มอเตอร์ไร้แปรงถ่าน แตกต่างจากมอเตอร์ทั่วไปอย่างไร?

      มี เครื่องมือช่าง จำนวนมากที่ใช้ มอเตอร์ไร้แปรงถ่าน เพื่อทำให้การใช้งานมีประสิทธิภาพมากขึ้น สามารถสังเกตได้จากการระบุบนตัวเครื่องมือ ซึ่งแต่ละยี่ห้ออาจใช้คำแตกต่างกัน เช่น ใน BOSCH เรียกว่า Brushless ใน Milwaukee เรียกว่า FUEL ใน Makita เรียกว่า BL motor เป็นต้น

      มอเตอร์ ได้รับการออกแบบมาเพื่อแปลงพลังงานไฟฟ้าเป็นการเคลื่อนที่เชิงกล เพื่อให้เครื่องมือต่างๆ สามารถทำงานได้ ในตลาดเต็มไปด้วยมอเตอร์หลากหลายประเภทซึ่งสามารถรองรับการใช้งานที่แตกต่างกัน และมีความต้องการพลังงานที่แตกต่างกันออกไป โดยมอเตอร์ 2 ประเภทที่พบมากที่สุด ได้แก่ มอเตอร์ไร้แปรงถ่าน และมอเตอร์แบบมีแปรงถ่าน แม้ว่ามอเตอร์ทั้งสองแบบจะใช้หลักการเดียวกัน แต่โครงสร้าง ประสิทธิภาพ และการควบคุมต่างกันเป็นอย่างมาก 

      ในบทความนี้เราจะมาพูดถึงความแตกต่างของมอเตอร์ทั้งสองตัว โดยเฉพาะมอเตอร์ไร้แปรงถ่าน หากใครที่กำลังมองหาเครื่องมือไฟฟ้าอยู่ล่ะก็ จำเป็นต้องรู้เรื่องเหล่านี้เอาไว้ เพื่อจะได้เลือกเครื่องมือที่ดีและมีประสิทธิภาพมากยิ่งขึ้น

มอเตอร์ไร้แปรงถ่าน คืออะไร?

      มอเตอร์ไร้แปรงถ่าน เป็นที่นิยมมากในหมู่คนที่ชื่นชอบใช้งานทั่วไป งานประจำวัน งาน DIY ตลอดจนช่างมืออาชีพ เป็นมอเตอร์แบบ DC จึงเรียกอีกอย่างว่ามอเตอร์ BLDC หรือมอเตอร์ BL ซึ่ง BL ย่อมาจากคำว่า Brushless บ้างจึงเรียกว่า มอเตอร์บรัสเลส 

      ในปี ค.ศ. 1856 Mr. Ernst Werner von Siemens ได้ประดิษฐ์มอเตอร์ชนิดหนึ่งขึ้นมา แม้มอเตอร์จะเป็นสิ่งพื้นฐานในเครื่องมือไฟฟ้า ขณะเดียวกันมันก็เป็นสิ่งจำเป็นและขาดไม่ได้ มอเตอร์นั้นได้รับการปรับปรุงหลายครั้งตลอดหลายทศวรรษที่ผ่านมา หนึ่งในส่วนสำคัญนั้นคือ ลิโน่ ซึ่งเป็นชิ้นส่วนสำหรับควบคุมความเร็วในการหมุนเพลาอย่างแม่นยำ 

      มอเตอร์ไร้แปรงถ่าน เริ่มเป็นที่สนใจในต้นปี ค.ศ. 1960 เนื่องจากมีสวิตช์ที่มีความสามารถในการแปลงกระแสสลับ (AC) เป็นกระแสตรง (DC) โดยไม่เกิดประกายไฟ ต่อมาในปี ค.ศ. 1962 T.G. Wilson และ P.H. Trickey ได้ตีพิมพ์บทความเกี่ยวกับ มอเตอร์ไร้แปรงถ่าน ออกไป ซึ่งมันทำงานด้วยกระแสตรง เป็นเทคโนโลยีที่ใช้ประโยชน์จากสนามแม่เหล็ก 

      จุดสำคัญและเบื้องหลังแนวคิดของ มอเตอร์ไร้แปรงถ่าน คือการไม่มีสวิตช์เพื่อส่งกระแสไฟ จึงไม่เกิดการสปาร์ค อีกทั้งยังใช้งานแม่เหล็กถาวรมากขึ้น เมื่อรวมกับทรานซิสเตอร์แรงดันสูงก็ทำให้ มอเตอร์ไร้แปรงถ่าน สามารถผลิตพลังงานได้มากเท่ากับมอเตอร์แบบมีแปรงถ่านเลยทีเดียว 

      การปรับปรุง มอเตอร์ไร้แปรงถ่าน ได้ดำเนินไปอย่างต่อเนื่องตลอดสามทศวรรษ ทำให้ผู้ผลิตสว่านและเครื่องมือขุดเจาะ ผลิตเครื่องมือที่มีประสิทธิภาพมากยิ่งขึ้นออกมาจำหน่าย นอกจากนี้การใช้ มอเตอร์ไร้แปรงถ่าน ยังทำให้เครื่องมือมีอายุการใช้งานยาวนานขึ้น การบำรุงรักษายุ่งยากน้อยลง

      หลักการทำงานของ มอเตอร์ไร้แปรงถ่าน

      หลักการทำงานของ มอเตอร์ไร้แปรงถ่าน กับมอเตอร์แบบมีแปลงถ่านโดยทั่วไปจะคล้ายกัน ขึ้นอยู่กับการทำงานร่วมกันของแม่เหล็กถาวรในสเตเตอร์โรเตอร์ และแม่เหล็กไฟฟ้าประเภท In-runner และ Out-runner 

      มอเตอร์ไร้แปรงถ่าน เป็นอุปกรณ์ซิงโครนัสและทำหน้าที่เหมือน PMSM (มอเตอร์ซิงโครนัสแม่เหล็กถาวร) ดังนั้นหลักการทำงานของมันจึงขึ้นอยู่กับการควบคุมความถี่ที่ซิงโครไนซ์ และสเตเตอร์สัมผัสกับความถี่เดียวกัน 

      ในการออกแบบดังกล่าว จะมีแม่เหล็กถาวรและสเตเตอร์ มีการจัดเรียงคอยล์ที่สร้างเป็นแม่เหล็กไฟฟ้า หลักการพื้นฐานของการดำเนินการนั้นขึ้นอยู่กับปฏิสัมพันธ์ของทั้งสองอย่างที่กล่าวมา พลังงานจากแหล่งกำเนิดทำให้ขดลวดมีพลังงานและสร้างสนามแม่เหล็กขึ้น คอยล์ที่มีพลังงานเหล่านี้จะถูกดึงดูดไปยังขั้วตรงข้ามที่อยู่บนโรเตอร์ 

      มอเตอร์ไร้แปรงถ่าน มีขนาดกะทัดรัด ทำให้การวางตำแหน่งในเครื่องมือง่าย และแม่นยำ มอเตอร์ไร้แปรงถ่าน ไม่มีแรงเสียดทาน จึงทำให้มีแรงหมุนมากแต่ความร้อนน้อยเนื่องจากไม่มีแปรงถ่าน อีกทั้งการจ่ายกระแสยังคงที่สม่ำเสมอด้วย 

      ข้อดีของ มอเตอร์ไร้แปรงถ่าน

            ★ อายุการใช้งานยาวนาน

            ★ ระดับเสียงทำงานต่ำ

            ★ ตัวชี้วัดมีประสิทธิภาพสูง (ประมาณ 90%)

            ★ ความเร็วในการหมุนสูงสุด ทำงานได้อย่างรวดเร็ว

            ★ ไม่เกิดประกายไฟระหว่างการใช้งาน

            ★ ไม่จำเป็นต้องใช้แหล่งระบายความร้อนหรือแหล่งทำความเย็นเพิ่มเติม

            ★ ไม่มีกลไกที่ต้องการการบำรุงรักษาเป็นประจำ

      ข้อเสียของ มอเตอร์ไร้แปรงถ่าน

            - มีระบบการจัดการที่ซับซ้อน ซ่อมยาก

            - ค่อนข้างกินพลังงานมาก

            - ราคาสูงเนื่องจากส่วนประกอบมีราคาแพง

แล้วมอเตอร์แบบมีแปรงถ่านคืออะไร?

      มอเตอร์มีแปรงถ่านเป็นมอเตอร์กระแสตรงที่พบบ่อยที่สุด กำเนิดก่อนมอเตอร์ไร้แปรงถ่าน หลักการของมันประกอบด้วยแรงดึงดูดของแม่เหล็กสองตัวที่มีขั้วตรงข้ามกัน ส่วนประกอบหลักของมอเตอร์ได้แก่ สเตเตอร์โรเตอร์ (กระดอง) แปรงถ่าน สวิตช์ โดยที่แม่เหล็กถาวรหรือแม่เหล็กไฟฟ้าจะวางอยู่บนสเตเตอร์และสร้างสนามแม่เหล็กคงที่ เป็นมอเตอร์ที่มีแม่เหล็กไฟฟ้านั้นขับเคลื่อนด้วยแหล่งจ่ายไฟกระแสตรง

      หลักการทำงานของ มอเตอร์แบบมีแปลงถ่าน

      สเตเตอร์เชื่อมต่อกับแหล่งพลังงานกระแสตรงด้วยแปรงถ่าน แปรงถ่านถูกแนบเข้ากับสวิตช์ ขดลวดต่างขั้วเชื่อมต่อกับส่วนต่างๆ ของสวิตช์ เมื่อได้รับพลังงานจะสร้างสนามแม่เหล็ก เมื่อสเตเตอร์หมุน สนามแม่เหล็กของมันจะเปลี่ยนไป กระแสจะไหลจากแหล่งกำเนิดไปยังขดลวด ซึ่งเป็นผลมาจากกฎของลอเรนซ์ 

      ในกลไกที่ง่ายที่สุดจะมีอาร์เมเจอร์หนึ่งวง ปัญหาอาจเกิดขึ้นเมื่ออาร์เมเจอร์ตั้งฉากกับฟลักซ์แม่เหล็ก ในกรณีนี้ แรงบิดจะเท่ากับศูนย์ และการขับเคลื่อนจะถูกขัดจังหวะในช่วงเวลาสั้นๆ ดังนั้นเพื่อการขับเคลื่อนที่ราบรื่นยิ่งขึ้นจึงมีการเพิ่มลูปในการออกแบบ ยิ่งมีลูปมากเท่าไหร่ การขับเคลื่อนก็จะยิ่งราบรื่นมากขึ้นเท่านั้น 

      แรงขับเคลื่อนไฟฟ้าภายใน (EMF) และแรงขับเคลื่อนไฟฟ้าย้อนกลับ (Back EMF) มักเกิดขึ้นตามกฎของฟาราเดย์และลอเรนซ์ ด้วยเหตุนี้ ความร้อนจำนวนมากจึงถูกสร้างขึ้นด้วย ดังนั้นในมอเตอร์ขนาดใหญ่และทรงพลัง จำเป็นต้องติดตั้งอุปกรณ์ทำความเย็นเพิ่มเติมเพื่อหลีกเลี่ยงไฟไหม้นั่นเอง 

      ข้อดีของมอเตอร์แบบมีแปรงถ่าน

            ★ ราคาถูก

            ★ การออกแบบและการเดินสายเรียบง่าย ติดตั้งง่าย

            ★ แรงกระแทกทางกลและการสั่นสะเทือนได้มาตรฐาน

      ข้อเสียของมอเตอร์แบบมีแปรงถ่าน

            - แปรงถ่านเสื่อมสภาพเร็ว

            - เสียงดัง

            - มีสัญญาณรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้า

            - เกิดประกายไฟระหว่างการทำงาน ทำให้กลไกร้อนจัด

            - ประสิทธิภาพต่ำ (ประมาณ 60-80%)

            - เนื่องจากแรงเสียดทานสูงของแปรงถ่าน ทำให้อายุการใช้งานไม่ยาวนาน

สรุปความแตกต่างระหว่าง มอเตอร์มีแปรงถ่าน และ มอเตอร์ไร้แปรงถ่าน

      1. มอเตอร์ไร้แปรงถ่าน ไม่มีแปรงถ่านใส่ส่วนประกอบ จึงมีขนาดกะทัดรัดกว่า แต่จะต้องติดตั้งอุปกรณ์สับสวิตช์เพิ่มเติม ไม่ว่าจะเป็นตัวควบคุม เครื่องเข้ารหัสแบบโรตารี่ และไดรฟ์

      2. มอเตอร์แบบมีแปรงถ่านมีราคาถูกและซ่อมแซมง่ายกว่า สามารถต่อสายตรงกับกระแส DC และมีการควบคุมเบื้องต้นอย่างง่าย (เช่น สวิตช์) จึงใช้งานง่าย ไม่ซับซ้อน

      3. ใน มอเตอร์ไร้แปรงถ่าน โรเตอร์จะหมุนด้วยระบบอิเล็กทรอนิกส์ ส่วนโรเตอร์แบบมีแปรงถ่านจะหมุนตามกลไกหรือกระแสที่ส่งผ่านแปรงถ่าน

      4. มอเตอร์ไร้แปรงถ่าน มีสายไฟสามเส้นสำหรับเชื่อมต่อ แต่แบบมีแปรงถ่านจะมีแค่ 2 เส้น

      5. มอเตอร์ไร้แปรงถ่าน มีประสิทธิภาพมากขึ้นจากแบบมีแปรงถ่าน (เพิ่มเป็น 85-90% จากเดิม 75-80%) ซึ่งหมายความว่าด้วยกำลังที่เท่ากัน มอเตอร์ไร้แปรงถ่าน จะให้การหมุนที่มากกว่า ไม่มีแรงเสียดทาน และความร้อนต่ำกว่าแบบมีแปรงถ่าน

      6. มอเตอร์ไร้แปรงถ่าน ไม่ต้องบำรุงรักษา และไม่เกิดประกายไฟ เนื่องจากไม่มีสวิตช์เชิงกล ทำให้แปรงถ่านเสื่อมสภาพ 

      7. มอเตอร์ไร้แปรงถ่าน มีแรงเสียดทานและความเฉื่อยของเพลาน้อยกว่าแบบมีแปรงถ่าน เสียงที่ได้ยินจึงน้อยลง รวมถึงอัตราส่วนแรงบิดต่อน้ำหนัก (ความหนาแน่นของกำลังไฟฟ้า) ก็ดีกว่ามาก ทำให้ มอเตอร์ไร้แปรงถ่าน มีขนาดเล็กกว่ามอเตอร์มีแปรงถ่าน

      8. เมื่อเทียบกับมอเตอร์มีแปรงถ่าน มอเตอร์ไร้แปรงถ่าน มีข้อดีด้านประสิทธิภาพหลายประการ มีแรงบิดเริ่มต้นสูง และสามารถวิ่งด้วยความเร็วสูงขึ้นได้ ในบางกรณีอาจถึง 100,000 รอบต่อนาทีเลยทีเดียว และเนื่องจากระบบควบคุมอิเล็กทรอนิกส์แบบเรียลไทม์ การควบคุมความเร็วจึงแม่นยำ และไม่ไวต่อการเปลี่ยนแปลงโหลด 

      9. เนื่องจากความร้อนถูกสร้างขึ้นในสเตเตอร์ภายนอก ไม่ใช่โรเตอร์ภายใน มอเตอร์ไร้แปรงถ่าน จึงรักษาความเย็นได้ง่ายกว่า 

      ทุกวันนี้ ในเครื่องมือต่างใช้ มอเตอร์ไร้แปรงถ่าน มากกว่ามอเตอร์มีแปรงถ่านแล้ว อย่างไรก็ตาม มอเตอร์มีแปรงถ่านยังคงใช้บ่อยในเครื่องใช้ครัวเรือนและในรถยนต์ รวมถึงอุตสาหกรรมต่างๆ เนื่องจากมอเตอร์แบบมีแปรงถ่านมีความสามารถในการปรับเปลี่ยนอัตราส่วนแรงบิดต่อความเร็วเฉพาะ

      มอเตอร์ไร้แปรงถ่าน ได้ขยายไปสู่การใช้งานที่หลากหลายขึ้นจนเป็นเรื่องปกติในหลากหลายอุตสาหกรรม ทั้งการผลิต การคำนวณ และอื่นๆ อีกมากมาย เช่น รถยนต์ไฟฟ้าหรือในเครื่องมือช่าง เครื่องมือไฟฟ้า บางตัวก็ใช้ มอเตอร์ไร้แปรงถ่าน เช่นกัน