มีความรู้เกี่ยวกับหลักการทำงานของมอเตอร์แบบมีแปรงถ่านและมอเตอร์แบบไม่มีแปรงถ่าน

หลักการทำงานของมอเตอร์แบบแปรงถ่าน

โครงสร้างหลักของมอเตอร์ไร้แปรงถ่านชุดมอเตอร์ประกอบด้วยสเตเตอร์ โรเตอร์ และแปรงถ่าน โดยแรงบิดได้มาจากการหมุนของสนามแม่เหล็กเพื่อแปลงเป็นพลังงานจลน์ แปรงถ่านจะสัมผัสกับคอมมิวเทเตอร์อยู่ตลอดเวลาเพื่อนำไฟฟ้าและเปลี่ยนเฟสในการหมุน

มอเตอร์แบบแปรงถ่านใช้การสลับทิศทางกระแสไฟฟ้าแบบกลไก ขั้วแม่เหล็กไม่เคลื่อนที่ แต่ขดลวดหมุน เมื่อมอเตอร์ทำงาน ขดลวดและคอมมิวเทเตอร์จะหมุน ในขณะที่เหล็กแม่เหล็กและแปรงถ่านไม่เคลื่อนที่ การสลับทิศทางกระแสไฟฟ้าของขดลวดเกิดขึ้นจากการหมุนของคอมมิวเทเตอร์และแปรงถ่านไปพร้อมกับมอเตอร์

ในมอเตอร์แบบแปรงถ่าน กระบวนการนี้คือการรวมปลายขดลวดสองปลายที่รับพลังงานเข้าด้วยกัน จัดเรียงเป็นวงแหวน โดยมีวัสดุฉนวนคั่นระหว่างกัน ทำให้เกิดรูปร่างคล้ายทรงกระบอก ประกอบเข้ากับเพลามอเตอร์อย่างต่อเนื่อง โดยพลังงานจะไหลผ่านเสาขนาดเล็กสองต้นที่ทำจากคาร์บอน (แปรงถ่าน) ภายใต้แรงดันของสปริง จากตำแหน่งคงที่สองตำแหน่ง แรงดันที่ปลายขดลวดจะทำให้ขดลวดทรงกระบอกสองจุดนั้นเกิดการลัดวงจรและเกิดกระแสไฟฟ้าขึ้น

เนื่องจากมอเตอร์เมื่อมอเตอร์หมุน ขดลวดต่างๆ หรือขั้วต่างๆ ของขดลวดเดียวกันจะได้รับพลังงานในเวลาที่ต่างกัน ทำให้เกิดความแตกต่างของมุมที่เหมาะสมระหว่างขั้วนาโนวินาทีของขดลวดที่สร้างสนามแม่เหล็กกับขั้วนาโนวินาทีของสเตเตอร์แม่เหล็กถาวรที่อยู่ใกล้ที่สุด สนามแม่เหล็กจะดึงดูดและผลักกัน ทำให้เกิดแรงและผลักดันให้มอเตอร์หมุน ขั้วไฟฟ้าคาร์บอนจะเลื่อนไปบนหัวลวดเหมือนแปรงบนพื้นผิวของวัตถุ จึงเป็นที่มาของชื่อ "แปรง" (brush)

การเสียดสีกันจะทำให้เกิดแรงเสียดทานและทำให้แปรงถ่านสึกหรอ ซึ่งจำเป็นต้องเปลี่ยนเป็นประจำ การสลับเปิดปิดระหว่างแปรงถ่านและหัวลวดของคอยล์อาจทำให้เกิดประกายไฟ การขาดตอนของสนามแม่เหล็กไฟฟ้า และรบกวนอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ได้

หลักการทำงานของมอเตอร์ไร้แปรงถ่าน

ในมอเตอร์ไร้แปรงถ่าน การสลับกระแสจะดำเนินการโดยวงจรควบคุมในตัวควบคุม (โดยทั่วไปคือเซ็นเซอร์ฮอลล์ + ตัวควบคุม และเทคโนโลยีขั้นสูงกว่าคือตัวเข้ารหัสแม่เหล็ก)

มอเตอร์ไร้แปรงถ่านใช้คอมมิวเทเตอร์อิเล็กทรอนิกส์ ขดลวดไม่เคลื่อนที่ แต่ขั้วแม่เหล็กหมุน มอเตอร์ไร้แปรงถ่านใช้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ชุดหนึ่งในการตรวจจับตำแหน่งของขั้วแม่เหล็กถาวรผ่านองค์ประกอบฮอลล์ SS2712 ตามการตรวจจับนี้ วงจรอิเล็กทรอนิกส์จะใช้ในการสลับทิศทางของกระแสในขดลวดในเวลาที่เหมาะสม เพื่อให้แน่ใจว่าเกิดแรงแม่เหล็กในทิศทางที่ถูกต้องเพื่อขับเคลื่อนมอเตอร์ ช่วยขจัดข้อเสียของมอเตอร์แบบมีแปรงถ่าน

วงจรเหล่านี้เรียกว่าตัวควบคุมมอเตอร์ ตัวควบคุมมอเตอร์ไร้แปรงถ่านยังสามารถทำงานบางอย่างที่มอเตอร์ไร้แปรงถ่านทำไม่ได้ เช่น การปรับมุมการสลับกำลังไฟ การเบรกมอเตอร์ การหมุนมอเตอร์กลับทิศทาง การล็อคมอเตอร์ และการใช้สัญญาณเบรกเพื่อหยุดการจ่ายไฟให้กับมอเตอร์ ปัจจุบันระบบล็อคกันขโมยอิเล็กทรอนิกส์ของรถยนต์ไฟฟ้าได้นำฟังก์ชันเหล่านี้มาใช้งานอย่างเต็มที่แล้ว

มอเตอร์ DC แบบไร้แปรงถ่านเป็นผลิตภัณฑ์เมคาทรอนิกส์ทั่วไป ซึ่งประกอบด้วยตัวมอเตอร์และตัวขับ เนื่องจากมอเตอร์ DC แบบไร้แปรงถ่านทำงานในโหมดควบคุมอัตโนมัติ จึงไม่จำเป็นต้องเพิ่มขดลวดสตาร์ทให้กับโรเตอร์เหมือนมอเตอร์ซิงโครนัสที่มีการควบคุมความเร็วด้วยความถี่แปรผันและการสตาร์ทเมื่อรับภาระหนัก และจะไม่ทำให้เกิดการสั่นและการก้าวพลาดเมื่อโหลดเปลี่ยนแปลง

ความแตกต่างของโหมดควบคุมความเร็วระหว่างมอเตอร์แบบมีแปรงถ่านและมอเตอร์แบบไม่มีแปรงถ่าน

อันที่จริง การควบคุมมอเตอร์ทั้งสองชนิดคือการควบคุมแรงดันไฟฟ้า แต่เนื่องจากมอเตอร์ DC แบบไร้แปรงถ่านใช้คอมมิวเทเตอร์อิเล็กทรอนิกส์ จึงสามารถควบคุมได้ด้วยระบบดิจิทัล ในขณะที่มอเตอร์ DC แบบไร้แปรงถ่านใช้คอมมิวเทเตอร์แบบแปรงถ่าน จึงสามารถควบคุมได้โดยใช้วงจรอนาล็อกแบบดั้งเดิมที่ควบคุมด้วยซิลิคอน ซึ่งค่อนข้างง่ายกว่า

1. กระบวนการควบคุมความเร็วของมอเตอร์แบบแปรงถ่านคือการปรับแรงดันไฟฟ้าของแหล่งจ่ายไฟของมอเตอร์ หลังจากปรับแล้ว แรงดันไฟฟ้าและกระแสไฟฟ้าจะถูกแปลงโดยคอมมิวเทเตอร์และแปรงถ่านเพื่อเปลี่ยนความแรงของสนามแม่เหล็กที่สร้างขึ้นโดยอิเล็กโทรด เพื่อให้บรรลุวัตถุประสงค์ในการเปลี่ยนความเร็ว กระบวนการนี้เรียกว่าการควบคุมด้วยแรงดัน

2. กระบวนการควบคุมความเร็วของมอเตอร์ไร้แปรงถ่านคือ การคงแรงดันไฟฟ้าของแหล่งจ่ายไฟของมอเตอร์ไว้คงที่ แต่เปลี่ยนสัญญาณควบคุมการปรับทางไฟฟ้า และเปลี่ยนอัตราการสวิตช์ของทรานซิสเตอร์ MOS กำลังสูงโดยใช้ไมโครโปรเซสเซอร์ เพื่อให้ความเร็วเปลี่ยนแปลง กระบวนการนี้เรียกว่า การแปลงความถี่

ความแตกต่างด้านประสิทธิภาพ

1. มอเตอร์แบบแปรงถ่านมีโครงสร้างที่เรียบง่าย มีระยะเวลาการพัฒนาที่ยาวนาน และเทคโนโลยีที่1สมบูรณ์แล้ว

ย้อนกลับไปในศตวรรษที่ 19 เมื่อมอเตอร์ถือกำเนิดขึ้น มอเตอร์ที่ใช้งานได้จริงคือมอเตอร์แบบไร้แปรงถ่าน นั่นคือมอเตอร์อะซิงโครนัสแบบกรงกระรอกกระแสสลับ ซึ่งถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายหลังจากมีการนำกระแสสลับมาใช้ อย่างไรก็ตาม มอเตอร์อะซิงโครนัสมีข้อบกพร่องมากมายที่แก้ไขไม่ได้ ทำให้การพัฒนาเทคโนโลยีมอเตอร์เป็นไปอย่างช้าๆ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง มอเตอร์กระแสตรงแบบไร้แปรงถ่านยังไม่สามารถนำไปใช้งานเชิงพาณิชย์ได้ ด้วยการพัฒนาอย่างรวดเร็วของเทคโนโลยีอิเล็กทรอนิกส์ ทำให้มอเตอร์ชนิดนี้ค่อยๆ ถูกนำมาใช้งานเชิงพาณิชย์จนกระทั่งในช่วงไม่กี่ปีมานี้ โดยพื้นฐานแล้ว มันยังคงจัดอยู่ในประเภทของมอเตอร์กระแสสลับอยู่ดี

มอเตอร์ไร้แปรงถ่านเพิ่งถือกำเนิดขึ้นไม่นานมานี้ โดยมนุษย์ได้คิดค้นมอเตอร์กระแสตรงไร้แปรงถ่านขึ้นมา เนื่องจากกลไกของมอเตอร์กระแสตรงไร้แปรงถ่านนั้นเรียบง่าย ผลิตและแปรรูปได้ง่าย บำรุงรักษาง่าย ควบคุมง่าย นอกจากนี้ มอเตอร์กระแสตรงยังมีการตอบสนองที่รวดเร็ว แรงบิดเริ่มต้นสูง และสามารถให้แรงบิดตามพิกัดได้ตั้งแต่ความเร็วศูนย์ถึงความเร็วพิกัด ดังนั้นจึงมีการใช้งานอย่างแพร่หลายนับตั้งแต่เปิดตัว

2. มอเตอร์ DC แบบไร้แปรงถ่านมีอัตราการตอบสนองที่รวดเร็วและแรงบิดเริ่มต้นสูง

มอเตอร์ DC แบบไร้แปรงถ่านมีอัตราเร่งเริ่มต้นที่รวดเร็ว แรงบิดเริ่มต้นสูง การเปลี่ยนแปลงความเร็วคงที่ แทบไม่มีการสั่นสะเทือนตั้งแต่ศูนย์ถึงความเร็วสูงสุด และสามารถขับโหลดได้มากขึ้นเมื่อเริ่มต้น ในขณะที่มอเตอร์ไร้แปรงถ่านมีความต้านทานเริ่มต้น (รีแอกแตนซ์เหนี่ยวนำ) สูง ดังนั้นค่าตัวประกอบกำลังจึงต่ำ แรงบิดเริ่มต้นจึงค่อนข้างต่ำ เสียงเริ่มต้นจะดังหึ่งๆ พร้อมกับการสั่นสะเทือนอย่างรุนแรง และสามารถขับโหลดได้น้อยเมื่อเริ่มต้น

3. มอเตอร์ DC แบบไร้แปรงถ่านทำงานได้อย่างราบรื่นและมีประสิทธิภาพในการเบรกที่ดี

มอเตอร์ไร้แปรงถ่านถูกควบคุมด้วยการควบคุมแรงดันไฟฟ้า ดังนั้นการสตาร์ทและการเบรกจึงมีเสถียรภาพ และการทำงานที่ความเร็วคงที่ก็มีเสถียรภาพเช่นกัน ในขณะที่มอเตอร์ไร้แปรงถ่านโดยทั่วไปจะถูกควบคุมด้วยการแปลงความถี่แบบดิจิทัล ซึ่งจะแปลงกระแสสลับเป็นกระแสตรงก่อน แล้วจึงแปลงกระแสตรงเป็นกระแสสลับอีกครั้ง และควบคุมความเร็วผ่านการเปลี่ยนแปลงความถี่ ดังนั้นมอเตอร์ไร้แปรงถ่านจึงไม่ทำงานราบรื่นเมื่อสตาร์ทและเบรก มีการสั่นสะเทือนมาก และจะมีเสถียรภาพก็ต่อเมื่อความเร็วคงที่เท่านั้น

4. ความแม่นยำในการควบคุมมอเตอร์แปรงถ่าน DC สูง

มอเตอร์ DC แบบไร้แปรงถ่านมักใช้ร่วมกับกล่องทดรอบและตัวถอดรหัส เพื่อเพิ่มกำลังขับของมอเตอร์และเพิ่มความแม่นยำในการควบคุม โดยความแม่นยำในการควบคุมสามารถสูงถึง 0.01 มม. ซึ่งเกือบจะสามารถทำให้ชิ้นส่วนที่เคลื่อนที่หยุดที่ตำแหน่งใดก็ได้ตามต้องการ เครื่องมือกลที่มีความแม่นยำสูงทั้งหมดใช้มอเตอร์ DC ในการควบคุมความแม่นยำ เนื่องจากมอเตอร์ไร้แปรงถ่านไม่เสถียรในระหว่างการเริ่มต้นและการเบรก ชิ้นส่วนที่เคลื่อนที่จึงจะหยุดที่ตำแหน่งที่แตกต่างกันในแต่ละครั้ง และตำแหน่งที่ต้องการจะหยุดได้โดยใช้หมุดกำหนดตำแหน่งหรือตัวจำกัดตำแหน่งเท่านั้น

5. มอเตอร์แบบแปรงถ่าน DC มีต้นทุนการใช้งานต่ำและบำรุงรักษาง่าย

เนื่องจากโครงสร้างที่เรียบง่ายของมอเตอร์ DC แบบไร้แปรงถ่าน ต้นทุนการผลิตต่ำ มีผู้ผลิตจำนวนมาก และเทคโนโลยีที่พัฒนาแล้ว จึงมีการใช้งานอย่างแพร่หลาย เช่น ในโรงงาน เครื่องมือกล อุปกรณ์วัดความแม่นยำ ฯลฯ หากมอเตอร์เสีย ก็เพียงแค่เปลี่ยนแปรงถ่าน ซึ่งแต่ละแปรงถ่านมีราคาเพียงไม่กี่ดอลลาร์เท่านั้น ถูกมาก ในขณะที่เทคโนโลยีของมอเตอร์แบบไร้แปรงถ่านยังไม่พัฒนาเต็มที่ ราคาจึงสูงกว่า และขอบเขตการใช้งานจำกัด ส่วนใหญ่ควรใช้ในอุปกรณ์ที่ควบคุมความเร็วคงที่ เช่น เครื่องปรับอากาศแบบแปลงความถี่ ตู้เย็น ฯลฯ หากมอเตอร์แบบไร้แปรงถ่านเสียหาย ก็ต้องเปลี่ยนใหม่เท่านั้น

6. ไม่มีแปรงถ่าน ลดการรบกวน

มอเตอร์ไร้แปรงถ่านไม่มีแปรงถ่าน การเปลี่ยนแปลงที่เห็นได้ชัดที่สุดคือไม่มีประกายไฟขณะทำงาน ทำให้ลดการรบกวนจากประกายไฟต่ออุปกรณ์วิทยุระยะไกลได้อย่างมาก

7. เสียงรบกวนต่ำและการทำงานราบรื่น

มอเตอร์ไร้แปรงถ่านซึ่งไม่มีแปรงถ่าน จะมีแรงเสียดทานน้อยกว่ามากในระหว่างการทำงาน ทำให้การทำงานราบรื่นและมีเสียงรบกวนต่ำลง ซึ่งเป็นปัจจัยสำคัญที่ช่วยเพิ่มเสถียรภาพในการทำงานของโมเดล

8. อายุการใช้งานยาวนานและค่าบำรุงรักษาต่ำ

มอเตอร์ไร้แปรงถ่านนั้น การสึกหรอส่วนใหญ่เกิดขึ้นที่ตลับลูกปืน จากมุมมองทางกลแล้ว มอเตอร์ไร้แปรงถ่านแทบไม่ต้องบำรุงรักษาเลย หากจำเป็นก็แค่ทำความสะอาดฝุ่นเท่านั้น

คุณอาจสนใจ: