Næsten halvdelen af verdens strømforbrug forbruges af motorer. Derfor siges en forbedring af motorernes effektivitet at være den mest effektive foranstaltning til at løse verdens energiproblemer.
Motortype
Generelt refererer det til at konvertere kraften genereret af strømmen i magnetfeltet til en roterende bevægelse, og det inkluderer også lineær bevægelse i et bredt område.
I henhold til typen af strømforsyning, der drives af motoren, kan den opdeles i DC-motor og AC-motor.Ifølge princippet om motorrotation kan den groft opdeles i følgende typer.(bortset fra specielle motorer)
Om strømme, magnetfelter og kræfter
Lad os først, for at gøre det nemmere for efterfølgende motoriske principforklaringer, gennemgå de grundlæggende love/love om strømme, magnetiske felter og kræfter.Selvom der er en følelse af nostalgi, er det let at glemme denne viden, hvis du ikke bruger magnetiske komponenter ofte.
Vi kombinerer billeder og formler for at illustrere.
Når ledningsrammen er rektangulær, tages der hensyn til kraften, der virker på strømmen.
Kraften F, der virker på siderne a og c er
Genererer drejningsmoment omkring den centrale akse.
For eksempel, når man overvejer den tilstand, hvor rotationsvinklen kun erθ, kraften, der virker vinkelret på b og d, er sinθ, så drejningsmomentet Ta for del a er udtrykt med følgende formel:
I betragtning af del c på samme måde fordobles momentet og giver et moment beregnet ved:
Da arealet af rektanglet er S=h·l, vil substituering af det i ovenstående formel give følgende resultater:
Denne formel fungerer ikke kun for rektangler, men også for andre almindelige former som cirkler.Motorer bruger dette princip.
Hvordan snurrer motoren?
1) Motoren roterer ved hjælp af magnet, magnetisk kraft
Omkring en permanent magnet med en roterende aksel,① roterer magneten(for at generere et roterende magnetfelt),② i henhold til princippet om N- og S-poler, der tiltrækker modsatte poler og frastøder på samme niveau,③ magneten med roterende aksel vil rotere.
Dette er det grundlæggende princip for motorrotation.
Et roterende magnetfelt (magnetisk kraft) genereres omkring ledningen, når en strøm løber gennem ledningen, og magneten roterer, hvilket faktisk er den samme driftstilstand.
Når ledningen er viklet i en spoleform, kombineres den magnetiske kraft, der dannes en stor magnetisk feltflux (magnetisk flux), og N-polen og S-polen genereres.
Derudover bliver det lettere for den magnetiske kraft at passere igennem, ved at indsætte en jernkerne i den oprullede tråd, og der kan genereres en stærkere magnetisk kraft.
2) Faktisk roterende motor
Her introduceres som en praktisk metode til at rotere elektriske maskiner en metode til at frembringe et roterende magnetfelt ved hjælp af trefaset vekselstrøm og spoler.
(Trefaset AC er et AC-signal med et faseinterval på 120°)
- Det syntetiske magnetfelt i ovenstående ①-tilstand svarer til den følgende figur ①.
- Det syntetiske magnetfelt i tilstanden ② ovenfor svarer til ② i nedenstående figur.
- Det syntetiske magnetfelt i ovenstående tilstand ③ svarer til den følgende figur ③.
Som beskrevet ovenfor er spolen viklet rundt om kernen opdelt i tre faser, og U-fase spolen, V-fase spolen og W-fase spolen er arrangeret med intervaller på 120°. Spolen med høj spænding genererer N pol, og spolen med lav spænding genererer S pol.
Da hver fase ændres som en sinusbølge, ændres polariteten (N-pol, S-pol) genereret af hver spole og dens magnetfelt (magnetiske kraft).
På dette tidspunkt skal du bare se på spolen, der producerer N-polen, og skift i rækkefølge i henhold til U-fase-spolen → V-fase-spolen → W-fase-spolen → U-fase-spole, og derved rotere.
Struktur af en lille motor
Figuren nedenfor viser den generelle struktur og sammenligning af de tre motorer: stepmotor, børstet jævnstrømsmotor (DC) og børsteløs jævnstrømsmotor (DC).De grundlæggende komponenter i disse motorer er hovedsageligt spoler, magneter og rotorer. Derudover er de på grund af forskellige typer opdelt i spolefast type og magnet fast type.
Det følgende er en beskrivelse af strukturen forbundet med eksempeldiagrammet.Da der kan være andre strukturer på et mere granulært grundlag, skal du forstå, at strukturen beskrevet i denne artikel er inden for en stor ramme.
Her er stepmotorens spole fastgjort udvendigt, og magneten roterer indvendigt.
Her er magneterne på den børstede DC-motor fastgjort udvendigt, og spolerne roteres indvendigt.Børsterne og kommutatoren er ansvarlige for at levere strøm til spolen og ændre strømmens retning.
Her er spolen på den børsteløse motor fastgjort på ydersiden, og magneten roterer på indersiden.
På grund af de forskellige typer motorer er strukturen anderledes, selvom grundkomponenterne er de samme.De nærmere detaljer vil blive forklaret i detaljer i hvert afsnit.
børstet motor
Opbygning af børstet motor
Nedenfor ser du, hvordan en børstet jævnstrømsmotor, der ofte bruges i modeller, ser ud, såvel som et eksploderet skema af en almindelig to-polet (2 magneter) tre-slot (3 spoler) motortype.Måske har mange mennesker erfaring med at skille motoren ad og tage magneten ud.
Det kan ses, at den børstede DC-motors permanente magneter er fikserede, og spolerne på den børstede DC-motor kan rotere rundt om det indre center.Den stationære side kaldes "stator", og den roterende side kaldes "rotor".
Det følgende er et skematisk diagram af strukturen, der repræsenterer strukturkonceptet.
Der er tre kommutatorer (bøjede metalplader til strømskift) i periferien af den roterende midterakse.For at undgå kontakt med hinanden er kommutatorerne anbragt med et interval på 120° (360°÷3 stykker).Kommutatoren roterer, mens akslen roterer.
En kommutator er forbundet med den ene spoleende og den anden spoleende, og tre kommutatorer og tre spoler danner en hel (ring) som et kredsløbsnetværk.
To børster er fastgjort til 0° og 180° for kontakt med kommutatoren.Den eksterne jævnstrømsforsyning er forbundet til børsten, og strømmen løber i overensstemmelse med børstens vej → kommutator → spole → børste.
Rotationsprincip for børstet motor
① Drej mod uret fra starttilstanden
Spole A er øverst, tilslut strømforsyningen til børsten, lad venstre være (+) og højre være (-).En stor strøm løber fra venstre børste til spole A gennem kommutatoren.Dette er den struktur, hvor den øverste del (ydersiden) af spolen A bliver til S-polen.
Da 1/2 af strømmen af spole A løber fra venstre børste til spole B og spole C i modsat retning af spole A, bliver ydersiderne af spole B og spole C svage N poler (angivet med lidt mindre bogstaver i figur).
De magnetiske felter, der skabes i disse spoler, og magneternes frastødende og attraktive effekter udsætter spolerne for en roterende kraft mod uret.
② Drej yderligere mod uret
Dernæst antages det, at den højre børste er i kontakt med de to kommutatorer i en tilstand, hvor spolen A drejes 30° mod uret.
Strømmen af spole A fortsætter med at flyde fra venstre børste til højre børste, og ydersiden af spolen opretholder S-polen.
Den samme strøm som spole A løber gennem spole B, og ydersiden af spole B bliver den stærkere N-pol.
Da begge ender af spolen C er kortsluttet af børsterne, flyder der ingen strøm, og der genereres intet magnetfelt.
Selv i dette tilfælde opleves en rotationskraft mod uret.
Fra ③ til ④ fortsætter den øvre spole med at modtage en kraft til venstre, og den nederste spole fortsætter med at modtage en kraft til højre og fortsætter med at rotere mod uret
Når spolen drejes til ③ og ④ hver 30°, når spolen er placeret over den centrale vandrette akse, bliver den ydre side af spolen S-polen; når spolen er placeret under, bliver den til N-polen, og denne bevægelse gentages.
Med andre ord tvinges den øverste spole gentagne gange til venstre, og den nederste spole tvinges gentagne gange til højre (begge mod uret).Dette holder rotoren i gang med at dreje mod uret hele tiden.
Hvis du tilslutter strøm til de modsatte venstre (-) og højre (+) børster, skabes der modsatte magnetfelter i spolerne, så kraften, der påføres spolerne, er også i den modsatte retning og drejer med uret.
Når strømmen er slukket, stopper rotoren på den børstede motor desuden med at rotere, fordi der ikke er noget magnetfelt, der holder den i gang.
Trefaset fuldbølge børsteløs motor
Udseende og struktur af trefaset fuldbølge børsteløs motor
Nedenstående figur viser et eksempel på udseendet og strukturen af en børsteløs motor.
Til venstre er et eksempel på en spindelmotor, der bruges til at dreje en optisk disk i en optisk diskafspilningsenhed.I alt trefaset × 3 i alt 9 spoler.Til højre er et eksempel på en spindelmotor til en FDD-enhed med i alt 12 spoler (trefaset × 4).Spolen er fastgjort på printpladen og viklet rundt om jernkernen.
Den skiveformede del til højre for spolen er permanentmagnetrotoren.Periferien er en permanent magnet, rotorens aksel er indsat i den centrale del af spolen og dækker spoledelen, og den permanente magnet omgiver spolens periferi.
Internt strukturdiagram og spoleforbindelsesækvivalent kredsløb af trefaset fuldbølge børsteløs motor
Dernæst er et skematisk diagram af den interne struktur og et skematisk diagram af det tilsvarende kredsløb af spoleforbindelsen.
Dette interne diagram er et eksempel på en meget simpel 2-polet (2 magneter) 3-slot (3 spoler) motor.Det ligner en børstet motorstruktur med det samme antal poler og slidser, men spolens side er fast, og magneterne kan rotere.Selvfølgelig ingen børster.
I dette tilfælde er spolen Y-forbundet ved hjælp af et halvlederelement til at forsyne spolen med strøm, og strømtilførslen og -udløbet styres i henhold til positionen af den roterende magnet.I dette eksempel bruges et Hall-element til at detektere magnetens position.Hall-elementet er arrangeret mellem spolerne, og den genererede spænding detekteres baseret på styrken af magnetfeltet og bruges som positionsinformation.På billedet af FDD-spindelmotoren givet tidligere, kan det også ses, at der er et Hall-element (over spolen) til positionsdetektering mellem spolen og spolen.
Hall-elementer er velkendte magnetiske sensorer.Magnetfeltets størrelse kan konverteres til spændingens størrelse, og magnetfeltets retning kan udtrykkes som positiv eller negativ.Nedenfor er et skematisk diagram, der viser Hall-effekten.
Hall-elementer drager fordel af fænomenet, at "når en strøm IH strømmer gennem en halvleder og en magnetisk flux B passerer vinkelret på strømmen, en spænding VHgenereres i retningen vinkelret på strømmen og magnetfeltet", den amerikanske fysiker Edwin Herbert Hall (Edwin Herbert Hall) opdagede dette fænomen og kaldte det "Hall-effekten".Den resulterende spænding VHer repræsenteret ved følgende formel.
VH= (KH/ d)・IH・B ※KH: Hall-koefficient, d: tykkelse af magnetisk flux-gennemtrængningsoverflade
Som formlen viser, jo højere strøm, jo højere spænding.Denne funktion bruges ofte til at registrere rotorens (magnetens) position.
Rotationsprincip for trefaset fuldbølge børsteløs motor
Rotationsprincippet for den børsteløse motor vil blive forklaret i de følgende trin ① til ⑥.For nem forståelse er de permanente magneter her forenklet fra cirkler til rektangler.
①
Blandt de trefasede spoler antages det, at spole 1 er fikseret i urets retning kl. 12, spole 2 er fikseret i urets retning kl. 4, og spole 3 er fikseret i urets retning. retning af klokken 8.Lad N-polen på den 2-polede permanentmagnet være til venstre og S-polen til højre, og den kan drejes.
En strøm Io føres ind i spolen 1 for at generere et S-polet magnetfelt uden for spolen.Io/2-strøm bringes til at strømme fra spole 2 og spole 3 for at generere et N-polet magnetfelt uden for spolen.
Når magnetfelterne i spole 2 og spole 3 vektoriseres, genereres et N-polet magnetfelt nedad, hvilket er 0,5 gange størrelsen af det magnetiske felt, der genereres, når strømmen Io passerer gennem en spole, og er 1,5 gange større, når det tilføjes til magnetfeltet i spole 1.Dette skaber et resulterende magnetfelt i en 90° vinkel i forhold til den permanente magnet, så maksimalt drejningsmoment kan genereres, den permanente magnet roterer med uret.
Når strømmen af spole 2 reduceres, og strømmen af spole 3 øges i overensstemmelse med rotationspositionen, roterer det resulterende magnetfelt også med uret, og den permanente magnet fortsætter også med at rotere.
②
I tilstanden roteret med 30° løber strømmen Io ind i spolen 1, strømmen i spolen 2 nulstilles, og strømmen Io løber ud af spolen 3 .
Ydersiden af spolen 1 bliver til S-polen, og ydersiden af spolen 3 bliver til N-polen.Når vektorerne kombineres, er det resulterende magnetfelt √3 (≈1,72) gange det magnetiske felt, der produceres, når strømmen Io passerer gennem en spole.Dette producerer også et resulterende magnetfelt i en 90° vinkel i forhold til den permanente magnets magnetfelt og roterer med uret.
Når spolens 1's indstrømningsstrøm Io reduceres i overensstemmelse med rotationspositionen, øges spolens 2's indstrømningsstrøm fra nul, og spolens 3's udstrømningsstrøm øges til Io, roterer det resulterende magnetfelt også med uret, og den permanente magnet fortsætter også med at rotere.
※Forudsat at hver fasestrøm er en sinusformet bølgeform, er strømværdien her Io × sin(π⁄3)=Io × √3⁄2 Gennem vektorsyntesen af det magnetiske felt opnås den samlede magnetfeltstørrelse som (√ 3⁄2)2× 2=1,5 gange.Når hver fasestrøm er en sinusbølge, uanset positionen af den permanente magnet, er størrelsen af vektorens sammensatte magnetfelt 1,5 gange størrelsen af det magnetiske felt, der genereres af en spole, og magnetfeltet er i en 90° vinkel i forhold til til permanentmagnetens magnetfelt.
③
I tilstanden med at fortsætte med at rotere med 30°, strømmer strømmen Io/2 ind i spolen 1, strømmen Io/2 løber ind i spolen 2, og strømmen Io løber ud af spolen 3.
Ydersiden af spolen 1 bliver S-polen, ydersiden af spolen 2 bliver også S-polen, og ydersiden af spolen 3 bliver N-polen.Når vektorerne kombineres, er det resulterende magnetfelt 1,5 gange det magnetiske felt, der produceres, når en strøm Io flyder gennem en spole (samme som ①).Også her genereres et resulterende magnetfelt i en vinkel på 90° i forhold til permanentmagnetens magnetfelt og roterer med uret.
④～⑥
Drej på samme måde som ① til ③.
På denne måde vil den permanente magnet rotere i en fast retning, hvis strømmen, der strømmer ind i spolen, kontinuerligt skiftes i rækkefølge i overensstemmelse med positionen af den permanente magnet.På samme måde, hvis du vender strømmen og vender det resulterende magnetfelt, vil det rotere mod uret.
Nedenstående figur viser løbende strømmen af hver spole i hvert trin ① til ⑥ ovenfor.Gennem ovenstående introduktion skulle det være muligt at forstå sammenhængen mellem aktuel forandring og rotation.
stepmotor
En stepmotor er en motor, der nøjagtigt kan styre rotationsvinklen og hastigheden synkroniseret med et pulssignal. Stepmotoren kaldes også en "pulsmotor".Fordi stepmotorer kun kan opnå nøjagtig positionering gennem åben sløjfe kontrol uden brug af positionssensorer, er de meget brugt i udstyr, der kræver positionering.
Opbygning af stepmotor (to-faset bipolær)
De følgende figurer fra venstre mod højre er et eksempel på stepmotorens udseende, et skematisk diagram af den interne struktur og et skematisk diagram af strukturkonceptet.
I udseendeeksemplet er udseendet af HB (Hybrid) type og PM (Permanent Magnet) type stepmotor angivet.Strukturdiagrammet i midten viser også strukturen af HB-type og PM-type.
En stepmotor er en struktur, hvor spolen er fastgjort, og den permanente magnet roterer.Det konceptuelle diagram af den indre struktur af en stepmotor til højre er et eksempel på en PM-motor, der bruger tofasede (to sæt) spoler.I eksemplet med stepmotorens grundlæggende struktur er spolerne anbragt på ydersiden, og de permanente magneter er anbragt på indersiden.Ud over tofasede spoler findes der trefasede og femfasede typer med flere faser.
Nogle stepmotorer har andre forskellige strukturer, men den grundlæggende struktur af stepmotoren er givet i denne artikel for at lette indførelsen af dens arbejdsprincip.Gennem denne artikel håber jeg at forstå, at stepmotoren grundlæggende vedtager strukturen af fast spole og roterende permanent magnet.
Grundlæggende arbejdsprincip for stepmotor (enfaset excitation)
Følgende figur bruges til at introducere det grundlæggende arbejdsprincip for en stepmotor.Dette er et eksempel på excitation for hver fase (sæt af spoler) af den tofasede bipolære spole ovenfor.Udgangspunktet for dette diagram er, at tilstanden ændres fra ① til ④.Spolen består af henholdsvis spole 1 og spole 2.Desuden angiver de aktuelle pile den aktuelle strømningsretning.
①
- Strømmen løber ind fra venstre side af spolen 1 og løber ud fra højre side af spolen 1 .
- Lad ikke strøm strømme gennem spole 2.
- På dette tidspunkt bliver indersiden af venstre spole 1 N, og indersiden af højre spole 1 bliver S.
- Derfor bliver den permanente magnet i midten tiltrukket af magnetfeltet i spolen 1, bliver tilstanden af venstre S og højre N og stopper.
②
- Strømmen af spolen 1 stoppes, og strømmen løber ind fra oversiden af spolen 2 og løber ud fra undersiden af spolen 2.
- Den indvendige side af den øvre spole 2 bliver til N, og den indvendige side af den nedre spole 2 bliver til S.
- Den permanente magnet tiltrækkes af sit magnetfelt og stopper ved at dreje 90° med uret.
③
- Strømmen af spole 2 stoppes, og strømmen løber ind fra højre side af spole 1 og løber ud fra venstre side af spole 1.
- Indersiden af venstre spole 1 bliver til S, og indersiden af højre spole 1 bliver til N.
- Den permanente magnet tiltrækkes af sit magnetfelt og stopper ved at dreje med uret yderligere 90°.
④
- Strømmen af spolen 1 stoppes, og strømmen løber ind fra undersiden af spolen 2 og løber ud fra oversiden af spolen 2.
- Den indvendige side af den øvre spole 2 bliver til S, og den indvendige side af den nedre spole 2 bliver til N.
- Den permanente magnet tiltrækkes af sit magnetfelt og stopper ved at dreje med uret yderligere 90°.
Indlægstid: Jul-09-2022