Gairebé la meitat del consum d'energia mundial el consumeixen els motors. Per tant, es diu que la millora de l'eficiència dels motors és la mesura més eficaç per resoldre els problemes energètics del món.
Tipus de motor
En general, es refereix a convertir la força generada pel flux de corrent en el camp magnètic en un moviment rotatiu, i també inclou el moviment lineal en un ampli rang.
Segons el tipus de font d'alimentació impulsada pel motor, es pot dividir en motor de corrent continu i motor de corrent alterna.Segons el principi de rotació del motor, es pot dividir aproximadament en els tipus següents.(excepte motors especials)
Sobre corrents, camps magnètics i forces
En primer lloc, per a la comoditat de les explicacions posteriors del principi motor, revisem les lleis/lleis bàsiques sobre corrents, camps magnètics i forces.Tot i que hi ha una sensació de nostàlgia, és fàcil oblidar aquest coneixement si no feu servir components magnètics sovint.
Combinem imatges i fórmules per il·lustrar.
Quan el marc de plom és rectangular, es té en compte la força que actua sobre el corrent.
La força F que actua sobre els costats a i c és
Genera parell al voltant de l'eix central.
Per exemple, quan es considera l'estat on només es troba l'angle de girθ, la força que actua en angle recte amb b i d és sinθ, de manera que el parell Ta de la part a s'expressa amb la fórmula següent:
Considerant la part c de la mateixa manera, el parell es duplica i produeix un parell calculat per:
Com que l'àrea del rectangle és S=h·l, substituint-lo a la fórmula anterior s'obtenen els resultats següents:
Aquesta fórmula funciona no només per a rectangles, sinó també per a altres formes habituals com els cercles.Els motors utilitzen aquest principi.
Com gira el motor?
1) El motor gira amb l'ajuda d'un imant, força magnètica
Al voltant d'un imant permanent amb un eix giratori,① gira l'imant(per generar un camp magnètic giratori),② segons el principi dels pols N i S que atrauen pols oposats i es repel·len al mateix nivell,③ l'imant amb eix giratori girarà.
Aquest és el principi bàsic de la rotació del motor.
Un camp magnètic giratori (força magnètica) es genera al voltant del cable quan un corrent flueix a través del cable i l'imant gira, que en realitat és el mateix estat de funcionament.
A més, quan el cable s'enrotlla en forma de bobina, la força magnètica es combina, es forma un gran flux de camp magnètic (flux magnètic) i es generen el pol N i el pol S.
A més, inserint un nucli de ferro al cable enrotllat, és més fàcil que la força magnètica passi a través i es pot generar una força magnètica més forta.
2) Motor giratori real
Aquí, com a mètode pràctic de rotació de màquines elèctriques, s'introdueix un mètode per produir un camp magnètic giratori mitjançant corrent altern trifàsic i bobines.
(La CA trifàsica és un senyal de CA amb un interval de fase de 120°)
- El camp magnètic sintètic a l'estat ① anterior correspon a la figura ① següent.
- El camp magnètic sintètic a l'estat ② anterior correspon a ② a la figura següent.
- El camp magnètic sintètic a l'estat anterior ③ correspon a la figura ③ següent.
Tal com s'ha descrit anteriorment, la bobina enrotllada al voltant del nucli es divideix en tres fases, i la bobina de la fase U, la bobina de la fase V i la bobina de la fase W es disposen a intervals de 120 °. La bobina amb alt voltatge genera pol N, i la bobina amb baixa tensió genera pol S.
Com que cada fase canvia com una ona sinusoïdal, la polaritat (pol N, pol S) generada per cada bobina i el seu camp magnètic (força magnètica) canvien.
En aquest moment, només cal mirar la bobina que produeix el pol N i canviar la seqüència segons la bobina de la fase U → la bobina de la fase V → la bobina de la fase W → la bobina de la fase U, girant així.
Estructura d'un petit motor
La figura següent mostra l'estructura general i la comparació dels tres motors: motor pas a pas, motor de corrent continu raspallat (DC) i motor de corrent continu sense escombretes (DC).Els components bàsics d'aquests motors són principalment bobines, imants i rotors. A més, a causa dels diferents tipus, es divideixen en tipus fix de bobina i tipus fix imant.
A continuació es mostra una descripció de l'estructura associada al diagrama d'exemple.Com que hi pot haver altres estructures de manera més granular, entengueu que l'estructura descrita en aquest article es troba dins d'un marc ampli.
Aquí, la bobina del motor pas a pas es fixa a l'exterior i l'imant gira a l'interior.
Aquí, els imants del motor de corrent continu raspallat es fixen a l'exterior i les bobines giren a l'interior.Els raspalls i el commutador s'encarreguen de subministrar energia a la bobina i de canviar la direcció del corrent.
Aquí, la bobina del motor sense escombretes es fixa a l'exterior i l'imant gira a l'interior.
A causa dels diferents tipus de motors, encara que els components bàsics siguin els mateixos, l'estructura és diferent.Les particularitats s'explicaran detalladament a cada apartat.
motor raspallat
Estructura del motor raspallat
A continuació es mostra com és un motor de corrent continu raspallat que s'utilitza sovint als models, així com un esquema esclatat d'un motor comú de dos pols (2 imants) de tres ranures (3 bobines).Potser molta gent té l'experiència de desmuntar el motor i treure l'imant.
Es pot veure que els imants permanents del motor de corrent continu raspallat estan fixos i les bobines del motor de corrent continu raspallat poden girar al voltant del centre interior.El costat estacionari s'anomena "estator" i el costat giratori s'anomena "rotor".
El següent és un diagrama esquemàtic de l'estructura que representa el concepte d'estructura.
Hi ha tres commutadors (xamines metàl·liques doblegades per a la commutació de corrent) a la perifèria de l'eix central giratori.Per evitar el contacte entre ells, els commutadors estan disposats a un interval de 120° (360°÷3 peces).El commutador gira a mesura que gira l'eix.
Un commutador està connectat amb un extrem de la bobina i l'altre extrem de la bobina, i tres commutadors i tres bobines formen un tot (anell) com a xarxa de circuits.
Dos raspalls es fixen a 0° i 180° per al contacte amb el commutador.La font d'alimentació de CC externa està connectada al raspall i el corrent flueix segons el camí del raspall → commutador → bobina → raspall.
Principi de rotació del motor raspallat
① Gireu en sentit contrari a les agulles del rellotge des de l'estat inicial
La bobina A està a la part superior, connecteu la font d'alimentació al raspall, deixeu que l'esquerra sigui (+) i la dreta (-).Un gran corrent flueix des del raspall esquerre a la bobina A a través del commutador.Aquesta és l'estructura en què la part superior (costat exterior) de la bobina A es converteix en el pol S.
Com que 1/2 del corrent de la bobina A flueix des del raspall esquerre a la bobina B i la bobina C en la direcció oposada a la bobina A, els costats exteriors de la bobina B i la bobina C es converteixen en pols N febles (indicat per lletres lleugerament més petites a la figura).
Els camps magnètics creats en aquestes bobines i els efectes repulsius i atractius dels imants sotmeten les bobines a una força de rotació en sentit contrari a les agulles del rellotge.
② Gireu més en sentit contrari a les agulles del rellotge
A continuació, s'assumeix que el raspall dret està en contacte amb els dos commutadors en un estat en què la bobina A es gira 30° en sentit contrari a les agulles del rellotge.
El corrent de la bobina A continua fluint des del raspall esquerre al pinzell dret, i l'exterior de la bobina manté el pol S.
El mateix corrent que la bobina A flueix per la bobina B i l'exterior de la bobina B es converteix en el pol N més fort.
Atès que els dos extrems de la bobina C són curtcircuitat pels raspalls, no flueix corrent ni es genera camp magnètic.
Fins i tot en aquest cas, s'experimenta una força de rotació en sentit contrari a les agulles del rellotge.
De ③ a ④, la bobina superior continua rebent una força cap a l'esquerra i la bobina inferior continua rebent una força cap a la dreta i continua girant en sentit contrari a les agulles del rellotge.
Quan la bobina es gira a ③ i ④ cada 30 °, quan la bobina es col·loca per sobre de l'eix horitzontal central, el costat exterior de la bobina es converteix en el pol S; quan la bobina es col·loca per sota, es converteix en el pol N, i aquest moviment es repeteix.
En altres paraules, la bobina superior es força repetidament cap a l'esquerra i la bobina inferior es força repetidament cap a la dreta (ambdues en sentit contrari a les agulles del rellotge).Això manté el rotor girant en sentit contrari a les agulles del rellotge tot el temps.
Si connecteu l'alimentació als raspalls esquerre (-) i dret (+) oposats, es creen camps magnètics oposats a les bobines, de manera que la força aplicada a les bobines també és en sentit contrari, girant en el sentit de les agulles del rellotge.
A més, quan s'apaga l'alimentació, el rotor del motor raspallat deixa de girar perquè no hi ha camp magnètic que el mantingui girant.
Motor trifàsic sense escombretes d'ona completa
Aspecte i estructura del motor trifàsic sense escombretes d'ona completa
La figura següent mostra un exemple de l'aspecte i l'estructura d'un motor sense escombretes.
A l'esquerra hi ha un exemple d'un motor d'eix utilitzat per girar un disc òptic en un dispositiu de reproducció de disc òptic.Un total de trifàsics × 3 total de 9 bobines.A la dreta hi ha un exemple de motor de cargol per a un dispositiu FDD, amb un total de 12 bobines (trifàsiques × 4).La bobina es fixa a la placa de circuit i s'enrotlla al voltant del nucli de ferro.
La part en forma de disc a la dreta de la bobina és el rotor d'imant permanent.La perifèria és un imant permanent, l'eix del rotor s'insereix a la part central de la bobina i cobreix la part de la bobina, i l'imant permanent envolta la perifèria de la bobina.
Diagrama d'estructura interna i circuit equivalent de connexió de bobina del motor trifàsic sense escombretes d'ona completa
A continuació es mostra un diagrama esquemàtic de l'estructura interna i un diagrama esquemàtic del circuit equivalent de la connexió de la bobina.
Aquest diagrama intern és un exemple d'un motor molt senzill de 2 pols (2 imants) de 3 ranures (3 bobines).És similar a una estructura de motor raspallat amb el mateix nombre de pols i ranures, però el costat de la bobina està fix i els imants poden girar.Per descomptat, sense raspalls.
En aquest cas, la bobina està connectada en Y, utilitzant un element semiconductor per subministrar corrent a la bobina, i l'entrada i sortida de corrent es controla segons la posició de l'imant giratori.En aquest exemple, s'utilitza un element Hall per detectar la posició de l'imant.L'element Hall es disposa entre les bobines i la tensió generada es detecta en funció de la força del camp magnètic i s'utilitza com a informació de posició.A la imatge del motor del cargol FDD donat anteriorment, també es pot veure que hi ha un element Hall (a sobre de la bobina) per a la detecció de la posició entre la bobina i la bobina.
Els elements Hall són sensors magnètics coneguts.La magnitud del camp magnètic es pot convertir en la magnitud de la tensió i la direcció del camp magnètic es pot expressar com a positiva o negativa.A continuació es mostra un diagrama esquemàtic que mostra l'efecte Hall.
Els elements de la sala aprofiten el fenomen que “quan un corrent joH flueix a través d'un semiconductor i un flux magnètic B passa en angle recte amb el corrent, una tensió VHes genera en la direcció perpendicular al corrent i al camp magnètic", el físic nord-americà Edwin Herbert Hall (Edwin Herbert Hall) va descobrir aquest fenomen i el va anomenar "efecte Hall".La tensió resultant VHes representa amb la fórmula següent.
VH= (KH/ d)・IH・B ※KH: Coeficient Hall, d: gruix de la superfície de penetració del flux magnètic
Com mostra la fórmula, com més gran és el corrent, més gran és la tensió.Aquesta característica s'utilitza sovint per detectar la posició del rotor (imant).
Principi de rotació del motor trifàsic sense escombretes d'ona completa
El principi de rotació del motor sense escombretes s'explicarà als passos següents ① a ⑥.Per facilitar la comprensió, els imants permanents es simplifiquen de cercles a rectangles aquí.
①
Entre les bobines trifàsiques, se suposa que la bobina 1 es fixa en la direcció de les 12 en punt del rellotge, la bobina 2 es fixa en la direcció de les 4 en punt del rellotge i la bobina 3 es fixa en el direcció de les 8 del rellotge.Deixeu que el pol N de l'imant permanent de 2 pols estigui a l'esquerra i el pol S a la dreta, i es pot girar.
Un corrent Io flueix a la bobina 1 per generar un camp magnètic de pol S fora de la bobina.El corrent Io/2 es fa fluir des de la bobina 2 i la bobina 3 per generar un camp magnètic de pol N fora de la bobina.
Quan els camps magnètics de la bobina 2 i la bobina 3 es vectoritzen, es genera un camp magnètic de pol N cap avall, que és 0,5 vegades la mida del camp magnètic generat quan el corrent Io passa per una bobina, i és 1,5 vegades més gran quan s'afegeix. al camp magnètic de la bobina 1.Això crea un camp magnètic resultant en un angle de 90 ° amb l'imant permanent, de manera que es pot generar un parell màxim, l'imant permanent gira en sentit horari.
Quan el corrent de la bobina 2 es redueix i el corrent de la bobina 3 augmenta segons la posició de rotació, el camp magnètic resultant també gira en sentit horari i l'imant permanent també continua girant.
②
En l'estat girat 30°, el corrent Io flueix a la bobina 1 , el corrent a la bobina 2 es fa zero i el corrent Io surt de la bobina 3 .
L'exterior de la bobina 1 es converteix en el pol S i l'exterior de la bobina 3 es converteix en el pol N.Quan es combinen els vectors, el camp magnètic resultant és √3 (≈1,72) vegades el camp magnètic produït quan el corrent Io passa per una bobina.Això també produeix un camp magnètic resultant en un angle de 90° respecte al camp magnètic de l'imant permanent i gira en sentit horari.
Quan el corrent d'entrada Io de la bobina 1 es redueix segons la posició de rotació, el corrent d'entrada de la bobina 2 augmenta des de zero i el corrent de sortida de la bobina 3 augmenta a Io, el camp magnètic resultant també gira en sentit horari, i l'imant permanent també continua girant.
※Suposant que cada corrent de fase és una forma d'ona sinusoïdal, el valor actual aquí és Io × sin(π⁄3)=Io × √3⁄2 Mitjançant la síntesi vectorial del camp magnètic, la mida total del camp magnètic s'obté com ( √ 3⁄2)2× 2=1,5 vegades.Quan cada corrent de fase és una ona sinusoïdal, independentment de la posició de l'imant permanent, la magnitud del camp magnètic vector compost és 1,5 vegades la del camp magnètic generat per una bobina, i el camp magnètic està en un angle relatiu de 90°. al camp magnètic de l'imant permanent.
③
En l'estat de continuar girant 30°, el corrent Io/2 flueix a la bobina 1 , el corrent Io/2 flueix a la bobina 2 i el corrent Io surt de la bobina 3 .
L'exterior de la bobina 1 es converteix en el pol S, l'exterior de la bobina 2 també es converteix en el pol S i l'exterior de la bobina 3 es converteix en el pol N.Quan es combinen els vectors, el camp magnètic resultant és 1,5 vegades el camp magnètic produït quan un corrent Io flueix per una bobina (igual que ①).Aquí també es genera un camp magnètic resultant amb un angle de 90° respecte al camp magnètic de l'imant permanent i gira en sentit horari.
④～⑥
Gireu de la mateixa manera que ① a ③.
D'aquesta manera, si el corrent que flueix a la bobina es commuta contínuament en seqüència segons la posició de l'imant permanent, l'imant permanent girarà en una direcció fixa.De la mateixa manera, si inverteix el flux de corrent i inverteix el camp magnètic resultant, girarà en sentit contrari a les agulles del rellotge.
La figura següent mostra contínuament el corrent de cada bobina a cada pas ① a ⑥ anterior.Mitjançant la introducció anterior, hauria de ser possible entendre la relació entre el canvi actual i la rotació.
motor pas a pas
Un motor pas a pas és un motor que pot controlar amb precisió l'angle de rotació i la velocitat en sincronització amb un senyal de pols. El motor pas a pas també s'anomena "motor de pols".Com que els motors pas a pas només poden aconseguir un posicionament precís mitjançant un control de llaç obert sense l'ús de sensors de posició, s'utilitzen àmpliament en equips que requereixen posicionament.
Estructura del motor pas a pas (bipolar bifàsic)
Les figures següents d'esquerra a dreta són un exemple de l'aparença del motor pas a pas, un diagrama esquemàtic de l'estructura interna i un diagrama esquemàtic del concepte d'estructura.
A l'exemple d'aparença, es dóna l'aspecte del motor pas a pas tipus HB (híbrid) i PM (imant permanent).El diagrama d'estructura del centre també mostra l'estructura del tipus HB i del tipus PM.
Un motor pas a pas és una estructura en què la bobina està fixada i l'imant permanent gira.El diagrama conceptual de l'estructura interna d'un motor pas a pas a la dreta és un exemple d'un motor PM que utilitza bobines bifàsiques (dos conjunts).En l'exemple de l'estructura bàsica del motor pas a pas, les bobines estan disposades a l'exterior i els imants permanents estan disposats a l'interior.A més de les bobines bifàsiques, hi ha tipus trifàsics i cinc fases amb més fases.
Alguns motors pas a pas tenen altres estructures diferents, però l'estructura bàsica del motor pas a pas es dóna en aquest article per facilitar la introducció del seu principi de funcionament.A través d'aquest article, espero entendre que el motor pas a pas bàsicament adopta l'estructura de bobina fixa i imant permanent giratori.
Principi de funcionament bàsic del motor pas a pas (excitació monofàsica)
La figura següent s'utilitza per introduir el principi de funcionament bàsic d'un motor pas a pas.Aquest és un exemple d'excitació per a cada fase (conjunt de bobines) de la bobina bipolar bifàsica anterior.La premissa d'aquest diagrama és que l'estat canvia de ① a ④.La bobina consta de la bobina 1 i la bobina 2, respectivament.A més, les fletxes actuals indiquen la direcció del flux actual.
①
- El corrent entra pel costat esquerre de la bobina 1 i surt pel costat dret de la bobina 1 .
- No permetre que el corrent flueixi per la bobina 2.
- En aquest moment, el costat interior de la bobina esquerra 1 es converteix en N i el costat interior de la bobina dreta 1 es converteix en S.
- Per tant, l'imant permanent del mig és atret pel camp magnètic de la bobina 1, es converteix en l'estat de l'esquerra S i la dreta N i s'atura.
②
- El corrent de la bobina 1 s'atura, i el corrent entra des de la part superior de la bobina 2 i surt des de la part inferior de la bobina 2.
- El costat interior de la bobina superior 2 es converteix en N i el costat interior de la bobina inferior 2 es converteix en S.
- L'imant permanent és atret pel seu camp magnètic i s'atura girant 90° en sentit horari.
③
- El corrent de la bobina 2 s'atura i el corrent entra des del costat dret de la bobina 1 i surt des del costat esquerre de la bobina 1.
- El costat interior de la bobina esquerra 1 es converteix en S i el costat interior de la bobina dreta 1 es converteix en N.
- L'imant permanent és atret pel seu camp magnètic i s'atura girant en sentit horari uns altres 90°.
④
- El corrent de la bobina 1 s'atura, i el corrent entra des de la part inferior de la bobina 2 i surt des de la part superior de la bobina 2.
- El costat interior de la bobina superior 2 es converteix en S i el costat interior de la bobina inferior 2 es converteix en N.
- L'imant permanent és atret pel seu camp magnètic i s'atura girant en sentit horari uns altres 90°.
Hora de publicació: 09-jul-2022