ชนิดของมอเตอร์

ชนิดของมอเตอร์วงจรไฟฟ้าคือการนำแหล่งจ่ายไฟฟ้า จ่ายแรงดันและกระแสให้กับโหลด โดยใช้ลวดตัวนำ ถ้าเรามองดูอุปกรณ์เครื่องใช้ไฟฟ้ารอบ ๆ ตัวเรา ไม่ว่าจะเป็นพัดลม เครื่องซักผ้า เครื่องเล่นเทป หรือของเล่นต่างๆ จะเห็นว่าเครื่องใช้ส่วนใหญ่ จะมีมอเตอร์เป็นส่วนประกอบในการทำงาน แทบทั้งสิ้น นอกจากนี้เครื่องจักรต่าง ๆ ที่ใช้ในงานผลิตของโรงงานอุตสาหกรรม ก็อาศัยมอเตอร์แทบทั้งสิ้น จึงอาจกล่าวได้ว่ามอเตอร์ คือ อุปกรณ์ที่มีความสำคัญ ต่อชีวิตความเป็นอยู่ของมนุษย์เราเลยทีเดียว


มอเตอร์จะทำหน้าที่ แปลงพลังงานไฟฟ้าเป็นพลังงานกลให้เราไปใช้ในการทำงาน แทนการใช้แรงงานจากมนุษย์ เราอาจแบ่งมอเตอร์ ตามระบบไฟที่ใช้ได้ 2 ประเภท คือ


มอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรง (DC Motor)
มอเตอร์ไฟฟ้ากระแสสลับ (AC Motor)


โดยมอเตอร์ทั้งสองประเภทจะมีส่วนประกอบที่แตกต่างกันออกไปบ้าง แต่ส่วนประกอบหลักคือจะมีส่วนที่อยู่กับที่เราเรียกว่า สเตเตอร์ (Stator) และส่วนที่เคลื่อนที่ซึ่งเราเรียกว่าโรเตอร์(Rotor)มอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรงมีด้วยกันหลายแบบ ถ้าจะแบ่งตามการสร้างสนามแม่เหล็กของ สเตเตอร์ ก็จะแบ่งได้เป็น 3 แบบคือ

แบบที่ใช้แม่เหล็กถาวรเป็นตัวสร้างสนามแม่เหล็ก (Permanent DC Motor)แบบนี้จะมีแท่งแม่เหล็กอย่างน้อยสองแท่ง เป็นส่วนประกอบของสเตเตอร์ ส่วนใหญ่จะเป็นมอเตอร์ขนาดเล็ก ๆ ใช้ในของเด็กเล่น หรือเครื่องมือขนาดเล็ก เช่นสว่านเจาะปรินซ์
แบบที่ใช้ขดลวดในการสร้างสนามแม่เหล็ก (Wound DC Motor) แบบนี้จะมีขดลวดสเตเตอร์ ในการสร้างสนามแม่เหล็ก และมีขั้วต่อออกเพื่อรับการจ่ายไฟเลี้ยง ซึ่งสามารถต่อได้ 2 ลักษณะคือ ต่ออนุกรมกับขดลวดโรเตอร์ เราเรียกว่า ซีรีส์มอเตอร์ (Series Motor) และต่อแบบขนานกับโรเตอร์ เรียกว่า ชันท์มอเตอร์ (Shunt Motor) โดยมอเตอร์แบบนี้จะใช้ในงานพิเศษที่ต้องการแรงบิดสูง หรือ งานที่ต้องการความเร็วรอบที่คงที่และปรับเปลี่ยนได้ง่าย โดยวิธีควบคุมกระแสที่จ่ายให้ขดลวดนี้
แบบใช้ขดลวดพันพิเศษเพื่อหมุนแบบที่ละขั้นที่ละจุด มักเรียกกันว่า สเตปปิ้งมอเตอร์ (Stepping Motor) ซึ่งจะใช้ในการควบคุมแบบพิเศษ เช่นแขนกล หรืออุปกรณ์ที่ต้องการควบคุมการหมุนแบบละเอียด


สำหรับมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสสลับ ก็มีด้วยกันหลายประเภท เช่น มอเตอร์แบบซิงโครนัส (Synchronous Motor), มอเตอร์แบบอินดักชั่น (Induction Motor) เป็นต้นซึ่งในที่นี้จะไม่ขอกล่าวถึง เพราะมีรายละเอียดมากมาย ไม่เหมาะกับการเรียนรู้ในระดับพื้นฐาน จึงขอกล่าวรายละเอียด เฉพาะมอเตอร์อย่างง่าย ที่ใช้แม่เหล็กถาวรเท่านั้น เพราะศึกษาได้ง่ายและเห็นกันอยู่เสมอ





หลักการทำงาน
หลักการทำงานของมอเตอร์จะอาศัยแรงผลักที่เกิดจากสนามแม่เหล็ก โดยความรู้เบื้องต้นที่เราได้เรียนมาคือ เมื่อมีกระแสไหลผ่านลวดตัวนำ จะทำให้เกิดสนามแม่เหล็กรอบตัวนำนั้น ถ้าเรานำตัวนำดังกล่าวไปวางไว้ในสนามแม่เหล็กถาวร ก็จะเกิดการต้าน และเสริมกับเส้นแรงแม่เหล็กจากแม่เหล็กถาวร ทำให้เกิดแรงผลักขึ้นที่ขดลวด เหมือนกับนักศึกษานำแม่เหล็ก 2 ชิ้นมาวางใกล้ ๆ กัน หรืออาจทดลองง่าย โดยหาแม่เหล็กแบบเกือกม้ามา 1 อัน จากนั้นนำขดลวดมาพันรอบตะปู แล้วจ่ายไฟด้วยแบตเตอรี่ดังรูป ก็จะเห็นปฏิกิริยาระหว่างกัน







เรามาลองดูหลักการทำงานของมอเตอร์ทีละขั้นตามรูปที่ 11.2




รูปที่ 11.2 ก. เมื่อเราจ่ายกระแสให้กับตัวนำ จะทำให้ตัวนำมีสนามแม่เหล็ก มีผลให้ทำปฏิกริยากับสนามแม่เหล็กถาวร ทำให้เกิดแรงผลักตัวนำไปในทิศทางด้านบน แต่ถ้าจ่ายกระแสในทิศทางตรงข้าม ตัวนำก็จะถูกผลักในทิศทางตรงกันข้าม
รูปที่ 11.2 ข. เมื่อใช้ตัวนำเป็นวงรอบแล้วจ่ายกระแส จะทำให้ด้านหนึ่งของตัวนำถูกผลักขึ้นและอีกด้านถูกผลักลง ทำให้ตัวนำหมุน
รูปที่ 11.2 ค. แสดงภาพในแนวตัวขวาง แสดงถึงทิศทางของแรงที่เกิดขึ้นกับตัวนำ






เราสามารถแสดงการทำงานของมอเตอร์อย่างเต็มรูปแบบได้ดังรูปที่ 11.3

จากรูปจะเห็นได้ชัดเจนว่า เมื่อจ่ายกระแสผ่านขั้วต่อที่เรียกว่าแปรงถ่าน (Brushes) ไปยังวงแหวนพิเศษที่เรียกว่าคอมมิวเตเตอร์ (Commutator) ซึ่งต่อเข้ากับวงรอบตัวนำ กระแสที่ไหลผ่านตัวนำจะทำให้เกิดเส้นแรงแม่เหล็กรอบตัวนำ โดยด้านหนึ่งจะเกิดเป็นแรงผลักขึ้น ส่วนอีกด้านจะเกิดแรงผลักตัวนำลงมา ทำให้วงรอบตัวนำมีการหมุน โดยแรงที่เกิดจะแปรตาม กระแสที่ไหลผ่าน(I) ความยาวของตัวนำ (L) และ ความเข้มของสนามแม่เหล็กสเตเตอร์ (B)


ที่ต้องใช้วงแหวนคอมมิวเตเตอร์ เพราะถ้าเราต่อตัวนำเข้ากับแหล่งจ่ายตายตัว จะทำให้กระแสที่ไหลผ่านตัวนำมีทิศตายตัว เมื่อตัวนำหมุนมาอีกทิศทางหนึ่ง ทิศทางแรงผลักจะทำให้ตัวนำถูกผลักกลับไปตำแหน่งเดิม ทำให้ไม่สามารถหมุนต่อเนื่องได้ การใช้วงแหวนคอมมิวเตเตอร์ก็เพื่อให้ตัวนำได้รับการจ่ายกระแสที่ถูกต้อง ทำให้ตัวนำหมุนต่อเนื่องต่อไปได้ สำหรับการต่อแรงดันไฟฟ้า ไปยังคอมมิวเตเตอร์ จะกระทำผ่านแปรงถ่าน โดยแปรงถ่านจะเป็นสารผสมระหว่าง ทองแดงกับกราไฟต์ ที่สามารถนำกระแส ที่ต้องใช้แปรงถ่านก็เพื่อลดการเสียดสีระหว่างขั้วต่อแหล่งจ่ายไฟกับวงแหวนคอมมิวเตเตอร์



มอเตอร์ในทางปฏิบัติจะเพิ่มความยาวของลวดตัวนำซึ่งเป็นโรเตอร์ โดยพันลวดรอบแกนโลหะ ซึ่งเรามักเรียกกันอีกชื่อหนี่งว่า อาร์เมเจอร์ (Armature) เพื่อเพิ่มแรงบิด (Torque)ให้กับมอเตอร์









ส่วนประกอบของมอเตอร์
ในที่นี้จะแสดงรูปจริงที่เป็นส่วนประกอบของมอเตอร์ไฟตรงแบบแม่เหล็กถาวร















การควบคุมมอเตอร์
โดยทั่วไปจะควบคุมองค์ประกอบ 3 ประการคือ

ควบคุมความเร็วของมอเตอร์ (Speed Control)
2. ควบคุมแรงบิดของมอเตอร์ (Torque Control)
3. ควบคุมทิศทางการหมุนของมอเตอร์ ( Direction Control)
การควบคุมความเร็วของมอเตอร์กระแสตรงนั้น จะทำได้โดยการปรับแรงดันที่จ่ายให้มอเตอร์ ส่วนการควบคุมแรงบิด ทำโดยการควบคุมกระแสที่ผ่านขดลวดอาเมเจอร์ และที่จ่ายให้กับขดลวดสเตเตอร์ ในกรณีสเตเตอร์แบบใช้ขดลวดพัน สำหรับการควบคุมการหมุน หรือการสลับทิศทางการหมุนนั้น ในกรณีมอเตอร์ไฟตรง สามารถทำได้โดยการสลับขั้วแหล่งจ่ายไฟ ที่จ่ายให้แก่มอเตอร์ สำหรับกรณีของ มอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรงขนาดเล็ก แบบใช้แม่เหล็กถาวรเป็นสเตเตอร์ จะไม่สามารถควบคุมอะไรได้มากนัก โดยการควบคุมความเร็วของมอเตอร์ จะถูกจำกัดด้วยขนาดแรงดัน โดยสามารถปรับได้ไม่เกินค่าแรงดันสูงสุดที่จ่ายให้มอเตอร์ ส่วนการควบคุมแรงบิด อาจทำโดยใช้ตัวต้านทานปรับค่าแบบขดลวด (Wire Wound Resistor) แต่ก็จะเกิดกำลังไฟฟ้าสูญเสียที่ตัวต้านทาน ฉะนั้นในปัจจุบัน จึงมักนิยมใช้การควบคุม ด้วยวงจรพัลซ์วิธมอดูเลเตอร์ (Pulse Width Modulator) ซึ่งจะใช้วิธีจ่ายไฟให้แก่มอเตอร์เป็นช่วง ๆ โดยการควบคุมแรงดัน คือการปรับช่วงกว้างของพัลซ์ที่จ่ายให้นั่นเอง ซึ่งวิธีนี้จะทำให้ลดกำลังสูญเสียได้มาก สำหรับการกลับทางหมุนของมอเตอร์ อาจใช้วิธีสลับขั้วด้วยมือ หรือใช้วงจรรีเลย์หรืออิเล็กทรอนิกส์เข้าไปควบคุม











การทำงานของวงจร
จากรูป จะมีทรานซิสเตอร์ 4 ตัว ทำงานประสานกัน ควบคุมด้วยสวิตช์ S1 และ S2 ในสภาวะปกติ เมื่อสวิตช์ S1 ปิดวงจร และ S2 เปิดวงจร ดังรูป ทรานซิสเตอร์ Q1 และ Q4 จะนำกระแส ในขณะที่ Q2 และ Q3 ไม่นำกระแสทำให้มอเตอร์หมุนไปทิศทางหนึ่ง และเมื่อเปิดวงจร S1 ทรานซิสเตอร์ทุกตัวจะหยุดนำกระแส และ มอเตอร์จะหยุดหมุน และเมื่อกดสวิตช์ S2 ให้ต่อวงจรในขณะที่สวิตช์ S1 เปิดวงจร ก็จะมีผลทำให้ Q2 และ Q3 นำกระแส ในขณะที่ Q1 และ Q4 หยุดนำกระแส ทำให้มอเตอร์หมุนไปอีกทิศทางหนึ่ง วงจรนี้จะมีปัญหาที่ ถ้ากดให้ S1 และ S2 ปิดวงจรพร้อมกัน ทรานซิสเตอร์ทุกตัวจะนำกระแสและเกิดการลัดวงจรแหล่งจ่ายไฟขึ้น สำหรับ LED ทั้ง 2 ดวง ที่ต่อขนานกับตัวมอเตอร์ จะเป็นตัวแสดงสภาวะทิศทางการหมุน โดยจะสลับกันทำงาน ส่วนไดโอดทั้ง 4 ตัวที่ ต่อคร่อมทรานซิสเตอร์ ใช้ในการป้องกันทรานซิสเตอร์ จากแรงเคลื่อนเหนี่ยวนำย้อนกลับของมอเตอร์ การป้องกันการกดสวิตช์พร้อมกัน อาจทำโดยใช้สวิตช์ S1 และ S2 เป็นสวิตช์ร่วมแกนเดียวกัน เพื่อเป็นการบังคับการควบคุมว่า เมื่อตัวหนึ่งปิดวงจร ตัวหนึ่งจะเปิดวงจรทันที หรืออาจออกแบบ วงจรควบคุมใหม่ เพื่อแก้ปัญหานี้ ดังตัวอย่างต่อไปนี้ก็ได้





จะเห็นว่าวงจรนี้จะช่วยป้องกันการกลับทางหมุนอย่างกระทันหันของมอเตอร์ได้ เพราะถ้ามอเตอร์กลับทางหมุนทันที จะเกิดแรงกระชากที่ตัวมอเตอร์ ทำให้มอเตอร์เสียหายได้