มอเตอร์แบบไม่มีแปรงและแบบไม่มีแปรง: การทำงานการก่อสร้างและการใช้งาน

มอเตอร์ไฟฟ้ากลายเป็นส่วนสำคัญในชีวิตของเรา พบได้ในอุปกรณ์ทุกประเภทตั้งแต่รถยนต์ไฟฟ้าไปจนถึงโดรนหุ่นยนต์และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์อื่น ๆ ในแง่ทั่วไปเป็นมอเตอร์ไฟฟ้าเป็นอุปกรณ์ที่แปลงพลังงานไฟฟ้าเป็นพลังงานกลโดยปกติจะเรียกว่าเครื่องกำเนิดไฟฟ้าตรงข้ามกันทุกประการเนื่องจากทำงานบนหลักการที่คล้ายคลึงกันและสามารถแปลงเป็นเครื่องกำเนิดไฟฟ้าได้ในทางทฤษฎี โดยพื้นฐานแล้วจะใช้ในสถานการณ์ที่จำเป็นต้องมีการเคลื่อนที่แบบหมุนและพบการใช้งานในเครื่องใช้ไฟฟ้า (มอเตอร์สั่นสะเทือน) หุ่นยนต์อุปกรณ์ทางการแพทย์ของเล่นและอื่น ๆ อีกมากมาย

มอเตอร์ไฟฟ้าสามารถแบ่งออกเป็นสองประเภทกว้างขึ้นอยู่กับชนิดของแหล่งพลังงานที่ใช้สำหรับพวกเขา: AC และ DC มอเตอร์มอเตอร์ตามชื่อเรียกว่ามอเตอร์กระแสสลับได้รับการขับเคลื่อนโดยทั่วไปโดยใช้แหล่งจ่ายไฟ AC (เฟสเดียวหรือสามเฟส) และส่วนใหญ่จะใช้ในงานอุตสาหกรรมและงานหนักที่ต้องใช้แรงบิดมากในทางกลับกันมอเตอร์กระแสตรง (ซึ่งเป็นจุดสนใจของเราในปัจจุบัน) มักจะมีขนาดเล็กกว่าและใช้ในแอพพลิเคชั่นที่ใช้แบตเตอรี่ (หรือเสียบปลั๊กไฟ DC) ซึ่งต้องใช้ปริมาณงานน้อยลงอย่างมากเมื่อเทียบกับมอเตอร์ AC พวกเขาพบแอปพลิเคชันในอุปกรณ์ต่างๆตั้งแต่อุปกรณ์ในชีวิตประจำวันเช่นปัตตาเลี่ยนที่โกนหนวดไปจนถึงของเล่นสำหรับเด็กหุ่นยนต์และโดรนเป็นต้น

ข้อกำหนดสำหรับมอเตอร์กระแสตรงแตกต่างจากแอพพลิเคชั่นหนึ่งไปยังอีกแอพพลิเคชั่นหนึ่งเนื่องจากแอพพลิเคชั่นหนึ่งอาจต้องการแรงบิดมากขึ้นและลดความเร็วในขณะที่อีกแอพพลิเคชั่นอาจต้องการความเร็วและแรงบิดที่ลดลงดังนั้นบางครั้งมอเตอร์กระแสตรงจึงถูกจำแนกตามพนักงานขาย อย่างไรก็ตามมอเตอร์กระแสตรงสามารถแบ่งออกเป็นสามประเภทหรือประเภทต่างๆได้แก่

1. มอเตอร์กระแสตรงแบบแปรง
2. มอเตอร์กระแสตรงไร้แปรงถ่าน
3. เซอร์โวมอเตอร์

สำหรับบทความในวันนี้เราจะมุ่งเน้นไปที่มอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรงแบบไร้แปรงถ่านและแปรงถ่านเนื่องจากเราตรวจสอบความแตกต่างระหว่างหลักการทำงานการก่อสร้างการใช้งานข้อดีและข้อเสีย สำหรับประเภทที่สามคุณสามารถอ่านบทความโดยละเอียดของ Servo Motor

หลักการดำเนินงานและการก่อสร้าง

การดำเนินงานของมอเตอร์ทั้งหมดจะขึ้นอยู่ทั่วไปในสองหลักการที่มี; กฎหมายแอมแปร์และกฎหมายของฟาราเดย์รัฐกฎหมายแรกที่ตัวนำไฟฟ้าที่วางอยู่ในสนามแม่เหล็กจะได้สัมผัสกับแรงถ้าใด ๆ ในปัจจุบันที่ไหลผ่านตัวนำมีองค์ประกอบที่มุมขวาไปที่สนามว่าสองรัฐหลักการว่าถ้าตัวนำที่จะเดินผ่านสนามแม่เหล็กแล้วส่วนประกอบใด ๆ ของการเคลื่อนไหวที่จะตั้งฉากกับสนามที่จะสร้างความแตกต่างที่อาจเกิดขึ้นระหว่างปลายของตัวนำ

ตามกฎหมายเหล่านี้มอเตอร์ไฟฟ้าประกอบด้วยสองส่วนหลัก แม่เหล็กถาวรและตัวนำจำนวนหนึ่งพันเป็นขดลวด การใช้กระแสไฟฟ้ากับขดลวดจะกลายเป็นแม่เหล็กและขึ้นอยู่กับข้อเท็จจริงที่ว่าแม่เหล็กขับไล่ที่ขั้วเหมือนกันและดึงดูดไม่เหมือนขั้วทำให้เกิดการเคลื่อนที่แบบหมุน

มอเตอร์กระแสตรงแบบแปรง

มอเตอร์กระแสตรงแบบแปรงเป็นที่ทราบกันดีว่าเป็นหนึ่งในมอเตอร์ที่เก่าแก่และเรียบง่ายที่สุดเนื่องจากใช้กฎหมายที่อธิบายไว้ข้างต้นในลักษณะที่ง่ายที่สุด ตามที่อธิบายไว้ในภาพด้านล่างโครงสร้างของมอเตอร์กระแสตรงแบบแปรงประกอบด้วยสเตเตอร์คงที่ที่ทำจากแม่เหล็กถาวรและอาร์มาเจอร์เคลื่อนที่ (โรเตอร์) ซึ่งส่วนประกอบต่างๆเช่นคอมมิวเตเตอร์แปรงและวงแหวนแยกซึ่งทั้งหมดนี้วางอยู่รอบ ๆ มอเตอร์ เพลา.

เมื่อจ่ายไฟให้มอเตอร์ (ผ่านแบตเตอรี่หรือผ่านแหล่งจ่ายไฟ AC เป็น DC) กระแสไฟฟ้าจะไหลจากแหล่งกำเนิดไปยังกระดองผ่านแปรงซึ่งโดยปกติจะอยู่คนละด้านของเพลามอเตอร์ แปรง (ซึ่งมีอยู่ในการออกแบบเป็นปัจจัยหลักที่อยู่เบื้องหลังชื่อของมอเตอร์) ถ่ายโอนกระแสไฟฟ้าไปยังกระดองผ่านการสัมผัสทางกายภาพกับเครื่องเปลี่ยนกระแสไฟฟ้า ทันทีที่กระดอง (ขดลวด) ได้รับพลังงานมันจะเริ่มทำงานเหมือนแม่เหล็กและเมื่อถึงจุดนั้นเสาของมันจะเริ่มขับไล่ขั้วของแม่เหล็กถาวรซึ่งประกอบขึ้นเป็นสเตเตอร์ ในขณะที่เสาขับไล่เพลามอเตอร์ที่ติดตั้งกระดองจะเริ่มหมุนด้วยความเร็วและแรงบิดที่ขึ้นอยู่กับความแรงของสนามแม่เหล็กรอบ ๆ กระดอง

ความแรงของสนามแม่เหล็กมักเป็นหน้าที่ของแรงดันไฟฟ้าที่แปรงและความแรงของแม่เหล็กถาวรที่ใช้สำหรับสเตเตอร์

มอเตอร์กระแสตรงไร้แปรงถ่าน

แม้ว่าจะใช้หลักการเดียวกันของแม่เหล็กไฟฟ้า แต่ในทางกลับกันมอเตอร์แบบไม่มีแปรงก็มีความซับซ้อนมากกว่า เป็นผลโดยตรงจากความพยายามในการปรับปรุงประสิทธิภาพของมอเตอร์ Brushed DC และสามารถอธิบายได้ง่ายๆว่าเป็นมอเตอร์ที่ไม่ใช้แปรงในการเปลี่ยน อย่างไรก็ตามลักษณะที่เรียบง่ายของคำอธิบายนั้นทำให้เกิดคำถามเกี่ยวกับวิธีการขับเคลื่อนมอเตอร์และวิธีการเคลื่อนที่โดยไม่ใช้แปรงซึ่งฉันจะพยายามอธิบาย

ตรงกันข้ามกับการสร้างมอเตอร์แบบไม่มีแปรงในสิ่งที่มอเตอร์ไร้แปรงถ่านจะพลิกไปมา กระดองซึ่งในกรณีของมอเตอร์แปรงหมุนภายในสเตเตอร์จะอยู่นิ่งในมอเตอร์แบบไม่มีแปรงและแม่เหล็กถาวรซึ่งในมอเตอร์แบบแปรงได้รับการแก้ไขทำหน้าที่เป็นโรเตอร์ในมอเตอร์แบบไม่มีแปรงพูดง่ายๆก็คือสเตเตอร์สำหรับมอเตอร์กระแสตรงแบบไม่มีแปรงประกอบด้วยขดลวดในขณะที่โรเตอร์ (ซึ่งติดกับเพลามอเตอร์) ประกอบด้วยแม่เหล็กถาวร

เนื่องจากมอเตอร์ไร้แปรงถ่านกำจัดการใช้แปรงเพื่อจ่ายพลังงานให้กับกระดองการสลับ (การเปลี่ยน) จึงซับซ้อนมากขึ้นและดำเนินการแบบอิเล็กทรอนิกส์โดยใช้ชุดส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์เพิ่มเติม (เช่นแอมพลิฟายเออร์ที่เรียกโดยส่วนประกอบการสับเปลี่ยนเช่นตัวเข้ารหัสแบบออปติคัล) เพื่อให้เกิดการเคลื่อนไหว. อัลกอริธึมการเปลี่ยนสำหรับมอเตอร์กระแสตรงไร้แปรงถ่านสามารถแบ่งออกเป็นสองส่วน การเปลี่ยนตามเซนเซอร์และไร้ความรู้สึก

ในการเปลี่ยนตามเซ็นเซอร์เซ็นเซอร์ (เช่นเซ็นเซอร์ฮอลล์) จะถูกวางไว้ตามเสาของมอเตอร์เพื่อให้ข้อมูลย้อนกลับไปยังวงจรควบคุมเพื่อช่วยในการประมาณตำแหน่งโรเตอร์ มีอัลกอริทึมยอดนิยมสามแบบที่ใช้สำหรับการเปลี่ยนโดยใช้เซ็นเซอร์

1. การเปลี่ยนรูปสี่เหลี่ยมคางหมู
2. การเปลี่ยนไซน์
3. การควบคุมเวกเตอร์ (หรือเชิงฟิลด์)

อัลกอริทึมการควบคุมแต่ละแบบมีข้อดีข้อเสียและอัลกอริทึมสามารถนำไปใช้งานได้หลายวิธีขึ้นอยู่กับซอฟต์แวร์และการออกแบบฮาร์ดแวร์อิเล็กทรอนิกส์เพื่อทำการเปลี่ยนแปลงที่จำเป็น

ในทางกลับกันการเปลี่ยนเซ็นเซอร์แบบไม่ใช้เซ็นเซอร์แทนที่จะวางเซ็นเซอร์ไว้ในมอเตอร์วงจรควบคุมได้รับการออกแบบมาเพื่อวัด EMF ด้านหลังเพื่อประมาณตำแหน่งโรเตอร์

อัลกอริทึมนี้ทำงานได้ค่อนข้างดีและมีต้นทุนที่ลดลงเนื่องจากต้นทุนของเซ็นเซอร์ฮอลล์ถูกตัดออกไป แต่การนำไปใช้งานนั้นซับซ้อนกว่ามากเมื่อเทียบกับอัลกอริทึมที่ใช้เซ็นเซอร์

ข้อดีและข้อเสีย

ในมอเตอร์กระแสตรงแบบแปรงแปรงจะสัมผัสกับคอมมิวเตเตอร์ที่หมุนอยู่ตลอดเวลา นำไปสู่การนี้จำนวนมากของแรงเสียดทานถูกสร้างขึ้นและในทางกลับนำไปสู่การสูญเสียของพลังงานความร้อนและการสึกหรออย่างค่อยเป็นค่อยไปของแปรงดังนั้นมอเตอร์ DC แบบแปรงจึงมีประสิทธิภาพต่ำและต้องมีการบำรุงรักษาเป็นระยะ สิ่งนี้สร้างแรงเสียดทานจำนวนมากและแรงเสียดทานเท่ากับความร้อน (การสูญเสียพลังงาน) และการสึกหรอในทางกลับกัน DC ไร้แปรงถ่านนั้นไม่มีแรงเสียดทานเป็นหลักดังนั้นจึงมีประสิทธิภาพสูงมากต้องการการบำรุงรักษาเป็นศูนย์และมีอายุการใช้งานยาวนานกว่ามอเตอร์กระแสตรงแบบแปรง

อย่างไรก็ตามมอเตอร์กระแสตรงแบบแปรงมีราคาถูกมากเมื่อเทียบกับมอเตอร์แบบไม่มีแปรงถ่านเนื่องจากลักษณะการออกแบบที่เรียบง่าย ในทางกลับกันมอเตอร์กระแสตรงแบบไร้แปรงถ่านมีราคาค่อนข้างแพงเนื่องจากการออกแบบที่ซับซ้อนและค่าใช้จ่ายเพิ่มเติมของส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์เพิ่มเติม (คอนโทรลเลอร์) ที่จำเป็นในการขับเคลื่อน

การใช้งาน

ในขณะที่มอเตอร์กระแสตรงแบบไม่มีแปรงเป็นที่นิยมมากขึ้นในปัจจุบันมอเตอร์กระแสตรงแบบแปรงยังคงใช้ในเครื่องใช้ในบ้านแบบวันต่อวันของเล่นเด็กและในงานอุตสาหกรรมเนื่องจากความสะดวกในการปรับอัตราส่วนความเร็วต่อแรงบิดให้แตกต่างกันไป เนื่องจากมีต้นทุนต่ำจึงใช้ในแอปพลิเคชั่นที่อุปกรณ์โฮสต์อาจล้มเหลวก่อนมอเตอร์

ในทางกลับกันมอเตอร์กระแสตรงแบบไร้แปรงถ่านได้พบการใช้งานในอุปกรณ์ทุกประเภทตั้งแต่อุปกรณ์ทางการแพทย์หุ่นยนต์และโดรนไปจนถึงรถยนต์ไฟฟ้าเครื่องมือไฟฟ้า ฯลฯ โดยพื้นฐานแล้วจะใช้ในแอพพลิเคชั่นที่ต้องการประสิทธิภาพสูงอายุการใช้งานยาวนานและคุ้มค่ากับราคา

ปัจจัยที่ต้องพิจารณาเมื่อเลือกระหว่างมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรงแบบไร้แปรงถ่านและแปรงถ่าน

นอกเหนือจากความเร็วแรงบิดพิกัดกำลังและข้อกำหนดพื้นฐานอื่น ๆ สำหรับการใช้งานของคุณด้านล่างนี้ยังเป็นปัจจัยสามประการที่ฉันคิดว่าควรพิจารณาเมื่อตัดสินใจเลือกประเภทของมอเตอร์ที่จะปรับใช้สำหรับแอปพลิเคชันของคุณ

1. รอบการทำงาน / อายุการใช้งาน
2. ประสิทธิภาพ
3. การควบคุม / การดำเนินการ
4. ค่าใช้จ่าย

รอบการทำงาน / อายุการใช้งาน

อายุการใช้งานจะอธิบายถึงระยะเวลาที่มอเตอร์ต้องใช้งานก่อนที่จะทำงานล้มเหลวและรอบการทำงานใด สิ่งนี้มีความสำคัญเนื่องจากมอเตอร์กระแสตรงแบบแปรงดังที่ได้กล่าวไว้ก่อนหน้านี้มีความอ่อนไหวต่อการสึกหรอเนื่องจากแรงเสียดทานระหว่างแปรงและตัวสับเปลี่ยน ดังนั้นจึงเป็นสิ่งสำคัญที่จะต้องตรวจสอบให้แน่ใจว่าแอปพลิเคชั่นนี้เป็นแอปพลิเคชั่นที่มอเตอร์จะทำงานได้ตลอดอายุการใช้งานหรือแอพพลิเคชั่นที่ให้บริการมอเตอร์ถือว่าเป็นเรื่องปกติและราคาไม่แพงหากต้องใช้มอเตอร์กระแสตรงแบบแปรง ตัวอย่างที่ดีคือในของเล่นเด็กซึ่งของเล่นมักจะถูกโยนทิ้งหรือเสียหายก่อนที่มอเตอร์จะเสื่อมสภาพ ในการใช้งานที่มีอายุการใช้งานยาวนานและการซ่อมบำรุงมอเตอร์ไม่ใช่ทางเลือกที่เหมาะสมมอเตอร์กระแสตรงแบบไร้แปรงถ่านมักเป็นตัวเลือกที่ชาญฉลาด

ประสิทธิภาพ

โดยทั่วไปแล้วมอเตอร์ DC แบบไร้แปรงถ่านจะมีประสิทธิภาพโดยรวมที่สูงกว่าเมื่อเทียบกับมอเตอร์กระแสตรงแบบแปรงแต่มีบางกรณีของมอเตอร์แบบแปรงแกนที่ไม่มีเหล็กซึ่งมีประสิทธิภาพที่เหนือกว่าเมื่อเทียบกับมอเตอร์แบบไม่มีแปรงถ่าน อย่างไรก็ตามสิ่งสำคัญคือต้องประเมินประสิทธิภาพโดยรวมที่ต้องการและเปรียบเทียบกับมอเตอร์แต่ละตัวก่อนตัดสินใจ ในกรณีส่วนใหญ่ที่ประสิทธิภาพเป็นปัจจัยในการตัดสินใจมอเตอร์กระแสตรงไร้แปรงถ่านมักจะชนะ

การควบคุม / การดำเนินการ

นี่เป็นหนึ่งในความพ่ายแพ้ที่สำคัญเมื่อต้องใช้มอเตอร์กระแสตรงไร้แปรงถ่าน ข้อกำหนดเพิ่มเติมเช่นตัวควบคุมเป็นต้นทำให้การสั่งงานมีความซับซ้อนมากขึ้นเมื่อเทียบกับมอเตอร์กระแสตรงแบบแปรงซึ่งอาจใช้วิธีการขับเคลื่อน / กระตุ้นได้ไม่สำคัญพอ ๆ กับการเชื่อมต่อแบตเตอรี่ข้ามขั้ว คุณควรตรวจสอบให้แน่ใจว่าจำนวนความซับซ้อนที่เกี่ยวข้องกับการใช้มอเตอร์กระแสตรงไร้แปรงถ่านสำหรับโครงการนั้นมีเหตุผลและอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่รองรับเช่นคอนโทรลเลอร์นั้นพร้อมใช้งาน โดยไม่คำนึงถึงความเรียบง่ายของมอเตอร์กระแสตรงแบบแปรงบางครั้งก็ไม่เหมาะสำหรับการใช้งานที่มีความแม่นยำสูง ในขณะที่มอเตอร์ Brushed DC สามารถเชื่อมต่อกับคอนโทรลเลอร์อย่าง Arduino ได้อย่างง่ายดาย แต่การเชื่อมต่อ BLDC กับ Arduino Uno นั้นซับซ้อนมากอย่างไรก็ตาม ESC (Electronic Speed ​​Controller) ช่วยให้เชื่อมต่อ BLDC กับไมโครคอนโทรลเลอร์ได้ง่ายขึ้น

ค่าใช้จ่าย

ความซับซ้อนของการออกแบบมอเตอร์กระแสตรงแบบไม่มีแปรงทำให้มีราคาแพงมากเมื่อเทียบกับมอเตอร์กระแสตรงแบบแปรง ตรวจสอบให้แน่ใจว่าค่าใช้จ่ายเพิ่มเติมอยู่ในขอบเขตที่เหมาะสมสำหรับโครงการก่อนที่จะใช้มอเตอร์กระแสตรงแบบไร้แปรง พิจารณาค่าใช้จ่ายของอุปกรณ์เสริมอื่น ๆ ที่จำเป็นสำหรับการใช้งาน BLDC ก่อนตัดสินใจ