مباني ماشينهاي الكتريكي جريان مستقيم

وسايل تبديل انرژي الكترومكانيكي گردان را ماشينهاي الكتريكي مي گويند.

طبقه بندي ماشينهاي الكتريكي

ماشينهاي الكتريكي به دو طريق دسته بندي مي شوند:

1- از نظر نوع جريان الكتريكي

الف- ماشينهاي الكتريكي جريان مستقيم

ب- ماشينهاي الكتريكي جريان متناوب

2- از نظر نوع تبديل انرژي

الف- مولدهاي الكتريكي كه انرژي مكانيكي را به انرژي الكتريكي تبديل مي كنند

ب- موتورهاي الكتريكي كه انرژي الكتريكي را به انرژي مكانيكي تبديل مي كنند

به طور كلي ماشينهاي الكتريكي جزء وسايل تبديل انرژي غير خطي هستند يعني هر تغيير در ورودي هميشه به يك نسبت در خروجي ظاهر نمي شود.
مولد ساده جريان مستقيم
يك مولد ساده جريان مستقيم از چهار قسمت اصلي زير تشكيل شده است
1- قطبهاي مغناطيسي: كه وظيفه ايجاد ميدان مغناطيسي مولد را بعهده دارد و مي تواند بصورت آهنرباي دائم و يا آهنرباي الكتريكي باشد
2- هاديها: براي ايجاد ولتاژ القايي به كار گرفته ميشود
3- كموتاتور: در ساده ترين حالت از دو نيم استوانه مسي كه توسط ميكا نسبت به يكديگر عايق شده اند تشكيل مي گردد، وظيفه يك طرفه كردن ولتاژ و جريان القايي را در خارج از مولد بعهده دارد.
4- جاروبك: جهت انتقال جريان الكتريكي از هاديها به مصرف كننده استفاده ميشود شكل زير مولد ساده جريان مستقيم را نشان ميدهد.

طرز كار مولد ساده جريان مستقيم: با حركت هاديها در فضاي ما بين قطبها باعث ميشود ميدان مغناطيسي توسط هاديها قطع ميشود بدين ترتيب مطابق پديده القاء در هاديها ولتاژ القاء ميشود.ابتدا و انتهاي هر كلاف به يك نيم استوانه مسي يا يك تيغه كوموتاتور وصل ميشود روي تيغه هاي كوموتاتور دو عدد جاروبك بطور ثابت قرار داشته و با حركت هاديها تيغه هاي كموتاتور زير جاروبك مي لغزند، بدين ترتيب در ژنراتورهاي جريان مستقيم از طريق كوموتاتور ولتاژ القاء شده طوري به جاروبكها منتقل مي شود كه هميشه يكي از جاروبكها داراي پلاريته مثبت و ديگري داراي پلاريته منفي است. شكل موج ولتاژ القاء شده در اين مولد ساده بصورت زير مي باشد.

براي افزايش سطح ولتاژ القاء شده و بهبود يكسوسازي بمنظور داشتن ولتاژ با دامنه ثابت بايد تعداد كلافها را افزايش داد و كلافها را به كمك تيغه هاي كوموتاتور سري كنيم.
چگونگي تغيير پلاريته ولتاژ القايي در مولد ساده
در مولد جريان مستقيم تغيير پلاريته ولتاژ خروجي عملاٌ در صورت ايجاد يكي از دو حالت زير ممكن مي شود:
1- جهت چرخش آرميچر عوض شود
2- جهت جريان در سيم پيچ قطبها تغيير كند در صورتيكه قطبها از نوع مغناطيس دائم نباشد
چگونگي تغيير دامنه ولتاژ القايي در مولد ساده
براي افزايش دامنه ولتاژ القا شده دو روش ممكن است:
1- افزايش سرعت چرخش آرميچر كه باعث افزايش ولتاژ بصورت خطي مي شود

2- افزايش جريان تحريك كه باعث افزايش ولتاژ مولد بصورت غير خطي مي شود

موتور ساده جريان مستقيم
موتور ساده از نظر ساختماني مانند مولد ساده جريان مستقيم مي باشد فقط نحوه كار آن با مولد ساده جريان مستقيم تفاوت دارد. در موتور ساده هاديها از طريق كوموتاتور و جاروبكها به يك منبع جريان مستقيم متصل مي شود در اينصورت جرياني از هاديها عبور كرده و در نتيجه مطابق نيروي لورنس به هاديها نيروي وارد ميشود و آنها به حركت در مي آيد.
نحوه ايجاد نيرو و گشتاور در موتور ساده: در صورتيكه از يك كلاف تك حلقه كه بين قطبهاي يك مغناطيس قرار دارد جريان الكتريكي عبور كند مطابق شكل به بازوي سمت راست نيروي به سمت بالا و به بازوي سمت چپ نيروي بسمت پايين وارد مي شود با وارد شدن دو نيروي مختلف الجهت به دو طرف كلاف طبيعي است كه كلاف حول محورش شروع به دوران خواهد نمود يعني وارد آمدن زوج نيرو موجب ايجاد گشتاور لازم شده است.
در اين موتور ساده اگر صفحه كلاف عمود بر خطوط ميدان مغناطيسي قرار گيرد به آن گشتاوري وارد نميشود در ضمن كه گشتاور وارد شده نيز دامنه يكنواخت ندارد براي رفع شدن اين معايب مي بايست تعداد كلافها و تيغه هاي كوموتاتور را افزايش داد كلافها در زاويه هاي مختلف قرار مي گيرد و با هم توسط تيغه هاي كوموتاتور سري مي شود.
تغيير جهت گردش در موتور ساده DC: تغيير جهت گردش موتور ساده به دو روش زير ممكن است:

- تغيير جهت جريان در كلاف كه با تغيير پلاريته ولتاژ منبع از خارج موتور ميسر است
2- تغيير قطبهاي مغناطيسي كه با تغيير جهت جريان در سيم پيچي تحريك ممكن است

ساختمان ماشينهاي جريان مستقيم

اجزاء تشكيل دهنده ماشينهاي جريان مستقيم را ميتوان به صورت زير دسته بندي كرد:

1- قسمت ساكن شامل قطبها و بدنه
2- قسمت گردان (آرميچر)
3- مجموعه جاروبك و جاروبك نگهدارها
هر كدام از قسمتهاي فوق بطور خلاصه توضيح داده مي شود

1- اجزاء ساكن ماشينهاي جريان مستقيم: قسمتهاي ساكن جريان مستقيم شامل اجزاء زير هستند:

الف- قطبهاي اصلي
ب- قطبهاي كمكي
ج- بدنه

- قطبهاي اصلي: وظيفه اين قسمت تامين ميدان مغناطيسي مورد نياز ماشين است. قطبهاي اصلي خود شامل قسمتهاي زير مي باشد:
- هسته قطب: از ورقهاي فولاد الكتريكي به ضخامت حدود 5/0 تا 65/0 ميلي متر با خاصيت مغناطيسي قابل قبول تشكيل مي شود.
- كفشك قطب: شكل قطب به نحوي است كه سطح مقطع كوچكتر براي سيم پيچ اختصاص داده مي شود و قسمت بزرگتر كه كفشك قطبي نام دارد سبب شكل دادن ميدان مغناطيسي و سهولت هدايت فوران مغناطيسي به فاصله هوايي مي شود.
- سيم پيچ تحريك: يا سيم پيچ قطب اصلي كه دور هسته قطب پيچيده مي شود، براي جريانهاي كم بايد تعداد دور سيم پيچ تحريك زياد باشد و سطح مقطع آن كم و برا ي جريانهاي زياد تعداد دور كم براي سيم پيچ لازم است و با سطح مقطع زياد
- قطبهاي كمكي: قطبهاي كمكي در ماشينهاي جريان مستقيم از هسته و سيم پيچ تشكيل مي شوند، هسته قطبهاي كمكي را معمولاٌ از فولاد يكپارچه مي سازند. سيم پيچي قطبهاي كمكي نيز با تعداد دور كم و سطح مقطع زياد پيچيده مي شوند.
- بدنه: قطبهاي اصلي، كمكي، جاروبك نگهدارها روي بدنه ماشين محكم مي شوند و بوسيله ماشين روي پايه اش نصب مي گردد. قسمتي از بدنه را هسته آهني تشكيل مي دهد كه براي هدايت فوران مغناطيسي قطبهاي اصلي و كمكي بكار مي رود اين قسمت طوق بكار مي رود. شكلهاي زير قطب اصلي و كمكي ماشين جريان مستقيم را نشان ميدهد.

2- قسمت گردان يا آرميچر: در ماشينهاي جريان مستقيم قسمت گردنده را القاء شوند يا آرميچر مي نامند كه از اجزاء زير تشكيل شده است:
الف- هسته آرميچر
ب- سيم پيچي آرميچر
ج- كلكتور يا يكسوكننده مكانيكي
د- محور
ﻫ- پروانه خنك كننده
- سيم پيچي آرميچر: از كلافهاي مشابهي تشكيل مي شود كه با الگوي مناسب تهيه و در شيارها قرار مي گيرد سيم پيچي آرميچر مبتني بر اصول فني بوده و از طراحي ماشينهاي جريان مستقيم تبعيت مي كند.
- كلكتور: از تيغه هاي مسي سخت كه توسط ميكا نسبت به يكديگر و محور ماشين عايق شده اند تشكيل مي شود.
- محور: محور آرميچر ماشينهاي جريان مستقيم بايد از فولادي تهيه گردد كه خاصيت مغناطيسي آن كم اما استحكام مكانيكي كافي در مقابل تنشهاي برشي، كششي، و پيچشي را دارا باشد انتخاب كردن محور ضعيف خطر آفرين بوده و ممكن بوده در مواقع بروز خطا سبب انهدام كلي ماشين گردد.
- پروانه خنك كننده: پروانه خنك كننده سبب تهويه و ازدياد عمر مفيد ماشين ميشود شكل زير آرميچر ماشين DC با پروانه خنك كننده را نشان ميدهد.

3- جاروبك و جاروبك نگهدارها: وظيفه جاروبك نگهدار قرار دادن صحيح جاروبك روي تيغه هاي كلكتور است جاروبكها قطعاتي از جنس زغال يا گرافيت مي باشند كه براي گرفتن جريان از كلكتور يا دادن جريان به آن استفاده مي شود.
سيم پيچي آرميچر ماشينهاي جريان مستقيم
همانطور كه قبلا اشاره شد سيم پيچي آرميچر مبتني بر اصول فني خاص مي باشد كه در طراحي آن به نكات مهمي از قبيل استحكام مكانيكي، الكتريكي و حرارتي با عمر مفيد و عادي حدود 20 سال حداكثر گشتاور و جريان و ولتاژ با حداقل نوسانة جرقه كم بين زغال و كلكتور و صرفه جويي در مواد اوليه بايد توجه كرد.
بسته به نياز كلافها مي توانند بطور سري يا موازي يا تركيبي از اين دو به همديگر وصل مي شوند.
در صورتيكه كلافها با هم سري شوند نيرومحركه كلافها با هم جمع مي شوند و ولتاژ دهي آرميچر افزايش مي يابد. (سيم پيچي موجي)
در صورتيكه كلافها موازي شوند تعداد مسيرهاي جريان موجود در آرميچر افزايش يافته و قابليت ولتاژ دهي آرميچر افزايش مي يابد. (سيم پيچي حلقوي)
توضيح كامل روشهاي سيم پيچي آرميچر در كتابهاي سيم پيچي DC مطرح شده است و ما در اين جزوه به مصرفي آن كفايت مي كنيم.
الف- سيم پيچي حلقوب شامل حلقوي ساده و حلقوي مركب
ب- سيم پيچي موجي شامل موجي ساده و موجي مركب
ج- سيم پيچي پاي قورباغه اي
لازم است در اينجا تعداد مسيرهاي جريان كه در هر نوع ايجاد مي شود نيز معرفي شود. تعداد مسيرهاي جريان را با 2a نشان ميدهند كه بشرح زير است:
                                                                     2a = 2P          حلقوي ساده
                                                                     2a = 2P.m      حلقوي مركب
                                                                     2a = 2            موجي ساده
                                                                     2a = 2m         موجي مركب
2P : تعداد قطبهاي آرميچر ، m : درجه مركب بودن آرميچر
عكس العمل مغناطيسي آرميچر:
چنانچه ماشينهاي جريان مستقيم زير بار قرار گيرند يعني از سيم پيچي آرميچر جريان عبور كند يك ميدان عكس العمل (عرضي) توسط آرميچر ايجاد مي گردد. اين ميدان باعث مي شود منطقه خنثي در مولدها در جهت چرخش و در موتورها در خلاف جهت چرخش تغيير مكان دهد. عكس العمل آرميچر علاوه بر انحراف محور خنثي سبب تضعيف ميدان مغناطيسي اصلي مي شود در نتيجه نيرو محركه القاء شده در سيم پيچ كم شده، تلفات انرژي در ماشين و جرقه در زير جاروبكها بوجود مي آيد براي از بين بردن و يا كم كردن اثر عكس العمل در ماشينهاي جريان مستقيم مي توان از قطبهاي كمكي و يا در ماشينهاي بزرگتر از سيم پيچي جبرانگر هم استفاده كرد.
پديده كموتاسيون:
تغيير تماس جاروبك از يك تيغه كموتاتور به تيغه ديگر كموتاسيون نام دارد  در اين جابجايي كلافي كه تحت كموتاسيون قرار مي گيرد چون توسط جاروبك اتصال شده  بايد در صفحه خنثي قرار گيرددر عين حال چون جريان در اين كلاف در زمان كموتاسيون تغيير مقدار و جهت ميدهد سبب بوجود آمدن ولتاژ خود القايي در اين كلاف شده و از آنجا كه اين كلاف توسط جاربك و تيغه هاي كموتاتور اتصال كوتاه شده است جرقه نسبتاٌ شديد بين زغالها و كموتاتور بوجود مي آيد. قطبهاي كمكي براي رفع اين عيب موثر خواهد بود. اما در ماشينهاي كه قطب كمكي ندارند بهبود عمل كموتاسيون با تغيير محل جاروبكها (در جهت گردش در مولدها و در خلاف جهت گردش در موتورها) انجام گيرد. اين جابجايي درست كاملا امكان پذير و قابل مشاهده مي باشد.
رابطه نيرومحركه القاي در ماشينهاي DC واقعي
ولتاژ القاء شده در هر ماشين به سه عامل بستگي دارد:
1- فوران مغناطيسي (Ф)
2- سرعت زاويه اي رتور ماشين (ω)
3- ضريب ثابت كه به ساختمان ماشين بستگي دارد (K)
اين ولتاژ از رابطه رو به رو بدست مي آيد.                                             
مقدار K و ω را ميتوان از رابطه هاي زير بدست آورد
P : تعداد جفت قطبهاي ماشين
a : تعداد جفت مسيرهاي جريان                                                                                                                                              
Z : تعداد هادي هاي آرميچر
n : سرعت آرميچر برحسب دور بر دقيقه 

رابطه گشتاور توليد شده در آرميچر ماشينهاي جريان مستقيم واقعي
گشتاور توليد شده در ماشينهاي جريان مستقيم نيز به سه عامل بستگي دارد
1- فوران مغناطيسي (Ф)
2- جريان آرميچر (IA)
3- يك ضريب ثابت (K)
اين گشتاور از رابطه رو به رو بدست مي آيد.
توان و راندمان در ماشينهاي DC
در صورتيكه توان ورودي يك ماشين P1 و توان خروجي آن را P2 بناميم تفاوت اين دو تلفات ماشين نام دارد.                                                                                              
ضريب بهره (راندمان): نسبت توان خروجي به توان ورودي ماشين را ضريب بهره مي گويند.
                                                                                                      
تلفات در ماشينهاي DC: تلفات در ماشينهاي جريان مستقيم بصورت زير تقسيم بندي مي شوند.
1- تلفات مكانيكي يا اصطكاكي (Pmec)
2- تلفات آهني يا تلفات هسته (PFe)
3- تلفات مسي (Pcu)
- تلفات مكانيكي بعلت اصطكاك محور ماشين در ياتاقانها و اصطكاك جاروبكها با كلكتور و مقاومت هوا بوجود مي آيد.
- تلفات هسته از تلفات هيسترزيس و تلفات ناشي از جريانهاي گردابي در هسته آرميچر تشكيل مي شود.
- تلفات مسي يا ژولي در اثر عبور جريان از سيم پيچ هاي تحريك و آرميچر بوجود مي آيد.