کموتاتور چیست و چه کاربردی دارد؟

کموتاتور یکی از اجزای اصلی و تاثیرگذار انواع موتورها و ژنراتورهای الکتریکی است. این قطعه در بسیاری از وسایل الکتریکی مانند لوازم خانگی که روزمره با آن ها سروکار داریم یا دستگاه های صنعتی نقش مهمی ایفا می کند. از کموتاتور که دارای ساختار منحصربفرد و اجزای مختلفی است، برای انتقال توان الکتریکی یا جمع آوری توان تولیدی استفاده می شود. اگر به دنبال کسب اطلاعات بیشتر درباره کموتاتور و نحوه عملکرد و کاربرد آن هستید، پیشنهاد می کنیم تا انتهای این مطلب همراه آموزشگاه پایتخت فناوری باشید.

معرفی کموتاتور و ساختار آن

در موتورها و ژنراتورهای الکتریکی حلقه ای استوانه ای شکل، لغزان و رسانا از جنس مس وجود دارد که کموتاتور نامیده می شود. این قطعه دارای شکاف های خاصی است و هر بخش از آن به انتهای هر یک از سیم پیچ های آرمیچر موتور یا ژنراتور متصل می گردد.

در صورتی که آرمیچر دارای چند سیم پیچ باشد، کموتاتور نیز چند بخشی خواهد بود که هر کدام متناظر با یک بخش از سیم پیچ آرمیچر است. قطعات دیگری به نام جاروبک که با نام زغال گرافیتی نیز شناخته می شوند در دو طرف حلقه کموتاتور قرار دارند. این جاروبک ها که بر روی پایه های فنری سوار شده اند با چرخش کموتاتور با آن برخورد فیزیکی کرده و در نتیجه جریان سیم پیچ برقرار می شود.

وظیفه کموتاتور چیست؟

فرآیند سوئیچینگ یا تغییر جهت میدان با نام کموتاسیون (Commutation) در سیم پیچی آرمیچر دلیل اصلی تولید نیروی گشتاور ثابت در یک جهت است؛ و کموتاتور (Commutator) وسیله ای یا قطعه ای است که این فرآیند را انجام می دهد.

کموتاتور در واقع یک نوع جابجاگر یا سوئیچ الکتریکی است که وظیفه تغییر جهت جریان میان روتور و مدار خارجی در موتورها و ژنراتورهای الکتریکی را برعهده دارد. این حلقه استوانه ای شکل در موتورها توان الکتریکی را به روتور انتقال می دهد؛ اما در ژنراتورها نقش جمع آوری توان را بر عهده دارد که به روشی مشابه انجام می شود.

کموتاتور در بسیاری از وسایل، دستگاه ها و ماشین هایی که نیاز به تولید نیروی گشتاور دارند به کار رفته است. کوموتاتور در این ماشین ها که با جریان مستقیم کار می کنند، با تعویض جهت جریان در سیم پیچ آرمیچر موتور الکتریکی، موجب ایجاد نیروی چرخشی یا همان نیروی گشتاور می شود.

نحوه عملکرد کموتاتور چگونه است؟

در موتورهای DC براساس تعامل میان میدان مغناطیسی یک استاتور و میدان مغناطیسی یک آرمیچر، نیروی گشتاور تولید می شود. زمانی که قطب جنوب استاتور به قطب شمال آرمیچر متصل شده یا به اصطلاح به آن جذب می گردد، نیروی اعمال شده روی آرمیچر موجب چرخش آن می شود.

زمانی که روتور می چرخد جریانی که داخل سیم پیچ وجود دارد با هر نیم دور چرخش کموتاتور تعویض یا معکوس می شود. این تغییر جهت سیم پیچ موجب تغییر جهت میدان ثابت شده و جریان تولید شده نیروی گشتاور را از طرف میدان ثابت به سیم پیچ اعمال می کند و در نتیجه آن را می چرخاند.

در نهایت با چرخش روتور میدان آن نیز با میدان استاتور همسو می شود و کموتاتور وارد عمل شده و جهت را تغییر می دهد. به زبانی ساده تر می توان گفت که ولتاژ آرمیچر ماهیتی متناوب دارد و کموتاتور آن را به یک جریان مستقیم تبدیل می کند.

همچنین بخوانید: موتور dc چیست

در ژنراتورها به این صورت است که جریان تولیدی در سیم پیج ها توسط کموتاتور انتخاب می شود که با این کار جهت جریان در هر نیم دور تغییر می کند. در یک ژنراتور، گشتاور مکانیکی اعمال شده به شفت، حرکت سیم پیچی آرمیچر را در میدان مغناطیسی ثابت حفظ می کند که باعث تولید یک جریان در سیم پیچی می شود. این فرآیند به عنوان همسوسازی مکانیکی استفاده شده تا جریان متغیر سیم پیچ ها به جریان مستقیم در مدار بار خروجی تبدیل شود و به اصطلاح توان الکتریکی جمع آوری گردد.

چرا باید از کموتاتور استفاده کنیم؟

در موتورهای الکتریکی یا ژنراتورها یک بازوی میله ای وجود دارد که به خاطر نیروی گشتاور تولید شده توسط آرمیچر، با زاویه سیم پیچ تغییر می کند. در نتیجه قرار گرفتن سیم پیچ در وضعیت قائم یا عمود نسبت به میدان مغناطیسی استاتور، نیروی گشتاور تولید نمی شود. به همین خاطر از کموتاتور استفاده می شود تا با تغییر جهت ساز و کار آرمیچر در جهت درستی صورت بگیرد و گشتاور مورد نیاز ایجاد گردد.

آشنایی با کاربرد های کموتاتور

همانطور که گفته شد از کموتاتور برای انتقال جریان بین قسمت ثابت و متحرک یک موتور یا ژنراتور الکتریکی استفاده می شود. این وسیله در ماشین آلات چرخشی که نیاز به نیروی گشتاور دارند به کار می رود. از مهمترین کاربردهای کموتاتور می توان به تولید نیروی چرخشی لوازم خانگی مانند ماشین لباسشویی، پنکه، همزن یا وسایل و دستگاه های صنعتی مانند دریل، اره برقی و … اشاره کرد.

یکی از مهمترین کاربردهای کوموتاتور انتقال ایمن و مداوم جریان به روتور در نیروگاه های برق، حرارتی و هسته ای است. استفاده از کموتاتور در نیروگاه ها موجب می شود تولید یا انتقال برق به صورت مداوم با اطمینان بالا صورت بگیرد. همچنین، هزینه نگهداری و تعمیر نیز کاهش می یابد و راندمان کار بالا می رود.

معرفی انواع کموتاتور

یکی از مهمترین قطعات کموتاتور جاروبک است که ابزاری برای هدایت جریان الکتریکی بین سیم پیچ های ثابت و متحرک است. انواع کموتاتور با توجه به نوع و ساختار جاروبک تقسیم بندی می شود که می توان به موارد زیر اشاره کرد.

کموتاتور با جاروبک شینه بسته

این نوع کموتاتور از جاروبکی با چهار زغال کربنی تشکیل شده است که به ریل های مسی داخل شین متصل شده و انتقال جریان را میسر می سازند.

کموتاتور با جاروبک شینه باز

از این نوع کموتاتور برای انتقال جریان با ولتاژهای بالا استفاده می شود. اساس کار جاروبک های شینه باز حرکت بر روی شین جهت انتقال جریان است.

محدودیت ها و معایب کموتاتور

در گذشته از موتورهای جریان مستقیم دارای کموتاتور در وسایل مختلف و دستگاه ها و تجهیزات صنعتی استفاده زیادی می شد. اما امروزه به خاطر معایب کموتاتورها دیگر این وسیله یا قطعه کمتر مورد استفاده قرار می گیرد.

یکی از مهمترین محدودیت ها یا معایب کوموتاتور اتلاف انرژی است. اصطکاک مابین جاروبک ها و کموتاتور انرژی زیادی تلف می کند که بخش قابل توجهی از انرژی ماشین یا دستگاه را می گیرد. همچنین، مقاومتی که در زمان تماس جاروبک و کموتاتور به وجود می آید، باعث افت ولتاژ می شود که خسارت ها و آسیب های مختلفی را برای موتورهای الکتریکی دستگاه ها و ماشین های مختلف به همراه دارد.

از دیگر محدودیت های کموتاتور مقدار کم چگالی جریان و ولتاژی است که می تواند سوئیچ کند، اشاره کرد. در ماشین ها و دستگاه های بزرگ که موتور جریان مستقیم دارند، عملا کموتاتور نمی تواند کمکی کند. ایجاد تداخل الکترومغناطیسی در اثر سوئیچ کردن یا تعویض جهت جریان و خطر آتش سوزی در اثر جرقه ایجاد شده توسط کموتاتور نیز از دیگر معایب این وسیله محسوب می شوند.

جایگزین های کموتاتور

با پیشرفت تکنولوژی جایگزین های مختلفی برای موتورهای الکتریکی با کموتاتور پیدا شد. از آنجایی که دسترسی به جریان متناوب راحت تر شده است، در حال حاضر از موتورهای دی سی، القایی، ای سی سنکرون و … به جای موتورهای دارای کموتاتور استفاده می شود.

این موتورهای جدید کموتاتور و جاروبک ندارند و می توانند جهت جریان را به صورت الکتریکی سوییچ کنند. همین امر باعث شده محدودیت ها و معایب کموتاتور دیگر مانع از بهبود راندمان کار موتور یا ژنراتور الکتریکی نشود.

کلکتور برقی چیست؟

کلکتور برقی یک دستگاه است که برای جمع‌آوری انرژی الکتریکی به‌کار می‌رود. این دستگاه انرژی الکتریکی را از منابع مختلف مانند پنل‌های خورشیدی، توربین‌های بادی و … جمع‌آوری می‌کند و آن‌را به صورت برق متناوب یا مستقیم برای استفاده در دستگاه‌ها یا شبکه برق تبدیل می‌کند.

فرق کلکتور و کموتاتور چیست؟

کلکتور یک نوع وسیله الکترومکانیکی است که با استفاده از آن می توان به راحتی عمل سوئیچینگ را انجام داد. در موتورهای جدید که دارای کلکتور به جای کموتاتور هستند، یک سنسور مخصوص موقعیت روتور را ردیابی کرده و سوئیچ های نیمه هادی مانند ترانزیستورها، عمل تغییر جهت جریان را انجام می دهند.

درواقع کلکتور می تواند سیگنال های فرمان و قدرت را از یک بخش متحرک (دورانی یا چرخشی) به یک بخش ثابت منتقل کند. در نتیجه، عملکرد سیستم بهبود یافته و استهلاک و خرابی کمتری به وجود می آید.

سوالات متداول

1- نقش کموتاتور در موتورهای الکتریکی چیست؟

کموتاتور به عنوان وسیله ای برای انتقال و تغییر جهت جریان در موتورهای الکتریکی به کار می رود. درواقع با این تبدیل جهت جریان نیروی گشتاور مورد نیاز برای آرمیچر وسایل برقی چرخشی مانند لوازم خانگی (همزن برقی، لباسشویی، پنکه و …) و دیگر ماشین آلاتی که با موتور مستقیم کار می کنند و نیاز به نیروی گشتاور دارند، تولید می شود.

2- عملکرد کموتاتور در موتورهای الکتریکی با ژنراتورها چه تفاوتی دارد؟

در موتورهای الکتریکی کموتاتور موجب تغییر جهت جریان میان روتور و مدار خارجی می شود اما در ژنراتورها این وسیله وظیفه جمع آوری توان به روشی مشابه را بر عهده دارد.