มอเตอร์เหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าและมอเตอร์ AC: วิธีการทำงาน

มอเตอร์ไฟฟ้าเป็นหนึ่งในสิ่งประดิษฐ์ที่เป็นผลสืบเนื่องมากที่สุดในประวัติศาสตร์วิศวกรรม และหลักการที่ทำให้มอเตอร์ส่วนใหญ่ทำงานได้ — การเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า — ก่อตั้งขึ้นเมื่อเกือบสองศตวรรษก่อน ปัจจุบัน หลักการเดียวกันนี้ขับเคลื่อนทุกอย่างตั้งแต่คอมเพรสเซอร์ทางอุตสาหกรรมไปจนถึงจักรยานไฟฟ้า การทำความเข้าใจว่ามอเตอร์ AC คืออะไร การเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าขับเคลื่อนมอเตอร์อย่างไร และเทคโนโลยีได้พัฒนาไปเป็นมอเตอร์แบบไร้แปรงถ่านที่ใช้ในการขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้าสมัยใหม่อย่างไร ทำให้เห็นภาพที่สมบูรณ์ของหนึ่งในแนวคิดที่ทนทานและปรับเปลี่ยนได้มากที่สุดทางวิศวกรรม

มอเตอร์ AC คืออะไร?

มอเตอร์ AC เป็นมอเตอร์ไฟฟ้าที่แปลงพลังงานไฟฟ้ากระแสสลับ (AC) เป็นพลังงานการหมุนเชิงกล ต่างจากมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรง (DC) ที่ทำงานบนกระแสไฟฟ้าที่ไหลในทิศทางเดียว มอเตอร์ไฟฟ้ากระแสสลับทำงานบนกระแสไฟฟ้าที่กลับทิศทางเป็นระยะๆ โดยทั่วไปจะอยู่ที่ 50 หรือ 60 ครั้งต่อวินาที ขึ้นอยู่กับความถี่ของระบบจ่ายไฟในภูมิภาค

มอเตอร์ AC ทุกตัวประกอบด้วยส่วนประกอบทางกลหลักสองชิ้น ที่ สเตเตอร์ เป็นส่วนประกอบภายนอกที่อยู่กับที่ซึ่งประกอบขึ้นจากวงแหวนของขดลวดแม่เหล็กไฟฟ้าที่พันเข้ากับแกนเหล็กเคลือบ เมื่อไฟฟ้ากระแสสลับไหลผ่านขดลวดสเตเตอร์ จะทำให้เกิดสนามแม่เหล็ก ที่ โรเตอร์ คือชุดประกอบด้านในแบบหมุนได้ ซึ่งวางอยู่ภายในช่องทรงกระบอกของสเตเตอร์ ปฏิสัมพันธ์ระหว่างสนามแม่เหล็กของสเตเตอร์กับโรเตอร์ - เกิดขึ้นได้จากการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า, แม่เหล็กถาวร หรือการกระตุ้นภายนอก ขึ้นอยู่กับประเภทของมอเตอร์ - จะสร้างแรงบิดที่ขับเคลื่อนเพลาเอาท์พุต

มอเตอร์ AC แบ่งออกเป็นสองประเภทการทำงานพื้นฐาน: มอเตอร์เหนี่ยวนำ (อะซิงโครนัส) และมอเตอร์ซิงโครนัส มอเตอร์เหนี่ยวนำเป็นมอเตอร์ประเภทที่ใช้กันทั่วไปในงานอุตสาหกรรมและพาณิชยกรรม ซึ่งถือเป็นมอเตอร์ส่วนใหญ่ที่มีการใช้งานทั่วโลกอย่างท่วมท้น

หลักการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า

การเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นรากฐานของวิธีที่มอเตอร์เหนี่ยวนำสร้างแรงบิดโดยไม่ต้องเชื่อมต่อทางไฟฟ้ากับโรเตอร์ หลักการที่ก่อตั้งโดยไมเคิล ฟาราเดย์ในปี พ.ศ. 2374 ระบุว่าสนามแม่เหล็กที่เปลี่ยนแปลงผ่านตัวนำจะทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าในตัวนำนั้น กระแสเหนี่ยวนำนี้จะทำให้เกิดสนามแม่เหล็กในตัวมันเอง

ในมอเตอร์เหนี่ยวนำ ขดลวดที่จ่ายไฟ AC ของสเตเตอร์จะสร้างสนามแม่เหล็กที่หมุนอย่างต่อเนื่องรอบๆ รูสเตเตอร์ สนามหมุนนี้จะผ่านตัวนำโรเตอร์ เพื่อทำให้เกิดกระแสในตัวนำดังกล่าวตามกฎของฟาราเดย์ กระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำนั้นจะสร้างสนามแม่เหล็กทุติยภูมิในโรเตอร์ ตามกฎของเลนซ์ สนามทุติยภูมินี้จะต่อต้านการเปลี่ยนแปลงที่สร้างขึ้น ซึ่งหมายความว่าสนามจะพยายามกำจัดการเคลื่อนที่สัมพัทธ์ระหว่างสนามสเตเตอร์ที่กำลังหมุนกับโรเตอร์ที่อยู่นิ่ง โดยทำให้โรเตอร์หมุนไปในทิศทางเดียวกับสนามสเตเตอร์

ผลลัพธ์: โรเตอร์หมุนตามสนามแม่เหล็กที่กำลังหมุน โดยไม่มีการเชื่อมต่อทางไฟฟ้าทางกายภาพระหว่างสเตเตอร์และโรเตอร์ ไม่มีแปรง ไม่มีวงแหวนสลิปที่ด้านโรเตอร์ ไม่มีตัวสับเปลี่ยน — การถ่ายโอนพลังงานเกิดขึ้นทั้งหมดผ่านสนามแม่เหล็กที่เปลี่ยนแปลงตลอดช่องว่างอากาศ นี่คือเหตุผลว่าทำไมมอเตอร์เหนี่ยวนำจึงมีกลไกที่เรียบง่าย ทนทาน และมีอายุการใช้งานยาวนานเมื่อเทียบกับมอเตอร์แบบแปรง: ไม่มีส่วนประกอบหน้าสัมผัสบนโรเตอร์ที่จะสึกหรอ

วิธีสร้างสนามแม่เหล็กที่กำลังหมุน

สนามแม่เหล็กที่กำลังหมุนเป็นกลไกสำคัญที่ขับเคลื่อนการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าในมอเตอร์ AC และเป็นคุณสมบัติที่เกิดขึ้นใหม่ของไฟ AC สามเฟส ในระบบสามเฟส จะมีการจ่ายแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับสามชุดพร้อมกันให้กับขดลวดสเตเตอร์สามชุด โดยขดลวดแต่ละคู่จะชดเชยทางกายภาพจากขดลวดอื่นๆ 120 องศารอบๆ รูสเตเตอร์ แรงดันไฟฟ้าทั้งสามยังได้รับการชดเชยทางไฟฟ้า 120 องศา ซึ่งหมายความว่าแรงดันไฟฟ้าจะถึงค่าสูงสุดในช่วงเวลาที่ต่างกันในแต่ละรอบ

เมื่อแต่ละเฟสถึงจุดสูงสุด แม่เหล็กไฟฟ้าที่ได้รับพลังงานจากเฟสนั้นจะมีกำลังแรงที่สุด โดยดึงสนามแม่เหล็กที่มีประสิทธิผลของสเตเตอร์ไปยังขั้วชุดนั้น เมื่อวงจรดำเนินไปและจุดสูงสุดของเฟสถัดไป สนามจะเลื่อนไปยังขั้วชุดถัดไป — 120 องศารอบสเตเตอร์ ผลกระทบสุทธิของแม่เหล็กไฟฟ้าสามชุดที่มีจุดสูงสุดตามลำดับ โดยมีระยะห่างเท่ากันรอบเส้นรอบวง คือสนามแม่เหล็กที่ดูเหมือนจะหมุนอย่างราบรื่นรอบสเตเตอร์ด้วยความเร็วที่กำหนดโดยความถี่แหล่งจ่ายไฟและจำนวนขั้วแม่เหล็กในขดลวดสเตเตอร์

ความเร็วซิงโครนัสนี้เป็นรอบต่อนาทีกำหนดโดย: Ns = (120 × f) / P โดยที่ f คือความถี่ของแหล่งจ่ายไฟในหน่วย Hz และ P คือจำนวนขั้ว มอเตอร์สองขั้วที่จ่ายไฟ 50 เฮิร์ตซ์หมุนด้วยความเร็วซิงโครนัส 3,000 รอบต่อนาที มอเตอร์สี่ขั้วบนแหล่งจ่ายเดียวกันหมุนที่ 1,500 รอบต่อนาที มอเตอร์เฟสเดียวยังสามารถสร้างสนามหมุนได้ แต่ต้องใช้ขดลวดสตาร์ทเสริมหรือตัวเก็บประจุ เนื่องจากการจ่ายไฟแบบเฟสเดียวเพียงอย่างเดียวจะสร้างสนามที่เต้นเป็นจังหวะมากกว่าสนามหมุน

โรเตอร์กรงกระรอกและสลิป

โครงสร้างโรเตอร์ที่พบบ่อยที่สุดในมอเตอร์เหนี่ยวนำกระแสสลับคือโรเตอร์กรงกระรอก ซึ่งตั้งชื่อตามความคล้ายคลึงกับวงล้อออกกำลังกายที่สัตว์ขนาดเล็กใช้ ประกอบด้วยชุดแท่งตัวนำอะลูมิเนียมหรือทองแดงที่ฝังอยู่ในช่องในแกนเหล็กเคลือบ โดยมีแท่งตัวนำไฟฟ้าลัดวงจรที่ปลายทั้งสองข้างโดยการนำวงแหวนปลาย ไม่มีขดลวด ไม่มีฉนวน และไม่มีการเชื่อมต่อไฟฟ้าภายนอก โรเตอร์ผลิตได้ง่ายด้วยกลไกและแทบจะทำลายไม่ได้ภายใต้สภาวะการทำงานปกติ

เมื่อสนามแม่เหล็กที่กำลังหมุนจากสเตเตอร์กวาดผ่านแท่งตัวนำเหล่านี้จะเหนี่ยวนำกระแสที่ไหลผ่านแท่งและรอบวงแหวนปลาย กระแสหมุนเวียนเหล่านี้สร้างสนามแม่เหล็กของโรเตอร์ ซึ่งทำปฏิกิริยากับสนามสเตเตอร์เพื่อสร้างแรงบิด กระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำและแรงบิดจะขึ้นอยู่กับอัตราที่สนามสเตเตอร์ตัดผ่านแท่งโรเตอร์ ถ้าโรเตอร์ไปถึงความเร็วเท่ากันทุกประการกับสนามสเตเตอร์ที่กำลังหมุน (ความเร็วซิงโครนัส) ก็จะไม่มีการเคลื่อนที่สัมพัทธ์ ไม่มีการตัดสนาม ไม่มีกระแสเหนี่ยวนำ และไม่มีแรงบิด โรเตอร์จึงทำงานช้ากว่าความเร็วซิงโครนัสเล็กน้อยเสมอ

ความแตกต่างของความเร็วนี้เรียกว่า ลื่น แสดงเป็นเปอร์เซ็นต์ของความเร็วซิงโครนัส เมื่อไม่มีโหลด สลิปจะมีน้อยมาก — โดยทั่วไปแล้วจะอยู่ที่ 0.5% ถึง 1% ภายใต้การรับน้ำหนักเต็มอัตรา สลิปจะเพิ่มขึ้นเป็นประมาณ 3% ถึง 8% ขึ้นอยู่กับการออกแบบมอเตอร์ การสลิปไม่ใช่การบกพร่อง มันเป็นกลไกที่จำเป็นซึ่งมอเตอร์เหนี่ยวนำจะสร้างแรงบิด หากไม่มีการสลิป จะไม่มีการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า และหากไม่มีการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า ก็จะไม่มีแรงบิด

มอเตอร์เหนี่ยวนำเทียบกับมอเตอร์ซิงโครนัส

มอเตอร์ซิงโครนัสถือเป็นสาขาหลักอีกสาขาหนึ่งของการออกแบบมอเตอร์กระแสสลับ ในกรณีที่โรเตอร์ของมอเตอร์เหนี่ยวนำถูกขับเคลื่อนทั้งหมดด้วยกระแสเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า โรเตอร์ของมอเตอร์ซิงโครนัสจะติดตั้งแม่เหล็กถาวรหรือแม่เหล็กไฟฟ้าที่กระตุ้นแยกกัน ซึ่งจะล็อคโรเตอร์ให้เท่ากับความเร็วของสนามสเตเตอร์ที่กำลังหมุนอยู่ — โดยไม่มีการสลิป

มอเตอร์ซิงโครนัสถูกใช้เมื่อต้องการความเร็วที่แม่นยำและคงที่ โดยไม่คำนึงถึงการเปลี่ยนแปลงของโหลด — ในนาฬิกา เครื่องกำเนิดสัญญาณ และตัวขับเคลื่อนการกำหนดตำแหน่งที่มีความแม่นยำสูง มอเตอร์เหนี่ยวนำมีอิทธิพลเหนือการใช้งานทางอุตสาหกรรมและการพาณิชย์ทั่วไป เนื่องจากมีต้นทุนที่ต่ำกว่า ความทนทานที่สูงกว่า และความสามารถในการสตาร์ทได้เองในการกำหนดค่าแบบสามเฟส

มอเตอร์เหนี่ยวนำเฟสเดียวและสามเฟส

มอเตอร์เหนี่ยวนำสามเฟสสตาร์ทได้เอง: การจ่ายไฟสามเฟสตามธรรมชาติจะสร้างสนามแม่เหล็กหมุน ซึ่งจะเริ่มกระตุ้นแรงบิดในโรเตอร์กรงกระรอกทันทีที่จ่ายไฟ พวกมันมีประสิทธิภาพมากกว่า สร้างตัวประกอบกำลังสูงกว่า และใช้ในการใช้งานมอเตอร์อุตสาหกรรมแทบทุกประเภท ตั้งแต่ปั๊มขนาดเล็กไปจนถึงตัวขับเคลื่อนหลายเมกะวัตต์

มอเตอร์เหนี่ยวนำเฟสเดียวถือเป็นความท้าทายขั้นพื้นฐาน: แหล่งจ่ายไฟ AC เฟสเดียวจะสร้างสนามแม่เหล็กที่เต้นเป็นจังหวะ ไม่ใช่สนามแม่เหล็กที่กำลังหมุน สนามที่เร้าเป็นจังหวะสามารถรักษาการหมุนได้แต่ไม่สามารถสตาร์ทได้ - มอเตอร์ไม่มีทิศทางการหมุนที่ต้องการและแรงบิดเริ่มต้นสุทธิเป็นศูนย์เมื่ออยู่กับที่ กลยุทธ์การออกแบบหลายประการเน้นไปที่เรื่องนี้ โดยแต่ละกลยุทธ์จะผลิตมอเตอร์ที่แตกต่างกันออกไป

จากการเหนี่ยวนำไฟฟ้ากระแสสลับไปจนถึงกระแสตรงไร้แปรงถ่าน: วิวัฒนาการสมัยใหม่

มอเตอร์ DC แบบไร้แปรงถ่าน (BLDC) ซึ่งปัจจุบันเป็นประเภทมอเตอร์ที่โดดเด่นในรถจักรยานไฟฟ้า สกู๊ตเตอร์ไฟฟ้า โดรน และไดรฟ์เสริมของรถยนต์ไฟฟ้า ไม่ใช่มอเตอร์เหนี่ยวนำไฟฟ้ากระแสสลับในความหมายดั้งเดิม แทนที่จะอาศัยกระแสโรเตอร์ที่เกิดจากแม่เหล็กไฟฟ้า มอเตอร์ BLDC ใช้แม่เหล็กถาวรบนโรเตอร์และสวิตช์กระแสที่ควบคุมด้วยระบบอิเล็กทรอนิกส์ในสเตเตอร์เพื่อสร้างการหมุน ในส่วนนี้จึงมีลักษณะคล้ายกับมอเตอร์ซิงโครนัสอย่างใกล้ชิดมากกว่ามอเตอร์เหนี่ยวนำ

การเชื่อมต่อกับหลักการของมอเตอร์ AC อยู่ที่สเตเตอร์: สเตเตอร์ของมอเตอร์ BLDC จะสร้างสนามแม่เหล็กที่กำลังหมุนผ่านการสลับกระแส DC อย่างแม่นยำผ่านขดลวดของมัน — ให้ผลเชิงหน้าที่เทียบเท่ากับที่ AC สามเฟสทำได้จากการแปรผันของกระแสไซน์ซอยด์ ตัวควบคุมมอเตอร์ดำเนินการสับเปลี่ยนทางอิเล็กทรอนิกส์ที่มาแทนที่แปรงของมอเตอร์กระแสตรงแบบเดิม โดยใช้การตอบสนองตำแหน่งโรเตอร์ (จากเซ็นเซอร์ฮอลล์เอฟเฟกต์หรือการตรวจจับแรงเคลื่อนไฟฟ้าด้านหลัง) เพื่อจ่ายพลังงานให้กับขดลวดสเตเตอร์ที่ถูกต้องในแต่ละช่วงเวลาในวงจรการหมุน

ผลลัพธ์ที่ได้คือมอเตอร์ที่ผสมผสานการทำงานแบบซิงโครนัสเข้ากับประสิทธิภาพสูงของมอเตอร์ซิงโครนัสแม่เหล็กถาวร เข้ากับความสามารถในการควบคุมและความกะทัดรัดที่ต้องการโดยการใช้งานที่ใช้พลังงานจากแบตเตอรี่ มอเตอร์ BLDC ขจัดการสึกหรอของแปรงที่จำกัดอายุการใช้งานของมอเตอร์กระแสตรงแบบเดิม ทำงานอย่างมีประสิทธิภาพในช่วงความเร็วที่กว้าง และสร้างความหนาแน่นของแรงบิดสูงในแพ็คเกจขนาดกะทัดรัด ทำให้มอเตอร์เหล่านี้เป็นรากฐานทางวิศวกรรมของการเคลื่อนที่ด้วยไฟฟ้าสมัยใหม่

การประยุกต์ใช้ในการขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้าสมัยใหม่

หลักการของการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กที่กำลังหมุนซึ่งพัฒนาขึ้นในศตวรรษที่ 19 ได้รับการรวมเข้าไว้โดยตรงในมอเตอร์ที่ขับเคลื่อนรถจักรยานไฟฟ้าและยานพาหนะไฟฟ้าขนาดเล็กในปัจจุบัน แม้ว่าจะอยู่ในรูปแบบแม่เหล็กถาวรไร้แปรงถ่านที่ทันสมัยก็ตาม การกำหนดค่ามอเตอร์ที่แตกต่างกันสองแบบครองตลาดนี้ โดยแต่ละแบบมีคุณสมบัติด้านประสิทธิภาพที่แตกต่างกัน ซึ่งเหมาะกับสไตล์การขี่และความต้องการที่แตกต่างกัน

ฮับมอเตอร์ รวมมอเตอร์เข้ากับดุมล้อโดยตรง - ด้านหน้าหรือด้านหลัง - โดยสเตเตอร์จับจ้องไปที่เพลาและโรเตอร์ที่สร้างเปลือกนอกที่ขับเคลื่อนล้อ ปฏิกิริยาทางแม่เหล็กไฟฟ้าระหว่างขดลวดสเตเตอร์คงที่กับโรเตอร์แม่เหล็กถาวรที่กำลังหมุนจะเปลี่ยนล้อโดยตรง โดยไม่มีสายโซ่ส่งกำลังเชิงกลระหว่างมอเตอร์และล้อ ความเรียบง่ายนี้ทำให้ฮับมอเตอร์บำรุงรักษาง่ายและเงียบ ฮับมอเตอร์ for electric bicycles and light electric vehicles เหมาะกับการเดินทาง บรรทุกสินค้า และการใช้งานเพื่อการพักผ่อน ซึ่งการติดตั้งที่ตรงไปตรงมาและการบำรุงรักษาต่ำถือเป็นลำดับความสำคัญ

มอเตอร์ขับเคลื่อนกลาง วางตำแหน่งมอเตอร์ไว้ที่กะโหลกของจักรยาน โดยขับข้อเหวี่ยงและโซ่แทนที่จะขับไปที่ล้อโดยตรง การจัดวางนี้ช่วยให้ผู้ขี่ใช้ระบบเกียร์ที่มีอยู่ของจักรยานเพื่อเพิ่มแรงบิดของมอเตอร์ ทำให้ระบบขับเคลื่อนกลางมีประสิทธิภาพมากขึ้นอย่างมากบนภูมิประเทศที่เป็นเนินเขาและปรับให้เข้ากับสภาวะโหลดแบบแปรผันได้ดีขึ้น มอเตอร์ขับเคลื่อนกลาง for high-performance electric bikes มอบแรงบิดและความคล่องตัวในภูมิประเทศที่เป็นที่ต้องการของจักรยานเสือภูเขาไฟฟ้า จักรยานบรรทุกสินค้า และการใช้งานเพื่อการเดินทางที่มีสมรรถนะสูง

ในการกำหนดค่าทั้งสอง มอเตอร์จะไม่สามารถทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพหากไม่มีตัวควบคุมมอเตอร์ที่ตรงกัน ตัวควบคุมดำเนินการสับเปลี่ยนทางอิเล็กทรอนิกส์ที่มาแทนที่แปรงเชิงกล จัดการการส่งกระแสไฟฟ้าไปยังขดลวดสเตเตอร์ตามการตอบสนองตำแหน่งโรเตอร์ และแปลอินพุตของผู้ขับขี่ (คันเร่ง ระดับระบบช่วยเหยียบ) เป็นเอาท์พุตแรงบิดที่แม่นยำ ตัวควบคุมมอเตอร์กระแสตรงไร้แปรงถ่านสำหรับระบบฮับและมิดไดรฟ์ ได้รับการออกแบบทางวิศวกรรมเพื่อให้ตรงกับการกำหนดค่าขดลวดมอเตอร์ ช่วงแรงดันไฟฟ้า และโปรโตคอลการสื่อสารที่เฉพาะเจาะจง สำหรับวิศวกรและผู้ประกอบระบบที่สร้างระบบขับเคลื่อนแบบสมบูรณ์ คู่มือการจับคู่คอนโทรลเลอร์และมอเตอร์ ให้กรอบการทำงานที่ตรงกับข้อกำหนดที่จำเป็นในการเลือกชุดควบคุมและมอเตอร์ที่เข้ากันได้สำหรับแพลตฟอร์มยานพาหนะและเป้าหมายประสิทธิภาพที่กำหนด