Faمقدمه
در اوایل قرن 19 میلادی، وسایل نقلیۀ الکتریکی، در مقایسه با وسایل با سوخت فسیلی، درجۀ 2 محسوب میشدند. این وضعیت وقتی تغییر کرد که در سال 2017 خودرو برقی تسلا مدل SP100DL ، توجهات را به سوی خود جلب نمود. این خودرو گوی سبقت را از تمامی خودروهای پربازدهِ در دست تولید ربود و در کتابهای تاریخ ، سریعترین شتاب صفر تا صد ایجاد شده تا 2017 ( حدود Sec 2.357) را ثبت نمود.
این قدمهای انقلابی بدون نقش قاطعی که سیم مغناطیسی در موتورهای الکتریکی تسلا بازی میکند، فقط یک رویا است. کاربرد موتورهای الکتریکی برپایۀ سیم مغناطیسی در وسایل نقلیه، آیندۀ حمل و نقل خودرویی را رقم میزند. بهطور کلی این موتورها با بازده بالاتر و درعینحال با کمترین اثر از کربن، توجه مصرفکنندگان، تولیدکنندگان و جامعه را به خود جلب نموده است.
ضرورتی برای نیروبخشی به جهان مدرن
سیم مورداستفاده در سیمپیچی تجهیزات الکتریکی را سیم مغناطیسی magnet wire نامیدهاند. (همچنین سیم محرک motor wire یا سیم سیمپیچی winding wire). به بیان سادهتر، سیم مغناطیسی برای تبادل انرژی الکتریکی و انرژی مغناطیسی بکار میرود. رایجترین سیم مغناطیسی، سیم عایقشدۀ مسی بکاررفته در موتورهای الکتریکی است که بههمراه چرخ و لامپ نوری، یکی از بزرگترین اختراعات بهشمار میرود. سیم مغناطیسی میتواند به انواع گستردهای تقسیمبندی شود که شامل سیم لاکی enameled wire، سیم پوشیده (یا تنیده) covered (or served) wire یا ترکیبی از این دو میباشند.
سیمهای مغناطیسی میتوانند به انواع کاملاً متنوعی تقسیمبندی شوند و برای این کار باید خصوصیات زیر لحاظ شود:
الف) یکنواختی عایق
ب) مشخصههای خوب الکتریکی مانند استقامت دیالکتریک و مقاومت عایقی
ج) مقاومت در برابر تنش مکانیکی
د) مقاومت در برابر مواد شیمیایی، حلالها و شارلاکها
ه) مقاومت گرمایی و نهایتاً
و) عمر گرمایی طولانی
هر سیم مغناطیسی باید در یکی یا بیشتر از خصوصیات فوق، مشخصههای خوبی از خود نشان دهد. هر نوع سیم، مزایا و معایب خودش را دارد و این شرایط کاربری است که در انتخاب نوع سیم تعیینکننده است.
در کل، ایدۀ اصلی این است که با عبور جریان الکتریکی از سیم، میدان مغناطیسی تشکیل میشود. برای افزایش قدرت میدان مغناطیسی، میتوان جریان را افزود و یا چند کلاف به حلقههای سیمپیچی افزود.
وسایل نقلیه الکتریکی- شکی در مورد بازده این نوع وسایل نیست.
وسایل نقلیۀ برقی از اواسط دهۀ 1800 بوجود آمدند. رابرت آندرسون در سال 1840 در انگلیس، اولین حق امتیاز تولید خودرو برقی را گرفت. تصویری که در اینجا میبینید، یک خودرو برقی در سال 1887 در انگلستان است. با اینکه وسایل نقلیه برقی در قرن بیست و یکم هنوز در سایۀ وسایل نقلیه درونسوز هستند، اما در طول قرن بیستم خودروهای برقی بخاطر نگرانیها در مورد گرمایش جهانی، انگیزههای مالی، دسترسیهای خاص به خطوط ویژه (HOV Lanes) و نیز بازدههای بیشتر، قدرتمندانه بازگشتند.
خودروی تسلای مدل SP100DL با وزن 2180 کیلوگرم، زمانیکه از حال سکون به mile/h 60 رسید، رکوردی ثبت کرد که در کل جهان ماندگار شد. زیرا سریعتر از خودروهای تولیدشدۀ دیگری بود که توسط شرکت Motor Trend تست شده بود. هیچ خودرویی تولید نشده بود که بتواند رکورد 2.3 ثانیه را برای صفر تا mile/h 60 بشکند اما این تسلا این رکورد را به عدد 2.275507139 ثانیه کاهش داد.
بیش از 800 متر سیم مغناطیسی در هریک از موتورهای پربازدهِ جلو و عقب هر خودروی تسلای مدل S بکار رفته است. باوجود اینکه در شهرهای پرجمعیت و اتوبانهای پرازدحام امروزی، سرعت بالا ضرورتی ندارد، ولیکن این دستاورد تسلا هرگونه شکی در خصوص بازده بالقوه برای یک خودرو برقی را برطرف کرده است.
عایقهای سیم مغناطیسی
راهنمای عایقبندی
سیم های مغناطیسی مدرن معمولا با ضخامت یک تا چهار عایق یا پلیمر و غالبا از دو ترکیب مختلف برای ایجاد یک لایۀ سخت و پیوسته تولید میشوند. در لایههای عایقی سیم مغناطیسی (بهمنظور افزایش گسترۀ دمایی) از پلیوینیلفرمال (Formvar)، پلیاورتان، پلیآمید، پلیاستر، پلیاستر-ایمید، پلیآمید-ایمید و پلیایمید استفاده میشود. سیم مغناطیسی عایقشده با پلیایمید قادر است بهطور پیوسته در دمای 240 °C کار کند. عایق سیمهای مغناطیسیِ ضخیمترِ مربعی یا تخت، اغلب با پوشاندن یک پلیایمید دما-بالا یا الیاف شیشهای، تقویت میشوند. سیمپیچهای کاملشده completed windings نیز اغلب جهت بهبود استحکام عایقی و قابلیت اطمینان طولانی مدتِ سیمپیچ، در خلاء با شارلاک عایق عملآوری میشوند.
سیمپیچهای خود-پشتیبان self-supporting coils با سیمهایی که حداقل با دو لایه عایقشده اند، سیمپیچی میشوند که لایۀ بیرونی، ترموپلاستیکی (گرمانرمی) میشود تا وقتی گرم شد، لایهها به هم بچسبند.
انواع دیگر عایق مانند الیاف شیشهای آمیخته با شارلاک، کاغذ آرامید، کاغذ کرافت، میکا و لایۀ پلیاستر نیز بهطور گستردهای در سرتاسر جهان برای کاربردهای مختلف مانند ترانسفورمرها و رآکتورها استفاده میشوند. در حوزۀ صنعت شنیداری audio sector، سیمهایی با ساختار نقرهای و عایقهای مختلف دیگر، مانند پنبه (که گاهی در آن عوامل تغلیظکننده مانند موم نفوذ میدهند) و پلیتترافلوئور-اتیلن (تفلون) مورد استفاده واقع میشود. همچنین مواد عایقی قدیمیتر شامل پنبه و کاغذ و ابریشم نیز استفاده میشدند که فقط برای کاربردهای کم-دما (تا 105°C) مفید هستند.
برای سهولت در مصرف، عایق برخی سیمهای مغناطیسی با کلاس حرارتی پایین انتخاب میشوند که قابلیت برداشتهشدن با حرارت یا لحیم را دارند. بعبارت دیگر، اتصالات انـتهای سیم بدون لختکردن آن میسر میشود.
تاریخچۀ موتور الکتریکی
در اوایل قرن 19 میلادی، حضور برق در همه جا حس میشد. مخترعین در اروپا و امریکا تئوریها و اختراعات جدید ارائه میکردند. اکثرا اطلاعی از کار همکاران خود نداشته و راهحلهای مشابهی را بهطور مستقل ارائه میدادند.
جدول زمانی از سال 1800 تا سال 1834:
انجام نخستین آزمایشها با ابزارهای الکترومغناطیسی:
1800: برای نخستین بار آلساندرو ولتای ایتالیایی توانست از صفحۀ نقره و روی، توان الکتریکی پیوسته تولید کند (برعکسِ جرقه یا الکتریسیتۀ ساکن)
1820: هانس کریستین اورستد دانمارکی با مشاهدۀ انحراف عقربۀ قطبنما، تولید میدان مغناطیسی توسط جریان برق را کشف کرد. این نخستین باری بود که متوجه شدند جریان برق موجب حرکت مکانیکی میگردد.
1820: آندره-ماری آمپر، سیملوله (سلونوئید) را اختراع کرد.
1821: مایکل فاردی انگلیسی دو آزمایش ابداع کرد که چرخش الکترومغناطیسی را اثبات میکرد. بهعنوان مثال یک سیم آویزان عمودی در یک مدار دایروی دور یک آهنربا میچرخد.
1822: پیتر بارلو انگلیسی اولین وسیلۀ چرخان که با الکترومغناطیس هدایت میشد را ساخت. (چرخ بارلو)
1825: ویلیام استورگون انگلیسی، آهنربای الکتریکی را اختراع کرد که یک سیمپیچ با هستۀ آهنی برای تقویت میدان مغناطیسی بود.
1827: جدلیک مجارستانی، اولین ماشین چرخنده دارای آهنرباهای الکتریکی و کموتاتور را اختراع کرد. هرچند که جدلیک اختراعش را دهههای بعد به اطلاع عموم رساند و زمان دقیق اختراعش مشخص نیست.
1830: دانشگاه اینسبراک یک موتور خرید که آن را یوهان میشل اکلینگ (مکانیک اهل وین) بر اساس نقشه و ایدههای پروفسور اندریاس ونباومگارتنر (فیزیکدان اتریشی) ساخته بود. سال دقیق ساخت مشخص نیست و اصولاً باید قبل از 1830 باشد.
1831: مایکل فارادی انگلیسی القای الکترومغناطیسی، بهعنوان مثال تولید جریان برق به سبب میدان مغناطیسی متغیر (حالت عکسِ کشف اورستد) را کشف و بررسی کرد و بنابراین، توسعۀ ژنراتورهای برق را بنیاد نهاد.
1834: پس از بسیار تلاشهای دیگر با دستگاههای رفت و برگشتی و کُندچرخش، موریتز جاکوبیِ پروستبار آلمانیزبان، نخستین موتور الکتریکی که بهمعنای واقعی توسعه یافته بود و خروجی مکانیکی قابلتوجهی میداد، را خلق کرد.
1838: اولین موتور جاکوبی، تنها 4 سال توانست تا رکورد خود را حفظ کند. موتور دوم وی برای راندن یک قایق با 14 سرنشین در عرض یک رودخانۀ عریض قدرت کافی داشت که رکورد موتور اول را شکست. موتورهای اولیه اکثراً با سیم مسی عایقشده با کتان پیچیده میشدند.
1837: توماس دِوِنپورت موتور الکتریکی را ثبت اختراع کرد. در ادبیات امریکا متونِ زیادی متاثر از احساسات وجود دارد که مخترع موتور الکتریکی را دِوِنپورت معرفی میکنند. این اظهار برپایۀ این حقیقت مسلم بود که دِوِنپورت اولین امریکایی بود که یک موتور الکتریکی کاربردی خلق کرد و نیز اولین کسی بود که ثبت اختراع چنین وسیلهای انجام گرفت.
از سال 1837 تا 1866: فقط در انگلستان در حدود 100 ثبت اختراع برای موتورهای الکتریکی به سایر مخترعین اعطا شد. پس از آنکه دِوِنپورت موتورش را در سال 1837 بازطراحی کرد، ثبت اختراعش عملاً بیارزش شد.
آغاز تولید سیم های مغناطیسی
1907: جرج آ.جاکوبز مخترعی امریکایی، یک فرایند عایقکاری اختراع کرد که اجازه میداد سیم مسی در قالبهای بسیار دقیقی ساخته شود. این عایق لاکی، بادوام، کم حجم و اقتصادی تر از بقیه بود. در این زمان، جاکوبز کمپانی Duldo را تشکیل داد که پس از مدت کوتاهی بزرگترین تولیدکنندۀ سیم مغناطیسی عایقشدۀ مسی شد.
1911: جرج جاکوبز و شریکش “ویکتور ریا” سیمهایی در هر ضخامت ساختند که یک عایق شیمیایی میتوانست بهطور هموار در کورههایی ویژه بر روی آن پخته شود و نیز برای تبدیلشدن به سیمپیچ، بهاندازۀ کافی نرم بماند.
1927: شرکت با دو کمپانی دیگر ادغام شد و شرکت General Cable Corporation را تشکیل دادند.
1929: General Cable نخستین کابل زیردریایی 75000 ولتی در امریکا را ساخت که از رودخانۀ Delaware بگذرد. آن کابل که طولانیترین کابلِ بدوناتصال (یک-تکّه) تا آنزمان بود، 1234 متر طول داشت.
1933: ویکتور ریا کمپانی Rea Magnet Wire را ایجاد کرد و نخستین سفارشاش را از شرکت جفرسون الکتریک دریافت کرد که بیش از 4.5 تن سیم لاکی با قالب 38 روی قرقرههای 3 اینچی بود.
1936: شرکت Essex با بدستگرفتن یک مجموعۀ صنعتیِ بدون تصدی، که قبلاً متعلق به Dudlo بوده است، پا به صنعت سیم مغناطیسی نهاد.
تا سال 1940: تولیدکنندگان سیم مغناطیسی، بهطور خستگیناپذیر کار میکردند تا نیازهای جنگ جهانی دوم را پشتیبانی کنند. شرکت Essex بهمقدار کافی سیم مغناطیسی تولید کرد تا در طول جنگ جهانی دوم برای امریکا و متفقیناش میلیونها ترانسفورمر بسازد و هزاران مایل سیم دستگاه بیسیم برای شرکت امواج ارتش امریکا و سیمبندی بمب افکنهای B-24 تهیه نماید.
1954: شرکت Essex دفتر مرکزیاش را به Fort Wayne ایالت ایندیانا منتقل کرد و 5 سال بعد از آن، شرکت Rea نیز همین کار را کرد.
1963: سیمهای بسیار ریز (ultra-fine قطر کمتر از 0.1 mm ) توسط شرکت Sumitomo Electric توسعه یافت.
1966: شرکت Elektrisola اولین قرقره 10 کیلوگرمی سیم قطر 0.05 mm را تولید کرد.
1970: مقاومت گرمایی (دمای کاتترو) تا °C 300 گسترش یافت.
1977: سیمهای تخت ریز (super-fine) توسط شرکت Sumitomo Electric توسعه یافت.
1994: سیم Magneflex معرفی شد که ترکیباش سیم آلومینیومی با رزین دمابالا است. پوشش پلیمر بهینهشده که در صنعت ترانسفورمر بسیار موفق بوده است. (نام تجاری Rea برای سیم لاکی آلومینیومی)
1997: شرکت Rea حفاظ پالس را معرفی کرد (Pulse Shield) که در برابر فشار ولتاژ ایجادشده در فرکانس بالا موثر است.
1998: Essex بخاطر تبدیل و ساخت تولیدات عایق الکتریکی که عمدتاً توسط پیمانکاران فرعی تولید موتور و مغازههای تعمیرات موتور مصرف میشدند، عنوان «صنایع فعال» را به دست آورد.
2014: شرکت Rea نانو شیلد را معرفی کرد. نانو شیلد در برابر فشار ولتاژ ایجادشده در فرکانس بالا، rise time سریع و ضربات ولتاژ حاصله از مبدلهای IGBT مقاومتی استثنائی نشان میدهد و تحت این ولتاژها و تغییرات گستردۀ دمایی، عمر موتور را بهطور محسوسی به بیش از استاندارد MW-35C افزایش میدهد.
سیم مغناطیسی در الکتروموتورهایی یافت میشود که طی برهمکنش میدانهای مغناطیسی و سیمهای حامل جریان، انرژی الکتریکی را به حرکت مکانیکی تبدیل میکنند. این الکتروموتورها، دارای سیمپیچهای مسی هستند که میدان مغناطیسی را ایجاد میکنند. موتورهای الکتریکی در گسترۀ متنوعی از محصولات شامل فنها، لوازم خانگی، ماشینآلات سنگین و اتوموبیل نمود پیدا میکنند. سایزها و شکلهای متنوعی دارند که کوچکترینشان در ساعت مچی است و بزرگترینشان در کشتیهای عظیم کاربرد دارد. برخی مزایای موتورهای الکتریکی، قیمت پایین، نیازهای نگهداری کم، عدم استفاده از سوختهای فسیلی و بسیاری موارد دیگر است.
سیم مغناطیسی همچنین میتواند در ترانسفورمرها یافت شود که انرژی الکتریکی را از یک مدار به مدار دیگر بهواسطۀ سیمپیچهای مسی منتقل میکنند. توان را بجای عبور از اتصال فلزی بین دو مدار، میتوان از طریق میدان مغناطیسی منتقل کرد. میتوان از سیم آلومینیومی نیز استفاده کرد، هرچند که سیم مغناطیسی مسی بخاطر فضای کمتری که اشغال میکند و سفتتر پیچیده شدناش، ترجیح داده میشود. ترانسفورماتورها تاثیر بیشتری از آنچه انتظار میرود، دارند- تمام توان الکتریکی جهان بجز کسر کوچکی از آن، تا زمانیکه به مصرفکننده برسد از یک سری ترانسفورماتور عبور میکند.
هدایت و اتصالات
مقایسۀ سیمپیچهای مسی و آلومینیومی هنوز موضوع داغی در مبحث موتورها است. امروزه سوال مهندسان صنایع مختلف این است که آیا کیفیت و عملکرد سیمپیچهای آلومینیومی قابل مقایسه با مس هست؟ در دهه 1960، سیمکشی آلومینیومی خانه به علت خطرات آتشسوزی ایجادشده، با برخی اختلافنظرها مواجه شد. البته مشخص شد که علت این آتشسوزی در خانه مشکلات اتصال بود، نه خود سیم. در عمل هنگامیکه امکان این وجود دارد که اتصالات بیش از حد گرم شود، باعث انتقال گرما به خود سیم و نهایتاً تضعیف عایق سیم خواهد شد. در نتیجه، با وجود اینکه سیم آلومینیومی در بسیاری از کاربردها مواد مناسبی برای سیمپیچ موتور است، به موقعیتش ضربه وارد میشود.
سیم مغناطیسی چه کارهای دیگری میتواند انجام دهد؟
سیم مغناطیسی را میتوان در بسیاری از اقلام روزمره یافت، حتی در هواپیما. هواپیمای الکتریکی از دهه 1970 و حتی با یک گزارش تأییدنشده، از سال 1957 به پرواز درآمده است. از آن زمان، هواپیماها بهصورت هواپیماهای بدونسرنشین با باطری کوچک یا پهپادها توسعه یافتهاند که از قرن بیست و یکم به طور گستردهای برای بسیاری از اهداف مورداستفاده قرار گرفتهاند.
با این حال، در حالیکه ما ممکن است ماشینهای اسپرت الکتریکی فوقسریع مانند تسلا را روی زمین ببینیم، سرعت در آسمان حکایت دیگری دارد. استفاده از نیروی الکتریکی برای هواپیمای در حال حرکت، هواپیماهای تجاری به خصوص بزرگ و سنگین، یک چالش پیچیدهتر است. در یک هواپیمای جت معمولی، موتور از طریق جلوی خود هوا را به درون میمکد، یک کمپرسور آن را فشرده میکند و سوخت به داخلاش اسپری میشود و باعث سوختن گازها و رانش به جلو میشود. قدرت الکتریکی هواپیما بسیار ساده است. باتریها به یک موتور الکتریکی که یک پروانه را میچرخاند توان میدهند. این کارآمدتر است، اما باعث میشود که نیروی پیشرانه به مراتب کمتر باشد، به همین دلیل است که هواپیماهای الکتریکی سرعت کمتری دارند. این حالت ممکن است با محیطزیست سازگارتر باشد، اما در حال حاضر، هواپیماهای تجاری الکتریکی با برنامههای سفر پرمشغلۀ ما کارآیی ندارند.
سیم مغناطیسی برای استفاده از تونلهای باد نیز استفاده میشود. تونلهای باد برای تست خودرو و هواپیما استفاده میشوند. این سیمها به مهندسان کمک میکنند تا عملکرد و حذف “اشکالات” آن، در طرحهای جدید هواپیماهای نظامی و غیرنظامی و وسایل نقلیۀ بدونراننده ایمنی یک راننده/ خلبان آزمون و یا هواپیماهای پرهزینه استفاده شود. این تونل مافوقصوتی میتواند هواپیماهایی با پهنای بال 61 متری، ارتفاع بیش از 12 متری و عرض بیش از 24 متری تست کند. این تونل دو ناحیۀ تست دارد که یکی به ارتفاع 24.5 متر و عرض 36.5 متر و دیگری 12 متر ارتفاع و 24.5 متر عرض دارد. هوا از میان این نواحی تست توسط موتورهای الکتریکی با 6 فن 15 پرّهای کشیده میشود که هر فن دارای قطری برابر یک ساختمان 4 طبقه دارد. فنها با شش موتور الکتریکی 22،500 اسب بخار کار میکنند که از سیم مغناطیسی برای تواندهی به آنها استفاده میکنند.
قدرتمندترین موتور الکتریکی
شرکت Northrop Grumman برای نیروی دریایی ایالات متحده اولین موتور 36.5 مگاوات (49.000 اسب بخار) ابررسانایی دمای بالا (HTS) در جهان را توسعه داده است که دو برابر قدرت سایر رکوردهای نیروی دریایی است.
به کمک کویلهای سیم HTS که توان آنها معادل 150 برابر سیم مسی با اندازۀ مشابه است، موتورش کوچکتر از نصف موتورهای معمولی است. این امر کمک خواهد کرد که کشتیهای جدیدی ساخته شود که با بهرهمندی از اثربخشی سوخت دارای فضای بیشتر برای حمل جنگندههای بیشترباشند.
این سیستم تحتقرارداد دفتر تحقیقات نیروی دریایی طراحی و ساخته شد تا اثربخشی موتورهای HTS را به عنوان فنآوری اولیه برای نیروی دریایی کشتی و زیردریاییهای آینده نشان دهد. فرماندهی سیستم ای دریایی (NAVSEA) تست موفقیتآمیز موتور را به عهده گرفت.
سیستم پیشرانه برای بزرگترین کامیون معدن جهان
این کامیون میتواند بارهای با وزن بیش از 500 تن را حمل کند که معادل با بیش از 350 اتومبیل واگن گلف و یا هفت عدد هواپیمای ایرباس A320-200 است که به طور کامل بارگذاری شده است. این کامیون توسط چهار موتور الکتریکی 1200 کیلووات رانده میشود. این کامیون میتواند بار خود را با هزینۀ کمتر بهازای هر تن مواد و با حداکثر سرعت 64 کیلومتر در ساعت حمل نماید.
مهندسین فنآوریهای زیمنس درایو خواستار توسعۀ یک موتور الکتریکی شدند که یک کامیون با وزن ناخالص 810 تن را حمل کند. با این کامیون اطمینان حاصل میشود که قادر به حمل سریع و قابلاعتماد مواد معدنی هستیم. در مقایسه با مدل قبلی، این کامیون جدید با هشت تایر ساخته شده است، چرا که هر تایر برای حمل یک بار در حدود 100 تنی طراحی شده است. این تعداد چرخ باعث میشود تا توزیع قدرت پویایی بین دو محور کامیون انجام شود. اگر یکی از موتورهای الکتریکی خراب شود، کامیون همچنان توانایی راندن اضطراری را دارد، به عبارت دیگر، لازم نیست که آن را بکسل کنیم. این کامیون برای اولین بار در ماه اکتبر 2013 به عموم معرفی شد. طول آن بیش از 20 متر، تقریبا 10 متر عرض و حدود 8 متر ارتفاع دارد. این ماشین چهارچرخ-درگیر با فرمان هیدرولیکی، اطمینان حاصل میکند که لاستیکهایی که تقریبا چهار متر ارتفاع دارند، در زمینهای ناهموار گیر نمیکنند.
