nafise sadeghi
2nd March 2010, 09:26 PM
درباره موتورهای الکترواستاتیک (http://www.machinalat.blogfa.com/post-56.aspx)
طراحی و ساخت موتورهای استاتیکی در دانشگاه تربیت مدرس
نسل جدید موتورها در خدمت صنایع
موتورهای الکتریکی ازپرکاربردترین و شناخته ترین قطعات صنعتی هستند .انواع گوناگونی از موتورهای الکتریکی شناخته شده اند که مهمترین آنها موتورهای الکتریکی (مستقیم ) DCو(متناوب) AC هستند.با این وجود موتورهای جدیدی نیز طراحی و ساخته شده اند که از آن جمله می توان به موتورهای پیزوالکتریکی اشاره کرد که مدتی است به مرحله تجاری شدن رسیده اند . یکی از جدید ترین انواع موتورهای الکتریکی که مورد توجه قرار گرفته اند موتورهای الکترواستاتیکی هستند.
این موتورها نسبت به انواع دیگر موتورها دارای پیچیدگی و هزینه کمتری هستند و براحتی تولید میشوند . البته این موتورها در ابعاد بزرگ نسبت به انواع موتورهای دیگر قدرت پایین تری دارند ولی با کوچک شدن ابعاد آن ,نسبت قدرت موتور به ابعاد آن در مقایسه با دیگر موتورهای الکتریکی افزایش پیدا می کند که این به دلیل ماهیت نیروی الکترواستاتیکی است . به همین دلیل این گونه موتورها بیشتر در ابعاد میکرونی و بخصوص برای سیستم های میکروالکترومکانیکی (MEMS) مورد استفاده قرار میگیرند .
این در حالی است که ساخت آنها در ابعاد بزرگتر هم مورد بررسی قرار گرفته است . موتور الکتریکی ,الکتریسیته را به حرکت مکانیکی تبدیل میکند . عمل عکس آن تبدیل حرکت مکانیکی به الکتریسیته است که توسط ژنراتور انجام میشود . این دو وسیله جز در عملکرد, مشابه یکدیگر هستند اکثر موتورهای الکتریکی توسط الکترومغناطیس کار میکنند,اما موتورهای دیگری هم وجود دارند که بر اساس پدیده های دیگری نظیر نیروی الکترواستاتیک وپیزوالکتریک کار میکنند . موتورهای الکتریکی معمولا بر اساس طبیعت نوع حرکت آنها یا بر اساس قواعد فیزیکی که بر اساس آنها ساخته میشوند,تقسیم بندی میشوند . موتورهای گردشی از یک قسمت ثابت که به نام استاتور شناخته میشود و یک قسمت دوران کننده نسبت به قسمت ثابت که به نام روتور شناخته میشود ساخته شده اند .ایده کلی این است که وقتی یک ماده حامل جریان الکتریسیته تحت اثر یک میدان مغناطیسی قرار میگیرد ,نیرویی بر آن ماده از سوی میدان اعمال میشود . اگر چه موتورهای الکتریکی اغلب دوارند ,اما موتورهای خطی هم وجود دارند . در موتورهای الکترواستاتیکی ,روتور به سبب نیروهای الکترواستاتیک به وجود آمده بر روی الکترودها به حرکت درمی آید . نیروهای خازنی به وجود آمده نیز صفحات هادی با الکترودها را که پتانسیل های مختلفی دارند ,به هم نزدیک میکنند . نوع دیگر موتورهای شناخته شده از نیروی الکترومغناطیس استفاده میکنند . در این موتورها جریان الکتریکی ,میدان مغناطیسی ایجاد میکند که با آهنربا تداخل میکند وروتور را در جهت مورد نظر به حرکت در می آورد .اصول پایه ای موتورهای پیزوالکتریک که به نام آلتراسونیک هم شناخته بر پایه تبدیل دوگانه انرژی قرار گرفته است .اولین تبدیل , تبدیل انرژی الکتریکی به مکانیکی ارتعاشی است که بوسیله سرامیکهای پیزوالکتریک تحت تاثیر ولتاژهای الکتریکی ,امواج ثابت و متحرکی را در استاتور موتور ایجاد میکند .
موتورهای غیر فلزی
به گفته مهندس محمد دادخواه تهرانی دانش آموخته کارشناسی ارشد ساخت و تولید دانشگاه تربیت مدرس و مجری این طرح اساس کار موتورهای الکترواستاتیکی بر اساس قانون کولن پایه گذاری میشود . بر اساس این قانون نیروی بین دو جسم با بارهای مخالف نیروی جاذبه است که با سطح مقطع آنها و بار موجود بر آنها نسبت مستقیم وبا مجذور فاصله آنها نسبت عکس دارد . اگر بار هایی که روی هم قرار میگیرند ,موافق هم باشند ,نیروی دافعه ایجاد میشود . بر این اساس و به وسیله این نیروها میتوان حرکت ایجاد کرد . ایده اولیه طراحی موتورهای الکتریکی نیز بر همین اساس مطرح شد . از زمان طرح این ایده مدت زیادی نمیگذرد و اکثر این گونه موتورها هنوز در مراحل تحقیقاتی بوده و به مرحله تجاری وارد نشده اند . گفتنی است با توجه به ماهیت این نیروها که در ابعاد ماکرو بسیار ضعیف هستند , اکثر موتورهای الکترواستاتیکی در ابعاد میکرو ساخته و آزمایش میشوند . از مهمترین مزایای این موتورها این است که با کوچکتر شدن ابعاد آنها نتیجه کار بمراتب بهتر خواهد شد . در حقیقت به علت اینکه نیروها و بارهای این گونه موتورها در ابعاد میکرون هستند ,در نتیجه هر چه ابعاد موتور کوچکتر شده و ابعاد میکرون نزدیکتر شود , نتایج بهتری حاصل میشود . علاوه براین ساخت این موتورها در ابعاد مینیاتوری بسیار آسان تر از انواع مشابه آن است. امکان استفاده از مواد غیرفلزی، کاهش قابل توجه تولید صدا، پیچیدگی ساخت کمتر و هزینه تولید پایین این موتورهای الکترواستاتیکی است.
در واقع این گونه موتورها پیچیدگی کمتری نسبت به انواع الکترومغناطیسی و پیزوالکتریک دارند و در ابعاد کوچکتر، راحت تر ساخته می شوند.
غیرفلزی بودن روتور مورد استفاده در این موتور قابلیت ویژه ای است که این موتور را از انواع دیگر موتورهای الکتریکی متمایز می سازد. موتورهای الکترواستاتیکی جدید به گونه ای طراحی شده اند که سیستم حرکتی آنها بی نیاز از مواد فلزی است و می توان آنها را از پلاستیک، شیشه یا حتی مواد کاغذی تهیه کرد. موتور الکترواستاتیکی طراحی شده با وجود عدم نیاز روتور به هر گونه الکترود یا اتصال سیم می تواند به سرعتهای بالایی دست یابد. در این موتور سرعت دوران کاملا با سرعت میدان القايی مطابقت دارد و این در حالی است که هیچ گونه تماسی بین روتور و استاتور وجود ندارد.
افزایش احتمال جرقه زدن از معایب این موتورهاست. در واقع در جایی که فاصله بین الکترودها یا صفحات حامل بارهای مختلف کم است، هرگونه ذره گرد و غبار و یا نقص یا عیب سطح احتمال جرقه زدن را بشدت افزایش می دهد که از مشکلات اساسی در ساخت این موتورهاست.
زمینه های کاربرد
به گفته دادخواه تهرانی، موتور طراحی شده از یک دیسک از جنس پلکسی گلاس (طلق) به عنوان روتور تشکیل شده است که توسط یک یا دو بورد الکتریکی به عنوان استاتور دربر گرفته شده است. این بورد های الکتریکی دربردارنده الکترودهای موردنیاز برای حرکت روتور هستند.
الکترودها نیز به صورت یک سری مدور قرار گرفته اند که به صورت سه در میان به هم متصل هستند و به این ترتیب یک میدان الکتریکی متحرک ایجاد می شود.
موتور طراحی شده در این پروژه یک موتور الکترواستاتیک با قطر روتور 40 میلی متر است که علاوه بر دارا بودن ویژگی های یک موتور الکترواستاتیک از ویژگی ها و قابلیت های دیگری نیز برخوردار است. در این موتور برای حرکت یکنواخت و جلوگیری از اتلاف توان به جای استفاده از یاتاقان های معمولی از یاتاقان بادی استفاده شده است که طراحی و ساخت آن نیز کاملا ابتکاری است. برای ساخت استاتور نیز از برد مدار چاپی معمولی استفاده شده است که علاوه بر آسانی ساخت، هزینه ساخت را نیز کاهش می دهد. از دیگر ویژگی های این سیستم، طراحی نرم افزار کنترل موتور است که به وسیله آن می توان جهت و سرعت موتور را در هر لحظه تحت کنترل قرار داد.
با توجه به این که زمان زیادی از عمر این موتورهای نمی گذرد و هنوز کاملا به صورت تجاری در نیامده اند، کاربردهای زیادی برای آنها پیش بینی می شود که از مهمترین زمینه های کاربرد آنها می توان به استفاده از آنها در تجهیزات پزشکی و دندانپزشکی، صنایع فضایی و نظامی و همچنین تجهیزات مورد استفاده در علیم نانو و اتاقهای تمیز و خلاء اشاره کرد. از جمله کاربردهای موردنظر برای استفاده از موتورهای الکترواستاتیکی در اندازه های میکرونی و میلی متری، ساخت ابزارهای پزشکی و جراحی های داخل بدن است که می تواند تغییرات چشمگیری را در آنها ایجاد نماید. علاوه بر این از موتورهای الکترواستاتیکی در ابعاد بزرگتر می توان در درایوهای سی دی و دی وی دی و همچنین هارد دیسک ها برای چرخش دیسک به صورت غیر تماسی استفاده کرد.
نقل از روزنامه جام جم
طراحی و ساخت موتورهای استاتیکی در دانشگاه تربیت مدرس
نسل جدید موتورها در خدمت صنایع
موتورهای الکتریکی ازپرکاربردترین و شناخته ترین قطعات صنعتی هستند .انواع گوناگونی از موتورهای الکتریکی شناخته شده اند که مهمترین آنها موتورهای الکتریکی (مستقیم ) DCو(متناوب) AC هستند.با این وجود موتورهای جدیدی نیز طراحی و ساخته شده اند که از آن جمله می توان به موتورهای پیزوالکتریکی اشاره کرد که مدتی است به مرحله تجاری شدن رسیده اند . یکی از جدید ترین انواع موتورهای الکتریکی که مورد توجه قرار گرفته اند موتورهای الکترواستاتیکی هستند.
این موتورها نسبت به انواع دیگر موتورها دارای پیچیدگی و هزینه کمتری هستند و براحتی تولید میشوند . البته این موتورها در ابعاد بزرگ نسبت به انواع موتورهای دیگر قدرت پایین تری دارند ولی با کوچک شدن ابعاد آن ,نسبت قدرت موتور به ابعاد آن در مقایسه با دیگر موتورهای الکتریکی افزایش پیدا می کند که این به دلیل ماهیت نیروی الکترواستاتیکی است . به همین دلیل این گونه موتورها بیشتر در ابعاد میکرونی و بخصوص برای سیستم های میکروالکترومکانیکی (MEMS) مورد استفاده قرار میگیرند .
این در حالی است که ساخت آنها در ابعاد بزرگتر هم مورد بررسی قرار گرفته است . موتور الکتریکی ,الکتریسیته را به حرکت مکانیکی تبدیل میکند . عمل عکس آن تبدیل حرکت مکانیکی به الکتریسیته است که توسط ژنراتور انجام میشود . این دو وسیله جز در عملکرد, مشابه یکدیگر هستند اکثر موتورهای الکتریکی توسط الکترومغناطیس کار میکنند,اما موتورهای دیگری هم وجود دارند که بر اساس پدیده های دیگری نظیر نیروی الکترواستاتیک وپیزوالکتریک کار میکنند . موتورهای الکتریکی معمولا بر اساس طبیعت نوع حرکت آنها یا بر اساس قواعد فیزیکی که بر اساس آنها ساخته میشوند,تقسیم بندی میشوند . موتورهای گردشی از یک قسمت ثابت که به نام استاتور شناخته میشود و یک قسمت دوران کننده نسبت به قسمت ثابت که به نام روتور شناخته میشود ساخته شده اند .ایده کلی این است که وقتی یک ماده حامل جریان الکتریسیته تحت اثر یک میدان مغناطیسی قرار میگیرد ,نیرویی بر آن ماده از سوی میدان اعمال میشود . اگر چه موتورهای الکتریکی اغلب دوارند ,اما موتورهای خطی هم وجود دارند . در موتورهای الکترواستاتیکی ,روتور به سبب نیروهای الکترواستاتیک به وجود آمده بر روی الکترودها به حرکت درمی آید . نیروهای خازنی به وجود آمده نیز صفحات هادی با الکترودها را که پتانسیل های مختلفی دارند ,به هم نزدیک میکنند . نوع دیگر موتورهای شناخته شده از نیروی الکترومغناطیس استفاده میکنند . در این موتورها جریان الکتریکی ,میدان مغناطیسی ایجاد میکند که با آهنربا تداخل میکند وروتور را در جهت مورد نظر به حرکت در می آورد .اصول پایه ای موتورهای پیزوالکتریک که به نام آلتراسونیک هم شناخته بر پایه تبدیل دوگانه انرژی قرار گرفته است .اولین تبدیل , تبدیل انرژی الکتریکی به مکانیکی ارتعاشی است که بوسیله سرامیکهای پیزوالکتریک تحت تاثیر ولتاژهای الکتریکی ,امواج ثابت و متحرکی را در استاتور موتور ایجاد میکند .
موتورهای غیر فلزی
به گفته مهندس محمد دادخواه تهرانی دانش آموخته کارشناسی ارشد ساخت و تولید دانشگاه تربیت مدرس و مجری این طرح اساس کار موتورهای الکترواستاتیکی بر اساس قانون کولن پایه گذاری میشود . بر اساس این قانون نیروی بین دو جسم با بارهای مخالف نیروی جاذبه است که با سطح مقطع آنها و بار موجود بر آنها نسبت مستقیم وبا مجذور فاصله آنها نسبت عکس دارد . اگر بار هایی که روی هم قرار میگیرند ,موافق هم باشند ,نیروی دافعه ایجاد میشود . بر این اساس و به وسیله این نیروها میتوان حرکت ایجاد کرد . ایده اولیه طراحی موتورهای الکتریکی نیز بر همین اساس مطرح شد . از زمان طرح این ایده مدت زیادی نمیگذرد و اکثر این گونه موتورها هنوز در مراحل تحقیقاتی بوده و به مرحله تجاری وارد نشده اند . گفتنی است با توجه به ماهیت این نیروها که در ابعاد ماکرو بسیار ضعیف هستند , اکثر موتورهای الکترواستاتیکی در ابعاد میکرو ساخته و آزمایش میشوند . از مهمترین مزایای این موتورها این است که با کوچکتر شدن ابعاد آنها نتیجه کار بمراتب بهتر خواهد شد . در حقیقت به علت اینکه نیروها و بارهای این گونه موتورها در ابعاد میکرون هستند ,در نتیجه هر چه ابعاد موتور کوچکتر شده و ابعاد میکرون نزدیکتر شود , نتایج بهتری حاصل میشود . علاوه براین ساخت این موتورها در ابعاد مینیاتوری بسیار آسان تر از انواع مشابه آن است. امکان استفاده از مواد غیرفلزی، کاهش قابل توجه تولید صدا، پیچیدگی ساخت کمتر و هزینه تولید پایین این موتورهای الکترواستاتیکی است.
در واقع این گونه موتورها پیچیدگی کمتری نسبت به انواع الکترومغناطیسی و پیزوالکتریک دارند و در ابعاد کوچکتر، راحت تر ساخته می شوند.
غیرفلزی بودن روتور مورد استفاده در این موتور قابلیت ویژه ای است که این موتور را از انواع دیگر موتورهای الکتریکی متمایز می سازد. موتورهای الکترواستاتیکی جدید به گونه ای طراحی شده اند که سیستم حرکتی آنها بی نیاز از مواد فلزی است و می توان آنها را از پلاستیک، شیشه یا حتی مواد کاغذی تهیه کرد. موتور الکترواستاتیکی طراحی شده با وجود عدم نیاز روتور به هر گونه الکترود یا اتصال سیم می تواند به سرعتهای بالایی دست یابد. در این موتور سرعت دوران کاملا با سرعت میدان القايی مطابقت دارد و این در حالی است که هیچ گونه تماسی بین روتور و استاتور وجود ندارد.
افزایش احتمال جرقه زدن از معایب این موتورهاست. در واقع در جایی که فاصله بین الکترودها یا صفحات حامل بارهای مختلف کم است، هرگونه ذره گرد و غبار و یا نقص یا عیب سطح احتمال جرقه زدن را بشدت افزایش می دهد که از مشکلات اساسی در ساخت این موتورهاست.
زمینه های کاربرد
به گفته دادخواه تهرانی، موتور طراحی شده از یک دیسک از جنس پلکسی گلاس (طلق) به عنوان روتور تشکیل شده است که توسط یک یا دو بورد الکتریکی به عنوان استاتور دربر گرفته شده است. این بورد های الکتریکی دربردارنده الکترودهای موردنیاز برای حرکت روتور هستند.
الکترودها نیز به صورت یک سری مدور قرار گرفته اند که به صورت سه در میان به هم متصل هستند و به این ترتیب یک میدان الکتریکی متحرک ایجاد می شود.
موتور طراحی شده در این پروژه یک موتور الکترواستاتیک با قطر روتور 40 میلی متر است که علاوه بر دارا بودن ویژگی های یک موتور الکترواستاتیک از ویژگی ها و قابلیت های دیگری نیز برخوردار است. در این موتور برای حرکت یکنواخت و جلوگیری از اتلاف توان به جای استفاده از یاتاقان های معمولی از یاتاقان بادی استفاده شده است که طراحی و ساخت آن نیز کاملا ابتکاری است. برای ساخت استاتور نیز از برد مدار چاپی معمولی استفاده شده است که علاوه بر آسانی ساخت، هزینه ساخت را نیز کاهش می دهد. از دیگر ویژگی های این سیستم، طراحی نرم افزار کنترل موتور است که به وسیله آن می توان جهت و سرعت موتور را در هر لحظه تحت کنترل قرار داد.
با توجه به این که زمان زیادی از عمر این موتورهای نمی گذرد و هنوز کاملا به صورت تجاری در نیامده اند، کاربردهای زیادی برای آنها پیش بینی می شود که از مهمترین زمینه های کاربرد آنها می توان به استفاده از آنها در تجهیزات پزشکی و دندانپزشکی، صنایع فضایی و نظامی و همچنین تجهیزات مورد استفاده در علیم نانو و اتاقهای تمیز و خلاء اشاره کرد. از جمله کاربردهای موردنظر برای استفاده از موتورهای الکترواستاتیکی در اندازه های میکرونی و میلی متری، ساخت ابزارهای پزشکی و جراحی های داخل بدن است که می تواند تغییرات چشمگیری را در آنها ایجاد نماید. علاوه بر این از موتورهای الکترواستاتیکی در ابعاد بزرگتر می توان در درایوهای سی دی و دی وی دی و همچنین هارد دیسک ها برای چرخش دیسک به صورت غیر تماسی استفاده کرد.
نقل از روزنامه جام جم