หลักการทำงานของมอเตอร์กระแสตรง: ส่วนประกอบ ประสิทธิภาพ และคำแนะนำความเร็ว

ที่ หลักการทำงานของมอเตอร์กระแสตรง ขึ้นอยู่กับปฏิสัมพันธ์พื้นฐานระหว่างสนามแม่เหล็กและตัวนำที่มีกระแสไหลผ่าน โดยแปลงพลังงานไฟฟ้าเป็นการเคลื่อนที่เชิงกลแบบหมุน เมื่อแรงดันไฟฟ้าจ่ายไปที่ขั้วต่อมอเตอร์ กระแสจะไหลผ่านขดลวดกระดอง ทำให้เกิดขั้วแม่เหล็กไฟฟ้าที่ถูกดึงดูดและผลักไสด้วยขั้วสนามคงที่ ทำให้เกิดแรงบิดที่หมุนเพลา ชุดสับเปลี่ยนเชิงกลและชุดแปรงจะกลับทิศทางกระแสในกระดองอย่างต่อเนื่องในช่วงเวลาที่เหมาะสม ทำให้มั่นใจได้ว่าโรเตอร์จะหมุนไปในทิศทางเดียวแทนที่จะล็อคเข้าที่ ความเรียบง่ายของหลักการนี้ ซึ่งต้องการเพียงแหล่งพลังงาน DC แม่เหล็ก และโรเตอร์แบบพันแผล ทำให้มอเตอร์กระแสตรงเป็นรากฐานสำคัญของทุกสิ่งตั้งแต่เครื่องมือไฟฟ้าไร้สายและสตาร์ทเตอร์ยานยนต์ไปจนถึงเซอร์โวไดรฟ์ที่มีความแม่นยำในวิทยาการหุ่นยนต์ การทำความเข้าใจวิธีการทำงานของมอเตอร์กระแสตรง ส่วนประกอบของมอเตอร์คืออะไร วิธีคำนวณประสิทธิภาพและความเร็วของมอเตอร์ และวิธีตีความแผนภาพการเดินสายไฟ ถือเป็นทักษะที่จำเป็นสำหรับวิศวกร ช่างเทคนิค และผู้ที่ชื่นชอบการออกแบบ บำรุงรักษา หรือแก้ไขปัญหาระบบที่ขับเคลื่อนด้วยมอเตอร์ บทความนี้ให้คำอธิบายที่ครอบคลุมและมีพื้นฐานทางเทคนิคสำหรับหัวข้อเหล่านี้ โดยใช้กฎทางกายภาพที่กำหนดไว้และตัวอย่างในทางปฏิบัติ

ที่ Fundamental Principle: DC Motor Works on the Principle of Lorentz Force

ที่ หลักการทำงานของมอเตอร์กระแสตรง ถูกห่อหุ้มไว้ในกฎแรงลอเรนซ์ ซึ่งระบุว่าเมื่อตัวนำที่มีกระแสไฟฟ้าถูกวางไว้ภายในสนามแม่เหล็ก มันจะประสบกับแรงทางกลที่ตั้งฉากกับทั้งทิศทางของกระแสและสนามแม่เหล็ก ขนาดของแรงนี้กำหนดโดย F = BIL บาปθ โดยที่ B คือความหนาแน่นของฟลักซ์แม่เหล็กใน Tesla I คือกระแสในหน่วยแอมแปร์ L คือความยาวของตัวนำภายในสนามเป็นเมตร และ θ คือมุมระหว่างทิศทางของกระแสไฟฟ้ากับสนามแม่เหล็ก ในมอเตอร์ สนามจะถูกจัดเรียงเพื่อให้แรงกระทำในแนวสัมผัสกับรัศมีโรเตอร์ ทำให้เกิดแรงบิด ตามกฎมือซ้ายของเฟลมมิ่ง หากนิ้วชี้ชี้ไปในทิศทางของสนามแม่เหล็ก (จากเหนือไปใต้) และนิ้วกลางชี้ไปในทิศทางของการไหลของกระแส นิ้วโป้งจะระบุทิศทางของแรง นี่คือฟิสิกส์ที่ทุกคน มอเตอร์กระแสตรงทำงานบนหลักการของ การแปลงพลังงานไฟฟ้า หน้าที่ของตัวสับเปลี่ยนคือการกลับทิศทางกระแสในขดลวดกระดองทุกๆ ครึ่งรอบ เพื่อให้แรงบิดยังคงกระทำไปในทิศทางการหมุนเดียวกัน ทำให้การหมุนราบรื่นและต่อเนื่องมากกว่าการแกว่ง

ส่วนประกอบหลักของมอเตอร์กระแสตรง

มอเตอร์กระแสตรงประกอบด้วยกุญแจหลายตัว ส่วนประกอบของมอเตอร์กระแสตรง แต่ละอันทำหน้าที่ที่แตกต่างกันซึ่งจำเป็นสำหรับการทำงานที่เชื่อถือได้ การทำความเข้าใจส่วนประกอบเหล่านี้ถือเป็นสิ่งสำคัญสำหรับการแก้ไขปัญหาและการวิเคราะห์ประสิทธิภาพ

• สเตเตอร์ (ระบบภาคสนาม): ที่ stationary part that generates the main magnetic field. In small motors, this may consist of permanent magnets. In larger or controllable motors, it comprises field windings (electromagnets) wrapped around pole shoes, producing a magnetic flux that can be adjusted by varying the field current.
• โรเตอร์ / กระดอง: ที่ armature in a standard electric motor คือชุดประกอบแบบหมุนที่นำขดลวดกระดอง มันถูกสร้างขึ้นจากแผ่นเหล็กซิลิกอนเคลือบเพื่อลดการสูญเสียของกระแสไหลวน โดยมีช่องที่คอยขดลวดทองแดง แกนกระดองถูกใส่เข้ากับเพลามอเตอร์ ซึ่งส่งแรงบิดที่พัฒนาแล้วไปยังโหลด
• สับเปลี่ยน: การประกอบชิ้นส่วนทองแดงทรงกระบอกซึ่งหุ้มฉนวนกันด้วยไมก้า ติดตั้งอยู่บนเพลาโรเตอร์ คอยล์กระดองแต่ละอันเชื่อมต่อกับส่วนสับเปลี่ยนสองส่วน ขณะที่โรเตอร์หมุน ตัวสับเปลี่ยนจะกลับการเชื่อมต่อของคอยล์กับวงจรภายนอก เพื่อแก้ไข EMF กระแสสลับที่เกิดขึ้นในคอยล์ และรับประกันแรงบิดในทิศทางเดียว
• แปรงและอุปกรณ์แปรง: บล็อกคาร์บอนหรือกราไฟท์แบบอยู่กับที่ซึ่งกดกับตัวสับเปลี่ยน ทำให้เกิดหน้าสัมผัสทางไฟฟ้าแบบเลื่อนระหว่างกระดองหมุนและแหล่งจ่ายไฟ DC ภายนอก วัสดุแปรง ความตึงของสปริง และเบาะรองนั่งมีความสำคัญอย่างยิ่งในการลดประกายไฟและรับประกันอายุการใช้งานที่ยาวนาน
• แบริ่งและแผ่นปิดท้าย: รองรับโรเตอร์และรักษาช่องว่างอากาศที่แม่นยำระหว่างโรเตอร์และสเตเตอร์ โดยทั่วไปจะใช้ตลับลูกปืนเม็ดกลมแบบปิดผนึกเพื่ออายุการใช้งานที่ยาวนานและมีแรงเสียดทานต่ำ

การคำนวณประสิทธิภาพของมอเตอร์: สูตรและขั้นตอนการปฏิบัติ

ประสิทธิภาพของมอเตอร์เป็นตัววัดว่ากำลังไฟฟ้าขาเข้าถูกแปลงเป็นกำลังไฟฟ้าเอาท์พุตทางกลได้อย่างมีประสิทธิภาพเพียงใด ที่ สูตรประสิทธิภาพของมอเตอร์ แสดงเป็น:

η = (ป _ออก / ป _ใน ) × 100%

ที่ไหน ป _ใน = V × I (แรงดันอินพุตคูณกระแสอินพุต) และ P _ออก = τ × ω (แรงบิดเอาท์พุตเป็น Nm คูณความเร็วเชิงมุมเป็น rad/s) ในทางปฏิบัติ ป _ออก มักถูกกำหนดโดยการวัดแรงบิดและความเร็วเพลาภายใต้ภาระ ในขณะที่ P _ใน วัดด้วยโวลต์มิเตอร์และแอมมิเตอร์ การคำนวณประสิทธิภาพของมอเตอร์ ต้องคำนึงถึงการสูญเสียภายในทั้งหมด: การสูญเสียทองแดง (การสูญเสีย I²R ในกระดองและขดลวดสนาม) การสูญเสียเหล็ก (การสูญเสียฮิสเทรีซิสและกระแสไหลวนในแกนกระดอง) การสูญเสียทางกล (แรงเสียดทานในแบริ่งและแปรง บวกกับแรงลม) และการสูญเสียโหลดที่หลงทาง มอเตอร์กระแสตรงแม่เหล็กถาวรแรงม้าเศษส่วนที่ออกแบบมาอย่างดีอาจบรรลุประสิทธิภาพ 70–85% ในขณะที่มอเตอร์กระแสตรงอุตสาหกรรมขนาดใหญ่สามารถทำได้เกิน 90% . ตัวอย่างเช่น ถ้ามอเตอร์ดึงกระแส 10 A ที่ 24 V (P _ใน = 240 W) และให้แรงบิด 0.6 Nm ที่ 3,000 RPM (ω = 2π × 3000 / 60 = 314.16 rad/s, P _ออก = 0.6 × 314.16 = 188.5 W) ประสิทธิภาพคือ η = (188.5 / 240) × 100% กลับไปยัง 78.5%

อะไรเป็นตัวกำหนดความเร็วของมอเตอร์กระแสตรง?

ที่ ความเร็วของมอเตอร์ถูกกำหนดโดย ความสมดุลระหว่างแรงดันไฟฟ้าที่ใช้และ EMF ด้านหลังที่สร้างโดยตัวนำกระดองที่ตัดสนามแม่เหล็ก สมการความเร็วพื้นฐานสำหรับมอเตอร์กระแสตรงคือ:

ยังไม่มีข้อความ = (V – I _a R _a ) / (kφ)

โดยที่ N คือความเร็วเพลาใน RPM, V คือแรงดันเทอร์มินัล, I _a คือกระแสเกราะ, R _a คือความต้านทานของวงจรกระดอง k คือค่าคงที่ของมอเตอร์ขึ้นอยู่กับโครงสร้าง และ φ คือฟลักซ์แม่เหล็กต่อขั้ว สมการนี้แสดงวิธีการควบคุมความเร็วหลักสามวิธี ได้แก่ การเปลี่ยนแปลงแรงดันไฟฟ้าที่ขั้วต่อ V การเปลี่ยนแปลงความต้านทานของกระดอง (ไม่มีประสิทธิภาพ ทำให้เกิดความร้อน) และการเปลี่ยนแปลงฟลักซ์ของสนาม φ ในมอเตอร์แม่เหล็กถาวร φ มีค่าคงที่ ดังนั้น ความเร็วจึงเป็นสัดส่วนโดยตรงกับแรงดันไฟฟ้าที่ใช้ลบด้วยแรงดันตกคร่อมของตัวต้านทาน ในมอเตอร์สนามบาดแผล การลดกระแสของสนาม (สนามอ่อนลง) จะลดลง φ ทำให้ความเร็วเพิ่มขึ้น ซึ่งเป็นเทคนิคที่ใช้ในมอเตอร์ฉุดสำหรับการทำงานที่ความเร็วสูง ตามตัวอย่างในทางปฏิบัติ มอเตอร์กระแสตรง 12 V ที่มีความต้านทานกระดอง 0.5 Ω ดึงกระแสไฟ 2 A ภายใต้โหลด มี EMF ด้านหลัง 11 V และถ้า kφ = 0.005 V/RPM ความเร็วรอบขณะไม่มีโหลดตามทฤษฎีจะเข้าใกล้ 2,400 RPM ซึ่งลดลงเล็กน้อยภายใต้โหลดเนื่องจาก I _a R _a หล่น

การตีความแผนภาพการเดินสายไฟมอเตอร์กระแสตรง: การกำหนดค่าแบบ 4 สาย

A แผนภาพการเดินสายไฟมอเตอร์กระแสตรง 4 สาย โดยทั่วไปการกำหนดค่าจะแสดงถึงมอเตอร์ที่ขดลวดกระดองและสนามไฟฟ้าถูกนำออกไปยังขั้วต่อที่แยกจากกัน ทำให้สามารถควบคุมได้อย่างอิสระ นี่เป็นเรื่องปกติในมอเตอร์แบบปัดบาดแผลหรือแบบแบบผสม โดยที่สนามสามารถเชื่อมต่อแบบขนานกับกระดองหรือแบบตื่นเต้นแยกกัน ที่ แผนภาพการเดินสายไฟสำหรับมอเตอร์กระแสตรง ด้วยเทอร์มินัลสี่เทอร์มินัลจะติดป้ายกำกับ A1 และ A2 เป็นการเชื่อมต่อกระดองและ F1 และ F2 เป็นการเชื่อมต่อฟิลด์ (ฟิลด์ปัด) สำหรับมอเตอร์สับเปลี่ยน โดยทั่วไป A1 และ F1 จะเชื่อมต่อกับแหล่งจ่ายไฟบวก และ A2 และ F2 เชื่อมต่อกับขั้วลบ โดยวางกระดองและสนามขนานกัน วิธีนี้ช่วยให้มอเตอร์สามารถรักษาความเร็วค่อนข้างคงที่ภายใต้โหลดที่แตกต่างกัน เนื่องจากกระแสของสนามและด้วยเหตุนี้ฟลักซ์จึงยังคงเกือบคงที่ หากสนามมีการกระตุ้นแยกกัน แหล่งจ่ายไฟ DC เฉพาะจะเชื่อมต่อระหว่าง F1 และ F2 ในขณะที่กำลังหลักจ่ายไปที่ A1–A2 ซึ่งให้การควบคุมความเร็วที่แม่นยำผ่านการแปรผันของสนาม ในบางกรณี แผนภาพแบบ 4 สายอาจแสดงถึงมอเตอร์แม่เหล็กถาวรที่มีตัวเข้ารหัสหรือเบรก โดยที่สายไฟสองเส้นส่งกำลังให้กับมอเตอร์ และอีกสองเส้นส่งสัญญาณตัวเข้ารหัสหรือกำลังเบรก ไม่ว่าแผนภาพจะให้คำแนะนำที่จำเป็นสำหรับการเชื่อมต่อที่เหมาะสม: การย้อนกลับการเชื่อมต่อกระดองหรือสนามแม่เหล็ก (แต่ไม่ใช่ทั้งสองอย่าง) จะกลับทิศทางของการหมุน แผนภาพยังระบุเกจสายไฟที่ถูกต้องสำหรับกระแสไฟที่คาดหวัง ซึ่งเป็นข้อพิจารณาด้านความปลอดภัยที่สำคัญ

ข้อควรพิจารณาในทางปฏิบัติสำหรับการเดินสายและการทำงานของมอเตอร์

เมื่อทำงานจากก แผนภาพการเดินสายไฟของมอเตอร์กระแสตรง การระบุขั้วต่อที่ถูกต้องเป็นสิ่งสำคัญยิ่ง เมื่อใช้มัลติมิเตอร์ วงจรกระดองมักจะแสดงความต้านทานต่ำ (ไม่กี่โอห์มหรือน้อยกว่า) ในขณะที่ขดลวดสนามปัดแสดงความต้านทานที่สูงกว่ามาก (มักจะหลายร้อยโอห์ม) แผนภาพจะระบุแรงดันไฟฟ้าของแหล่งจ่าย และแรงดันไฟฟ้าที่เกินนั้นอาจทำให้เกิดความร้อนสูงเกินไปและฉนวนแตกได้ มอเตอร์ที่ทำงานจากตัวควบคุมแบบพัลส์ไวด์ธมอดูเลต (PWM) จะแปรผันแรงดันไฟฟ้าเฉลี่ยอย่างมีประสิทธิภาพ โดยใช้สมการการควบคุมความเร็ว สำหรับระบบที่มีประสิทธิภาพสูง การเดินสายไฟควรสั้นที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้โดยมีพื้นที่หน้าตัดเพียงพอ เพื่อลดการสูญเสีย I²R ซึ่งจะลดประสิทธิภาพโดยรวมของระบบ นอกจากนี้ ควรเชื่อมต่อไดโอดฟลายแบ็กข้ามขั้วต่อมอเตอร์ในวงจรขับกระแสตรง เพื่อป้องกันแรงดันไฟกระชากจากขดลวดกระดองแบบเหนี่ยวนำ ด้วยการบูรณาการความเข้าใจในเรื่อง สูตรประสิทธิภาพของมอเตอร์ ด้วยการเดินสายที่ถูกต้องและการควบคุมความเร็ว ผู้ใช้สามารถปรับระบบมอเตอร์กระแสตรงให้เหมาะสมเพื่อประสิทธิภาพที่เชื่อถือได้และประหยัดพลังงานในทุกการใช้งาน