کموتاتور: قلب جریان موتورهای محرک – اصول ساختاری، چالش‌های فنی و تحلیل کاربرد
در سیستم عملکرد موتور، کموتاتور که به عنوان “مرکز هوشمند” حفظ کننده عملکرد کارآمد موتور عمل می‌کند، دارای یک وظیفه اصلی است: تضمین خروجی پایدار توان با کنترل پیوسته و دقیق جهت جریان. هنگامی که موتور شروع به کار می‌کند، جاروبک یک اتصال رسانای پویا با سطح کموتاتور تشکیل می‌دهد. با چرخش کموتاتور در سرعت بالا، بخش‌های سطح کموتاتور (میله‌های مسی) به ترتیب با جاروبک تماس برقرار کرده و جریان مستقیم (DC) خارجی را به جریان متناوب (AC) مورد نیاز سیم‌پیچ تبدیل می‌کنند. این فرآیند شبیه به یک “رقص جریان” دقیق است: کموتاتور مسیرهای جریان را در زمان واقعی بر اساس موقعیت چرخشی روتور تغییر می‌دهد. به عنوان مثال، هنگامی که روتور به زاویه خاصی می‌رسد، کموتاتور به سرعت جریان در سیم‌پیچ جاری را قطع کرده و آن را به مجموعه بعدی سیم‌پیچ‌ها هدایت می‌کند، این اطمینان را ایجاد می‌کند که میدان‌های مغناطیسی استاتور و روتور همیشه یک زاویه بهینه حدود 90 درجه را حفظ کنند. این امر یک گشتاور الکترومغناطیسی پیوسته ایجاد می‌کند که باعث چرخش مداوم روتور می‌شود. بدون این کنترل دقیق، جهت‌گیری آشفته جریان باعث عدم تعادل نیروی میدان مغناطیسی شده و خطر توقف روتور، لرزش یا حتی سوختن را به همراه دارد.
به عنوان یک جزء اصلی در موتورهای محرک، عملکرد فنی و کیفیت کموتاتور به طور مستقیم بر عملکرد کلی موتور تأثیر می‌گذارد. در حین کار با سرعت بالا، اصطکاک مکرر بین جاروبک و سطح کموتاتور باعث تولید گرما می‌شود. سرعت‌های بالاتر منجر به دمای سطحی بالاتر می‌شود که می‌تواند باعث افزایش تغییر شکل شعاعی کموتاتور و تغییر شکل بین بخش‌ها شود، سطح جرقه را افزایش دهد و در نتیجه عمر مفید موتور را کاهش دهد. بنابراین، طراحی ساختاری آن باید رسانایی الکتریکی، اتلاف حرارت و مقاومت در برابر سایش را به طور متعادل در نظر بگیرد.
ساختارهای متنوع كموتاتورهای پلاستیکی پاسخ مستقیمی به نیازهای فوق هستند، با پارامترهای طراحی که ارتباط نزدیکی با توان موتور، ولتاژ، سرعت و ابعاد دارند. در حال حاضر، كموتاتورهای نیمه پلاستیکی اصلی معمولاً از یک پوسته پلاستیکی، قطعات كموتاتور (مخازن مس)، عایق ورق میکا و بوش‌های فلزی تشکیل می‌شوند. این ترکیب امنیت را از طریق مواد عایق تضمین می‌کند، هدایت مطمئن جریان را از طریق اجزای فلزی تضمین می‌کند و از یک پوسته پلاستیکی برای ساخت سبک و حمایت ساختاری استفاده می‌کند – که اساس برای بهینه‌سازی عملکرد موتور در کاربردهای مختلف فراهم می‌کند. از تجهیزات صنعتی گرفته تا وسایل برقی خانگی، كموتاتورها از طریق طراحی ساختاری دقیق و کنترل ثابت جریان، عملکرد کارآمد موتور را مداوم möjّع می‌کنند.
تصویر یک طرح شماتیکی از ساختار کموتاتور را نشان می‌دهد. در اینجا، ۱ قطعه کموتاتور را نشان می‌دهد که مسئول سوئیچینگ جریان است؛ ۲ پوسته پلاستیکی است که محافظت و پشتیبانی می‌کند؛ ۳ بوش فلزی است که انتقال جریان را تضمین می‌کند؛ و ۴ ورق میکا است که به عنوان عایق برای جلوگیری از کوت circuit عمل می‌کند. با این طراحی ساختاری، کموتاتور به چندین نیاز عملکردی پاسخ می‌دهد تا عملکرد موتور را کارآمد و پایدار تضمین کند.
بر اساس تفاوت در ساختار اتصال بین قطعه کموتاتور و سر سیم پیچ، کموتاتورها را می‌توان به کموتاتورهای شیار و کموتاتورهای قلاب تقسیم کرد.
برای کموتاتورهای شیار، شیارهایی بر روی قسمت‌های برجسته قطعات کموتاتور مینال می‌شوند و سر سیم‌های سیم پیچ در این شیارها جاسازی می‌شوند، و پس از آن با فناوری جوشکاری نقطه‌ای (جوشکاری فشار داغ) ادامه می‌یابد. در طول فرآیند جوشکاری نقطه‌ای، فیلم رنگ سیم مینایی با دما بالا ذوب می‌شود، که به اتصالات الکتریکی خوب بین سر سیم‌ها و بین سر سیم‌ها و دیواره‌های شیار کموتاتور کمک می‌کند.
برای کموتاتورهای قلابی، هنگام سیم پیچ کردن روتور، سر سیم پیچ مستقیماً بر روی قلاب قطعه کموتاتور بپیچیده می‌شود. در طول جوشکاری نقطه‌ای، قلاب پایین فشار داده می‌شود تا اتصال الکتریکی خوبی بین سر سیم و کموتاتور حاصل شود. این نوع کموتاتور، خودکارسازی فرآیند اتصال بین پایانه‌های سیم پیچ و کموتاتور را تسهیل می‌کند، اما عمدتاً در سناریوهای با تعداد کمتر قطعات کموتاتور و توان پایین‌تر موتور استفاده می‌شود. این به این دلیل است که موتورهای پرقدرت دارای قطر سیم‌های سیم پیچ نسبتاً ضخیم هستند که سیم‌پیچ کردن آن‌ها دشوار است. علاوه بر این، وقتی تعداد قطعات کموتاتور زیاد است، عرض قلاب باریک می‌شود و پایانه‌های سیم مجاور بسیار مستعد کوت‌سیر هستند.
پوسته کموتاتور معمولاً از پلاستیک گرمادوست تقویت‌شده با الیاف شیشه‌ای یا پلاستیک آزبست ساخته می‌شود. از آنجایی که کموتاتور در حین عملکرد گرما تولید می‌کند و باید استرس‌های مکانیکی معینی را تحمل کند، الزامات مربوط به مقاومت حرارتی و استحکام مکانیکی پلاستیک سخت است. در عین حال، ضریب انبساط حرارتی آن نیز باید تا حد ممکن به ضریب انبساط مسی کموتاتور نزدیک باشد. معمولاً از پودر بکلايت رزین فنولی برای برآورده کردن این الزامات استفاده می‌شود. وظیفه اصلی بوش فلزی، جلوگیری از تحمل استرس مکانیکی توسط پلاستیک هنگامی که کموتاتور روی شفت فشرده می‌شود، است. با این حال، به دلیل محدودیت‌های اندازه، کموتاتورهای کوچک اغلب بوش فلزی ندارند. بوش‌های فلزی رایج شامل بوش‌های برنج، بوش‌های فنری و سایر انواع است.
ورق‌های میکا یا پودر میکا برای عایق‌گذاری بین قطعات کموتاتور استفاده می‌شوند. با توجه به مقاومت بالای میکا در برابر سایش، استفاده از فرآیند شیارگیری ضروری است تا سطح ورق میکا بین قطعات کموتاتور پایین‌تر از سطح قطعات خود باشد. این کار از بیرون زدگی ورق میکا و آسیب دیدن به تماس بروش با قطعات کموتاتور جلوگیری می‌کند. در صورت بیرون زدگی ورق میکا، عملکرد کموتاسیون کاهش می‌یابد و حتی ممکن است باعث ناروایی موتور شود.
**ماده‌های نوارهای مس کموتاتور عمدتاً به دو دسته تقسیم می‌شوند:** یکی مسی بدون اکسیژن یا مسی الکترولیتی است که برای شرایط با سرعت دورانی پایین، مانند موتورهای کوچک لوازم خانگی و استارتورهای خودرو، مناسب است. دیگری آلیاژ نقره-مسی است که معمولاً در تجهیزاتی مانند جاروبرقی‌ها و ابزارهای برقی استفاده می‌شود. از آنجا که سرعت خطی در هنگام коммуتاسیون چنین تجهیزاتی بالا است، فرسایش جرقه‌ای احتمالاً باعث افزایش سریع دمای سطح کموتاتور می‌شود. عنصر نقره افزوده شده در آلیاژ نقره-مسی می‌تواند مقاومت مواد در برابر دما را بهبود بخشد، باعث شود سطح کموتاتور به راحتی تغییر شکل ندهد و به طور موثر نقصهایی مانند فرسایش جرقه‌ای و عدم تماس خوب را سرکوب کند تا عملکرد پایدار را در شرایط کاری با سرعت بالا تضمین کند.