มอเตอร์กระแสตรงขนาดเล็กใช้ไฟฟ้ากระแสตรงและเปลี่ยนเป็นการเคลื่อนไหวเชิงกลอย่างแม่นยำ โดยอาศัยแรงแม่เหล็กไฟฟ้า สิ่งที่เกิดขึ้นโดยพื้นฐานคือ เมื่อกระแสไฟฟ้าไหลผ่านอาร์เมเจอร์ภายในมอเตอร์ จะเกิดการปฏิสัมพันธ์กับสนามแม่เหล็ก ทำให้เกิดการหมุนซึ่งเราทุกคนรู้จักกันดี มอเตอร์ขนาดเล็กแต่ทรงพลังเหล่านี้เหมาะสำหรับสถานการณ์ที่ต้องคำนึงถึงพื้นที่ และต้องการแรงบิดที่เหมาะสม จึงไม่แปลกใจที่เราจะพบเห็นมอเตอร์เหล่านี้ในอุปกรณ์ต่างๆ ตั้งแต่สมาร์ทโฟนไปจนถึงปั๊มขนาดเล็กในเครื่องมือทางการแพทย์ การศึกษาล่าสุดเกี่ยวกับระบบขับเคลื่อนอุตสาหกรรมช่วงต้นปี 2024 ชี้ให้เห็นว่า มอเตอร์เหล่านี้สามารถมีประสิทธิภาพสูงถึงประมาณ 90% เมื่อทำงานภายใต้ภาระไม่หนักมาก เนื่องจากมีแรงเสียดทานเกิดขึ้นน้อยมากในขณะที่ภาระเบา
ชิ้นส่วนสำคัญสี่ชิ้นที่กำหนดการทำงานของมอเตอร์กระแสตรงขนาดเล็ก:
ต่างจากมอเตอร์ขนาดใหญ่ มอเตอร์กระแสตรงขนาดเล็กใช้วัสดุที่เบากว่า เช่น แม่เหล็กเนโอเดียมและแปรงถ่านคาร์บอน เพื่อความทนทาน โดยตามที่ระบุไว้ใน แนวทางวิศวกรรมมอเตอร์ ส่วนประกอบเหล่านี้ได้รับการปรับให้มีการสูญเสียความร้อนต่ำลง ทำให้สามารถทำงานต่อเนื่องในพื้นที่จำกัดได้
เมื่อพูดถึงมอเตอร์กระแสตรงขนาดเล็ก พวกมักจะเน้นการส่งกำลังในพื้นที่จำกัดมากกว่าการผลิตแรงบิดจำนวนมาก เอาตัวอย่างเช่น มอเตอร์มาตรฐาน 12 โวลต์ ที่มีค่ากำลังประมาณ 3 ถึง 50 วัตต์ มอเตอร์ขนาดเล็กเหล่านี้โดยทั่วไปจะหมุนที่รอบประมาณ 15 ถึง 200 รอบต่อนาที เมื่อเทียบกับมอเตอร์ขนาดอุตสาหกรรม ซึ่งสามารถจัดการกับกำลังไฟได้มากกว่า บ่อยครั้งเกิน 1 กิโลวัตต์ แต่ต้องใช้ระบบระบายความร้อนขนาดใหญ่เพื่อป้องกันการร้อนเกิน ข้อดีที่ทำให้มอเตอร์ขนาดเล็กมีประโยชน์คือ ธรรมชาติที่กะทัดรัดของมัน ไม่จำเป็นต้องใช้ชิ้นส่วนเสริม เช่น พัดลมภายนอก อย่างที่มอเตอร์ขนาดใหญ่ต้องการ จึงเป็นเหตุผลว่าทำไมวิศวกรจึงชอบติดตั้งมันไว้ในอุปกรณ์ต่างๆ ที่การประหยัดพื้นที่มีความสำคัญ ตามงานวิจัยบางชิ้นที่ตีพิมพ์เมื่อปีที่แล้วในวารสารด้านแมคคาทรอนิกส์ พบว่ามอเตอร์ขนาดเล็กเหล่านี้ทำงานได้เงียบกว่ามอเตอร์ขนาดใหญ่ประมาณ 40 เปอร์เซ็นต์ การทำงานที่เงียบนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งในงานประยุกต์ใช้งาน เช่น อุปกรณ์ทางการแพทย์หรืออุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภค ที่ไม่มีใครต้องการเสียงรบกวนหรือเสียงฮัมจากเครื่องจักร
มอเตอร์กระแสตรงขนาดเล็กทำงานโดยการเปลี่ยนพลังงานไฟฟ้าให้กลายเป็นการเคลื่อนไหวจริง โดยอาศัยสิ่งที่เรียกว่าแรงโลเรนซ์ (Lorentz forces) โดยพื้นฐานแล้ว เมื่อกระแสไฟฟ้าไหลผ่านลวดทองแดงภายในมอเตอร์ (ซึ่งเราเรียกว่าขดลวดอาร์เมเจอร์) จะทำให้เกิดสนามแม่เหล็ก สนามแม่เหล็กนี้จะมีปฏิสัมพันธ์กับแม่เหล็กถาวรที่ติดอยู่บริเวณด้านนอกของตัวเรือนมอเตอร์ สิ่งที่เกิดขึ้นต่อไปนั้นค่อนข้างน่าทึ่ง สนามแม่เหล็กจะผลักดันกันเอง จนเกิดแรงบิดที่ทำให้เพลาของมอเตอร์หมุน ในทิศทางที่ตั้งฉากกับทิศทางการไหลของกระแสไฟฟ้าและทิศทางของเส้นสนามแม่เหล็ก เพื่อให้การหมุนดำเนินไปอย่างต่อเนื่อง กระแสไฟฟ้าจะถูกถ่ายโอนผ่านแปรงคาร์บอนไปยังส่วนที่เรียกว่า คอมมิวเทเตอร์ (commutator) ส่วนนี้จะสลับกระแสไฟฟ้าไปยังขดลวดอาร์เมเจอร์ในแต่ละช่วง ทำให้มอเตอร์สามารถหมุนต่อไปเรื่อยๆ แทนที่จะหยุดหลังจากหมุนไปเพียงหนึ่งรอบ
ระบบคอมมิวเตเตอร์และแปรงถ่านทำหน้าที่สำคัญสองประการ ได้แก่
หากไม่มีการสลับอย่างเป็นระบบเช่นนี้ มอเตอร์กระแสตรงขนาดเล็กจะหยุดทำงานหลังจากหมุนไปเพียงบางส่วน การวิจัยด้านพลศาสตร์ไฟฟ้าล่าสุดแสดงให้เห็นว่าการออกแบบคอมมิวเตเตอร์ที่เหมาะสมสามารถลดการเกิดอาร์กไฟได้ถึง 40% ทำให้อายุการใช้งานของแปรงถ่านยาวนานขึ้นในแอปพลิเคชัน 12V
ความสัมพันธ์หลักที่กำหนดสมรรถนะของมอเตอร์กระแสตรงขนาดเล็ก:
| พารามิเตอร์ | ผลกระทบต่อประสิทธิภาพ | ข้อพิจารณาในการออกแบบ |
|---|---|---|
| แรงดันไฟฟ้า (6-24V) | สัมพันธ์โดยตรงกับความเร็วขณะไม่มีภาระ | ขีดจำกัดความร้อนที่แรงดันไฟฟ้าสูงขึ้น |
| ปัจจุบัน | กำหนดค่าผลลัพธ์ของแรงบิด (T = kΦI) | ขนาดสายไฟและวัสดุของแปรงถ่าน |
| ฟลักซ์แม่เหล็ก | มีผลต่อทั้งแรงบิดและแรงเคลื่อนไฟฟ้ากลับ | การเลือกระดับของแม่เหล็ก |
มอเตอร์กระแสตรงขนาดเล็กรุ่นคอร์เลสสามารถทำงานที่ความเร็วเกิน 10,000 รอบต่อนาที พร้อมการสั่นสะเทือนต่ำมาก ในขณะที่มอเตอร์เกียร์แบบ planetary จะแลกเปลี่ยนความเร็วเพื่อเพิ่มแรงบิดได้ถึง 15 เท่า การออกแบบที่มีประสิทธิภาพสามารถรักษาระดับการแปลงพลังงานได้มากกว่า 80% ตลอดช่วงการใช้งาน
มอเตอร์ดีซีขนาดเล็กทำงานโดยใช้แปรงถ่านและแหวนสลับขั้วเพื่อสร้างการเชื่อมต่อไฟฟ้า ดูเผินๆ แล้วมันค่อนข้างเรียบง่ายและมีราคาถูก จึงทำให้มักพบเห็นในเครื่องใช้ต่างๆ เช่น เครื่องซักผ้า หรือตู้จำหน่ายของว่างที่เราเห็นได้ทั่วไป แต่ก็มีข้อเสียอยู่ตรงที่ แปรงถ่านมีแนวโน้มที่จะสึกหรอไปตามเวลา ทำให้มอเตอร์ประเภทนี้จำเป็นต้องได้รับการตรวจสอบและเปลี่ยนชิ้นส่วนอย่างสม่ำเสมอ ส่งผลให้อายุการใช้งานก่อนที่จะเสียหายสมบูรณ์ลดน้อยลง ในทางกลับกัน มอเตอร์ดีซีแบบไม่มีแปรง (BLDC) ได้กำจัดชิ้นส่วนกลไกเหล่านี้ออกไป โดยใช้ระบบสลับขั้วแบบอิเล็กทรอนิกส์ ทำให้ไม่มีแรงเสียดทาน ส่งผลให้มอเตอร์เหล่านี้สามารถทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น บางครั้งมีประสิทธิภาพสูงถึงประมาณ 90% ผู้ผลิตอุปกรณ์ทางการแพทย์นิยมใช้มอเตอร์ประเภทนี้เพราะสามารถทำงานต่อเนื่องได้หลายพันชั่วโมงโดยไม่เกิดความล้มเหลว และมีรายงานว่าบางหน่วยสามารถทำงานได้ถึง 10,000 ชั่วโมงโดยยังคงทำงานได้ดีอยู่
การรวมเกียร์ดาวเคราะห์หรือเกียร์สปูร์เข้ากับมอเตอร์กระแสตรงขนาดเล็กจะช่วยเพิ่มแรงบิดในขณะที่ยังคงขนาดที่กะทัดรัด เกียร์มอเตอร์ที่ให้แรงบิดได้สูงสุดถึง 2.5 นิวตัน-เมตร เหมาะอย่างยิ่งสำหรับระบบปรับกระจกรถยนต์ อุปกรณ์ขับเคลื่อนอุตสาหกรรม และหุ่นยนต์ ซึ่งต้องการการเคลื่อนไหวด้วยแรงสูงในพื้นที่จำกัด
การออกแบบแบบคอร์เลสจะลบแกนเหล็กออกจากรอเตอร์ ทำให้ลดความเฉื่อยลงได้ถึง 50% จึงเหมาะสำหรับการทำงานแบบเริ่ม-หยุดอย่างรวดเร็วในโดรนและอวัยวะเทียม มอเตอร์แบบแพนเค้กที่มีอาร์เมเจอร์แบนราบสามารถมีความหนาต่ำกว่า 15 มม. ทำให้สามารถติดตั้งในอุปกรณ์สวมใส่และเซ็นเซอร์ขนาดจิ๋วได้
เมื่อทำงานกับมอเตอร์กระแสตรงขนาดเล็ก ค่าแรงดันไฟฟ้าที่กำหนดไว้ของมอเตอร์จะต้องสอดคล้องกับแหล่งจ่ายไฟที่เราต่อเข้าไป โดยทั่วไปมอเตอร์เชิงพาณิชย์ส่วนใหญ่ทำงานได้ดีที่สุดในช่วง 6 ถึง 24 โวลต์ หากป้อนแรงดันไฟฟ้าเกินกว่าที่กำหนด มอเตอร์เหล่านี้มักจะร้อนจัดอย่างรวดเร็ว ในทางกลับกัน การใช้งานที่แรงดันต่ำกว่าค่าต่ำสุดจะทำให้มอเตอร์อ่อนกำลังลง เนื่องจากไม่สามารถสร้างแรงบิดได้เพียงพอ ปริมาณกระแสไฟฟ้าที่มอเตอร์ดูดใช้จะขึ้นอยู่กับภาระงานที่มอเตอร์ต้องทำงานหนักเพียงใด ภาระที่มากขึ้นหมายถึงกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านระบบมากขึ้น ซึ่งย่อมทำให้การใช้พลังงานและปริมาณความร้อนเพิ่มขึ้นตามไปด้วย เพื่อให้เข้าใจได้ชัดเจนขึ้น ลองพิจารณาตัวเลขตัวอย่าง: มอเตอร์มาตรฐาน 12 โวลต์ที่ใช้กระแสประมาณ 1.6 แอมป์ จะให้กำลังงานประมาณ 19.2 วัตต์ การเข้าใจสเปคนี้ช่วยให้วิศวกรเลือกมอเตอร์ที่เหมาะสมกับงานได้อย่างถูกต้อง มอเตอร์ขนาดเล็กอาจเพียงพอสำหรับอุปกรณ์หรือของเล่นง่ายๆ แต่ในงานอุปกรณ์โรงงานที่ต้องทำงานต่อเนื่องเป็นเวลานาน ก็จำเป็นต้องใช้มอเตอร์ที่มีขนาดใหญ่และทนทานกว่า
ประสิทธิภาพของมอเตอร์กระแสตรงขนาดเล็กโดยทั่วไปอยู่ระหว่าง 70 ถึง 90 เปอร์เซ็นต์ แม้ว่าค่านี้อาจแปรผันขึ้นอยู่กับปัจจัยหลายประการ เช่น แรงเสียดทานภายในมอเตอร์ ความต้านทานในขดลวด และการสูญเสียพลังงานที่เกี่ยวข้องกับสนามแม่เหล็ก เมื่อมอเตอร์เหล่านี้ทำงานต่อเนื่องที่อุณหภูมิเกิน 60 องศาเซลเซียส (ประมาณ 140 ฟาเรนไฮต์) จะมีความเสี่ยงจริงที่ฉนวนจะเสื่อมสภาพหรือแม่เหล็กถาวรสูญเสียความเข้มแรงลง การจัดการความร้อนที่ดีจึงมีบทบาทสำคัญอย่างมากในกรณีนี้ สิ่งต่างๆ เช่น โครงมอเตอร์ที่ออกแบบพิเศษเพื่อช่วยระบายความร้อน หรือการปรับปรุงการไหลเวียนของอากาศรอบๆ มอเตอร์ สามารถยืดอายุการใช้งานได้อย่างมากก่อนที่จะต้องเปลี่ยนใหม่ มอเตอร์ชนิดไร้แปรงถ่าน (brushless) สร้างความร้อนน้อยกว่า เพราะไม่มีแปรงถ่านที่ก่อให้เกิดแรงเสียดทาน สำหรับการใช้งานที่ต้องการความน่าเชื่อถือสูง เช่น ในอุปกรณ์ทางการแพทย์ มอเตอร์ชนิดไร้แปรงถ่านมักมีอายุการใช้งานนานเกิน 5,000 ชั่วโมงของการทำงานต่อเนื่องโดยไม่มีปัญหา
มอเตอร์กระแสตรงแบบมีแปรงถ่านขนาดเล็กโดยทั่วไปสามารถทำงานได้นานประมาณ 1,000 ถึง 3,000 ชั่วโมง ก่อนที่แปรงถ่านจะเริ่มสึกหรอ ในขณะที่มอเตอร์แบบไม่มีแปรงถ่านนั้นสามารถทำงานได้ง่ายเกินกว่า 10,000 ชั่วโมง เมื่อติดตั้งในสถานที่ที่มีฝุ่นลอยอยู่มากหรือมีความชื้นสูง มอเตอร์เหล่านี้จะได้รับประโยชน์อย่างมากจากตลับลูกปืนที่ปิดผนึกแน่นหนาและชิ้นส่วนที่ทำจากวัสดุทนสนิมและทนการเสื่อมสภาพ การรักษาให้มอเตอร์ทำงานได้อย่างราบรื่นมักต้องอาศัยการบำรุงรักษาพื้นฐานด้วย เช่น การทำความสะอาดผิวของเครื่องแปรกระแสไฟฟ้าเป็นประจำ และตรวจสอบให้แน่ใจว่าชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหวทั้งหมดได้รับการหล่อลื่นอย่างเหมาะสม ซึ่งจะช่วยป้องกันการขัดข้องที่ไม่คาดคิดในสายการผลิตอัตโนมัติ สำหรับยานพาหนะและอุปกรณ์ขนส่งอื่น ๆ ผู้ผลิตมักกำหนดให้มอเตอร์มีระดับการป้องกันตัวเรือน IP54 ซึ่งหมายความว่าสามารถทนต่อการกระเด็นของน้ำและสิ่งสกปรกได้โดยไม่ให้ความชื้นซึมเข้าไปภายใน ซึ่งสอดคล้องกับข้อกำหนดของผู้ผลิตส่วนใหญ่ในการใช้งานอย่างเชื่อถือได้ภายใต้สภาวะที่ยากลำบาก
เราอาศัยมอเตอร์กระแสตรงขนาดเล็กในการใช้งานสิ่งของต่างๆ ในชีวิตประจำวันโดยที่อาจไม่รู้ตัวเลย เช่น เครื่องสั่นเตือนในโทรศัพท์เมื่อมีการแจ้งเตือน หัวแปรงที่หมุนได้ในแปรงสีฟันไฟฟ้า หรือพัดลมขนาดเล็กที่ช่วยทำให้เราเย็นสบายในช่วงฤดูร้อน สิ่งที่ทำให้มอเตอร์เหล่านี้ยอดเยี่ยมคือ ขนาดเล็กพอที่จะใส่ลงในอุปกรณ์ที่ถือด้วยมือได้ แต่ยังคงทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพด้วยพลังงานจากแบตเตอรี่ สำหรับอุปกรณ์ที่ซับซ้อนอย่างโดรน มอเตอร์ขนาดจิ๋วนี้ช่วยให้ทุกอย่างสมดุลขณะบินอยู่กลางอากาศ และยังช่วยให้กล้องสามารถขยับเคลื่อนไหวได้อย่างราบรื่นจากด้านหนึ่งไปอีกด้านหนึ่ง เทคโนโลยีเดียวกันนี้ยังขับเคลื่อนระบบกิมบอลที่ช่างภาพชื่นชอบอยู่เป็นประจำ น่าประทับใจมากเมื่อพิจารณาจากขนาดที่แท้จริงซึ่งเล็กมาก!
ในปัจจุบัน วงการแพทย์พึ่งพาอาศัยมอเตอร์กระแสตรงขนาดเล็กเหล่านี้อย่างมากในการขับเคลื่อนอุปกรณ์จำเป็นต่างๆ ไม่ว่าจะเป็นระบบส่งอินซูลิน เครื่องมือผ่าตัดแบบหุ่นยนต์ หรือแม้แต่โต๊ะปรับระดับได้ในห้องเอ็มอาร์ไอ มอเตอร์ขนาดเล็กเหล่านี้สามารถรักษาระดับกำลังไฟฟ้าให้คงที่แม้ขณะทำงานช้า ซึ่งถือว่าสำคัญอย่างยิ่งต่อการควบคุมปริมาณยาที่ถูกต้องผ่านสายให้สารน้ำทางหลอดเลือด มอเตอร์ชนิดไร้แปรงถ่าน (brushless) มีประโยชน์โดยเฉพาะ เพราะสร้างสัญญาณรบกวนทางไฟฟ้าน้อยมาก จึงไม่รบกวนการทำงานของอุปกรณ์ทางการแพทย์อื่นๆ ที่ไวต่อสัญญาณรอบข้าง อีกทั้งน่าสนใจว่า อุปกรณ์วินิจฉัยแบบพกพาส่วนใหญ่ที่ใช้กันอยู่ในปัจจุบัน ใช้มอเตอร์กระแสตรงแบบไร้แกน (coreless DC motors) เป็นหลัก ทำไมถึงเป็นเช่นนั้น? เพราะมอเตอร์เหล่านี้ทำงานได้อย่างเงียบมาก ผู้ป่วยแทบไม่รู้สึกว่ามันกำลังทำงานระหว่างการตรวจหรือการตรวจสุขภาพ
รถยนต์ในปัจจุบันมีมอเตอร์กระแสตรง (DC) ขนาดเล็กประมาณ 30 ถึง 50 ตัวทำงานอยู่เบื้องหลัง โดยทำหน้าที่ควบคุมสิ่งต่างๆ ที่เรามักมองข้าม เช่น การปรับกระจกไฟฟ้า การจดจำตำแหน่งที่นั่ง และการควบคุมช่องลมในระบบทำความร้อน ส่วนเทคโนโลยีใหม่ๆ ยิ่งน่าสนใจมากขึ้นไปอีก ผู้ผลิตเริ่มใช้มอเตอร์กระแสตรงแบบไม่มีแปรงถ่าน (brushless DC motors) ในระบบช่วยเหลือผู้ขับขี่ขั้นสูง เพื่อทำหน้าที่เช่น รักษามุมของเรดาร์ให้อยู่ในแนวที่ถูกต้อง หรือพับกระจกมองข้างอัตโนมัติขณะจอดรถ มอเตอร์ขนาดเล็กที่ทนทานเหล่านี้ยังสามารถทำงานได้แม้ในอุณหภูมิที่รุนแรงมาก ไม่ว่าจะเป็นสภาพอากาศเย็นจัดที่ลบ 40 องศาเซลเซียสหรือร้อนจัดถึง 150 องศา ความทนทานระดับนี้ทำให้มันเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานทุกสภาพอากาศโดยไม่เกิดข้อผิดพลาด
มอเตอร์กระแสตรงขนาดเล็กขับเคลื่อนทุกอย่าง ตั้งแต่หุ่นยนต์อุตสาหกรรมแบบหรูหราที่ใช้จับวางชิ้นงาน ไปจนถึงโครงการทดลองใช้อาร์ดูโนเบื้องต้น มอเตอร์ขนาดเล็กบางรุ่นสามารถทำให้มีขนาดเล็กลงมากจนเข้าได้ในพื้นที่เพียง 6 มม. เมื่อพูดถึงการใช้งานจริง มอเตอร์เกียร์สามารถเพิ่มแรงบิดได้ประมาณ 200 เท่า ซึ่งหมายความว่าสามารถยกน้ำหนักได้ประมาณ 5 กก. บนแขนหุ่นยนต์ได้อย่างง่ายดาย นอกจากนี้ยังมีมอเตอร์แบบแพนเค้กที่หมุนได้เร็วมาก โดยสามารถทำความเร็วสูงถึง 10,000 รอบต่อนาที ใช้ในงานเจาะแผ่นวงจรพีซีบี ส่วนใหญ่แพลตฟอร์มหุ่นยนต์แบบโอเพ่นซอร์สในปัจจุบันมาพร้อมตัวเลือกมอเตอร์ดีซีแบบโมดูลาร์ที่มีจุดติดตั้งมาตรฐาน สิ่งนี้ช่วยเร่งกระบวนการให้รวดเร็วขึ้นสำหรับทั้งผู้ที่ทำงานอดิเรกและมืออาชีพ การทำต้นแบบใช้เวลาน้อยลงประมาณ 40% เมื่อเทียบกับก่อนหน้านี้ โดยใช้ชิ้นส่วนที่ได้มาตรฐานเหล่านี้แทนการสร้างระบบที่ออกแบบเองทุกครั้ง
ข่าวเด่นสงวนลิขสิทธิ์ © 2025 โดย Changwei Transmission (Jiangsu) Co., Ltd — นโยบายความเป็นส่วนตัว
EN
