กรณีศึกษา (Case Study)

การส่งกำลังของมอเตอร์เพื่อขับโหลดผ่านสายพาน 

เครื่องจักรต้นกำลังมากกว่า 90% ในอุตสาหกรรมจะเป็นมอเตอร์ไฟฟ้า ทำหน้าที่แปลงพลังงานจากพลังงานไฟฟ้าเป็นพลังงานทางกลเพื่อขับโหลด โดยการต่อเข้าด้วยกันโดยตรงโดยใช้คัปปลิ้ง (Couplings) แบบแข็ง (Solid), แบบยืดหยุ่น (Flexible) หรือคัปปลิ้งแบบเริ่มหมุน (Starting Coupling) หรือจะเป็นแบบมีสลิปนิรภัย (Safety Slip) หรือในงานบางอย่างการส่งกำลังของมอเตอร์ไปยังโหลดอาจจะส่งกำลังโดยทางอ้อมผ่านทางเกียร์ หรือใช้สายพานขับต่ออีกทอด หนึ่ง ซึ่งทั้งนี้ขึ้นอยู่กับการออกแบบของวิศวกร และความต้องการของผู้ใช้งาน ว่าต้องการส่งกำลังจากมอเตอร์แบบใดจึงจะเหมาะสมกับการนำไปใช้งานมากที่สุด

คัปปลิ้งแบบแข็ง (Solid or Rigid Couplings)

ลักษณะการต่อคัปปลิ้งแบบแข็ง เป็นการนำปลายสุดของเพลามอเตอร์ และปลายเพลาของโหลดต่อเข้าด้วยกันโดยมีนอตยึด ผลของการต่อคัปปลิ้งวิธีนี้ดูเหมือนจะง่ายกว่าทุกวิธี แต่หากการจัดวางแนวแกนเพลาไม่ได้ระดับ หรือเกิดเยื้องศูนย์เกิดขึ้น แบริ่งทั้ง 4 ตัวจะถูกงัด ทำให้เกิดแรงกดที่จุดแบริ่งแต่ละตัว จะทำให้เกิดปัญหาตามมาในภายหลัง ซึ่งอาจจะทำให้เพลาคด งอ หรือหักได้

รูปที่ 1 แสดงคัปปลิ้งแบบแข็ง และระบบเพลาเสมือนเมื่อเกิดการเยื้องศูนย์

ในรูปที่ 1 แสดงรูปร่างไดอะแกรมของระบบเพลา ถ้าส่วนหมุนของแกนเพลา 2 แกนที่อยู่ระหว่างแนวแกนเส้นศูนย์เยื้องกันมาก จะเป็นผลให้เกิดการเพิ่มโหลดที่เพลา แบริ่ง และที่คัปปลิ้ง ซึ่งอาจจะเป็นผลให้การหมุนไม่เรียบ เกิดการสั่นสะเทือนมากกว่าปกติ และอาจส่งผลให้เกิดความบกพร่อง เช่นเพลาร้าว หรือหักงอได้ ดังนั้นการติดตั้งโดยใช้คัปปลิ้งแบบแข็ง สำหรับมอเตอร์ตัวไม่ใหญ่มากนัก ควรจะใช้เครื่องมืออย่าง น้อย เป็นฟิลเลอร์เกจ (Feeler Gauge) แล้วหมุนคัปปลิ้งตรวจสอบระดับหน้าแปลนของคัปปลิ้งว่าตั้งฉากกับแกนเพลาได้ 90 องศา หรือไม่ และคัปปลิ้งทั้ง 2 ฝาที่ประ กบ จะต้องหมุนได้ระยะห่างที่ขนานกัน ไม่ควรมีค่าผิดพลาดเกินกว่า 0.05 มม.

ส่วนเครื่องมือที่ดีขึ้นมาอีกหน่อยคือ การใช้ไดอัลเกจ สองตัวติดตั้งดังในรูปที่ 1 ไดอัลเกจทั้งสองวางอยู่บนคัปปลิ้งของแต่ละด้าน ลองหมุนเพลาขับไปในทิศทางตรงกันข้าม อัน หนึ่ง จะอ่านระยะตามแนวแกน อีกอัน หนึ่ง จะอ่านระยะตามแนวรัศมี โดยการหมุนเพลาไปอย่างช้า ๆ และอ่านค่าที่หน้าปัดทั้งสองพร้อม ๆ กัน จะทำให้รู้ว่าควรจะปรับระดับตามแนวแกนใดให้ถูกต้องตรงแนวซึ่งกันและกันทั้งสองด้าน นอกจากนี้ยังมีเครื่องวัดที่ละเอียดขึ้นเป็นเลเซอร์ตรวจสอบแนวระดับ เพื่อความมั่นใจว่าคัปปลิ้งต่อเข้ากับโหลดได้ระดับ

จากเหตุผลดังกล่าวทำให้คัปปลิ้งแบบแข็งไม่ค่อยได้รับความนิยมนำมาใช้กับมอเตอร์ตัวเล็ก ๆ เพราะจะเสียเวลา และค่าใช้จ่ายในการติดตั้งสูงกว่าการเลือกใช้คัปปลิ้งแบบยืดหยุ่น แต่คัปปลิ้งแบบแข็งจะนิยมใช้กับเครื่องจักรกลขนาดใหญ่มากกว่า เพราะค่าเสียเวลาติดตั้ง และค่าแรงในการติดตั้งคุ้มค่ากว่าการเลือกใช้คัปปลิ้งแบบยืดหยุ่น

วิธีการเลือกขนาดของคัปปลิ้งจะเลือกตามขนาดของแกนเพลา และกำลังของมอเตอร์ หรือแรงบิดสูงสุดที่ส่งไปซึ่งเรียกว่า โหลดแฟกเตอร์ ซึ่งแฟกเตอร์นี้จะขึ้นอยู่กับลักษณะของโหลด และความถี่ในการเริ่มหมุน ลักษณะการเปลี่ยนแปลงของแรงบิด และความเฉื่อยของโหลดทำให้โหลดแฟกเตอร์สูงด้วย ทั้งนี้ค่าของโหลดแฟกเตอร์สามารถดูได้จากผู้ผลิตคัปปลิ้ง

คัปปลิ้งแบบยืดหยุ่น (Flexible Couplings)

คัปปลิ้งแบบยืดหยุ่น พัฒนามาจากแบบแข็งโดยเพิ่มจุดที่ยืดหยุ่นส่วนใหญ่จะทำมาจากส่วนประกอบของยาง หรือ ยูรีเทน ถูกผลิต และออกแบบมาให้สอดคล้องกับความต้องการการใช้งานของตลาด จะทำให้สะดวกสำหรับกับการติดตั้ง หรือถอด และต่อแกนเพลา ทั้งด้านมอเตอร์ขับ และด้านโหลด

ในการทำงานของส่วนประกบที่ทำมาจากยางถ้าไม่ได้รับการบำรุงรักษาที่ถูกต้องหรือเมื่อใช้ไปนาน ๆ จะทำให้เสียรูปทรง ทำให้ยางไปเบียดด้านใดด้าน หนึ่ง ของคัปปลิ้ง ทำให้แรงบิดฝืนที่แบริ่งเพิ่มขึ้น อาจจะส่งผลให้อายุการใช้งานของคัปปลิ้งและแบริ่งสั้นลง เพื่อลดสาเหตุข้างต้นให้ น้อย ลง มอเตอร์และโหลดควรจะถูกวางให้ได้ศูนย์มากที่สุด และควรเลือกใช้ยางชนิดที่เหมาะกับสภาพแวดล้อมในการนำไปใช้งาน

ในมอเตอร์ตัวใหญ่ ๆ เกินกว่า 1 MW บางครั้งความถี่ของการสั่นสะเทือนตามธรรมชาติ (Natural Frequency) ของทั้งระบบที่เกิดจากมอเตอร์ ที่คัปปลิ้งแบบยืดหยุ่น (Elastic Coupling) ในช่วงระหว่างที่เกิดความถี่ของการสั่นสะเทือนที่เท่ากันทั้งสองความถี่ของแรงบิดสั่นสะเทือน อาจทำให้เกิดความถี่รีโซแนนซ์ (Resonance of Torsional Vibration) ในกรณีนี้ความถี่รีโซแนนซ์ของโหลดต่อการต่อคัปปลิ้ง ถูกออกแบบ และจำกัดให้สูงกว่าที่ควรจะเป็น

รูปที่ 2 ส่วนประกอบของคัปปลิ้งแบบยืดหยุ่นแสดงภาพตัดของชนิด A และ AZ

ตามรูปที่ 2 สามารถแบ่งความแตกต่างของคัปปลิ้งแบบยืดหยุ่นได้หลายแบบ หลายขนาด แล้วแต่ชนิดของวิธีการคัปปลิ้ง ในขณะที่ความยาวของ Spacer (S) ก็มีหลายขนาด ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับการออกแบบของผู้ผลิตคัปปลิ้ง ยกตัวอย่างเช่น

แบบ DIN 740, Part 1, type A  เป็นคัปปลิ้งแบบยืดหยุ่นที่มีลักษณะเป็นส่วนเว้าเข้าในเป็นเหล็กหล่อ ตัว หนึ่ง มีลักษณะเป็นร่อง อีกตัวเป็นแบบซี่เดือยยื่นเข้าร่อง คัปปลิ้งอาจจะมีโครงสร้างแบบสองหรือสามส่วน มีความเป็นไปได้ที่จะเสริมยางเพื่อลดแรงกระแทก   

แบบ DIN 740, Part 1, type B เป็นคัปปลิ้งแบบยืดหยุ่นที่มีลักษณะมีส่วนเว้าเข้าข้างใน คัปปลิ้งนี้มี Hubs 2 ตัว ใช้ประกอบกับยางในลักษณะของฟันเฟืองแบบ Pinion การต่อของคัปปลิ้งแบบนี้มั่นใจได้ว่าสามารถส่งแรงบิดได้เรียบและทำให้เกิดการหมุนที่สม่ำเสมอของแรงบิดทางด้านเอาต์พุตจากมอเตอร์ได้ 

คัปปลิ้งทั้งสองชนิดนี้ บางครั้งก็เรียกว่า Claw or Jaw Coupling เหมาะกับมอเตอร์ที่มีขนาดเฟรมเล็ก ๆ ที่ความสูงเพลาไม่ควรเกินกว่า 400 มม. และช่วยลดการกระตุกของแรงบิดขณะเริ่มหมุนและลดแรงบิดกระตุก Impulse สามารถยอมรับการเยื้องศูนย์ของแกนเพลาระหว่างมอเตอร์กับโหลดได้เล็ก น้อย และสามารถต่อได้ทั้งแบบแนวตั้งและแบบแนวนอนได้

คัปปลิ้งแบบสลักเกลียว (Stud Coupling)

คัปปลิ้งแบบสลักเกลียว เป็นคัปปลิ้งแบบยืดหยุ่นเป็นไปตามมาตรฐาน DIN 740, Part 1, type A ซึ่ง Hub ของคัปปลิ้งจะมีรูปร่าง ชิ้น หนึ่ง จะมีรูเป็นทรงกระบอกกลม ส่วนอีกชิ้นจะเป็นสลักเกลียวยื่นออกมา Hub ตัวที่มีสลักเกลียวจะเป็นของเพลาขับ คัปปลิ้งแบบสลักเกลียวสามารถต่อได้ทั้งแบบแนวตั้งและแนวนอน โดยที่ Hub ส่วนใหญ่จะทำมาจากวัสดุที่เป็นเหล็กกล้า

นอกจากนี้ยังมีคัปปลิ้งแบบอื่น ๆ อีกหลายแบบ หลายชนิด ตามแต่ผู้ผลิตจะผลิตออกมาเพื่อทางการค้า ดังตัวอย่างรูปภาพต่อไปนี้

คัปปลิ้งสำหรับการเริ่มหมุน (Starting Couplings)

การเริ่มหมุนมอเตอร์ในขณะที่มีโหลดหนักมาก เช่นกรณีโหลดมีความเฉื่อยสูง ทำให้ขณะเริ่มหมุนต้องใช้เวลานาน เวลานี้มีค่ามากกว่าค่าสูงสุดที่มอเตอร์ยอมให้เกิดขึ้นได้ ซึ่งเวลาในการเริ่มหมุนเกินกว่าโรงงานผู้ผลิตมอเตอร์ได้ทำการการันตีไว้ ทำให้มอเตอร์มีความร้อนสูง จนถึงอาจจะเสียหายได้

วิธีแก้ปัญหาดังกล่าวสามารถทำได้โดยใช้มอเตอร์ชนิดสลิปริงที่มีการเริ่มหมุนหลายขั้นโดยใช้ Resistor Starter อย่างไรก็ตามมอเตอร์ชนิดสลิปริงจะมีราคาแพง ต้องการการบำรุงรักษามากไม่ประหยัดเหมือนกับมอเตอร์เหนี่ยวนำชนิดกรงกระรอก แล้วใช้คู่กับคัปปลิ้งแบบเริ่มหมุน โดยหลักการทำงาน และการออกแบบของคัปปลิ้งแบบเริ่มหมุน สามารถแบ่งออกได้เป็นสองแบบด้วยกันคือ

·         คัปปลิ้งเริ่มหมุนเชิงกล (Mechanical Starting Couplings)

·         ไฮโดรไดนามิกคัปปลิ้ง (Hydrodynamic Couplings)

คัปปลิ้งเริ่มหมุน หรือคัปปลิ้งสลิปนิรภัย (Safety Slip Coupling) จะทำงานโดยอาศัยหลักการของแรงเหวี่ยงหนีศูนย์กลาง คัปปลิ้งเริ่มหมุนจะไม่ต่อเพลาของมอเตอร์เข้ากับเพลาของโหลดโดยตรงและไม่ส่งแรงบิดให้เต็มที่ก่อนที่มอเตอร์จะเร่งความเร็วรอบถึงความเร็วรอบพิกัด ถ้ามอเตอร์มีโหลดเกินคัปปลิ้งจะทำหน้าที่โดยอัตโนมัติให้เกิดสลิป โดยการลื่นไถลทางกลเนื่องจากแรงเหวี่ยงหนีศูนย์กลาง จะทำให้ความเร็วรอบของโหลดลดลงในทันที เป็นการ Limited แรงบิดสูงสุดไม่ให้เกินค่าที่คัปปลิ้งออกแบบได้

โครงสร้างในการออกแบบทางกลของคัปปลิ้งเริ่มหมุนเชิงกล ดังแสดงในรูปที่ 3 ประกอบด้วย (1) Driving Pocket Wheel (2) Driven Shell และ (3) โรลเลอร์ทรงกระบอก ซึ่งโรลเลอร์ถูกจัดวางในห้องระหว่าง Driving Pocket Wheel กับ Shell. Pocket Wheel ต่อเข้ากับเพลามอเตอร์ ส่วน Driven Shell จะคัปปลิ้งเข้ากับเพลาของโหลด

การทำงานของคัปปลิ้งชนิดนี้คือเมื่อมอเตอร์เริ่มหมุน ทำให้ Driving Pocket Wheel และโรลเลอร์หมุนไปได้ ขณะที่ Driven Shell และโหลดจะยังคงอยู่กับที่

 รูปที่ 3 คัปปลิ้งชนิดเริ่มหมุนเชิงกล หรือคัปปลิ้งสลิปนิรภัย                  

รูปที่ 4 แรงบิดเริ่มหมุนมอเตอร์

เมื่อความเร็วมอเตอร์เพิ่มขึ้น ทำให้แรงเหวี่ยงหนีศูนย์กลางค่อย ๆ เพิ่มขึ้นเป็นกำลังสองของความเร็ว ทำให้ความฝืด สเตติก (Static Friction) ของโรลเลอร์สามารถคัปปลิ้งติดกับ Driven Shell ทำให้แรงบิดมอเตอร์ส่งได้เต็มที่ ในกรณีของโหลดถู กบ ล็อกคัปปลิ้ง จะเกิดสลิปขึ้นเพื่อป้องกันอันตรายของการขับเคลื่อน

ความร้อนที่เกิดขึ้นที่โรลเลอร์อันเนื่องมาจากความฝืดขณะทำการเริ่มหมุนคัปปลิ้ง อาจจะทำความเสียหายได้ ดังนั้นจะต้องมีการตรวจสอบความสามารถทนต่อความร้อนของคัปปลิ้งสูงสุดในขณะนำไปใช้งาน

เส้นโค้งในรูปที่ 4 อ้างอิงกับการเริ่มหมุนโดยตรง (DOL: Direct On Line) ของมอเตอร์ที่ขับพัดลมผ่านสตาร์ทคัปปลิ้ง ลักษณะแรงบิดโหลดของพัดลม พอจะอนุโลมประมาณเหมือนกับลักษณะสมบัติของคัปปลิ้งเริ่มหมุน ซึ่งเป็นกราฟกำลังสอง (เส้นประในรูปที่ 4) แรงบิดเร่งของมอเตอร์จะเร่งความเร็วได้มากหรือ น้อย ขึ้นอยู่กับความแตกต่างระหว่างเส้นโค้งทั้งสอง (พื้นที่ระบายเส้นขนาน) ส่วนเวลาเริ่มหมุนที่ใช้จะขึ้นอยู่กับแรงบิดเร่ง หรือความแตกต่างของเส้นโค้งทั้งสอง และขนาดของน้ำหนักเฉื่อยของโหลด ทั้งนี้การเริ่มหมุนโดยตรงจากไลน์ (DOL) สามารถนำมาใช้ได้กับวิธีการคัปปลิ้งแบบนี้ และจะทำให้ปริมาณของกระแสเริ่มหมุน น้อย กว่าการต่อคัปปลิ้งโดยตรง

ไฮโดรไดนามิกคัปปลิ้งมีวัตถุประสงค์ใช้งานเพื่อเริ่มหมุน และเป็นคัปปลิ้งนิรภัย ในอดีตนิยมนำไปใช้กับเครื่องยนต์ขนาดใหญ่เพื่อไปขับโหลด เช่น เรือเดินทะเล เป็นต้น ไฮโดรไดนามิกคัปปลิ้งประกอบด้วยปั๊มแรงเหวี่ยงหนีศูนย์กลาง กับเทอร์ไบน์ต่อเข้าด้วยกันในถังเก็บน้ำมัน หลักการทำงานแสดงเป็นไดอะแกรมอย่างง่ายดังรูปที่ 5 โดยมอเตอร์หรือเครื่องยนต์จะไปขับคัปปลิ้งที่ทำหน้าที่เป็นเสมือนปั๊มจะเปลี่ยนจากพลังงานกลเอาต์พุตของมอเตอร์ไปเป็นพลังงานจลน์ในรูปของของไหล น้ำมันจะถู กบ ังคับให้ไหลไปเปลี่ยนเป็นพลังงานกลอีกครั้งด้วยเทอร์ไบน์ 

ในรูปที่ 5 แสดงโครงสร้างภายในของไฮโดรไดนามิกคัปปลิ้งประกอบด้วยส่วนของอินพุตคือ Impeller หรือใบพัดขับ (ด้านซ้าย), ส่วนเอาต์พุตหรือตัวหมุน (ตรงกลาง) และฝาครอบ (ด้านขวา) ฝาครอบและ Impeller ประ กบ เข้าด้วยกันก็คือ โครงของคัปปลิ้ง ซึ่งมีปริมาตรประมาณ 50 ถึง 80% ของทั้งหมด กำลังสูญเสียขณะทำงานมีสลิปนั้นคือความร้อน ซึ่งความร้อนจะถูกระบายโดยธรรมชาติ 

จากหลักการทำงานของไฮโดรไดนามิกคัปปลิ้ง จะเห็นว่าการทำงานของระบบต้องเปลี่ยนพลังงานไปมาทำให้เกิดค่าสูญเสียในการถ่ายเทพลังงานจากมอเตอร์ไปยังโหลดมีมาก ทำให้ประสิทธิภาพของทั้งระบบไม่ค่อยดี ประกอบกับราคาค่อนข้างสูง จึงไม่ค่อยจะเป็นที่นิยมแพร่หลายมากนัก แต่จะนิยมนำไปใช้กับงานประเภทที่ต้องการเริ่มหมุนบ่อย ๆ หรือต้องการปรับความเร็วโดยสลิป ด้วยวิธีการควบคุมอัตราการไหลของน้ำมันที่ไหลวนก่อนไปขับเทอร์ไบน์ได้

การส่งแรงบิดผ่านสายพานขับ (Torque Transmission via Belt Drives)

การขับเคลื่อนมอเตอร์ไฟฟ้าเพื่อขับโหลด สามารถทำได้สอดคล้องและง่ายกับความต้องการ อีกวิธี หนึ่ง ที่นิยมทำกันมากคือ ใช้สายพานขับระหว่างมอเตอร์กับโหลด ซึ่งสายพานส่วนใหญ่จะมี 2 ชนิดคือ สายพานแบบแบน (Flat Belts) และสายพานลิ่ม (V-Belts) การตั้งความตึงหรือหย่อนของสายพานสามารถทำได้โดยการดึง หรือปรับมอเตอร์ อาจจะติดตั้งบนรางหรือฐานที่เลื่อนได้ หากสายพานหย่อนเกินไปจะทำให้สายพานกับพูลเลย์เกิดสลิป (Slip) หากตั้งสายพานตึงจนเกินไป อาจจะทำให้เกิดอันตรายต่อแบริ่ง สายพานเอง และเพลาของมอเตอร์ ส่วนข้อดีอีกอย่าง หนึ่ง ของการส่งกำลังผ่านทางสายพานคือ สามารถเลือกความเร็วรอบของโหลดได้โดยการเลือกขนาดของพูลเลย์ ตามอัตราส่วนเส้นผ่านศูนย์กลางวงล้อพูลเลย์ตาม กับวงล้อมอเตอร์พูลเลย์ขับ จะเท่ากับอัตราส่วนของความเร็วของล้อมอเตอร์พูลเลย์ และของวงล้อพูลเลย์ตาม ดังสูตร

                                                                                           อัตราทด (Ratio) =    

รูปที่ 6 การส่งกำลังโดยสายพานระหว่างมอเตอร์กับโหลด

แรงบิดพิกัดมอเตอร์ (M_N) ถูกส่งกำลังไปได้เนื่องจากความฝืดระหว่างสายพานกับล้อ (Pulley) ซึ่งแรงบิด M_N เท่ากับผลคูณของแรงที่ผิวสัมผัสที่ขอบของล้อ, F_u กับรัศมีของล้อ เขียนเป็นสมการได้ดังนี้ 

สายพานจะมีค่าความตึงเพื่อการเกาะติดไม่เหมือนกัน ดังนั้นผู้ผลิตสายพานจะบอกรายละเอียดเป็นค่า Pretension Factor c, ตัวอย่างค่า c = 2 สำหรับสายพานแบน ซึ่งเป็นพลาสติก และ c = 2.0-2.5 สำหรับสายพานแบบร่องลิ่ม ตามรูปที่ 7 แสดงภาพตัดขวางของสายพานลิ่มเป็นไปตามมาตรฐาน DIN 7753 และ DIN 2215 แสดงขนาดตามมาตรฐาน ขนาด b และ h โดยความเร็วของสายพานที่ทำจากหนังจะถูกจำกัดประมาณ 25 m/s ส่วนสายพานที่ยอมให้มีความเร็วได้สูงกว่า 40 m/s จะเป็นสายพานพิเศษที่มีความฝืดสูง ส่วนความเร็วสูงสุดของสายพานลิ่มจะมีค่าประมาณ 35 mm/s

รูปที่  7 ภาพตัดขวางของสายพานลิ่ม V-Belt

ความเร็วของสายพานที่วิ่งบนพูลเลย์ สามารถคำนวณได้จากความเร็วขอบพูลเลย์ เช่นความเร็วสำหรับล้อของมอเตอร์ คำนวณดังนี้

ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางจะมีขนาดใหญ่ หรือเล็กจะขึ้นอยู่กับวัสดุของล้อ และความเร็วมอเตอร์ และความเร็วขอบ พูลเลย์เหล็กหล่อตามทฤษฎีจะถูกจำกัดขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางด้วยแรงเหวี่ยงหนีศูนย์กลาง มีค่าสูงสุดดังต่อไปนี้ หากต้องการให้ใหญ่กว่านี้จะต้องใช้วัสดุเหล็กเหนียวแทนเหล็กหล่อ

·         180 mm ที่ 3,000 รอบต่อนาที (มอเตอร์ 2 ขั้ว 50 Hz)

·         355 mm ที่ 1,500 รอบต่อนาที (มอเตอร์ 4 ขั้ว 50 Hz)

·         560 mm ที่ 1,000 รอบต่อนาที (มอเตอร์ 6 ขั้ว 50 Hz)

·         710 mm ที่ 750 รอบต่อนาที (มอเตอร์ 8 ขั้ว 50 Hz)

ซึ่งข้อจำกัดนี้จะทำให้ความเร็วขอบ หรือความเร็วสายพานจะมีค่า น้อย กว่า 30 m/s ส่วนล้อที่ทำจากเหล็กกล้าอาจจะใช้งานที่ความเร็วขอบสูงกว่านี้ได้ ระยะห่างระหว่างศูนย์กลางของเพลามอเตอร์กับโหลดให้เลือกประมาณ D_M + D_A สำหรับสายพานชนิดพิเศษมีความฝืดสูงระยะห่างจะมากกว่านี้ได้ ซึ่งสายพานจะต้องทำมาจากหนัง 

สำหรับสายพานลิ่ม ระยะห่างระหว่างจุดศูนย์กลางมีค่าประมาณ 70% ของผลรวมเส้นผ่านศูนย์กลางล้อทั้งสอง แรงดึงสายพานถูกกระทำกับเพลาของมอเตอร์ แรงนี้คือโหลดสายพาน (Belt Load, F_Q) ซึ่งกระทำกับปลายเพลาของมอเตอร์

โหลดสายพาน คือผลรวมของแรงสายพานด้านตึงกับด้านหย่อน ซึ่งผลรวมของแรงขณะดึงกับขณะอยู่กับที่จะมีค่าประมาณเท่าเดิม เมื่อกำลังหมุนความแตกต่างระหว่างแรงของสายพานทั้งสองเท่ากับแรงที่ขอบ (Circumferential Force, F_u) เพื่อส่งกำลังโหลดสายพาน จะมีค่าเท่ากับ F_Q

จากรูป ค่า F_Q คือโหลดสายพาน [N] F_Q = c x F_U

เมื่อ F_u ขึ้นอยู่กับแรงบิดมอเตอร์และรัศมีของล้อ

สำหรับการทำงานมอเตอร์ที่เอาต์พุตพิกัด จะได้สมการโดยประมาณโหลดสายพานดังนี้

P_N คือ เอาต์พุตพิกัดของมอเตอร์ [kW]

n_N คือ ความเร็วมอเตอร์ที่พิกัด [rev/min]

D_M คือ เส้นผ่าศูนย์กลางของล้อ [mm]

c    คือ แฟกเตอร์การดึงสายพาน (Belt Pretensioning Factor)

(สายพานลิ่ม c 2 ถึง 2.5; สายพานพลาสติกชนิดพิเศษ c  2.0-3.0)

จากรูปโหลดสายพานที่ยอมรับได้สูงสุดที่ตำแหน่งระยะ X ต่าง ๆ จะถูกกำหนดค่าสูงสุดโดยบริษัทผู้ผลิตมอเตอร์ ทั้งนี้จะขึ้นอยู่กับความเร็วรอบของมอเตอร์ และระยะห่าง X ระหว่างเส้นที่จุดกระทำของโหลดสายพานกับบ่าเพลา (Shaft Shoulder) ดังตัวอย่างตาราง แสดงค่า Maximum Cantilever Forces สูงสุด F_Q ดังต่อไปนี้

ตารางแสดงค่าแรงเฉือนที่ยอมรับได้สูงสุดของมอเตอร์ที่ขนาด Frame Size และจำนวนขั้วต่างๆ

กรณีศึกษา (Case Study)

วิศวกรไฟฟ้า หรือวิศวกรเครื่องกลโดยทั่วไปเมื่อต้องการจะจัดซื้อมอเตอร์ โดยส่วนใหญ่จะให้ข้อมูลเพียงแค่ อินดักชันมอเตอร์ชนิดกรงกระรอก กำลังขนาด 315 kW, ใช้กับแรงดันไฟฟ้า 400 โวลต์ ความถี่ 50 Hz, จำนวนขั้วแม่เหล็กไฟฟ้า 4 ขั้ว ติดตั้งโดยแบบวางกับพื้น (IM B3) เป็นอันเพียงพอในเบื้องต้น ต่อการนำเสนอราคา ต่อรองราคา และสั่งซื้อมอเตอร์ในที่สุด

ผู้จำหน่าย หรือผู้ผลิตมอเตอร์โดยส่วนใหญ่จะมีแคตาลอก หรือข้อมูลทางเทคนิคเพิ่มเติมของมอเตอร์ ในแต่ละรุ่นแต่ละแบบค่อนข้างจะละเอียด วิศวกรทั้งผู้ใช้งาน และผู้ขาย น้อย คนนักที่จะตระหนักในข้อมูลเพิ่มเติมของมอเตอร์ ในที่นี้เป็นกรณีตัวอย่างโรงงานในประเทศไทยที่ผู้เขียนประสบมา โดยขอยกตัวอย่างข้อมูลเพิ่มเติมที่วิศวกรไฟฟ้าบ้านเราไม่ควรที่จะละเลย และควรจะทำการศึกษาเพิ่มเติมดังต่อไปนี้

จากข้อมูลเพิ่มเติมของมอเตอร์ จะทราบถึงขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของเพลาขับมีขนาด 85 มิลลิเมตร ความเร็วรอบพิกัด =1,488 รอบต่อนาที ในกรณีนี้ต้องการจะนำมอเตอร์ไปขับโหลด โดยขับส่งกำลังผ่านทางสายพานร่องตัววี มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของพูลเลย์ 350 มิลลิเมตร

จากข้อมูลทางเทคนิคของมอเตอร์ (Motor Specification) สำหรับมอเตอร์ที่นำไปใช้ในรุ่นนี้มอเตอร์สามารถรับแรงเฉือน (Cantilever Force) ตามตารางที่ 1 ขนาด Frame Size 315, 4 Pole ที่แกนเพลาสูงสุดไม่เกิน F_Q(Min) = 13,200 นิวตัน ณ ตำแหน่งปลายเพลาเมื่อ (X = ความยาวเพลา = 170 มิลลิเมตร)

แรงเฉือนที่เพลาสูงสุดที่รับได้ (Maximum Cantilever Force) ณ ตำแหน่งโคนเพลาเมื่อ (x = 0)

F_Q(Max) = 15,400 นิวตัน

ดังนั้นแรงเฉือนที่เพลาสูงสุดที่ยอมรับได้โดยเฉลี่ย

F_Q(Average) = (13,200+15,400)/2 = 14,300 นิวตัน

จากสูตรการคำนวณหาค่า แรงเฉือนที่เพลา =

เมื่อ           C   = 2 สำหรับสายพานแบบแบน

                C   = 2-2.5 สำหรับสายพานแบบร่องตัววี ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับชนิดของวัสดุที่ใช้ทำสายพาน ในกรณีนี้ให้ใช่ค่า 2.25 เป็นค่า C

                F_Q  = แรงดึงเนื่องมาจากสายพาน (N)

                P_N  = กำลังของมอเตอร์ที่ใช้งาน (315 kW)

                n_N   = ความเร็วรอบมอเตอร์ (1,488 rpm)

              D_M  = ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของพูลเลย์ (350 mm)

              = 27,217 N

จากการคำนวณจะเห็นว่าแรงเฉือน F_Q อันเนื่องมาจากการใช้ขนาดพูลเลย์เล็กเกินไป แรงเฉือนเกิดขึ้นสูงกว่าค่าที่จะยอมรับได้เกือบ 2 เท่าทำให้เพลาของมอเตอร์ เมื่อใช้ไปได้ระยะ หนึ่ง เกิดหักขาดกลางดังรูปเมื่อเพลาขับเพลามอเตอร์ หักขาดกลางลง ทำให้ที่รองเพลาด้านเพลาขับไม่อยู่บนแหวนรองเลื่อน ทำให้ชุดโรเตอร์ตกลงมาเสียดสีกับโครงสเตเตอร์ และขดลวด ทำความเสียหายให้แก่ตัวมอเตอร์ทั้งภายในโครงสเตเตอร์ และโรเตอร์เป็นอย่างมาก

จากกรณีตัวอย่างนี้สาเหตุเกิดมาจาก ไม่ได้มีการคำนวณหาค่าแรงเฉือน (Cantilever Force) ในขั้นตอนการออกแบบมอเตอร์ รวมกระทั่งถึงในขณะการจัดซื้อ ได้ละเลยการตรวจสอบ ถึงลักษณะการนำไปใช้งานของมอเตอร์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับการส่งกำลังโดยผ่านทางสายพาน

หากวิศวกรทั้งผู้ซื้อ และผู้จำหน่าย ได้ทราบข้อมูลเบื้องต้นหลังจากคำนวณแล้วว่า F_Q = 27,217 นิวตัน ทางผู้จัดจำหน่ายมอเตอร์จะต้อง ออกแบบมอเตอร์ เป็นแบบชนิด High Cantilever Force ซึ่งจะสามารถรองรับ Cantilever Force สูงขึ้นกว่ามอเตอร์ตามปกติเกินกว่า 2 เท่าดังรูปกราฟ

จากกราฟด้านซ้ายมือเป็นข้อมูลเบื้องต้นจากมอเตอร์ ขนาด 315 kW แบบ High Cantilever Force จะเห็นว่า มอเตอร์กรณีศึกษา ที่รูปกราฟ เมื่อ n =1,500 rpm สามารถทน High Cantilever Force เมื่อออกแบบเป็นพิเศษแล้วจะได้ดังต่อไปนี้ 

-  แรงเฉือนที่เพลาสูงสุดที่รับได้ (Maximum Cantilever Force) F_Q(Minimum) = 18,000 นิวตัน ณ ตำแหน่งปลายเพลาเมื่อ (X = ความยาวเพลา 170 มิลลิเมตร)

-  แรงเฉือนที่เพลาสูงสุดที่รับได้ (Maximum Cantilever Force) F_Q(Maximum) = 33,000 นิวตัน ณ ตำแหน่งโคนเพลาเมื่อ (x = 0)

-  ดังนั้นแรงเฉือนที่เพลาสูงสุดที่ยอมรับได้โดยเฉลี่ย

F_Q(Average) = (18,000+33,000)/2 = 25,500 นิวตัน

ดังนั้นเมื่อเลือกใช้มอเตอร์ที่ออกแบบเป็นพิเศษให้เพิ่มขีดความสามารถทนต่อแรงเฉือนมากค่าโดยเฉลี่ยใกล้เคียงกับค่าสูงสุดที่ยอมรับได้ แต่ก็ยังไม่เพียงพออยู่ดี ยังไม่สามารถนำไปใช้ได้ เพื่อความปลอดภัยมอเตอร์ควรจะต้องทนต่อแรงเฉือนโดยเฉลี่ยมากกว่า 27,300 นิวตันจากสูตร

หากสามารถเพิ่มขนาดของพูลเลย์ (D_M) ให้ใหญ่ขึ้นกว่าเดิม 1.2 เท่า จะสามารถลดแรงดึงจากสายพานลงได้ นั่นก็คือ เพิ่มขนาดของพูลเลย์จากเดิม 350 เป็นอย่าง น้อย 420 มิลลิเมตร ด้านที่ติดกับตัวมอเตอร์ ทำให้ต้องเปลี่ยน พูลเลย์ด้านโหลดจากเดิมไปตามสัดส่วน

จากภาพถ่าย จะเห็นว่าไม่มีพื้นที่ช่องว่างมากพอที่จะขยายขนาดของพูลเลย์ให้ใหญ่ขึ้นกว่าเดิมได้ถึง 1.2 เท่า ดังนั้นวิธีที่ดีที่สุดคือ หันไปใช้มอเตอร์ที่มีจำนวนขั้วแม่เหล็กมากขึ้นกว่าเดิมโดยเลือกใช้มอเตอร์ชนิด 8 ขั้ว ขนาด 315 kW ความเร็วรอบ 741 รอบต่อนาที และเปลี่ยนจากระบบขับเคลื่อนโดยผ่านสายพาน ไปเป็นการต่อแบบ Direct Coupling หรือ ทดลองเลือกใช้มอเตอร์ที่มีขนาดใหญ่ขึ้นกว่าเดิมและเป็นแบบทนแรงเฉือนสูงได้ แต่นำมาขับโหลดที่ขนาดเท่าเดิมจะสามารถทนต่อแรงเฉือนได้มากขึ้น

การต่อแบบ Direct Coupling ถึงแม้ว่าราคามอเตอร์จะแพงขึ้นกว่าเดิมเนื่องมาจากจำนวนขั้วมากขึ้น แต่ในระยะยาวจะมีผลดีกว่าการส่งกำลังโดยผ่านสายพาน กล่าวคือ ไม่จำเป็นต้องมาคอยดูแลซ่อมบำรุงเปลี่ยนสายพานใหม่ และสามารถประหยัดพลังงานไฟฟ้าได้มากกว่า 20% อันเป็นผลเนื่องมาจากการลื่นไถลของสายพาน และค่าสูญเสียต่าง ๆ อันเนื่องมาจากการส่งกำลังโดยขับผ่านสายพาน

เอกสารอ้างอิง

1.  Low voltage motors M11-2002/2003  Siemens AG, Automation & Drives, Standard Drives

2.  Planning of Standard Motors, Siemens Power Engineering & Automation