วัลลภ ลิ้มพลาสุข
บ่อยครั้งที่วันหนึ่ง ถูกถามปัญหาต่าง ๆ ซึ่งเกี่ยวกับข้องกับมอเตอร์ที่มีการออกแบบดีไซน์ใหม่ ๆ แต่ต่อมาไม่กี่วันก็ต้องมาซ่อมมอเตอร์ดีไซน์เก่าแก่ รุ่นดึกดำบรรพ์ ที่ควรเก็บไว้ในพิพิธภัณฑ์ ดูเหมือนเป็นเสน่ห์อย่างหนึ่ง อันน่าฉงนว่า ในช่วงเวลาที่แตกต่าง แต่วิศวกรยังคงมีการประดิษฐ์ในสิ่งเดียวกันโดยไม่มีอะไรเปลี่ยนแปลงมากนัก หลาย ๆ สิ่ง หลาย ๆ อย่าง ยังคงออกแบบเหมือน ๆ เดิม ทั้ง ๆ ที่มอเตอร์ ได้ถูกนำมาใช้งาน นานนับหลายร้อยปี
สิ่งสำคัญประการหนึ่งสำหรับการออกแบบมอเตอร์ก็คือ การทำอย่างไรให้มอเตอร์ขณะทำงาน มีอุณหภูมิไม่สูงมาก ในบทความนี้ จะมีเนื้อหากล่าวถึง การออกแบบการระบายความร้อนของมอเตอร์ในบางรูปแบบ การออกแบบสำหรับการนำไปใช้ในงานแบบพิเศษที่แตกต่างจากการใช้งานปกติ และสุดท้ายจะสามารถปรับปรุงการระบายความร้อนให้ดีมากยิ่งขึ้นอย่างไรบ้าง
วิธีการกระจายความร้อนของมอเตอร์ ถูกออกแบบมาโดยขึ้นอยู่กับโครงสร้างภายนอก (ODP, WP, TEFC, ดูความหมายตัวย่อด้านล่าง) ของเครื่องจักร การออกแบบ จะออกแบบให้ปริมาณของความร้อน ถูกระบายผ่านช่องอากาศ (Vent Duct) โดยเฉพาะโครงสร้างที่เป็นแบบ ODP, WP อากาศจะถูกดึงผ่านเข้าทางด้านปลายของโรเตอร์ทั้งสองด้าน และเหวี่ยงผ่านช่องหรือรูอากาศของตัวโรเตอร์ ผ่านไปยังช่องอากาศของแกนเหล็กสเตเตอร์ และส่งผ่านออกไปนอกเฟรมของตัวมอเตอร์ หรือวนกลับเข้ามาปลายโรเตอร์อีกครั้งหนึ่ง ซึ่งจะขึ้นอยู่กับชนิดของการออกแบบระบบระบายความร้อน (IC)
มีรูปแบบของการออกแบบ ช่องอากาศระบายความร้อนบางรูปแบบ ซึ่งเป็นที่ยอมรับโดยทั่วไป โดยเฉพาะการใช้ ไอบีม (I-Beam) ค้ำทำให้เกิดช่องว่างของแกนเหล็กทั้งของโรเตอร์และสเตเตอร์ ตัวไอบีมที่ใช้ค้ำ มีประโยชน์มากกว่าการที่ทำให้เกิดช่องระบายความร้อน แต่ยังจะทำหน้าที่เพิ่มผิวการสัมผัสกับลมระบายความร้อนอีกด้วย ซึ่งจะทำหน้าที่คล้ายกับครีบที่อยู่ด้านนอกเฟรมของมอเตอร์ประเภท TEFC ในรูปที่ 1 แสดงเส้นรอบช่องระบายความร้อนที่ไม่มีไอบีมค้ำอยู่ เมื่อมีการเพิ่มไอบีมเข้าไปจะทำให้พื้นที่สัมผัสของลมที่ไหลผ่าน ปริมาณเพิ่มขึ้นคร่าว ๆ เกือบเป็น 2 เท่า การเพิ่มไอบีมเข้าไป พื้นที่ผิวสัมผัสที่เพิ่มขึ้น จะเพิ่มการส่งผ่านความร้อนไปยังลมที่ไหลผ่าน ส่งผลให้ประสิทธิผลการระบายความร้อนทำได้ดียิ่งขึ้น
รูปที่ 1 ตัวไอบีม (I-Beam) มีหน้าที่ช่วยกระจายความร้อน โดยทำให้เกิดพื้นที่ลมจะไหลผ่านเป็นสองเท่า
เนื่องจากแรงดันที่ใช้กดอัด แกนเหล็กสเตเตอร์จะอยู่ที่ประมาณ 75-125 PSI (515-860 kPa) ส่งผลให้ไอบีมที่ประกบติดกับแผ่นลามิเนตสัมผัสกับแผ่นลามิเนตได้เป็นอย่างดี โดยส่วนของไอบีมที่ทำหน้าที่ค้ำให้เกิดช่องว่าง จะทำให้เกิดการเพิ่มของผิวสัมผัส ของการถ่ายเทความร้อน และยิ่งถ้าใช้ไอบีมที่มีหน้ากว้างเท่าไหร่ ยิ่งจะทำให้ผิวสัมผัสเพิ่มมากขึ้นเท่านั้น แต่อย่างไรก็ตามรูปร่างของตัวไอบีมควรที่จะเป็นรูปสี่เหลี่ยมจัตุรัส
การออกแบบรูปแบบหนึ่งที่แตกต่างออกไป ได้แก่การออกแบบโดยใช้ แกนสลัก (Pin) แทนไอบีม ซึ่งดูเหมือนจะเป็นความคิดที่ดี เพราะเป็นการเพิ่มพื้นที่ช่องว่างสำหรับอากาศไหลผ่านที่มากกว่า แต่วิธีนี้ก็จะสูญเสียส่วนดีของไอบีม ที่ช่วยเหลือในเรื่องของพื้นที่ผิวสัมผัสของการระบายความร้อน ซึ่งอาจจะส่งผลให้มีอุณหภูมิสูงขึ้นมาก กว่าแบบใช้ไอบีม การออกแบบดังกล่าวเหมือนเป็นพินัยกรรมอันยิ่งใหญ่ตกทอดกันมา และแสดงให้เห็นถึงความฉลาด ของนักออกแบบมอเตอร์สมัยก่อน ซึ่งมีความตั้งใจจริงที่จะทำให้เกิดความสมดุลกัน ระหว่างแรงลมและพื้นที่ผิวสัมผัสที่ใช้ในการระบายความร้อน
รูปที่ 2 ตำแหน่งของแผ่นกระบังลมมีความสัมพันธ์กับขนาดของใบพัดลม โดยระยะค่า “Y” ควรมีค่าไม่เกิน 12 มม. ค่า “X” ควรมีค่าอยู่ในค่าส่วนตรงกลาง เมื่อความกว้างใบพัด แบ่งออกมาเป็น 3 ส่วน (Middle Third)
สิ่งใด ๆ ที่ขวางบังช่องอากาศที่เปิดอยู่ หรือเคลือบทับผิวสัมผัสจะทำให้เกิดการลดประสิทธิผลของการไหลเวียนของอากาศและการระบายความร้อน ตัวอย่าง ถ้าช่องอากาศถูกปิดบางส่วน ด้วยวานิช (จุ่ม และอบ หลายครั้ง) สิ่งสกปรก (ทำความสะอาดไม่หมด) หรือทั้งสองอย่างรวมกัน (ไม่ทำความสะอาดให้ดีก่อนมีการจุ่มวานิชและอบ) จะส่งผลให้อุณหภูมิของขดลวดมีค่าสูงขึ้น และนั่นเป็นหัวใจหลักที่ต้องคำนึง ฉะนั้นเมื่อผู้ใช้งานมอเตอร์ต้องการทำความสะอาดมอเตอร์ขนาดใหญ่ ณ จุดใช้งาน (On Site) ควรที่จะพิจารณาว่าจะสามารถทำความสะอาด ช่องระบายอากาศ ได้อย่างมีประสิทธิผล โดยไม่ทำความเสียหายแก่แกนเหล็กสเตเตอร์ และขดลวดได้จริงหรือไม่ ? เปรียบเทียบกับยกไปดำเนินการในโรงซ่อม
สนิมและการผุกร่อน จะทำให้แกนเหล็กเกิดการโป่งพอง ส่งผลให้ช่องระบายอากาศของแกนเหล็กมีขนาดแคบเล็กลง โดยเฉพาะวงรอบในของแกนเหล็ก ซึ่งเป็นช่องทางเข้าของลมระบายความร้อน การอุดตันดังกล่าวอาจจะไม่สามารถสังเกตเห็น ถ้าไม่มีการตรวจสอบด้วยไฟฉายและกระจก จุดที่ควรตรวจสอบ ได้แก่ วงในแกนเหล็กของโรเตอร์ ตำแหน่งที่แกนเหล็กติดอยู่กับก้านรับแรง อีกวิธีหนึ่งของการตรวจสอบ ได้แก่ใช้ลวดเชื่อม หรือลวดที่มีความแข็งและความยาวพอสมควร แทงทดสอบจากด้านนอกของแกนเหล็กโรเตอร์ เพื่อตรวจสอบดูการอุดตัน กรณีเกิดสนิมเหล็ก สนิมเหล็กจะมีคุณสมบัติด้านวัสดุแม่เหล็กทำหน้าที่เป็นทางเดินของเส้นแรงแม่เหล็กที่แย่กว่า แกนเหล็กเดิมก่อนการผุกร่อน ส่งผลให้มอเตอร์ ผลิตแรงบิดได้ลดลง ไม่เพียงแต่มอเตอร์จะมีค่าสลิปเพิ่มมากขึ้น แต่จะส่งผลให้มอเตอร์ผลิตความร้อนมากขึ้นด้วยซึ่งมีผลมาจาก แผ่นลามิเนตโป่งพอง บีบช่องระบายอากาศให้เล็กลง เกิดการลดลงของปริมาณอากาศที่ไหลผ่าน
มีหลายวิธีในการปรับปรุงการไหลเวียนของอากาศ ซึ่งรวมไปถึงเคล็ดลับ ที่นักออกแบบมอเตอร์มักถูกนำมาใช้ วิธีการหนึ่งที่จะปรับปรุงการระบายความร้อนของมอเตอร์ ประเภท ODP คือการใส่ตัวกระบังลม (Air Baffle) (ดูในรูปที่ 2) ซึ่งจะสามารถลดอุณหภูมิของขดลวดได้ 10-15 องศาหรือมากกว่านั้น
การปรับแต่งแก้ไขบางกรณี จะถูกนำไปใช้แก้ปัญหาที่เกิดจากสิ่งสกปรกหรือฝุ่นละอองสะสมบนพื้นผิวภายนอก ของมอเตอร์ประเภท TEFC ตัวอย่างเช่น มอเตอร์ที่อยู่ในอุตสาหกรรมซีเมนส์และกระดาษจะเป็นตัวอย่างเห็นได้ชัด เพื่อเป็นการป้องกันไม่ให้สิ่งสกปรกต่าง ๆ ปกคลุมครีบด้านนอกของมอเตอร์ จะมีการใช้แผ่นเหล็ก หรือไฟเบอร์กลาสม้วนรัดครีบด้านนอกของมอเตอร์ ขนาดที่เหมาะสมจะต้องต่อรับจากขอบของฝาครอบพัดลมให้พอดี และส่วนที่เหลือจะต้องห่อหุ้มครีบด้านนอกของมอเตอร์ยาวไปจนถึงด้านขับโหลด (DE End) และถ้ามอเตอร์มีการใช้งานหมุนทิศทางเดียวโดยเฉพาะ ใบพัดควรจะถูกเปลี่ยนไปใช้ให้เป็นประเภททิศทางเดียว เพราะจะเป็นการเพิ่มปริมาณลม ทำให้สิ่งสกปรกถูกพัดพาออกไปโดยง่าย
วิธีการนี้ ยังสามารถนำไปใช้ป้องกันความเสียหายที่อาจจะเกิดขึ้นกับครีบของมอเตอร์ กับโหลดบางประเภท เช่น แท่นเลื่อย ควรใช้แผ่นเหล็กหนา 4-5 มม. ม้วนคลุมครีบมอเตอร์ เพื่อป้องกันการเกิดการกระแทกที่กระทำต่อครีบมอเตอร์
รูปที่ 3 การเพิ่มใบพัดลมเข้าไปที่ซิงโครนัสมอเตอร์ หรือการปรับมุมใบพัดที่มีอยู่แล้ว ไปตามทิศทางการหมุนของมอเตอร์ จะเป็นการปรับปรุงการระบายความร้อน
การใช้งานในอุตสาหกรรมที่ใช้เตาอบ จำเป็นที่ต้องใช้ฉนวน คลาส H และจาระบีเกรดที่ทนความร้อนสูงเพื่อยืดอายุการใช้งานมอเตอร์ กรณีที่มีปัญหาเกี่ยวกับการขยายตัวของเม็ดลูกปืนเนื่องจากอุณหภูมิ แบริ่งประเภท C4 จำเป็นต้องถูกนำมาใช้ และควรเพิ่มแผ่นระบายความร้อน (Heat Sink) ติดตั้งไปที่เพลาด้านหน้าส่วนที่ยื่นออกไปจากฝามอเตอร์ เพื่อเป็นการลดอุณหภูมิที่ถ่ายหรือส่งผ่านมาจากเพลา ถ้ามอเตอร์อยู่ในตำแหน่งที่ร้อนมากจริง ๆ ให้พันรอบนอกมอเตอร์ด้วยท่อทองแดงหรือสแตนเลส ที่มีรูไม่ใหญ่มาก พันแนบเข้ากับมอเตอร์ และจ่ายลมผ่านตัวปรับความแรงลม ให้ไหลผ่านท่อดังกล่าว เพื่อเป็นการลดอุณหภูมิมอเตอร์ให้ต่ำลง โดยอาจจะใช้โซลินอยด์วาล์วเป็นตัวตัดต่อเพื่อจ่ายลม ในขณะเตาอบเริ่มทำงาน
อีกหนึ่งวิธีที่รู้จักกันดีที่จะปรับปรุงการระบายความร้อนของมอเตอร์ที่มีความเร็วต่ำ และคอยล์เป็นประเภทคอยล์ขึ้นรูป (Form Coil) คือการเพิ่มความกว้างของคอยล์พิช ค่าของชอร์ตแฟกเตอร์จะดูคล้ายกับปิระมิด (ค่าสูงสุดอยู่ที่ 1.0 มีค่าน้อยกว่า 2 ค่าในขณะที่มีคอยล์พิชที่ต่างกัน) ลองพิจารณาตัวอย่างมอเตอร์ 16 โพล 72 สล๊อต จะได้คอยล์สแปนที่ฟูลพิช เท่ากับ 72/16 = 4.5 หรือคอยล์พิชที่ 1- 5.5 ซึ่งในทางปฏิบัติ เราจะใช้คอยล์พิชเป็น 1-5 ซึ่งทำให้เราได้ค่า ชอร์ตแฟกเตอร์ = 0.985 ซึ่งแสดงวิธีหาได้ดังนี้
72/16 = 4.5, สำหรับคอยล์พิช 1–5 จะได้ Sin((4x90)/4.5) = 0.985
ทางเลือกหนึ่ง ถ้าเราพบว่ามอเตอร์มีอุณหภูมิสูงจากการใช้งาน เราสามารถที่แก้ไขได้ โดยเปลี่ยนมาใช้คอยล์พิช 1-6 แทน จำนวนรอบสัมฤทธิ์ (Effective Turns), ความหนาแน่นของเส้นแรงแม่เหล็ก และแรงบิดจะยังคงเหมือนเดิม เพราะค่าชอร์ตแฟกเตอร์ยังคงเดิมคือ 0.985 (ดูจากการคำนวณด้านล่าง)
Sin((5x90)/4.5) = 0.985
ประโยชน์ที่ได้รับจากการเพิ่มความกว้างของพิช ก็คือ คอยล์แต่ละคอยล์จะมีความยาวและพื้นที่สัมผัสกับลม ที่ใช้ระบายความร้อนเพิ่มมากขึ้น สิ่งคู่ขนานที่เกิดขึ้นอย่างไม่ปรารถนาก็คือ ขดลวดจะใช้ลวดทองแดงที่มากกว่าเดิม เพื่อทำให้เกิดคอยล์พิชที่กว้างขึ้น ความยาวที่เพิ่มขึ้นจะทำให้ค่าความต้านทานขดลวดเพิ่มขึ้นเล็กน้อย แต่โดยรวมแล้วจะทำให้อุณหภูมิลดลง
เครื่องจักรซิงโครนัสแบบเปิด จะมีแผ่นกระบังลมขนาดเล็กเพื่อบังคับทิศทางกระแสลม และส่วนมากทำงานเป็นแบบทิศทางเดียว เมื่อผู้ใช้งานมอเตอร์ถามว่าเราจะทำอะไรได้บ้าง เมื่อต้องการให้มอเตอร์ทำงานที่อุณหภูมิต่ำลง วิธีทั่ว ๆ ไปคือ การเพิ่มขนาดของใบพัดที่ยึดอยู่กับโรเตอร์ฮับ แต่มีอีกวิธีหนึ่งที่น่านำมาใช้ก็คือ การปรับเปลี่ยนมุมองศาของใบพัดให้กินลมเพิ่มขึ้น ตามทางหมุนของมอเตอร์ เพื่อเป็นการเพิ่มกระแสลม ตัวอย่าง ถ้าอากาศถูกดึงเข้าไปในโรเตอร์ด้วยทิศทางตามแกนเพลา ใบพัดควรที่จะปรับเปลี่ยนมุมไปในทิศทางเดียวกับมอเตอร์หมุน ตามรูปที่ 3 (รายละเอียดเกี่ยวกับใบพัดลมระบายความร้อน สามารถหาข้อมูลเพิ่มเติมได้จากบทความเรื่อง “ใบพัดลมระบายความร้อนบางอย่างที่คุณอาจไม่รู้” ของวารสาร Industrial Technology Review ฉบับที่ 217 กุมภาพันธ์ 2554
สิ่งที่เป็นที่น่ายินดีที่สุดคือบทบาทผู้เขียนที่ได้รับในการหาวิธี ที่จะปรับปรุงคุณลักษณะของมอเตอร์ ปรับแต่งมอเตอร์แต่ละตัว ให้ตรงตามความต้องการของผู้ใช้งาน และโดยส่วนใหญ่เรามักจะใช้วิธีง่าย ๆ ที่เป็นเทคนิคที่ชาญฉลาด ซึ่งบริษัทผู้ผลิตมอเตอร์ต่าง ๆ นำมาใช้ในการออกแบบให้กับมอเตอร์ที่มีการใช้งานที่แตกต่างกันออกไป และเป็นที่น่ายินดีอีกเช่นกัน ที่ได้เรียนรู้ในสิ่งที่จะทำให้มอเตอร์สามารถทำงานได้อย่างมีเสถียรภาพ โดยการออกแบบให้ตรง และเหมาะสม กับการใช้งานของผู้ใช้งานที่หลากหลาย.
สงวนลิขสิทธิ์ ตามพระราชบัญญัติลิขสิทธิ์ พ.ศ. 2539 www.thailandindustry.com
Copyright (C) 2009 www.thailandindustry.com All rights reserved.
ขอสงวนสิทธิ์ ข้อมูล เนื้อหา บทความ และรูปภาพ (ในส่วนที่ทำขึ้นเอง) ทั้งหมดที่ปรากฎอยู่ในเว็บไซต์ www.thailandindustry.com ห้ามมิให้บุคคลใด คัดลอก หรือ ทำสำเนา หรือ ดัดแปลง ข้อความหรือบทความใดๆ ของเว็บไซต์ หากผู้ใดละเมิด ไม่ว่าการลอกเลียน หรือนำส่วนหนึ่งส่วนใดของบทความนี้ไปใช้ ดัดแปลง โดยไม่ได้รับอนุญาตเป็นลายลักษณ์อักษร จะถูกดำเนินคดี ตามที่กฏหมายบัญญัติไว้สูงสุด
