان، تکنسین‌ها و مهندسان برق و مکانیک، پایه‌ای مهم برای طراحی، بهره‌برداری و عیب‌یابی سیستم‌های الکتریکی به شمار می‌آید.