انتخاب موتور الکتریکی مناسب

موتور الکتریکی دستگاهی الکترومکانیکی است که انرژی الکتریکی را به انرژی مکانیکی تبدیل می‌کند. حرکت آن اغلب چرخشی است و انرژی مکانیکی با سرعت چرخش و گشتاور موتور توصیف می‌شود.

این راهنمای خرید، تنها برای انتخاب این نوع از موتور صدق می‌کند. موتورهای خطی را در راهنمای خرید دیگری بررسی می‌کنیم.

تخمین زده شده است که سیستم های موتور الکتریکی ۴۶ درصد مصرف الکتریسیته جهان را دارند. در صنعت، موتورهای الکتریکی همه جا به کار گرفته می‌شوند. آن ها پمپ‌ها را به کار می‌اندازند، کمپرسورها و نوار نقاله‌ها را کنترل می‌کنند، فن‌ها، دمنده‌ها، دریل‌ها و میکسرها را راه می‌اندازند. موتورهای الکتریکی قلب صنعت هستند.

ملاک‌های انتخاب موتورهای الکتریکی چیست؟

موتورهای الکتریکی اجرای انواع مختلف حرکت را ممکن می سازند: حرکات سریع، دقیق، مستمر، با تغییر دنده یا بدون تغییر دنده و غیره. همه‌ی این کاربردها به تکنولوژی موتور خاص خود احتیاج دارند.

۱٫ ابتدا باید بین سه گروه اصلی موتورهای الکتریکی انتخاب کنید:

• موتور ناهمگام AC (تک فاز یا سه فاز).
• موتور همگام: موتور DC (جریان مستقیم)، بدون جاروبک یا براشلس (brushless) و غیره.
• استپر موتور (موتور پله‌ای).

۲٫ برای انتخاب بین این سه گروه، مشخص کردن نوع کاربرد مورد نیاز شما اهمیت بالایی دارد:

• اگر مایلید موتور به صورت مستمر و با تغییر دنده‌ی کم کار کند، باید یک موتور ناهمگام انتخاب کنید.
• برای کاربردهای داینامیک (پویا) مهم است موتور همگام داشته باشید.
• در آخر، اگر جایگیری دقیق نیاز دارید باید یک استپر موتور (موتور پله‌ای) انتخاب کنید.

۳٫ همچنین باید بسته به حرکتی که نیاز دارید، مشخصات فنی و سایز موتور را مشخص کنید:

• برای تعیین خصوصیات فنی باید قدرت، گشتاور و سرعت موتور را مشخص کنید.
• برای تعیین سایز، باید بدانید موتور چه مقدار فضا اشغال می‌کند و چگونه نصب می‌شود (یعنی چگونه روی سیستم فیکس می‌شود).

۴٫ هنگام انتخاب ابعاد و استحکام موتور باید شرایط محیط صنعتی که موتور در آن کار می‌کند را در نظر بگیرید:

• برای هر نوع محیط (قابل انفجار، مرطوب، خورنده، دارای دمای بالا و غیره) یک فرمت سازگار با محیط وجود دارد.
• برای محیط ‌های خشن، موتورهایی با محفظه‌های تقویت شده، ضد آب، مقاوم در برابر شوک یا مقاوم در برابر گرد و خاک وجود دارد.

۵٫ و در آخر، در سال‌های اخیر، هنگام انتخاب یک موتور، بهینه‌سازی انرژی به فاکتور مهمی تبدیل شده است:

• موتور الکتریکی‌ای که انرژی کمتری استفاده کند، تاثیرات مخرب انرژی کمتری را متحمل می‌شود که سبب کاهش هزینه‌های انرژی آن می‌شود.

چگونه بین موتور AC و موتور DC انتخاب کنیم؟

این دو نوع موتور به دو طرز متفاوت ساخته شده‌اند:

• اساسی‌ترین تفاوت در منبع تغذیه‌ی این دو نوع موتور است: برای مثال جریان متناوب (تک فازی یا سه فازی) و جریان مستقیم (DC).
• تفاوت دیگر سرعت است. سرعت یک موتور AC با تغییر جریان در موتور کنترل می شود. در صورتی که سرعت یک موتور DC با تغییر فرکانس، معمولا توسط یک مبدل فرکانس، کنترل می‌شود. به همین دلیل، موتورهای AC سریع تر از موتورهای DC کار می‌کنند.

۱٫ موتورهای AC:

موتورهای AC بیش‌ترین کاربرد را در صنعت دارند، چرا که مزایای زیادی دارند:

• ساختن آنها آسان است.
• با توجه به مصرف کم به هنگام راه‌اندازی، این موتورها اقتصادی‌تر (به صرفه‌تر) هستند.
• این موتورها قدرتمندتر هستند و به همین دلیل عموما طول عمر بیشتری دارند.
• نگهداری کمی لازم دارند.

به علت نحوه‌ی عملکرد آن‌ها، که شامل چرخش روتور و فرکانس جریان می‌شود، سرعت این موتورها ثابت باقی می‌ماند. این موتورها مناسب عملیات‌هایی هستند که به حرکت مداوم و تغییرات کم دنده نیاز دارند. بنابراین، این نوع موتور بسیار مناسب استفاده در پمپ‌ها، حامل‌ها و فن‌ها است.

همچنین می‌توان آن‌ها را در سیستم‌هایی به کار گرفت که در صورت استفاده از این موتورها با سرعت متغیر، به درستی زیادی نیاز ندارند.

از طرف دیگر، قابلیت کنترل سرعت، آن‌ها را نسبت به موتورهای دیگر گران‌تر می‌سازد.

دو نوع موتور AC وجود دارد: تک فازی و سه فازی.

• موتورهای تک‌فازی با این مشخصات شناخته می‌شوند:
  • توان الکتریکی (بر حسب کیلو وات)، که گشتاور را معین می‌کند.
  • تعداد قطب‌ها، که سرعت چرخشی را مشخص می‌کند.
  • روش اتصال: فلنج (B14, B5) یا براکت (B3).
  • بازده.
  • کمتر صنعتی بودن به دلیل قدرت کمتر.
  • قابلیت استفاده در شبکه برق خانگی.

• موتورهای سه فازی با این مشخصات شناخته می‌شوند:
  • معماری است که امکان انتقال توان الکتریکی بیشتری را نسبت به موتور ولتاژی تک‌فازی فراهم می‌آورد.
  • به کارگیری آن‌ها در محیط ‌های صنعتی (حدود ۸۰ درصد).
  • استفاده از آن‌ها در زیربناها و تجهیزاتی که نیازمند توان الکتریکی بالا هستند.

۲٫ موتورهای DC:

موتورهای DC هم در محیط های صنعتی بسیار رایج هستند، چرا که بسته به نوع، مزایای چشمگیری دارند (موتورهای بدون جاروبک یا براشلس را مشاهده کنید):

• دقیق و سریع هستند.
• سرعت آن‌ها را می‌توان با تغییر در ولتاژ منبع، کنترل کرد.
• نصب آن‌ها، حتی در سیستم‌های متحرک (با منبع تغذیه‌ی باطری)، آسان است.
• گشتاور اولیه بالا است.
• شروع به کار، توقف، شتاب‌گیری و معکوس شدن، سریع انجام می‌شود.

این موتورها برای کاربردهای دینامیکی مناسب هستند که به درستی خوبی در سرعت، مانند آسانسورها، و یا درستی خوب در موقعیت، مانند ربات‌ها یا ابزارآلات ماشینی، نیاز دارند.

آن‌ها همچنین برای عملیات‌هایی که به توان بالا (مثلا ۱۰۰۰۰ کیلو وات) نیاز دارند، سودمند هستند.

گرچه، این موتورها بسته به ساختارشان در مقایسه با موتورهای AC معایبی هم دارند:

• زیاد رایج نیستند چون برای کاربردهایی که قدرت بالا دارند چندان مناسب نیستند.
• این موتورها از قطعات زیادی دارند ساخته شده‌اند که فرسوده می‌شوند و جایگزینی آن‌ها هزینه‌ی بالایی دارد.

۳٫ ترندهای امروزه‌ی بازار کدام‌ها هستند؟

• امروزه کاربرد موتورهای DC دارای جاروبک (brushed) در صنعت کمتر و کمتر می‌شود. در عوض، برای کاهش توان مصرفی و از آن‌جایی که برای عملیات مشابه، هزینه‌های نگهداری موتورهای AC پایین‌تر است، از این نوع موتورها استفاده می‌شود.

• از آن‌جایی که تعویض قطعات موتورهای DC خیلی هزینه‌بر است، برخی تولیدکنندگان، موتورهای AC در ترکیب با یک کنترلر الکتریک را بر می‌گزینند.

           ترکیب یک موتور AC و یک مبدل فرکانس، راه حلی مقرون بصرفه برای اکثر عملیات‌هایی است که به تغییرات سرعت نیاز دارند.

کدام یک را باید انتخاب کنید، موتور جاروبک دار (Brushed) یا موتور بدون جاروبک (Brushless)؟

رایج‌ترین انواع موتورهای DC، دو نوع موتورهای دارای جاروبک (brushed) و موتوهای بدون جاروبک یا براشلس (brushless) هستند.

۱٫ موتورهای دارای جاروبک (brushed)

موتورهای دارای جاروبک (brushed)، به خصوص برای تجهیزات اولیه صنعتی و عملیات‌های با بودجه‌ی کم، ساده‌ترین و پر استفاده‌ترین نوع موتورها هستند.

موتورهای دارای جاروبک فواید مشخصی دارند:

• کنترل آن ها آسان است.
• گشتاور آن ها در دور پایین، بسیار خوب است.
• قیمت بالایی ندارند.

بسته به کاربرد مورد نظر شما، چهار نوع موتور دارای جاروبک وجود دارد:

• با سیم‌پیچ سری (Series-wound):

  1. در این نوع موتور، استاتور به صورت سری به روتور متصل شده است و سرعت آن با تغییر ولتاژ ورودی کنترل می‌شود.
  2. هرچند، این نوع از کنترل سرعت تقریبا ضعیف است: به محض این که گشتاور وارد به موتور افزایش یابد، سرعت افت می‌کند.
  3. این نوع موتور برای کاربردهایی که به گشتاور آغازی بالایی نیاز دارند، مانند ماشین‌ها یا جرثقیل‌ها، مناسب است.

• با سیم‌پیچ شنت (Shunt-wound):

  1. در این نوع موتور، استاتور به صورت موازی به روتور متصل شده است که باعث می‌شود هنگام افزایش جریان موتور، بتوان به گشتاور بالاتر بدون کاهش سرعت دست یافت.
  2. این نوع موتور مناسب کاربردهای با سرعت ثابت، مانند جاروبرقی یا حمل‌کننده‌ها، است.

• با سیم‌پیچ ترکیبی (Compound wound):

  1. این نوع موتور، ترکیبی از ساختار موتورهای سیم‌پیچ سری و موتورهای سیم‌پیچ شنت است.
  2. در نتیجه، این موتور گشتاور اولیه بالا و تغییرات سرعت بالاتری را ارائه می دهد.
  3. این نوع موتور برای پرس‌های چرخشی، آسانسورها، نوار نقاله‌های بار، پمپ‌های گریز از مرکز و کمپرسورها مناسب است.

• آهن‌ربای دائم (Permanent magnet):

  1. این نوع موتور دارای یک آهن‌ربای دائمی است که دستیابی به گشتاورهای پایین را ممکن می سازد.
  2. این موتورها برای کاربردهایی که به کنترل با دقت بالا نیاز دارند، مانند رباتیک و سیستم‌های سروو (servo)، مورد استفاده می باشد.

همه موتورهای دارای جاروبک (brushed)، معایب چشمگیری هم دارند:

• نسبت به موتورهای بدون جاروبک (brushless) بازده‌ کمتری دارند. (بازده‌ ۷۵ تا ۸۰ درصدی در مقایسه با بازده‌ ۸۵ تا ۹۰ درصدی موتورهای بدون جاروبک (brushless)).
• طول عمر کاردهی آن‌ها کوتاه است، چرا که به دلیل وجود اصطکاک دائم، براش‌ها با گذشت زمان با سرعت بیش‌تری فرسوده می‌شوند. (بین ۱۰۰۰ تا ۱۰۰۰۰ ساعت عملیات بسته به تکرر استفاده، قدرت، سرعت، لرزش و غیره).
• جرقه بین براش و کالکتور می‌تواند سبب ایجاد نویز الکترومغناطیسی شده و در نتیجه باعث ایجاد شعله شود.
• به طور مشابه، به دلیل وجود ریسک ایجاد جرقه در اثر اصطکاک، استفاده از این نوع موتور در محیط های قابل انفجار مطلوب نیست.
• به دلیل افزایش دمای براش، معمولا سرعت محدود است.
• براش‌هایی که از جنس گرافیت هستند، گرد و خاکی تولید می‌کنند که می‌تواند به سایر دستگاه‌ها، برای مثال تجهیزات نوری، آسیب وارد کند.
• این موتورها به روان‌کاری نیاز دارند و به همین دلیل نمی‌توان از آن‌ها در جاروبرقی‌ها استفاده کرد.

۲٫ موتورهای بدون جاروبک (Brushless)

موتورهای بدون جاروبک، برخی از نقاط ضعف موتورهای دارای جاروبک، مانند وجود براش، را جبران می‌کنند. این موتورها مزایای دیگری نیز دارند:

• قادرند در سرعت های بالاتر کار کنند (تا ۱۰۰۰۰۰ دور بر دقیقه در مقایسه با سرعت ۲۰۰۰۰ دور بر دقیقه‌ای موتورهای دارای جاروبک).
• عمر سرویس آن‌ها طولانی‌تر است (بیش از ۱۰۰۰۰ ساعت عملیات).
• کارآمدتر و قابل اطمینان‌تر هستند.
• به جز بلبرینگ‌ها، قطعاتی با امکان فرسودگی ندارند. این امر عملیات تعمیر و نگهداری را کاهش می‌دهد.

توانایی این موتورها برای عملیات در سرعت های بالا، آن‌ها را برای آسیاب، فن، و اره مناسب می‌سازد.

موتورهای بدون جاروبک (brushless) به صورت سیستماتیک مجهز به یک انکودر هستند. انکودر، سنسوری است که امکان سوییچ کردن الکترونیک و تعیین موقعیت روتور را فراهم می‌سازد. بنابراین این موتورها برای عملکردهای دقت بالای سروو موتور عالی هستند.

با این حال، این موتورها معایبی هم دارند:

• هزینه ی اولیه بالاست، چرا که باید از یک تجهیز سوییچ کننده‌ی اختصاصی (کنترلر) در ارتباط با این نوع موتورها استفاده کرد.
• ضمنا این موتورها به یک کاهنده‌ی دنده در کابردهای درایو نیاز دارند.

آیا پایان موتورهای دارای جاروبک سر رسیده است؟ با توجه به پیمایشگر آپورچونیتی، خیر !

شاید به نظر برسد در جدال بین موتورهای دارای جاروبک و بدون جاروبک، موتورهای دارای جاروبک بازنده باشند و چاره‌ای به‌جز برگشتن به درون کمدها برای آن‌ها باقی نمانده باشد. در صورتی که این طور نیست، چرا که موتورهای دارای جاروبک همچنان در صنعت و حتی در فضا محبوب باقی مانده‌اند. یک تولیدکننده‌ی سوییسی موتورهای الکتریکی به نام مکسون، به طور مداوم بر روی ارتقای تکنولوژی‌های جدید برای موتورهای دارای جاروبک کار می‌کند و موتورهای دارای جاروبک آن، پیمایش گر ناسا که آپورچونیتی نام داشت و در سال ۲۰۰۳ به مریخ فرستاده شد، را تجهیز کردند.

آپورچونیتی از ۳۴ موتور دارای جاروبک DC بهره می‌برد که قادر بودند تحت شرایط بسیار دشوار و در بازه‌های دمایی گسترده، به خوبی عمل کنند.

انتخاب ناسا ساده بود: بهره بردن از سادگی کنترل موتورهای دارای جاروبک و امکان کنترل همه‌ی ۳۴ موتور توسط یک کنترلر. موتورهای دارای جاروبک، برای هر موتور به یک کنترلر نیاز داشتند که ریسک افزایش هزینه و پیچیدگی را به دنبال داشت.

چرا استپر موتور (موتور پله‌ای) انتخاب کنیم؟

یک استپر موتور (موتور پله‌ای)، یک پالس الکتریکی را به حرکتی زاویه‌ای تبدیل می‌کند. این موتور برای کاربردهایی که به کنترل موقعیت مدار باز نیاز دارند، مفید است.

سه گروه از موتورهای پله‌ای وجود دارد:

• موتور با مقاومت مغناطیسی متغیر: این موتور با مشخصات الکتریکی مشابه، دارای سرعت بیش‌تر و قدرت کمتر نسبت به موتور مغناطیس دائم است.
• موتور مغناطیس دائم: این موتور دارای قیمت پایین و همچنین رزولوشن پایین (به طور میانگین تا ۱۰۰ پله در چرخش) است.
• موتور هایبرید: این نوع موتور ترکیبی از تکنولوژی دو نوع موتور قبلی است، ولی قیمت بالاتری دارد. این موتور دارای مزایای گشتاور بهتر و سرعت بالاتر است. رزولوشن آن بین ۱۰۰ تا ۴۰۰ پله در چرخش است.

موتورهای مغناطیس دائم و هایبرید رایج‌ترین انواع موتورها هستند، چرا که دارای مزایای زیر هستند:

• دقیق هستند.
• گران‌قیمت نیستند.
• مستحکم هستند.
• ساختار ساده‌ای دارند.
• هنگام آغاز به کار و در سرعت‌های کم، گشتاور بالایی دارند.

با این حال معایبی هم دارند:

• سرعت و گشتاور آن‌ها نسبتا پایین است.
• با افزایش سرعت، گشتاور به شدت کاهش می‌یابد.
• این موتورها، لرزش‌هایی تولید می‌کنند که ممکن است باعث ایجاد مشکلات پاسخ دهی شوند.
• ریسک داغ شدن دارند.

هنگام انتخاب یک موتور پله‌ای، لازم است به این موارد دقت کنید:

• گشتاور و بار.
• تعداد پله‌ها.
• ابعاد موتور( وزن، فلنج نصب و غیره).
• قیمت.

استانداردهای بهینه بودن انرژی برای موتورهای الکتریکی کدامند؟

توجه تولیدکنندگان به مساله‌ی بهینه‌سازی انرژی رو به افزایش است. اقتصاد سبزتر و دارای سازگاری بیش‌تر با محیط زیست، یکی از اهداف کنفرانس تغییر آب و هوای سال ۲۰۱۵ در ایالات متحده است که بسیاری از ایالات به آن متعهد شدند. ولی از همه مهم‌تر، محدود کردن مصرف‌گرایی و به کارگیری تجهیزات با بازده‌ی انرژی بالاتر در صنایع در سال‌های اخیر است. با توجه به مطالعات کمیسیون اروپا، موتورها ۶۵ درصد مصرف انرژی در صنعت را در اروپا دارند. بنابراین برای کاهش گاز دی اکسید کربن باید اقدامی برای موتورها انجام شود. کمیسیون پیش‌بینی می‌کند که امکان بهینه‌سازی بازده‌ی انرژی موتورهای ساخت اروپا را تا سال ۲۰۲۰ تا ۲۰ تا ۳۰ درصد وجود دارد. نتیجه‌ی این کار، ۶۳ میلیون تن دی اکسید کربن کمتر در جو و کاهش مصرف ۱۳۵ میلیارد کیلو وات ساعت خواهد بود.

اگر مایلید از موتورهای بهینه انرژی استفاده و انرژی ذخیره کنید، و همچنین به محیط زیست نیز کمک کنید، ابتدا باید به استانداردهای بهینه بودن انرژی برای موتورها در کشور یا محیط جغرافیایی خود دقت کنید. ضمنا توجه داشته باشید که این استانداردها با همه ی موتورها سازگاری ندارند بلکه فقط بر موتورهای الکتریکی AC ناهمگام منطبق هستند.

استانداردهای بین المللی

• کمیسیون بین‌المللی الکتروتکنیک (IEC)، کلاس‌های بهینه بودن انرژی برای موتورهای الکتریکی موجود در بازار را تحت عنوان کدهای IE تعریف کرده‌اند، که در استانداردهای بین‌المللی IEC خلاصه شده‌اند.
• استاندارد IEC چهار سطح بهینه‌بودن انرژی را بیان می‌کند که عملکرد انرژی یک موتور را مشخص می‌سازند:
  • IE1 بازده استاندارد را نشان می‌دهد.
  • IE2 بازده بالا را نشان می‌دهد.
  • IE3 بازده بیشتر از حد معمول (premium) را نشان می‌دهد.
  • IE4، که هنوز تحت بررسی است، بازده بسیار بالاتر از حد معمول (super premium) را نشان می‌دهد.
• ضمنا IEC از استاندارد IEC 60034-2-1: 2014 برای تست کردن موتورهای الکتریکی استفاده می‌کند. بسیاری از کشورها، در کنار استاندارد جهانی IEC 60034-2-1، از استانداردهای تست ملی خود نیز استفاده می‌کنند.

در اروپا

اتحادیه اروپا چند دستورالعمل با هدف کاهش مصرف انرژی موتورها را به کار گرفته است، که شامل الزام تولیدکنندگان برای عرضه‌ی موتورهای دارای مصرف انرژی بهینه به بازار است.

• دستیابی به استانداردهای کلاس IE2 برای همه‌ی موتورها از سال ۲۰۱۱ به بعد الزامی است.
• دستیابی به استانداردهای کلاس IE3 برای موتورهای دارای توان ۷٫۵ تا ۳۷۵ کیلو وات از ژانویه سال ۲۰۱۵ به بعد الزامی است. (یا دستیابی به IE2 در صورتی که این موتورها دارای مبدل فرکانس باشند.)
• دستیابی به استانداردهای کلاس IE3 برای موتورهای دارای توان ۰٫۷۵ تا ۳۷۵ کیلو وات از ژانویه سال ۲۰۱۷ به بعد الزامی است. (یا دستیابی به IE2 در صورتی که این موتورها دارای مبدل فرکانس باشند.)

ایالات متحده امریکا

در ایالات متحده امریکا دستیابی موتورها به استانداردهای تعیین شده توسط NEMA (سازمان ملی تولیدکنندگان تجهیزات الکتریکی) در دستورکار قرار گرفته‌اند. حداقل سطح مورد نیاز از سال ۲۰۰۷، کلاس IE2 است.

کلاس‌بندی مشابه برای کشورهای استرالیا و نیوزلند صدق می‌کند.

آسیا

در چین، استانداردهای کره‌ای MEPS (استانداردهای عملکردی حداقل انرژی) برای موتورهای ناهمگام سه‌فازی با ابعاد کوچک و متوسط از سال ۲۰۰۲ به بعد اعمال شده‌اند. در سال ۲۰۱۲، استانداردهای MEPS بر استانداردهای IEC منطبق شده و از IE1 به IE2 و امروزه به IE3 ارتقاء یافتند.

ژاپن در سال ۲۰۱۴، قوانین ملی خود را بر استانداردهای IEC منطبق ساخته و طی برنامه‌های اجرایی با اولویت بالای خود، به موتورهای الکتریکی با استانداردهای IE2 و IE3 دست یافت. در سال ۱۹۹۹ برنامه های اجرایی با اولویت بالا، تولیدکنندگان ژاپنی را ملزم به ارائه ی مدل‌های جدید به بازار کردند که بازده‌ انرژی بیشتری از نسل‌های قبل داشته باشند. بدین ترتیب سبب رقابت تولیدکنندگان و نوآوری در انرژی شد.

در هند از سال ۲۰۰۹، برچسب انرژی وجود داشته، و از سال ۲۰۱۲ استانداردی ملی مطابق با سطح استاندارد IE2 وجود داشته است.