روتور چیست؟ انواع روتور
یکی از قطعات اصلی در سیستمهای الکترومغناطیسی چون انواع الکتروموتور، ژنراتور و آلترناتور، روتور است. این وسیله که در انواع موتورهای AC و DC استفاده میشود، در بخشهای مختلفی قابل بررسی است. مطالبی مانند: روتور چیست؟ وظیفه روتور، شکل یا ساختمان روتور و انواع روتور از جمله مواردی است که در رابطه با روتور میتوان به آن پرداخت.
کالای صنعتی شهباز موتور در این مقاله به صورت کامل و مجزا به بررسی این مطالب پرداخته است.
روتور چیست؟
روتور قطعهای متحرک در ساختمان موتورهای AC است که در بخش ثابت (غیرفعال) موتور، یعنی استاتور، قرار دارد. روتور که از واژه (rotation/rotate) گرفته شده یکی از اجزای اصلی در موتورهای جریان متناوب (AC) است. به عبارت دیگر هیچ موتور AC را نمیتوان یافت که فاقد روتور باشد.
این قطعه با قرارگرفتن روی شفت استاتور، داخل یک استوانه توخالی با قطب الکترومغناطیسی ناهمنام چرخیده و منجر به ایجاد میدان مغناطیسی میشود. در اثر برهمکنش بین میدان مغناطیسی استاتور و جریان القاشده در روتور، گشتاور مکانیکی تولید میشود که محور موتور را به چرخش درمیآورد.
بهطور معمول، روتور از هستهای فولادی لایهلایه، میلههای رسانا (معمولا از جنس مس یا آلومینیوم) و حلقههای اتصال کوتاه یا لغزشی تشکیل میشود.
در موتورهای مختلف، بسته به نوع طراحی، روتور میتواند بهصورت قفس سنجابی یا سیمپیچیشده (کلافی) ساخته شود. نوع قفس سنجابی بهدلیل ساختار ساده و استحکام بالا، در بیشتر موتورهای صنعتی استفاده میشود، در حالی که نوع سیمپیچیشده بهدلیل امکان کنترل سرعت و گشتاور، در کاربردهای خاصتر بهکار میرود.
بهبیان ساده، روتور نقش تبدیلکنندهی انرژی را دارد؛ بهطوری که در موتورهای الکتریکی، انرژی الکتریکی را به انرژی مکانیکی تبدیل میکند و در ژنراتورها، این روند برعکس است و انرژی مکانیکی به الکتریکی تبدیل میشود.
بیشتر بدانید ⇐ استاتور چیست؟
وظیفه روتور
وظیفه روتور در موتورهای جریان متناوب، ایجاد میدان مغناطیسی و در نتیجه به حرکت در آوردن لوازمی چون ماشین لباسشویی، آسانسور و… است.
روتور با چرخش در میدان مغناطیسی تولیدشده توسط استاتور، موجب ایجاد گشتاور مکانیکی در محور موتور میشود. این گشتاور نیروی لازم برای چرخش و انتقال انرژی مکانیکی به اجزای متصل به موتور را فراهم میکند.
در موتورهای القایی، جریان الکتریکی موردنیاز برای ایجاد این میدان مغناطیسی بهصورت القایی در هادیهای روتور ایجاد میشود؛ یعنی نیازی به اتصال مستقیم برق به روتور نیست. در مقابل، در موتورهای سیمپیچیشده جریان از طریق حلقههای لغزشی (Slip Rings) و جاروبکها به سیمپیچ داخلی منتقل میشود تا کنترل بهتری بر سرعت و گشتاور موتور فراهم گردد. در واقع، هماهنگی دقیق بین میدان مغناطیسی استاتور و روتور است که باعث عملکرد نرم، بیصدا و پرقدرت موتور میشود.
لغزش و سرعت روتور (Slip & Rotor Speed)
در موتورهای القایی، سرعت چرخش روتور همیشه کمی کمتر از سرعت میدان مغناطیسی استاتور است. این اختلاف سرعت را لغزش (Slip) میگویند. لغزش برای القای جریان در میلههای روتور و در نتیجه ایجاد گشتاور لازم جهت چرخش موتور ضروری است.
هرچه بار مکانیکی موتور بیشتر شود، لغزش نیز افزایش یافته و گشتاور بیشتری تولید میگردد. مقدار لغزش در موتورهای قفس سنجابی معمولا بین ۱ تا ۵ درصد است، در حالیکه در روتورهای سیمپیچیشده میتوان با تغییر مقاومت خارجی، آن را کنترل و سرعت موتور را تنظیم کرد.
اجزای روتور (شکل روتور)
ساختمان روتور به صورتی طراحی شده است که با اتصال و قرارگیری به شفت استاتور امکان چرخیدن روتور را فراهم میکند. بخشهای مهم در اجزای تشکیل دهنده روتور به صورت زیر است:
- چنگگ روی روتور: برای تقویت میدان مغناطیسی و انتقال مؤثر نیرو به محور.
- سیم پیج داخل روتور: شامل هادیهایی از جنس مس یا آلومینیوم است که جریان الکتریکی در آن القا میشود و سبب ایجاد گشتاور میگردد.
- کلکتور های مثبت و منفی: وظیفه انتقال جریان بین مدار خارجی و سیمپیچ روتور را بر عهده دارند.
- فن (fan): جهت خنکسازی روتور و جلوگیری از افزایش دمای موتور در زمان کارکرد مداوم.
افزون بر این اجزا، بیشتر روتورها از هستهای فولادی و لایهلایه تشکیل شدهاند تا از تلفات جریانهای گردابی کاسته و راندمان موتور افزایش یابد. در نوع قفس سنجابی نیز میلههای رسانا بهصورت مستقیم درون شیارهای هسته قرار دارند و دو سر آنها به حلقههای اتصال کوتاه متصل است که ساختاری ساده و مقاوم ایجاد میکند.
بیشتر بدانید ⇐ اجزای الکتروموتور و نحوه عملکرد هر بخش
طریقه کار روتور
کلکتورهای مثبت و منفی در روتور به زغالهای مثبت و منفی در استاتور متصل میشود و به این وسیله جریان برق به کلکتورها میرسد.
دو سر سیم پیچهای روتور به دو کلکتور متصل هستند. زمانی که جریان برق مثبت از زغال مثبت به یک سر سیم پیچ میرسد و جریان برق منفی از کلکتور دیگر به سر دیگر سیم پیچ انتقال مییابد؛ داخل سیمپیچ جریان الکتریکی متناوب (AC) برقرار میشود. این جریان متناوب موجب میشود درون سیمپیچ، میدان مغناطیسی متغیر و دوّار به وجود آید.
به محض تشکیل میدان مغناطیسی در سیم پیچ، چنگگهای اطراف آن یک در میان به قطبهای N و S تبدیل شده و آهنربای الکترومغناطیسی در اطراف محور روتور شکل میگیرد. این تغییر متناوب قطبها در هماهنگی با میدان مغناطیسی استاتور باعث ایجاد گشتاور مکانیکی میشود و روتور را به چرخش درمیآورد.
در موتورهای القایی، این فرآیند بدون اتصال مستقیم برق به روتور انجام میشود و جریان در هادیهای روتور بهصورت القایی (بر اثر تغییرات میدان استاتور) ایجاد میگردد؛ در حالی که در موتورهای سیمپیچیشده (Wound Rotor) جریان به کمک کلکتور و جاروبکها مستقیما به سیمپیچ منتقل میشود.
با ادامه این فرآیند، میدان مغناطیسی تولیدشده در روتور و استاتور دائما با یکدیگر در تعامل هستند و حرکت یکنواخت و پایداری ایجاد میکنند. این حرکت، محور موتور را به گردش درمیآورد و نیروی مکانیکی لازم برای کارکرد تجهیزاتی مانند پمپها، فنها و ماشینآلات صنعتی را فراهم میسازد.
در این زمان که میدان مغناطیسی و حرکت موتور موجب ایجاد حرارت و داغی در سیمپیچ و روتور میشود، فن (Fan) موجود در اطراف روتور وظیفهی خنکسازی را بر عهده دارد و با جریان هوای دائمی، از افزایش بیشازحد دما و آسیب دیدن سیمپیچها جلوگیری میکند.
در برخی مدلها، روتور بهصورت ورقهورقه از جنس فولاد سیلیسیوم ساخته میشود تا تلفات حرارتی و جریانهای گردابی کاهش یافته و بازده موتور افزایش یابد.
علل خرابی روتور و راههای جلوگیری از آن
خرابی روتور معمولا در اثر عواملی مانند افزایش بیشازحد دما، جریانهای گردابی، عدم تعادل مکانیکی، سایش براشها و نفوذ رطوبت یا گردوغبار به داخل موتور ایجاد میشود. این مشکلات میتوانند موجب تغییر مقاومت سیمپیچها، خمیدگی شفت یا حتی سوختگی هادیها شوند. برای جلوگیری از این آسیبها، بازرسی منظم، کنترل دمای کاری، روانکاری مناسب یاتاقانها، تمیز نگه داشتن سیستم تهویه و اطمینان از بالانس دینامیکی روتور ضروری است. رعایت این موارد باعث افزایش عمر مفید موتور و کاهش هزینههای تعمیرات خواهد شد.
انواع روتور
روتورها انواع مختلفی دارند که بسته به ساختمان و نوع کاربرد، مورد استفاده قرار میگیرند و در این مقاله شهباز موتور، به طور کامل توضیح داده میشود. در حالت کلی موتورهای AC به دو دسته اصلی سنکرون و القایی تقسیم بندی میشوند. در هر دسته روتورهای مخصوص به آن وجود دارد که در ادامه به بررسی هر کدام می پردازیم.
روتور قطب برجسته
روتور قطب برجسته یکی از انواع روتور برای موتورهای سنکرون است که در ژنراتورها و آلترناتورهای سنکرون مورد استفاده قرار میگیرد.
این نوع روتورها دارای آهنرباهای بزرگی هستند که قطبهای آن از ورقههای فولادی نرم مغناطیسی ساخته شدهاند تا از تلفات جریان گردابی کاسته و بازده مغناطیسی افزایش یابد. در طراحی این نوع روتور، قطبها بهصورت برجسته و جدا از هستهی اصلی روتور قرار گرفتهاند و به همین دلیل به آنها قطب برجسته (Salient Pole Rotor) گفته میشود.
روتورهای قطب برجسته معمولا دارای قطر زیاد و طول محوری کوتاهتر نسبت به روتورهای استوانهای هستند. این ویژگی باعث میشود بتوانند در ماشینهای الکتریکی با سرعت پایین (معمولا بین 100 تا 1500 دور در دقیقه) عملکردی پایدار و دقیق داشته باشند.
سرعت پایین این روتورها موجب میشود در ژنراتورهای سنکرون نیروگاههای آبی و نیز در برخی ژنراتورهای دیزلی بزرگ از آنها استفاده گستردهای شود؛ زیرا در این کاربردها، توربینهای آبی و دیزلی عموما سرعت چرخش کمی دارند و نیازمند روتورهایی با گشتاور بالا هستند.
این نوع روتورها معمولا مجهز به سیمپیچ میراکننده نوسان (Damper Winding) هستند تا از نوسانات لحظهای و لرزشهای مغناطیسی در هنگام راهاندازی یا تغییر بار جلوگیری شود و پایداری سنکرون موتور یا ژنراتور حفظ گردد.
سیمپیچهای اصلی در قطبها به منبع جریان مستقیم (DC) متصل میشوند تا میدان مغناطیسی ثابتی ایجاد شود. این میدان در تعامل با میدان چرخان استاتور، گشتاور سنکرون تولید میکند و سبب عملکرد یکنواخت ماشین میشود.
از نظر مکانیکی، قطبهای برجسته معمولا با پیچ یا پرچ روی هسته روتور نصب میشوند و بین آنها کانالهای تهویه برای عبور جریان هوا تعبیه میشود تا گرمای تولیدشده در حین کار دفع گردد.
همچنین، بهدلیل طراحی باز و شکل قطبدار، این روتورها برای سرعتهای بالا مناسب نیستند؛ زیرا مقاومت هوایی (اصطکاکی) زیادی ایجاد میکنند. به همین دلیل، برای ژنراتورهای توربینی با سرعت بالا (مثل نیروگاههای بخار یا گازی) از روتور استوانهای (non-salient pole) استفاده میشود.
روتور سلیندری (استوانه ای)
روتور استوانهای یا غیر برجسته از دیگر انواع روتورهای مخصوص سنکرون است که از شفت فولادی توپر ساخته شده است. در این روتورها جریان مستقیم از یک منبع خارجی (منبع تحریک DC) به رینگهای لغزشی دارای براش (برس) متصل میشود. این اتصال منجر به ایجاد ارتباط الکتریکی بین منبع DC و سیمپیچ تحریک روی روتور میشود.
همچنین با استفاده از یک یکسوساز (Rectifier) میتوانیم جریان متناوب (AC) را بدون براش به جریان مستقیم (DC) تبدیل کنیم تا در ماشینهای بدون جاروبک (Brushless) نیز بتوان میدان مغناطیسی لازم را تولید کرد.
روتور استوانهای به دلیل ساخت ویژهی آن بیشتر در توان و سرعتهای بالا مورد استفاده قرار میگیرد (برعکس روتور قطب برجسته). برای مثال در انواع موتورهای الکتریکی صنعتی که یکی از کاربردهای آن انتقال دور به گیربکسهای صنعتی جهت کاهش سرعت خروجی و افزایش گشتاور است، از روتور استوانهای استفاده میشود.
یک روتور استوانهای با ۲ یا ۴ قطب میتواند به ترتیب با ۳۶۰۰ یا ۱۸۰۰ دور در دقیقه (rpm) بچرخد. تعداد دوری که روتور در الکتروموتورها ایجاد میکند، یکی از عوامل تأثیرگذار در قیمت الکتروموتور است. هرچه سرعت و توان موتور بالاتر باشد، نیاز به طراحی دقیقتر، جنس مقاومتر و تعادل دینامیکی بالاتری دارد که هزینه ساخت و نگهداری را افزایش میدهد.
از نظر ساختار، سطح روتورهای استوانهای معمولا کاملا صاف و بدون قطب برجسته است. سیمپیچهای تحریک در شیارهایی طولی درون بدنه فولادی قرار گرفتهاند و با حلقههای انتهایی (End Rings) بسته میشوند. این طراحی باعث کاهش لرزش، نویز مغناطیسی و تلفات مکانیکی در سرعتهای بالا میشود. علاوه بر این، وجود سیستم خنککاری داخلی با عبور هوای فشرده یا هیدروژن در ژنراتورهای سنکرون بزرگ، عملکرد پایدار روتور را تضمین میکند.
به دلیل همین ویژگیها، روتورهای استوانهای عموما در ژنراتورهای سنکرون نیروگاههای بخار و گازی، توربوژنراتورها (Turbo Generators) و موتورهای سرعتبالا کاربرد دارند؛ جایی که پایداری، یکنواختی میدان و بالانس مکانیکی اهمیت زیادی دارد.
روتور قفس سنجابی
روتور قفس سنجابی در دستهی موتورهای القایی (Induction Motors) قرار دارد. ساختمان این روتور مانند قفس سنجاب طراحی شده است. ظاهر این روتور به صورت یک استوانه یا سیلندر است که داخل آن میلههایی از جنس رسانا (معمولا از آلومینیوم یا مس) وجود دارد، به طوری که این میلهها از دو طرف سیلندر خارج شده و به حلقههای کوتاهکننده متصل شدهاند.
این نوع طراحی باعث میشود که هنگام اعمال جریان متناوب به استاتور، در اثر القای الکترومغناطیسی، در میلههای روتور جریان الکتریکی القا شود. این جریان القایی با میدان مغناطیسی چرخان استاتور برهمکنش کرده و گشتاور چرخشی (Torque) تولید میکند که موجب دوران روتور میشود.
به دلیل اینکه هیچ اتصال الکتریکی مستقیمی میان استاتور و روتور وجود ندارد، موتورهای قفس سنجابی ساختاری ساده، مقاوم و کمهزینه دارند و به همین دلیل پرکاربردترین نوع موتورهای القایی در صنعت هستند.
میلههای روتور معمولا درون شیارهایی روی بدنه فولادی لایهلایه قرار گرفتهاند تا تلفات گردابی و حرارتی کاهش یابد و بازده موتور افزایش پیدا کند. در انتهای میلهها، حلقههای اتصال کوتاه (End Rings) سبب میشوند جریان در مسیر بستهای گردش کند و مدار القایی کامل شود.
همین ساختار باعث شده است که این نوع روتور بتواند در شرایط کاری سنگین، مانند پمپها، فنها، کمپرسورها، بالابرها و ماشینآلات صنعتی، عملکردی مطمئن و بدون نیاز به نگهداری مداوم داشته باشد.
از دیگر ویژگیهای روتور قفس سنجابی، عدم نیاز به جاروبک و کلکتور است که باعث کاهش سایش مکانیکی، صدای کمتر و عمر طولانیتر موتور میشود.
در برخی مدلهای جدید، برای بهبود گشتاور راهاندازی از میلههای شیاردار مایل یا دوگانه (Double Cage Rotor) استفاده میشود که عملکرد بهتری در لحظه شروع به کار دارند.
به دلیل سادگی ساختار، وزن کم، هزینه پایین و کارایی بالا، روتورهای قفس سنجابی در اغلب الکتروموتورهای صنعتی و خانگی به کار میروند و جزء پرمصرفترین تجهیزات الکترومکانیکی در دنیا محسوب میشوند.
روتور سیم پیچی یا کلافی و مشخصات آن
روتور سیمپیچی یا کلافی در دستهی روتورهای القایی قرار دارد. همانگونه که از اسم این روتور مشخص است، دارای سیمپیچهای کلافیشکل است. این سیمپیچها با استفاده از شیارهای موجود روی بدنهی روتور قرار میگیرند.
بدنهی روتور کلافی به صورت استوانهای طراحی شده است. همچنین بر روی شفت این روتور، حلقههای لغزشی (Slip Rings) به همراه براش (Brush) قرار گرفتهاند.
این روتورها با استفاده از تبدیل مقاومت خارجی به مدار روتور میتوانند گشتاور بزرگی ایجاد کنند. یکی از تفاوتهای اصلی روتور سیمپیچی با روتور قفس سنجابی در کنترل سرعت موتور است. در روتورهای کلافی با استفاده از تنظیم مقاومت خارجی میتوان سرعت و گشتاور را تغییر داد. علاوه بر این، اتصال حلقههای لغزشی به مدار خارجی این امکان را فراهم میکند تا اپراتور بتواند مقاومت را در هنگام راهاندازی یا تحت بار تنظیم کند؛ در نتیجه، این نوع روتورها معمولا دارای گشتاور راهاندازی بالا و جریان راهاندازی پایینتر نسبت به موتورهای قفس سنجابی هستند.
همین ویژگی باعث میشود موتورهای دارای روتور سیمپیچی در کاربردهایی با نیاز به گشتاور بالا در شروع حرکت مانند آسانسورها، آسیابها، نوار نقالههای سنگین و جرثقیلها بسیار مورد استفاده قرار گیرند.
ساختار این روتور معمولا از سه سیمپیچ مجزا (سهفاز) تشکیل شده که هر کدام درون شیارهای فولادی نصب شده و انتهای آنها به حلقههای لغزشی متصل است. جریان الکتریکی القاشده در این سیمپیچها در اثر میدان دوار استاتور ایجاد میشود و در تعامل با آن، گشتاور القایی قابل کنترل پدید میآید.
یکی دیگر از مزیتهای این نوع روتور، امکان استفاده از مقاومتهای متغیر خارجی یا مدار کنترل الکترونیکی است که به کمک آن میتوان عملکرد موتور را در شرایط مختلف بهینه کرد. با این حال، وجود حلقههای لغزشی و براشها باعث میشود نگهداری و سرویس دورهای بیشتری نسبت به روتور قفس سنجابی نیاز داشته باشد، زیرا اصطکاک و فرسایش در ناحیه تماس وجود دارد.
انتخاب نوع روتور برای کاربردهای صنعتی مختلف
انتخاب نوع روتور به نوع کاربرد، سرعت مورد نیاز، گشتاور راهاندازی و شرایط کاری موتور بستگی دارد. روتور قفس سنجابی به دلیل ساختار ساده، دوام بالا و هزینهی نگهداری کم، گزینهای مناسب برای تجهیزات عمومی مانند پمپها، فنها و کمپرسورها است. در مقابل، روتور سیمپیچی یا کلافی به دلیل امکان کنترل سرعت و گشتاور، در ماشینآلات سنگین مانند جرثقیلها، آسیابها و نوار نقالهها کاربرد دارد. برای سیستمهای سنکرون با سرعت و دقت بالا نیز معمولا از روتور استوانهای یا قطب برجسته استفاده میشود که عملکرد پایدار و بازده بالایی در نیروگاهها و ژنراتورهای صنعتی فراهم میکنند.
در پایان اگر سوال یا ابهامی دارید که در این مقاله پاسخ داده نشده است، میتوانید از طریق ثبت نظر در انتهای همین صفحه، از کارشناسان متخصص ما بپرسید.
سوالات متداول
روتور در موتورهای الکتریکی چه نقشی دارد؟
روتور بخش چرخان موتور است که در تعامل با میدان مغناطیسی استاتور، گشتاور مکانیکی تولید میکند. این گشتاور باعث چرخش محور موتور و انتقال انرژی مکانیکی به تجهیزات متصل مانند پمپها یا فنها میشود.
تفاوت روتور قفس سنجابی و روتور سیمپیچی در چیست؟
روتور قفس سنجابی ساختار سادهتری دارد، بدون جاروبک و نگهداری آسانتر است، در حالیکه روتور سیمپیچی (کلافی) امکان کنترل سرعت و گشتاور را از طریق مقاومت خارجی فراهم میکند و معمولا در ماشینآلات سنگین استفاده میشود.
چرا سرعت روتور کمتر از سرعت میدان مغناطیسی استاتور است؟
زیرا برای القای جریان الکتریکی در روتور باید اختلاف سرعتی بین میدان استاتور و روتور وجود داشته باشد. این اختلاف سرعت را «لغزش» (Slip) میگویند که عامل اصلی تولید گشتاور در موتورهای القایی است.
چه عواملی باعث خرابی یا کاهش بازده روتور میشود؟
حرارت زیاد، عدم بالانس مکانیکی، سایش براشها، نفوذ گردوغبار یا رطوبت و اتصالی در سیمپیچها از دلایل اصلی خرابی روتور هستند. سرویس دورهای و تهویه مناسب میتواند از این مشکلات جلوگیری کند.
در چه کاربردهایی از روتور قطب برجسته استفاده میشود؟
روتورهای قطب برجسته معمولا در ماشینهای سنکرون با سرعت پایین، مانند ژنراتورهای نیروگاههای آبی یا دیزلی، استفاده میشوند؛ زیرا گشتاور بالایی دارند و در سرعتهای کم عملکرد پایداری ارائه میدهند.
چگونه میتوان نوع مناسب روتور را برای کاربرد صنعتی انتخاب کرد؟
انتخاب نوع روتور به توان، سرعت، گشتاور و شرایط کاری بستگی دارد. برای کاربریهای عمومی، روتور قفس سنجابی بهترین گزینه است؛ برای گشتاور بالا و کنترل سرعت، روتور سیمپیچی پیشنهاد میشود؛ و در سیستمهای سنکرون دقیق، از روتور استوانهای یا قطب برجسته استفاده میگردد.
سلام خواستم بدونم علت در جه دار بودن بعضی از روتور ها چیه ؟
درود بر شما
علت درجه دار بودن برخی از روتورها (مثل روتورهای توربینها یا برخی الکتروموتورها) به طراحی آنها برای عملکرد بهینه و کنترل بهتر بازده و خروجی مربوط میشود؛ که باعث افزایش بازدهی، کنترل بهتر جریان و کاهش نویز می شود.
سلام میخواستم بدونم روتور زاویه دار با بدون زاویه چیه؟
درود بر شما
شیارهای روتور زاویه دار، در زاویهای نسبت به محور طولی روتور قرار دارند و به صورت مارپیچی یا زاویهدار طراحی شدهاند.
شیارهای روتور بدون زاویه، به صورت موازی با محور طولی (صاف و مسقیم) روتور قرار دارند و طراحی سادهتری دارند.
بسیار عالی بود
عوامل اساسی چرخیدن رتور را بفرمایید
یکی از مهمترین عامل ها،گشتاور است. که برای چرخش به روتور نیرو وارد می کند و در نتیجه باعث چرخش آن می شود.
القای مغناطیسی انرژی (جهت چرخش) را از استاتور به روتور انتقال می دهد و باعث تولید گشتاور و انتقال نیرو به روتور جهت چرخاندن آن می شود.