เจาะลึกทุกรายละเอียดของมอเตอร์ไร้แปรงถ่าน

มอเตอร์ไร้แปรงถ่านเป็นมอเตอร์ไฟฟ้าที่ทำงานด้วยไฟฟ้ากระแสตรง (DC) และไม่มีแปรงเชิงกลและตัวสับเปลี่ยนของมอเตอร์แปรงถ่านทั่วไป แม้ว่าค่าใช้จ่ายเริ่มต้นจะสูงกว่า แต่ให้ประโยชน์ที่เหนือกว่ามอเตอร์แบบแปรงถ่านอย่างเห็นได้ชัด และคุ้มค่ากว่าในระยะยาว มอเตอร์ไร้แปรงถ่านถูกนำไปใช้งานในการก่อสร้างแบบไร้ร่องลึกที่หลากหลาย

มอเตอร์ไร้แปรงถ่านบางครั้งเรียกว่ามอเตอร์ BLDC หรือ BL มอเตอร์ไฟฟ้ากระแสสลับ (ECMs, มอเตอร์ EC) และมอเตอร์กระแสตรงแบบซิงโครนัสเป็นคำพ้องความหมาย
โดยปกติแล้ว มอเตอร์ไร้แปรงถ่านจะถูกสร้างขึ้นในลักษณะเดียวกับมอเตอร์ซิงโครนัสแม่เหล็กถาวร (PMSM) แม้ว่าจะสามารถสลับมอเตอร์รีลักแตนซ์หรือมอเตอร์เหนี่ยวนำ (อะซิงโครนัส) ได้เช่นกัน พวกเขายังสามารถเป็นทางวิ่งออก (สเตเตอร์ล้อมรอบด้วยโรเตอร์) ในทางวิ่ง (โรเตอร์ถูกล้อมรอบด้วยสเตเตอร์) หรือทางวิ่งตามแนวแกน (โรเตอร์ถูกล้อมรอบด้วยสเตเตอร์) (โรเตอร์และสเตเตอร์แบนและขนานกัน)

มอเตอร์แบบมีแปรงถ่านและไร้แปรงถ่านในแต่ละยุคสมัย

ตั้งแต่ปี พ.ศ. 2399 เป็นต้นมา มอเตอร์กระแสตรงแบบแปรงถ่านได้ถูกนำมาใช้ในการขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้า ปั้นจั่น เครื่องผลิตกระดาษ และโรงรีดเหล็ก และยังคงใช้กันอย่างแพร่หลายในปัจจุบัน มอเตอร์ DC แบบไร้แปรงถ่านพร้อมอุปกรณ์ควบคุมความเร็วแบบอิเล็กทรอนิกส์ได้เข้ามาแทนที่มอเตอร์แบบแปรงถ่านในหลายๆ การใช้งาน เนื่องจากแปรงของพวกมันเสื่อมสภาพและจำเป็นต้องเปลี่ยนบ่อยครั้ง เนื่องจากความต้องการใช้งานสูงและเสียงรบกวนจากการปล่อยไฟฟ้าสูง (เรียกว่า ESD โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการใช้งานด้านการบินและอวกาศ) การสึกหรอของแปรงจึงกลายเป็นข้อเสียอย่างร้ายแรง จึงมีการผลิตมอเตอร์ใหม่

มอเตอร์แบบไร้แปรงถ่านนั้นใหม่กว่ามาก ซึ่งถือกำเนิดขึ้นในช่วงเริ่มต้นของการประดิษฐ์ไฟฟ้า มอเตอร์ DC แบบไร้แปรงถ่านตัวแรก (BLDC) ขนานนามว่า “เครื่อง DC ที่มีการเปลี่ยนสถานะแบบโซลิดสเตต” โดย T.G. วิลสันและพี. Trickey ถูกประดิษฐ์ขึ้นในปี 1962 อันเป็นผลมาจากความก้าวหน้าของเทคโนโลยีโซลิดสเตตในช่วงต้นทศวรรษ 1960 มอเตอร์ไร้แปรงถ่านเป็นตัวเลือกที่ต้องการมากที่สุดสำหรับดิสก์ไดร์ฟของคอมพิวเตอร์ หุ่นยนต์ และเครื่องบิน เนื่องจากไม่ต้องใช้ตัวสับเปลี่ยนทางกายภาพ

มอเตอร์ไร้แปรงถ่านในยุคปัจจุบัน

มอเตอร์แบบไร้แปรงถ่านรุ่นแรกๆ มีข้อเสียคือไม่สามารถผลิตพลังงานได้มากนัก แม้จะมีความทนทานก็ตาม มอเตอร์แบบไร้แปรงถ่านสามารถสร้างพลังงานได้มาก (หรือมากกว่า) เช่นเดียวกับมอเตอร์แบบแปรง ก่อนที่วัสดุแม่เหล็กถาวรที่แรงกว่าจะมีจำหน่ายในทศวรรษ 1980 Robert E. Lordo ผลิตมอเตอร์ DC แบบไร้แปรงถ่านขนาดใหญ่ตัวแรกในช่วงปลายทศวรรษ 1980 โดยมีกำลังมากกว่ามอเตอร์แบบไร้แปรงรุ่นก่อนหน้าถึงสิบ (10) เท่า

บทความแนะนำ มอเตอร์ไฟฟ้าคืออะไรและทำงานอย่างไร

ปัจจุบันมอเตอร์ไร้แปรงถ่านสามารถเอาชนะข้อเสียหลายประการของมอเตอร์แบบแปรงถ่านได้โดยการรวมกำลังเอาต์พุตที่สูงขึ้น ขนาดและน้ำหนักที่เล็กลง การกระจายความร้อนและประสิทธิภาพที่ดีขึ้น ช่วงความเร็วการทำงานที่กว้างขึ้น และสัญญาณรบกวนทางไฟฟ้าที่ต่ำมาก มอเตอร์แบบไร้แปรงไม่มีคุณสมบัติการเชื่อมต่อทางไฟฟ้าที่อาจเสื่อมสภาพ ส่งผลให้มีความน่าเชื่อถือมากขึ้นและช่วงเวลาการบำรุงรักษาสั้นลงในการใช้งานเชิงพาณิชย์และอุตสาหกรรม

ลักษณะสำคัญและการออกแบบของมอเตอร์ไร้แปรงถ่าน

สเตเตอร์ของมอเตอร์แบบไร้แปรงถ่านทั่วไปมีขดลวดสามเฟส ในขณะที่โรเตอร์ประกอบด้วยแม่เหล็กถาวร นอกจากนี้ยังมีการกำหนดค่าแบบเฟสเดียว สองเฟส และสามเฟสอีกด้วย ตามที่ระบุไว้ก่อนหน้านี้ การพันขดลวดของสเตเตอร์จะสร้างสนามแม่เหล็กหมุนซึ่งขับเคลื่อนโรเตอร์แม่เหล็กไปข้างหน้า แรงดันไฟฟ้าสามเฟสถูกกำหนดให้กับขดลวดเพื่อสร้างสนามแม่เหล็กนี้

ดังนั้นระบบจะแยกความแตกต่างระหว่างคอยล์ใดที่ขับเคลื่อนและควรเป็นอย่างไร มีการใช้ตัวควบคุมไฟฟ้าเฉพาะเพื่อจุดประสงค์นี้ กระแสไฟฟ้าถูกเปิดเป็นขดลวดมุมฉาก (ตั้งฉาก) โดยกลไกการเปลี่ยนแบบบูรณาการดังกล่าว นอกจากนี้ยังมีเซ็นเซอร์ที่กำหนดตำแหน่งของโรเตอร์ เซ็นเซอร์ Hall ถูกใช้บ่อยที่สุด อย่างไรก็ตาม ยังใช้เซ็นเซอร์โฟโตอิเล็กทริก เซ็นเซอร์แบบเหนี่ยวนำ และรีโซลเวอร์ด้วย

ตัวควบคุมจะปรับเปลี่ยนการเชื่อมต่อของสองเฟสเพื่อปรับเปลี่ยนทิศทางการหมุน นอกจากนี้ยังสามารถใช้เป็นเซอร์โวหรือสเต็ปเปอร์มอเตอร์

ข้อดีของมอเตอร์กระแสตรงไร้แปรงถ่าน:

เมื่อเปรียบเทียบกับมอเตอร์แบบแปรงถ่านแล้ว มอเตอร์แบบไร้แปรงถ่านให้ประโยชน์หลายประการ:

• มอเตอร์ DC แบบไร้แปรงถ่านมีคุณสมบัติทางกลเชิงเส้นที่ดี ทำให้มีช่วงความเร็วที่กว้าง การควบคุมความเร็วแบบไร้ขั้นตอน และช่วงความเร็วที่กว้าง
• ลักษณะแรงบิดที่ยอดเยี่ยม ลักษณะแรงบิดความเร็วกลางและความเร็วต่ำที่ดี แรงบิดเริ่มต้นสูง และกระแสเริ่มต้นต่ำ ความจุเกินสูง
• การสตาร์ทและหยุดแบบนุ่มนวล ลักษณะการเบรกที่ดี สามารถเก็บกลไกเบรกเชิงกลหรือแม่เหล็กไฟฟ้าดั้งเดิมไว้ได้
• มอเตอร์ DC แบบไร้แปรงไม่มีการสูญเสียการกระตุ้นเมื่อเปรียบเทียบกับมอเตอร์แบบ AC ไม่มีการสูญเสียแรงเสียดทานของแปรงถ่าน และไม่มีประกายไฟเมื่อเทียบกับมอเตอร์กระแสตรงแบบมีแปรงถ่าน
• ความเชื่อถือได้สูง ความเสถียร ความยืดหยุ่น และความสะดวกในการบำรุงรักษา
• ขนาดกะทัดรัด น้ำหนักเบา และให้ผลผลิตที่ยอดเยี่ยม
• กันกระแทกและการสั่นสะเทือน เสียงต่ำ การสั่นสะเทือนต่ำ การทำงานที่ราบรื่น อายุการใช้งานยาวนาน

ข้อเสียของมอเตอร์ไร้แปรงถ่าน

ข้อดีหลายประการของมอเตอร์แบบไม่มีแปรงก็มีข้อเสียหลายประการเช่นกัน:

• ราคา: มอเตอร์ไร้แปรงถ่านมีข้อเสียหลายประการ ซึ่งทั้งหมดนี้เกิดจากความซับซ้อนในการออกแบบที่เพิ่มขึ้น ในการจัดลำดับการชาร์จที่ถูกต้องผ่านขดลวดสเตเตอร์ BLDC จำเป็นต้องมีตัวควบคุมสวิตชิ่ง สิ่งนี้จะเพิ่มต้นทุนการผลิตซึ่งสะท้อนให้เห็นในต้นทุนเริ่มต้นที่สูงขึ้น
• ความซับซ้อน: การเพิ่มความซับซ้อนจะเพิ่มความเสี่ยงของความล้มเหลว เราไม่พบงานวิจัยใดๆ ที่เปรียบเทียบอัตราความล้มเหลวของเครื่องมือไฟฟ้าแบบมีแปรงถ่านกับแบบไม่มีแปรง แม้ว่ามักจะสันนิษฐานว่าอุปกรณ์ที่ซับซ้อนกว่ามีแนวโน้มที่จะล้มเหลวมากกว่า

การประยุกต์ใช้งานมอเตอร์ไร้แปรงถ่าน

มอเตอร์ไร้แปรงถ่านทำหน้าที่หลายอย่างที่มอเตอร์ดีซีแบบมีแปรงถ่านเคยทำ แต่ต้นทุนและความซับซ้อนในการควบคุมทำให้มอเตอร์ไร้แปรงถ่านไม่สามารถแทนที่มอเตอร์แบบมีแปรงถ่านได้โดยสิ้นเชิงในส่วนที่มีต้นทุนต่ำ ในทางกลับกัน มอเตอร์ไร้แปรงถ่านได้เติบโตขึ้นจนครอบงำแอพพลิเคชั่นต่างๆ มากมาย รวมถึงฮาร์ดไดรฟ์ของคอมพิวเตอร์และเครื่องเล่นซีดี/ดีวีดี มอเตอร์ไร้แปรงถ่านใช้สำหรับจ่ายไฟให้กับพัดลมระบายความร้อนขนาดเล็กในอุปกรณ์ไฟฟ้าโดยเฉพาะ สิ่งเหล่านี้พบได้ทั่วไปในเครื่องมือไฟฟ้าไร้สาย ซึ่งประสิทธิภาพของมอเตอร์ที่ได้รับการปรับปรุงช่วยให้ใช้งานได้นานขึ้นก่อนที่จะต้องชาร์จแบตเตอรี่ใหม่ สแครชไดรฟ์โดยตรงสำหรับแผ่นเสียงใช้มอเตอร์ไร้แปรงถ่านความเร็วต่ำและพลังงานต่ำ

เครื่องมือไร้สาย

เครื่องมือไร้สายในปัจจุบันจำนวนมากใช้มอเตอร์แบบไร้แปรงถ่าน รวมถึงเครื่องตัดแต่งกิ่งไม้ เครื่องเป่าใบไม้ เลื่อยวงเดือนและเลื่อยชัก และสว่าน/ไขควง มอเตอร์ไร้แปรงถ่านมีประโยชน์มากกว่ามอเตอร์แบบแปรงถ่าน (น้ำหนักเบา ประสิทธิภาพสูง) สำหรับอุปกรณ์แบบพกพาที่ใช้พลังงานแบตเตอรี่มากกว่าเครื่องมือขนาดใหญ่ที่เสียบกับเต้ารับ AC ดังนั้นการยอมรับจึงเร็วกว่าในตลาดส่วนนั้น

ตัวเลือกที่ดีที่สุดคือแบบแปรงหรือแบบไร้แปรงอะไร

สำหรับสตาร์ทเตอร์ มอเตอร์แบบไม่มีแปรงถ่านให้ประสิทธิภาพที่ยอดเยี่ยมและอายุการใช้งานที่ยาวนาน ประเภทเหล่านี้จำเป็นในการใช้งานที่ต้องการความเร็วการหมุนที่รวดเร็วและความต้านทานต่อความร้อนสูงเกินไป อุปกรณ์ดังกล่าวใช้ในหุ่นยนต์ อุปกรณ์ทางการแพทย์ เครื่อง CNC และอุปกรณ์อุตสาหกรรมที่สำคัญและมีราคาแพงอื่นๆ โดยเป็นส่วนหนึ่งของระบบทำความเย็น อุปกรณ์ไร้แปรงถ่านที่มีขนาดเท่ากันนั้นทรงพลังกว่าอุปกรณ์ที่ใช้แปรงถ่าน นอกจากนี้ยังใช้ในสถานการณ์ที่ต้องการมอเตอร์ไฟฟ้าที่มีอายุการใช้งานยาวนานและการบำรุงรักษาต่ำ

มอเตอร์กระแสตรงแบบแปรงถ่านมีกำลังและความเสถียรน้อยกว่ามอเตอร์กระแสตรงแบบแปรงถ่าน อย่างไรก็ตาม ราคาไม่แพงและตรงไปตรงมา เป็นผลให้แกดเจ็ตไม่ทำกิจกรรมที่ซับซ้อนหรือใช้เวลานาน ในสนามกีฬาในบ้าน เทคโนโลยีดังกล่าวใช้ในรถยนต์ กลไกการชักรอก โมเดลบังคับวิทยุสำหรับเด็ก และของใช้ในบ้านต่างๆ (เช่น สว่าน) เนื่องจากแรงเสียดทานของแปรงและการสึกหรออย่างรวดเร็ว จึงต้องการการบำรุงรักษาเป็นประจำ อย่างไรก็ตาม แปรงมีความทนทานสูงในสภาวะการใช้งานทางอุตสาหกรรม