ชนิดของมอเตอร์จักรยานไฟฟ้า

มอเตอร์จักรยานไฟฟ้าเป็นส่วนที่สำคัญเปลี่ยนพลังงานไฟฟ้าเป็นแรงกลในการหมุน มอเตอร์ไฟฟ้ามีหลายชนิด ประสิทธิภาพแตกต่างกันราคาก็แตกต่างกัน ทำให้ราคาของจักรยานไฟฟ้าแตกต่างกันด้วย มอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรงมีราคาค่อนข้างถูกแต่ประสิทธิภาพยังไม่ดีนัก มอเตอร์ไร้แปรงถ่านประสิทธิภาพจะสูงกว่ามากถึง 90% การดูแลรักษาต่ำ ประสิทธิภาพคืออัตราส่วนระหว่างกำลังที่ได้กับพลังงานไฟฟ้าที่ใส่เข้าไปให้มอเตอร์ ลองติดตามเรื่องของมอเตอร์ไฟฟ้ากันนะครับ

มอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรงแบบมีแปรงถ่าน (Brushed DC Motor)

มอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรงประเภทนี้เป็นมอเตอร์แบบง่ายที่สุด มีใช้งานมากว่า 100 ปี กำลังที่เกิดขึ้นได้มาจากแบตเตอรี่ไปสู่มอเตอร์โดยผ่านสายไฟ โดยกระแสไฟฟ้าจะผ่านแปรงถ่านไปสู่ คอมมิวเตเตอร์ ที่ทำจากทองแดง และจะผ่านไปยังชุดขดลวดทองแดง และกลับมายังแปรงถ่านอีกด้านหนึ่งแล้วย้อนกลับมายังแบตเตอรี่ มอเตอร์จะทำงานตรงกันข้ามกับเครื่องกำเนิดไฟฟ้าหรือเจนเนอเรเตอร์ที่ถูกคิดค้นมาตั้งแต่ ศตวรรษที่ 19 เครื่องกำเนิดไฟฟ้าจะสร้างกระแสไฟฟ้าเมื่อมีแรงมากระทำให้เพลาหมุนได้เร็วกว่าเมื่อเป็นมอเตอร์ และมีสภาพเป็นเจนเนอเรเตอร์
ขดลวดที่ยึดติดกับเพลามอเตอร์ทำหน้าที่เป็นแม่เหล็กที่จะผลักกับแม่เหล็กถาวรที่ถูกยึดกับตัวเคสมอเตอร์ โดยปกติจะมีขดลวดสองชุด เมื่อมีแรงเกิดขึ้นจากขดลวดหนึ่ง แรงผลักของแม่เหล็ก จะพยายามหมุนเพลาให้ห่างจากแม่เหล็กที่ยึดติดไว้ ถ้าปราศจากคอมมิวเตเตอร์มอเตอร์จะหมุนไปได้เล็กน้อยแล้วหยุด แต่คอมมิวเตเตอร์ทำหน้าที่เหมือนสวิทช์ความเร็วสูง ดังนั้นเมื่อขดลวดหมุนผ่านแม่เหล็ก กำลังจะถูกส่งขดต่อไป ทำให้เกิดการหมุนต่อเนื่อง ที่ความเร็วต่ำการหมุนแต่ละครั้งรู้สึกได้ แต่เมื่อหมุนที่ความเร็วสูงขึ้นหลายพันรอบต่อนาทีการหมุนจะนิ่มนวลต่อเนื่อง มอเตอร์ของเล่นเด็กอาจมีแค่สองหรือสามขดลวดหมุนจากคอมมิวเตเตอร์
อธิบายรูป ดีซีมอเตอร์ ไฟฟ้าไหผ่านจากแบตเตอรี่เข้ายังแปรงถ่านและกระแสจะไปไปยังคอมมิวเตเตอร์ผ่านขดลวด เมื่อมอเตอร์หมุนกระแสไฟยังผ่านไปยังขดลวดอีกชุดด้วย กระแสไฟฟ้าจะไหลกลับผ่านแปรงถ่านอีกด้าน และกลับเข้าสู่แบตเตอรี่ กระแสที่ไหลผ่านขดลวดจะทำให้เกิดแม่เหล็กไฟฟ้าผลักกับแม่เหล็กถาวรที่ยึดติดกับโครงมอเตอร์ ทำให้ขดลวด คอมมิวเตเตอร์ และเพลาหมุน

อ้างอิงรูป http://en.wikipedia.org/wiki/Electric_motor

มีข้อเสียสำหรับมอเตอร์ชนิดนี้สองสามข้อ แปรงถ่านจะยืดตัวได้น้อยลงเมื่อคอมมิวเตเตอร์สึกกร่อนไปเรื่อยๆ จำเป็นต้องมีการซ่อม ยิ่งไปกว่านั้นแปรงถ่านเมื่อเสียดสีกับคอมมิวเตเตอร์ยังทำให้ ลดทอนกำลังที่เกิดขึ้น ดังนั้นระบบการสวิทช์แบบง่ายๆที่คอมมิวเตเตอร์ทำให้ระบบมีประสิทธิภาพต่ำ เมื่อหมุนที่ความเร็วสูง
ข้อดีของมอเตอร์ชนิดนี้ มอเตอร์ชนิดนี้มีโครงสร้างที่ง่าย แข็งแรงและเชื่อถือได้ สามารถใช้งานโดยต่อกับแบตเตอรี่ ต่อหมุนกลับทางโดยการกลับขั้วได้ ใช้ในที่สั่นสะเทือนได้ ใช้ในที่ชื้นได้ โดยไม่มีปัญหามากนัก แต่ปัจจุบันใช้กันน้อยลง ข้อดีอีกอย่างคือ มีสายเพียงแค่สองเส้นที่เข้ามอเตอร์ ทำให้ง่ายต่อการจัดสาย บางบริษัทผู้ผลิตใช้มอเตอร์ประเภทนี้เพื่อให้ถอดล้ออกได้เร็ว และเปลี่ยนชุดควบคุมง่าย เร็ว
มอเตอร์บางชนิดใช้แม่เหล็กไฟฟ้า แทนที่แม่เหล็กถาวร แต่ก็ไม่ได้มีการใช้งานอย่างกว้างขวางกับจักรยานไฟฟ้า
วิธีการง่ายที่สุดในการควบคุมความเร็วดีซีมอเตอร์ คือการใส่ตัวต้านทานระหว่างแบตเตอรี่กับมอเตอร์ ตัวต้านทานอาจเป็นโลหะหรือวัสดุอื่นใดที่สามารถต้านทานการไหลของอีเล็กตรอน อาจกล่าวว่าต้องสามารถทนต่อธารกระแสอีเล็กตรอนได้ แต่ตัวต้านทานมีขนาดเทอะทะ เป็นอุปกรณ์ไร้ประสิทธิภาพ และจำเป็นต้องมีการระบายความร้อนที่ดี เนื่องจากผลของความเร็วของรถที่วิ่งและการเร่งคันเร่งจะทำให้พลังงานจากแบตเตอรี่ที่มีค่าส่วนหนึ่งสูญเสียในรูปความร้อน ในทางปฏิบัติมีแค่เพียงจักรยานไฟฟ้ายุคแรกๆที่ใช้ความต้านทานในการปรับความเร็ว จักรยานไฟฟ้าของโลกเพิ่งถูกพัฒนาในเชิงอุตสาหกรรมในช่วงปี 2523 ในช่วงดังกล่าวเริ่มมีการนำทรานซิสเตอร์มาใช้ในการควบคุมความเร็ว ในตอนแรกทรานซิสเตอร์ทำหน้าที่เหมือนตัวต้านทานแบบดั้งเดิมที่ใช้ในการปรับความเร็วมอเตอร์ ทำให้มีการสูญเสียพลังงานไฟฟ้า เมื่อวิ่งที่รอบต่ำ
ระบบที่ดีกว่าที่ใช้ในการปรับกระแสไฟฟ้าด้วยการเปิดและปิดสวิทช์อย่างเร็วมากเรียกว่า PWM (Pulse Width Modulation) ถ้าปล่อยอีเล็กตรอนให้ไหล 10% ในช่วงเวลาหนึ่ง ระดับแรงดันเอาท์พุทจะเป็น 10% ของแรงดันสูงสุด ถ้าปล่อยอีเล็กตรอนให้ไหล 50% ในช่วงเวลาหนึ่ง ระดับแรงดันเอาท์พุทจะเป็น 50% ของแรงดันสูงสุด ความเร็วในการสวิทช์นี้ปกติจะเร็วมาก (เศษหนึ่งส่วนพันวินาที) ทำให้เป็นไปไม่ได้ที่จะรู้สึกได้ว่ามีการเปิดปิดสวิทช์ความเร็วสูง แต่อาจมีการสั่นหรือเสียงดังหอนมาจากตัวมอเตอร์เมื่อคันเร่งบิดอยู่ในตำแหน่งตำแหน่งหนึ่ง
ตัวควบคุมอีเล็กทรอนิกส์มอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรงแบบ PWM ดังกล่าว มีประสิทธิภาพสูงมากถึง 90% (หรือบางรุ่นอาจมากกว่า) ในอดีตชุดควบคุมมีขนาดใหญ่และหนัก แต่ปัจจุบันมีชุดควบคุมมีขนาดเล็กราคาถูกสำหรับเครื่องบินบังคับวิทยุ ยังไม่สามารถนำมาใช้ควบคุมจักรยานไฟฟ้าได้ เนื่องจากว่าชุดควบคุมขนาดเล็กเหล่านี้ยังไม่สามารถนำมาควบคุมมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรงได้

อ้างอิงรูป http://www.gngebike.com/250w

มอเตอร์แบบไร้แปรงถ่านไฟกระแสตรง (Brushless DC (BLDC) Motor)
มอเตอร์แบบไร้แปรงถ่าน คล้ายๆกับมอเตอร์ดีซี แต่แม่เหล็กภายในมอเตอร์จะเป็นตัวหมุน ขดลวดภายในมอเตอร์จะได้รับกำลังจากแบตเตอรี่ถูกวางในตัวเคสมอเตอร์หรือภายในแม่เหล็กที่หมุน ด้วยการจัดเรียงแบบนี้ทำให้มีข้อดีคือไม่มีแปรงถ่านที่จะถ่ายทอดกำลังผ่านส่วนที่หมุนของมอเตอร์ ทำให้มีการบำรุงรักษาต่ำและมอเตอร์จะหมุนอิสระ
มอเตอร์ที่ใช้ในบ้าน เช่นเครื่องซักผ้า และมอเตอร์อื่นๆที่ใช้กันในครัวเรือน ส่วนใหญ่จะเป็นมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสสลับ (AC) จากสายไฟฟ้าตามบ้าน ซึ่งสามารถแทนที่หน้าที่การสวิทช์คอมมิวเตเตอร์ในดีซีมอเตอร์ ไฟฟ้ากระแสสลับอีเล็กตรอนจะวิ่งกลับไปกลับมาอย่างรวดเร็ว โดยปกติเป็น 50 ครั้งต่อวินาที สิ่งที่น่าสนใจคืออีเล็กตรอนไม่ได้วิ่งเป็นระยะทางไกลๆ จริงๆแต่เป็นการเคลื่อนที่ต่อเนื่องจากแหล่งกำเนิดไฟฟ้า การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนสามารถนับได้ถึงแม้นอีเล็กตรอนจะเปลี่ยนทิศทางเคลื่อนที่กลับไปกลับมาก็ตาม เราอาจได้เห็นการใช้มอเตอร์ไฟฟ้ากระแสสลับกับจักรยานไฟฟ้าในอนาคต แต่ในปัจจุบันยังไม่มีการใช้งานมากนักเนื่องจากว่าการใช้งานเป็นไปได้ยาก
โชคดีที่ จักรยานไฟฟ้าส่วนใหญ่ใช้พลังงานจากแบตเตอรี่ซึ่งเป็นไฟฟ้ากระแสตรง มีวงจรอีเล็กทรอนิกส์จะทำการสวิทช์จ่ายไฟเข้าขดลวดมอเตอร์แต่ละชุด และสร้างสนามแม่เหล็กที่หมุนได้อย่างรวดเร็วเพื่อให้พลักกับแม่เหล็กถาวร และทำให้เพลาของมอเตอร์หมุน ความยากลำบากคือการระบุว่าควรจะสวิทช์จ่ายไฟฟ้าไปยังขดลวดชุดไหนดี ปัญหานี้สามารถแก้ได้โดยการใช้เซ็นเซอร์ตรวจจับตำแหน่งขนาดเล็กที่อยู่ในมอเตอร์ เชื่อมโยงด้วยสายไฟฟ้าไปยังชุดควบคุม เซ็นเซอร์นี้เรียกว่าฮอลล์เซ็นเซอร์ ฮอลล์เซ็นเซอร์จะเป็นตัวบอกตัวควบคุมว่าตำแหน่งเพลาของมอเตอร์อยู่ที่ใด มอเตอร์จะส่งพัลซ์ปิดสวิทช์ขดลวด A (ปกติมีขดลวดสามชุด) เมื่อมอเตอร์หมุนไปเล็กน้อย เซ็นเซอร์จะอัพเดทตำแหน่งใหม่ของเพลาให้กับชุดควบคุม ขดลวดชุด B ทำงาน และต่อเนื่องเช่นนี้ไป เมื่อเทียบกับมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรงเมื่อหมุนกระตุกเมื่อวิ่งด้วยความเร็วรอบต่ำ เมื่อหมุนเร็วมอเตอร์จะเงียบและวิ่งราบเรียบขึ้น จุดสัมผัสของมอเตอร์ BLDC คือตลับลูกปืนที่รองรับเพลากับตัวเฟรมมอเตอร์ คุณลักษณะที่ดีของมอเตอร์ชนิดนี้คือการสลับการทำงานของชุดขดลวดได้อย่างแม่นยำ ทำให้มอเตอร์ชนิดนี้มีช่วงการใช้งานที่มีประสิทธิภาพดีกว่า มอเตอร์ดีซีมาก ซึ่งสามารถทำให้จักรยานไฟฟ้าวิ่งได้ตั้งแต่ช่วง 3 mi/hr ถึง 15 3 mi/hr เป็นมอเตอร์ที่มีช่วงการทำงานที่น่าประทับใจมาก บ่อยครั้งก็นำไปเป็นมอเตอร์ความเร็วขอบคงที่ เช่นมอเตอร์ปั๊มน้ำที่ต่อกับโซล่าเซลล์
ข้อเสียของมอเตอร์ชนิดนี้คือ ต้องมีชุดควบคุมอีเล็กทรอนิกส์เพื่อให้มอเตอร์ทำงานได้ หากไม่มีชุดควบคุมมอเตอร์จะไม่สามารถทำงานได้เลย ในอดีตชุดควบคุมมีขนาดใหญ่มาก แต่ปัจจุบันชุดควบคุมก็มีขนาดเล็กลง และชุดควบคุมต้องสามารถกันน้ำ ความร้อนและแรงสั่นสะเทือนได้ ถ้าหากเป็นชุดควบคุมภายนอกก็สามารถติดตั้งยกสูง เพื่อไม่ให้โดนน้ำได้ง่าย สายไฟหลักที่เข้าสู่มอเตอร์จะมีสามสายและมีสายสำหรับชุดเซ็นเซอร์สามชุด โดยปกติแล้วสายสำหรับเซ็นเซอร์จะมีห้าเส้น ถ้ามอเตอร์ติดตั้งล้อหน้า ต้องเลือกชุดติดตั้งคุณภาพดี จะมีการเก็บสายที่เรียบร้อยไม่ลุ่มล่าม จะทำให้จักรยานมีปัญหาการเกินสายไฟน้อย การบังคับเลี้ยวทำได้ง่าย หากชุดควบคุมมีการเดินสายไฟไม่เรียบร้อย ไฟฟ้าอาจช็อตได้ และทำให้อุปกรณ์ต่างๆเสียหายได้
มอเตอร์ไร้แปรงถ่านแบบมีเซ็นเซอร์นี้ จะทำให้เสียงเงียบมาก ไม่มีการต้องเปลี่ยนแปรงถ่าน แต่จำเป็นต้องมีชุดควบคุมอีเล็กทรอนิกส์ที่มีประสิทธิภาพ หากเซ็นเซอร์ชุดใดชุดหนึ่งชำรุด มอเตอร์ก็จะทำงานผิดปกติ หากสายไฟหลักของมอเตอร์ช็อต ก็จะทำให้ชุดควบคุมเสียหายเช่นกัน หากเดินสายไฟเก็บสายไม่ดี เมื่อเวลาล้อหมุนอาจดึงเอาชุดสายไฟไปพันกับแกนดุมล้อ อาจทำให้ต้องซ่อมใหญ่
ในเรื่องของการซ่อมบำรุงรักษา ปัจจุบัน ชุดติดตั้งจักรยานไฟฟ้าจากจีน มีราคาที่ถูกกว่าชุดติดตั้งจักรยานไฟฟ้าจากยุโรป อเมริกา และแคนาดามากกว่าสามเท่า หากเป็นชุดติดตั้งจักรยานไฟฟ้าที่มีชื่อและมีตัวแทนจำหน่ายและศูนย์บริการ เช่น ebikr.com จะมีชุดอะไหล่สำรองไว้สำหรับการซ่อมแซม
หากชุดติดตั้งที่คุณภาพไม่ดีชื่อเสียง คุณภาพของงานจะต่ำ หาอะไหล่ที่จะมาซ่อมภายหลังไม่มี เวลาซ่อมก็จะไม่คุ้ม
ชุดมอเตอร์คุณภาพสูงมีหลายยี่ห้อและผลิตจากหลายแหล่ง เช่นจากโกลเด้นมอเตอร์ ไบออนเอ็กซ์ พานาโซนิค อาจมีการเปลี่ยนแปลงสเปคเล็กน้อยโดยไม่ได้แจ้งข้อมูลให้ทราบล่วงหน้า ผู้ผลิตเหล่านี้อาจมีการผลิตจำหน่ายเป็น OEM ให้ยี่ห้ออื่นๆ

อ้างอิงรูป http://www.birdmanev.com/tech.htm

มอเตอร์แบบไร้แปรงถ่านไฟกระแสตรงแบบไม่มีเซ็นเซอร์
แนวคิดของนักออกแบบมอเตอร์ชนิดนี้คือ มอเตอร์จะมีแรงดันป้อนกลับเล็กน้อยเข้าสู่ชุดควบคุม เมื่อขดลวดตัดผ่านแม่เหล็ก ขดลวดสองชุดจะถูกป้อนไฟฟ้าเข้าไปและมีขดลวดอีกหนึ่งชุดจะส่งข้อมูลตำแหน่งของชุดโรเตอร์ไปสู่ชุดควบคุม ทำให้ไม่จำเป็นต้องใช้เซ็นเซอร์ในการตรวจจับตำแหน่ง แต่เมื่อมอเตอร์หยุดนิ่งอยู่กับที่การตรวจจับตำแหน่งก็ทำไม่ได้เลย เปรียบเสมือนตาบอด ชุดควบคุมไม่รู้ตำแหน่งของโรเตอร์ เมื่อมอเตอร์เริ่มหมุน จะมีแรงดันไฟฟ้าป้อนกลับไปยังชุดควบคุม ทำให้วิ่งได้เรียบเหมือนมอเตอร์แบบมีเซ็นเซอร์ แต่มอเตอร์ชนิดนี้มีข้อเสียคือเมื่อตอนเริ่มหมุนอาจเริ่มหมุนผิดทิศทางเล็กน้อย ดังนั้นการหมุนอาจไม่ราบเรียบเสมอไป แต่ชุดควบคุมที่ฉลาดๆ สามารถแก้ปัญหานี้ได้
ข้อดีของมอเตอร์แบบนี้คือ ขนาดเบา ง่าย กว่ามอเตอร์ชนิดอื่นๆ แต่การควบคุมมีความซับซ้อน สายไฟที่เข้ามอเตอร์มีเพียงแค่สามเส้นดังนั้นการต่อเข้ากับคอนเน็คเตอร์ง่าย มีสายเข้ามอเตอร์ยิ่งน้อยอุปกรณ์ก็ยิ่งเล็กยิ่งเบา กว่ามอเตอร์ไร้แปรงถ่านแบบมีเซ็นเซอร์
ข้อเสียของมอเตอร์ชนิดนี้คือจำเป็นต้องมีการทำให้มอเตอร์เริ่มหมุนในตอนเริ่มสตาร์ท ถ้าเป็นจักรยานแบบที่ใช้ตัวช่วยปั่นไฟฟ้า pedelec จะไม่มีปัญหา โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อมอเตอร์ทำงานแล้วไม่ตัดการทำงาน แต่ถ้ามอเตอร์ถูกสั่งให้หมุนหนักขึ้นจากจุดสตาร์ท อาจทำให้มอเตอร์หมุนกระตุก และหยุดหมุน เนื่องจากแรงไม่พอ เหมือนเครื่องยนต์รถที่ออกตัวที่เกียร์สูงแล้วแรงไม่พอ ต้องออกตัวใช้เกียร์ต่ำ การออกแบบเลือกมอเตอร์ที่เหมาะสมเป็นสิ่งที่จำเป็นที่จะต้องพิจารณา
การควบคุมความเร็วของมอเตอร์ชนิดนี้ ก็เหมือนมอเตอร์แบบไร้แปรงถ่าน คือจะเลือกใช้คันเร่งแบบบิดหรือจะใช้เท้าเป็นตัวช่วยออกแรงในตอนเริ่มสตาร์ท(โดยส่วนใหญ่เป็นแบบมอเตอร์ขับกลาง) หรือจะใช้คันเร่งควบคุมความเร็วก็ได้
ในปัจจุบันนี้มอเตอร์ชนิดนี้กำลังอยู่ในช่วงฟัฒนา แต่ก็เริ่มมีใช้บ้างแล้ว สิ่งหนึ่งที่แตกต่างอย่างชัดเจนคือไม่มีตัวฮอลเซ็นเซอร์ ที่อาจเกิดการเสียหายจากการใช้งานได้ ทำให้มอเตอร์มีอายุการใช้งานที่ยืนยาว

ปัจจุบันมอเตอร์ที่นิยมใช้กับจักรยานไฟฟ้าราคาถูกจะเป็นมอเตอร์ดีซีแบบมีแปรงถ่านธรรมดา ราคาจักรยานรวมจะประมาณหมื่นกว่าบาท หากเป็นมอเตอร์ที่มีประสิทธิภาพสูงขึ้น จะเป็นมอเตอร์แบบไร้แปรงถ่าน จักรยานไฟฟ้าจะมีราคาสองหมื่นกว่าบาทขึ้นไปนะครับ

สงวนสิทธิ์ใช้เพื่ออ่านประกอบความรู้เท่านั้น ห้ามนำไปเผยแพร่ทางเชิงพาณิชย์อื่นๆก่อนได้รับอนุญาติ