E-book เรื่อง หลักการของมอเตอร์

วชิ า เคร่ืองกลไฟฟ้ากระแสตรง บทที่ 2 1 รหสั วชิ า 2104 – 2106 บทที่ 2 หลักการของมอเตอร์ วตั ถปุ ระสงค์ 1. เข้าใจกฎมอื ซา้ ยของเฟลมมงิ 2. อธบิ ายหลักการของมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรง 3. เข้าใจตัวแปรท่ีมผี ลต่อความเรว็ ของมอเตอร์ไฟฟา้ กระแสตรง 4. บอกวิธีการกลบั ทางหมนุ มอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรงได้ 2-1 กฎมอื ซ้ายของเฟลมมงิ (Fleming's Left Hand Rule) กฎมือซ้ายของเฟลมมิง ใช้สาหรับหาทิศทางการเคล่ือนที่ของตวั นาในสนามแม่เหล็ก เป็นกฎท่ีใช้อธิบายการทางานของมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรง เพ่ือหาทิศทางการหมุนของ มอเตอร์โดยเฉพาะ อธิบายได้ดังน้ี ให้น้ิวหัวแม่มือ นิ้วชี้ และนิ้วกลางของมือซ้าย วางต้ังฉาก ซึ่งกันและกัน ตามรูป กาหนดให้น้ิวชี้แทนทิศทางของสนามแม่เหล็ก นิ้วกลางแทนทิศทาง ของกระแสไฟฟา้ น้วิ หัวแมม่ ือจะเปน็ ทิศทางของแรง (ทศิ ทางการหมุนของอารม์ าเจอร์) ลวดตัวนา เมื่อมีกระแสไฟฟ้า ไหลผ่านจะเกิดเสน้ แรงแม่เหล็ก ( ) รอบ ๆ ลวดตัวนาน้ัน มีทิศทางดังแสดงในรูปที่ 2-2 อธิบายได้ด้วยกฎมือขวาของ กระแสไฟฟา้ รูปท่ี 2-1 กฎมอื ซา้ ยของเฟลมมงิ หรอื กฎของมอเตอร์ NAPAT WATJANATEPIN ELWE(THAILAND) หนา้ 1

วิชา เครอ่ื งกลไฟฟ้ากระแสตรง บทที่ 2 2 รหสั วิชา 2104 – 2106 รปู ท่ี 2-2 การเกิดเส้นแกแ้ มเ่ หลก็ รอบ ๆ ตวั นา ไฟฟ้า ทมี่ ีกระแสไฟฟ้าไหลผ่าน จากรูปท่ี 2-1 เมื่อมีกระแสไฟฟ้า ( )ไหลผ่านลวด ตัวนาท่ีวางอยู่ในสนามแม่เหล็ก ( ) จะเกิดแรง (F) ผลักให้ลวดตัวนาท่ีเคลื่อนที่ข้ึนไปด้านบน ดังนั้น หากนาลวดตวั นา จานวน 1 ขด มาวางบนสนามแม่เหล็ก และมีกระแสไฟฟ้าไหลเข้าและไหล ออกจากลวดตัวนั้น จะทาให้ เกิดแรงผลัก (F1)และ (F2) ในทิศทางตรงกันข้ามกัน ทาให้เกิด แรงบิดหมุน (Twisting Face) หรือแรงบิด (Torque) ให้ลวดตัวนาหมุนไปได้เป็นวงกลม นี่คือ หลักการหมุนของมอเตอรไ์ ฟฟ้าเบ้อื งตน้ ดงั แสดงในรปู ที่ 2-3 รูปที่ 2-3 การเกดิ แรงบิดตามหลกั การหมุนของมอเตอร์ อธิบายด้วยกฎมอื ซา้ ยของเฟลมมงิ จากรูปที่ 2-1 กฎมือซา้ ยของเฟลมมิง เรยี กอีกชื่อหน่งึ วา่ กฎมือซา้ ยของมอเตอรอ์ ธบิ ายถึงแรง (Force : F) ที่เกดิ ขึ้นกบั ตัวนาทมี่ ีกระแสไฟฟา้ ( ) ไหลผ่าน และวางอยู่ในสนามแม่เหลก็ ทมี่ ี ความหนาแนน่ ของสนามแม่เหลก็ (B) คงท่ี แรงทเี่ กิดขึ้นบนตวั นาน้ี หาได้จากสมการ F = BIL (Newton : N) NAPAT WATJANATEPIN ELWE(THAILAND) หนา้ 2

วิชา เครอ่ื งกลไฟฟา้ กระแสตรง บทที่ 2 3 รหสั วชิ า 2104 – 2106 เมอ่ื F คอื แรงทเี่ กดิ ขนึ้ บนตัวนา 1 ตวั (หนว่ ย :N) B คอื ความหนาแนน่ ของสนามแมเ่ หลก็ (หน่วย :Wb/m2) I คือ กระแสไฟฟ้าท่ีไหลในตัวนา (หนว่ ย : A) L คือ ความยาวของตวั นา (หนว่ ย : m) ตัวอย่างที่ 2-1 ลวดตัวนายาว 10 cm วางต้ังฉากกับสนามแม่เหล็กที่มีความหนาแน่น สม่าเสมอ มีค่า 2 Wb/m2 เม่ือจ่ายกระแสไฟฟ้า ( ) จานวนหนึ่งเข้าไปในขดลวด ทาให้เกิด แรงขนาด 2 N ขึ้นกบั ลวดตวั นา จงหาค่ากระแสไฟฟ้านี้ วธิ ีทา จากสตู ร F = BIL I = ตอบ I = 10 A 2.2 มอเตอรไ์ ฟฟา้ กระแสตรง(DC Motor) รูปท่ี 2-4 มอเตอร์ไฟฟ้า คือ เคร่ืองกล ไ ฟ ฟ้ า ช นิ ด ห น่ึ ง ท า ห น้ า ท่ี แ ป ล ง พลังงานไฟฟ้าให้เป็นพลังงานกล เมื่อจ่ายไฟฟ้าให้มอเตอร์ จะเกิดเส้น แรงแม่เหล็กท่ีขดลวด และเกิดแรง ผลักกัน ทาให้เกิดแรงบิด และการ หมุนของขดลวดนั้น ในทางปฏิบัติ ขดลวดนี้จะมีจานวนหลายขด เพื่อให้เกิดแรงบิดหมุน จานวนมากขึ้น และจะต้องมีอุปการณ์ควบคุมการจ่ายกระแสไฟฟ้าให้กับขดลวดแต่ละชุด อปุ กรณ์นัน้ คอื คอมมิวเตเตอร์(Commutator) NAPAT WATJANATEPIN ELWE(THAILAND) หนา้ 3

วิชา เครือ่ งกลไฟฟ้ากระแสตรง บทที่ 2 4 รหสั วิชา 2104 – 2106 2-2-1 หลักการของมอเตอร์-คอมมวิ เตเตอร์ คอมมิวเตเตอร์ คือ อุปการณ์ท่ีทาให้กระแสไฟฟ้าไหลเข้าขดลวดในทิศทางเดียวกัน คอมมิวเตเตอร์ จะแบ่งออกเป็น 2 ชิ้น ต่อขดลวด 1 ขด ทาด้วยวัสดุตัวนาไฟฟ้า เช่น ทองแดง (Copper : CU) ติดต้งั บนฉนวนท่เี พลาของมอเตอร์ ทาหน้าที่นากระแสไฟฟา้ ท่ีแปรงถ่าน (จา่ ย เข้ามาจากแหล่งจ่ายไฟฟ้าภายนอก) เข้าไปในขดลวด ขณะท่ีขดลวดหมุนคอมมิวเตเตอร์ จะหมนุ ไปดว้ ย แตแ่ ปรงถ่าน (Brush) จะอย่กู ับท่ี แหลง่ จ่ายไฟฟ้ากระแสตรงทจ่ี า่ ยเข้ามอเตอร์ เชน่ แบตเตอรี่ หรอื ถ่ายไฟฉาย เป็นตน้ รูปที่ 2-5 โครงสร้างเบือ้ งต้นของมอเตอรไ์ ฟฟา้ กระแสตรง (1)เม่ือจ่ายกระแสไฟฟ้าเข้าขดลวดผ่านแปรง- ถ่านและ คอมมิวเตเตอร์ กระแสเขา้ ท่ีจดุ A และ ออกท่ีจุด B จึงเกิดแรงบิดหมุนขึ้นในทิศทาง ทวนเขม็ นาฬิกา รูปที่ 2-6 (ก) NAPAT WATJANATEPIN ELWE(THAILAND) หน้า 4

วชิ า เครื่องกลไฟฟา้ กระแสตรง บทที่ 2 5 รหัสวิชา 2104 – 2106 (2)แรงบิดหมุนจะทาให้ขดลวดด้าน B ขนานกับเส้นแรงแม่เหล็กจุดนี้ กระแสไฟฟ้า เท่ากับศูนย์ ขดลวดจะหมุนต่อไปในทิศทาง เดมิ ดว้ ยแรงเฉอ่ื ย รูปท่ี 2-6 (ข) (3)ขดลวดจะกลับไปในตาแหน่งท่ีต้ังฉาก กับสนามแมเ่ หล็กอกี ครั้ง และกระแสไฟฟา้ จะ ไหลเข้าท่ีด้าน B และออกท่ีด้าน A ของ ขดลวด จะเกิดแรงบิดหมุนคร้ังท่ี 2หมุน ขดลวดไปในทศิ ทางเดมิ (ทวนเข็มนาฬิกา) รูปที่ 2-6 (ค) (4)แรงบิดหมุนที่เกิดข้ึนในข้อ (3) จะทาให้ ขดลวดหมุนต่อไปจนกระท่ังกระแสไฟฟ้า หยุดไหลเข้าขดลวด และกับไปสู่ตาแหน่งที่ ขดลวดวางขนานกับสนามแม่เหล็กอีกครั้ง รูปที่ 2-6 (ง) 2-2-2 อารม์ าเจอร์(Armature) อาร์มาเจอร์ คือ ส่วนท่ีหมุน (Rotor) ของมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรง ประกอบไปด้วย ขดลวดท่ีพันรอบแกนเหล็ก ลักษณะของอาร์มาเจอร์เป็นรูปทรงกระบอก มีเพลาอยู่แกนกลาง NAPAT WATJANATEPIN ELWE(THAILAND) หน้า 5

วชิ า เครอ่ื งกลไฟฟ้ากระแสตรง บทที่ 2 6 รหสั วิชา 2104 – 2106 และที่ปลายด้านหนึ่งติดตั้งคอมมิวเตเตอร์ เพ่ือควบคุมกระแสไฟฟ้าที่ไหลเข้าขดลวดท้ังหมด ท่พี ันอยู่บนแกนเหล็กของอารม์ าเจอร์ ดังรปู ท่ี 2-7 รปู ที่ 2-7 แสดงอารม์ าเจอร์ หรอื ตัวหมนุ ของมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรง เปรยี บเทยี บกับ ขดลวด และ คอมมวิ เตเตอร์ 2-2-3 ความเร็วของมอเตอร์ (Speed of Motor) ความเร็วของมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรงนั้น เกิดจากตัวแปรที่ทาให้เกิดแรงบิดหมุน (Torque) ที่ทาให้อามาเจอร์ของมอเตอร์หมุนไปได้ เม่ือพิจารณาในเบื้องต้น จากสมการของ แรงท่ีเกิดขึ้นกับตัวนาท่ีวางอยู่ในสนามแม่เหล็กที่มีความหนาแน่นของสนามแม่เหล็กท่ี สมา่ เสมอคงท่ี ความเรว็ ของมอเตอรไ์ ฟฟ้ากระแสตรงจะขึ้นอยู่กบั ตัวแปรสาคญั 3 ตวั คอื 1. ความหนาแน่นของสนามแม่เหล็ก (B) ของข้ัวแม่เหล็กหลักในตัวมอเตอร์ หมายความว่า ขั้วแม่เหล็กท่ีมีประสิทธิภาพสูง และมีขนาดใหญ่จะใหค้ ่า B สูงกว่า ขว้ั แม่เหลก็ ท่ีมขี นาดเล็กกวา่ 2. จานวนรอบของขดลวดอาร์มาเจอร์ และจานวนรอบที่มากกว่าจะได้ค่าความของ ขดลวดตวั นา (L) ท่มี ากกว่า ทาใหเ้ กดิ แรง (F) ที่มากกว่า NAPAT WATJANATEPIN ELWE(THAILAND) หน้า 6

วชิ า เคร่ืองกลไฟฟ้ากระแสตรง บทที่ 2 7 รหสั วิชา 2104 – 2106 3. กระแสไฟฟา้ ท่จี า่ ยให้มอเตอร์ (I) มอเตอร์ท่ีกินกระแสไฟฟา้ มาก จะให้กาลังไฟฟ้า ท่ีมากกว่ามอเตอร์ที่กินกระแสไฟฟ้าน้อยกว่า (ในทางปฏิบัติ การเพ่ิมกระแสไฟฟ้า ใหม้ อเตอร์ ทาได้โดยการเพิ่มแรงดันของแหล่งจา่ ยไฟฟ้าท่ีป้อนเขา้ มอเตอร์ รูปท่ี 2-8 การปรับความเรว็ ของมอเตอรจ์ ะ ตัวอย่างการปรับควบคุมความเร็ว ของมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรง เบ้ืองต้น คือ รูปที่ 2-8 โดยการใช้ แหล่งจ่ายไฟฟ้าปรับค่าได้ จ่าย ให้กับมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรง และปรับควบคุมแรงดันที่ป้อนเข้า ทาให้มอเตอรห์ มุนทคี่ วามเร็วที่ ปรับค่าได้ ความสัมพนั ธ์ ของความเร็วรอบมอเตอร์ (Speed : n) กับ แรงดนั ไฟฟ้า (V) แสดงใน กราฟรูปท่ี 2-9 รปู ท่ี 2-9 กราฟแสดงความสมั พันธ์ระหว่างแรงดนั ทีป่ อ้ นเขา้ มอเตอร์ (V) และความเรว็ ของ มอเตอร์ (Round per minute: rpm) เม่อื มอเตอร์ทางานในขณะไมม่ ีโหลด NAPAT WATJANATEPIN ELWE(THAILAND) หน้า 7

วชิ า เครอ่ื งกลไฟฟ้ากระแสตรง บทที่ 2 8 รหสั วชิ า 2104 – 2106 2-2-4 การกลบั ทางหมนุ ของมอเตอร์ มอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรง กลับทางหมุนได้โดยการสลับข้ัวของกระแสไฟฟ้าท่ีจ่ายให้ มอเตอร์ ในทางปฏบิ ัตทิ าไดโ้ ดยการสลบั ขั้วแหล่งจา่ ยไฟฟา้ กระแสตรงท่ีปอ้ นใหก้ บั มอเตอร์ 1. เม่ือจ่ายไฟฟา้ ข้วั บวก(+) ของแหล่งจ่ายไฟฟ้า ใหก้ ลับขว้ั บวก(+) ของมอเตอร์ จะทา ให้มอเตอรจ์ ะหมุนขวา 2. เมื่อจา่ ยไฟฟ้าข้ัวบวก(+) ของแหล่งจ่ายไฟฟ้า ให้กลับข้ัวลบ(-) ของมอเตอร์ จะทา ให้มอเตอร์จะหมุนซ้าย(กลับทางหมุน) จากทิศทางเดิมเพราะว่าเม่ือกระแสไฟฟ้า ไหลเข้าขดลวดของอามาเจอร์กลับทิศทาง ทาให้แรงที่เกิดข้ึนกับตัวนาจะกลับ ทศิ ทาง ทาให้ทิศทางการหมุนของมอเตอรก์ ลับทศิ ทางไปดว้ ย รูปท่ี 2-10 การกลบั ทางหมุนของมอเตอร์ไฟฟา้ กระแสตรง 2-2-5 สัญลักษณข์ องมอเตอร์ มอเตอรไ์ ฟฟา้ กระแสตรง มีสัญลักษณ์ ดังแสดงในรูปที่ 2-11 รปู ท่ี 2-11 สญั ลักษณ์ของมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรง NAPAT WATJANATEPIN ELWE(THAILAND) หนา้ 8

วิชา เคร่อื งกลไฟฟ้ากระแสตรง บทที่ 2 9 รหสั วิชา 2104 – 2106 แบบฝึกหดั เร่อื ง หลกั การของมอเตอร์ จงเลอื กคาตอบที่ถกู ตอ้ งท่สี ดุ เพยี งคาตอบเดยี ว 1.ขอ้ ใดกลา่ วถกู ตอ้ งเกีย่ วกบั มอเตอร์ ก. ทาหน้าที่แปลงพงั งานไฟฟา้ ให้เปน็ พลงั งานความร้อน ข. ทาหน้าทีแ่ ปลงพลงั งานไฟฟา้ ให้เปน็ พลงั งากล ค. ทาหนา้ ท่แี ปลงกระแสไฟฟ้า ใหเ้ ปน็ พลงานกล ง. ทาหนา้ ทแี่ ปลงพลังงานกล ใหเ้ ปน็ พลงั งานไฟฟา้ 2.แรงท่ีเกิดขึ้นกับตัวนาท่ีพนั อยูบ่ นอาร์มาเจอรข์ องมอเตอร์ อธบิ ายไดด้ ้วยสมการใด ก. F = mc2 ข.F = ma ค. F = BIL ง.F = 3.วสั ดใุ นข้อใดที่ใช้ในการทาเปน็ คอมมวิ เตเตอร์ ก. ทองแดง ข. ทองเหลอื ง ค. คารบ์ อน ง. เหล็กหล่อ 4.วสั ดใุ นขอ้ ใดทใ่ี ช้ทาเปน็ แปรงถ่าน ก. ทองแดง ข. ทองเหลอื ง ค. คาร์บอน ง. อลูมเิ นียม 5.จากรูปตอ่ ไปน้ี แรงทีเ่ กดิ ข้นึ กับตัวนาในขอ้ ใดกลา่ วถูกตอ้ งทีส่ ุด ก. F1> F2 ข. F1< F2 ค. F1= F2 ง. F1≠ F2 NAPAT WATJANATEPIN ELWE(THAILAND) หน้า 9

วิชา เคร่ืองกลไฟฟ้ากระแสตรง บทที่ 2 10 รหสั วชิ า 2104 – 2106 6.ข้อใดไมเ่ กีย่ วขอ้ งกับความเร็วของมอเตอรไ์ ฟฟา้ กระแสตรง ก. สนามแมเ่ หล็กในมอเตอร์ ข. ความหนาของลวดตัวนา ค. แรงดันไฟฟา้ ที่จ่ายเขา้ มอเตอร์ ง. จานวนรอบของขดลวดอารม์ าเจอร์ 7. ลวดตัวนายาว 5 Cm วางอยู่ในสนามแม่เหล็กที่มีความหนาแน่นของเส้นแรงแม่เหล็ก สม่าเสมอเท่ากับ 1 Wb/m2 จ่ายกระแสไฟฟ้า 2 A ใหก้ ับลวดตวั นานี้ จงหาคา่ แรงที่เกิด ขึ้นกับลวดตวั นา ก. 10 N ข. 5 N ค. 1.0 N ง. 0.1 N 8.จากวงจรการต่อมอเตอร์ไฟฟา้ กระแสตรงข้างล่างน้ี ขอ้ ใดถูกตอ้ ง ก. เมอ่ื กดสวิตชม์ อเตอรจ์ ะไม่หมุน ข. เมอ่ื กดสวิตช์ มอเตอรจ์ ะหมุนขวา ค. เมอ่ื กดสวิตช์ มอเตอรจ์ ะหมนุ ซา้ ย ง. มอเตอรจ์ ะหมนุ ขวา เมือ่ ปล่อยสวติ ช์ 9. ตามกฎมือซ้ายของเฟลมมิง นิ้วใดแสดงแทนทศิ ทางของฟลกั๊ ซ์แมเ่ หล็ก ก. น้ิวหวั แม่มือ ข. นิ้วกลาง ค. นวิ้ นาง ง. น้ิวชี้ NAPAT WATJANATEPIN ELWE(THAILAND) หนา้ 10