ปัจจัยอะไรที่ส่งผลต่อประสิทธิภาพของมอเตอร์แบบไร้แปรง?

วัสดุแม่เหล็กที่ใช้ในโรเตอร์ของมอเตอร์แบบไม่มีแปรง (brushless motor) มีบทบาทสำคัญอย่างมากต่อประสิทธิภาพของมัน โดยทั่วไป มอเตอร์แบบไม่มีแปรงที่มีสมรรถนะสูงจะใช้แม่เหล็กถาวรชนิดหายาก เช่น นีโอดิเมียม เหล็ก โบรอน ซึ่งวัสดุเหล่านี้มีคุณสมบัติแม่เหล็กที่เข้มข้น ช่วยให้มอเตอร์สร้างสนามแม่เหล็กที่มีเสถียรภาพและมีกำลังสูงโดยสูญเสียพลังงานน้อยลง หากวัสดุแม่เหล็กมีคุณภาพต่ำ เช่น มีความหนาแน่นของแม่เหล็กไม่สม่ำเสมอ หรือมีแรงแม่เหล็กอ่อน มอเตอร์แบบไม่มีแปรงจะต้องใช้กระแสไฟฟ้ามากขึ้นเพื่อรักษาระดับแรงบิดที่ต้องการ ส่งผลให้เปลืองพลังงาน และทำให้มอเตอร์ทำงานร้อนขึ้น ซึ่งยิ่งลดประสิทธิภาพลงอีก ตัวอย่างเช่น มอเตอร์แบบไม่มีแปรงบางตัวราคาถูกใช้แม่เหล็กเฟอร์ไรต์เกรดต่ำแทนแม่เหล็กชนิดหายาก ซึ่งแม่เหล็กเฟอร์ไรต์เหล่านี้จะสูญเสียความเข้มของแม่เหล็กได้เร็วขึ้นเมื่ออุณหภูมิสูง หมายความว่ามอเตอร์จะต้องทำงานหนักขึ้นเพียงเพื่อรักษาระดับการทำงานพื้นฐาน การเลือกมอเตอร์แบบไม่มีแปรงที่ใช้วัสดุแม่เหล็กคุณภาพสูงและผ่านการรับรอง (เช่น ตรงตามมาตรฐานอุตสาหกรรม) จึงเป็นสิ่งสำคัญในการรักษาประสิทธิภาพให้สูงไว้

การควบคุมมอเตอร์แบบไม่มีแปรง (brushless motor) และความเหมาะสมของระบบไดรฟ์ที่จับคู่กัน มีผลโดยตรงต่อประสิทธิภาพ การใช้ระบบไดรฟ์ที่ดีจะอาศัยกลยุทธ์การควบคุมที่แม่นยำ เพื่อปรับกระแสไฟฟ้าและแรงดันของมอเตอร์แบบเรียลไทม์ ตัวอย่างเช่น การควบคุมกระแสสูงสุด (current peak control) ซึ่งไดรฟ์จะคงรอบการควบคุมให้คงที่ และทำให้กระแสสเตเตอร์ติดตามค่ากระแสที่กำหนดไว้ ช่วยให้มอเตอร์แบบไม่มีแปรงทำงานได้อย่างราบรื่น โดยไม่สูญเสียพลังงานโดยเปล่าประโยชน์ หากระบบไดรฟ์ถูกจับคู่มาอย่างไม่เหมาะสม เช่น การใช้คอนโทรลเลอร์ทั่วไปที่ไม่เหมาะกับช่วงกำลังของมอเตอร์ มอเตอร์แบบไม่มีแปรงอาจเกิดการไหลของกระแสที่ไม่เสถียร ส่งผลให้เกิดการสูญเสียพลังงานจากความต้านทานของสเตเตอร์เพิ่มขึ้น และลดประสิทธิภาพโดยรวมลง มอเตอร์แบบไม่มีแปรงรุ่นขั้นสูงบางรุ่น ยังมาพร้อมกับระบบไดรฟ์เฉพาะที่ได้รับการปรับเทียบให้ตรงกับพารามิเตอร์เฉพาะของมอเตอร์ เช่น เส้นโค้งแรงบิดและช่วงความเร็ว การจับคู่นี้ทำให้มั่นใจได้ว่ามอเตอร์แบบไม่มีแปรงจะทำงานในช่วงที่มีประสิทธิภาพสูงสุดเสมอ ไม่ว่าจะเป็นการทำงานที่ความเร็วต่ำแต่แรงบิดสูง หรือความเร็วสูงแต่โหลดเบา

การออกแบบสเตเตอร์และโรเตอร์ของมอเตอร์แบบไร้แปรงถ่านมีผลอย่างมากต่อประสิทธิภาพการใช้พลังงาน เริ่มจากสเตเตอร์ หากขดลวดถูกจัดเรียงในลักษณะที่สร้างสนามแม่เหล็กไม่สม่ำเสมอ เช่น การพันขดลวดแบบยุ่งเหยิงและไม่เป็นระเบียบ จะทำให้เกิดการสูญเสียพลังงานจากความต้านทานในทองแดงเพิ่มขึ้น ในทางกลับกัน ขดลวดแบบ รวมศูนย์เต็มช่วง (concentrated full pitch windings) ที่ออกแบบมาอย่างดีจะช่วยให้มอเตอร์แบบไร้แปรงถ่านสร้างแรงเคลื่อนไฟฟ้ากลับรูปคลื่นเทรเปโซอิดที่เรียบเนียน ซึ่งช่วยลดการสูญเสียพลังงานระหว่างการทำงาน รูปร่างของโรเตอร์ก็มีความสำคัญเช่นกัน โรเตอร์ที่มีอัตราส่วนความนูนสูง (saliency ratio) (อัตราส่วนของความเหนี่ยวนำแกน d และแกน q) สามารถเพิ่มแรงบิดจากปฏิกิริยาเหนี่ยวนำ (reluctance torque) ของมอเตอร์แบบไร้แปรงถ่านได้ หมายความว่า มอเตอร์ยังคงรักษาประสิทธิภาพสูงไว้ได้ แม้ว่าคุณสมบัติแม่เหล็กของแม่เหล็กถาวรจะลดลงเล็กน้อย ตัวอย่างเช่น มอเตอร์แบบไร้แปรงถ่านบางชนิดใช้โครงสร้างโรเตอร์ที่เสริมประสิทธิวงจรแม่เหล็ก เพื่อให้แน่ใจว่าความหนาแน่นของสนามแม่เหล็กในช่องว่างอากาศ (air gap magnetic density) มีความสม่ำเสมอ ซึ่งจะช่วยป้องกันการร้อนเกินที่บริเวณใดบริเวณหนึ่ง และทำให้มอเตอร์ทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพต่อเนื่องเป็นเวลานาน

มอเตอร์แบบไร้แปรงจะสูญเสียประสิทธิภาพเมื่้อุณหภูมิสูงเกินไป ดังนั้นอุณหภูมิการเดินเครื่องและการระบายความร้อนจึงเป็นปัจจัยที่สำคัญ โดยทั่วมอเตอร์แบบไร้แปรงใช่แม่เหล็กถาวร ซึ่งความแรงของแม่เหล็กจะอ่อนลงเมื่่อุณหภูมิเพิ่มสูง หากมอเตอร์เกิดความร้อนเกินค่าที่กำหนด—อาจเกิดเนื่องจากการทำงานในสภาพแวดล้อมร้อน หรือรับภาระหนักเป็นเวลานาน—ความแรงแม่เหล็กของแม่เหล็กจะลดลง ส่งผลทำให้มอเตอร์ต้องดึงกระแสไฟฟ้ามากขึ้นเพื่อสร้างแรงบิดในระดับเดียวก่อน ซึ่งนำไปสู่การสูญเสียพลังงานที่เพิ่มขึ้นและประสิทธิภาพที่ต่ำกว่า การระบายความร้อนที่ดีจะช่วยรักษามอเตอร์แบบไร้แปรงในอุณหภูมิที่มั่นคงและเย็นอยู่เสมอ ซึ่งอาจรวมถึงสิ่งต่างๆ เช่น โครงหุ้มโลหะที่นำความร้อนได้ดี ครีบระบายความร้อนในตัว หรือพัดลมขนาดเล็กเพื่่ระบายความร้อนแบบแอคทีฟ เป็นตัวตย. มอเตอร์แบบไร้แปรงที่ใช้ในอุปกรณ์ระบบอัตตาจริยน์ในอุตสาหกรรม มักมีเปลือกอลูอิเนียมที่สามารถกระจายความร้อนอย่างรวดเร็ว หากมอเตอร์แบบไร้แปรงไม่มีการระบายความร้อนที่เหมาะสม มอเตอร์อาจเกิดการดับเครื่องโดยไม่คาดหวัง หรือเกิดความเสียหายถาวรต่อแม่เหล็ก ซึ่งจะทำลายประสิทธิภาพของมอเตอร์อย่างถาวร

ภาระที่มอเตอร์ไร้แปรงถ่านรับอยู่และรอบการทำงานยังมีผลต่อประสิทธิภาพด้วย มอเตอร์ไร้แปรงถ่านทุกตัวมี 'ช่วงการปฏิบัติงานที่มีประสิทธิภาพ' ซึ่งเป็นช่วงของภาระและรอบที่มอเตอร์ใช้พลังงานได้อย่างมีประสิทธิภาพสูงสุด หากคุณใช้มอเตอร์ที่ทำงานที่รอบสูงหรือต่ำกว่าช่วงที่เหมาะสมมากเกินไป หรือหากคุณให้ภาระที่หนักเกินไป (หรือเบากว่า) ประสิทธิภาพจะลดลง ตัวอย่างเช่น มอเตอร์ไร้แปรงถ่านที่ออกแบบมาสำหรับภาระปานกลางและรอบปานกลาง จะสูญเสียพลังงานหากนำไปใช้กับภาระเบาที่รอบเร็วมาก มอเตอร์จะยังคงดึงกระแสไฟฟ้าเพื่อรักษารอบที่สูงไว้ แต่เนื่องจากภาระมีน้ำหนักเบา กระแสไฟฟ้านั้นส่วนใหญ่จึงไม่ได้ถูกใช้ในการทำงานที่มีประโยชน์ ในทางกลับกัน การให้ภาระเกินกำลังของมอเตอร์ไร้แปรงถ่านจะทำให้มอเตอร์ทำงานเกินขีดจำกัด ส่งผลให้เกิดกระแสไฟฟ้าสูงขึ้นและสูญเสียพลังงานในรูปแบบความร้อนจากสายทองแดงมากขึ้น เพื่อรักษาระดับประสิทธิภาพให้สูงไว้ สิ่งสำคัญคือต้องเลือกมอเตอร์ไร้แปรงถ่านที่สอดคล้องกับภาระและความต้องการด้านรอบจริงๆ ของคุณ ตัวอย่างเช่น หากคุณต้องการมอเตอร์สำหรับสายพานลำเลียงที่ทำงานที่รอบปานกลางอย่างสม่ำเสมอ ควรเลือกมอเตอร์ไร้แปรงถ่านที่มีช่วงการใช้งานที่มีประสิทธิภาพตรงกับการใช้งานเฉพาะนั้น