یک موتور الکتریکی چگونه کار می‌کند؟

4 دقیقه مطالعه

یک موتور الکتریکی انرژی الکتریکی را به حرکت چرخشی مکانیکی تبدیل می‌کند [1]. در این فرایند، از نیروی مغناطیسی استفاده می‌شود که هنگام عبور جریان الکتریکی از سیم‌پیچ‌ها و ایجاد میدان‌های مغناطیسی به وجود می‌آید [2].

ساختار و اصل پایه

در هسته خود، یک موتور الکتریکی از دو بخش اصلی تشکیل شده است: یک استاتور (بخش ثابت) و یک روتور (بخش چرخان) [1]. در استاتور یا روتور، یا آهنرباهای دائمی قرار دارند و یا سیم‌پیچ‌هایی که جریان از آن‌ها عبور می‌کند و به عنوان آهنربای الکتریکی عمل می‌کنند [1].

وقتی جریان از سیم‌پیچ‌ها عبور می‌کند، میدان‌های مغناطیسی ایجاد می‌شوند. این میدان‌ها با یکدیگر تعامل دارند: قطب‌های هم‌نام یکدیگر را دفع کرده و قطب‌های ناهمنام یکدیگر را جذب می‌کنند [3]. این نیروهای جذب و دفع باعث به حرکت درآمدن روتور می‌شوند. برای اینکه چرخش پس از نیم دور متوقف نشود، جهت جریان در سیم‌پیچ‌ها به طور منظم تغییر می‌کند [3].

میدان‌های مغناطیسی و نیروی لورنتس

پایه فیزیکی این حرکت، نیروی لورنتس است: این نیرو بر روی بارهای الکتریکی در حال حرکت، یعنی جریانی که در رساناها قرار دارد و در یک میدان مغناطیسی است، اثر می‌کند [2]. از طریق تعامل بین جریان و میدان مغناطیسی، یک گشتاور ایجاد می‌شود که روتور را به جلو می‌راند [1].

موتور جریان مستقیم و جریان متناوب

موتورهای جریان مستقیم (DC) با جریان مستقیم کار می‌کنند. تغییر جهت جریان در روتور به صورت مکانیکی از طریق برس‌های کربنی و یک کموتاتور انجام می‌شود [4]. این ویژگی باعث می‌شود کنترل آن‌ها ساده باشد، اما در عین حال آن‌ها را مستعد نیاز به تعمیر و نگهداری می‌کند.

موتورهای جریان متناوب (AC) از جریان متناوب، معمولاً جریان متناوب سه‌فاز، استفاده می‌کنند. جریان متناوب در استاتور یک میدان مغناطیسی چرخان ایجاد می‌کند که روتور را با خود می‌کشاند [5]. موتورهای جریان متناوب ناهمگام (آسنکرون) برای تأمین جریان در روتور به اتصالات مکانیکی نیاز ندارند – جریان از طریق القا ایجاد می‌شود. این امر آن‌ها را بسیار مقاوم و کم‌نیاز به تعمیر و نگهداری می‌کند.

موتورهای بدون برس (BLDC)

یک موتور جریان مستقیم بدون برس (BLDC) از برس‌ها و کموتاتور چشم‌پوشی می‌کند. در عوض، سیم‌پیچ‌هایی که جریان از آن‌ها عبور می‌کند در استاتور ثابت قرار دارند، در حالی که روتور از آهنرباهای دائمی تشکیل شده است. یک مدار الکترونیکی خارجی، جریان را به طور دقیق به سیم‌پیچ‌ها هدایت کرده و بدین ترتیب یک میدان مغناطیسی چرخان ایجاد می‌کند که روتور را به حرکت درمی‌آورد.

این ساختار کارآمدتر است زیرا تلفات اصطکاکی ناشی از برس‌ها وجود ندارد، گرما بهتر از طریق استاتور دفع می‌شود و کنترل الکترونیکی موتور را همیشه در نقطه عملکرد بهینه نگه می‌دارد.

چرا خودروهای الکتریکی اینقدر کارآمد هستند؟

خودروهای الکتریکی از چندین مزیت سیستم پیشرانه الکتریکی بهره می‌برند. موتورهای الکتریکی مدرن حدود ۹۰ تا ۹۵ درصد انرژی الکتریکی را به حرکت تبدیل می‌کنند [5]. علاوه بر این، آن‌ها امکان ترمز بازیافتی (Rekuperation) را فراهم می‌کنند: هنگام ترمز کردن، موتور به ژنراتور تبدیل شده و انرژی جنبشی را دوباره به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند که در باتری ذخیره می‌شود.

در حالت توقف، موتور الکتریکی می‌تواند به طور کامل خاموش شود، بدون اینکه تلفاتی ناشی از درجا کار کردن وجود داشته باشد. پیشرانه ساده‌تر با قطعات متحرک کمتر، تلفات اصطکاکی اضافی را کاهش می‌دهد. این موارد در کنار الکترونیک قدرت دقیق و مدیریت حرارتی بهینه، منجر به بازدهی کلی بسیار بالایی می‌شود.

چه متریال‌هایی مورد استفاده قرار می‌گیرند؟

برای موتورهای الکتریکی به متریال‌های مختلفی نیاز است. سیم‌پیچ‌ها به دلیل رسانایی عالی، عمدتاً از مس ساخته شده‌اند. هسته‌های آهنی ساخته شده از ورق‌های الکتریکی، تلفات مغناطیسی را به حداقل می‌رسانند.

موتورهای بسیار قدرتمند مانند موتورهای سنکرون آهنربای دائم، از آهنرباهایی بر پایه نئودیمیم-آهن-بور استفاده می‌کنند. در این راستا، از عناصر خاکی کمیاب مانند نئودیمیم، پرازئودیمیم، دیسپروزیم و تربیم برای ایجاد میدان‌های مغناطیسی قوی در دماهای بالا استفاده می‌شود. بدنه اغلب از آلومینیوم برای دفع گرمای مناسب ساخته شده است.

با این حال، به طور فزاینده‌ای در حال توسعه انواع موتورهایی بدون عناصر خاکی کمیاب هستیم، مانند موتورهای آسنکرون یا موتورهای سنکرون رلوکتانسی، تا وابستگی به مواد خام حیاتی کاهش یابد.

خلاصه

یک موتور الکتریکی جریان برق را به حرکت تبدیل می‌کند؛ به این صورت که جریان از طریق سیم‌پیچ‌ها جاری شده، میدان‌های مغناطیسی ایجاد می‌کند و نیروی لورنتس باعث چرخش روتور می‌شود. بسته به نوع ساختار، موتورهای جریان مستقیم (DC)، جریان متناوب (AC) و موتورهای بدون برس (Brushless) عمدتاً در نحوه تأمین جریان و کنترل با یکدیگر تفاوت دارند. به دلیل بازدهی بالا، بازیابی انرژی (Rekuperation) و قطعات متحرک کمتر، پیشرانه‌های الکتریکی به‌ویژه در بخش خودرو، به تکنولوژی‌ای هرچه مهم‌تر تبدیل شده‌اند.