مقدمه

یک موتور الکتریکی ، الکتریسیته را به حرکت مکانیکی تبدیل می‌کند. عمل عکس آن که تبدیل حرکت مکانیکی به الکتریسیته است، توسط ژنراتور انجام می‌شود. این دو وسیله بجز در عملکرد ، مشابه یکدیگر هستند. اکثر موتورهای الکتریکی توسط الکترومغناطیس کار می‌کنند، اما موتورهایی که بر اساس پدیده‌های دیگری نظیر نیروی الکتروستاتیک و اثر پیزوالکتریک کار می‌کنند، هم وجود دارند.در اين مقاله سعي ميكنم مطالبي مفيد در مورد عملكرد موتور الكتريكي و ژنراتور به صورت ساده ومختصر براي شما ارائه كنم.

1-آهنربا                                                                                             

 مي دانيد كه آهنربا بعضي از فلزات (آهن، كبالت ، نيكل وبيشتر انواع فولاد)را جذب مي كند .دربعضي از مناطق در داخل زمين نيز آهنربا يافت مي شود كه آهنها را آهنربای طبيعي يا سنگ آهن مغناطيسي مي نامند. آهنرباي طبيعي سنگ سياهي است كه داراي آهن مغناطيس مي باشد.برخي از آهنربا ها با الكتريسيته كار مي كنند.اين نوع آهن ربا ها را آهن رباي الكتريكي مي نامند .زميني كه در روي آن زندگي مي كنيم هم يك آهن ربا ست . رفتار زمين طوري است كه گويا آهنرباي عظيمي در درون آن قرار دارد .يك انتهاي اين آهنربا را قطب مغناطيسی شمال و يك انتهاي ديگر آن را قطب مغناطيسی جنوب مي نامند.همه ی آهنربا ها تحت تاثير آهنرباي عظيم زمين هستند.

جالب است بدانيد قطب هاي مغناطيس شمال و جنوب زمين با قطب هاي جغرافيايي شمال و جنوب تطابق كامل ندارد (قطب هاي جغرافيايي شمال و جنوب همان نقاطي هستند كه زمين گرد ان ها مي چرخد.)

۲-ميدان هاي مغناطيسي    

دو قطب يكسان آهنربا يكديگر را دفع و دو قطب مخالف آن هم را جذب ميكنند(نيروي دفع يا رانش تنها روش صحيحي است كه مي توان با آن مغناطيسي بودن را مورد آزمايش قرار داد زيرا فقط دو اهنربا قادرند يكديگر را برانند.در برخي از ترن هاي سريع مانند ترن هاي ماگلو از نيروي رانش آهنرباهاي قوي استفاده شده است.اين آهنرباها طوري در ترن ومسير آن قرار داده شده اند كه قطب هاي يكسان اهن رباي ترن واهن رباي مسير روبروي هم قرار دارند.اين قطب ها هم را مي رانند وترن بدون تماس با خط آهن بر روي ان حركت مي كند.)

هرچند نيروي مغناطيسي در قطب ها ي آهنبا از همه جا قوي تر است اما در خارج از اهنربا هم مي توان اثر آن را يافت.اگر بر روي يك اهنربا كاغذي نازك گذاشته وبراده آهن را روي آن بپاشيد اين براده ها طرحي را تشكيل مي دهند .اين طرح را ميدان مغناطيسي آهنربا گويند.مواد مغناطيسي در درون اين ميدان نيروي جاذبه ودافعه را حس مي كنند. ميدان مغناطيسي مي تواند از موادي مانند هوا آب كاغذ و شيشه عبور كند.

۳-آهن رباي الكتريكي

آهنربای الکتریکی ساده را می‌توان در منزل ساخت. کافی است که چندین دور سیم عایق شده‌ای را بر یک میله آهنی (پیچ یا میخ ) بپیچانیم و دو انتهای سیم را به  باتري يا پيل وصل کنیم.

۴-توليد الكتريسيته به كمك آهنربا

باتري ها وپيل ها براي توليد مقادير كم الكتريسيته بسيار مفيدنداما عمر آن ها كوتاه است وبسيار گران هستند.بيشتر الكتريسيته اي كه مصرف مي كنيم به كمك مواد شيميايي به دست نمي آيد بلكه با استفاده از مغناطيس توليد مي شود .

مايكل فاراده اولين كسي بود كه با استفاده از آهن ربا  ،الكتريسيته توليد كرد.او يك آهنرباي الكتريكي را به سمت داخل وخارج،در درون  يك سيم پيچ حركت داد .اين كار موجب شد كه جريان الكتريكي در سيم ها جريان يابد.امروزه بيشتر الكتريسيته اي كه از آن استفاده مي كنيم ؛مديون اين كشف مهم است.

۵- دينام دوچرخه   

چراغ هاي دوچرخه ها از يك مولد ساده به نام دينام نيرو مي گيرد.اين دينام از يك آهنربا و يك سيم پيچ تشكيل شده است .آهنربا به شكل استوانه است و با چرخش چرخ دوچرخه به داخل سيم پيچ فرو مي رود با حركت چرخشي يا رفت وبرگشتي آهنربا در داخل سيم پيچ  جريان الكتريسيته درسيم توليد شده و چراغ ها روشن مي شوند.

۶-ژنراتورها در نيروگاه

بخش عمده الكتريسيته مورد نيازما در نيروگاه ها توليد مي شود.مولدهايي عظيمي در نيروگاه ها وجود دارند كه در هر مولد سيمپيچي با سيم هاي مسي در اطراف يك آهنرباي بزرگ قرار گرفته است.

اين آهنربا به سرعت حركت كرده و الكتريسيته توليد مي كند.

در نيروگاه ها با استفاده از گرما آب راتبخيرمي كنند ووبخار از طريق لوله ها به جرخ پره دار بزرگي به نام توربين مي رسد.پره هايي كه در اثر فشلر بخار به حركت در آمده اند تا سه هزار بار در دقيقه مي چرخند . محوري توربين را به يك مولد متصل مي كند با چرخش توربين مولد نيز چرخيده و طبق روش بالا الكتريسيته توليد مي شود.

در نيروگاه هاي هسته اي از يك ماده راديو اكتيو به نام اورانيوم استفاده مي كنند .اورانيوم از سنگ اورانيوم بدست مي آيد و مقداري كمي از آن مي تواند مقدار زيادي انرژي به صورت گرما توليد كند.

اساس كار در اين مورد بر شكستن هسته اورانيم استوار است.

در نيروگاههاي بادي و هيدروليك(آبي) نيز از انرژي باد وآب براي  حركت توربين استفاده مي شود. 
۷-موتور الکتریكي                  

                             
در موتور هاي الكتريكي اساس كار بر اين اصل استوار است كه وقتی که یک سيم پيچ  حامل جریان الکتریسیته   تحت اثر یک میدان مغناطیسی قرار می‌گیرد، نیرویی بر روی آن سيم پيچ  از سوی میدان وارد می‌شود. در یک موتور استوانه‌ای ،سيم پيچ  روتور به علت گشتاوری که ناشی از نیرویی است که به فاصله‌ای معین از محور روتور به روتور اعمال می‌شود، می‌گردد.

اغلب موتورهای الکتریکی دوارند، اما موتور خطی هم وجود دارند. در یک موتور دوار بخش متحرک (که معمولاً درون موتور است) روتور و بخش ثابت استاتور خوانده می‌شود. موتور شامل آهنرباهای الکتریکی است که روی یک قاب سیم پیچی شده است. گر چه این قاب اغلب آرمیچر خوانده می‌شود، اما این واژه عموماً به غلط بکار برده می‌شود. در واقع آرمیچر آن بخش از موتور است که به آن ولتاژ ورودی اعمال می‌شود یا آن بخش از ژنراتور است که در آن ولتاژ خروجی ایجاد می‌شود. با توجه به طراحی ماشین ، هر کدام از بخشهای روتور یا استاتور می‌توانند به عنوان آرمیچر باشند.

۸-انواع موتورهای الکتریکی

-موتورهای DC

یکی از اولین موتورهای دوار ، اگر نگوییم اولین ، توسط مایکل فارادی در سال 1821م ساخته شده بود و شامل یک سیم آویخته شده آزاد که در یک ظرف جیوه غوطه‌ور بود، می‌شد. یک آهنربای دائم در وسط ظرف قرار داده شده بود. وقتی که جریانی از سیم عبور می‌کرد، سیم حول آهنربا به گردش در می‌آمد و نشان می‌داد که جریان منجر به افزایش یک میدان مغناطیسی دایره‌ای اطراف سیم می‌شود. این موتور اغلب در کلاسهای فیزیک مدارس نشان داده می‌شود، اما گاهاً بجای ماده سمی جیوه ، از آب نمک استفاده می‌شود.

موتور کلاسیک DC دارای آرمیچری از آهنربای الکتریکی است. یک سوییچ گردشی به نام کموتاتور جهت جریان الکتریکی را در هر سیکل دو بار برعکس می کند تا در آرمیچر جریان یابد و آهنرباهای الکتریکی، آهنربای دائمی را در بیرون موتور جذب و دفع کنند. سرعت موتور DC به مجموعه ای از ولتاژ و جریان عبوری از سیم پیچهای موتور و بار موتور یا گشتاور ترمزی ، بستگی دارد.

سرعت موتور DC وابسته به ولتاژ و گشتاور آن وابسته به جریان است. بدلیل اینکه این نوع از موتور می‌تواند در سرعتهای پایین گشتاوری زیاد ایجاد کند، معمولاً از آن در کاربردهای (کششی) نظیر لکوموتیوها استفاده می‌کنند.

-موتورهای میدان سیم پیچی شده

آهنرباهای دائم در (استاتور) یک موتور DC را می‌توان با آهنرباهای الکتریکی تعویض کرد. با تغییر جریان میدان (سیم پیچی روی آهنربای الکتریکی) می‌توانیم نسبت سرعت/گشتاور موتور را تغییر دهیم. اگر سیم پیچی میدان به صورت سری با سیم پیچی آرمیچر قرار داده شود، یک موتور گشتاور بالای کم سرعت و اگر به صورت موازی قرار داده شود، یک موتور سرعت بالا با گشتاور کم خواهیم داشت.

-موتورهای یونیورسال

یکی از انواع موتورهای DC میدان سیم پیچی شده موتور ینیورسال است. اسم این موتورها از این واقعیت گرفته شده است که این موتورها را می‌توان هم با جریان DC و هم AC بکار برد، اگر چه که اغلب عملاً این موتورها با تغذیه AC کار می‌کنند. اصول کار این موتورها بر این اساس است که وقتی یک موتور DC میدان سیم پیچی شده به جریان متناوب وصل می‌شود، جریان هم در سیم پیچی میدان و هم در سیم پیچی آرمیچر (و در میدانهای مغناطیسی منتجه) همزمان تغییر می‌کند و بنابراین نیروی مکانیکی ایجاد شده همواره بدون تغییر خواهد بود. در عمل موتور بایستی به صورت خاصی طراحی شود تا با جریان AC سازگاری داشته باشد و موتور نهایی عموماً دارای کارایی کمتری نسبت به یک موتور معادل DC خالص خواهد بود.

مزیت این موتورها این است که می‌توان تغذیه AC را روی موتورهایی که دارای مشخصه‌های نوعی موتورهای DC هستند بکار برد، خصوصاً اینکه این موتورها دارای گشتاور راه اندازی بسیار بالا و طراحی بسیار جمع و جور در سرعتهای بالا هستند. جنبه منفی این موتورها تعمیر و نگهداری و مشکل قابلیت اطمینان آنهاست که به علت وجود کموتاتور ایجاد می‌شود و در نتیجه این موتورها به ندرت در صنایع مشاهده می‌شوند، اما عمومی‌ترین موتورهای AC در دستگاههایی نظیر مخلوط کن و ابزارهای برقی که گاهاً استفاده می‌شوند، هستند.

-موتورهای AC

موتورهای AC تک فاز:

معمولترین موتور تک فاز موتور سنکرون قطب چاکدار است، که اغلب در دستگاه هایی بکار می رود که گشتاور پایین نیاز دارند، نظیر پنکه‌های برقی ، اجاقهای ماکروویو و دیگر لوازم خانگی کوچک. نوع دیگر موتور AC تک فاز موتور القایی است، که اغلب در لوازم بزرگ نظیر ماشین لباسشویی و خشک کن لباس بکار می‌رود.

موتورهای AC سه فاز:

برای کاربردهای نیازمند به توان بالاتر، از موتورهای القایی سه فاز AC (یا چند فاز) استفاده می‌شود. این موتورها از اختلاف فاز موجود بین فازهای تغذیه چند فاز الکتریکی برای ایجاد یک میدان الکترومغناطیسی دوار درونشان ، استفاده می‌کنند. اغلب ، روتور شامل تعدادی هادیهای مسی است که در فولاد قرار داده شده‌اند. از طریق القای الکترومغناطیسی میدان مغناطیسی دوار در این هادیها القای جریان می‌کند، که در نتیجه منجر به ایجاد یک میدان مغناطیسی متعادل کننده شده و موجب می‌شود که موتور در جهت گردش میدان به حرکت در آید.

این نوع از موتور با نام موتور القایی معروف است. برای اینکه این موتور به حرکت درآید بایستی همواره موتور با سرعتی کمتر از فرکانس منبع تغذیه اعمالی به موتور ، بچرخد، چرا که در غیر این صورت میدان متعادل کننده‌های در روتور ایجاد نخواهد شد. استفاده از این نوع موتور در لوکوموتیوها روز به روز در حال افزایش است. موتورهای سنکرون را می‌توانیم به عنوان مولد جریان هم بکار برد.

موتورهای پله‌ای

نوع دیگری از موتورهای الکتریکی موتور پله‌ای است، که در آن یک روتور درونی ، شامل آهنرباهای دائمی توسط یک دسته از آهنرباهای خارجی که به صورت الکترونیکی روشن و خاموش می‌شوند، کنترل می‌شود. یک موتور پله‌ای ترکیبی از یک موتور الکتریکی DC و یک سلونوئید است. موتورهای پله‌ای ساده توسط بخشی از یک سیستم دنده‌ای در حالتهای موقعیتی معینی قرار می‌گیرند، اما موتورهای پله‌ای نسبتا کنترل شده ، می‌توانند بسیار آرام بچرخند. موتورهای پله‌ای کنترل شده با کامپیوتر یکی از فرمهای سیستمهای تنظیم موقعیت است، بویژه وقتی که بخشی از یک سیستم دیجیتال دارای کنترل فرمان یار باشند.

موتورهای خطی

یک موتور خطی اساساً یک موتور الکتریکی است که از حالت دوار در آمده تا بجای اینکه یک گشتاور (چرخش) گردشی تولید کند، یک نیروی خطی توسط ایجاد یک میدان الکترومغناطیسی سیار در طولش ، بوجود آورد. موتورهای خطی اغلب موتورهای القایی یا پله‌ای هستند. می‌توانید یک موتور خطی را در یک قطار سریع السیر ماگلیو مشاهده کنید که در آن قطار روی زمین پرواز می‌کند.