2) Действителен въртящ се двигател

Тук, като практичен метод за въртящи се електрически машини, се въвежда метод за създаване на въртящо се магнитно поле с помощта на трифазен променлив ток и намотки.
(Трифазният AC е AC сигнал с фазов интервал от 120°)

• Синтетичното магнитно поле в горното ① състояние съответства на следната фигура ①.
• Синтетичното магнитно поле в състояние ② по-горе съответства на ② на фигурата по-долу.
• Синтетичното магнитно поле в горното състояние ③ съответства на следната фигура ③.

Както е описано по-горе, намотката, навита около сърцевината, е разделена на три фази, а намотката с U-фаза, V-фаза и W-фаза са подредени на интервали от 120°. Бобината с високо напрежение генерира N полюс, а бобината с ниско напрежение генерира S полюс.
Тъй като всяка фаза се променя като синусоида, полярността (N полюс, S полюс), генерирана от всяка намотка, и нейното магнитно поле (магнитна сила) се променят.
По това време просто погледнете намотката, която произвежда N полюса, и променете последователността според U-фазовата намотка→V-фазовата намотка→W-фазовата намотка→U-фазовата намотка, като по този начин се върти.

Конструкция на малък двигател

Фигурата по-долу показва общата структура и сравнението на трите двигателя: стъпков двигател, мотор с постоянен ток (DC) с четка и двигател с постоянен ток без четки.Основните компоненти на тези двигатели са главно намотки, магнити и ротори. В допълнение, поради различните типове, те се разделят на фиксиран тип с намотка и фиксиран тип с магнит.

Следва описание на структурата, свързана с примерната диаграма.Тъй като може да има други структури на по-подробна основа, моля, имайте предвид, че структурата, описана в тази статия, е в голяма рамка.

Тук намотката на стъпковия двигател е фиксирана отвън, а магнитът се върти отвътре.

Тук магнитите на полирания DC двигател са фиксирани отвън, а намотките се въртят отвътре.Четките и комутаторът са отговорни за захранването на намотката и промяната на посоката на тока.

Тук намотката на безчетковия двигател е фиксирана отвън, а магнитът се върти отвътре.

Поради различните типове двигатели, дори ако основните компоненти са еднакви, структурата е различна.Спецификите ще бъдат обяснени подробно във всеки раздел.

четков мотор

Структура на мотор с четка

По-долу е показано как изглежда полиран постояннотоков двигател, често използван в моделите, както и разглобена схема на обикновен двуполюсен (2 магнита) двигател с три гнезда (3 намотки).Може би много хора имат опит да разглобят двигателя и да извадят магнита.

Може да се види, че постоянните магнити на полирания DC двигател са фиксирани и намотките на матирания DC двигател могат да се въртят около вътрешния център.Неподвижната страна се нарича „статор“, а въртящата се страна се нарича „ротор“.

Следното е схематична диаграма на структурата, представяща концепцията за структурата.

По периферията на въртящата се централна ос има три комутатора (извити метални листове за превключване на ток).За да се избегне контакт един с друг, комутаторите са разположени на интервал от 120° (360°÷3 броя).Комутаторът се върти, докато валът се върти.

Един комутатор е свързан с единия край на намотката и другия край на намотката, а три комутатора и три намотки образуват едно цяло (пръстен) като верига.

Две четки са фиксирани на 0° и 180° за контакт с комутатора.Външното захранване с постоянен ток е свързано към четката и токът протича според пътя на четката → комутатор → намотка → четка.

Принцип на въртене на мотор с четка

① Завъртете обратно на часовниковата стрелка от първоначалното състояние

Намотка A е отгоре, свържете захранването към четката, нека лявото е (+), а дясното (-).Голям ток протича от лявата четка към намотка А през комутатора.Това е структурата, в която горната част (външната страна) на намотката А става S полюс.

Тъй като 1/2 от тока на намотка A протича от лявата четка към намотка B и намотка C в обратна посока на намотка A, външните страни на намотка B и намотка C стават слаби N полюси (обозначени с малко по-малки букви в фигура).

Магнитните полета, създадени в тези намотки, и отблъскващият и привлекателен ефект на магнитите подлагат намотките на сила, въртяща се обратно на часовниковата стрелка.

② Допълнително завъртете обратно на часовниковата стрелка

След това се приема, че дясната четка е в контакт с двата комутатора в състояние, при което намотката А е завъртяна обратно на часовниковата стрелка с 30°.

Токът на бобина A продължава да тече от лявата четка към дясната четка, а външната страна на бобината поддържа S полюса.

Същият ток като намотка A протича през намотка B, а външната страна на намотка B става по-силният N полюс.

Тъй като двата края на намотката C са свързани накъсо от четките, не протича ток и не се генерира магнитно поле.

Дори в този случай се изпитва сила на въртене обратно на часовниковата стрелка.

От ③ до ④, горната намотка продължава да получава сила наляво, а долната намотка продължава да получава сила надясно и продължава да се върти обратно на часовниковата стрелка

Когато намотката се завърти на ③ и ④ на всеки 30°, когато намотката е разположена над централната хоризонтална ос, външната страна на намотката става S полюс; когато бобината е позиционирана отдолу, тя става N полюс и това движение се повтаря.

С други думи, горната намотка многократно се насочва наляво, а долната намотка многократно се насочва надясно (и двете в посока обратна на часовниковата стрелка).Това поддържа ротора да се върти обратно на часовниковата стрелка през цялото време.

Ако свържете захранването към противоположните лява (-) и дясна (+) четки, в намотките се създават противоположни магнитни полета, така че силата, приложена към намотките, също е в обратна посока, въртяща се по посока на часовниковата стрелка.

Освен това, когато захранването е изключено, роторът на мотора с четка спира да се върти, защото няма магнитно поле, което да го поддържа.

Трифазен пълновълнов безчетков двигател

Външен вид и структура на трифазен пълновълнов безчетков двигател

Фигурата по-долу показва пример за външния вид и структурата на безчетков двигател.

Отляво е пример за шпинделен двигател, използван за въртене на оптичен диск в устройство за възпроизвеждане на оптичен диск.Общо трифазни × 3 общо 9 бобини.Вдясно е пример за шпинделен двигател за FDD устройство с общо 12 бобини (трифазни × 4).Намотката е фиксирана върху печатната платка и навита около желязното ядро.

Дисковидната част вдясно от бобината е роторът с постоянен магнит.Периферията е постоянен магнит, валът на ротора е вкаран в централната част на намотката и покрива частта на намотката, а постоянният магнит обгражда периферията на намотката.

Диаграма на вътрешната структура и еквивалентна схема на свързване на бобината на трифазен пълновълнов безчетков двигател

Следва схематична диаграма на вътрешната структура и схематична диаграма на еквивалентната схема на връзката на намотката.

Тази вътрешна диаграма е пример за много прост 2-полюсен (2 магнита) 3-слотов (3 намотки) двигател.Подобно е на четкана структура на двигателя със същия брой полюси и процепи, но страната на бобината е фиксирана и магнитите могат да се въртят.Разбира се, без четки.

В този случай бобината е Y-свързана, използвайки полупроводников елемент за захранване на бобината с ток, а входящият и изходящият ток се контролира според позицията на въртящия се магнит.В този пример се използва елемент на Хол за откриване на позицията на магнита.Елементът на Хол е разположен между бобините и генерираното напрежение се открива въз основа на силата на магнитното поле и се използва като информация за позицията.В изображението на шпинделния двигател на FDD, дадено по-рано, може също да се види, че има елемент на Хол (над намотката) за откриване на позиция между намотката и намотката.

Елементите на Хол са добре известни магнитни сензори.Големината на магнитното поле може да се преобразува в величината на напрежението, а посоката на магнитното поле може да бъде изразена като положителна или отрицателна.По-долу има схематична диаграма, показваща ефекта на Хол.

Елементите на Хол се възползват от феномена, че „когато ток I_{H протича през полупроводник и магнитен поток B преминава под прав ъгъл спрямо тока, напрежение VH}се генерира в посока, перпендикулярна на тока и магнитното поле“, американският физик Едуин Хърбърт Хол (Edwin Herbert Hall) откри това явление и го нарече „ефект на Хол“.Полученото напрежение V_Hсе представя със следната формула.

V_H= (К_H/ г)・I_H・B ※K_H: Коефициент на Хол, d: дебелина на повърхността на проникване на магнитния поток

Както показва формулата, колкото по-висок е токът, толкова по-високо е напрежението.Тази функция често се използва за откриване на позицията на ротора (магнита).

Принцип на въртене на трифазен пълновълнов безчетков двигател

Принципът на въртене на безчетковия мотор ще бъде обяснен в следващите стъпки ① до ⑥.За по-лесно разбиране тук постоянните магнити са опростени от кръгове до правоъгълници.

①

При трифазните намотки се приема, че намотка 1 е фиксирана в посока 12 часа на часовника, намотка 2 е фиксирана в посока 4 часа на часовника, а намотка 3 е фиксирана в посока на 8 часа на часовника.Нека N полюсът на 2-полюсния постоянен магнит е отляво, а S полюсът отдясно и той може да се върти.

Ток Io протича в намотката 1, за да генерира S-полюсно магнитно поле извън намотката.Токът Io/2 протича от намотка 2 и намотка 3, за да генерира N-полюсно магнитно поле извън намотката.

Когато магнитните полета на намотка 2 и намотка 3 са векторизирани, се генерира N-полюсно магнитно поле надолу, което е 0,5 пъти по-голямо от размера на магнитното поле, генерирано, когато токът Io преминава през една намотка, и е 1,5 пъти по-голямо, когато се добави към магнитното поле на намотка 1.Това създава получено магнитно поле под ъгъл от 90° спрямо постоянния магнит, така че може да се генерира максимален въртящ момент, постоянният магнит се върти по посока на часовниковата стрелка.

Когато токът на намотка 2 се намали и токът на намотка 3 се увеличи в съответствие с позицията на въртене, полученото магнитно поле също се върти по посока на часовниковата стрелка и постоянният магнит също продължава да се върти.

②

В състояние, завъртяно на 30°, токът Io протича в намотката 1, токът в намотката 2 се прави нула и токът Io изтича от намотката 3.

Външната част на намотката 1 става S полюс, а външната страна на намотка 3 става N полюс.Когато векторите се комбинират, полученото магнитно поле е √3 (≈1,72) пъти магнитното поле, създадено, когато токът Io преминава през намотка.Това също създава резултантно магнитно поле под ъгъл от 90° спрямо магнитното поле на постоянния магнит и се върти по посока на часовниковата стрелка.

Когато входящият ток Io на намотката 1 се намали в съответствие с ротационната позиция, входящият ток на намотката 2 се увеличава от нула, а изходящият ток на намотката 3 се увеличава до Io, полученото магнитно поле също се върти по посока на часовниковата стрелка, и постоянният магнит също продължава да се върти.

※Приемайки, че всеки фазов ток е синусоидална форма на вълната, текущата стойност тук е Io × sin(π⁄3)=Io × √3⁄2 Чрез векторния синтез на магнитното поле общият размер на магнитното поле се получава като ( √ 3⁄2)²× 2=1,5 пъти.Когато всеки фазов ток е синусоида, независимо от позицията на постоянния магнит, големината на векторното съставно магнитно поле е 1,5 пъти по-голяма от магнитното поле, генерирано от намотка, и магнитното поле е под ъгъл от 90° спрямо към магнитното поле на постоянния магнит.

③

В състояние на продължаващо въртене с 30°, токът Io/2 протича в бобината 1, токът Io/2 тече в бобината 2, а токът Io изтича от бобината 3.

Външната страна на намотка 1 става S полюс, външната част на намотка 2 също става S полюс, а външната страна на намотка 3 става N полюс.Когато векторите се комбинират, полученото магнитно поле е 1,5 пъти магнитното поле, създадено, когато ток Io протича през намотка (същото като ①).Тук също се генерира резултантно магнитно поле под ъгъл от 90° по отношение на магнитното поле на постоянния магнит и се върти по посока на часовниковата стрелка.

④～⑥

Завъртете по същия начин като ① до ③.

По този начин, ако токът, протичащ в бобината, непрекъснато се превключва последователно според позицията на постоянния магнит, постоянният магнит ще се върти във фиксирана посока.По същия начин, ако обърнете текущия поток и обърнете полученото магнитно поле, то ще се върти обратно на часовниковата стрелка.

Фигурата по-долу показва непрекъснато тока на всяка намотка във всяка стъпка от ① до ⑥ по-горе.Чрез горното въведение трябва да е възможно да се разбере връзката между текущата промяна и ротацията.

стъпков двигател

Стъпковият двигател е двигател, който може точно да контролира ъгъла на въртене и скоростта в синхрон с импулсен сигнал. Стъпковият двигател се нарича още „импулсен двигател“.Тъй като стъпковите двигатели могат да постигнат точно позициониране само чрез управление с отворен контур без използване на сензори за позиция, те се използват широко в оборудване, което изисква позициониране.

Структура на стъпков двигател (двуфазен биполярен)

Следните фигури отляво надясно са пример за външния вид на стъпковия двигател, схематична диаграма на вътрешната структура и схематична диаграма на концепцията на структурата.

В примера за външен вид е даден външният вид на стъпков двигател тип HB (хибриден) и тип PM (постоянен магнит).Структурната диаграма в средата също показва структурата на тип HB и тип PM.

Стъпковият двигател е конструкция, в която намотката е фиксирана и постоянният магнит се върти.Концептуалната диаграма на вътрешната структура на стъпков двигател вдясно е пример за PM двигател, използващ двуфазни (два комплекта) намотки.В примера на основната структура на стъпковия двигател намотките са разположени отвън, а постоянните магнити са разположени отвътре.В допълнение към двуфазните бобини има трифазни и петфазни типове с повече фази.

Някои стъпкови двигатели имат други различни структури, но основната структура на стъпковия двигател е дадена в тази статия, за да се улесни въвеждането на неговия принцип на работа.Чрез тази статия се надявам да разбера, че стъпковият двигател основно приема структурата на фиксирана намотка и въртящ се постоянен магнит.

Основен принцип на работа на стъпков двигател (еднофазно възбуждане)

Следната фигура се използва за представяне на основния принцип на работа на стъпков двигател.Това е пример за възбуждане за всяка фаза (набор от намотки) на двуфазната биполярна намотка по-горе.Предпоставката на тази диаграма е, че състоянието се променя от ① на ④.Намотката се състои съответно от намотка 1 и намотка 2.В допълнение, текущите стрелки показват текущата посока на потока.

①

• Токът влиза от лявата страна на намотката 1 и изтича от дясната страна на намотката 1.
• Не позволявайте ток да тече през намотка 2.
• По това време вътрешната страна на лявата намотка 1 става N, а вътрешната страна на дясната намотка 1 става S.
• Следователно постоянният магнит в средата се привлича от магнитното поле на намотката 1, става състояние на ляво S и дясно N и спира.

  ②

• Токът на намотката 1 е спрян и токът влиза от горната страна на намотката 2 и изтича от долната страна на намотката 2.
• Вътрешната страна на горната намотка 2 става N, а вътрешната страна на долната намотка 2 става S.
• Постоянният магнит се привлича от своето магнитно поле и спира, като се завърти на 90° по часовниковата стрелка.

  ③

• Токът на намотка 2 е спрян и токът влиза от дясната страна на намотка 1 и изтича от лявата страна на намотка 1.
• Вътрешната страна на лявата намотка 1 става S, а вътрешната страна на дясната намотка 1 става N.
• Постоянният магнит се привлича от своето магнитно поле и спира чрез завъртане по часовниковата стрелка на още 90°.

  ④

• Токът на намотката 1 е спрян и токът влиза от долната страна на намотката 2 и изтича от горната страна на намотката 2.
• Вътрешната страна на горната намотка 2 става S, а вътрешната страна на долната намотка 2 става N.
• Постоянният магнит се привлича от своето магнитно поле и спира чрез завъртане по часовниковата стрелка на още 90°.