ส่วนประกอบและหลักการทำงานของมอเตอร์

เครื่องยนต์ เป็นอุปกรณ์แม่เหล็กไฟฟ้าที่แปลงหรือส่งพลังงานไฟฟ้าตามกฎการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า มอเตอร์ไฟฟ้าสามารถจัดเป็นมอเตอร์ไฟฟ้าและเครื่องกำเนิดไฟฟ้า มอเตอร์ไฟฟ้าจะแสดงด้วยตัวอักษร M ในวงจร หน้าที่หลักคือสร้างแรงบิดในการขับเคลื่อนเพื่อเป็นแหล่งพลังงานให้กับเครื่องใช้ไฟฟ้าหรือเครื่องจักรต่างๆ ก เครื่องกำเนิดไฟฟ้า แสดงด้วยตัวอักษร G ในวงจร หน้าที่หลักคือการแปลงพลังงานกลเป็นพลังงานไฟฟ้า

ส่วนประกอบของมอเตอร์

มอเตอร์ไฟฟ้ามีชิ้นส่วนกลไกสองส่วน: โรเตอร์และสเตเตอร์ นอกจากนี้ยังมีชิ้นส่วนไฟฟ้าสองชิ้น: แม่เหล็กและกระดอง โดยชิ้นหนึ่งเชื่อมต่อกับโรเตอร์และอีกชิ้นเชื่อมต่อกับสเตเตอร์ แม่เหล็กจะสร้างสนามแม่เหล็กที่ผ่านกระดอง แม่เหล็กเหล่านี้อาจเป็นแม่เหล็กไฟฟ้าหรือแม่เหล็กถาวร แม่เหล็กสนามแม่เหล็กมักจะอยู่ที่สเตเตอร์ ในขณะที่กระดองจะอยู่ที่โรเตอร์ อย่างไรก็ตาม ทั้งสองอาจกลับกันได้เช่นกัน

ตลับ

โรเตอร์รองรับด้วยแบริ่ง ตลับลูกปืนจะส่งแรงในแนวแกนและแนวรัศมีจากเพลาไปยังตัวเรือนมอเตอร์ ดังนั้นจึงหมุนโรเตอร์บนเพลา

ปีกหมุนของเฮลิคอปเตอร์

โรเตอร์เป็นส่วนที่เคลื่อนไหวซึ่งให้กำลังทางกล โรเตอร์มักจะติดตั้งตัวนำไฟฟ้าที่นำพากระแสไฟฟ้า สนามแม่เหล็กของสเตเตอร์จะออกแรงกระทำต่อตัวนำ ส่งผลให้เพลาหมุน โรเตอร์บางตัวมีแม่เหล็กถาวร แม่เหล็กถาวรมีประสิทธิภาพสูงในช่วงความเร็วและกำลังการทำงานที่หลากหลาย

ช่องว่างอากาศ

ช่องว่างอากาศระหว่างสเตเตอร์และโรเตอร์ช่วยให้สามารถหมุนได้ ความกว้างของช่องว่างอากาศมีผลอย่างมากต่อลักษณะทางไฟฟ้าของมอเตอร์ โดยทั่วไป ยิ่งช่องว่างอากาศเล็กลง ประสิทธิภาพของมอเตอร์ก็จะยิ่งดีขึ้นเท่านั้น เนื่องจากช่องว่างอากาศที่มากเกินไปทำให้ประสิทธิภาพลดลง ในทางกลับกัน ช่องว่างอากาศที่เล็กเกินไปสามารถสร้างแรงเสียดทานนอกเหนือจากเสียงรบกวนได้

เพลามอเตอร์ยื่นออกไปด้านนอกมอเตอร์เพื่อให้ตรงตามข้อกำหนดด้านโหลด เนื่องจากแรงของโหลดขยายเกินแบริ่งด้านนอกสุด จึงเรียกว่าโหลดแบบแขวนลอย

สเตเตอร์

Tสเตเตอร์ถูกวางตำแหน่งรอบๆ โรเตอร์และโดยทั่วไปจะรวมเอาสนามแม่เหล็กเข้าด้วยกัน ซึ่งอาจเป็นแม่เหล็กถาวรหรือแม่เหล็กไฟฟ้า (ประกอบด้วยขดลวดรอบแกนเฟอร์โรแมกเนติก) แม่เหล็กเหล่านี้สร้างสนามแม่เหล็กที่แทรกซึมเข้าไปในกระดองของโรเตอร์และสร้างแรงกระทำต่อขดลวดของโรเตอร์ แกนสเตเตอร์ประกอบด้วยแผ่นโลหะฉนวนบางหลายแผ่นที่เรียกว่าการเคลือบ ซึ่งทำจากเหล็กไฟฟ้าซึ่งมีคุณสมบัติเฉพาะ เช่น การซึมผ่าน ฮิสเทรีซิส และความอิ่มตัว หากใช้แกนแข็ง กระแสเอ็ดดี้จะเกิดขึ้น แต่ผลกระทบนี้จะลดลงโดยการซ้อนแผ่นเข้าด้วยกัน สำหรับมอเตอร์ AC ที่ขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้าหลัก ตัวนำในขดลวดจะถูกเคลือบด้วยสารเคลือบเงาในสุญญากาศเพื่อป้องกันการสั่นสะเทือนของสายไฟ ซึ่งอาจทำให้ฉนวนสึกกร่อนและลดอายุการใช้งานของมอเตอร์ ในทางตรงกันข้าม มอเตอร์ที่ห่อหุ้มด้วยเรซินที่พบในปั๊มจุ่มบ่อน้ำลึก เครื่องซักผ้า และเครื่องปรับอากาศจะมีสเตเตอร์หุ้มด้วยเม็ดพลาสติก ซึ่งช่วยป้องกันการกัดกร่อนและลดเสียงรบกวน

กระดอง

กระดองประกอบด้วยลวดพันรอบแกนเฟอร์โรแมกเนติก เมื่อกระแสไหลผ่านสายไฟ สนามแม่เหล็กจะออกแรง (แรงลอเรนซ์) ซึ่งทำให้โรเตอร์หมุน ขดลวดเป็นขดลวดพันรอบแกนเฟอร์โรแมกเนติกเหล็กอ่อนเคลือบ ซึ่งเมื่อได้รับพลังงานจะเกิดเป็นขั้วแม่เหล็ก

มอเตอร์แบ่งออกเป็นสองรูปแบบ มีและไม่มีขั้วแม่เหล็ก ในมอเตอร์โพลเกลือ แกนเฟอร์โรแมกเนติกของโรเตอร์และสเตเตอร์มีเส้นโครงที่เรียกว่าโพลหันหน้าเข้าหากัน สายไฟพันรอบเสาแต่ละอันใต้หน้าเสา เมื่อกระแสไหลผ่านสายไฟ ขั้วเหล่านี้จะกลายเป็นขั้วเหนือและขั้วใต้ ในมอเตอร์แบบเสาไม่เอียง (สนามแบบกระจายหรือโรเตอร์แบบวงกลม) แกนเฟอร์โรแมกเนติกจะเป็นทรงกระบอกเรียบ ขดลวดมีการกระจายเท่าๆ กันในช่องรอบๆ เส้นรอบวง กระแสสลับในขดลวดจะสร้างขั้วแม่เหล็กที่หมุนอย่างต่อเนื่องในแกนกลาง โพลมอเตอร์ที่แรเงามีการพันรอบขั้วบางส่วนซึ่งทำให้เฟสของสนามแม่เหล็กที่ขั้วนั้นล่าช้า

สับเปลี่ยน

คอมมิวเตเตอร์คือสวิตช์ไฟฟ้าแบบหมุนที่จ่ายกระแสไฟฟ้าให้กับโรเตอร์ ตัวสับเปลี่ยนจะกลับกระแสในขดลวดโรเตอร์เป็นระยะในขณะที่เพลาหมุน คอมมิวเตเตอร์ประกอบด้วยกระบอกสูบซึ่งประกอบด้วยส่วนสัมผัสโลหะหลายส่วนบนกระดอง กดกับตัวสับเปลี่ยนคือหน้าสัมผัสทางไฟฟ้าตั้งแต่ 180 อันขึ้นไปเรียกว่า "แปรง" ที่ทำจากวัสดุนำไฟฟ้าอ่อน เช่น คาร์บอน เมื่อโรเตอร์หมุน แปรงจะเลื่อนสัมผัสกับส่วนสับเปลี่ยนต่อเนื่องกัน เพื่อจ่ายกระแสให้กับโรเตอร์ ขดลวดบนโรเตอร์เชื่อมต่อกับใบพัดสับเปลี่ยน แต่ละครึ่งรอบ (XNUMX°) ของตัวสับเปลี่ยนจะกลับทิศทางของกระแสในขดลวดโรเตอร์ ดังนั้นทิศทางของแรงบิดที่ส่งไปยังโรเตอร์จึงยังคงเหมือนเดิมเสมอ หากไม่มีการกลับด้านนี้ ทิศทางของแรงบิดบนขดลวดโรเตอร์จะกลับกันทุกๆ ครึ่งรอบ ดังนั้นจึงหยุดโรเตอร์ มอเตอร์สับเปลี่ยนส่วนใหญ่ถูกแทนที่ด้วยมอเตอร์ไร้แปรงถ่าน มอเตอร์แม่เหล็กถาวร และมอเตอร์เหนี่ยวนำ

การจ่ายและควบคุมมอเตอร์

อุปทานมอเตอร์

ตามที่กล่าวไว้ข้างต้น มอเตอร์กระแสตรงมักจะจ่ายผ่านตัวสับเปลี่ยนวงแหวนเปิด-ปิด มอเตอร์ AC สามารถสับเปลี่ยนได้โดยใช้ตัวสับเปลี่ยนแหวนสลิปหรือตัวสับเปลี่ยนภายนอก อาจเป็นประเภทการควบคุมความเร็วคงที่หรือแบบแปรผัน และสามารถเป็นแบบซิงโครนัสหรืออะซิงโครนัสได้ มอเตอร์เอนกประสงค์สามารถทำงานบน AC หรือ DC

ควบคุมมอเตอร์

มอเตอร์กระแสตรงสามารถทำงานที่ความเร็วตัวแปรได้โดยการปรับแรงดันไฟฟ้าที่ใช้กับขั้วต่อหรือโดยการใช้การปรับความกว้างพัลส์ (PWM)

มอเตอร์ไฟฟ้ากระแสสลับที่ทำงานด้วยความเร็วคงที่มักจะได้รับพลังงานโดยตรงจากกริดหรือผ่านซอฟต์สตาร์ทของมอเตอร์ มอเตอร์ไฟฟ้ากระแสสลับที่ทำงานด้วยความเร็วหลายระดับได้รับพลังงานจากอินเวอร์เตอร์กำลัง ไดรฟ์ความถี่แปรผัน หรือเทคโนโลยีตัวสับเปลี่ยนอิเล็กทรอนิกส์

คำว่าการสับเปลี่ยนทางอิเล็กทรอนิกส์มักเกี่ยวข้องกับมอเตอร์กระแสตรงไร้แปรงถ่านที่สับเปลี่ยนเองและการใช้งานมอเตอร์แบบฝืนสวิตช์

ครูใหญ่

มอเตอร์ไฟฟ้าอาศัยสนามแม่เหล็กในการทำงาน สนามแม่เหล็กสามารถเกิดขึ้นได้จากแม่เหล็กหรือขดลวดรอบแกนแม่เหล็ก ทฤษฎีเริ่มต้นด้วยคำอธิบายของแรงแม่เหล็กบนลวดตัวนำกระแสไฟฟ้าที่สัมผัสกับสนามแม่เหล็ก แม่เหล็กสร้างสนามแม่เหล็กระหว่างขั้ว N และ S เส้นสนามแม่เหล็กออกมาจากขั้ว N และเข้าสู่ขั้ว S สนามแม่เหล็กนี้คงที่ ไม่มีความผันผวนในสนามแม่เหล็ก และดูเหมือนสนามแม่เหล็กกระแสตรง

เมื่อลวดที่มีกระแสไหลเข้าสู่สนามแม่เหล็ก ลวดนั้นจะถูกแรงแม่เหล็กจึงเคลื่อนที่ ขนาดของแรงแม่เหล็กขึ้นอยู่กับพารามิเตอร์จำนวนหนึ่งที่จะกล่าวถึงในบทความนี้ พารามิเตอร์แรกที่ส่งผลต่อแรงแม่เหล็กคือกระแสที่ไหลผ่านเส้นลวด ถ้ากระแสที่ไหลผ่านเส้นลวดเป็นศูนย์ จะไม่เกิดแรงใดๆ กับเส้นลวดและแรงจะสัมพันธ์กับกระแสโดยตรง ดังนั้นจึงสามารถเขียนสมการได้ดังนี้

(1) ฟ ∝ ฉัน

โดยที่ F คือแรงแม่เหล็ก และ I คือกระแสในเส้นลวด อีกพารามิเตอร์หนึ่งคือความยาวของเส้นลวดที่มองเห็นสนามแม่เหล็ก ความสัมพันธ์ระหว่างแรงแม่เหล็กกับความยาวของเส้นลวดที่ถูกเปิดเผยนั้นเรียบง่ายเช่นกัน และสามารถเขียนได้เป็น:

(2). ฉ ∝ ล

โดยที่ l คือความยาวของเส้นลวด พารามิเตอร์สุดท้ายคือความแรงของสนามแม่เหล็กซึ่งมีความสัมพันธ์โดยตรงกับแรงแม่เหล็กดังนี้:

(3) ฟ ∝ บี

พารามิเตอร์ทั้งสามนี้จะกำหนดค่าสูงสุดของแรงแม่เหล็กเมื่อสนามตั้งฉากกับเส้นลวด ดังนั้นการเบี่ยงเบนจากตำแหน่งตั้งฉากจะช่วยลดแรงบนเส้นลวด ซึ่งหมายความว่าแรงแม่เหล็กไม่ถึงค่าสูงสุด นี่เป็นเพราะมีมุมระหว่างสนามแม่เหล็กกับกระแสในตัวนำ

เมื่อพิจารณาพารามิเตอร์ทั้งหมดแล้ว สามารถคำนวณแรงแม่เหล็กได้จากสมการที่กำหนด :

(4) F=B·I·l·sinθ

ตอนนี้แทนที่จะมีตัวนำเพียงตัวเดียวระหว่างเสา กลับมีวงวนอยู่ ห่วงสามารถเป็นรูปทรงใดก็ได้ แต่เพื่อความเข้าใจที่ดีขึ้น สมมติว่าวงเป็นรูปสี่เหลี่ยมผืนผ้า ในกรณีนี้ แต่ละด้านของวงจะมีกระแสไฟฟ้าและอยู่ภายใต้แรงแม่เหล็ก ทิศทางของแรงหาได้จากกฎมือซ้าย

ในกฎนี้ นิ้วหัวแม่มืออยู่ในแนวเดียวกับแรงแม่เหล็ก นิ้วชี้ระบุสนามแม่เหล็ก และหลักตรงกลางระบุทิศทางของกระแส นิ้วทั้งหมดนี้ตั้งฉากกัน ตามสมการที่ 4 แรงแม่เหล็กจะเป็นศูนย์เมื่อกระแสไฟฟ้าที่พาไปนั้นขนานกับสนามแม่เหล็ก ดังนั้นแรงแม่เหล็กที่กระทำต่อ BC และ AD จึงเป็นศูนย์

ในกรณีนี้ เฉพาะ AB และ CD เท่านั้นที่ถูกแม่เหล็ก การใช้กฎมือซ้ายกับเส้นทาง AB และ CD ทิศทางของแรงแม่เหล็กจะเพิ่มขึ้นสำหรับเส้นทาง AB และลงสำหรับเส้นทาง CD แรงที่ตรงกันข้ามทั้งสองนี้ทำให้วงหมุน อย่างไรก็ตาม การหมุนไม่สามารถทำได้สำเร็จเนื่องจากทิศทางของกระแสในวงรอบยังคงเหมือนเดิม ซึ่งหมายความว่าเมื่อลูปตั้งฉากกับสนามแม่เหล็ก ก็จะเป็นตำแหน่งที่มั่นคงของลูป ในตำแหน่งนี้ แรงขึ้นและลงจะทำให้กันและกันเป็นกลาง และห่วงลวดจะไม่สามารถเคลื่อนที่ได้ เพื่อแก้ปัญหานี้ ทิศทางของกระแสในลูปจะต้องเปลี่ยนเส้นทางที่แต่ละครึ่งรอบของการหมุนเพื่อให้ลูปลวดหมุนได้ นอกจากนี้ความเฉื่อยจะช่วยให้ห่วงลวดยังคงหมุนและผ่านตำแหน่งที่มั่นคง