วิธีการทำมอเตอร์ DC แบบไม่มีแปรง?

มอเตอร์ DC แบบไร้แปรง (BLDC) เป็นรากฐานของการควบคุมการเคลื่อนไหวที่มีประสิทธิภาพสูงในยุคปัจจุบัน โดยขับเคลื่อนทุกอย่างตั้งแต่โดรนมืออาชีพและยานยนต์ไฟฟ้าไปจนถึงหุ่นยนต์ที่มีความแม่นยำและฮาร์ดแวร์คอมพิวเตอร์ ความเหนือกว่าของพวกเขาเมื่อเปรียบเทียบกับมอเตอร์ที่มีแปรงแบบดั้งเดิมเกิดจากการสลับไฟฟ้า ซึ่งกำจัดแปรงกลไกออกไป—ส่งผลให้มีประสิทธิภาพสูงขึ้น ความหนาแน่นของพลังงานมากขึ้น อายุการใช้งานยาวนานขึ้น และการทำงานที่เงียบขึ้น คู่มือนี้ให้แนวทางที่มีพื้นฐานทางเทคนิคและเป็นระบบสำหรับมืออาชีพและผู้ที่ชื่นชอบขั้นสูงในการสร้างมอเตอร์ BLDC ที่ใช้งานได้ โดยมุ่งเน้นที่หลักการและความแม่นยำที่จำเป็นในแต่ละขั้นตอน

การสร้างที่ประสบความสำเร็จเริ่มต้นไม่ใช่จากการประกอบ แต่เริ่มต้นจากการออกแบบอย่างละเอียด เมตริกประสิทธิภาพหลัก เช่น การจัดอันดับ KV เป้าหมาย (RPM ต่อโวลต์), แรงบิดที่ต้องการ, แรงดันไฟฟ้าทำงาน, และข้อจำกัดทางกายภาพจะต้องถูกกำหนดก่อน พารามิเตอร์เหล่านี้กำหนดข้อกำหนดของทุกส่วนประกอบ

สเตเตอร์คือแกนแม่เหล็กไฟฟ้าที่ไม่เคลื่อนที่ ควรสร้างจากการซ้อนกันของแผ่นเหล็กซิลิคอนบางที่มีฉนวน (เช่น 0.35 มม. หรือ 0.5 มม.) เพื่อลดการสูญเสียกระแสวน ซึ่งเป็นแหล่งที่สำคัญของความไม่มีประสิทธิภาพและความร้อนที่ความถี่สูง จำนวนช่องสเตเตอร์ (เช่น 9, 12) และจำนวนขั้วโรเตอร์ต้องถูกเลือกในอัตราส่วนที่เฉพาะเจาะจง (เช่น 9-slot/12-pole, 12-slot/14-pole) เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพและความราบเรียบของแรงบิด

สำหรับการออกแบบแบบเอาท์รันเนอร์ โรเตอร์เป็นถ้วยเหล็กที่หมุนรอบสเตเตอร์ ถ้วยนี้มีการบุด้วยแม่เหล็กถาวรพลังงานสูง แม่เหล็กนีโอดิเมียม (NdFeB) โดยเฉพาะเกรดอุณหภูมิสูงเช่น N42SH หรือ N52M เป็นมาตรฐานในอุตสาหกรรมเนื่องจากความแข็งแกร่งของสนามแม่เหล็กที่ยอดเยี่ยม แม่เหล็กต้องจัดเรียงในรูปแบบทางเลือกเหนือ-ใต้ จำนวนแม่เหล็กกำหนดจำนวนขั้ว

เพลาต้องถูกเจียรอย่างแม่นยำจากวัสดุที่ทนทาน เช่น สแตนเลสหรือเหล็กแข็ง เพื่อป้องกันการโค้งงอภายใต้แรงกด แบริ่งลูกบอลคุณภาพสูงมีความสำคัญต่อการลดแรงเสียดทานและรองรับทั้งแรงรัศมีและแรงแกน ทำให้การหมุนราบรื่นและมั่นคง

นี่คือขั้นตอนการก่อสร้างที่ต้องใช้ทักษะมากที่สุด เป้าหมายคือการสร้างชุดของขดลวดที่แม่นยำและแน่นหนาซึ่ง形成เฟสสามของมอเตอร์ (A, B, C)

ก่อนการพันขดลวด ช่องสเตเตอร์ต้องมีการฉนวนอย่างเหมาะสม—มักจะใช้การเคลือบอีพ็อกซี่หรือแผ่นรองช่องเฉพาะ—เพื่อป้องกันไม่ให้การเคลือบอีนาเมลของลวดแม่เหล็กถูกทำลาย ซึ่งอาจทำให้เกิดการลัดวงจรได้。

ลวดลายที่เป็นเกลียว (เช่น ABCABC...) จะต้องถูกดำเนินการอย่างสมบูรณ์แบบ จำนวนรอบต่อฟันมีผลโดยตรงต่อการจัดอันดับ KV ของมอเตอร์; การมีรอบมากขึ้นจะส่งผลให้ KV ต่ำลง (แรงบิดสูงขึ้น, ความเร็วต่ำลง) ในขณะที่การมีรอบน้อยจะทำให้ KV สูงขึ้น (แรงบิดต่ำลง, ความเร็วสูงขึ้น) ในตอนท้าย สายไฟทั้งหกเส้น (เริ่มต้นและสิ้นสุดสำหรับแต่ละเฟสสามเฟส) จะต้องถูกยุติ สองแผนการยุติที่พบบ่อยที่สุดคือ:

ใช้ลวดแม่เหล็กคุณภาพสูงที่มีขนาดที่เหมาะสม แต่ละรอบควรพันแน่นและเรียบร้อยติดกันกับรอบก่อนหน้าเพื่อเพิ่มปริมาณทองแดง ซึ่งช่วยลดความต้านทานและปรับปรุงประสิทธิภาพ การนับรอบที่สม่ำเสมอบนฟันทั้งหมดเป็นสิ่งสำคัญสำหรับมอเตอร์ที่สมดุล

การประกอบโรเตอร์ต้องการความแม่นยำและวัสดุที่แข็งแรง。

แม่เหล็กนีโอดิเมียมต้องถูกยึดติดอย่างมั่นคงกับด้านในของถ้วยโรเตอร์ กาวไซยาโนอะคริเลตที่ทนต่ออุณหภูมิสูงและช่องว่าง หรือที่เรียกอย่างมืออาชีพว่า อีพ็อกซี่โครงสร้างแบบสองส่วนที่เชี่ยวชาญนั้นจำเป็นต้องใช้เพื่อทนต่อแรงเหวี่ยงมหาศาลและความร้อนที่เกิดขึ้นระหว่างการทำงาน ระยะห่างระหว่างแม่เหล็กต้องมีความสม่ำเสมออย่างสมบูรณ์

เมื่อเรซินอีพ็อกซี่ได้แข็งตัวเต็มที่แล้ว โรเตอร์จะต้องมีการปรับสมดุลแบบไดนามิก โรเตอร์ที่ไม่สมดุลจะทำให้เกิดการสั่นสะเทือนอย่างรุนแรงที่รอบการหมุนสูง ซึ่งนำไปสู่ความล้มเหลวของตลับลูกปืนและการทำลายมอเตอร์อย่างร้ายแรง การปรับสมดุลจะทำได้โดยการเพิ่มหรือลดน้ำหนักเล็กน้อย (เช่น เรซินอีพ็อกซี่) จากโรเตอร์อย่างระมัดระวังจนกระทั่งมันหมุนได้อย่างตรงโดยไม่มีการโยกเยก

ขั้นตอนการประกอบขั้นสุดท้ายนี้นำส่วนประกอบทั้งหมดมารวมกัน。

ตลับลูกปืนควรถูกกดอย่างระมัดระวังเข้าไปในที่นั่งของโครงสร้างที่ไม่เคลื่อนที่ของมอเตอร์ และเพลาควรถูกกดเข้าไปในโรเตอร์ สิ่งนี้ต้องทำด้วยเครื่องกดอาร์เบอร์หรือเครื่องมือที่คล้ายกันเพื่อให้แน่ใจว่ามีการจัดตำแหน่งที่สมบูรณ์แบบ

โรเตอร์ถูกติดตั้งอยู่เหนือสเตเตอร์ ระยะห่างระหว่างแม่เหล็กของโรเตอร์และฟันของสเตเตอร์คือ "ช่องว่างอากาศ" ช่องว่างนี้ต้องมีขนาดเล็กและสม่ำเสมอที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้—โดยทั่วไปอยู่ที่ 0.2 มม. ถึง 0.5 มม. ช่องว่างอากาศที่เล็กลงจะส่งผลให้มีฟลักซ์แม่เหล็กที่แข็งแกร่งขึ้นและประสิทธิภาพของมอเตอร์ที่สูงขึ้น

ยึดชุดโรเตอร์ด้วย C-คลิปหรือปลอก หลอดไฟฟ้าสามเส้นที่สิ้นสุดควรจัดเรียงอย่างเรียบร้อยและเชื่อมต่อกับตัวเชื่อมต่อกระแสสูงที่เหมาะสม

มอเตอร์ BLDC ไม่สามารถทำงานได้โดยไม่มีตัวควบคุมความเร็วอิเล็กทรอนิกส์ (ESC) ตัว ESC เป็นสมองดิจิทัลของมอเตอร์ มันรับสัญญาณ DC จากแหล่งพลังงานและทำหน้าที่สำคัญในการสลับกระแสไฟฟ้าแบบอิเล็กทรอนิกส์ โดยใช้ข้อมูลย้อนกลับจากเซ็นเซอร์ฮอลล์หรือที่พบมากกว่าในมอเตอร์สำหรับงานอดิเรกและโดรน โดยการตรวจจับแรงดันไฟฟ้ากลับ (Back-EMF) จากเฟสที่ไม่มีพลังงาน ตัว ESC จะจ่ายพลังงานให้กับสามเฟสของสเตเตอร์ในลำดับที่แม่นยำ ซึ่งสร้างสนามแม่เหล็กหมุนที่ดึงแม่เหล็กของโรเตอร์ไปด้วย ทำให้เกิดการหมุน ตัว ESC ควบคุมความเร็วของมอเตอร์โดยการเปลี่ยนแปลงเวลาและรอบการทำงานของพลังงานที่ส่งไปยังเฟสต่างๆ

การสร้างมอเตอร์ไร้แปรงมอเตอร์กระแสตรงเป็นการออกกำลังกายที่หลากหลายสาขา ซึ่งต้องการความแม่นยำในการประกอบเครื่องจักร ความเข้าใจอย่างลึกซึ้งเกี่ยวกับหลักการทางแม่เหล็กไฟฟ้า และทักษะในงานที่ซับซ้อนด้วยมือ มันแตกต่างจากการประกอบชุดง่ายๆ อย่างมาก อย่างไรก็ตาม สำหรับมืออาชีพหรือวิศวกรที่ทุ่มเท การสร้างมอเตอร์ที่กำหนดเองซึ่งปรับให้เข้ากับความต้องการด้านประสิทธิภาพเฉพาะนั้นเป็นความพยายามที่ให้รางวัลอย่างลึกซึ้ง ซึ่งให้ข้อมูลเชิงลึกที่ไม่มีใครเทียบได้เกี่ยวกับแก่นแท้ของเทคโนโลยีการเคลื่อนที่ไฟฟ้าสมัยใหม่