การประยุกต์ใช้มอเตอร์กระแสตรงขนาดเล็กในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์

อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภค: การประยุกต์ใช้มอเตอร์กระแสตรงขนาดเล็ก

มอเตอร์กระแสตรงขนาดเล็กทำหน้าที่เป็นแหล่งกำลังที่มองไม่เห็น ซึ่งขับเคลื่อนนวัตกรรมในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภคยุคใหม่ ด้วยขนาดที่กะทัดรัดและประสิทธิภาพสูง ทำให้มอเตอร์เหล่านี้จำเป็นอย่างยิ่งสำหรับอุปกรณ์พกพาที่ต้องการการควบคุมการเคลื่อนไหวอย่างแม่นยำ ตั้งแต่อุปกรณ์ดูแลส่วนบุคคลไปจนถึงเครื่องติดตามสุขภาพแบบสวมใส่

มอเตอร์กระแสตรงแบบแม่เหล็กถาวรช่วยให้อุปกรณ์พกพามีดีไซน์ที่กะทัดรัดได้อย่างไร

มอเตอร์กระแสตรงแบบเพอร์แมกเนต (PM DC) เหมาะอย่างยิ่งสำหรับพื้นที่จำกัดที่ทุกมิลลิเมตรมีความสำคัญ เช่น ในหูฟังไร้สาย หรือกลไกกล้องจิ๋วภายในสมาร์ทโฟน มอเตอร์เหล่านี้ไม่จำเป็นต้องใช้ขดลวดสนามแม่เหล็กเสริมที่กินพื้นที่มาก ทำให้มีขนาดเล็กลงได้ประมาณ 20 ถึง 35 เปอร์เซ็นต์ เมื่อเทียบกับรุ่นเก่า และแม้จะมีขนาดกะทัดรัด แต่มอเตอร์เหล่านี้ยังคงสามารถส่งแรงบิดได้ประมาณ 15 มิลลินิวตัน-เมตร ตามรายงานแนวโน้มการควบคุมการเคลื่อนไหวในปีที่แล้ว ทั้งชุดมีขนาดบางลงมาก จนวิศวกรพบว่าสามารถทำงานได้ง่ายขึ้นภายในข้อจำกัดที่ต้องบางไม่เกิน 10 มิลลิเมตร ซึ่งเป็นข้อกำหนดของสมาร์ทโฟนพับได้และอุปกรณ์อื่นๆ ที่บางเฉียบในตลาดปัจจุบัน

กรณีศึกษา: มอเตอร์กระแสตรงขนาดเล็กในเครื่องแปรงฟันไฟฟ้าและอุปกรณ์สวมใส่อัจฉริยะ

กว่า 87% ของแปรงสีฟันไฟฟ้าระดับพรีเมียมใช้มอเตอร์ PMDC แรงดัน 3–6V พร้อมเกียร์แบบดาวเคราะห์เฉพาะที่สามารถสร้างการสั่นสะเทือนได้ 7,000–30,000 ครั้งต่อนาที โดยใช้พลังงานเพียง 1.2–2.4 วัตต์ เท่านั้น ในขณะที่ในเครื่องติดตามสุขภาพ มอเตอร์กระแสตรงไร้แปรงขนาดเส้นผ่าศูนย์กลาง 4 มม. ทำให้ระบบสัมผัสตอบสนอง (haptic feedback) ทำงานได้นานกว่า 18 เดือนจากแบตเตอรี่แบบเหรียญ

การเลือกค่าแรงดันไฟฟ้าที่เหมาะสม (3V, 5V, 12V) สำหรับการใช้งานในผลิตภัณฑ์สำหรับผู้บริโภค

การเลือกแรงดันไฟฟ้าส่งผลโดยตรงต่อประสิทธิภาพของอุปกรณ์และอายุการใช้งานของแบตเตอรี่:

ตามที่ระบุในรายงานการออกแบบอิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภค ปี 2024 มอเตอร์กระแสตรงไร้แปรงขนาด 5V ปัจจุบันครองสัดส่วนถึง 68% ของการออกแบบอุปกรณ์เสริมสมาร์ทโฟนรุ่นใหม่ เนื่องจากความเข้ากันได้กับมาตรฐานการชาร์จเร็ว USB-PD

อุปกรณ์คอมพิวเตอร์และอุปกรณ์ความแม่นยำที่ใช้มอเตอร์กระแสตรงขนาดเล็ก

บทบาทของมอเตอร์กระแสตรงในพัดลมระบายความร้อน ฮาร์ดดิสก์ และเครื่องพิมพ์

มอเตอร์กระแสตรงขนาดเล็กที่พบในคอมพิวเตอร์นั้นแท้จริงแล้วคือสิ่งที่ทำให้ชิ้นส่วนเคลื่อนไหวต่างๆ ทำงานได้อย่างแม่นยำ ตัวอย่างเช่น พัดลมระบายความร้อน มอเตอร์จิ๋วเหล่านี้ช่วยป้องกันไม่ให้อุปกรณ์ร้อนเกินไป โดยควบคุมการไหลของอากาศอย่างมีประสิทธิภาพ หมุนด้วยความเร็วสูงกว่า 3,000 รอบต่อนาที แต่ยังคงมีน้ำหนักเบาพอที่จะไม่เพิ่มน้ำหนักโดยไม่จำเป็น ส่วนในฮาร์ดดิสก์ ผู้ผลิตใช้มอเตอร์กระแสตรงขนาดเล็กมากในการหมุนแกนอย่างแม่นยำ ซึ่งช่วยอธิบายได้ว่าทำไม SSD ในปัจจุบันจึงสามารถถ่ายโอนข้อมูลด้วยความเร็วที่น่าประทับใจประมาณ 210 MB/s และอย่าลืมเครื่องพิมพ์ด้วย! เครื่องพิมพ์ต่างๆ พึ่งพาอาศัยมอเตอร์กระแสตรงแบบสเต็ปเปอร์ในการเคลื่อนกระดาษอย่างแม่นยำสูง สามารถควบคุมตำแหน่งได้แม่นยำภายในครึ่งมิลลิเมตร สำหรับงานพิมพ์ความละเอียดสูงที่คนส่วนใหญ่ชื่นชอบ

มอเตอร์กระแสตรงแบบมีแปรงถ่านเทียบกับแบบไม่มีแปรงถ่าน: การแลกเปลี่ยนด้านประสิทธิภาพกับความน่าเชื่อถือ

มอเตอร์กระแสตรงแบบมีแปรง (brushed DC motor) ยังคงพบได้ทั่วไปในอุปกรณ์ราคาประหยัด เนื่องจากผลิตได้ไม่แพง โดยทั่วไปจะมีต้นทุนประมาณ 2 ถึง 5 ดอลลาร์สหรัฐต่อตัว อย่างไรก็ตาม มอเตอร์เหล่านี้มักมีอายุการใช้งานสั้นเมื่อทำงานต่อเนื่อง เพราะชิ้นส่วนกลไกภายในมักสึกหรอหลังใช้งานไปประมาณ 1,000 ถึง 3,000 ชั่วโมง ในทางกลับกัน มอเตอร์กระแสตรงแบบไม่มีแปรง (brushless DC หรือ BLDC) ทำงานต่างออกไป โดยกำจัดแปรงที่เกิดการสึกหรอออกไปเลย และใช้อิเล็กทรอนิกส์ในการสลับกระแสไฟฟ้า ซึ่งหมายความว่าสามารถใช้งานได้นานกว่ามาก—มักเกิน 20,000 ชั่วโมงในอุปกรณ์ที่ปิดผนึกได้ดี เช่น ฮาร์ดดิสก์ภายนอก การทดสอบล่าสุดในปี 2023 ที่ตรวจสอบพัดลมระบายความร้อน 120 ตัวที่หยุดทำงาน พบข้อมูลน่าสนใจอย่างหนึ่งคือ มอเตอร์แบบมีแปรงเสียหายบ่อยเกือบห้าเท่าของมอเตอร์แบบไม่มีแปรง ส่วนใหญ่เป็นเพราะคราบคาร์บอนสะสมตามกาลเวลา

แนวโน้ม: การเปลี่ยนผ่านสู่มอเตอร์กระแสตรงแบบไม่มีแปรงที่มีประสิทธิภาพการใช้พลังงานสูงในอุปกรณ์เสริม

ในปัจจุบันเราเห็นแนวโน้มการเปลี่ยนมาใช้มอเตอร์ BLDC อย่างชัดเจนในตลาดอุปกรณ์ต่อพ่วง อัตราการนำไปใช้งานเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง โดยเติบโตประมาณ 18% ต่อปี นับตั้งแต่ต้นปี 2020 เหตุผลก็คือ ผู้คนต้องการให้อุปกรณ์ของตนใช้พลังงานน้อยกว่า 5 วัตต์ในขณะที่ไม่ได้ทำงาน เช่น สถานีเชื่อมต่อ USB-C รุ่นใหม่ ซึ่งใช้มอเตอร์ไร้แปรงถ่านแบบ 12 โวลต์ เพื่อจัดการทั้งการชาร์จและถ่ายโอนข้อมูลพร้อมกัน สิ่งที่น่าสนใจยิ่งไปกว่านั้นคือ การออกแบบ BLDC แบบโมดูลาร์ที่ทำให้ขนาดเล็กลง พิมพ์แบบพกพาตอนนี้สามารถผลิตให้เล็กลงได้ถึง 15% โดยไม่ลดทอนประสิทธิภาพ และยังคงระดับเสียงไว้ที่ประมาณ 35 เดซิเบล ซึ่งทำให้เหมาะสมอย่างยิ่งสำหรับพื้นที่สำนักงานที่มีความวุ่นวาย เพราะการพิมพ์อย่างต่อเนื่องจะไม่รบกวนสมาธิของผู้อื่นอีกต่อไป

ของเล่นและอิเล็กทรอนิกส์งานอดิเรก: ขับเคลื่อนนวัตกรรมด้วยมอเตอร์กระแสตรงขนาดเล็ก

ความโดดเด่นของมอเตอร์กระแสตรงขนาดเล็กในรถบังคับ, โดรน และหุ่นยนต์แบบ DIY

มอเตอร์กระแสตรงขนาดเล็กให้ความแม่นยำและเชื่อถือได้ในงานอิเล็กทรอนิกส์สำหรับงานอดิเรก โดยแหล่งจ่ายไฟที่กะทัดรัดมีความสำคัญอย่างยิ่ง มอเตอร์เหล่านี้ครอบคลุมสามด้านหลัก ได้แก่

• ยานพาหนะไร้คนขับ (RC) : ให้แรงบิดสำหรับการปีนและการควบคุมความเร็วในรถยนต์
• โดรน : ช่วยให้สามารถปรับแรงขับที่มั่นคงเพื่อการควบคุมการเคลื่อนไหวขณะบิน
• หุ่นยนต์แบบทำเอง : ให้แรงบิดที่สามารถปรับเปลี่ยนได้สำหรับข้อต่อที่ควบคุมด้วยโปรแกรม

ขนาดของมอเตอร์ที่เล็กลง 30%-50% เมื่อเทียบกับมอเตอร์ชนิด AC (Robotics Trends 2023) ทำให้สามารถติดตั้งในพื้นที่ที่มีขนาดต่ำกว่า 2 ลูกบาศก์เซนติเมตร ซึ่งมีความสำคัญต่อการออกแบบที่มีขนาดเล็กลง

ความคุ้มค่าของมอเตอร์ PMDC แบบมีแปรงถ่านในของเล่นที่ใช้แบตเตอรี่

สำหรับของเล่นที่มีราคาประหยัดซึ่งวางขายตามชั้นวางสินค้าในปัจจุบัน มอเตอร์กระแสตรงแบบมีแปรงถาวร (brushed permanent magnet DC motors) ยังคงเป็นตัวเลือกที่ผู้ผลิตนิยมใช้มากที่สุด มอเตอร์เหล่านี้มีต้นทุนการผลิตต่ำกว่ามอเตอร์แบบไม่มีแปรง (brushless counterparts) ประมาณสองในสาม ซึ่งเป็นข้อได้เปรียบที่สำคัญเมื่อกำไรหดตัว ความต้องการแรงดันไฟฟ้ายังค่อนข้างเรียบง่าย โดยทั่วไปสามารถทำงานได้ดีกับถ่านแบตเตอรี่ขนาดเล็กแบบกระดุม หรือถ่าน AA และ AAA ที่พบได้ทั่วไปในครัวเรือน แน่นอนว่ามอเตอร์เหล่านี้มีแปรงกลไกที่จะสึกหรอไปตามเวลา ทำให้มีอายุการใช้งานอยู่ที่ประมาณ 200 ถึง 500 ชั่วโมงในการทำงาน แต่โดยสุจริตแล้ว ระยะเวลาดังกล่าวถือว่าเพียงพออย่างยิ่ง เมื่อพิจารณาจากช่วงเวลาที่เด็กส่วนใหญ่เล่นของเล่นชิ้นใดชิ้นหนึ่งก่อนจะเปลี่ยนไปเล่นสิ่งใหม่ ๆ โดยทั่วไปมักอยู่ในช่วงหนึ่งถึงสองปี

การรวมมอเตอร์กระแสตรงแบบไม่มีแปรงแบบโมดูลาร์ในชุดการศึกษา

ชุดอุปกรณ์การศึกษา STEM แบบทันสมัยในปัจจุบันมาพร้อมกับมอเตอร์กระแสตรงแบบไม่มีแปรงถ่าน (brushless DC motors) ซึ่งมีฟีเจอร์ต่าง ๆ ที่สะดวกสบายมากมาย ส่วนใหญ่จะรวมตัวขับมอเตอร์ที่บัดกรีไว้ล่วงหน้า การเชื่อมต่อไฟฟ้าแบบมาตรฐาน 5V และ 12V รวมถึงทำงานได้ดีเยี่ยมกับการควบคุมความเร็วแบบ PWM สิ่งนี้หมายความว่าอย่างไรสำหรับนักเรียน? ก็คือทำให้การสร้างหุ่นยนต์ระบบอินเทอร์เน็ตของสิ่งต่าง ๆ (IoT) และระบบอัตโนมัติต่าง ๆ ง่ายขึ้นมาก เนื่องจากไม่จำเป็นต้องยุ่งยากกับวงจรไฟฟ้าซับซ้อนอีกต่อไป การออกแบบแบบไม่มีแปรงถ่านยังเป็นข้อดีสำคัญสำหรับครูผู้สอน เพราะมอเตอร์เหล่านี้ไม่จำเป็นต้องได้รับการบำรุงรักษาระยะสั้น แม้จะใช้งานต่อเนื่องในห้องเรียนเป็นเวลาหลายเดือน โดยสามารถทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพประมาณ 85 เปอร์เซ็นต์ต่อเนื่องเกินกว่าหนึ่งพันชั่วโมง ไม่น่าแปลกใจที่ผู้จัดจำหน่ายการศึกษารายใหญ่เริ่มนำมอเตอร์เหล่านี้มาใช้ในผลิตภัณฑ์ของตนอย่างแพร่หลาย

มอเตอร์กระแสตรงขนาดเล็กแบบมีแปรงถ่านและไม่มีแปรงถ่าน: การเปรียบเทียบทางเทคนิคและการเลือกใช้งาน

ความแตกต่างในการทำงานระหว่างมอเตอร์กระแสตรงแบบมีแปรงถ่านและไม่มีแปรงถ่าน

มอเตอร์กระแสตรงแบบเล็กที่ใช้แปรงถ่านพึ่งพาแปรงกลไกแบบเก่าร่วมกับเครื่องสลับขั้วเพื่อทำให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่านได้ แต่จะมีแรงเสียดทานเกิดขึ้นเสมอ ซึ่งส่งผลให้ประสิทธิภาพโดยรวมลดลงเหลือประมาณ 70 ถึง 80 เปอร์เซ็นต์ในทางที่ดีที่สุด นอกจากนี้ยังมักสร้างเสียงดังขณะทำงาน มอเตอร์แบบไม่มีแปรงถ่านสามารถแก้ปัญหาทั้งหมดนี้ได้ โดยการแทนที่ชิ้นส่วนที่สึกหรอเหล่านั้นด้วยตัวควบคุมอิเล็กทรอนิกส์ ไม่มีการสัมผัสกันโดยตรง จึงทำให้ชิ้นส่วนสึกหรอน้อยลง และยังเพิ่มประสิทธิภาพขึ้นมาอยู่ที่ประมาณ 85 ถึง 95% ส่งผลให้มอเตอร์แบบไม่มีแปรงถ่านเป็นตัวเลือกที่ยอดเยี่ยมมากเมื่อต้องการความเงียบในการทำงาน เช่น อุปกรณ์ทางการแพทย์ที่เสียงหึ่งๆ ตลอดเวลาอาจสร้างปัญหา หรือแม้แต่เซ็นเซอร์ IoT ขนาดเล็กที่ต้องทำงานได้นานหลายปีโดยไม่ต้องบำรุงรักษา

การไม่มีการเกิดอาร์กที่แปรงถ่านในมอเตอร์แบบไร้แปรง (brushless) ยังช่วยเพิ่มความปลอดภัยในสภาพแวดล้อมที่ไวต่อการติดไฟได้ อย่างไรก็ตาม มอเตอร์แบบมีแปรง (brushed) ยังคงมีข้อได้เปรียบด้านต้นทุนสำหรับงานง่ายๆ ที่ใช้งานเป็นระยะๆ เช่น กลไกของของเล่น หรือแอคทูเอเตอร์พื้นฐาน

ประสิทธิภาพพลังงานและแนวโน้มในอนาคตของการรวมมอเตอร์กระแสตรงขนาดเล็ก

การปรับแต่งอายุการใช้งานแบตเตอรี่ผ่านการจับคู่แรงดันและการควบคุมด้วย PWM

เมื่อมอเตอร์กระแสตรงขนาดเล็กถูกจับคู่อย่างเหมาะสมกับความต้องการของระบบ (เช่น 3V, 5V หรือ 12V) มักจะสูญเสียพลังงานน้อยลงในขณะที่ยังคงรักษาระดับแรงบิดได้เท่าเดิม ความแตกต่างนี้อาจชัดเจนพอสมควร — การศึกษาบางชิ้นแสดงว่าพลังงานที่สูญเสียน้อยลงประมาณ 20% เมื่อทำอย่างถูกต้อง ในปัจจุบันการออกแบบสมัยใหม่หลายแบบใช้สิ่งที่เรียกว่าตัวควบคุม PWM ซึ่งโดยพื้นฐานแล้วช่วยให้สามารถควบคุมความเร็วของมอเตอร์ได้โดยไม่สูญเสียประสิทธิภาพ หมายความว่าอุปกรณ์ต่างๆ เช่น สมาร์ทโฟนและแกดเจ็ตอื่นๆ จะใช้งานได้นานขึ้นต่อการชาร์จหนึ่งครั้ง เมื่อเทียบกับระบบที่ใช้แรงดันคงที่แบบเก่า ชีวิตการใช้งานแบตเตอรี่มักจะดีขึ้นระหว่าง 30% ถึง 40% ยกตัวอย่างเช่น เทคโนโลยีสวมใส่ ส่วนใหญ่สมาร์ทวอทช์ในปัจจุบันทำงานด้วยมอเตอร์ 3V ที่ควบคุมด้วย PWM และสามารถใช้งานได้เกิน 50 ชั่วโมงจากแบตเตอรี่กระดุมขนาดเล็กเพียงก้อนเดียว ซึ่งเป็นสิ่งที่เป็นไปไม่ได้ด้วยวิธีการแบบดั้งเดิม

มอเตอร์กระแสตรงไร้แปรงแบบแรงดันต่ำในงานออกแบบอิเล็กทรอนิกส์ที่ต้องคำนึงถึงการใช้พลังงาน

ในปัจจุบัน มอเตอร์กระแสตรงแบบไม่มีแปรงถ่านหรือมอเตอร์ BLDC กำลังเข้ามาแทนที่การใช้งานในระบบพลังงานต่ำส่วนใหญ่ เพราะสามารถทำงานได้มีประสิทธิภาพประมาณ 85 ถึง 92 เปอร์เซ็นต์ ซึ่งดีกว่ามอเตอร์แบบมีแปรงถ่านแบบดั้งเดิมราว 25% ทำให้มอเตอร์ประเภทนี้น่าสนใจสำหรับผู้ผลิตอย่างมาก การลดการเกิดความร้อนลงมานั้นมีความสำคัญเป็นพิเศษในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ปิดผนึกสนิท เช่น อุปกรณ์เซ็นเซอร์สมาร์ทโฮม แม้เพียงลดอุณหภูมิลงเพียง 1 องศาเซลเซียสภายในอุปกรณ์เหล่านี้ ก็สามารถยืดอายุการใช้งานของชิ้นส่วนต่างๆ ให้ยาวนานขึ้นเป็นสองเท่า เมื่อเทียบกับผลการทดสอบภาคสนาม สิ่งที่น่าสนใจยิ่งไปกว่านั้นคือ การปรับปรุงเทคโนโลยีแม่เหล็กธาตุหายากในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ทำให้มอเตอร์ BLDC ที่ใช้แรงดันไฟฟ้า 5 โวลต์สามารถสร้างค่าเฉพาะทางที่น่าประทับใจ เช่น แรงบิด 0.15 นิวตัน-เมตร ขณะหมุนที่ความเร็ว 20,000 รอบต่อนาที สมรรถนะในระดับนี้ตอบโจทย์ความต้องการที่เพิ่มขึ้นในหลากหลายภาคส่วน รวมถึงอุปกรณ์ทางการแพทย์ และฮาร์ดแวร์อินเทอร์เน็ตของสรรพสิ่ง (IoT) ที่มอเตอร์ขนาดเล็กแต่มีพลังขับเคลื่อนสูงกำลังกลายเป็นสิ่งจำเป็นมากยิ่งขึ้น

แนวโน้มในอนาคต: มอเตอร์อัจฉริยะ เซ็นเซอร์ และวัสดุขั้นสูง

นวัตกรรมสามประการที่กำลังเปลี่ยนโฉมเทคโนโลยีมอเตอร์กระแสตรงขนาดเล็ก:

• ไดรเวอร์อัจฉริยะแบบบูรณาการ พร้อมการตรวจสอบโหลดแบบเรียลไทม์ ช่วยลดการสูญเสียพลังงานในสภาวะที่มีภาระบางส่วน
• แบริ่งพอลิเมอร์ที่หล่อลื่นตัวเอง ทำให้สามารถใช้งานได้โดยไม่ต้องบำรุงรักษานานกว่า 50,000 ชั่วโมง
• การบำรุงรักษาเชิงคาดการณ์ที่ใช้ IoT ระบบที่วิเคราะห์การเปลี่ยนแปลงของกระแสไฟฟ้าเพื่อคาดการณ์ความผิดพลาดของมอเตอร์ล่วงหน้า

การเปลี่ยนผ่านไปสู่มอเตอร์แบบโมดูลาร์ที่ติดตั้งเซ็นเซอร์ สอดคล้องกับการคาดการณ์ของอุตสาหกรรมที่ประเมินว่าการนำมอเตอร์ BLDC มาใช้ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภคจะเติบโตเพิ่มขึ้นปีละ 17% จนถึงปี 2028