Bedini Motor คือ อะไร

Bedini Motor คือ มอเตอร์ไฟฟ้าแบบ Monopole (ทำงานโดยอาศัยการผลักเพียงอย่างเดียว) ซึ่งถูกจดสิทธิบัตรโดย John C. Bedini ในปี 2003 ใช้ชื่อว่า "Device and method for utilizing a monopole motor to create back EMF to charge batteries" โดยสิทธิบัตรฉบับนี้จอห์นชี้ให้เห็นว่า เราจะสามารถใช้ Monopole Motor ชาร์จแบตเตอรี่ได้อย่างไร จากผลการทดลองของเขาพบว่าตัว Bedini Motor ทำงานโดยใช้กระแสน้อยมากในการขับ แต่สามารถจ่ายประจุออกมาจนสามารถชาร์จแบตเตอรี่ได้เต็ม

หลักการทำงานของ Bedini Motor

รูปที่ 1 แสดงภาพรวมของ Bedini Motor (อ้างอิงจากสิทธิบัตร)

หมายเลข 11 คือ Primary Battery ใช้จ่ายไฟให้กับมอเตอร์

หมายเลข 13 คือ Bedini Coil ซึ่งประกอบไปด้วยขดลวด 3 ชุด

• ชุด 13b: Trigger coil ทำหน้าที่เหนี่ยวนำแรงเคลื่อนไฟฟ้าจากฟลักซ์แม่เหล็กของโรเตอร์แล้วส่งกระแสเบสให้กับขา B ของ Transistor ทำให้ Transistor ทำงานได้ถูกจังหวะ โดยจะทำเฉพาะเวลาที่แม่เหล็กบนโรเตอร์กำลังเคลื่อนที่ออกจากหน้าตัดแกน Bedini Coil ดังนั้น แรงเคลื่อนไฟฟ้าที่เหนี่ยวนำได้ต้องมากกว่า 0.7 V จึงทำให้ Transistor ทำงานได้ 
• ชุด 13a: Power coil ใช้สรา้งแรงแม่เหล็ก ผลักตัวแม่เหล็กถาวรบนโรเตอร์ออกไป ทำให้โรเตอร์เกิดการหมุน 
• ชุด 13c: Recovery coil ใช้เหนี่ยวนำแรงเคลื่อนไฟฟ้าจากฟลักซ์แม่เหล็กของโรเตอร์และสนามแม่เหล็กที่ยุบตัวลงจาก Power coil (หลังจากที่ตัว Transistor หยุดทำงาน)

หมายเลย 23 คือ Bridge Diode ใช้แปลงไฟฟ้ากระแสสลับให้เป็นกระแสตรง

หมายเลข 24 คือ Capacitor แบบมีขั้ว ใช้เก็บประจุไฟฟ้ากระแสตรงเพื่อไว้รอนำไปประจุเข้าแบตเตอรี่ ถ้าค่า C มีขนาดใหญ่ ประจุที่ถูกถ่ายเทเข้าแบตเตอรี่จะมีค่าสูง แบตเตอรี่จะเต็มเร็ว แต่ต้องใช้เวลามากในการอัดประจุเข้า C ดังนั้น ค่า C ที่ใช้ต้องมีความเหมาะสมกับ Bedini Motor ที่ออกแบบ

หมายเลข 27, 28 คือ Commutator ที่ใช้ในการตัดต่อวงจรเพื่อถ่ายเทประจุจาก C ไปเก็บไว้ใน Charging Battery โดยจังหวะในการประจุรวมทั้งแรงดันที่ใช้ประจุ จะขึ้นกับการทดรอบโดยสายพาน หรือ อาจใช้เป็นวงจรอิเล็กทรอนิกส์

หมายเลข 29 คือ Charging Battery

รูปที่ 2 แสดงภาพรวมด้าน Top view ของ Bedini Motor (อ้างอิงจากสิทธิบัตร)

จาก 2 คลิป ข้างต้นได้แสดงการทำงาน Bedini Motor แบบ SSG ซึ่งแต่ต่างจาก Bedini Motor จากสิทธิบัตรตรงที่มันใช้ขดลวด Recovery coil ร่วมกับ Power coil ข้อดีของระบบนี้คือ ประหยัดขดลวด แต่ข้อเสียคือเราไม่สามารถแยกวงจรชาร์จแบตเตอรี่ออกจากวงจรกำลังได้

ประโยชน์ของ Bedini Motor

ตามปกติเดิมในการสร้างวงจรขับมอเตอร์ เช่น Brushless Motor เราจะพยายามลดผลเนื่องจาก Back EMF (แรงเคลื่อนไฟฟ้าที่เกิดจากการยุบตัวของสนามแม่เหล็กในขดลวด) เพราะให้แรงดันสูงและอาจทำลายวงจรอิเล็กทรอนิกส์ได้ แต่ Bedini Motor แสดงให้เห็นว่าเราสามารถใช้ประโยชน์จากพลังงานที่ต้องการกำจัดนี้ได้ นั่นคือ นำไปชาร์จแบตเตอรี่

รูปที่ 3 แสดงสัญญาณแรงดันที่ตกคร่อม Power coil (ทดสอบโดยผู้เขียนในปี 2015)

จากรูปที่ 3 พบว่าค่าสูงสุดอยู่ที่ 12 V ซึ่งเท่ากับแรงดันที่ใช้ขับ Bedini Motor และค่าต่ำสุดอยู่ที่ 310 V ซึ่งเป็นแรงดันที่เกิดขึ้นหลังจากที่สนามแม่เหล็กบน Power coil เกิดการยุบตัว (Back EMF) เป็นค่าที่สูงมากและสามารถทำลาย Transistor ได้ ถ้าหาว่า Transistor ตัวนั้นมีค่าแรงดัน C-E ต่ำกว่า Back EMF ที่เกิดขึ้น

ตัวอย่างและผลการทดสอบ Bedini Motor โดยผู้เขียน

รูปที่ 4 แสดงภาพรวมของ Bedini Motor ของผู้เขียน

รูปที่ 5 แสดงวงจรการวัดแรงดัน Trigger Coil และ Power Coil โดยใช้ Differential probe x20

รูปที่ 6 แสดงแรงดันของขดลวด Power coil และ Recovery coil (ค่าในจอต้องคูณด้วย 20)

รูปที่ 7 แสดงวงจรวัดกระแสที่ใช้ประจุแบตเตอรี่ ด้วย Current probe 100 mV/A และตัว Hall sensor สำหรับวัดความเร็วรอบของโรเตอร์

รูปที่ 8 แสดงกระแสที่ใช้ประจุแบตเตอรี่ (อ่านค่าโดยคูณด้วย 100) และแรงดันผลต่างระหว่างตัวเก็บประจุที่ใช้และแบตเตอรี่ที่ถูกประจุ

รูปที่ 9 เปรียบเทียบกระแสที่ใช้ประจุแบตเตอรี่และกระแสที่ Bedini Motor ใช้งาน

คลิปแสดงการทดสอบ Bedini Motor โดยผู้เขียนในปี 2016

สามารถดูคลิปอื่น ๆ ได้ที่: Somsak Elect Youtube Chanel

ติดตามทาง Fackbook, Fanpage, Website

ขอบคุณผู้ร่วมสนับสนุนและติดตามทุก ๆ ท่าน 

😍😍😍

การปรับค่า Motor Turning กรณีไม่ทราบข้อมูลของ Stepper Motor สำหรับโปรแกรม March3

Mini CNC 2030 คู่มือภาษาจีนและไม่บอกค่า Step per ที่ถูกต้อง

ตัวผู้เขียนได้ลองซื้อ Mini CNC 2030 จาก Website Aliexpress.com เนื่องด้วยราคาที่ถูกกว่ามากเมื่อเทียบกับ Mini CNC ที่มีจำหน่ายในบ้านเรา เมื่อของมาถึงเปิดในกล่องก็พอว่าได้ CD 1 แผ่น เมื่อเปิดดูภายในก็ได้ไฟล์เป็นภาษาจีน พร้อมกับวิธีการตั้งค่าในโปรแกรม March3

ตัวอย่างไฟล์ปรับตั้งค่าสำหรับ March3 ที่ได้จากผู้ขาย

ทุกอย่างสามารถปรับตั้งค่าได้ดี แต่ติดปัญหาเฉพาะการตั้งค่า Motor Turning เมื่อทำตามแล้วลองทดสอบเครื่องพบว่าระยะไม่ถูกต้อง แถมยังเป็นภาษาจีนอีก ตัวสำคัญที่สุดในที่นี้คือ ค่า Step per

ตัวอย่างหน้าการปรับ Motor Turning จากคู่มือ

ในที่นี้จะกล่าวถึงเฉพาะค่า Step per เนื่องจากมีความสำคัญที่ทำให้ Stepper motor หมุนในระยะที่ถูกต้อง เช่น สั่งให้ Stepper motor แนวแกน Y เคลื่อนที่ 100 mm จากโปรแกรม หน้างานจริงก็ต้องได้ระยะที่เท่ากัน ถ้าค่า Step per มีถูกต้องกับ Stepper Motor ที่อยู่ในเครื่อง CNC แต่ถ้าไม่ถูกต้อง กรณีเราสั่ง 100 mm จากโปรแกรม หน้างานจริงอาจเคลื่อนที่ได้เพียง 95 mm เป็นต้น โดยทั่วไปแล้วทั้ง 3 แกน จะใช้ Stepper motor รุ่นเดียวกันและระยะพิท (Pitch) ของแกนหมุนขนาดเท่ากัน

ความหมายของค่า Step per ในหน้าต่าง Motor Turning

เช่น  Step per = 300  นั่นคือ ต้องสั่ง Stepper Motor ทั้งหมด 300 step ถึงจะทำให้ตัวแกนเคลื่อนที่ได้ระยะ 1 mm

การหาค่า Step per 

ผู้เขียนพยายามค้นหาวิธีแก้ ค้นใน google ลองวัดระยพิทของสกรูและข้อมูลของ Stepper motor แต่เมื่อทำตามแล้วก็ใช้ไม่ได้ผล มีความคลาดเคลื่อน จึงได้ทำการวิเคราะห์เอง และเขียนเป็นสมการดังนี้

ตัวอย่าง

ทำการใช้เวอร์เนียหรือไม่บรรทัดวัดหน้างานได้ระยะ 94 mm สามารถคำนวณหาค่า Step per ที่ถูกต้องได้ ดังนี้

ดังนั้น ค่า Step per ที่ถูกต้องมีค่าเท่ากับ 417

หมายเหตุ เพื่อความถูกต้องในการคำนวณควรทดสอบที่ระยะการเคลื่อนที่สูง ๆ เช่น > 100 mm เพื่อให้ได้เห็นค่าความคลาดเคลื่อน

ติดตามสิ่งประดิษฐ์ดีดีได้ที่ TOHighway - ทางหลวงของนักประดิษฐ์  หรือเพจ TOHighway

ช่องยูทูป Somsak Elect

                                               

การหาความซึมซับทางแม่เหล็กของแกน (Relative Magnetic Permeability) และความเหนี่ยวนำด้วยวิธีรีโซแนนท์ (Resonance Method)

       ตัวเหนี่ยวนำ (Inductor) มีคุณสมบัติไม่ยอมให้กระแสไฟฟ้าเปลี่ยนแปลงทันทีทันใด ซึ่งตัวของมันจะเก็บพลังงานในรูปของสนามแม่เหล็ก ค่าความเหนี่ยวนำตัวเอง (Self-inductance) ของขดลวด เกิดจากกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านตัวเอง 

       ค่าความเหนี่ยวนำของขดลวดที่เราต้องการหา โดยส่วนใหญ่แล้วแกนของขดลวดตัวเหนี่ยวนำจะไม่ได้เป็นอากาศ อาจจะเป็นวัสดุที่เราหามาได้ หรือแกนเฟอร์ไรต์ที่ขายตามบ้านหม้อ จะไม่มี Datasheet ของแกน

      วิธีการออกแบบตัวเหนี่ยวนำโดยส่วนใหญ่จะใช้การคำนวณด้วยโปรแกรมออนไลน์บนอินเตอร์เน็ต เช่น http://coil32.net/online-calculators.html แต่เนื่องจากการคำนวณของโปรแกรมกำหนดให้ใส่ค่า Relative Magnetic Permeability (ค่าความซึมซาบทางแม่เหล็กของแกน) เมื่อไม่มี Datasheet ก็จะไม่สามารถรู้ค่า Relative magnetic permeability ได้ ดังนั้นคนส่วนใหญ่จึงใช้วิธีคาดเดาเอาเองว่าเท่าไร เมื่อออกแบบมาแล้วผลที่ได้จึงมีประสิทธิภาพต่ำ และไม่มีความแน่นอน หรือถ้าการคำนวณตัวเหนี่ยวนำบางแบบ ออกแบบการคำนวณมาเฉพาะตัวเหนี่ยวนำแกนอากาศ เราก็จะไม่สามารถใช้โปรแกรมนั้นออกแบบได้ เพราะค่าที่ได้จะคลาดเคลื่อน 

โดยที่แรงดันไฟฟ้าที่ตกคร่อมตัวเหนี่ยวนำสามารถหาได้ ดังสมการข้างล่าง

ภาพจาก http://coil32.net/online-calculators/ferrite-torroid-calculator.html

       ยกตัวอย่างเช่น ตัวเหนี่ยวนำแบบโซลีนอยล์ ซึ่งเป็นแบบ Single Layer (ขดลวดชั้นเดียว)

อ้างอิงจาก http://coil32.net/theory/faq.html

       กำหนดให้เป็นค่า Inductance ที่คำนวณได้จากโปรแกรมออนไลน์ http://coil32.net/online-calculators/one-layer-coil-calculator.html ถ้าค่าตัวเหนี่ยวนำที่เราออกแบบไม่ได้ทำมาจากแกนอากาศจะได้ความสัมพันธ์ว่า

     โดยที่ค่าความเหนี่ยวนำจริงที่เกิดขึ้นจะเป็นจำนวนเท่าของตัวเหนี่ยวนำที่คำนวณได้จากโปรแกรม ดังนั้น เมื่อเรารู้ค่าความเหนี่ยวนำจริงที่เกิดขึ้นก็จะสามารถหาค่า k ได้ ซึ่งค่า k ในที่นี่คือ Relative Magnetic Permeability ของแกนที่เราใช้นั้นเอง 

     กรณีที่โปรแกรมคำนวณกำหนดให้ใส่ค่า Relative Magnetic Permeability ในขณะที่เราไม่รู้ค่าที่แท้จริง ให้ใส่ค่าเท่ากับ 1 เพื่อจะได้คำนวณค่าความเหนี่ยวนำในกรณีแกนอากาศออกมาก่อน จากนั้นจึงใช้วิธีก่อนหน้าเพื่อหาค่า Relative Magnetic Permeability ของแกนต่อไป

การหาค่าความเหนี่ยวนำของขดลวดด้วยวิธีรีโซแนนท์ (Resonance Method)

       วิธีนี้เป็นวิธีที่ผู้เขียนพัฒนาขึ้นมาเองจากหลักการของวงจรรีโซแนนท์ เพื่อหาค่าความเหนี่ยวนำจริงของขดลวด จากความถี่รีโซแนนท์ของวงจร (Resonance frequency) หาได้จาก

     

เขียนวงจรโดยโปรแกรม PSIM 

       

      ซึ่งการจะเกิดรีโซแนนท์ได้นั้นวงจรต้องมีช่วงเวลาที่เป็น Source Free นั่นหมายถึง มีอิสระจากแหล่งจ่าย กระแสไฟฟ้าสามารถไหลกลับไปกลับมาระหว่างตัวเหนี่ยวนำและตัวเก็บประจุ ในการจำลองเราได้ใช้แหล่งจ่ายที่เป็นแบบ Pulse (มีเฉพาะค่าบวก) ขนาด 12Vpeak-peak (สูง 12V) ซึ่งกำหนดความถี่ให้สอดคล้องกับวงจรรีโซแนนท์ และค่า R = 5 Ohms เป็นความต้านทานที่เกิดขึ้นเนื่องจากค่าความต้านทางของขดลวดที่่ใช้พันตัวเหนี่ยวนำ เราสามารถต่อเพิ่มเข้าไปได้ เพื่อลดกระแสรีโซแนนท์ แต่ค่าที่ต่อเข้าไปต้องเป็นค่าต่ำๆ เพื่อไม่ให้รบกวนการรีโซแนนท์ 

      ที่ความถี่รีโซแนนท์ค่าแรงดันที่ตกคร่อมอุปกรณ์ในวงจรจะมีค่าสูงสุด โดยต้องวัดหลังจากที่วงจร Steady State แล้ว (เห็นสัญญานมีค่ายอดคงที่) อุปกรณ์ที่ใช้วัดต้องเป็น Oscilloscope หรือมัลติมิเตอร์แบบ True RMS เพื่อจะได้วัดสัญญานได้ถูกต้อง 

ผลการจำลองวงจรโดย PSIM ที่ความถี่วงจรเท่ากับ 1000 Hz 12Vp-p

     จากกราฟเป็นการจำลองที่ความถี่รีโซแนนท์ พบว่าแรงดันยอดที่ตกคร่อมอุปกรณ์พบว่าตัวเหนี่ยวนำและตัวเก็บประจุจะมีค่ายอดสูงที่สุด (54.11 V) ดังนั้นจึงแนะนำให้วัดแรงดันยอดที่ตกคร่อมตัวต้านทาน ซึ่งขณะนี้มีค่าเท่ากับ 7.637 V เพื่อป้องกันเครื่องมือวัดเสียหายจากแรงดันเกิน

      

ผลการจำลองวงจรโดย PSIM ที่ความถี่วงจรเท่ากับ 900 Hz 12Vp-p

      จากกราฟเป็นการจำลองที่ความถี่ไม่ตรงกับความถี่รีโซแนนท์ของวงจร พบว่าค่ายอดแรงดันที่ตกคร่อมตัวเก็บประจุจะเท่ากับ 38.2587 V ตัวเหนี่ยวนำเท่ากับ 26.3799 V และตัวต้านทานจะเท่ากับ 4.769 V ซึ่งมีค่าต่ำกว่ากรณีความถี่รีโซแนนท์

      จากหลักการดังกล่าวจึงนำไปสู่การหาค่าความเหนี่ยวนำของขดลวดในวงจร โดยเราต้องทราบค่าความเหนี่ยวนำมาจากโปรแกรมออนไลน์ก่อน เพื่อจะได้กำหนดขอบเขตความถี่ขั้นต่ำที่สุดในการหา โดยจะเริ่มจากเพิ่มความถี่ไปเรื่อยๆ จนกระทั่งพบความถี่ที่ทำให้วงจรเกิดการรีโซแนนท์ จากนั้นจึงนำมาแทนค่าในสมการ เพื่อหาค่าความเหนี่ยวนำที่แท้จริง เมื่อได้ค่าความเหนี่ยวนำที่แท้จริงแล้ว จึงนำไปแทนในสมการ เพื่อหาค่า Relative Magnetic Permeability ของแกน