หลักการพื้นฐานและการวิเคราะห์การใช้งานมอเตอร์กระแสตรงไร้แปรงถ่าน

ในอุตสาหกรรมการควบคุมของไหลขนาดเล็ก มอเตอร์ไร้แปรงถ่านเป็นแหล่งพลังงานหลักสำหรับอุปกรณ์กระแสหลัก รวมถึงปั๊มน้ำขนาดเล็กและปั๊มสุญญากาศขนาดเล็ก โซลินอยด์วาล์วขนาดเล็กทำงานร่วมกับมอเตอร์เพื่อให้เกิดการควบคุมการไหลอัตโนมัติ เมื่อเร็ว ๆ นี้ ผู้ซื้ออุปกรณ์จำนวนมากมุ่งเน้นไปที่ประสิทธิภาพของ BLDC; ดังนั้นเราจึงเปิดตัวบทความวิทยาศาสตร์ยอดนิยมที่ต่อเนื่องกันเพื่อเปิดเผยความรู้หลักของมอเตอร์ประสิทธิภาพสูงนี้

ทำความเข้าใจหลักการและการใช้งานของมอเตอร์ประสิทธิภาพสูง: มอเตอร์ไฟฟ้าแปลงพลังงานไฟฟ้าที่จ่ายไปเป็นพลังงานกล มอเตอร์ไฟฟ้าประเภทต่างๆ มีการใช้กันอย่างแพร่หลาย มอเตอร์กระแสตรงไร้แปรงถ่าน (BLDC) มีประสิทธิภาพสูงและมีการควบคุมที่ดีเยี่ยม และมีการใช้กันอย่างแพร่หลายในการใช้งานหลายประเภท เมื่อเปรียบเทียบกับมอเตอร์ประเภทอื่น มอเตอร์ BLDC มีข้อดีในการประหยัดพลังงาน

มอเตอร์ไฟฟ้าเป็นเครื่องส่งกำลังไฟฟ้า

เมื่อวิศวกรเผชิญกับความท้าทายในการออกแบบอุปกรณ์ไฟฟ้าเพื่อทำงานด้านกลไก พวกเขาอาจพิจารณาว่าสัญญาณไฟฟ้าถูกแปลงเป็นพลังงานอย่างไร ดังนั้นแอคชูเอเตอร์และมอเตอร์จึงเป็นหนึ่งในอุปกรณ์ที่แปลงสัญญาณไฟฟ้าให้เป็นการเคลื่อนที่ มอเตอร์แปลงพลังงานไฟฟ้าเป็นพลังงานกล

มอเตอร์ไฟฟ้าที่ง่ายที่สุดคือมอเตอร์กระแสตรงไร้แปรงถ่าน ในมอเตอร์ประเภทนี้ กระแสจะไหลผ่านขดลวดที่วางอยู่ภายในสนามแม่เหล็กคงที่ กระแสจะสร้างสนามแม่เหล็กในขดลวด สิ่งนี้ทำให้ชุดคอยล์หมุนเมื่อแต่ละคอยล์ถูกผลักออกจากขั้วของมันเองและดึงเข้าหาขั้วของสนามแม่เหล็กคงที่ เพื่อรักษาการหมุน กระแสไฟฟ้าจะต้องกลับด้านอย่างต่อเนื่อง ส่งผลให้ขั้วของขดลวดย้อนกลับอย่างต่อเนื่อง ส่งผลให้ขดลวดยังคง "ไล่" ขั้วของสนามแม่เหล็กฝั่งตรงข้ามต่อไป กำลังของขดลวดนั้นมาจากแปรงนำไฟฟ้าแบบคงที่ซึ่งสัมผัสกับตัวสับเปลี่ยนที่กำลังหมุน การหมุนของตัวสับเปลี่ยนทำให้กระแสไหลผ่านขดลวดในทิศทางตรงกันข้าม สับเปลี่ยนและแปรงเป็นส่วนประกอบสำคัญที่ทำให้มอเตอร์กระแสตรงแบบมีแปรงถ่านแตกต่างจากมอเตอร์อื่นๆ

รูปที่ 1 แสดงหลักการทั่วไปของมอเตอร์กระแสตรงแบบมีแปรงถ่าน

รูปที่ 1: การทำงานของมอเตอร์กระแสตรงแบบมีแปรงถ่าน

แปรงแบบอยู่กับที่จ่ายพลังงานไฟฟ้าให้กับตัวสับเปลี่ยนที่กำลังหมุน เมื่อตัวสับเปลี่ยนหมุน มันจะกลับทิศทางของกระแสที่ไหลไปยังขดลวดอย่างต่อเนื่อง ดังนั้นการกลับขั้วของขดลวดและทำให้มันหมุนไปทางขวา คอมมิวเตเตอร์หมุนเนื่องจากเชื่อมต่อกับโรเตอร์ซึ่งคอยล์อยู่

ประเภทมอเตอร์ทั่วไป

มอเตอร์มีความแตกต่างกันตามประเภทกำลัง (AC หรือ DC) และวิธีการสร้างการหมุน (รูปที่ 2) ด้านล่างนี้เราจะแนะนำคุณลักษณะและการใช้งานแต่ละประเภทโดยย่อ

รูปที่ 2: มอเตอร์ประเภทต่างๆ

มอเตอร์ DC แบบมีแปรงถ่านมีการออกแบบที่เรียบง่าย ควบคุมง่าย และใช้กันอย่างแพร่หลายในการเปิดและปิดถาดดิสก์ ในรถยนต์ มักใช้เพื่อดึง ขยาย และวางตำแหน่งกระจกมองข้างแบบไฟฟ้า มอเตอร์เหล่านี้มีต้นทุนต่ำทำให้เหมาะสำหรับการใช้งานหลายประเภท อย่างไรก็ตาม ข้อเสียคือแปรงและตัวเปลี่ยนสับเปลี่ยนมีแนวโน้มที่จะสึกหรอค่อนข้างเร็วเนื่องจากมีการสัมผัสกันอย่างต่อเนื่อง ซึ่งต้องเปลี่ยนบ่อยครั้งและบำรุงรักษาเป็นประจำ

สเต็ปเปอร์มอเตอร์ขับเคลื่อนด้วยพัลส์ สำหรับแต่ละพัลส์ที่ได้รับ จะหมุนตามมุมที่กำหนด (ขั้น) เนื่องจากกระบวนการหมุนถูกควบคุมโดยจำนวนพัลส์ที่ได้รับ มอเตอร์เหล่านี้จึงถูกนำมาใช้อย่างกว้างขวางในการปรับตำแหน่ง มักใช้เพื่อควบคุมกระบวนการป้อนกระดาษในเครื่องแฟกซ์และเครื่องพิมพ์ เนื่องจากอุปกรณ์เหล่านี้ป้อนกระดาษในขั้นตอนที่ตายตัว และขั้นตอนเหล่านี้สัมพันธ์กับจำนวนพัลส์ได้ง่าย การควบคุมการหยุดชั่วคราวยังใช้งานง่าย เนื่องจากการหมุนมอเตอร์จะหยุดทันทีเมื่อสัญญาณพัลส์ถูกรบกวน

เมื่อใช้มอเตอร์ซิงโครนัส การหมุนจะซิงโครไนซ์กับความถี่ของกระแสไฟ มอเตอร์เหล่านี้มักใช้ในการขับเคลื่อนถาดหมุนในเตาอบไมโครเวฟ เฟืองทดในชุดมอเตอร์ให้ความเร็วการหมุนที่เหมาะสมในการอุ่นอาหาร มอเตอร์เหนี่ยวนำ ความเร็วในการหมุนแปรผันตามความถี่ แต่การเคลื่อนไหวเป็นแบบอะซิงโครนัส ในอดีตมอเตอร์เหล่านี้มักใช้กับพัดลมไฟฟ้าและเครื่องซักผ้า

มอเตอร์ที่ใช้กันทั่วไปมีหลายประเภท ในส่วนนี้ เราจะมาดูข้อดีและการใช้งานของมอเตอร์กระแสตรงแบบไร้แปรงถ่าน

ทำไมมอเตอร์ BLDC ถึงหมุน?

ตามชื่อที่แนะนำ มอเตอร์กระแสตรงไร้แปรงถ่านไม่ใช้แปรง ในมอเตอร์แบบมีแปรง แปรงจะถ่ายโอนกระแสไปยังคอยล์บนโรเตอร์ผ่านตัวสับเปลี่ยน แล้วมอเตอร์ไร้แปรงถ่านจะถ่ายโอนกระแสไปยังคอยล์โรเตอร์ได้อย่างไร? ไม่มี—เนื่องจากคอยล์ไม่ได้อยู่บนโรเตอร์ โรเตอร์เป็นแม่เหล็กถาวร คอยล์ไม่หมุนแต่ยึดอยู่กับสเตเตอร์ เนื่องจากขดลวดไม่เคลื่อนที่ จึงไม่จำเป็นต้องใช้แปรงและตัวสับเปลี่ยน (ดูรูปที่ 3) ในมอเตอร์แบบมีแปรงถ่าน การหมุนทำได้โดยการควบคุมสนามแม่เหล็กที่เกิดจากขดลวดบนโรเตอร์ ในขณะที่สนามแม่เหล็กที่เกิดจากแม่เหล็กที่อยู่นิ่งจะยังคงที่ หากต้องการเปลี่ยนความเร็วในการหมุน จำเป็นต้องเปลี่ยนแรงดันไฟฟ้าที่ตกคร่อมคอยล์ ในมอเตอร์ BLDC แม่เหล็กถาวรจะหมุน การหมุนทำได้โดยการเปลี่ยนทิศทางของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่สร้างโดยขดลวดที่อยู่รอบๆ ในการควบคุมการหมุน จำเป็นต้องปรับขนาดและทิศทางของกระแสที่ไหลเข้าสู่ขดลวดเหล่านี้

รูปที่ 3: มอเตอร์ BLDC

เนื่องจากโรเตอร์เป็นแม่เหล็กถาวร จึงไม่ต้องใช้กระแสไฟฟ้า จึงไม่จำเป็นต้องใช้แปรงและตัวสับเปลี่ยน กระแสไปยังขดลวดที่อยู่นิ่งจะถูกควบคุมจากภายนอก

ข้อดีของมอเตอร์ BLDC

มอเตอร์ BLDC ที่มีขดลวดสามเส้นอยู่บนสเตเตอร์จะมีสายไฟหกเส้น (สองเส้นสำหรับแต่ละขดลวด) ที่ยื่นออกมาจากขดลวดเหล่านี้ ในการใช้งานส่วนใหญ่ สายไฟสามเส้นเหล่านี้จะเชื่อมต่อกันภายใน โดยอีกสามเส้นที่เหลือจะยื่นออกมาจากตัวมอเตอร์ (ตรงกันข้ามกับสายไฟสองเส้นของมอเตอร์แบบมีแปรงถ่านที่อธิบายไว้ก่อนหน้านี้) การเดินสายไฟภายในโครงของมอเตอร์ BLDC มีความซับซ้อนมากกว่าการต่อขั้วบวกและขั้วลบของชุดจ่ายไฟ เราจะตรวจสอบการทำงานของมอเตอร์เหล่านี้โดยละเอียดในส่วนที่ 2 ของซีรี่ส์นี้ ด้านล่างนี้ เราจะสรุปด้วยการทำความเข้าใจข้อดีของมอเตอร์ BLDC

ข้อได้เปรียบที่สำคัญคือประสิทธิภาพ เนื่องจากมอเตอร์เหล่านี้สามารถทำงานได้อย่างต่อเนื่องที่แรงบิดสูงสุด ในทางตรงกันข้าม มอเตอร์แบบมีแปรงถ่านสามารถเข้าถึงแรงบิดสูงสุดได้ที่จุดหมุนที่แน่นอนเท่านั้น มอเตอร์แบบมีแปรงถ่านต้องใช้แม่เหล็กขนาดใหญ่กว่าเพื่อให้ได้แรงบิดเช่นเดียวกับมอเตอร์แบบไร้แปรงถ่าน นี่คือสาเหตุที่แม้แต่มอเตอร์ BLDC ขนาดเล็กก็สามารถส่งกำลังได้มาก

ข้อได้เปรียบหลักประการที่สองที่เกี่ยวข้องกับข้อแรกคือความสามารถในการควบคุม สามารถควบคุมมอเตอร์ BLDC ผ่านกลไกป้อนกลับ ทำให้ส่งแรงบิดและความเร็วที่ต้องการได้อย่างแม่นยำ การควบคุมที่แม่นยำจะช่วยลดการใช้พลังงานและการสร้างความร้อน และในกรณีที่มอเตอร์ใช้พลังงานจากแบตเตอรี่ จะช่วยยืดอายุการใช้งานแบตเตอรี่

เนื่องจากไม่มีแปรง มอเตอร์ BLDC จึงมีความทนทานสูงและเกิดสัญญาณรบกวนทางไฟฟ้าต่ำ เมื่อใช้มอเตอร์แบบมีแปรง แปรงและตัวสับเปลี่ยนจะสึกหรอลงเนื่องจากการสัมผัสที่เคลื่อนที่อย่างต่อเนื่อง ทำให้เกิดประกายไฟที่จุดสัมผัส โดยเฉพาะอย่างยิ่งสัญญาณรบกวนทางไฟฟ้า เป็นผลมาจากประกายไฟที่รุนแรงซึ่งเกิดขึ้นได้ง่ายเมื่อแปรงผ่านช่องว่างของตัวสับเปลี่ยน นี่คือสาเหตุที่โดยทั่วไปแล้วมอเตอร์ BLDC ถือเป็นตัวเลือกที่ดีกว่าในการใช้งานที่ต้องหลีกเลี่ยงสัญญาณรบกวนทางไฟฟ้า

การใช้งานในอุดมคติของมอเตอร์ BLDC

เราได้เห็นแล้วว่ามอเตอร์ BLDC มีประสิทธิภาพและการควบคุมสูง และมีอายุการใช้งานยาวนาน แล้วพวกมันมีประโยชน์อะไรบ้าง? เนื่องจากมีประสิทธิภาพและอายุการใช้งาน จึงมีการใช้กันอย่างแพร่หลายในอุปกรณ์ที่ใช้งานอย่างต่อเนื่อง มีการใช้กันมานานในเครื่องซักผ้า เครื่องปรับอากาศ และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์อื่นๆ เมื่อเร็ว ๆ นี้พวกเขายังปรากฏตัวในแฟน ๆ ซึ่งประสิทธิภาพสูงช่วยลดการใช้พลังงานได้อย่างมาก

นอกจากนี้ยังใช้ในการขับเคลื่อนเครื่องดูดฝุ่นอีกด้วย ในกรณีหนึ่ง การเปลี่ยนแปลงในโปรแกรมควบคุมส่งผลให้ความเร็วเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว—ตัวอย่างหนึ่งของความสามารถในการควบคุมระดับสูงที่มอเตอร์เหล่านี้มีให้

มอเตอร์ BLDC ยังใช้ในการขับเคลื่อนฮาร์ดดิสก์ไดรฟ์ ความทนทานช่วยให้ไดรฟ์ทำงานได้อย่างน่าเชื่อถือเป็นระยะเวลานาน ในขณะที่ประสิทธิภาพการใช้พลังงานช่วยลดการใช้พลังงานในภาคส่วนที่มีความสำคัญมากขึ้น

สู่การใช้งานในอนาคตที่กว้างขึ้น

เราคาดหวังได้ว่าในอนาคต มอเตอร์ BLDC จะถูกนำไปใช้อย่างแพร่หลายในการใช้งานที่หลากหลายมากขึ้น ตัวอย่างเช่น อาจมีการใช้กันอย่างแพร่หลายในการขับเคลื่อนหุ่นยนต์บริการ ซึ่งเป็นหุ่นยนต์ขนาดเล็กที่ให้บริการในภาคส่วนนอกการผลิต บางคนอาจคิดว่าสเต็ปเปอร์มอเตอร์เหมาะกับการใช้งานประเภทนี้มากกว่า เนื่องจากพัลส์สามารถใช้เพื่อควบคุมตำแหน่งได้อย่างแม่นยำ อย่างไรก็ตาม มอเตอร์ BLDC เหมาะกับการควบคุมแรงมากกว่า การใช้สเต็ปเปอร์มอเตอร์ การรักษาตำแหน่งของโครงสร้าง เช่น แขนหุ่นยนต์ ต้องใช้กระแสค่อนข้างสูงและต่อเนื่อง เมื่อใช้มอเตอร์ BLDC กระแสไฟฟ้าที่ต้องการจะแปรผันตามแรงภายนอก ส่งผลให้การควบคุมประหยัดพลังงานมากขึ้น มอเตอร์ BLDC อาจใช้แทนมอเตอร์กระแสตรงแบบมีแปรงถ่านธรรมดาในรถกอล์ฟและยานพาหนะเคลื่อนที่ นอกจากประสิทธิภาพที่สูงขึ้นแล้ว มอเตอร์ BLDC ยังให้การควบคุมที่แม่นยำยิ่งขึ้น ซึ่งจะทำให้อายุการใช้งานแบตเตอรี่ยาวนานขึ้น

มอเตอร์ BLDC ยังเหมาะสำหรับโดรนอีกด้วย ความสามารถในการให้การควบคุมที่แม่นยำทำให้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับโดรนหลายใบพัด ช่วยให้สามารถควบคุมทัศนคติของโดรนได้อย่างแม่นยำโดยการควบคุมความเร็วในการหมุนของโรเตอร์แต่ละตัว