มอเตอร์ AC หมุนได้อย่างไร ?

สวัสดีครับยินดีต้อนรับทุกท่านเข้าสู่ช่อง ZimZimDIY
ในวันนี้ ผมขอพูดถึง "หลักการทำงานของ Motor AC" แบบ ง่ายๆละกันนะครับ
ก่อนอื่น ต้องทำความความเข้าใจกันก่อนว่า มอเตอร์ AC เนี้ยะ คืออะไร
มอเตอร์ Ac ก็คือ มอเตอร์ที่ เปลี่ยนจากพลังงาน ไฟฟ้า เป็น พลังงานเชิงกล
และ Motor Ac
ก็ยังแบ่งออกได้เป็น 2 ประเภท หลักๆ นั้นก็คือ
มอเตอร์เหนี่ยวนำ (Induction Motor) และ มอเตอร์ ซิงโครนัส(Synchronous)
สำหรับวันนี้ เราจะพูดถึง มอเตอร์เหนี่ยวนำ นะครับ
มอเตอร์เหนี่ยวนำ ก็มีทั้งแบบ 1เฟส และก็ 3 เฟส
แบบ 1 เฟส เหมาะสำหรับใช้งานทั่วไป เสียบปลั๊กกับไฟบ้าน ก็ทำงานได้เลย
ในขณะที่มอเตอร์ 3 เฟส เหมาะสำหรับ อุตสาหกรรมใหญ่ๆ ระดับโรงงาน ที่ต้องการ กำลังสูงๆ
เช่น ในโรงงาน
เครื่องจักร เครื่อง กลึง เครื่องตัด หรือว่า พวก ลิฟต์ บันไดเลื่อน
โดยมอเตอร์ 1เฟส
ก็ยังแบ่งออกเป็น อีกหลายชนิดๆ
(1) สปลิทเฟส มอเตอร์ (Split-Phase motor)
(2) คาปาซิเตอร์มอเตอร์ (Capacitor motor)
(3) รีพัลชั่นมอเตอร์ (Repulsion motor)
(4) ยูนิเวอร์แซลมอเตอร์ (Universal motor)
(5) เช็ดเด็ดโพลมอเตอร์ (Shaded-pole motor)
แต่โดยพื้นฐานแล้ว ลักษณะการทำงาน ก็จะคล้ายคลึงกันนั้นแหละครับ
งั้นในคลิปนี้ ผมขอ เลือกใช้เป็น แบบ สปลิทเฟส มอเตอร์ ในการอธิบายนะครับ
ตัวจริงของเขา หน้าตาก็จะเป็นในลักษณะนี้
มีแกนเพลา โผล่ออกมาไว้สำหรับนำไปต่อใช้งานภายนอก
มอเตอร์ทุกตัว ก็จะมี ป้ายเนมเพลส
เขียนระบุบอก สเป๊กเอาไว้ อย่างตัวนี้ เขาบอกว่า เป็น มอเตอร์เหนี่ยวนำ แบบ Single phase
ชนิด split-phase Start
Output 200 วัตต์ 1/4HP แรง
ถือว่าเป็นมอเตอร์ ในไซส์งาน ขนาดเล็ก
มีสายไฟ โผล่ออกมา 4 เส้น
เนื่องจากข้างใน มีขดลวดอยู่ 2 ชุด
ชุดแรกจะเป็นชุดขดลวดหลัก หรือ ขดรัน
ส่วนอีกชุดหนึ่ง เป็นชุดขดลวด Start
เราสามารถ นำขดลวดทั้ง 2 ชุด มาเชื่อมต่อกัน
มอเตอร์ก็จะหมุน และ ทำงานด้วยความเร็วคงที่ ตามความถี่ของไฟบ้าน
แต่ความเร็วในการทำงานจริง จะน้อยกว่า เนื่องจากมีการ Slip เกิดขึ้น
สังเกตุว่าตอนนี้ มอเตอร์ หมุน ทวนเข็มนาฬิกาอยู่ นะครับ
เราสามารถ กลับทิศทางการหมุน
โดยการสลับ สายที่ขด Start ได้
นมันก็สามารถหมุน ตามเข็มนาฬิกาได้แล้ว
นอกจาก ค่าความต้านทานต่างกันแล้ว ค่าความเหนี่ยวนำ ก็ต่างกันด้วยนะครับ
เพื่อให้เกิดความต่างเฟส กันสักเล็กน้อย ประมาณ 30 -40 องศา
แค่นี้ก็เพียงพอ สำหรับการเริ่มหมุนของมอเตอร์และสร้างแรงบิดเริ่มต้น ในช่วงแรกๆแล้วครับ
ถ้าเราต่อขดลวดเฉพาะชุด รัน เพียงอย่างเดียว บางที มอเตอร์ มันจะไม่หมุน
มีแต่เสียง หัม สั่นอยู่กับที่ เพราะฉะนั้นขดลวด Start ก็ถือว่าสำคัญ ในการออกตัวในช่วงแรก
เดี๋ยวผมจะแกะมอเตอร์ ดูภายในกันนะครับ
เขาก็ล๊อคด้วย น๊อต ยาวๆทั้งหมด 4 ตัว ระหว่างฝาครอบหัวกับ ท้าย
ก่อนแกะออกผม แนะนำให้ มาร์กจุดเดิมเอาไว้ กันเคลื่อนครับ
สำหรับ โครงสร้างด้านใน
ก็ประกอบไปด้วย 2 ส่วนหลัก ๆ ครับ
นี่ก็จะเป็น โรเตอร์ เป็นส่วนที่หมุนได้ มีลูกปืนแบริ่้ง ทั้ง 2 ฝั่ง
แล้ว ที่ติดกับ โรเตอร์ ก็คือ สวิตช์แรงเหวี่ยง
เมื่อมันหมุนถึงความเร็ว 75-80% มันจะทำให้สวิตซ์แรงเหวี่ยงทำงาน
หน้าคอนแท๊ค ที่มันติดกันแบบนี้ในตอนแรก
พอถึงความเร็ว ณ ขณะหนึ่ง
มันก็ จะจากกัน ทำให้ ตัดขดลวด Start ออกจากวงจร
มันก็จะเหลือเพียง ขดลวด Run หมุนและทำงานต่อ ไปครับ
สังเกตุว่า โรเตอร์ เขาจะไม่ใช่แม่เหล็กถาวร เหมือน มอเตอร์ DC แล้วนะครับ เป็นเพียง แผ่นเหล็กบางๆซ่อนกัน แล้วก็ ใส่แท่งโลหะตัวนำ อลูมิเนี่ยม
ปลายของแท่ง ก็จะ ประกบ วงแหวน ที่ทำจากวัสดุเดียวกัน อีกทีหนึ่ง
มีลักษณะ คล้ายกรงกระรอก
หรือ สถานที่ออกกำลังกายของหนู แฮมสเตอร์
ต่อไป Stator เป็น ส่วนที่อยู่กับที่ ขดลวดจะพันอยู่รอบๆ
ขด Start จะอยู่ ด้านใน
และขด Run จะอยู่ ด้านนอก
แต่ละขด ก็มักพันด้วย ขดลวด หลายๆชุด เล็กกลาง ใหญ่
เพื่อให้มอเตอร์ การสร้างสนามแม่เหล็กที่สม่ำเสมอ และมีความราบรื่นมากขึ้น
ในส่วนรายละเอียด ของการ ออกแบบ ขดลวด หรือ การพันขดลวด
เพื่อนสามารถศึกษาเจาะลึก เพิ่มเติมได้เลยนะครับ
มาถึงตอนนี้เพื่อนๆหลายคน ก็อาจจะสงสัยว่า
ในเมื่อ โรเตอร์มันไม่ใช่ แม่เหล็กถาวร ในการตัดผ่านสนามแม่เหล็ก แล้วมอเตอร์หมุนได้ยังไง
หลักการทำงานก็คือ
เมื่อมีกระแสไฟฟ้า AC ไหลผ่านขดลวด จะเกิดสนามแม่เหล็กหมุนกลับขั้วกันไปมา
ซึ่งจะเหนี่ยวนำกระแสในโรเตอร์ (rotor) ทำให้เกิดแรงบิดและหมุนตามได้
งั้นผมจำลองว่านี้คือโรเตอร์ละกันนะครับ โรเตอร์ก็เป็นส่วนที่หมุนได้
เป็น แผ่นฟลอยอลูมิเนี่ยม ธรรมมดา
ส่วนตรงนี้ เป็นชุดขดลวด Stator สเตเตอร์ ไม่ทำปฎิกริยาใดๆ กับ โรเตอร์อยู่แล้วในสภาวะปกติ
แต่เมื่อมันได้รับกระแสไฟฟ้า AC
มันจะสร้างสนามแม่เหล็ก ขั้วเหนือและใต้ ออกมา
และเพื่อให้มันสมบูรณ์ยิ่งขึ้น ทิศทางของ สนามแม่เหล็ก จะต้อง สลับกันไปมา ด้วย
เพราะฉะนั้นผมจะนำแกนกลาง ของมัน ผูกติดกับ สว่าน แบบนี้ครับ
เมื่อผมหมุน ด้วยความเร็ว และ นำมันเข้าใกล้ กับโรเตอร์
โรเตอร์ได้รับ อธิพล จาก สนามแม่เหล็ก จากสเตเตอร์
ทำให้เกิดการเหนี่ยวนำของกระแสไฟฟ้าเกิดขึ้น
กระแสไฟฟ้า เหนี่ยวนำในโรเตอร์เอง ก็สามารถสร้างสนามแม่เหล็กของตัวเองได้เหมือนกัน
ซึ่งมันมีทิศทางตรงกันข้ามกับ สนามแม่เหล็ก สเตเตอร์ (ตามกฎของเลนซ์, Lenz's Law)
ซึ่งอย่างที่ทราบกันดีว่า แม่เหล็ก ขั้วเดียวกันจะผลักกัน
ส่วนแม่เหล็กที่ต่างขั้วกันมันจะดูดกัน
การโต้ตอบระหว่างสนามแม่เหล็กของสเตเตอร์และโรเตอร์ นี้เอง จะสร้างแรงบิด
ให้โรเตอร์จะพยายามหมุนตามทิศทางของสนามแม่เหล็ก ของสเตเตอร์
แต่จะไม่สามารถตามทันได้ 100% ทั้งหมด
ทำให้เกิด slip ซึ่งเป็นความต่างระหว่างความเร็วของสนามแม่เหล็กที่หมุนและความเร็วของโรเตอร์ที่หมุน
แต่ก็เพียงพอต่อการใช้งาน ในชีวิตประจำวันของเราแล้วครับ
ปรากฏการณ์นี้ เขาจะเรียกว่า "ปรากฏการณ์การเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า" ซึ่งเป็นพื้นฐานของการทำงานของมอเตอร์เหนี่ยวนำครับ