מנועים אלקטרוניים: חקר הבסיסים

Charles Carter |

מבוא

מנועים חשמליים אחראים על המרת אנרגיה חשמלית לאנרגיה מכנית. זהו מכשיר חשוב בתעשייה האלקטרונית והמכנית, שכן הוא משחק תפקיד חיוני בבניית מכשירים אלקטרוניים, כלים ומכונות רבות. מאמר זה יהיה מדריך למתחילים לעולם המנועים החשמליים, שכן הוא יבחן את הסוגים השונים של מנועים חשמליים, יישומים ועוד.

מהם מנועים חשמליים?

מנועים חשמליים הם מכשירים שממירים אנרגיה חשמלית לאנרגיה מכנית, בדרך כלל באמצעות העיקרון האלקטרומגנטי. רוב המנועים החשמליים פועלים דרך האינטראקציה של השדה המגנטי של המנוע וזרמים חשמליים המסתלסלים סביב חוט כדי לייצר כוח בצורה של מומנט המוענק על ציר המנוע.

מנועים חשמליים יכולים לפעול באמצעות ספקי זרם ישר (DC) כמו מיישרים או סוללות או באמצעות ספקי זרם חילופין (AC) כמו גנרטורים חשמליים, רשתות חשמל או ממירים. מנועים חשמליים יכולים להיות מסווגים על פי סוג ספק הכוח שלהם, הבנייה, היישום וסוג פלט התנועה.

המרכיבים המרכזיים של מנועים חשמליים

המנוע החשמלי כולל חלקים שונים, אך הרכיבים המרכזיים הם:

  1. מיסבי מנוע חשמלי: הרוטור מסתובב על צירו בזכות התמיכה של מסבים מגוף המנוע. הרוטור מסתובב על צירו בזכות התמיכה של מסבים מגוף המנוע.
  2. רוטור מנוע חשמלי: הרוטור הוא רכיב של המנוע שמזיז ומייצר אנרגיה מכנית. הוא בעצם מחזיק מוליכים שמעבירים זרם, ושדה המגנטי של הסטטור מפעיל כוח כדי לסובב את הציר.

עם זאת, רוטורים אחרים כוללים מגנטים קבועים, והסטטור מחזיק את המוליכים. מגנטים קבועים מספקים יעילות גבוהה בטווחי כוח רחבים יותר ובמהירות עבודה.

המרווח האווירי בין הרוטור לסטטור מאפשר לו להסתובב. רוחב המרווח משפיע באופן חשוב על התכונות החשמליות של המנוע. בדרך כלל הוא עשוי להיות קטן ככל האפשר, שכן מרווח גדול יכול להוביל לביצועים חלשים. מנועים חשמליים פועלים עם מקדם כוח נמוך בעיקר בשל העיצוב שלהם.

  1. סטטור מנוע חשמלי:הסטטור מקיף את הרוטור ומכיל את מגנטי השדה. מגנטים אלו יכולים להיות או מגנטים אלקטרומגנטיים, המורכבים מחוטים מסולסלים על ליבת ברזל פרומגנטית, או מגנטים קבועים. הם מייצרים שדה מגנטי שעובר דרך סליל הרוטור, מפעיל עליו כוח. ליבת הברזל של הסטטור מורכבת ממספר דפי מתכת דקים עם בידוד, הנקראים למינציות. למינציות מפחיתות אובדן אנרגיה, המתרחש אם משתמשים בליבה מוצקה.
  1. ארמטור מנוע חשמלי: הזרוע עשויה מחוטים מסולסלים על ליבת פרומגנטית. כאשר זרם חשמלי זורם דרך חוט, הוא יוצר שדה מגנטי שמפעיל כוח לורנץ על החוט, מה שגורם לרוטור להסתובב ולספק פלט מכני. סלילים של חוטים עטופים סביב ליבת ברזל מְשׁוּכָּבָה כדי ליצור קטבים מגנטיים כאשר מסופק זרם.
  2. ממיר מנוע חשמלי: קומוטטור הוא מתג סיבובי שמחליף באופן תקופתי את זרימת הזרם בסליל הרוטור כאשר הציר מסתובב, ומספק זרם חילופין או זרם ישר לרוטור. הוא מורכב מצילינדר עשוי ממספר קטעי מגע מתכתיים על הזרם. מגעים חשמליים הידועים בשם מברשות משמשים להעברת זרם חשמלי לרוטור. מברשות אלו עשויות מחומר מוליך רך, כגון פחמן, אשר נלחץ על הקומוטטור. כאשר הרוטור מסתובב, המברשות יוצרות מגעים מחליקים עם כל קטע עוקב של הקומוטטור, ומספקות זרם לרוטור. בנוסף, סלילי החוטים של הרוטור מחוברים לקטעי הקומוטטור.

סוגי מנועים חשמליים 

ישנם מספר סוגים של מנועים חשמליים, וכל אחד מהם שונה באופן שבו המוליכים והשדה מסודרים וגם על פי הבקרה שניתן להפעיל על הפלטים המכניים, מומנט, מהירות ומיקום. כמה מהסוגים העיקריים של מנועים חשמליים נדונים למטה.

 

  1. מנועי DC

מנוע DC הוא כל מכונה סיבובית הממירה אנרגיה חשמלית מזרם ישר (DC) לאנרגיה מכנית. מנועי DC שימשו בדרך כלל מכיוון שניתן להפעילם על ידי מערכות תאורה בזרם ישר. מהירות מנוע DC יכולה להיות נשלטת בטווח רחב על ידי ספק מתח משתנה או על ידי שינוי עוצמת הזרם בסליל השדה שלו.

מנועי DC קטנים משמשים במכשירים כמו כלים וצעצועים, בעוד שמנועים גדולים משמשים להנעת מעליות ומנופים, רכבים חשמליים, ומנועים למפעלי רידוד עבור פלדה.

  1. מנועי AC

מנוע AC הוא מנוע חשמלי שפועל על זרם חילופין. יש לו סטטור חיצוני עם סלילים שמייצרים שדה מגנטי. רוטור פנימי מחובר לציר כדי ליצור שדה מגנטי מסתובב שני.

ישנם שני סוגים עיקריים של מנועי AC: מנועי סינכרוני ומנועי אינדוקציה. מנוע האינדוקציה או המנוע האסינכרוני מתבסס אך ורק על הבדל קטן במהירות בין מהירות ציר הרוטור לשדה המגנטי הסובב של הסטטור הנקרא החלקה, מה שמוביל לזרם רוטור במעגל ה-AC של הרוטור.

  1. מנועים 12V

מנוע DC 12V הוא זול וקטן אך חזק מספיק לשימוש במגוון יישומים. מנועי DC 12V בדרך כלל הם חסרי מברשות ויכולים לפעול מבלי להשתמש במברשות כדי להזרים את הזרם החשמלי. תכונה ייחודית של מנוע DC 12V היא מתח הפעולה שלו.

  1. מנועי סטפר

מנוע סטפר, הנקרא גם מנוע צעדים, הוא מכשיר אלקטרומכני הממיר פולסים חשמליים לתנועות מכניות מדויקות. מנוע DC ללא מברשות מחלק מהפך שלם למספר צעדים שווים. הוא מאופיין בהמרת סדרת פולסים קלט בגלי ריבוע לתוספות מוגדרות במדויק במיקום הסיבובי של הציר. 

מנוע סטפר מורכב מאלקטרומגנטים משוננים המקיפים רוטור מרכזי, שהוא חלק ברזל בצורת גלגל שיניים. מיקרו-בקר או מעגל נהיגה חיצוני מספקים כוח לאלקטרומגנטים.  

  1. מנועים תעשייתיים

מנועים חשמליים תעשייתיים ממירים אנרגיה חשמלית לכוח מכני, ומייצרים כוח סיבובי או ליניארי. למרות שזרמים ישרים מספקים כוח לחלק מהמנועים התעשייתיים, הם לרוב מופעלים על ידי אספקת זרם חילופין (AC) כמו רשתות חשמל או גנרטורים.

המרכיבים של מנוע תעשייתי כוללים את הרוטור, הסטטור, הסליל, המרווח האווירי והקומוטטור. סוגים אחרים של מנועים שעליך לדעת הם מנועים חד-פאזיים, מנועי סרוו, מנועים תלת-פאזיים, מנועים חשמליים 2HP, מנועים חשמליים 1HP ומנועים ללא מברשות.

יישומים של מנועים חשמליים

מנועים חשמליים משמשים בעיקר במגוון יישומים כגון מאווררים וכלי מכונה, משאבות, אלטרנטורים, כלי עבודה חשמליים, מנועים, מדחסים, טורבינות, מפעלי רולינג, ספינות ומפעלי נייר.

המנוע החשמלי חשוב ביישומים שונים כמו חימום במתח גבוה AC, ציוד קירור ואוורור, רכבי מנוע, ומכשירי חשמל ביתיים.

מנועים סטנדרטיים מספקים אנרגיה מכנית מתאימה לשימוש תעשייתי. יישומים כוללים מכונות כלי עבודה, כלי עבודה חשמליים, מאווררים תעשייתיים, מפוחים ומשאבות, מכשירי חשמל ביתיים, רכבים ודיסק דרייברים.

מנועים קטנים משמשים בדרך כלל בשעונים חשמליים, בעוד שבלימה רגנרטיבית משמשת לעיתים קרובות במנועי הנעה. מנועים חשמליים משמשים לבלימה רגנרטיבית במנועי הנעה בהפוך כמייצרי חשמל שמחזירים כוח שעשוי אחרת להתבזבז עקב חיכוך וחום.