มอเตอร์ดีซีไร้แปลงถ่าน Brushless DC Motor (BLDC)

อีซีมอเตอร์ (EC MOTOR-Electronically Commutated) เป็นมอเตอร์ไฟฟ้าที่จัดแปลงกระแสไฟฟ้าโดยระบบอิเลกโตรนิก จัดเป็นมอเตอร์ดีซีไร้แปลงถ่าน (Brushless DC Motor-BLDC)ชนิดหนึ่ง

ในระบบทำความเย็นโดยทั่วไป นิยมใช้มอเตอร์แบบเชดเด็ดโพล (SHADED POLE) หรือที่เรียกสั้นๆว่า คิวมอเตอร์
เหตุที่นิยมก็เนื่องจากมีราคาถูก เป็นมอเตอร์ไฟฟ้าที่มีประสิทธิภาพต่ำมาก
            รูปมอเตอร์แบบเชดเด็ดโพล

              อีซีมอเตอร์ที่ผลิตอยู่ในปัจจุบันมีหลายรูปแบบ เหมาะสมกับระบบเครื่องทำความเย็นที่จำเป็นต้องใช้อยู่ในจุดต่างๆ
              ข้อดีของอีซีมอเตอร์ พอกล่าวได้ดังนี้
              1. ประสิทธิภาพสูง เมื่อใช้ทดแทนมอเตอร์แบบเชดเด็ดโพล ที่ใช้กับคอนเด็นเซอร์ ประหยัดค่าไฟฟ้า คุ้มค่ากับการลงทุน
              2. อีซีมอเตอร์ บางรุ่นที่ใช้กับคอนเด็นเซอร์ จะหมุนกลับทางเมื่อคอมเพรสเซอร์หยุด ช่วยไล่ฝุ่นที่คอยล์
                  รูปแสดงเมื่อใช้ใบพัดลมขนาดต่างๆ  (กดที่นี่ เพื่อดูรายละเอียด)
              3. เมื่อใช้อีซีมอเตอร์ในชุดคอยล์เย็น ความร้อนที่เกิดจากตัวมอเตอร์ต่ำกว่า มอเตอร์แบบเชดเด็ดโพล คอมเพรสเซอร์
                  ทำงานน้อยลง ระบบโดยรวมยิ่งมีประสิทธิภาพสูงขึ้น
              4. ความเร็วรอบของ อีซีมอเตอร์ คงที่ ไม่ผันแปรตามความต่างศักย์ไฟฟ้าเหมือน มอเตอร์แบบเชดเด็ดโพล การทำงานของ
                  ระบบสารทำความเย็นจึงเสถียรกว่า
              5. อีซีมอเตอร์บางรุ่น ถูกออกแบบให้มี่ความเร็วรอบคงที่มาก ไม่เกิดเสียงรบกวนเมื่อมีการใช้งานมอเตอร์หลายตัวพร้อมๆกัน

โครงสร้างภายในมอเตอร์ แบบมีแปรงถ่าน (Brush Motor) และไม่มีแปรงถ่าน (Brushless Motor หรือที่เรียกกันว่า HubMotor) โครงสร้างและส่วนประกอบหลักของมอเตอร์เกียร์แบบมีแปรงถ่าน (DCMotor 24V250W) DC Motor แบบมีเกียร์ จะช่วยให้ได้แรงบิดที่สูงขึ้น ควรเลือกเกียร์ที่เป็นเหล็ก จะดีกว่าเกียร์พลาสติก โครงสร้างของ HubMotor ด้านสายออกเมื่อถอดฝาออกมา ก็จะเห็นขดลวด และแม่เหล็กติดตรงขอบดุมล้อมากมาย มีสายไฟหลัก เข้าขดลวดทั้ง 3 ชุด โครงสร้างของ HubMotor อีกด้านหนึ่ง เมื่อถอดฝาออกมา ก็จะเห็นเซนเซอร์สนามแม่เหล็ก (Hall Sensor) จำนวน 3 ตัววางไกล้กันตามรูป บางรุ่นก็วางห่างกัน 120 องศา

อ้าว!! แล้วเราจะเลือกมอเตอร์ อย่างไรล่ะขนาดเท่าไร กี่โวล์ท กี่วัตต์ รอบ และแรงบิดเท่าไรดี ถ้านึกถึงมอเตอร์ก็ดูหลักๆ 2 อย่างครับคือ  แรงบิด  และความเร็วรอบ กล่าวคือเค้ามีสูตรอยู่ว่า...          กำลัง (W) = 2 x Pi x ความเร็วรอบต่อวินาที (rps) x แรงบิด (n.m)   แรงบิด คือ แรงที่เรากระทำให้วัตถุเคลือนที่จากจุดหมุนเป็นระยะเท่าไร ยกตัวอย่างนึกถึงการขันน็อต ที่จุดหมุนจะเกิดแรงบิด และเกิดแรงกระทำที่ปลายค้ามประแจดังรูป ซึ่งระยะห่างจากจุดหมุนไปถึงแนวแรงคือระยะ r ถ้าระยะนี้ยิ่งมากแรงบิดก็จะสูงเช่นกัน กลับมาถึงล้อรถจักรยานกัน ล้อจักรยานเกิดแรงบิดที่ศูนย์กลางของล้อหรือที่ฟรีสเตอร์นั่นเอง หากล้อมีขนาดใหญ่ขึ้นก็จะต้องใช้แรงบิดสูงขึ้นตามไปด้วย แรงบิดมีหลายหน่วย ที่เรียกกัน แต่ในที่นี้ขอใช้หน่วย n.m (นิวตัน.เมตร) กล่าวคือเป็นหน่วยของแรงผลัก ของแกนหมุนใดๆ ที่ผลักวัตถุให้เคลื่อนที่ เช่น 1 n.m คือแรงผลักวัตถุหนัก 1 นิวตัน ในรัศมี 1 เมตร (1 กก. เท่ากับ 9.8 นิวตัน) สูตรของแรงบิดคือ F (แรงต้านรวม) x r (รัศมีหรือระยะจากจุดหมุน)ซึ่ง F นั้นรวมถึงน้ำหนักโหลด แรงเสียดทาน แรงต้านจากอากาศ แรงต้านจากการหมุน เยอะเยอะ งง ไปหมด ซึ่งเด่วดูได้จากสูตร ผมสรุปและทำไว้เป็นไฟล์แล้ว (อ้างอิงมากจากคนอื่นเค้าอีกที) สรุปได้ว่ามอเตอร์หากมี "แรงบิดสูง" จะช่วยให้รับภาระได้มากด้วยนั่นเอง   ความเร็วรอบ คือ ความเร็วรอบมอเตอร์ส่วนใหญ่คิดเป็น รอบต่อนาที (RPM) หากไม่ทดเกียร์ข้างใน ความเร็วรอบสูงมากว่า 3,000 รอบต่อนาที ซึ่งหากทดเกียร์แล้วความเร็วก็ลดลงมาตามสัดส่วนที่ระบุ ยกตัวอย่าง หากความเร็วรอบที่มอเตอร์ 3,850 รอบต่อนาทีและมีแรงบิด 1.1 n.m อัตราส่วนทดเกียร์ 9.78 : 1 ความเร็วรอบหลังจากทดแล้วจึงเหลือ 393 รอบต่อนาที ซึ่งแรงบิดที่ปลายเฟืองก็จะสูงขึ้นเช่นกัน คือ 10.8 n.m ความเร็วและแรงบิดนี้ เราสามารถนำไปคำนวณหาความเร็วและน้ำหนักบรรทุกของรถเราได้เลย ซึ่งแล้วแต่การทดเกียร์และขนาด วงล้อของแต่ละคันด้วย..   ส่วนเรื่องใช้กี่วัตต์นั้นหากเราได้ความเร็วและแรงบิดตามต้องการแล้วก็จะได้ขนาดกำลังวัตต์เองครับ ส่วนกี่โวลท์นั้นก็แล้วแต่ผู้ใช้ครับหาก เช่นหากเลือกได้ 350W ถ้า 36V ก็ใช้แบต 3 ลูก และกินกระแสประมาณ 9.7A แต่หากเลือก 24V ก็ใช้แบต 2 ลูก กินกระแสประมาณ 14.5A ซึ่ง หากใช้แบตขนาด Ah เท่ากัน รุ่น 24V ไฟก็จะหมดก่อนเพราะกินกระแสสูงกว่า... ชุดควบคุม HubMotor (Brushless)     ภาค Driver   IC เบอร์ MC33033 เป็นไอซีสำเร็จรูปถูกออกแบบมาเพื่อใช้งานกับมอเตอร์ไม่ใช้แปรงถ่าน (Brushless DC Motor) หรือ ที่เราเรียกกันว่า HubMotor การใช้งานหลักๆ ก็ดู DataSheet ก็จะเข้าใจดียิ่งขึ้นครับ หากกล่าวโดยสรุป       ขา 4,5,6 เป็นขา Hall Sensor Encoder เข้า (สายเส้นเล็ก สีเหลือง เขียว และน้ำเงิน ที่ตัวมอเตอร์นั่นล่ะ)       ขา 2,1,20 เป็นขาขับเกทชุด" บน" ของภาค Power Output       ขา 15,16,17 เป็นขาขับเกทชุด "ล่าง" ของภาค Power Output       ขา 9 เป็นขาต่อกับคั่นเร่ง       ขา 14 เป็นไฟบวก 30V       ขา 13 เป็นกราวด์       ขา 13,18 เป็น Option (เดินหน้า/ถอยหลัง,เลือก Phase Encoder)       ขา 19 เป็น Output Enable Active Low ต้องต่อลงกราวด์ ภาคขับ Gate Power Mosfet และ ภาค Power Output    เนื่องจากแรงดันจากไอซี MC33033 ไม่สามารถขับเกทเพาเวอร์มอสเฟตทั้ง 6 ตัวได้ จึงต้องใช้ IC TLP250 ทำหน้าที่ขับขาเกทของเพาว์เวอร์มอสเฟท ทั้งหมดจำนวน 6 ตัวอย่างดังรูปด้านล่าง (ต้องสร้างวงจร IC TLP250 จำนวน 6 ชุดเพื่อขับเกททของเพาว์เวอร์มอสเฟท แต่ละตัวคือ Bottom Drive 3 ตัวและ Top Drive 3 ตัว      Timming Diagram รูปคลื่นของไอซี MC33033 แต่ละจุดเมื่อโรเตอร์มอเตอร์หมุนที่องศาที่แตกต่างกัน     วงจรภาค Power Output ใช้เพาเวอร์มอสเฟท 6 ตัว (Top และ Bottom) เพื่อทำหน้าที่รับสัญญาณจากภาค Driver มาขับขดลวดของมอเตอร์ทั้ง 3 เฟส       ตัวอย่างการทำงานของ Hubmotor แบบพื้นฐานแม่เหล็ก 2 ขั้ว คลิกที่รูป     ตัวอย่างการทำงานของ Hubmotor แบบแม่เหล็ก 4 ขั้ว คลิกที่รูป (หากมีขั้วแม่เหล็กมาก ก็จะมีขดลวดทองแดงมากเช่นกัน)   รูปจำลองสนามแม่เหล็ก ขณะมอเตอร์ทำงาน โดยความเข้มของสนามแม่เหล็กดูได้จากแถบสีมุมบนขวา