มอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรงแบบมีแปรงถ่านทำงานอย่างไร? คำแนะนำเกี่ยวกับมอเตอร์กระแสตรงแบบแปรงถ่านขนาดเล็ก

คำตอบสั้นๆ: มอเตอร์กระแสตรงแบบมีแปรงถ่านทำงานโดยการป้อนกระแสไฟฟ้าผ่านขดลวดหมุน (โรเตอร์) ผ่านทางหน้าสัมผัสคาร์บอนหรือโลหะที่อยู่นิ่งซึ่งเรียกว่าแปรง ซึ่งจะกดกับวงแหวนที่แบ่งส่วนที่หมุนได้เรียกว่าคอมมิวเตเตอร์ ในขณะที่โรเตอร์หมุน ตัวสับเปลี่ยนจะกลับทิศทางกระแสในขดลวดโดยอัตโนมัติในช่วงเวลาที่เหมาะสม โดยรักษาแรงแม่เหล็กที่ดันไปในทิศทางการหมุนเดียวกัน — การดำเนินการสลับตัวเองคือสิ่งที่ช่วยให้มอเตอร์แบบมีแปรงหมุนอย่างต่อเนื่องจากแหล่งพลังงาน DC ที่เรียบง่ายและไม่ได้รับการควบคุม ไม่จำเป็นต้องมีวงจรภายนอกเพื่อทำให้หมุนได้ ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมมอเตอร์กระแสตรงแบบแปรงถ่านรวมถึง มอเตอร์กระแสตรงแบบแปรงไมโคร ด้วยเส้นผ่านศูนย์กลางที่เล็กเพียง 4 มม. ยังคงเป็นหนึ่งในวิธีที่ใช้กันอย่างแพร่หลายและคุ้มค่าที่สุดในการแปลงพลังงานไฟฟ้าให้เป็นการเคลื่อนที่แบบหมุน คู่มือส่วนที่เหลือจะแจกแจงรายละเอียดของกลไกโดยละเอียด สิ่งที่อยู่ภายในมอเตอร์แปรงขนาดเล็ก และสิ่งที่ต้องชั่งน้ำหนักเมื่อเลือกมอเตอร์สำหรับโปรเจ็กต์

ส่วนประกอบหลักของมอเตอร์กระแสตรงแบบมีแปรงถ่าน

ทุกๆ มอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรงแบบแปรงถ่าน ตั้งแต่หน่วยขนาดของเล่นไปจนถึงมอเตอร์เกียร์อุตสาหกรรม ถูกสร้างขึ้นจากส่วนสำคัญสี่ส่วนเดียวกัน

คาร์บอนหรือกราไฟต์เป็นวัสดุแปรงมาตรฐานแทนที่จะเป็นโลหะแข็ง เนื่องจากคาร์บอนหล่อลื่นในตัวเองและสึกหรอเป็นพิเศษ ซึ่งหมายความว่าแปรงจะค่อยๆ กัดเซาะเมื่อเวลาผ่านไป ในขณะที่พื้นผิวสับเปลี่ยนที่มีราคาแพงกว่ายังคงสภาพเดิมเป็นส่วนใหญ่ รูปแบบการสึกหรอนี้จงใจเป็นมิตรต่อการบำรุงรักษา: การเปลี่ยนแปรงที่สึกหรอนั้นง่ายกว่าและราคาถูกกว่าการเปลี่ยนสับเปลี่ยนที่เสียหายมาก

มอเตอร์หมุนอย่างไร: ทีละขั้นตอน

หลักการทำงานขึ้นอยู่กับแนวคิดทางฟิสิกส์สองประการ: กฎการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าของฟาราเดย์และแรงลอเรนซ์ ในทางปฏิบัติ วงจรจะมีลักษณะดังนี้:

1. แรงดันไฟฟ้ากระแสตรงถูกจ่ายไปที่ขั้วต่อแปรงทั้งสอง และกระแสจะไหลจากแปรงไปยังส่วนสับเปลี่ยนที่พวกมันสัมผัสกัน
2. กระแสที่ไหลผ่านขดลวดของโรเตอร์จะเปลี่ยนเป็นแม่เหล็กไฟฟ้า และสร้างสนามแม่เหล็กขึ้นมาเอง
3. สนามโรเตอร์นี้มีปฏิกิริยากับสนามคงที่จากแม่เหล็กถาวรของสเตเตอร์ เหมือนกับขั้วผลักกัน ขั้วตรงข้ามจะดูดกัน ทำให้เกิดแรงบิดที่ดันโรเตอร์ให้หมุน
4. เมื่อโรเตอร์เข้าใกล้แนวเดียวกับสนามสเตเตอร์ (ประมาณทุกๆ 180 องศาของการหมุน) แปรงจะเลื่อนไปยังส่วนสับเปลี่ยนถัดไป ซึ่งจะกลับทิศทางกระแสในขดลวด
5. การกลับกระแสจะพลิกขั้วแม่เหล็กของโรเตอร์ในทันทีทันใด ดังนั้นแรงแม่เหล็กจะดำเนินต่อไปในทิศทางการหมุนเดียวกันแทนที่จะหยุดนิ่ง
6. วงจรการสลับและกดนี้จะทำซ้ำอย่างต่อเนื่อง ทำให้การหมุนต่อเนื่องและราบรื่นตราบเท่าที่ยังจ่ายไฟอยู่

จะมีช่วงเวลาสั้นๆ ในแต่ละรอบเมื่อแปรงเชื่อมระหว่างส่วนสับเปลี่ยนสองส่วนและส่วนที่ลัดวงจรชั่วขณะของขดลวด ซึ่งเป็นที่มาของประกายไฟเล็กๆ ที่มองเห็นได้ภายในมอเตอร์แบบมีแปรงถ่านที่ทำงานอยู่ และยังเป็นจุดกำเนิดของสัญญาณรบกวนทางไฟฟ้าส่วนใหญ่ที่มอเตอร์เหล่านี้สร้างขึ้นอีกด้วย

อะไรทำให้ไมโครบรัชมอเตอร์กระแสตรงแตกต่าง

มอเตอร์กระแสตรงแบบแปรงถ่านขนาดเล็กใช้หลักการแลกเปลี่ยนเดียวกันกับที่อธิบายไว้ข้างต้น เพียงลดขนาดลงอย่างมาก โดยทั่วไปแหล่งอุตสาหกรรมจะจัดประเภทมอเตอร์ใดๆ ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางต่ำกว่า 30 มม. เป็นมอเตอร์ขนาดเล็ก และชุดแปรงที่เล็กที่สุดที่มีจำหน่ายในท้องตลาดจะมีขนาดเล็กเท่ากับ เส้นผ่านศูนย์กลาง 4 มม ซึ่งใช้ในการใช้งานต่างๆ เช่น ไมโครโดรนและกลไกการล็อคขนาดเล็ก

Coreless เทียบกับ Iron-Core Micro Motors

มอเตอร์แปรงขนาดเล็กส่วนใหญ่ใช้การออกแบบโรเตอร์แบบไร้แกน (ไม่มีแกนเหล็ก) แทนที่จะเป็นเกราะแกนเหล็กแบบดั้งเดิมที่พบในมอเตอร์ขนาดใหญ่ แทนที่จะพันรอบแกนเหล็ก ขดลวดกลับมีโครงสร้างกลวงที่รองรับตัวเองได้ ซึ่งช่วยลดการสูญเสียธาตุเหล็กและการฟันเฟือง (ความรู้สึกต้านทานรอยบากเมื่อหมุนมอเตอร์ด้วยฟันเหล็กด้วยตนเอง) ซึ่งทำให้ไมโครมอเตอร์ไร้แกน ความเฉื่อยในการหมุนต่ำมากและการเร่งความเร็วที่รวดเร็ว — ข้อได้เปรียบที่สำคัญในอุปกรณ์ต่างๆ เช่น ปิเปต กลไกการโฟกัสของกล้อง หรือปั๊มขนาดเล็กที่การเริ่มและหยุดที่รวดเร็วและแม่นยำมีความสำคัญ

ข้อมูลจำเพาะทั่วไป

ข้อมูลจำเพาะจะแตกต่างกันไปตามผู้ผลิตและการใช้งานที่ต้องการ แต่ตารางด้านล่างแสดงตัวเลขที่เป็นตัวแทนสำหรับเส้นผ่านศูนย์กลางไมโครมอเตอร์ทั่วไปเพื่อแสดงช่วงต่างๆ

ที่ปลายด้านเล็ก มอเตอร์ไมโครไร้แกนแบบไร้แกนบางรุ่นจะมีประสิทธิภาพสูงสุด มากถึง 90% แม้ว่าจุดสูงสุดนี้จะทำได้ที่ความเร็วสูงเท่านั้นและตกลงที่ความเร็วต่ำหรือบรรทุกหนักก็ตาม นอกจากนี้ มอเตอร์ขนาดเล็กจำนวนมากยังจับคู่กับกระปุกเกียร์เพื่อแลกเปลี่ยน RPM ดิบกับแรงบิดที่ใช้งานได้มากขึ้น ซึ่งเป็นเรื่องปกติในการใช้งาน เช่น เครื่องชั่งที่แม่นยำ แอคทูเอเตอร์วาล์ว และข้อต่อหุ่นยนต์ขนาดเล็ก

การควบคุมความเร็วและทิศทาง

ข้อดีประการหนึ่งของมอเตอร์กระแสตรงแบบมีแปรงถ่านคือความง่ายในการควบคุมเมื่อเทียบกับมอเตอร์ทางเลือกแบบไร้แปรงถ่าน

• ความเร็วเป็นสัดส่วนโดยประมาณกับแรงดันไฟฟ้าที่ใช้ — เพิ่มแรงดันไฟฟ้าและมอเตอร์หมุนเร็วขึ้น ลดลงและมอเตอร์ช้าลง โดยไม่ต้องใช้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เพิ่มเติมสำหรับการเปิด/ปิดขั้นพื้นฐาน
• ทิศทางจะกลับกันได้ง่ายๆ โดยการสลับขั้วของสายจ่ายไฟทั้งสองเส้น เนื่องจากจะเป็นการกลับทิศทางปัจจุบันที่ตัวสับเปลี่ยนกำลังสลับไปมา
• สำหรับการใช้งานแบบความเร็วหลายระดับ การมอดูเลตความกว้างพัลส์ (PWM) เป็นวิธีการควบคุมมาตรฐาน แทนที่จะเปลี่ยนแรงดันไฟฟ้าอย่างต่อเนื่อง การจ่ายไฟจะเปิดและปิดอย่างรวดเร็ว และอัตราส่วนของเวลาเปิดและเวลาปิดจะกำหนดแรงดันไฟฟ้าเฉลี่ยที่มีประสิทธิภาพที่มอเตอร์มองเห็น
• ความถี่ PWM มีความสำคัญสำหรับไมโครมอเตอร์โดยเฉพาะ: การขับที่ความถี่ต่ำกว่าประมาณ 20 kHz สามารถทำให้เกิดการสั่นสะเทือนแบบอัลตราโซนิกที่ได้ยินในโรเตอร์ ดังนั้นผู้ผลิตมักแนะนำ ความถี่ในช่วง 40–120 kHz เพื่อรักษากระแสกระเพื่อมให้ต่ำและปกป้องอายุการใช้งานแปรง

พฤติกรรมตามสัดส่วนแรงดันไฟฟ้ายังเป็นเหตุผลว่าทำไมมอเตอร์แบบมีแปรงถ่านจึงเข้ากันได้ดีกับอุปกรณ์ที่ใช้พลังงานจากแบตเตอรี่ ตัวควบคุมเชิงเส้นแบบธรรมดาหรือไดรเวอร์ PWM พื้นฐานก็เพียงพอแล้วในการควบคุมความเร็วที่ใช้งานได้ โดยไม่ต้องใช้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เพื่อสับเปลี่ยนโดยเฉพาะ มอเตอร์แบบไร้แปรงถ่านต้องการเพียงแค่หมุนเลย

อายุขัยและสิ่งที่เสื่อมสภาพจริง ๆ

อินเทอร์เฟซของตัวสับเปลี่ยนแปรงถ่านเป็นทั้งคุณสมบัติที่ทำให้มอเตอร์แบบมีแปรงถ่านง่ายต่อการขับเคลื่อนและเป็นส่วนประกอบที่จำกัดอายุการใช้งานในที่สุด กลไกการสึกหรอสองแบบทำงานพร้อมกัน: แรงเสียดทานทางกลจากแปรงที่เลื่อนเข้าหาตัวสับเปลี่ยน และการกัดกร่อนด้วยไฟฟ้าจากประกายไฟเล็กๆ ที่เกิดขึ้นทุกครั้งที่แปรงเชื่อมระหว่างส่วนต่างๆ

โดยการเปรียบเทียบ มอเตอร์กระแสตรงไร้แปรงถ่านสามารถใช้งานได้นับหมื่นชั่วโมง เนื่องจากไม่มีหน้าสัมผัสของตัวสับเปลี่ยนแปรงที่จะสึกหรอ - ปัจจัยจำกัดของพวกมันจะเปลี่ยนไปที่การสึกหรอของตลับลูกปืนแทน ช่องว่างอายุการใช้งานนี้เป็นข้อที่ต้องเสียครั้งใหญ่ที่สุดเมื่อเลือกระหว่างแบบมีแปรงและแบบไม่มีแปรง: มอเตอร์แบบมีแปรงมีค่าใช้จ่ายล่วงหน้าน้อยกว่าและขับง่ายกว่า แต่จำเป็นต้องเปลี่ยนแปรงเป็นระยะในการใช้งานต่อเนื่อง ในขณะที่มอเตอร์แบบไร้แปรงถ่านมีราคาสูงกว่าในช่วงแรกแต่หลีกเลี่ยงรอบการบำรุงรักษานั้นได้เป็นส่วนใหญ่

ในกรณีที่มีการใช้มอเตอร์แบบแปรงถ่านและแบบไมโครแปรงจริง

แม้จะมีการแข่งขันจากการออกแบบแบบไร้แปรงถ่าน แต่มอเตอร์กระแสตรงแบบมีแปรงถ่านก็ยังคงมีอยู่ทั่วไป เนื่องจากต้นทุนต่ำ การควบคุมที่ง่ายดาย และแรงบิดเริ่มต้นสูงคือสิ่งที่การใช้งานจำนวนมากต้องการ โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อรอบการทำงานที่ต่อเนื่องหรืออายุการใช้งานที่ยาวนานเป็นพิเศษไม่ใช่สิ่งสำคัญ

• เครื่องมือไฟฟ้าและเครื่องใช้ในครัวเรือนขนาดเล็ก ซึ่งแรงบิดเริ่มต้นสูงและต้นทุนต่อหน่วยต่ำมีความสำคัญมากกว่าอายุการใช้งานสูงสุด
• ของเล่น ยานพาหนะ RC และโดรนสำหรับงานอดิเรก ซึ่งมอเตอร์ขนาดเล็กไร้แกนในช่วง 8–20 มม. ให้ RPM สูงในแพ็คเกจน้ำหนักเบา
• ระบบเสริมในยานยนต์ เช่น ลิฟต์หน้าต่าง ตัวปรับที่นั่ง และปั๊มขนาดเล็ก
• เครื่องมือทางการแพทย์และห้องปฏิบัติการ เช่น ปิเปต แท่นจัดการตัวอย่าง และเครื่องชั่งที่แม่นยำ มักใช้มอเตอร์แปรงไร้แกนขนาดเล็กที่จับคู่กับกระปุกเกียร์และตัวเข้ารหัสเพื่อการเคลื่อนไหวที่ควบคุมและทำซ้ำได้
• วิทยาการหุ่นยนต์และระบบอัตโนมัติในโรงงานสำหรับข้อต่อหรือแอคชูเอเตอร์ที่มีต้นทุนต่ำกว่า ซึ่งการเปลี่ยนแปรงเป็นระยะๆ เป็นรายการบำรุงรักษาที่ยอมรับได้

การเลือกมอเตอร์กระแสตรงแบบแปรงไมโคร: ปัจจัยสำคัญ

การเลือกมอเตอร์กระแสตรงแบบแปรงไมโครที่เหมาะสมสำหรับโครงการนั้นขึ้นอยู่กับข้อกำหนดจำนวนหนึ่งให้ตรงกับข้อจำกัดที่แท้จริงของการใช้งานของคุณ แทนที่จะเลือกตัวเลือกที่เล็กที่สุดหรือถูกที่สุดที่มีอยู่

1. ปรับแรงดันไฟฟ้าของแหล่งจ่ายไฟให้ตรงกับแหล่งจ่ายไฟของคุณ — อัตราไมโครมอเตอร์ทั่วไปอยู่ระหว่างประมาณ 1.5V ถึง 24V ดังนั้นโปรดตรวจสอบให้แน่ใจว่าแรงดันไฟฟ้าของมอเตอร์สอดคล้องกับแบตเตอรี่หรือแหล่งจ่ายไฟของคุณ
2. ตรวจสอบพื้นที่ว่างโดยเทียบกับเส้นผ่านศูนย์กลางและความยาวของมอเตอร์ เนื่องจากมอเตอร์ขนาดเล็กมักจะมีขนาดตั้งแต่ประมาณ 4 มม. ถึง 24 มม. ขึ้นไป
3. ตัดสินใจว่าความเร็วโดยรวมหรือแรงบิดมีความสำคัญมากกว่ากัน — มอเตอร์ไร้แกนที่ไม่มีกระปุกเกียร์จะช่วยให้มี RPM สูงและการเร่งความเร็วที่รวดเร็ว ในขณะที่การเพิ่มกระปุกเกียร์จะแลกความเร็วสูงสุดเพื่อแรงบิดที่ใช้งานได้มากขึ้นอย่างมาก
4. ประมาณรอบการทำงานและอายุการใช้งานที่ต้องการ — อุปกรณ์สำหรับผู้บริโภคที่ใช้งานเป็นระยะๆ สามารถใช้มอเตอร์แปรงถ่านราคาประหยัดได้อย่างสะดวกสบาย ในขณะที่การใช้งานต่อเนื่องอาจปรับต้นทุนล่วงหน้าที่สูงขึ้นของมอเตอร์ไร้แปรงถ่านแทน
5. พิจารณาความไวของสัญญาณรบกวนทางไฟฟ้า — หากมอเตอร์จะแชร์วงจรกับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่มีความละเอียดอ่อน ให้งบประมาณสำหรับการปราบปราม EMI พื้นฐาน เนื่องจากการเปลี่ยนแปรงโดยธรรมชาติแล้วจะทำให้เกิดสัญญาณรบกวนทางไฟฟ้าที่การออกแบบแบบไร้แปรงถ่านหลีกเลี่ยง