มอเตอร์ดีซีไร้แปรงถ่าน

คำนิยาม

มอเตอร์ดีซีไร้แปรงถ่านที่ขับเคลื่อนโดยตัวเองเป็นระบบควบคุมความถี่แปรผันที่ใช้มอเตอร์กระแสสลับแบบแม่เหล็กถาวร (PMAC) ที่มีคลื่นไฟฟ้าแบบไซนัสอยู่ มอเตอร์ประเภทนี้มีข้อดีหลายประการ เช่น แทบไม่ต้องบำรุงรักษาเลย ทำให้มีอายุการใช้งานยาวนาน และเป็นทางเลือกที่เชื่อถือได้สำหรับการใช้งานหลากหลาย นอกจากนี้ยังมีแรงเฉื่อยในการหมุนต่ำ แรงเสียดทานน้อย และทำงานด้วยลักษณะความถี่ต่ำ อีกทั้งยังสร้างสัญญาณรบกวนและเสียงรบกวนในช่วงความถี่วิทยุต่ำ ทำให้การทำงานราบรื่นและเงียบสงบ แต่ก็มีข้อเสียหลักๆ คือ ราคาค่อนข้างสูงและแรงบิดเริ่มต้นต่ำ

การใช้งาน

มอเตอร์ดีซีไร้แปรงถ่านที่ขับเคลื่อนได้รับการใช้งานอย่างกว้างขวางในหลากหลายอุตสาหกรรมและอุปกรณ์ ในวงการอิเล็กทรอนิกส์ผู้บริโภค พวกมันถูกใช้ในเครื่องเล่นแผ่นเสียง เครื่องขับเทปสำหรับเครื่องบันทึก และเครื่องขับสปินเดิลในฮาร์ดดิสก์คอมพิวเตอร์ นอกจากนี้ยังใช้เป็นระบบขับเคลื่อนพลังงานต่ำในอุปกรณ์และระบบควบคุมรอบนอกของคอมพิวเตอร์ นอกเหนือจากอิเล็กทรอนิกส์ผู้บริโภคแล้ว การใช้งานยังขยายไปถึงอุตสาหกรรมอากาศยาน โดยเฉพาะเมื่อความน่าเชื่อถือและการทำงานที่เงียบสงบเป็นสิ่งสำคัญ ในด้านการแพทย์ ความแม่นยำและความสะอาดในการทำงานทำให้เหมาะสำหรับอุปกรณ์ทางการแพทย์ต่างๆ นอกจากนี้ยังใช้ขับเคลื่อนพัดลมระบายความร้อน เพื่อให้ระบบระบายความร้อนที่มีประสิทธิภาพและเงียบสงบ

โครงสร้างมอเตอร์

รูปภาพด้านล่างแสดงแผนผังภาคตัดขวางของมอเตอร์ PMAC แบบสามเฟสสองขั้วที่มีคลื่นไฟฟ้าแบบแท่ง ซึ่งเป็นส่วนประกอบสำคัญของมอเตอร์ดีซีไร้แปรงถ่านที่ขับเคลื่อน มอเตอร์มีโรเตอร์แบบแม่เหล็กถาวรที่มีส่วนโค้งขั้วที่กว้าง ซึ่งช่วยให้การทำงานมีประสิทธิภาพ สเตเตอร์มีขดลวดสามขั้ว แต่ละขั้วถูกจัดไว้ที่มุม 120 องศาต่อกัน การจัดวางขดลวดนี้ช่วยให้การทำงานทางไฟฟ้าสมดุลและสร้างแรงบิดที่ราบรื่น ขดลวดแต่ละเฟสครอบคลุม 60 องศาทั้งสองด้าน ทำให้การปฏิสัมพันธ์ของสนามแม่เหล็กภายในมอเตอร์มีประสิทธิภาพและสามารถควบคุมความเร็วและประสิทธิภาพได้อย่างแม่นยำ

แรงดันไฟฟ้าที่เกิดขึ้นในสามเฟสของมอเตอร์แสดงในรูปภาพด้านล่าง คลื่นไฟฟ้าแบบแท่งที่เกิดขึ้นสามารถอธิบายได้จากการปฏิสัมพันธ์ระหว่างโรเตอร์และสเตเตอร์ เมื่อโรเตอร์หมุนในทิศทางตรงข้ามกับเข็มนาฬิกา ระหว่างการหมุน 120 องศาแรกจากตำแหน่งอ้างอิง คอนดักเตอร์บนทั้งหมดของเฟส A จะมีปฏิสัมพันธ์กับขั้วใต้ของสนามแม่เหล็ก ในขณะที่คอนดักเตอร์ล่างทั้งหมดของเฟส A จะมีปฏิสัมพันธ์กับขั้วเหนือ

การสัมพันธ์แม่เหล็กที่คงที่ภายในช่วงมุมนี้ทำให้แรงดันไฟฟ้าที่เกิดขึ้นค่อนข้างคงที่ นำไปสู่ส่วนยอดของคลื่นไฟฟ้าแบบแท่ง ขณะที่โรเตอร์หมุนต่อไป การเปลี่ยนแปลงของทิศทางสนามแม่เหล็กทำให้แรงดันไฟฟ้าที่เกิดขึ้นเปลี่ยนแปลง จนเกิดเป็นรูปคลื่นไฟฟ้าแบบแท่งที่จำเป็นสำหรับการทำงานและการควบคุมของมอเตอร์ดีซีไร้แปรงถ่านที่ขับเคลื่อน

ระหว่างการหมุน 120 องศาของโรเตอร์ แรงดันไฟฟ้าที่เกิดขึ้นในเฟส A ยังคงค่อนข้างคงที่ หลังจากที่การหมุนเกิน 120 องศา บางส่วนของคอนดักเตอร์บนของเฟส A จะเริ่มมีปฏิสัมพันธ์กับขั้วเหนือ ในขณะที่ส่วนอื่น ๆ ยังคงมีปฏิสัมพันธ์กับขั้วใต้ ปรากฏการณ์เดียวกันเกิดขึ้นกับคอนดักเตอร์ล่างด้วย ผลลัพธ์คือ ตลอดการหมุน 60 องศาต่อมา แรงดันไฟฟ้าที่เกิดขึ้นในเฟส A จะกลับทิศทางอย่างเชิงเส้น รูปแบบการเปลี่ยนแปลงของแรงดันไฟฟ้านี้จะสะท้อนในเฟส B และ C ด้วย ทำให้เกิดพฤติกรรมทางไฟฟ้าที่สอดคล้องกันซึ่งจำเป็นสำหรับการทำงานของมอเตอร์

ระบบขับเคลื่อนมอเตอร์ดีซีไร้แปรงถ่าน ตามที่แสดงในรูปภาพด้านล่าง ประกอบด้วยอินเวอร์เตอร์แหล่งกำเนิดแรงดันไฟฟ้าแบบสามเฟสที่มีมอเตอร์ PMAC แบบแท่ง ขดลวดสเตเตอร์ของมอเตอร์ถูกกำหนดให้เชื่อมต่อในรูปแบบดาว รูปภาพยังแสดงคลื่นไฟฟ้าเฟส-แรงดันที่เป็นเอกลักษณ์ของมอเตอร์ PMAC แบบแท่ง ซึ่งสะท้อนถึงการกระทำของแรงดันไฟฟ้าที่เกิดขึ้นที่อธิบายไว้ข้างต้น คลื่นไฟฟ้านี้เป็นคุณสมบัติสำคัญที่ช่วยให้สามารถควบคุมและทำงานมอเตอร์ดีซีไร้แปรงถ่านได้อย่างมีประสิทธิภาพ ทำให้การสร้างแรงบิดและการควบคุมความเร็วเป็นไปอย่างแม่นยำ

ขดลวดสเตเตอร์ของมอเตอร์ดีซีไร้แปรงถ่านได้รับกระแสไฟฟ้าแบบชุด แต่ละชุดมีระยะเวลา 120 องศาไฟฟ้า และถูกวางไว้อย่างแม่นยำในบริเวณที่แรงดันไฟฟ้าที่เกิดขึ้นคงที่และมีค่าสูงสุด เป็นสิ่งสำคัญที่ขั้วของกระแสไฟฟ้าเหล่านี้จะสอดคล้องกับขั้วของแรงดันไฟฟ้าที่เกิดขึ้น ทำให้มีการสัมพันธ์ที่สอดคล้องกันระหว่างสัญญาณไฟฟ้าขาเข้าและสนามแม่เหล็กที่สร้างขึ้นโดยมอเตอร์

ฟลักซ์ในช่องอากาศภายในมอเตอร์ถูกรักษาให้คงที่ และขนาดของแรงดันไฟฟ้าที่เกิดขึ้นเป็นสัดส่วนตรงกับความเร็วในการหมุนของโรเตอร์ ความสัมพันธ์นี้เป็นสิ่งสำคัญในการทำงานของมอเตอร์ เนื่องจากช่วยให้สามารถควบคุมประสิทธิภาพของมอเตอร์ได้อย่างแม่นยำตามแรงดันไฟฟ้าที่เกิดขึ้นขึ้นอยู่กับความเร็ว ทำให้การถ่ายโอนพลังงานและการทำงานอย่างราบรื่นเป็นไปได้ในสภาพการทำงานต่าง ๆ

ในแต่ละช่วงเวลา 60 องศาของการทำงาน กระแสไฟฟ้าจะไหลเข้าสู่เฟสหนึ่งของขดลวดสเตเตอร์ของมอเตอร์และไหลออกจากอีกเฟสหนึ่ง รูปแบบการไหลของกระแสไฟฟ้าที่สลับกันนี้เป็นคุณสมบัติสำคัญของการทำงานของมอเตอร์ดีซีไร้แปรงถ่าน ผลลัพธ์คือ พลังงานที่จ่ายให้กับมอเตอร์ในแต่ละช่วงเวลา 60 องศาสามารถแสดงได้โดยสูตรต่อไปนี้ ซึ่งพิจารณาการสัมพันธ์ระหว่างแรงดันและกระแสภายในเฟสขดลวด

แรงบิดที่สร้างขึ้นโดยมอเตอร์

คลื่นแรงบิดของมอเตอร์ดีซีไร้แปรงถ่านที่ขับเคลื่อนแสดงในรูปภาพด้านล่าง ขนาดของแรงบิดที่สร้างขึ้นโดยมอเตอร์เป็นสัดส่วนตรงกับกระแสที่ไหลผ่านลิงค์ไฟฟ้า DC ความสัมพันธ์นี้เป็นสิ่งสำคัญในการทำความเข้าใจพฤติกรรมและการทำงานของมอเตอร์

การเบรกแบบรีเจเนเรทีฟในระบบขับเคลื่อนนี้สามารถทำได้โดยการกลับทิศทางของกระแสเฟส เมื่อกระแสเฟสกลับทิศทาง ทิศทางของแหล่งกำเนิดกระแส Id ก็จะเปลี่ยนตามไปด้วย การกลับทิศทางนี้จะเริ่มกระบวนการไหลของพลังงานที่เริ่มจากมอเตอร์ ผ่านอินเวอร์เตอร์ และส่งกลับไปยังแหล่งกำเนิด DC ระหว่างกระบวนการนี้ มอเตอร์จะทำงานเป็นเครื่องกำเนิดไฟฟ้า แปลงพลังงานกลจากโหลดเป็นพลังงานไฟฟ้า ซึ่งจะถูกส่งกลับไปยังแหล่งกำเนิดไฟฟ้า นอกจากจะช่วยลดความเร็วของมอเตอร์แล้ว ยังช่วยในการฟื้นฟูและนำพลังงานกลับมาใช้ใหม่ ทำให้ระบบมีประสิทธิภาพมากขึ้น

เมื่อความเร็วในการหมุนของระบบขับเคลื่อนกลับทิศทาง ขั้วของแรงดันไฟฟ้าที่เกิดขึ้นภายในมอเตอร์ก็จะกลับทิศทางเช่นกัน การเปลี่ยนแปลงของขั้วแรงดันไฟฟ้านี้จะกระตุ้นการทำงานของเบรกแบบรีเจเนเรทีฟ ทำให้ระบบขับเคลื่อนสามารถแปลงพลังงานกลของโหลดที่กำลังเคลื่อนที่เป็นพลังงานไฟฟ้าที่สามารถส่งกลับไปยังแหล่งกำเนิดไฟฟ้าได้

ในทางกลับกัน การกลับทิศทางของกระแสที่ไหลผ่านขดลวดของมอเตอร์จะเริ่มการทำงานแบบมอเตอร์ ขับเคลื่อนมอเตอร์ไปในทิศทางที่ต้องการ คลื่นกระแสที่สอดคล้องกับโหมดการทำงานที่แตกต่างกัน—การเบรกแบบรีเจเนเรทีฟและการทำงานแบบมอเตอร์—แสดงอย่างชัดเจนในรูปภาพด้านล่าง ให้ภาพรวมของพฤติกรรมทางไฟฟ้าของระบบขับเคลื่อนภายใต้สภาพการทำงานต่าง ๆ

ประเภทของมอเตอร์ดีซีไร้แปรงถ่านที่ขับเคลื่อน

มอเตอร์ดีซีไร้แปรงถ่านที่ขับเคลื่อนสามารถแบ่งออกเป็นสองประเภทหลัก: มอเตอร์ดีซีไร้แปรงถ่านที่ขับเคลื่อนแบบต้นทุนต่ำ และมอเตอร์ดีซีไร้แปรงถ่านที่ขับเคลื่อนแบบเฟสเดียว แต่ละประเภทมีลักษณะและหลักการการทำงานที่แตกต่างกัน ซึ่งรายละเอียดจะได้รับการอธิบายดังต่อไปนี้

มอเตอร์ดีซีไร้แปรงถ่านที่ขับเคลื่อนแบบต้นทุนต่ำ

มอเตอร์ดีซีไร้แปรงถ่านที่ขับเคลื่อนแบบต้นทุนต่ำออกแบบมาเพื่อความง่ายและประหยัด ประกอบด้วยคอนฟิกเคชันที่เรียบง่าย ประกอบด้วยทรานซิสเตอร์สามตัวและคอนเวอร์เตอร์แบบสามไดโอด คอนฟิกเคชันนี้จำกัดการจ่ายกระแสหรือแรงดันที่เป็นบวกให้กับมอเตอร์สามเฟสเท่านั้น

ระหว่างการทำงาน แรงดันไฟฟ้าและกระแสที่เกิดขึ้นมีบทบาทสำคัญทั้งในการขับเคลื่อนและเบรกของมอเตอร์ เมื่อมีการส่งกระแสแบบชุด 120 องศาที่เป็นบวกให้กับมอเตอร์ มันจะเริ่มการทำงานแบบมอเตอร์ ทำให้มอเตอร์หมุนในทิศทางตรงข้ามกับเข็มนาฬิกา ตรงกันข้าม เมื่อกระแสชุดเหล่านี้ถูกเปลี่ยนไป 60 องศาเป็น 180 องศา มอเตอร์จะเปลี่ยนสถานะเป็นการเบรก การเปลี่ยนแปลงในเวลาของกระแสชุดนี้จะเปลี่ยนการสัมพันธ์ระหว่างสัญญาณไฟฟ้าขาเข้าและสนามแม่เหล็กของมอเตอร์ ทำให้สามารถเปลี่ยนจากการหมุนเป็นการเบรกได้

มอเตอร์ดีซีไร้แปรงถ่านที่ขับเคลื่อนแบบต้นทุนต่ำ: กลไกควบคุมกระแส

ในมอเตอร์ดีซีไร้แปรงถ่านที่ขับเคลื่อนแบบต้นทุนต่ำ กระแสของเฟส A ถูกควบคุมอย่างแม่นยำโดยทรานซิสเตอร์ Tr1 และไดโอด D1 เมื่อ Tr1 ถูกเปิด (On) แรงดันไฟฟ้าแหล่ง Vd จะถูกเชื่อมต่อกับขดลวด A การเชื่อมต่อนี้ทำให้อัตราการเปลี่ยนแปลงของกระแส IA เป็นบวก หมายความว่ากระแสในเฟส A จะเริ่มเพิ่มขึ้น ตรงกันข้าม เมื่อ Tr1 ถูกปิด (Off) กระแส iA จะเข้าสู่สถานะ Freewheeling ผ่านไดโอด D1 ระหว่างสถานะ Freewheeling นี้ อัตราการเปลี่ยนแปลงของ iA จะเป็นลบ และกระแสจะค่อยๆ ลดลง

ภายในช่วงเวลา 0-120º Tr1 สามารถเปิดและปิดสลับกันได้ กลยุทธ์การสลับ On-Off นี้ใช้เพื่อให้กระแสจริง IA ติดตามกระแสอ้างอิง iA แบบสี่เหลี่ยมผืนผ้าอย่างใกล้เคียง ทำให้ความแตกต่างระหว่างทั้งสองอยู่ภายในวงจร Hysteresis ที่กำหนดไว้ การควบคุมอย่างแม่นยำนี้ช่วยในการรักษาการทำงานของมอเตอร์ให้เสถียรและถ่ายโอนพลังงานอย่างมีประสิทธิภาพ

มอเตอร์ดีซีไร้แปรงถ่านที่ขับเคลื่อนแบบเฟสเดียว

คอนฟิกเคชันของมอเตอร์ดีซีไร้แปรงถ่านที่ขับเคลื่อนแบบเฟสเดียวแสดงในรูปภาพด้านล่าง สำหรับการวิเคราะห์ ให้สมมติว่ามอเตอร์ได้รับการจ่ายไฟจากคอนเวอร์เตอร์แบบเฟสเดียวที่มีสะพานครึ่ง ซึ่งจ่ายคลื่นกระแสแบบสี่เหลี่ยมผืนผ้าให้กับมอเตอร์ ตามที่แสดงในแผนภาพที่แนบมา คลื่นกระแสเฉพาะนี้มีบทบาทสำคัญในการกำหนดลักษณะการดำเนินงานและการทำงานของมอเตอร์

แรงบิดที่สร้างขึ้นโดยมอเตอร์มีการเปลี่ยนแปลงอย่างมาก ซึ่งเรียกว่า Torque Ripple แต่เมื่อมอเตอร์ทำงานที่ความเร็วสูง แรงเฉื่อยของระบบมอเตอร์-โหลดจะทำหน้าที่เป็นตัวกรองธรรมชาติ แรงเฉื่อยนี้ช่วยลดการเปลี่ยนแปลงของแรงบิด ทำให้มอเตอร์สามารถรักษาความเร็วในการหมุนที่ค่อนข้างสม่ำเสมอ แม้จะมี Torque Ripple อยู่ก็ตาม