วิธีการทำงานของมอเตอร์กระแสตรง: แบบมีแปรงถ่านกับแบบไร้แปรงถ่าน, ส่วนประกอบและไดรฟ์

มอเตอร์กระแสตรงทำงานอย่างไร

มอเตอร์กระแสตรง (กระแสตรง) แปลงพลังงานไฟฟ้าเป็นการหมุนเชิงกลโดยใช้ปฏิสัมพันธ์ระหว่างสนามแม่เหล็กกับตัวนำที่พากระแสไฟฟ้า หลักการทำงานเป็นไปตามกฎแรงลอเรนซ์: เมื่อกระแสไฟฟ้าไหลผ่านตัวนำที่วางอยู่ภายในสนามแม่เหล็ก ตัวนำจะมีแรงตั้งฉากกับทั้งทิศทางกระแสและทิศทางของสนาม จัดเรียงตัวนำที่มีกระแสไฟฟ้าไหลผ่านเพียงพอในชุดประกอบที่หมุนได้ และแรงนั้นจะกลายเป็นแรงบิดในการหมุนอย่างต่อเนื่อง

ในทางปฏิบัติ มอเตอร์กระแสตรงมีระบบแม่เหล็กพื้นฐานสองระบบ ที่ สเตเตอร์ ให้สนามแม่เหล็กคงที่ - ทั้งจากแม่เหล็กถาวรหรือแม่เหล็กไฟฟ้า (ขดลวดสนาม) ที่ โรเตอร์ (เรียกอีกอย่างว่ากระดอง) บรรทุกตัวนำที่เชื่อมต่อกับแหล่งจ่ายไฟ DC ภายนอก กระแสที่ไหลผ่านตัวนำโรเตอร์จะทำปฏิกิริยากับสนามสเตเตอร์เพื่อสร้างแรงบิด โดยหมุนโรเตอร์ ตราบใดที่ใช้แรงดันไฟฟ้ากระแสตรง มอเตอร์จะยังคงหมุนต่อไป

ความเร็วในมอเตอร์กระแสตรงจะถูกควบคุมโดยแรงดันไฟฟ้าที่ใช้เป็นหลัก: แรงดันไฟฟ้าที่สูงขึ้นจะทำให้การหมุนเร็วขึ้น แรงบิดเอาท์พุตเป็นสัดส่วนกับกระแสกระดอง ความสัมพันธ์ที่ตรงไปตรงมาระหว่างแรงดัน กระแสไฟฟ้า ความเร็ว และแรงบิดทำให้มอเตอร์กระแสตรงควบคุมได้ง่ายเป็นพิเศษในช่วงการทำงานที่กว้าง ซึ่งเป็นคุณสมบัติที่อธิบายความโดดเด่นอย่างต่อเนื่องในการใช้งานไดรฟ์แบบปรับความเร็วได้

ส่วนประกอบมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรง

สถาปัตยกรรมภายในของมอเตอร์กระแสตรงมีความแตกต่างกันระหว่างการออกแบบแบบมีแปรงและแบบไม่มีแปรง แต่ส่วนประกอบหลักหลายประการนั้นพบได้ทั่วไปในทั้งสองประเภท

สเตเตอร์

สเตเตอร์คือส่วนประกอบภายนอกที่อยู่นิ่งของมอเตอร์ ในมอเตอร์กระแสตรงขนาดเล็กและเป็นเศษส่วน สนามสเตเตอร์ถูกสร้างขึ้นโดยแม่เหล็กถาวรที่ยึดติดกับรูด้านในของตัวเรือนมอเตอร์ ในมอเตอร์กระแสตรงอุตสาหกรรมขนาดใหญ่ สเตเตอร์จะบรรทุกขดลวดสนาม ซึ่งเป็นขดลวดที่พันรอบส่วนขั้ว ซึ่งกระแสกระตุ้น DC ที่แยกจากกันจะไหลเพื่อสร้างสนามแม่เหล็ก โดยทั่วไปโครงสเตเตอร์จะเป็นเหล็กซิลิคอนเคลือบเพื่อลดการสูญเสียกระแสไหลวน

โรเตอร์ (กระดอง)

โรเตอร์คือชุดประกอบแบบหมุนที่ติดตั้งอยู่บนเพลามอเตอร์ ประกอบด้วยแกนเหล็กเคลือบที่มีร่องกลึงรอบๆ เส้นรอบวง ซึ่งขดลวดกระดองจะถูกพันเข้าไป โครงสร้างเคลือบช่วยลดการสูญเสียกระแสไหลวนในเหล็ก ในมอเตอร์กระแสตรงแบบมีแปรงถ่าน โรเตอร์จะบรรทุกคอยล์พันแผล ในมอเตอร์กระแสตรงไร้แปรงถ่าน โรเตอร์จะบรรทุกแม่เหล็กถาวรแทน

สับเปลี่ยนและแปรง (มอเตอร์แปรงถ่านเท่านั้น)

คอมมิวเตเตอร์เป็นวงแหวนทองแดงแบบแบ่งส่วนซึ่งติดตั้งอยู่บนเพลาโรเตอร์ แต่ละส่วนเชื่อมต่อกับขดลวดกระดองที่แตกต่างกัน แปรงคาร์บอน - หน้าสัมผัสแบบสปริงโหลดที่ติดตั้งอยู่ในตัวเรือนสเตเตอร์ - กดกับพื้นผิวสับเปลี่ยนและรักษาหน้าสัมผัสทางไฟฟ้าในขณะที่เพลาหมุน ขณะที่โรเตอร์หมุน ส่วนสับเปลี่ยนจะเคลื่อนผ่านใต้แปรงตามลำดับ โดยจะสลับทิศทางกระแสในแต่ละขดลวดโดยอัตโนมัติในช่วงเวลาที่เหมาะสมเพื่อรักษาแรงบิดที่กระทำในทิศทางการหมุนที่สม่ำเสมอ การสลับทางกลนี้เป็นสิ่งที่กำหนดมอเตอร์กระแสตรงแบบมีแปรงถ่าน

ขดลวด

ขดลวดกระดองเป็นตัวนำทองแดงหุ้มฉนวนที่พันอยู่ในช่องโรเตอร์ รูปแบบการพันของขดลวด — รอบ คลื่น หรือซิมเพล็กซ์ — กำหนดจำนวนเส้นทางกระแสขนานผ่านกระดอง และส่งผลต่อคุณลักษณะความเร็ว-แรงบิดของมอเตอร์ ขดลวดสนามบนสเตเตอร์ (หากมี) จะถูกพันเพื่อสร้างจำนวนขั้วแม่เหล็กที่ถูกต้องสำหรับความเร็วการออกแบบและช่วงแรงบิด

เพลา ตลับลูกปืน และตัวเรือน

เพลาส่งออกจะส่งแรงบิดเชิงกลไปยังโหลด ตลับลูกปืนเม็ดกลมหรือตลับลูกปืนแบบปลอกที่มีความแม่นยำสูงรองรับเพลาที่ปลายแต่ละด้านของตัวเครื่อง โดยรักษาช่องว่างอากาศระหว่างโรเตอร์และสเตเตอร์ให้อยู่ในพิกัดความคลาดเคลื่อนที่เข้มงวด ตัวเครื่อง (กระดิ่งปลายและโครง) ให้การสนับสนุนโครงสร้าง ปกป้องส่วนประกอบภายใน และในการออกแบบบางอย่างมีครีบระบายความร้อนหรืออุปกรณ์ติดตั้งสำหรับพัดลมภายนอก

มอเตอร์กระแสตรงแบบแปรงถ่าน : หลักการทำงานและลักษณะเฉพาะ

ในมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรงแบบมีแปรงถ่าน ตัวสับเปลี่ยนและแปรงถ่านจะทำหน้าที่เปลี่ยนกระแสไฟฟ้าโดยอัตโนมัติ ในขณะที่กระดองหมุน ส่วนสับเปลี่ยนจะเคลื่อนที่ผ่านหน้าสัมผัสแปรงที่อยู่นิ่ง โดยเชื่อมต่อคอยล์กระดองแต่ละอันเข้ากับแหล่งจ่ายตามลำดับ เพื่อให้แน่ใจว่าไม่ว่าโรเตอร์จะอยู่ที่ตำแหน่งใดก็ตาม คอยล์ที่อยู่ในตำแหน่งเดียวกับช่องว่างของขั้วสเตเตอร์จะจ่ายกระแสในทิศทางที่ถูกต้องเสมอเพื่อสร้างแรงบิดไปข้างหน้า

ผลลัพธ์ที่ได้คือมอเตอร์ที่ทำงานโดยตรงจากแหล่งจ่ายไฟ DC โดยไม่ต้องมีการเปลี่ยนทางอิเล็กทรอนิกส์ภายนอก เชื่อมต่อมอเตอร์กระแสตรงแบบมีแปรงถ่านเข้ากับแบตเตอรี่หรือแหล่งจ่ายไฟ DC แบบควบคุม แล้วมอเตอร์จะหมุนทันที กลับขั้วและกลับทิศทาง ความเรียบง่ายนี้เป็นเหตุผลหลักที่มอเตอร์แบบมีแปรงยังคงใช้กันอย่างแพร่หลายในการใช้งานที่มีความซับซ้อนต่ำถึงปานกลางโดยคำนึงถึงต้นทุน

การสัมผัสทางกลระหว่างแปรงและตัวสับเปลี่ยนทำให้เกิดข้อจำกัดที่สำคัญของมอเตอร์ แรงเสียดทานของตัวสับเปลี่ยนแปรงทำให้เกิดความร้อนและการสึกหรอ และความโค้งที่เกิดขึ้นเมื่อสวิตช์แบ่งส่วนทำให้เกิดการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI) โดยทั่วไปจำเป็นต้องเปลี่ยนแปรงทุกๆ 1,000–5,000 ชั่วโมงการทำงาน ขึ้นอยู่กับโหลด ความเร็ว และสภาพแวดล้อมการทำงานในปัจจุบัน พื้นผิวสับเปลี่ยนยังต้องมีการตรวจสอบและพื้นผิวใหม่เป็นระยะ

มอเตอร์กระแสตรงแบบมีแปรงถ่านไม่เหมาะสำหรับการใช้งานในบรรยากาศที่ไวไฟหรือเกิดการระเบิดได้ เนื่องจากการอาร์คของแปรงถ่านสามารถจุดชนวนก๊าซโดยรอบได้ นอกจากนี้ ยังถูกจำกัดความเร็วสูงสุดด้วยข้อจำกัดทางกลของหน้าสัมผัสของแปรง-สับเปลี่ยน ซึ่งโดยทั่วไปแล้วจะอยู่ที่ 3,000–8,000 รอบต่อนาที ในการออกแบบส่วนใหญ่

แปรงเทียบกับ มอเตอร์กระแสตรงไร้แปรงถ่าน : ความแตกต่างหลัก

มอเตอร์กระแสตรงไร้แปรงถ่าน (BLDC) กำจัดตัวสับเปลี่ยนและชุดแปรงโดยสิ้นเชิงโดยการย้ายตำแหน่งแม่เหล็กถาวรไปที่โรเตอร์และขดลวดไปยังสเตเตอร์ การสลับกระแส - การสับเปลี่ยน - ได้รับการจัดการด้วยระบบอิเล็กทรอนิกส์โดยตัวควบคุมมอเตอร์ที่ตรวจสอบตำแหน่งโรเตอร์ผ่านเซ็นเซอร์เอฟเฟกต์ฮอลล์หรือการตรวจจับ EMF ด้านหลัง และจ่ายพลังงานให้กับขดลวดสเตเตอร์ในลำดับที่ถูกต้องเพื่อรักษาการหมุน

การกลับกันทางสถาปัตยกรรมนี้มีผลกระทบที่สำคัญต่อประสิทธิภาพ การบำรุงรักษา และขอบเขตการใช้งาน

ข้อได้เปรียบด้านประสิทธิภาพของมอเตอร์แบบไร้แปรงถ่านมีความสำคัญอย่างยิ่งในการใช้งานที่ใช้พลังงานจากแบตเตอรี่ ระบบขับเคลื่อนของรถยนต์ไฟฟ้าหรือเครื่องมือไฟฟ้าที่ใช้มอเตอร์ BLDC อย่างมีประสิทธิภาพ 92% เทียบกับมอเตอร์ไฟฟ้าที่เทียบเท่ากับแปรงที่ 80% ส่งผลให้มีระยะเวลาการทำงานต่อการชาร์จยาวนานขึ้นโดยตรง และลดภาระความร้อนบนชุดแบตเตอรี่ นี่เป็นแรงผลักดันหลักเบื้องหลังการเปลี่ยนแปลงที่แทบจะเป็นสากลไปสู่มอเตอร์ไร้แปรงถ่านในเครื่องมือไฟฟ้าไร้สาย ยานพาหนะไฟฟ้า โดรน และระบบ HVAC ในช่วงสองทศวรรษที่ผ่านมา

เมื่อใดจึงควรใช้มอเตอร์กระแสตรงแบบมีแปรงถ่าน

แม้จะมีข้อดีด้านประสิทธิภาพของการออกแบบแบบไร้แปรงถ่าน แต่มอเตอร์กระแสตรงแบบมีแปรงถ่านยังคงเป็นตัวเลือกที่ถูกต้องในการใช้งานหลายประเภท

• การใช้งานรอบการทำงานระยะสั้นที่มีต้นทุนจำกัด: ตัวควบคุมกระจกรถยนต์ ตัวปรับที่นั่ง ที่ปัดน้ำฝน และมอเตอร์เครื่องใช้ไฟฟ้าขนาดเล็กทำงานไม่บ่อยเพียงพอจนการสึกหรอของแปรงไม่เป็นปัญหาในทางปฏิบัติเกี่ยวกับอายุการใช้งานของยานพาหนะหรือผลิตภัณฑ์ ต้นทุนมอเตอร์ที่ต่ำกว่าและวงจรควบคุมอย่างง่าย (รีเลย์หรือสะพาน H) มีมากกว่าข้อได้เปรียบด้านประสิทธิภาพของการใช้แปรงถ่านในกรณีเหล่านี้
• ข้อกำหนดความเร็วตัวแปรง่ายๆ: ในกรณีที่การควบคุมความเร็วต้องการเพียงการปรับแรงดันไฟฟ้าของแหล่งจ่าย — ผ่านโพเทนชิออมิเตอร์ สัญญาณ PWM หรือไดรฟ์พื้นฐาน มอเตอร์แบบมีแปรงถ่านจะให้ต้นทุนและความซับซ้อนของระบบต่ำที่สุด
• แรงบิดเริ่มต้นสูงที่ความเร็วต่ำ: มอเตอร์กระแสตรงแบบพันรอบแบบมีแปรงถ่านจะสร้างแรงบิดสูงสุดเมื่อสตาร์ท (แรงบิดขณะสตาร์ท) ทำให้ในอดีตเป็นที่นิยมสำหรับการใช้งานแบบลากจูง เช่น เครน รอก และหัวรถจักรไฟฟ้า ซึ่งจำเป็นต้องมีแรงบิดสูงที่ความเร็วเป็นศูนย์
• การแทนที่ในโครงสร้างพื้นฐานที่มีอยู่: โรงงานอุตสาหกรรมที่มีการติดตั้งมอเตอร์กระแสตรงแบบมีแปรงถ่านและมีสต็อกแปรงที่มีอยู่มักจะใช้มอเตอร์แบบมีแปรงต่อไปซึ่งมีโครงสร้างพื้นฐานของไดรฟ์อยู่แล้ว และความประหยัดในการแปลงสภาพไม่ได้เป็นตัวกำหนดต้นทุนเงินทุน

มอเตอร์กระแสตรงและระบบขับเคลื่อน

ตัวขับเคลื่อนมอเตอร์กระแสตรง (หรือที่เรียกว่าไดรฟ์กระแสตรงหรือตัวควบคุมกระแสตรง) คือชุดอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังที่ควบคุมแรงดันไฟฟ้าและกระแสไฟฟ้าที่จ่ายให้กับมอเตอร์กระแสตรงเพื่อควบคุมความเร็ว แรงบิด ความเร่ง และทิศทาง มอเตอร์และตัวขับเคลื่อนรวมกันเป็นระบบควบคุมการเคลื่อนไหวที่สมบูรณ์ โดยมอเตอร์จะให้เอาท์พุตทางกล และตัวขับเคลื่อนจะจัดการอินพุตไฟฟ้าเพื่อให้ได้โปรไฟล์การเคลื่อนไหวที่ต้องการ

ไดรฟ์ DC แบบมีแปรงถ่าน

ไดรฟ์ DC แบบมีแปรงถ่านแบบดั้งเดิมใช้เทคนิคการควบคุมเฟสไทริสเตอร์ (SCR) หรือ PWM (การปรับความกว้างพัลส์) เพื่อควบคุมแรงดันไฟฟ้าของกระดอง ระบบขับเคลื่อนสี่ควอแดรนท์สามารถควบคุมความเร็วและแรงบิดได้ทั้งสองทิศทางในการหมุน ช่วยให้สามารถเบรกแบบจ่ายพลังงานใหม่ได้ โดยที่มอเตอร์ทำหน้าที่เป็นเครื่องกำเนิดไฟฟ้าในระหว่างการลดความเร็ว โดยจะส่งพลังงานกลับไปยังบัสจ่ายไฟ ความสามารถนี้ใช้กันอย่างแพร่หลายในการใช้งานทางอุตสาหกรรม เช่น เครื่องม้วน โรงรีด และรอก ซึ่งการควบคุมการชะลอตัวและการนำพลังงานกลับมาใช้ใหม่

โดยทั่วไปความแม่นยำในการควบคุมความเร็วของไดรฟ์ DC แบบมีแปรงถ่านแบบวงปิดพร้อมสัญญาณป้อนกลับของมาตรวัดความเร็ว ±0.1% ของความเร็วที่ตั้งไว้ ซึ่งอธิบายการครอบงำมายาวนานในด้านการควบคุมการเคลื่อนไหวทางอุตสาหกรรมที่มีความแม่นยำ ก่อนที่ไดรฟ์ความถี่ตัวแปร AC จะครบกำหนดในปี 1990

ไดรฟ์ DC แบบไร้แปรงถ่าน (ตัวควบคุม BLDC)

ตัวควบคุมมอเตอร์ BLDC ทำการสับเปลี่ยนทางอิเล็กทรอนิกส์โดยการอ่านตำแหน่งโรเตอร์ ผ่านเซ็นเซอร์ฮอลล์เอฟเฟกต์ที่ฝังอยู่ในมอเตอร์หรือผ่านการประมาณค่า EMF ด้านหลังแบบไร้เซ็นเซอร์ และสลับกระแสผ่านเฟสสเตเตอร์ในลำดับที่ถูกต้อง ตัวควบคุมยังจัดการรอบการทำงานของ PWM เพื่อควบคุมความเร็วและติดตามกระแสเพื่อจำกัดแรงบิด ไดรฟ์ BLDC ที่มีความซับซ้อนมากขึ้นใช้การควบคุมเชิงสนาม (FOC) ซึ่งปรับมุมระหว่างสนามสเตเตอร์และแม่เหล็กโรเตอร์ให้เหมาะสมเพื่อให้ได้แรงบิดสูงสุดต่อแอมแปร์ตลอดช่วงความเร็วเต็ม

ในระบบการเคลื่อนไหวแบบรวม เช่น ข้อต่อหุ่นยนต์ แกนเซอร์โว และสปินเดิล CNC โดยทั่วไปมอเตอร์ BLDC และตัวขับเคลื่อนจะถูกจับคู่และปรับเข้าด้วยกันเป็นชุดที่ตรงกัน พารามิเตอร์ของไดรฟ์ รวมถึงแบนด์วิธของลูปปัจจุบัน อัตราขยายของลูปความเร็ว และระยะเวลาในการเปลี่ยนได้รับการกำหนดค่าระหว่างการทดสอบการใช้งาน และจัดเก็บไว้ในหน่วยความจำแบบไม่ลบเลือนของไดรฟ์

พารามิเตอร์การเลือกคีย์ไดรฟ์

• อัตรากระแสต่อเนื่องและสูงสุด: ชุดขับเคลื่อนต้องรองรับกระแสการทำงานต่อเนื่องของมอเตอร์และกระแสสูงสุดที่ดึงออกมาระหว่างการเร่งความเร็วโดยไม่มีการสะดุดหรือการปิดระบบเนื่องจากความร้อน
• ช่วงแรงดันไฟฟ้า: ต้องตรงกับแรงดันไฟฟ้าที่กำหนดของมอเตอร์และแหล่งจ่ายไฟที่มีอยู่ (24 V, 48 V, 120 V, 240 V DC หรือ AC แบบเรียงกระแส)
• อินเตอร์เฟซการควบคุม: แรงดันไฟฟ้าแบบอะนาล็อก (0–10 V), สัญญาณ PWM, อินพุตพัลส์แบบสเต็ป/ทิศทาง หรือฟิลด์บัสดิจิทัล (CANopen, EtherCAT, Modbus) ขึ้นอยู่กับสถาปัตยกรรมของระบบ
• ความเข้ากันได้ของข้อเสนอแนะ: ชุดขับจะต้องยอมรับอุปกรณ์ป้อนกลับที่ติดตั้งกับมอเตอร์ — เซ็นเซอร์ฮอลล์ ตัวเข้ารหัส (ส่วนเพิ่มหรือสัมบูรณ์) หรือรีโซลเวอร์
• ความสามารถในการสร้างใหม่: การใช้งานที่มีการเบรกบ่อยครั้งหรือโหลดในแนวตั้งจะได้รับประโยชน์จากตัวขับเคลื่อนที่มีการเบรกแบบจ่ายพลังงานใหม่ เพื่อหลีกเลี่ยงการกระจายความร้อนมากเกินไปในตัวต้านทานการเบรก

การใช้งานทั่วไปตามประเภทมอเตอร์

ภาพรวมการใช้งานสำหรับมอเตอร์กระแสตรงแบบมีแปรงถ่านและแบบไร้แปรงถ่านสะท้อนถึงจุดแข็งในด้านต้นทุน การบำรุงรักษา ช่วงความเร็ว และความแม่นยำในการควบคุม

การใช้งานมอเตอร์กระแสตรงแบบมีแปรงถ่าน

• ตัวกระตุ้นตัวถังรถยนต์ (หน้าต่าง, กระจก, ที่นั่ง, ซันรูฟ)
• ไดรฟ์ DC อุตสาหกรรมในเครื่องจักรรุ่นเก่า (โรงรีด เครื่องอัดรีด แท่นพิมพ์)
• งานอดิเรกและหุ่นยนต์เพื่อการศึกษา (ที่ความเรียบง่ายและต้นทุนต่ำเป็นสิ่งสำคัญ)
• เครื่องใช้ไฟฟ้าขนาดเล็ก (เครื่องผสม เครื่องปั่น มอเตอร์เครื่องดูดฝุ่น)
• มอเตอร์ฉุดลากในรถยกรุ่นเก่าและรถยนต์ไฟฟ้า

การใช้งานมอเตอร์กระแสตรงไร้แปรงถ่าน

• การยึดเกาะของรถยนต์ไฟฟ้าและระบบขับเคลื่อนเสริม
• เครื่องมือไฟฟ้าไร้สายและอุปกรณ์ทำสวน
• การขับเคลื่อนด้วยโดรนและ UAV (ต้องใช้ความหนาแน่นของพลังงานสูงและการควบคุมความเร็วที่แม่นยำ)
• สปินเดิลเครื่องมือกล CNC และแกนเซอร์โว
• พัดลม HVAC ปั๊ม และคอมเพรสเซอร์ (ซึ่งประสิทธิภาพตลอดชั่วโมงการทำงานต่อเนื่องส่งผลโดยตรงต่อต้นทุนการดำเนินงาน)
• แกนหมุนของฮาร์ดดิสก์ไดรฟ์และพัดลมระบายความร้อนของคอมพิวเตอร์
• อุปกรณ์ทางการแพทย์ที่ต้องการการทำงานที่สะอาดและบำรุงรักษาต่ำ