เมื่อวิศวกรเผชิญกับความท้าทายในการออกแบบอุปกรณ์ไฟฟ้าเพื่อทำงานด้านกลไก พวกเขาอาจคิดว่าสัญญาณไฟฟ้าแปลงเป็นพลังงานได้อย่างไร ดังนั้นแอคทูเอเตอร์และมอเตอร์จึงเป็นหนึ่งในอุปกรณ์ที่แปลงสัญญาณไฟฟ้าให้เป็นการเคลื่อนที่ มอเตอร์แลกเปลี่ยนพลังงานไฟฟ้าเป็นพลังงานกล

มอเตอร์ประเภทที่ง่ายที่สุดคือมอเตอร์กระแสตรงแบบมีแปรงถ่าน ในมอเตอร์ประเภทนี้ กระแสไฟฟ้าจะถูกส่งผ่านขดลวดที่จัดเรียงอยู่ภายในสนามแม่เหล็กคงที่ กระแสจะสร้างสนามแม่เหล็กในขดลวด สิ่งนี้ทำให้ชุดคอยล์หมุนเนื่องจากแต่ละคอยล์ถูกผลักออกจากขั้วที่คล้ายกันและดึงไปยังขั้วที่ไม่เหมือนของสนามคงที่ เพื่อรักษาการหมุน จำเป็นต้องกลับกระแสอย่างต่อเนื่อง เพื่อที่ขั้วของคอยล์จะพลิกอย่างต่อเนื่อง ส่งผลให้คอยล์ "ไล่" ต่อไปในขั้วที่แตกต่างจากขั้วคงที่ กำลังของคอยล์นั้นจ่ายผ่านแปรงนำไฟฟ้าแบบคงที่ซึ่งสัมผัสกับตัวสับเปลี่ยนที่หมุนได้ มันคือการหมุนของตัวสับเปลี่ยนที่ทำให้เกิดการกลับกระแสผ่านขดลวด ตัวสับเปลี่ยนและแปรงเป็นส่วนประกอบสำคัญที่ทำให้มอเตอร์กระแสตรงแบบมีแปรงถ่านแตกต่างจากมอเตอร์ประเภทอื่นๆ รูปที่ 1 แสดงหลักการทั่วไปของมอเตอร์แบบมีแปรงถ่าน

รูปที่ 1: การทำงานของมอเตอร์กระแสตรงแบบมีแปรงถ่าน

แปรงคงที่จ่ายพลังงานไฟฟ้าให้กับตัวสับเปลี่ยนที่กำลังหมุน ในขณะที่เครื่องสับเปลี่ยนหมุน มันจะพลิกทิศทางของกระแสเข้าไปในขดลวดอย่างต่อเนื่อง โดยกลับขั้วของขดลวดเพื่อให้ขดลวดคงการหมุนไปทางขวา คอมมิวเตเตอร์หมุนเพราะมันติดอยู่กับโรเตอร์ที่ติดตั้งคอยล์อยู่

ตามชื่อของมัน มอเตอร์ DC แบบไร้แปรงถ่านไม่ใช้แปรง ด้วยมอเตอร์แบบมีแปรงถ่าน แปรงจะส่งกระแสผ่านตัวสับเปลี่ยนไปยังขดลวดบนโรเตอร์ แล้วมอเตอร์ไร้แปรงถ่านจะส่งกระแสไปยังคอยล์โรเตอร์ได้อย่างไร? ไม่ได้ เพราะคอยล์ไม่ได้อยู่บนโรเตอร์ โรเตอร์เป็นแม่เหล็กถาวรแทน ขดลวดไม่หมุน แต่จะถูกยึดเข้ากับสเตเตอร์แทน เนื่องจากขดลวดไม่เคลื่อนที่จึงไม่จำเป็นต้องมีแปรงและตัวสับเปลี่ยน (ดูรูปที่ 3)

ด้วยมอเตอร์แบบมีแปรงถ่าน การหมุนสามารถทำได้โดยการควบคุมสนามแม่เหล็กที่เกิดจากขดลวดบนโรเตอร์ ในขณะที่สนามแม่เหล็กที่เกิดจากแม่เหล็กที่อยู่นิ่งจะยังคงคงที่ หากต้องการเปลี่ยนความเร็วในการหมุน คุณต้องเปลี่ยนแรงดันไฟฟ้าของคอยล์ ด้วยมอเตอร์ BLDC จะเป็นแม่เหล็กถาวรที่หมุน การหมุนทำได้โดยการเปลี่ยนทิศทางของสนามแม่เหล็กที่เกิดจากขดลวดที่อยู่รอบๆ เพื่อควบคุมการหมุน คุณจะต้องปรับขนาดและทิศทางของกระแสลงในขดลวดเหล่านี้

เนื่องจากโรเตอร์เป็นแม่เหล็กถาวร จึงไม่จำเป็นต้องมีกระแสไฟฟ้า จึงไม่ต้องใช้แปรงและตัวสับเปลี่ยน กระแสไฟไปยังคอยล์คงที่จะถูกควบคุมจากภายนอก

มอเตอร์ BLDC ที่มีขดลวดสามเส้นอยู่บนสเตเตอร์จะมีสายไฟหกเส้น (สองเส้นต่อขดลวดแต่ละเส้น) ที่ยื่นออกมาจากขดลวดเหล่านี้ ในการใช้งานส่วนใหญ่ สายไฟเหล่านี้สามเส้นจะเชื่อมต่อกันภายใน โดยสายไฟที่เหลืออีกสามเส้นจะยื่นออกมาจากตัวมอเตอร์ (ตรงกันข้ามกับสายไฟสองเส้นที่ต่อจากมอเตอร์แบบมีแปรงถ่านที่อธิบายไว้ก่อนหน้านี้) การเดินสายไฟในกล่องมอเตอร์ BLDC มีความซับซ้อนมากกว่าการต่อขั้วบวกและขั้วลบของเซลล์กำลัง เราจะมาดูอย่างใกล้ชิดมากขึ้นว่ามอเตอร์เหล่านี้ทำงานอย่างไรในช่วงที่สองของซีรี่ส์นี้ ด้านล่างนี้เราสรุปโดยพิจารณาถึงข้อดีของมอเตอร์ BLDC

ข้อได้เปรียบที่สำคัญประการหนึ่งคือประสิทธิภาพ เนื่องจากมอเตอร์เหล่านี้สามารถควบคุมได้อย่างต่อเนื่องที่แรงหมุนสูงสุด (แรงบิด) ในทางตรงกันข้าม มอเตอร์แบบมีแปรงถ่านจะมีแรงบิดสูงสุดที่จุดใดจุดหนึ่งของการหมุนเท่านั้น เพื่อให้มอเตอร์แบบมีแปรงถ่านให้แรงบิดเท่ากับรุ่นไร้แปรงถ่าน จะต้องใช้แม่เหล็กที่มีขนาดใหญ่กว่า นี่คือสาเหตุที่แม้แต่มอเตอร์ BLDC ขนาดเล็กก็สามารถส่งกำลังได้มาก

ข้อได้เปรียบใหญ่ประการที่สอง—ที่เกี่ยวข้องกับข้อแรก—คือความสามารถในการควบคุม สามารถควบคุมมอเตอร์ BLDC ได้โดยใช้กลไกป้อนกลับ เพื่อส่งแรงบิดและความเร็วในการหมุนที่ต้องการอย่างแม่นยำ การควบคุมที่แม่นยำจะช่วยลดการใช้พลังงานและการสร้างความร้อน และในกรณีที่มอเตอร์ใช้พลังงานจากแบตเตอรี่ จะช่วยยืดอายุการใช้งานแบตเตอรี่

มอเตอร์ BLDC ยังมีความทนทานสูงและเกิดเสียงรบกวนทางไฟฟ้าต่ำ เนื่องจากไม่มีแปรง เมื่อใช้มอเตอร์แบบมีแปรง แปรงและตัวสับเปลี่ยนจะสึกหรอลงอันเป็นผลมาจากการสัมผัสที่เคลื่อนที่อย่างต่อเนื่อง และยังทำให้เกิดประกายไฟเมื่อมีการสัมผัสกัน โดยเฉพาะสัญญาณรบกวนทางไฟฟ้านั้นเป็นผลมาจากประกายไฟที่รุนแรงซึ่งมักจะเกิดขึ้นในบริเวณที่แปรงผ่านช่องว่างในตัวสับเปลี่ยน นี่คือสาเหตุที่มอเตอร์ BLDC มักถูกมองว่าดีกว่าในการใช้งานที่จำเป็นต้องหลีกเลี่ยงสัญญาณรบกวนทางไฟฟ้า

เราได้เห็นแล้วว่ามอเตอร์ BLDC มีประสิทธิภาพและความสามารถในการควบคุมสูง และมีอายุการใช้งานยาวนาน แล้วพวกเขามีประโยชน์อะไร? เนื่องจากมีประสิทธิภาพและอายุการใช้งานยาวนาน จึงมีการใช้กันอย่างแพร่หลายในอุปกรณ์ที่ทำงานอย่างต่อเนื่อง มีการใช้กันมานานในเครื่องซักผ้า เครื่องปรับอากาศ และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์อื่นๆ และเมื่อไม่นานมานี้ พวกมันปรากฏตัวต่อหน้าแฟนๆ ซึ่งประสิทธิภาพสูงช่วยลดการใช้พลังงานลงอย่างมาก

พวกมันยังถูกใช้เพื่อขับเคลื่อนเครื่องดูดฝุ่นอีกด้วย ในกรณีหนึ่ง การเปลี่ยนแปลงในโปรแกรมควบคุมส่งผลให้ความเร็วในการหมุนเพิ่มขึ้นอย่างมาก ซึ่งเป็นตัวอย่างของความสามารถในการควบคุมขั้นสูงสุดที่นำเสนอโดยมอเตอร์เหล่านี้

นอกจากนี้ มอเตอร์ BLDC ยังถูกใช้เพื่อหมุนฮาร์ดดิสก์ไดรฟ์ ซึ่งความทนทานของมอเตอร์ช่วยให้ไดรฟ์ทำงานได้อย่างน่าเชื่อถือในระยะยาว ในขณะที่ประสิทธิภาพการใช้พลังงานมีส่วนช่วยลดพลังงานในพื้นที่ที่สิ่งนี้มีความสำคัญมากขึ้นเรื่อยๆ

เราคาดหวังว่าจะได้เห็นมอเตอร์ BLDC นำไปใช้งานในวงกว้างมากขึ้นในอนาคต ตัวอย่างเช่น พวกมันอาจจะถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในการขับเคลื่อนหุ่นยนต์บริการ ซึ่งเป็นหุ่นยนต์ขนาดเล็กที่ให้บริการในสาขาอื่นนอกเหนือจากการผลิต บางคนอาจคิดว่าสเต็ปเปอร์มอเตอร์จะเหมาะสมกว่าในการใช้งานประเภทนี้ ซึ่งสามารถใช้พัลส์เพื่อควบคุมตำแหน่งได้อย่างแม่นยำ แต่มอเตอร์ BLDC เหมาะกับการควบคุมแรงมากกว่า และเมื่อใช้สเต็ปเปอร์มอเตอร์ การยึดตำแหน่งของโครงสร้าง เช่น แขนหุ่นยนต์ จะต้องอาศัยกระแสที่ค่อนข้างสูงและต่อเนื่อง เมื่อใช้มอเตอร์ BLDC สิ่งที่จำเป็นต้องมีคือกระแสที่ได้สัดส่วนกับแรงภายนอก ช่วยให้สามารถควบคุมพลังงานได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น มอเตอร์ BLDC อาจเข้ามาแทนที่มอเตอร์กระแสตรงแบบมีแปรงถ่านธรรมดาในรถกอล์ฟและรถลาก นอกจากประสิทธิภาพที่ดีขึ้นแล้ว มอเตอร์ BLDC ยังให้การควบคุมที่แม่นยำยิ่งขึ้น ซึ่งจะทำให้อายุการใช้งานแบตเตอรี่ยาวนานขึ้น

มอเตอร์ BLDC ยังเหมาะสำหรับโดรนอีกด้วย ความสามารถในการควบคุมที่แม่นยำทำให้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับโดรนหลายใบพัด โดยที่ทัศนคติของโดรนจะถูกควบคุมโดยการควบคุมความเร็วการหมุนของโรเตอร์แต่ละตัวอย่างแม่นยำ

ในเซสชั่นนี้ เราได้เห็นว่ามอเตอร์ BLDC มีประสิทธิภาพ การควบคุม และอายุการใช้งานที่เป็นเลิศได้อย่างไร แต่การควบคุมอย่างระมัดระวังและเหมาะสมถือเป็นสิ่งสำคัญในการใช้ประโยชน์สูงสุดจากศักยภาพของมอเตอร์เหล่านี้ ในเซสชั่นหน้า เราจะมาดูว่ามอเตอร์เหล่านี้ทำงานอย่างไร