זרם חשמל

זרם אלקטרונים מהנע בתווך כלשהו ובפרט בתוך חוט מתכת, נקרא זרם חשמל.

זרם ישר

זרם אלקטרונים הנע בכוון אחד בלבד.

זרם חילופין

זרם אלקטרונים הנע  הלוך וחזור. כלומר שפעם בכוון אחד ופעם בכוון אחר. תדירות שינוי הכוון מוגדרת כמספר הרץ - Hrz.

גנרטור חשמל

כאשר גורמים למוליך חשמלי לחצות קווי שדה מגנטי מתפתח בין קצותיו מתח חשמלי.

קווי השדה המגנטי

מגנט בצורת האות האנגלית U אשר במרכזו מסתובב סליל חוט מתכת - נחושת החותך את קווי השדה המגנטי, יגרום לתנועת אלקטרונים בתוך הסליל. תנועה זו היא זרם חשמל. 

גנרטור חשמל מייצר זרם חשמל באמצעות כוח חיצוני כגון מנוע בערה פנימית, המסובב את הסליל בתוך השדה המגנטי. זרם החשמל המתקבל יכול שיהיה זרם ישר ויכול שיהיה זרם חילופין. סוג הזרם נקבע ע"י מבנה הגנרטור החשמלי המייצר אותו. 

ניתן להפוך זרם ישר לזרם חילופין וכמו כן להפוך זרם חילפין לזרם ישר.

מנוע חשמלי

זרם חשמל המוזרם לסליל חוט מתכת - נחושת המצוי בין שני קטבי מגנט, יגרום לסליל להסתובב. זהו מנוע חשמלי.

מנוע חשמל נחלקים לסוגים שונים כמפורט להלן.

מנוע מברשות חשמלי, דו קוטבי - Brush DC Motors

חלקי מנוע DC – זרם ישר :

עוגן - armature

מחלף – commutator

מברשות – brushes

ציר – axle

מגנט שדה - field magnet

מקור כוח חשמלי – power source

החלק החיצוני היציב – מגנט השדה, קרוי סטטור  - stator

החלק הפנימי הסובב קרוי רוטור - rotor

המחלף הנו טבעת חצויה לשניים, העוטפת את הציר.

המברשות צמודות למחלף ומקבלות מתח ממקור הכוח החשמלי. האחת מחוברת לצד החיובי - הפלוס של מקור הכוח והשנייה לצד השלילי - המינוס.

המברשות טוענות מתח חשמלי , כל אחת לחצי אליו היא מחוברת בקוטביות מנוגדת לקטביי מגנט השדה וכתוצאה, גורמות לציר להסתובב.

ניתן לשנות כוון סבוב הציר ע"י הפיכת חיבור הפלוס והמינוס.

פרוט דרך פעולת המנוע:

הזרם העובר בתוך סלילי הרוטור מכוון כך, שסביב הסלילים המסתובבים יווצר שדה אלקטרומגנטי בעל קוטביות משתנה, כך שאותו קוטב (למשל דרום) מכוון לכיוון המגנטים שבסטטור.

במצב זה המגנט "הדרומי" דוחה את הסליל הקרוב אליו (דרום דוחה דרום) ואילו המגנט "הצפוני" מושך את הסליל הקרוב אליו.

בתמונות מוצג מנוע זרם ישר פשוט בעל שני סלילי השראה. בתמונה א' הסליל הכחול ממוגנט כקוטב צפוני , ולכן נדחה על ידי המגנט ה"צפוני" ("N").

הסליל הורוד ממוגנט כקוטב דרומי ולכן נדחה על ידי הקוטב הדרומי ("S"). הדחייה גורמת לרוטור להסתובב בכיוון השעון.

בתמונה ב' הסליל הכחול עדיין נדחה על ידי המגנט הכחול (הצפוני) אך גם נמשך על ידי המגנט הורוד (הדרומי). היפוכו של דבר בסליל הורוד. 

כאן גם ניתן לראות את החיבורשל המנוע למקור החשמל (מסומן ב "+" ו "-") ואת צורת אספקת הזרם לסלילי הרוטור על ידי "מברשות" גמישות המעבירות את הזרם לסלילים (דרך שני קטבים על הרוטור, שיש רווח ביניהם).

בתמונה ג' הסלילים קרובים אל הקטבים ההפוכים להם במגנטיות וכוחות המשיכה מגיעים לשיאם, כך שלכאורה המנוע צריך לעצור בנקודה זו, אלא שאז מתחלפים כיווני אספקת החשמל, הסליל הכחול הופך להיות ממוגנט כדרומי והורוד כצפוני, וכוחות המשיכה מתחלפים בכוחות דחייה.

מנוע חשמלי DC, ללא מברשות - Brushless DC Motors

מנוע ללא מברשות – BRUSHLESS – אינו מכיל מברשות, טבעות החלקה או קומוטטור מכני  ומונע בזרם חילופין.

ממיר מתח מוזן בזרם ישר מהמצבר וממיר אותו לזרם חילופין.  

במנוע זה נוצר שדה מגנטי מסתובב בסטטור, התואם את תדר המקור. הרוטור מסתובב במהירות מעט נמוכה ממהירות סיבוב השדה בסטטור, שכן ליצירת השראה אלקטרומגנטית  נדרשת מהירות יחסית או Slip בין הרוטור והשדה המגנטי המסתובב.

אף שמקור המתח הוא מצבר המספק מתח ישר, מהפך מתח ממיר אותו לזרם חילופין.

מהפכי מתח פשוטים מכילים מתנד המפעיל טרנזיסטור, אשר קוטע את הזרם הישר הנכנס ויוצר גל מרובע. הגל המרובע מוזן לשנאי, כדי להביאו למתח הדרוש. 

במהפכים מתקדמים יותר נעשה שימוש בטרנזיסטורים חדשניים יותר או בתיריסטורים. השנאי גם מחליק את הגל המרובע, ועושה אותו דומה יותר לסינוסואיד.

 התקני שיכוך מתחים טרנזיינטיים (TVS) מבוססי תיריסטור הם התקני הגנת מתח-יתר המייצגים כעין מעגל פתוח בתנאי פעולה רגילים. יישום של מתח על פניהם מעבר לערך ספציפי כלשהו הנקרא מתח הפריצה גורם להם להיכנס למצב הולכה המתקרב למעגל קצר. מצב זה נמשך עד שזרימת הזרם דרך ההתקן יורדת מתחת לערך מינימלי המכונה "זרם ההחזקה" על ידי השפעה חיצונית כלשהי על המעגל. 

מאמר מקיף על מנועים חשמליים