มอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรง: หลักการทำงาน ประเภทและการใช้งาน

อะไรนะ มอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรง คือ

มอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรง (DC) เป็นเครื่องจักรที่แปลงพลังงานไฟฟ้ากระแสตรงเป็นพลังงานกลในการหมุน มันทำงานบนหลักการที่ว่าตัวนำที่มีกระแสไฟฟ้าวางอยู่ในสนามแม่เหล็กจะประสบกับแรง และด้วยการจัดเรียงตัวนำ แม่เหล็ก และกลไกการสวิตชิ่งอย่างถูกต้อง แรงนี้สามารถคงอยู่ได้อย่างต่อเนื่องในทิศทางการหมุนเดียวเพื่อสร้างแรงบิดและความเร็วที่มีประโยชน์ที่เพลาเอาท์พุต

มอเตอร์กระแสตรงเป็นมอเตอร์ไฟฟ้าตัวแรกที่พัฒนาขึ้นสำหรับการใช้งานเชิงอุตสาหกรรม โดยบุกเบิกในคริสต์ทศวรรษ 1830 โดยนักประดิษฐ์รวมทั้งวิลเลียม สเตอร์เจียน และโธมัส ดาเวนพอร์ต และกลายเป็นมอเตอร์ประเภทที่โดดเด่นตลอดศตวรรษที่ 19 และต้นศตวรรษที่ 20 ก่อนที่เทคโนโลยีมอเตอร์กระแสสลับจะเติบโตเต็มที่ วันนี้ มอเตอร์กระแสตรงยังคงมีความสำคัญในระบบยานยนต์ เครื่องมือไฟฟ้าแบบพกพา อุปกรณ์ที่ใช้แบตเตอรี่ ยานพาหนะไฟฟ้า และระบบควบคุมการเคลื่อนไหวที่แม่นยำ — การใช้งานที่ความเร็วและแรงบิดที่ควบคุมได้จากแหล่งพลังงานไฟฟ้ากระแสตรงเป็นข้อกำหนดหลัก

วิธีการทำงานของมอเตอร์กระแสตรง: อธิบายมอเตอร์กระแสตรงแบบมีแปรงถ่าน

มอเตอร์กระแสตรงแบบคลาสสิก - ชนิดมีแปรงถ่าน - แสดงให้เห็นหลักการทำงานได้ชัดเจนที่สุด ส่วนประกอบสำคัญของมันคือกระดอง (โรเตอร์) ระบบสนาม (สเตเตอร์) สับเปลี่ยน และแปรง

ที่ กระดอง เป็นส่วนประกอบที่หมุนได้ ประกอบด้วยแกนเหล็กเคลือบที่มีตัวนำทองแดง เมื่อกระแสไฟฟ้ากระแสตรงไหลผ่านตัวนำเหล่านี้ภายในสนามแม่เหล็กที่สเตเตอร์ได้รับ ตัวนำแต่ละตัวจะประสบกับแรงลอเรนซ์ ตัวนำถูกจัดเรียงเพื่อให้แรงทั้งหมดกระทำการสัมผัสกันในทิศทางการหมุนเดียวกัน ทำให้เกิดแรงบิดสุทธิที่หมุนกระดอง

ที่ fundamental challenge is that as the armature rotates, the conductors move through the magnetic field and their position relative to the poles changes. Without correction, the force direction would reverse after 180° of rotation, stopping and reversing the motor. The สับเปลี่ยน แก้ปัญหานี้: เป็นวงแหวนทองแดงแบบแบ่งส่วนที่ติดตั้งบนเพลากระดอง โดยแต่ละส่วนจะเชื่อมต่อกับขดลวดกระดองที่แตกต่างกัน ในขณะที่กระดองหมุน ส่วนสับเปลี่ยนจะผ่านใต้คาร์บอนที่อยู่นิ่ง แปรง ที่รักษาหน้าสัมผัสทางไฟฟ้ากับวงจรภายนอก รูปทรงของตัวสับเปลี่ยนช่วยให้มั่นใจได้ว่ากระแสจะไหลในทิศทางที่ถูกต้องเสมอผ่านตัวนำใดก็ตามที่อยู่ในตำแหน่งที่สร้างแรงบิดที่เหมาะสมที่สุด — ย้อนกลับกระแสในแต่ละขดลวดได้อย่างมีประสิทธิภาพในช่วงเวลาที่เหมาะสม เพื่อรักษาการหมุนทิศทางเดียวอย่างต่อเนื่อง

ประเภทของมอเตอร์กระแสตรงและลักษณะเฉพาะ

ซีรีย์มอเตอร์กระแสตรง

ในมอเตอร์แบบอนุกรม ขดลวดสนามและขดลวดกระดองจะเชื่อมต่อกันแบบอนุกรม โดยกระแสเดียวกันจะไหลผ่านทั้งสองอย่าง สิ่งนี้สร้างแรงบิดเริ่มต้นที่สูงมากเพราะที่ความเร็วต่ำ กระแสสูงจะไหลผ่านสนาม ทำให้เกิดสนามแม่เหล็กแรงสูงและส่งผลให้ตัวนำกระดองมีแรงสูง อย่างไรก็ตาม ความเร็วจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วเมื่อโหลดลดลง และ มอเตอร์กระแสตรงซีรีส์ที่ทำงานโดยไม่มีโหลดสามารถเข้าถึงความเร็วสูงที่เป็นอันตรายได้ (สภาวะที่เรียกว่า “หนี”) มอเตอร์ซีรีส์ใช้ในงานที่ต้องการแรงบิดสตาร์ทสูง: ระบบฉุดไฟฟ้า (รถไฟ รถราง) เครน รอก และมอเตอร์สตาร์ทในเครื่องยนต์สันดาป

มอเตอร์กระแสตรงสับเปลี่ยน

ในมอเตอร์แบบแบ่ง ขดลวดของสนามจะเชื่อมต่อแบบขนาน (แบบแบ่ง) โดยมีกระดองข้ามแรงดันไฟฟ้า เนื่องจากแรงดันไฟฟ้าของสนามคงที่ ฟลักซ์ของสนามจึงคงที่โดยไม่คำนึงถึงกระแสโหลด สิ่งนี้ทำให้มอเตอร์ปัดมีลักษณะที่กำหนด: ความเร็วค่อนข้างคงที่ตลอดช่วงโหลดที่กว้าง . การควบคุมความเร็ว — เปอร์เซ็นต์การเปลี่ยนแปลงความเร็วจากไม่มีโหลดไปเป็นโหลดเต็ม — โดยทั่วไปจะอยู่ที่ 5–15% ในมอเตอร์สับเปลี่ยนที่ออกแบบมาอย่างดี มอเตอร์สับเหมาะสำหรับเครื่องมือกล เครื่องกลึง เครื่องกัด และพัดลมที่ต้องการความเร็วคงที่ภายใต้โหลดที่แตกต่างกัน

มอเตอร์กระแสตรงแบบผสม

มอเตอร์แบบผสมผสมผสานขดลวดสนามทั้งแบบอนุกรมและแบบแยก โดยผสมผสานแรงบิดเริ่มต้นสูงของการกำหนดค่าแบบอนุกรมเข้ากับความเสถียรของความเร็วของแบบแยก การผสมแบบสะสม (การช่วยเหลือภาคสนาม) ทำให้เกิดแรงบิดเริ่มต้นสูงพร้อมการควบคุมความเร็วที่เหมาะสม การผสมแบบดิฟเฟอเรนเชียล (สนามที่ตรงข้ามกัน) ให้ลักษณะความเร็วคงที่มาก แต่ไม่ค่อยได้ใช้เนื่องจากความเสี่ยงด้านความไม่เสถียร มอเตอร์แบบผสมรองรับการอัด การพันช์ การลิฟต์ และโหลดอื่นๆ ที่ต้องใช้ทั้งแรงบิดสตาร์ทที่ดีและความเร็วในการทำงานที่มั่นคง

มอเตอร์กระแสตรงแม่เหล็กถาวร (PMDC)

มอเตอร์ PMDC แทนที่สนามแม่เหล็กด้วยแม่เหล็กถาวร ช่วยลดการสูญเสียทองแดงของขดลวดสนาม และทำให้การก่อสร้างง่ายขึ้น พวกเขาเสนอ ลักษณะเฉพาะของความเร็วเชิงเส้น-แรงบิด — ความเร็วจะลดลงตามสัดส่วนเมื่อแรงบิดเพิ่มขึ้น — ทำให้คาดเดาได้มากและควบคุมได้ง่าย มอเตอร์แม่เหล็กถาวรเป็นประเภทที่โดดเด่นในการใช้งานด้านพลังงานขนาดเล็กถึงขนาดกลาง: ตัวขับเคลื่อนเสริมในรถยนต์ (ตัวยกกระจก ที่ปัดน้ำฝน ตัวปรับที่นั่ง) เครื่องมือไฟฟ้า เครื่องพิมพ์ และเครื่องใช้ไฟฟ้าขนาดเล็ก ข้อจำกัดหลักคือแม่เหล็กถาวรสามารถล้างอำนาจแม่เหล็กได้ที่อุณหภูมิสูงหรือภายใต้กระแสไฟฟ้าเกินพิกัดที่รุนแรง

มอเตอร์กระแสตรงไร้แปรงถ่าน (BLDC)

ที่ brushless DC motor eliminates the mechanical commutator and brushes entirely. Permanent magnets are on the rotor; the stator carries the windings. An electronic controller (ESC or inverter) switches current through the stator windings in a timed sequence, producing a rotating magnetic field that the permanent magnet rotor follows. หากไม่มีแปรง จะไม่มีการสึกหรอทางกลที่ส่วนต่อประสานการเปลี่ยน ทำให้มอเตอร์ BLDC มีอายุการใช้งานยาวนานขึ้นอย่างมาก ประสิทธิภาพที่สูงขึ้น (โดยทั่วไปคือ 85–95%) สัญญาณรบกวนทางไฟฟ้าลดลง และความสามารถในการทำงานที่ความเร็วสูงกว่ามอเตอร์แบบมีแปรงถ่านมาก มอเตอร์ BLDC มีบทบาทสำคัญในยานพาหนะไฟฟ้า โดรน อุปกรณ์ HVAC เซอร์โวไดรฟ์ทางอุตสาหกรรม และเครื่องมือไฟฟ้าไร้สาย

มอเตอร์กระแสตรงแบบมีแปรงถ่านและไร้แปรงถ่าน: ความแตกต่างที่สำคัญ

การควบคุมความเร็วในมอเตอร์กระแสตรง

คุณลักษณะที่มีค่าที่สุดประการหนึ่งของมอเตอร์กระแสตรงคือสามารถควบคุมความเร็วได้อย่างตรงไปตรงมา ซึ่งเป็นคุณสมบัติที่ทำให้มอเตอร์กระแสตรงเป็นตัวเลือกที่ต้องการสำหรับไดรฟ์อุตสาหกรรมแบบปรับความเร็วได้ก่อนที่จะมีเทคโนโลยีอินเวอร์เตอร์ AC สมัยใหม่ ความเร็วของมอเตอร์กระแสตรงถูกควบคุมโดยสมการ back-EMF:

ความเร็ว ∝ (แรงดันจ่าย - แรงดันตกคร่อมความต้านทานของกระดอง) ÷ ฟลักซ์แม่เหล็ก

สมการนี้แสดงวิธีการควบคุมความเร็วที่ใช้ได้จริงสองวิธี การควบคุมแรงดันไฟฟ้ากระดอง — การลดแรงดันไฟฟ้าที่ใช้กับกระดอง — ลดความเร็วตามสัดส่วนในขณะที่ยังคงฟลักซ์ของสนามเต็มรูปแบบ โดยรักษาความสามารถในการบิดเต็มที่ที่ความเร็วลดลง นี่เป็นวิธีมาตรฐานสำหรับความเร็วที่ต่ำกว่าความเร็วพื้นฐาน (พิกัด) สนามอ่อนตัวลง — ลดกระแสของสนามและฟลักซ์ — จะเพิ่มความเร็วให้สูงกว่าความเร็วพื้นฐาน แต่ความจุแรงบิดจะลดลงตามสัดส่วนเนื่องจากสนามแม่เหล็กอ่อนลง ทั้งสองวิธีนี้ทำให้มอเตอร์กระแสตรงมีช่วงความเร็วที่ควบคุมได้กว้าง: โดยทั่วไป 10:1 หรือสูงกว่า ในการใช้งานไดรฟ์ทางอุตสาหกรรม เปรียบเทียบกับ 2:1 หรือน้อยกว่าสำหรับมอเตอร์เหนี่ยวนำ AC ที่ไม่มีการควบคุมโดยไม่มีไดรฟ์ความถี่แปรผัน

ในทางปฏิบัติสมัยใหม่ การควบคุมความเร็วจะดำเนินการด้วยระบบอิเล็กทรอนิกส์ ตัวควบคุม PWM (การมอดูเลตความกว้างพัลส์) จะแปรผันแรงดันไฟฟ้าที่มีประสิทธิภาพไปยังกระดองโดยการสลับเปิดและปิดการจ่ายไฟอย่างรวดเร็วที่ความถี่สูง อัตราส่วนของเวลาเปิดและเวลาปิด (รอบการทำงาน) จะเป็นตัวกำหนดแรงดันไฟฟ้าเฉลี่ยและความเร็ว การควบคุม PWM มีประสิทธิภาพสูงเนื่องจากทรานซิสเตอร์สวิตชิ่งกระจายพลังงานน้อยที่สุดเมื่อเทียบกับวิธีการลดแรงดันไฟฟ้าของตัวต้านทาน และช่วยให้ควบคุมความเร็วได้อย่างแม่นยำพร้อมการป้อนกลับอย่างง่ายจากมาตรวัดรอบหรือตัวเข้ารหัสบนเพลามอเตอร์

ตำแหน่งที่ใช้มอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรง

มอเตอร์กระแสตรงปรากฏในการใช้งานที่หลากหลายอย่างน่าทึ่ง ตั้งแต่เครื่องมือความแม่นยำระดับมิลลิวัตต์ไปจนถึงตัวขับเคลื่อนอุตสาหกรรมขนาดเมกะวัตต์:

• ยานยนต์: รถยนต์นั่งส่วนบุคคลที่ทันสมัยประกอบด้วยระหว่าง มอเตอร์กระแสตรงขนาดเล็ก 30 และ 80 ตัว กระจกรถยนต์ กระจกมองข้าง ที่นั่ง ที่ปัดน้ำฝน พัดลมระบายความร้อน ปั๊มน้ำมันเชื้อเพลิง แอคทูเอเตอร์ ABS และเครื่องเป่าลม HVAC มอเตอร์สตาร์ท - มอเตอร์กระแสตรงซีรีย์แรงบิดสูง - หมุนเครื่องยนต์ในแต่ละรอบการสตาร์ท
• ยานพาหนะไฟฟ้า: BLDC และมอเตอร์ซิงโครนัสแม่เหล็กถาวร (รุ่นหนึ่งของ BLDC) ขับเคลื่อนระบบขับเคลื่อนแบบฉุดลากของรถยนต์ไฟฟ้าที่ใช้แบตเตอรี่ มอเตอร์ด้านหลัง Model 3 ของ Tesla เป็นมอเตอร์ซิงโครนัสแม่เหล็กถาวรที่ผลิตได้มากกว่า 250 กิโลวัตต์จากแพ็คเกจขนาดกะทัดรัดและน้ำหนักเบา
• เครื่องมือไฟฟ้า: สว่านไร้สาย ไขควง เลื่อยวงเดือน และเครื่องเจียรไฟฟ้าใช้มอเตอร์ DC แบบมีแปรงถ่าน (รุ่นประหยัด) หรือ BLDC (รุ่นมืออาชีพ) ที่ใช้พลังงานจากชุดแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน
• ระบบอัตโนมัติทางอุตสาหกรรมและหุ่นยนต์: เซอร์โวไดรฟ์ในเครื่องมือกล CNC แขนหุ่นยนต์ และอุปกรณ์ประกอบอัตโนมัติใช้ BLDC หรือมอเตอร์แม่เหล็กถาวรไร้แปรงถ่านที่มีตำแหน่งวงปิดและการควบคุมความเร็วเพื่อการเคลื่อนไหวที่แม่นยำและทำซ้ำได้
• เครื่องใช้ไฟฟ้า: มอเตอร์แกนหมุนของฮาร์ดดิสก์ พัดลมระบายความร้อนในคอมพิวเตอร์และโปรเจ็กเตอร์ และมอเตอร์สั่นในสมาร์ทโฟนล้วนเป็นมอเตอร์กระแสตรงขนาดเล็ก ซึ่งมักจะเป็น BLDC ทำงานอย่างต่อเนื่องหรือเป็นระยะๆ ภายในอุปกรณ์ที่ปิดสนิท
• รถไฟและการขนส่งสาธารณะ: มอเตอร์ฉุดซีรีย์ DC ขับเคลื่อนเครือข่ายรถไฟใต้ดินมานานกว่าศตวรรษ ระบบรถไฟใต้ดินหลายแห่งทั่วโลกยังคงใช้งานโครงสร้างพื้นฐาน DC traction แม้ว่าขบวนรถสมัยใหม่จะใช้มอเตอร์ AC ที่จัดหาโดยอินเวอร์เตอร์ในรถมากขึ้น