มอเตอร์ DC แบบไร้แปรงสมัยใหม่

ด้วยความก้าวหน้าที่สำคัญในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เซมิคอนดักเตอร์และเทคโนโลยีในการสร้างแม่เหล็กนีโอไดเมียมอันทรงพลัง มอเตอร์ DC แบบไร้แปรงถ่านจึงถูกนำมาใช้อย่างแพร่หลายในปัจจุบัน ใช้ในเครื่องซักผ้า เครื่องดูดฝุ่น พัดลม โดรน ฯลฯ

และแม้ว่าแนวคิดเกี่ยวกับหลักการทำงานของมอเตอร์แบบไร้แปรงถ่านจะแสดงตั้งแต่ต้นศตวรรษที่ 19 แต่ก็รออยู่ในปีกจนถึงจุดเริ่มต้นของยุคเซมิคอนดักเตอร์เมื่อเทคโนโลยีพร้อมสำหรับการใช้งานจริง แนวคิดที่น่าสนใจและมีประสิทธิภาพนี้ ซึ่งทำให้มอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรงแบบไร้แปรงถ่านเดินได้อย่างกว้างขวางเหมือนในปัจจุบัน …

ในเวอร์ชันภาษาอังกฤษเรียกว่าเครื่องยนต์ประเภทนี้ มอเตอร์ BLDC — มอเตอร์กระแสตรงไร้แปรงถ่าน - มอเตอร์กระแสตรงไร้แปรงถ่าน โรเตอร์ของมอเตอร์ประกอบด้วย แม่เหล็กถาวรและขดลวดที่ใช้งานอยู่บนสเตเตอร์ นั่นคืออุปกรณ์มอเตอร์ BLDC นั้นตรงกันข้ามกับสิ่งที่อยู่ในมอเตอร์แปรงถ่านแบบคลาสสิก มอเตอร์ BLDC ถูกควบคุมโดยตัวควบคุมอิเล็กทรอนิกส์ที่เรียกว่า ESC — ตัวควบคุมความเร็วแบบอิเล็กทรอนิกส์ - ระบบควบคุมความเร็วอัตโนมัติ

ตัวควบคุมอิเล็กทรอนิกส์และประสิทธิภาพสูง

ตัวควบคุมอิเล็กทรอนิกส์ช่วยให้พลังงานไฟฟ้าที่จ่ายให้กับมอเตอร์แบบไร้แปรงถ่านมีความหลากหลายอย่างราบรื่น ซึ่งแตกต่างจากตัวควบคุมความเร็วตัวต้านทานแบบธรรมดาซึ่งจำกัดพลังงานโดยการเชื่อมต่อโหลดตัวต้านทานแบบอนุกรมกับมอเตอร์ซึ่งจะแปลงพลังงานส่วนเกินเป็นความร้อน การควบคุมความเร็วแบบอิเล็กทรอนิกส์ให้ประสิทธิภาพที่สูงขึ้นอย่างมากโดยไม่สูญเสียพลังงานไฟฟ้าที่จ่ายไปสำหรับการทำความร้อนโดยไม่จำเป็น ..

มอเตอร์กระแสตรงไร้แปรงถ่านสามารถจำแนกได้เป็น มอเตอร์ซิงโครนัสแบบซิงโครไนซ์ด้วยตนเองโดยที่โหนดที่เกิดประกายไฟซึ่งต้องการการบำรุงรักษาตามปกติจะถูกปิดอย่างสมบูรณ์ — นักสะสม… ฟังก์ชั่นของตัวสะสมถูกควบคุมโดยอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ เนื่องจากการออกแบบทั้งหมดของผลิตภัณฑ์นั้นเรียบง่ายขึ้นอย่างมากและมีขนาดกะทัดรัดมากขึ้น

แปรงถูกแทนที่ด้วยสวิตช์อิเล็กทรอนิกส์จริง ๆ ซึ่งการสูญเสียนั้นน้อยกว่าการเปลี่ยนด้วยกลไก แม่เหล็กนีโอไดเมียมทรงพลังบนโรเตอร์ช่วยให้เพลามีแรงบิดมากขึ้น และเครื่องยนต์ดังกล่าวร้อนขึ้นน้อยกว่ารุ่นก่อนของนักสะสม

เป็นผลให้ประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ดีที่สุด และกำลังต่อกิโลกรัมของน้ำหนักสูงขึ้น บวกกับการควบคุมความเร็วของโรเตอร์ที่ค่อนข้างกว้าง และแทบไม่มีการรบกวนทางวิทยุเกิดขึ้นเลย โครงสร้างเครื่องยนต์ประเภทนี้สามารถปรับให้เข้ากับการทำงานในน้ำและในสภาพแวดล้อมที่รุนแรงได้อย่างง่ายดาย

ชุดควบคุมอิเล็กทรอนิกส์เป็นชิ้นส่วนที่สำคัญและมีราคาแพงของมอเตอร์ DC แบบไร้แปรงถ่าน แต่ไม่สามารถจ่ายได้ด้วยจากอุปกรณ์นี้เครื่องยนต์จะได้รับกำลังซึ่งพารามิเตอร์จะส่งผลต่อทั้งความเร็วและกำลังที่เครื่องยนต์จะสามารถพัฒนาได้ภายใต้ภาระ

แม้ว่าไม่จำเป็นต้องปรับความเร็วในการหมุน แต่ก็ยังจำเป็นต้องใช้ชุดควบคุมอิเล็กทรอนิกส์ เพราะไม่เพียงแต่มีฟังก์ชันการควบคุมเท่านั้น แต่ยังมีส่วนประกอบของแหล่งจ่ายไฟอีกด้วย เราสามารถพูดได้ว่า ESC เป็นอะนาล็อกของ ตัวควบคุมความถี่สำหรับมอเตอร์ AC แบบอะซิงโครนัสออกแบบมาเป็นพิเศษสำหรับจ่ายไฟและควบคุมมอเตอร์ DC แบบไร้แปรงถ่าน

การควบคุมมอเตอร์ BLDC

เพื่อให้เข้าใจถึงวิธีการควบคุมมอเตอร์ BLDC ก่อนอื่นเรามาจดจำวิธีการทำงานของมอเตอร์สับเปลี่ยน ที่แกนของมัน หลักการหมุนเฟรมด้วยกระแสในสนามแม่เหล็ก.

แต่ละครั้งที่เฟรมที่มีกระแสหมุนและพบตำแหน่งสมดุล คอมมิวเตเตอร์ (แปรงที่กดกับตัวสะสม) จะเปลี่ยนทิศทางของกระแสผ่านเฟรมและเฟรมจะดำเนินต่อไป กระบวนการนี้จะเกิดขึ้นซ้ำเมื่อเฟรมเคลื่อนที่จากขั้วหนึ่งไปยังอีกขั้วหนึ่ง เฉพาะในมอเตอร์ตัวสะสมเท่านั้นที่มีเฟรมดังกล่าวจำนวนมากและมีขั้วแม่เหล็กหลายคู่ซึ่งเป็นสาเหตุที่ตัวเก็บแปรงไม่มีหน้าสัมผัสสองตัว แต่มีจำนวนมาก

ECM ทำเช่นเดียวกัน มันจะกลับขั้วของสนามแม่เหล็กทันทีที่โรเตอร์ต้องหันออกจากตำแหน่งสมดุล เฉพาะแรงดันไฟฟ้าควบคุมเท่านั้นที่ไม่ได้จ่ายให้กับโรเตอร์ แต่จ่ายให้กับขดลวดสเตเตอร์และทำได้ด้วยความช่วยเหลือของสวิตช์เซมิคอนดักเตอร์ในเวลาที่เหมาะสม (เฟสของโรเตอร์)

เห็นได้ชัดว่าต้องจ่ายกระแสไปยังขดลวดสเตเตอร์ของมอเตอร์แบบไร้แปรงถ่านในเวลาที่ถูกต้อง นั่นคือเมื่อโรเตอร์อยู่ในตำแหน่งที่ทราบ เมื่อต้องการทำเช่นนี้ ใช้หนึ่งในวิธีต่อไปนี้อันดับแรกขึ้นอยู่กับเซ็นเซอร์ตำแหน่งโรเตอร์ ส่วนที่สองคือการวัด EMF ของหนึ่งในคอยล์ที่ไม่ได้รับพลังงานในปัจจุบัน

เซ็นเซอร์มีความแตกต่างกัน แม่เหล็กและออปติคัล ที่นิยมมากที่สุดคือเซ็นเซอร์แม่เหล็ก เอฟเฟกต์ฮอลล์… วิธีที่สอง (อิงตามการวัด EMF) แม้ว่าจะมีประสิทธิภาพ แต่ไม่สามารถควบคุมได้อย่างแม่นยำที่ความเร็วต่ำและเมื่อเริ่มต้น ในทางกลับกัน เซ็นเซอร์ Hall ให้การควบคุมที่แม่นยำยิ่งขึ้นในทุกโหมด มีเซ็นเซอร์ดังกล่าวสามตัวในมอเตอร์ BLDC สามเฟส

มอเตอร์ที่ไม่มีเซ็นเซอร์ตำแหน่งโรเตอร์สามารถใช้ได้ในกรณีที่มอเตอร์สตาร์ทโดยไม่มีโหลดเพลา (พัดลม ใบพัด ฯลฯ) หากสตาร์ทภายใต้ภาระ จำเป็นต้องใช้มอเตอร์ที่มีเซ็นเซอร์ตำแหน่งโรเตอร์ ตัวเลือกทั้งสองมีข้อดีและข้อเสีย

โซลูชันที่มีเซ็นเซอร์จะเปลี่ยนเป็นการควบคุมที่สะดวกกว่า แต่ถ้าเซ็นเซอร์อย่างน้อยหนึ่งตัวล้มเหลว จะต้องถอดชิ้นส่วนเครื่องยนต์ นอกจากนี้ เซ็นเซอร์ยังต้องใช้สายไฟแยกต่างหาก ในรุ่นไร้เซ็นเซอร์ ไม่จำเป็นต้องใช้สายพิเศษ แต่ระหว่างสตาร์ท โรเตอร์จะแกว่งไปมา หากไม่สามารถยอมรับได้ จำเป็นต้องติดตั้งเซ็นเซอร์ในระบบ

โรเตอร์และสเตเตอร์ จำนวนเฟส

โรเตอร์ของมอเตอร์ BLDC สามารถอยู่ภายนอกหรือภายใน และสเตเตอร์ภายในหรือภายนอกตามลำดับ สเตเตอร์ทำจากวัสดุที่เป็นตัวนำแม่เหล็ก โดยจำนวนฟันจะถูกหารด้วยจำนวนเฟสทั้งหมด โรเตอร์อาจทำขึ้น ไม่จำเป็นต้องทำด้วยวัสดุนำแม่เหล็ก แต่จำเป็นต้องมีแม่เหล็กติดแน่น

ยิ่งแม่เหล็กแข็งแรงมากเท่าใด แรงบิดก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น จำนวนฟันสเตเตอร์ไม่ควรเท่ากับจำนวนแม่เหล็กของโรเตอร์จำนวนฟันขั้นต่ำเท่ากับจำนวนระยะการควบคุม

มอเตอร์ DC แบบไร้แปรงถ่านสมัยใหม่ส่วนใหญ่เป็นแบบสามเฟส เพื่อให้ง่ายต่อการออกแบบและควบคุม เช่นเดียวกับมอเตอร์เหนี่ยวนำไฟฟ้ากระแสสลับ ขดลวดทั้งสามเฟสจะเชื่อมต่อที่นี่กับสเตเตอร์ด้วย "เดลต้า" หรือ "ดาว"

มอเตอร์ดังกล่าวที่ไม่มีเซ็นเซอร์ตำแหน่งโรเตอร์จะมีสายไฟ 3 เส้น และมอเตอร์ที่มีเซ็นเซอร์จะมีสายไฟ 8 เส้น: สายเพิ่มเติมสองเส้นสำหรับจ่ายไฟให้กับเซ็นเซอร์ และอีกสามเส้นสำหรับเอาต์พุตสัญญาณของเซ็นเซอร์

ขดลวดสเตเตอร์ทำด้วยลวดทองแดงหุ้มฉนวนเพื่อสร้างขั้วแม่เหล็กตามจำนวนเฟสที่ต้องการโดยกระจายเท่าๆ กันตามเส้นรอบวงของโรเตอร์ จำนวนของสเตเตอร์ที่ตั้งอิสระสำหรับแต่ละเฟสจะถูกเลือกตามมอเตอร์ที่ต้องการ ความเร็ว (และโมเมนต์หมุน)

มอเตอร์โรเตอร์ภายนอกความเร็วต่ำทำด้วยขั้วจำนวนมาก (และฟัน) ต่อเฟสเพื่อให้ได้การหมุนที่มีความถี่เชิงมุมน้อยกว่าความถี่ของกระแสควบคุมอย่างมาก แต่ถึงแม้จะใช้มอเตอร์สามเฟสความเร็วสูง ก็มักจะไม่ใช้จำนวนฟันที่น้อยกว่า 9