اصول سیم پیچی موتور تک فاز فاز شکسته و نحوه راه اندازی آن

موتورهای الکتریکی تک فاز نقش مهمی در تجهیزات خانگی و صنعتی کوچک ایفا می کنند؛ از پمپ های آب و کولرهای آبی گرفته تا برخی دستگاه های کارگاهی. در میان انواع مختلف موتورهای تک فاز، موتور فاز شکسته یا Split Phase به دلیل سادگی ساختار و هزینه پایین تولید، همچنان یکی از پرکاربردترین گزینه ها برای کاربردهایی است که گشتاور راه اندازی بالایی نیاز ندارند. در این مقاله به صورت کاربردی و فنی به اصول سیم پیچی این نوع موتور می پردازیم.

چرا موتور تک فاز به مکانیزم خاصی برای راه اندازی نیاز دارد

برخلاف موتورهای سه فاز که به طور طبیعی یک میدان مغناطیسی گردان تولید می کنند، تغذیه تک فاز تنها یک میدان مغناطیسی نوسانی (Pulsating) ایجاد می کند که در طول یک محور ثابت نوسان می کند، نه اینکه دور استاتور بچرخد. چنین میدانی به تنهایی نمی تواند گشتاور راه اندازی تولید کند، زیرا در لحظه شروع، نیروهای وارد بر روتور در دو جهت مخالف برابر هستند و یکدیگر را خنثی می کنند. به همین دلیل موتور تک فاز اگر تنها یک سیم پیچ داشته باشد، فقط زمانی می چرخد که با دست یا نیروی خارجی به حرکت درآید. راه حل مهندسی این مشکل، افزودن یک سیم پیچ دوم است که با ایجاد اختلاف فاز نسبت به سیم پیچ اصلی، یک میدان مغناطیسی شبه گردان در لحظه راه اندازی ایجاد می کند.

ساختار دو سیم پیچه در موتور فاز شکسته

در موتور فاز شکسته، استاتور دارای دو دسته سیم پیچ جداگانه است که در شیارهای مشترک قرار می گیرند:

سیم پیچ اصلی یا دائم کار: از سیم نسبتا ضخیم تر با تعداد دور کمتر ساخته می شود و مقاومت اهمی و اندوکتانس مشخصی دارد. این سیم پیچ در تمام مدت کار موتور فعال است و بار اصلی جریان را تحمل می کند.

سیم پیچ کمکی یا راه انداز: از سیم نازک تر و تعداد دور بیشتر ساخته می شود. تعداد دور بیشتر باعث می شود مقاومت اهمی این سیم پیچ نسبت به اندوکتانس آن بیشتر باشد. این تفاوت نسبت مقاومت به راکتانس همان عاملی است که باعث می شود جریان عبوری از سیم پیچ کمکی نسبت به جریان سیم پیچ اصلی دارای اختلاف فاز باشد، بدون آنکه نیازی به خازن یا قطعه اضافی دیگری باشد. به همین دلیل به این موتور «فاز شکسته» می گویند؛ چون فاز جریان با استفاده از خواص الکتریکی خود سیم پیچ ها شکسته یا جدا می شود.

زاویه مکانی و الکتریکی بین دو سیم پیچ

برای اینکه میدان حاصل از دو سیم پیچ بتواند اثر گردان ایجاد کند، محور سیم پیچ کمکی باید نسبت به محور سیم پیچ اصلی جابه جایی مکانی داشته باشد. در یک استاتور دو قطبی معمولی، این جابه جایی معادل نود درجه الکتریکی است که در استاتور دو قطبی برابر با نود درجه مکانیکی نیز خواهد بود. در موتورهای چهار قطبی، همین نود درجه الکتریکی معادل چهل و پنج درجه مکانیکی روی محیط استاتور است. رعایت دقیق این زاویه در تقسیم بندی شیارها اهمیت زیادی دارد، زیرا هر انحراف از آن باعث کاهش گشتاور راه اندازی و افزایش لرزش موتور در لحظه استارت می شود.

تقسیم بندی شیارها و گام قطبی

پیش از شروع سیم پیچی، باید تعداد شیارهای استاتور و تعداد قطب های موتور مشخص شود. گام قطبی به تعداد شیارهایی گفته می شود که هر قطب مغناطیسی روی محیط استاتور اشغال می کند و از تقسیم تعداد کل شیارها بر تعداد قطب ها به دست می آید. برای مثال در یک استاتور بیست و چهار شیاره دو قطبی، هر قطب دوازده شیار را پوشش می دهد. سیم پیچ اصلی معمولا در بخش بزرگ تری از شیارها (نزدیک به دو سوم) پخش می شود و سیم پیچ کمکی در باقی شیارها (نزدیک به یک سوم) جای می گیرد. این توزیع نامتقارن به همراه تفاوت در قطر سیم و تعداد دور، همان عاملی است که اختلاف فاز مورد نیاز را بدون قطعه اضافی فراهم می کند.

نقش کلید گریز از مرکز

از آنجا که سیم پیچ کمکی برای کار دائم طراحی نشده و در صورت باقی ماندن در مدار پس از راه اندازی، دچار گرمای بیش از حد و سوختن می شود، یک کلید گریز از مرکز به صورت سری با آن قرار می گیرد. این کلید به صورت مکانیکی روی محور روتور نصب می شود و زمانی که سرعت موتور به حدود هفتاد و پنج درصد سرعت نامی برسد، مدار سیم پیچ کمکی را قطع می کند. از این لحظه به بعد، موتور تنها با سیم پیچ اصلی و بر اساس اصل میدان دوار (که در سرعت های بالا حتی از یک سیم پیچ نیز با کمک اثر القای روتور شکل می گیرد) به کار خود ادامه می دهد.

مراحل عملی سیم پیچی

در عمل، فرآیند سیم پیچی موتور فاز شکسته شامل مراحل زیر است:

نخست، شمارش دقیق تعداد شیارهای استاتور و ثبت مشخصات کلاف های قدیمی (تعداد دور، قطر سیم، گام سیم پیچی) پیش از باز کردن سیم پیچ کهنه ضروری است. سپس عایق کاری شیارها با کاغذ عایق مناسب انجام می شود تا از اتصال سیم به بدنه فلزی استاتور جلوگیری شود. در مرحله بعد، کلاف های سیم پیچ اصلی بر اساس گام محاسبه شده و به ترتیب قطب ها در شیارهای مشخص شده قرار می گیرند و سپس همین کار برای سیم پیچ کمکی با رعایت جابه جایی نود درجه ای تکرار می شود. پس از قرارگذاری کلاف ها، سرهای ورودی و خروجی هر سیم پیچ به ترمینال های جداگانه متصل و کدگذاری می شوند تا در مرحله سیم کشی نهایی اشتباه گرفته نشوند. در پایان، آزمایش اتصال کوتاه، اتصال بدنه و پیوستگی هر سیم پیچ با اهم متر انجام می شود و در صورت تایید، استاتور در روغن یا وارنیش عایق آغشته و خشک می شود تا استحکام مکانیکی و عایقی سیم پیچ ها افزایش یابد.

تفاوت با موتور خازن دار

نکته ای که بسیاری از تازه کاران با آن اشتباه می گیرند، تفاوت موتور فاز شکسته با موتور خازن دار است. در موتور خازن دار، اختلاف فاز عمدتا توسط یک خازن راه انداز یا دائم کار ایجاد می شود و مقاومت نسبی سیم پیچ ها نقش کمتری دارد. اما در موتور فاز شکسته، هیچ خازنی در مدار وجود ندارد و تمام اختلاف فاز مورد نیاز صرفا از طریق طراحی متفاوت دو سیم پیچ (تفاوت در قطر سیم، تعداد دور و توزیع شیارها) تامین می شود. به همین دلیل گشتاور راه اندازی موتور فاز شکسته نسبت به موتورهای خازن دار پایین تر است و این نوع موتور بیشتر برای کاربردهایی مانند پمپ های کوچک، فن ها و دستگاه هایی که در حالت بی بار یا کم بار راه اندازی می شوند مناسب است.

جمع بندی

سیم پیچی موتور فاز شکسته بر پایه یک اصل ساده اما هوشمندانه استوار است: استفاده از تفاوت مقاومت و راکتانس دو سیم پیچ برای ایجاد اختلاف فاز، بدون نیاز به قطعات کمکی اضافی مانند خازن. موفقیت در سیم پیچی این نوع موتور به رعایت دقیق سه عامل کلیدی بستگی دارد: زاویه نود درجه الکتریکی بین دو سیم پیچ، نسبت درست تعداد دور و قطر سیم بین سیم پیچ اصلی و کمکی، و عملکرد صحیح کلید گریز از مرکز در زمان مناسب. رعایت این اصول نه تنها گشتاور راه اندازی مناسب را تضمین می کند، بلکه عمر مفید موتور و راندمان آن در حالت کار دائم را نیز بهبود می بخشد.