ทำความเข้าใจความสัมพันธ์ระหว่างแรงลอเรนซ์กับมอเตอร์ซิงโครนัสแม่เหล็กถาวร

เนื่องจากการควบคุมมีความแม่นยำและมีประสิทธิภาพสูงมาก มอเตอร์ซิงโครนัสแม่เหล็กถาวร (PMSM) กลายเป็นสิ่งที่ขาดไม่ได้สำหรับอุตสาหกรรม หลักการพื้นฐานที่เรียบง่ายเบื้องหลังปฏิสัมพันธ์ระหว่างสนามแม่เหล็กและกระแสไฟฟ้าคือแรงลอเรนซ์ แรงลอเรนซ์เข้ามามีบทบาทอย่างไรในความสัมพันธ์กับ PMSM จะให้ความรู้ที่สำคัญสำหรับทั้งสองอุตสาหกรรม เพิ่มประสิทธิภาพการทำงานของมอเตอร์และบรรลุโซลูชั่นการประหยัดพลังงานเอกสารนี้จะสรุปหลักพื้นฐานของแรงลอเรนทซ์ การทำงานของ PMSM และความเข้าใจที่ลึกซึ้งยิ่งขึ้นและผลที่ตามมาจากมุมมองเชิงสัมพันธ์

ความรู้พื้นฐานของ Lorentz Force

แรงลอเรนซ์เป็นแนวคิดพื้นฐานอย่างหนึ่งของแม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งคำนึงถึงปฏิสัมพันธ์ระหว่างสนามแม่เหล็กกับกระแสไฟฟ้า ปรากฏการณ์นี้ได้รับการอธิบายโดยนักฟิสิกส์ชาวดัตช์ เฮนดริก ลอเรนซ์ ในช่วงปลายศตวรรษที่ 19 และได้รับการตั้งชื่อตามเขามาจนถึงปัจจุบัน

แรงลอเรนซ์เป็นพื้นฐานของแรงที่กระทำต่ออนุภาคที่มีประจุซึ่งเคลื่อนที่ในสนามแม่เหล็ก แรงนี้มีผลโดยตรงต่อความแรงของสนามแม่เหล็ก ประจุที่กระทำต่ออนุภาค และความเร็วของอนุภาค จากกฎมือขวา ทิศทางของแรงนี้จะตั้งฉากกับทั้งสนามแม่เหล็กและทิศทางของความเร็วของอนุภาค

แรงลอเรนซ์เป็นแรงหลักที่ส่งผลต่อการเคลื่อนที่และแรงบิดใน PMSM PMSM ประกอบด้วยสเตเตอร์ที่มีคอยล์และโรเตอร์ที่มีแม่เหล็กถาวร เมื่อกระแสไฟฟ้าไหลผ่านคอยล์สเตเตอร์ สนามแม่เหล็กที่เกิดขึ้นจะโต้ตอบกับสนามแม่เหล็กของแม่เหล็กโรเตอร์และสร้างแรงที่ทำให้โรเตอร์หมุน

หากต้องการทำความเข้าใจว่าแรงลอเรนซ์ส่งผลต่อการทำงานของมอเตอร์ซิงโครนัสแม่เหล็กถาวรอย่างไร เรามาทำความเข้าใจหลักการพื้นฐานของการสร้างแรงแม่เหล็กไฟฟ้ากันก่อน หลักการเบื้องหลังการสร้างแรงแม่เหล็กไฟฟ้านั้นโดยพื้นฐานแล้วคือปฏิสัมพันธ์ระหว่างสนามแม่เหล็กและกระแสไฟฟ้า เมื่อใดก็ตามที่กระแสไฟฟ้าไหลผ่านตัวนำ เช่น สายไฟ จะเกิดสนามแม่เหล็กขึ้น อย่างไรก็ตาม เมื่อใดก็ตามที่ตัวนำไหลผ่านสนามแม่เหล็ก กระแสไฟฟ้าก็จะถูกเหนี่ยวนำ

กฎสองข้อที่เป็นพื้นฐานของทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้าที่ควบคุมความสัมพันธ์ระหว่างสนามแม่เหล็กและกระแสไฟฟ้า ได้แก่ กฎของแอมแปร์และกฎของฟาราเดย์ ตามกฎของแอมแปร์ สนามแม่เหล็กที่เกิดจากกระแสไฟฟ้าจะแปรผันตรงกับขนาดของกระแสไฟฟ้าและแปรผกผันกับระยะห่างจากตัวนำ กฎของฟาราเดย์ระบุว่าการเปลี่ยนแปลงของฟลักซ์ที่เกี่ยวข้องกับตัวนำจะเหนี่ยวนำกระแสไฟฟ้าในตัวนำเดียวกัน โดยรวมแล้ว ชุดกฎเหล่านี้อธิบายพื้นฐานเกี่ยวกับแรงแม่เหล็กไฟฟ้าที่อาจเกิดขึ้นในการทำงานของ PMSM ใน PMSM ขดลวดสเตเตอร์ใช้รูปแบบการจัดเรียงบางอย่างในการพันรอบโรเตอร์ด้วยสนามแม่เหล็กหมุน และด้วยเหตุนี้จึงโต้ตอบกับสนามแม่เหล็กของโรเตอร์เมื่อหยุดนิ่ง สนามแม่เหล็กนี้สร้างแรงบิดบนโรเตอร์เพื่อหมุน ทำให้เกิดการขับเคลื่อนแบบหมุนสำหรับเพลาส่งออกของโรเตอร์

ขนาดของแรงลอเรนซ์ที่เกิดขึ้นในมอเตอร์นั้นถูกกำหนดโดยขนาดของสนามแม่เหล็กและกระแสในขดลวดสเตเตอร์ รูปทรงและการจัดเรียงของขดลวดสเตเตอร์ยังมีความสำคัญต่อการกำหนดประสิทธิภาพของมอเตอร์ ตัวอย่างเช่น จำนวนขั้วบนสเตเตอร์และโรเตอร์มีอิทธิพลต่อรูปร่างของเส้นโค้งความเร็วเทียบกับแรงบิดของมอเตอร์ ในทำนองเดียวกัน การใช้แม่เหล็กถาวรประเภทต่างๆ ส่งผลกระทบต่อระดับฟลักซ์แม่เหล็ก และด้วยเหตุนี้จึงส่งผลต่อประสิทธิภาพโดยรวมของมอเตอร์ด้วย

หลักการทำงานของ PMSM

PMSM คือเครื่องจักรไฟฟ้าชนิดหนึ่งที่สามารถใช้งานได้หลากหลายตั้งแต่เครื่องจักรในอุตสาหกรรมไปจนถึงยานยนต์ไฟฟ้าล้วน เครื่องจักรชนิดนี้ยังได้รับความนิยมในอุตสาหกรรมต่างๆ มากมาย เนื่องจากมีประสิทธิภาพสูง ควบคุมได้อย่างแม่นยำ และมีขนาดกะทัดรัด การทำความเข้าใจว่า PMSM ทำงานอย่างไรจึงมีความสำคัญอย่างยิ่งในการใช้ประโยชน์จากศักยภาพทั้งหมดของเครื่องจักรได้อย่างมีประสิทธิภาพ

ใน PMSM ชิ้นส่วนสเตเตอร์และโรเตอร์จะโต้ตอบกัน สเตเตอร์ประกอบด้วยขดลวดจำนวนมากที่พันในลักษณะเฉพาะ ในขณะที่โรเตอร์ประกอบด้วยแม่เหล็กถาวร แม่เหล็กถาวรเหล่านี้จึงให้สนามแม่เหล็กคงที่ที่โต้ตอบกับสนามแม่เหล็กที่เปลี่ยนแปลงไปซึ่งกำหนดโดยสเตเตอร์

หลักการทำงานของ PMSM คือการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า สนามแม่เหล็กที่เปลี่ยนแปลงตามเวลาจะถูกสร้างขึ้นใน PMSM โดยการไหลของกระแสไฟฟ้าผ่านขดลวดสเตเตอร์ ตามกฎการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าของฟาราเดย์ สนามแม่เหล็กที่เปลี่ยนแปลงตามเวลาจะเหนี่ยวนำกระแสไฟฟ้าในโรเตอร์ กระแสไฟฟ้าที่เหนี่ยวนำนี้จะสร้างสนามแม่เหล็กที่โต้ตอบกับสนามแม่เหล็กของสเตเตอร์

ที่สำคัญกว่านั้น เป็นเพราะปฏิสัมพันธ์ที่เกิดขึ้นจากสนามแม่เหล็กที่แผ่ออกมาจากสเตเตอร์และโรเตอร์สร้างแรงบิด จึงทำให้หมุนได้ โดยทั่วไปแล้ว แรงลอเรนซ์จะอธิบายแรงที่เรียกว่าแรงลอเรนซ์ ซึ่งได้ให้คำจำกัดความไว้ก่อนหน้านี้ในหัวข้อก่อนหน้า โดยขนาดและทิศทางของแรงลอเรนซ์จะขึ้นอยู่กับความแรงของสนามแม่เหล็กในด้านหนึ่ง และรูปทรงเรขาคณิตและกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านขดลวดสเตเตอร์ในอีกด้านหนึ่ง

เซ็นเซอร์นี้ให้ข้อมูลตอบรับที่สำคัญเกี่ยวกับตำแหน่งและความเร็วของโรเตอร์เพื่อความแม่นยำในการควบคุม PMSM จึงมั่นใจได้ว่าการควบคุมที่แม่นยำนั้นสามารถทำได้จากข้อมูลที่ได้รับในแง่ของการตั้งค่าเวกเตอร์กระแสสเตเตอร์เพื่อให้ได้แรงบิดที่เหมาะสมที่สุดและประสิทธิภาพสูงสุด ประเภททั่วไปเหล่านี้ได้แก่ ตัวเข้ารหัส ตัวแก้ปัญหา และเซ็นเซอร์เอฟเฟกต์ฮอลล์

PMSM เปิดโอกาสให้ทำงานด้วยความเร็วแบบซิงโครนัส ความเร็วแบบซิงโครนัสหมายถึงความเร็วที่สนามแม่เหล็กหมุนของสเตเตอร์มีความเร็วใกล้เคียงกับความเร็วของโรเตอร์ การทำงานแบบซิงโครนัสนี้เกิดขึ้นได้จากการควบคุมความถี่และแอมพลิจูดของกระแสสเตเตอร์อย่างเหมาะสม จึงทำให้มอเตอร์มีประสิทธิภาพสูง

ความเร็วแบบซิงโครนัสของ PMSM ขึ้นอยู่กับจำนวนขั้วบนสเตเตอร์และโรเตอร์ จำนวนขั้วมีไว้เพื่อแสดงจำนวนคู่ขั้วเหนือ-ใต้ในมอเตอร์ ตัวอย่างเช่น มอเตอร์สี่ขั้วมีขั้วเหนือสองขั้วและขั้วใต้สองขั้วบนสเตเตอร์และโรเตอร์ จำนวนขั้วยังส่งผลต่อลักษณะความเร็ว-แรงบิดของมอเตอร์อีกด้วย จึงทำให้สามารถออกแบบให้เหมาะสมกับข้อกำหนดการใช้งานต่างๆ ได้

ข้อดีอื่นๆ ของ PMSM นอกเหนือจากประสิทธิภาพสูงและการควบคุมที่แม่นยำแล้ว ยังมีความหนาแน่นของพลังงานสูง ซึ่งเข้าใจได้ว่าเป็นความสามารถในการจ่ายพลังงานได้มากขึ้นด้วยขนาดที่เล็กลง PMSM มีช่วงการทำงานที่กว้าง ซึ่งหมายความว่าสามารถทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพที่ความเร็วและโหลดที่แตกต่างกัน นอกจากนี้ PMSM ยังสร้างความร้อนน้อยกว่าและต้องการการบำรุงรักษาน้อยกว่ามอเตอร์ประเภทอื่น ซึ่งเมื่อผ่านไประยะหนึ่งก็แปลว่าประหยัดต้นทุนได้

หลักการพื้นฐานของมอเตอร์ซิงโครนัสแม่เหล็กถาวรจึงมักอาศัยความสัมพันธ์ระหว่างสนามแม่เหล็กสเตเตอร์และโรเตอร์ที่เกิดจากแรงลอเรนซ์ การควบคุมกระแสสเตเตอร์อย่างเหมาะสมจะทำให้มอเตอร์ปรับความเร็วและแรงบิดได้อย่างแม่นยำ

ความสัมพันธ์ระหว่าง Lorentz Force และ PMSM

ใน PMSM แรงลอเรนซ์มีบทบาทสำคัญในการทำงานของมอเตอร์ เนื่องจากแรงนี้ โรเตอร์ของมอเตอร์จึงหมุนโดยโต้ตอบกับสนามแม่เหล็กที่สร้างขึ้นโดยทั้งสเตเตอร์และส่วนของโรเตอร์

ในกรณีของ PMSM สเตเตอร์ประกอบด้วยคอยล์ เนื่องจากมีกระแสไหลในคอยล์เหล่านี้ สนามแม่เหล็กที่เกิดจากสเตเตอร์จะถูกสร้างขึ้นตามกฎการใช้งานของแอมแปร์ สเตเตอร์ทำจากแม่เหล็กถาวรและมีสนามแม่เหล็กคงที่ เมื่อมอเตอร์เริ่มทำงาน แรงลอเรนซ์จะเกิดขึ้นเนื่องจากการรบกวนของสนามแม่เหล็กทั้งสอง แรงลอเรนซ์ที่กระทำต่ออนุภาคที่มีประจุที่เคลื่อนที่ในสนามแม่เหล็กนั้นกำหนดโดย F = q(vx B)

สมการพื้นฐานดังกล่าวสำหรับปรากฏการณ์แม่เหล็กไฟฟ้าคือ โดยที่ F คือแรงของลอเรนทซ์ ซึ่งเป็นประจุของอนุภาคที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็ว v ที่เวกเตอร์สนามแม่เหล็ก โดยที่ PMSM มักจะเคลื่อนย้ายอนุภาคที่มีประจุซึ่งอยู่ในรูปของอิเล็กตรอนที่ไหลจริงผ่านคอยล์สเตเตอร์ ในขณะที่สนามแม่เหล็กคือผลรวมจากสนามที่สเตเตอร์สร้างขึ้นไปยังโรเตอร์

แรงลอเรนซ์จะตั้งฉากกับสนามแม่เหล็กและทิศทางการเคลื่อนที่ของอนุภาคที่มีประจุเสมอ ในขณะที่การกำหนดแรงลอเรนซ์จะปฏิบัติตามกฎมือขวา ที่จริงแล้ว แรงบิดเกิดขึ้นระหว่างการหมุนใน PMSM เนื่องจากแรงนี้ ขนาดของแรงนี้ขึ้นอยู่กับหลายปัจจัย เช่น ความแรงของสนามแม่เหล็ก ประจุของอนุภาค ซึ่งสัมพันธ์กับกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านขดลวดสเตเตอร์ และความเร็วของอนุภาค ซึ่งสัมพันธ์กับความเร็วของโรเตอร์

การอภิปรายต่อไปนี้จะอธิบายว่าแรงลอเรนซ์เกี่ยวข้องกับมอเตอร์ซิงโครนัสแม่เหล็กถาวรอย่างไร โดยคำนึงถึงการทำงานในโหมดต่างๆ ในโหมดการขับเคลื่อนมอเตอร์ซึ่งมอเตอร์ได้รับพลังงาน ทิศทางของแรงลอเรนซ์จะตรงข้ามกับทิศทางของแรงบิดของโหลด ดังนั้น จึงสามารถโต้ตอบและขับเคลื่อนโหลดเชิงกลด้วยมอเตอร์ได้

ในโหมดเครื่องกำเนิดไฟฟ้า ขณะชะลอหรือเบรกมอเตอร์ โหลดทางกลจะใช้แรงบิดในทิศทางตรงข้ามกับโรเตอร์กับการหมุน ในช่วงเวลานั้น แรงลอเรนซ์จะทำหน้าที่ในทิศทางของการลดความเร็วและสร้างพลังงานไฟฟ้าที่สามารถป้อนกลับเข้าไปในระบบจ่ายไฟได้ ความสามารถในการเบรกแบบสร้างพลังงานใหม่นี้เป็นหนึ่งในข้อได้เปรียบหลักของ PMSM เนื่องจากช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการใช้พลังงานโดยรวม

ความสัมพันธ์ระหว่างแรงลอเรนซ์ สนามแม่เหล็ก และกระแสไฟฟ้าสามารถปรับให้เหมาะสมได้ในลักษณะที่จะทำให้มอเตอร์ทำงานได้อย่างเต็มประสิทธิภาพ โดยการเปลี่ยนปริมาณกระแสไฟฟ้าที่ผ่านขดลวดสเตเตอร์ จะทำให้ความเข้มของสนามแม่เหล็กเปลี่ยนแปลงไป ซึ่งจะส่งผลต่อขนาดของแรงลอเรนซ์และแรงบิดที่เกิดขึ้นอย่างเห็นได้ชัด จึงทำให้ควบคุมความเร็วและตำแหน่งได้อย่างแม่นยำด้วยการควบคุมขนาดของแรงลอเรนซ์อย่างแม่นยำ จึงทำให้มอเตอร์ทำงานได้อย่างราบรื่นและมีประสิทธิภาพ

กล่าวคือ ในการออกแบบมอเตอร์ จำนวนขั้วของสเตเตอร์และโรเตอร์มีผลต่อแรงลอเรนซ์ และโดยพื้นฐานแล้วก็คือประสิทธิภาพของมอเตอร์ จำนวนขั้วจะกำหนดลักษณะความเร็วและแรงบิดของมอเตอร์ ยิ่งจำนวนขั้วมากขึ้น ความเร็วก็จะยิ่งลดลงแต่แรงบิดก็จะสูงขึ้น ยิ่งจำนวนขั้วน้อยลง ความเร็วก็จะยิ่งสูงขึ้นแต่แรงบิดก็จะต่ำลง ความยืดหยุ่นในการออกแบบนี้ทำให้วิศวกรสามารถปรับแต่ง PMSM ให้เหมาะกับความต้องการของการใช้งานได้

นี่อีกนัยหนึ่งหมายความว่าแรงลอเรนซ์ซึ่งเป็นส่วนประกอบของกลไกขับเคลื่อนของ  มอเตอร์ซิงโครนัสแม่เหล็กถาวร การหมุนจึงเกิดขึ้นในลักษณะปฏิสัมพันธ์ระหว่างสนามแม่เหล็กที่สร้างขึ้นโดยส่วนประกอบของสเตเตอร์และโรเตอร์ ในขณะที่แรงลอเรนซ์ซึ่งสัมพันธ์กับ PMSM โดยทั่วไปทำให้สามารถควบคุมได้อย่างแม่นยำเพื่อให้ได้ประสิทธิภาพที่มีประสิทธิภาพ ข้อได้เปรียบหลักคือประสิทธิภาพสูง ขนาดเล็ก และการเบรกแบบสร้างพลังงานใหม่ ซึ่งเป็นข้อเท็จจริงที่อธิบายถึงความนิยมในการใช้งานในอุตสาหกรรมและยานยนต์ เนื่องจากเชื่อถือได้และให้ความหนาแน่นของพลังงานสูง โดยใช้หลักการของแรงลอเรนซ์ในการใช้งาน วิศวกรจึงออกแบบและปรับปรุงโทโพโลยี PMSM เพิ่มเติมเพื่อตอบสนองความต้องการเฉพาะ ซึ่งจะช่วยให้สามารถอัปเกรดระบบขับเคลื่อนไฟฟ้าหรือระบบประหยัดพลังงานได้มากขึ้น