מנוע חשמלי

מנועים חשמליים בגדלים שונים, עם סוללה של 9V, השנייה משמאל בשורה התחתונה, להשוואת גודל.

מנוע חשמלי הוא רכיב חשמלי, הממיר אנרגיה חשמלית לאנרגיה מכנית. מנוע חשמלי מבוסס על עקרון האלקטרומגנטיות, המאפשר יצירת שדה מגנטי על ידי העברת זרם חשמלי דרך סליל לפי כלל יד ימין.

היסטוריה של התפתחות המנוע החשמלי

פרק זה לוקה בחסר. אנא תרמו לוויקיפדיה והשלימו אותו. ייתכן שתמצאו פירוט בדף השיחה.

מבנה מנוע חשמלי

המנוע החשמלי בנוי על פי רוב משני חלקים עיקריים:

1. סטטור (Stator): מערכת סלילים המלופפים סביב ליבה פֵרוֹמגנטית (Ferromagnetic Core) המקובעת למקומה. הסטטור יכול להיות מורכב גם משני מגנטים רבי עוצמה. המגנטים מסודרים כך שקוטביהם (צפון ודרום) המופנים לכיוון הרוטור מנוגדים.
2. רוטור (Rotor): ציר העובר בתוך הסטטור ועליו או שנמצאים מגנטים או שמלופפים סלילים. ציר זה חופשי להסתובב. כאשר זורם זרם חשמלי דרך הסלילים שברוטור (או בסטטור), נוצר שדה מגנטי סביבם (דרך הליבה). שדה מגנטי זה מפעיל כוח על הציר העובר דרכו, וזה מסתובב עקב המומנט (כח סיבובי). העברת זרם חשמלי מקוטע, בצורה מבוקרת, מאפשרת צירוף תנועות זוויתיות קטנות לסיבובים שלמים.

דרך פעולת המנוע

פעולה מלאה של המנוע

הזרם העובר בתוך סלילי הרוטור מכוון כך, שסביב הסלילים המסתובבים ייווצר 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 הוורוד 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 הוורוד (הדרומי). היפוכו של דבר בסליל הוורוד. כאן גם ניתן לראות את החיבור של 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 והוורוד כצפוני, וכוחות המשיכה מתחלפים בכוחות דחייה.

תמונה א'

תמונה ב'

תמונה ג'

סוגי מנועים חשמליים

מנועים חשמליים ניתנים לחלוקה על פי מספר תכונות:

1. מנועי זרם ישר (DC) לעומת מנועי זרם חילופין (AC).
2. מנוע צעד (step motor) (סוג של מנוע DC).
3. מנועים סינכרונים וא-סינכרונים (מנועי AC).

כמו כן, מנועים מתחלקים לשני סוגי שליטה:

1. מנוע מברשות - המשמשות ליצירת המגע וסגירת המעגלים לאלקטרו-מגנטים המפעילים את המנוע.
2. מנוע ללא מברשות BLDC - בהן סגירת המעגלים נעשית באופן ממוחשב, בעזרת חיישני מיקום, או על ידי זיהוי ההשראה המגנטית מהמגנטים הקבועים (אינדוקציה).

צורת המנוע אף היא משמשת לאבחון וחלוקה

1. מנועי צינור - הצורה המצויה של מנועים חשמליים.
2. מנועים מיושרים (ליניארים) - מנוע שבו אין תנועה סיבובית, אלא משיכה המשכית על גבי מסילה או משטח. משמש להזזת רכבת הרים או להזזה מיקרוסקופית על גבי משטחים ליצירת מעגלים מודפסים בתעשיית הננו-טכנולוגיה.
3. מנועי חביתית (פנקייק) - מנוע גלילי דק מאוד יחסית לקוטרו.

מנוע זרם ישר

מנוע זרם ישר

מנוע זרם ישר עם מברשות תואר לעיל. במנוע זרם ישר ללא מברשות, המגנטים הקבועים נמצאים על הרוטור (הלולאה המסתובבת) והמגנטים בקיטוב מתחלף נבנים כסטטור (המגנטים החיצוניים). קצב סיבוב הרוטור נקבע על ידי הזרם המוזן למגנטי הסטטור, שהוא לרוב זרם חילופין המתקבל מהתמרת הזרם הישר המזין את המנוע. הימנעות משימוש במברשות להעברת הזרם אל ציר מסתובב מגדילה את אמינות המנוע ומקלה על המזעור שלו.

מנוע זרם חילופין

שדות מגנטיים מסתובבים כסכום של וקטורים מגנטיים במנוע תלת-פזי

שרטוט מנוע חשמלי בעירור מקבילי

קיימים שני סוגים עיקריים של מנועים חשמליים לזרם חילופין :

• מנוע תלת-פאזי המתאים לפעולה עם אספקת חשמל בת שלוש פאזות. מנוע זה הוא בעל שלושה שדות אלקטרומגנטיים, אחד לכל פאזה, בחלק הקבוע של המנוע הנקרא סטטור. הפאזות קבועות בזווית של 120 מעלות זו מזו ויוצרות על ידי כך מומנט סיבובי של הרוטור, החלק המסתובב במנוע. הרוטור בנוי ממגנט קבוע או מאלקטרומגנט המוזן בחשמל דרך מסב החלקה.
• מנוע חד פאזי. רווח בשימוש ביתי כאשר אין אספקת חשמל תלת-פאזית. כדי ליצור את המומנט הסיבובי במנוע זה, בונים פאזת עזר מלאכותית: אחד משני השדות האלקטרומגנטיים מחובר דרך קבל הגורם להזזת הפאזה. אז נוצר הפרש פאזה (הפרש מופע) החשוב במיוחד בזמן התחלת פעולת המנוע.

קיים גם מנוע אוניברסלי הפועל בזרם חילופין וגם בזרם ישר, שנקרא "מכונת קולקטור". קיימים במנוע זה קטבים אלקטרומגנטיים גם בסטטור (החלק הקבוע) וגם ברוטור (החלק המסתובב). חיבור הקטבים הניידים ביחס לקבועים משתנה תוך כדי הסיבוב בעזרת פחמים או מברשות לקבלת מומנט סיבובי אופטימלי.

עקרון הפעולה של מנוע אסינכרוני (המנוע מסתובב במהירות שאינה מסונכרנת לתדר הרשת המזינה אותו) עקרון הפעולה דומה במידה מסוימת להפעלת שנאי, המערכת מבוססת על שתי מערכות סלילים (ראשי ומשני) כאשר מערכת אחת היא סלילי הסטטור (חלקו הנייח של המנוע) מערכת זו מחוברת אל רשת החשמל (בטור למערכות ההגנה) ומערכת הסלילים השנייה היא הרוטור (החלק המסתובב במנוע). שתי המערכות פועלות כשנאי (סלילים) כך שעל ידי השראה מגנטית זרם במערכת אחת יוצר כא"מ (כוח אלקטרו מניע) וזרם במערכת השנייה, כתוצאה מכך ישנם כוחות מגנטים בשתי המערכות.

רוטור מלופף - כולל בתוכו פחמים להעברת זרם חשמלי. רוטור כלוב - אינו כולל פחמים.

מנוע צעד הוא מכשיר אלקטרו-מכני המפעיל רכבת של תנועות צעד של הציר בתגובה לרכבת של פולסי כניסה. תנועת הצעד עשויה להיות זוויתית או ליניארית. כאשר מספר מסוים של פולסי הנעה מסופקים למנוע, המוט מסתובב בזווית ידועה.

שימושי המנוע החשמלי

המנועים החשמליים נכנסים כמעט לכל היבט בחיים המודרניים.

במערכות היסע

• רכב קל כדוגמת קלנועית.
• כסא גלגלים חשמלי
• מנוע הרכב (במכונית חשמלית).
• מנוע עזר למנוע הרכב הראשי (במכונית היברידית).
• מעלית
• מדרגות נעות
• מסוע
• רכבת חשמלית

מנוע חשמלי בבנייה ביתית ("עשה זאת בעצמך") אינו דורש יותר מאשר סוללה, מגנט, ומעט חוטי חשמל.

ברכב

• מתנע
• מרימי חלונות (חשמליים)
• נעילה מרכזית
• מאוורר פנימי
• מאוורר לקירור המנוע
• כיוון חשמלי של הכיסאות, ההגה והמראות על פי פקודות הנהג
• הפעלות שונות: החלפת הילוכים והפעלת מצמד בתיבת הילוכים רובוטית
• הנעה ברכב חשמלי

בתקשורת

• מסיט לאנטנה לוויינית (צלחת).
• רטטים לטלפונים סלולריים.

בבית

• מעבדי מזון
• מכונות כביסה וייבוש
• שואב אבק
• הפעלת משאבת חום במקררים ומזגנים
• סיבוב הצלחת בתנור מיקרוגל
• מכונת תפירה
• מברשת שינים חשמלית
• שער חשמלי
• מאווררים
• כורסאות ומיטות מתכוונות
• במחשבים (דיסק קשיח, מאוורר)
• במדפסות

בעבודה

• כלי עבודה בנגרות דוגמת מסור חשמלי
• כלי עבודה לתיקונים כדוגמת מקדחה, מברגה
• משאבת מים לניקוז
• פסי ייצור
• רובוטיקה

בשימושים רפואיים

• מקדחת שיניים
• מגבה כיסא לרופא שיניים
• מיטות חשמליות בבתי חולים
• שולחנות צילום לשיקוף רנטגן
• כלי ניתוח כדוגמת מקדחות ומסורים
• כירורגיה רובוטית

קישורים חיצוניים

• המנוע החשמלי, באתר מוזיאון המדע בירושלים
• ארז גרטי, כיצד פועל מנוע חשמלי?, במדור "מאגר המדע" באתר של מכון דוידסון לחינוך מדעי, 10 ביולי 2011
• שכטר מוריצי, צפייה בספר ”המנוע החשמלי תאוריה אחידה” (עמ' 181), באתר google. ניתן להוריד, , את כל הספר מהאתר, ‏2003
• שכטר מוריצי, בדף זה תמצאו שני קבצים להורדה: (1) תאוריה של מכונה לזרם ישר (2) תרגילים פתורים במכונה לזרם ישר (עמ' 17 + 31), באתר google. ניתן להוריד, , את שתי החוברות בעזרת קישורים בתחתית הדף, ‏2004
• מנוע חשמלי, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית)
• מדריך לסוגי מנועים שונים. מסייע לבחירת מנוע מתאים לפרויקט