มอเตอร์กระแสสลับแบบไร้แปรงถ่านสามเฟสที่นิยมใช้ในปัจจุบัน (เช่น PMSM - มอเตอร์ซิงโครนัสแม่เหล็กถาวร ซึ่งใช้กันอย่างแพร่หลายในยานยนต์พลังงานใหม่และเครื่องใช้ไฟฟ้าในบ้านระดับไฮเอนด์) ใช้วงจรบริดจ์อินเวอร์เตอร์ครึ่งสะพานสามเฟสเพื่อส่งกระแสสลับไซน์สามเฟสเข้าไปในขดลวดสเตเตอร์ สิ่งนี้จะสร้างสนามแม่เหล็กที่หมุนอย่างราบรื่นเพื่อดึงดูดโรเตอร์แม่เหล็กถาวรให้หมุนตามอย่างราบรื่น มีประสิทธิภาพสูง และซิงโครนัสกัน
สเตเตอร์มีขดลวดสามเฟส (A, B, C) ที่กระจายตัวอย่างสมมาตรห่างกัน 120 องศาในพื้นที่ทางกายภาพ เมื่อจ่ายกระแสสลับสามเฟสที่มีมุมเฟสต่างกันเข้าไปในขดลวดเหล่านี้ สนามแม่เหล็กที่สร้างขึ้นจะรวมกันเป็นสนามแม่เหล็กหมุนรอบเดียว!
มอเตอร์ไร้แปรงถ่านไม่มีแปรงถ่านทางกายภาพ การสลับทิศทางกระแส (Commutation) จะพึ่งพาอินเวอร์เตอร์อิเล็กทรอนิกส์ทั้งหมด วงจรประกอบด้วย 6 MOSFET (สวิตช์ฝั่งสูงและฝั่งต่ำสำหรับแต่ละเฟส A, B และ C) ไมโครคอนโทรลเลอร์ (MCU) จะควบคุมลำดับการเปิดปิดเพื่อแปลงแรงดันไฟฟ้าบัส DC ให้เป็นกระแสสลับสามเฟสไหลผ่านขดลวด
อินเวอร์เตอร์ควบคุมทิศทางและขนาดของกระแสไฟฟ้า เพื่อให้ทิศทางขั้วแม่เหล็กที่สังเคราะห์ขึ้นของสเตเตอร์หมุนอย่างรวดเร็วที่ศูนย์กลางของมอเตอร์ราวกับ \"สัญญาณไฟจราจร\" ที่มองไม่เห็น โรเตอร์แม่เหล็กถาวร (S/N) จะถูกดึงดูดอย่างรุนแรงและหมุนตามสนามแม่เหล็กอย่างประสานเวลาแบบสมบูรณ์แบบ ส่งผลให้ทำงานได้อย่างรวดเร็วและราบรื่น
มอเตอร์กระแสสลับแบบไร้แปรงถ่านมักจะขับเคลื่อนด้วยอินเวอร์เตอร์แบบฟูลบริดจ์สามเฟส แผงควบคุมด้านซ้ายแสดงภาพตัดขวางของมอเตอร์และเส้นแรงแม่เหล็ก (ขั้วสามเฟส A, B และ C; สีแดงระบุกระแสไหลเข้าที่สร้างขั้วเหนือ N, สีน้ำเงินระบุกระแสไหลออกที่สร้างขั้วใต้ S) แผงควบคุมด้านขวาแสดงสถานะการนำกระแสของวงจรบริดจ์อินเวอร์เตอร์สามเฟสแบบ 6-MOSFET การสลับการเปิดปิดของสวิตช์ฝั่งสูงและฝั่งต่ำช่วยให้กระแสไหลเข้าสู่ขดลวดเฉพาะและไหลออกที่ขดลวดอื่น ๆ สิ่งนี้ทำให้สนามแม่เหล็กที่สังเคราะห์ขึ้นหมุนทีละ 60 องศา (โหมดคลื่นสี่เหลี่ยม 6 ขั้นตอน) หรือ 30 องศา (โหมดเวกเตอร์ครึ่งขั้นตอน 12 ขั้นตอน) เพื่อดึงดูดโรเตอร์ให้หมุนอย่างรวดเร็ว
กำลังโหลด...
| ขั้นตอน | มุมลัพธ์ | บริดจ์เฟส A (AH / AL) | บริดจ์เฟส B (BH / BL) | บริดจ์เฟส C (CH / CL) | กระแสไหลผ่านขดลวด | ขั้วแม่เหล็กสเตเตอร์ |
|---|
ความแตกต่างพื้นฐานระหว่างมอเตอร์ DC และ AC อยู่ที่ประเภทของแหล่งจ่ายไฟ, กลไกการสร้างสนามแม่เหล็ก, ระบบการสลับทิศทางกระแส และวิธีการควบคุม:
มอเตอร์ DC ได้รับการจ่ายด้วยกระแสตรง (DC) ที่คงที่ การควบคุมความเร็วมักทำได้โดยการเปลี่ยนแรงดันไฟฟ้า DC ซึ่งต้องใช้วงจรควบคุมที่ง่าย ส่วนมอเตอร์ AC จะจ่ายด้วยกระแสสลับ (AC) ที่เปลี่ยนขนาดและทิศทางเป็นรอบ การควบคุมความเร็วจะทำได้หลัก ๆ โดยการเปลี่ยนความถี่กระแสสลับ (การควบคุมความเร็วด้วยความถี่ตัวแปร)
มอเตอร์ DC แบบมีแปรงถ่านดั้งเดิมอาศัยคอมมิวเตเตอร์ทองแดงและแปรงถ่านคาร์บอนในการเปลี่ยนทิศทางกระแสทางกลไก ในทางตรงกันข้าม มอเตอร์กระแสสลับแบบไร้แปรงถ่าน (เช่น PMSM - มอเตอร์ซิงโครนัสแม่เหล็กถาวร) จะไม่มีแปรงถ่าน โดยใช้อินเวอร์เตอร์อิเล็กทรอนิกส์ (เช่น วงจรบริดจ์สามเฟสที่สาธิตในที่นี้) ซึ่งควบคุมด้วยอัลกอริทึมขั้นสูงในการสลับ MOSFET และจ่ายกระแสสลับไซน์สามเฟสแบบต่อเนื่องให้กับขดลวด
การระบุว่ามอเตอร์ประเภทใด "ดีกว่า" นั้นขึ้นอยู่กับการใช้งาน แต่ในแง่ของประสิทธิภาพและขีดจำกัดประสิทธิภาพ มอเตอร์กระแสสลับแบบไร้แปรงถ่านสามเฟสที่ทันสมัย (PMSM) เป็นทางเลือกที่ดีที่สุด:
ยานยนต์ไฟฟ้าในปัจจุบัน (เช่น Tesla) และเครื่องใช้ไฟฟ้าอินเวอร์เตอร์ระดับไฮเอนด์ใช้ PMSM สามเฟสอย่างแพร่หลาย ขดลวดที่สร้างความร้อนจะถูกวางไว้บนสเตเตอร์ (ช่วยให้ระบายความร้อนได้โดยตรงผ่านโครงภายนอก) ในขณะที่โรเตอร์ประกอบด้วยแม่เหล็กถาวรประสิทธิภาพสูง เมื่อไม่มีความเสียดทานของแปรงถ่านหรือการสูญเสียพลังงานจากประกายไฟ ประสิทธิภาพในการแปลงพลังงานจะสูงถึง 90%–96% ช่วยรักษาประสิทธิภาพสูงตลอดช่วงความเร็วที่กว้าง
มอเตอร์แบบมีแปรงถ่านประสบปัญหาการสูญเสียจากแรงเสียดทาน (การสึกหรอทางกลไกและความร้อน) และการสูญเสียจากประกายไฟคอมมิวเตเตอร์ เนื่องจากการสัมผัสอย่างต่อเนื่องระหว่างแปรงถ่านคาร์บอนและคอมมิวเตเตอร์ที่หมุน พลังงานนี้จะสูญเสียไปเป็นความร้อนและประกายไฟ นอกจากนี้ ขดลวดโรเตอร์ที่หมุนจะสร้างความร้อนจำนวนมากซึ่งยากต่อการระบายออก ส่งผลให้ประสิทธิภาพพลังงานโดยรวมลดลง
ความแตกต่างหลักระหว่างมอเตอร์แบบไร้แปรงถ่านและแบบมีแปรงถ่านอยู่ที่วิธีการเปลี่ยนทิศทางกระแส และโครงสร้างทางกายภาพรวมถึงลักษณะการทำงานที่ส่งผลตามมา:
| มิติ | มอเตอร์มีแปรงถ่าน | มอเตอร์ไร้แปรงถ่าน |
|---|---|---|
| กลไกการเปลี่ยนทิศทางกระแส | อาศัยการสัมผัสทางกายภาพและความเสียดทานระหว่างแปรงถ่าน + คอมมิวเตเตอร์ เพื่อสลับทิศทางกระแสโดยอัตโนมัติ. | อาศัยวงจรบริดจ์อินเวอร์เตอร์ + ไมโครคอนโทรลเลอร์ (MCU) สำหรับการสลับทิศทางกระแสแบบอิเล็กทรอนิกส์ที่ไม่สัมผัส. |
| อายุการใช้งานและการบำรุงรักษา | อายุการใช้งานสั้นกว่า (ปกติหลายร้อยชั่วโมง) แปรงถ่านจะสึกหรอและต้องเปลี่ยนใหม่เป็นประจำ. | อายุการใช้งานยาวนานเป็นพิเศษ (ส่วนใหญ่จำกัดด้วยลูกปืน สูงถึงหลายหมื่นชั่วโมง) ไม่ต้องบำรุงรักษา. |
| เสียงรบกวนและการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า | มีเสียงรบกวนทางกลสูงเนื่องจากแรงเสียดทาน ประกายไฟจากแปรงถ่านสร้างสัญญาณรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI) ที่รุนแรง. | ไม่มีประกายไฟหรือความเสียดทาน ทำงานเงียบเป็นพิเศษพร้อมความเข้ากันได้ทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMC). |
| ความซับซ้อนของการควบคุมและต้นทุน | ง่ายมาก ทำงานได้ทันทีเมื่อเชื่อมต่อกับแหล่งจ่ายไฟ ต้นทุนของระบบต่ำ. | ต้องใช้ไดรเวอร์มอเตอร์ไร้แปรงถ่านเฉพาะ (ESC/อินเวอร์เตอร์) ส่งผลให้ต้นทุนของระบบสูงขึ้น. |