Case a metade do consumo de enerxía mundial consomen os motores. Polo tanto, dise que mellorar a eficiencia dos motores é a medida máis eficaz para resolver os problemas enerxéticos do mundo.
Tipo de motor
En xeral, refírese a converter a forza xerada polo fluxo de corrente no campo magnético nun movemento rotatorio, e tamén inclúe o movemento lineal nun amplo rango.
Segundo o tipo de fonte de alimentación impulsada polo motor, pódese dividir en motor DC e motor AC.Segundo o principio de rotación do motor, pódese dividir aproximadamente nos seguintes tipos.(excepto para motores especiais)
Sobre as correntes, os campos magnéticos e as forzas
En primeiro lugar, para a conveniencia das explicacións posteriores do principio motor, repasemos as leis/leis básicas sobre correntes, campos magnéticos e forzas.Aínda que hai unha sensación de nostalxia, é fácil esquecer este coñecemento se non usas con frecuencia compoñentes magnéticos.
Combinamos imaxes e fórmulas para ilustrar.
Cando o cadro de chumbo é rectangular, tense en conta a forza que actúa sobre a corrente.
A forza F que actúa nos lados a e c é
Xera torque ao redor do eixe central.
Por exemplo, ao considerar o estado no que só está o ángulo de rotaciónθ, a forza que actúa en ángulo recto con b e d é senθ, polo que o torque Ta da parte a exprésase coa seguinte fórmula:
Considerando a parte c do mesmo xeito, o par dobrase e dáse un par calculado por:
Dado que a área do rectángulo é S=h·l, substituíndoo na fórmula anterior obtén os seguintes resultados:
Esta fórmula funciona non só para rectángulos, senón tamén para outras formas comúns como círculos.Os motores usan este principio.
Como xira o motor?
1) O motor xira coa axuda do imán, forza magnética
Arredor dun imán permanente cun eixe xiratorio,① xira o imán(para xerar un campo magnético rotativo),② segundo o principio dos polos N e S que atraen polos opostos e repelen ao mesmo nivel,③ o imán co eixe xiratorio xirará.
Este é o principio básico da rotación do motor.
Un campo magnético xiratorio (forza magnética) xérase ao redor do fío cando unha corrente flúe polo fío, e o imán xira, que é en realidade o mesmo estado de funcionamento.
Ademais, cando o fío se enrola en forma de bobina, combínase a forza magnética, fórmase un gran fluxo de campo magnético (fluxo magnético) e xéranse o polo N e o polo S.
Ademais, ao inserir un núcleo de ferro no fío enrolado, faise máis doado o paso da forza magnética e pódese xerar unha forza magnética máis forte.
2) Motor rotativo real
Aquí, como método práctico de xirar máquinas eléctricas, introdúcese un método para producir un campo magnético xiratorio usando corrente alterna trifásica e bobinas.
(A CA trifásica é un sinal de CA cun intervalo de fase de 120°)
- O campo magnético sintético no estado ① anterior corresponde á seguinte figura ①.
- O campo magnético sintético no estado ② anterior corresponde a ② na figura seguinte.
- O campo magnético sintético no estado anterior ③ correspóndese coa seguinte figura ③.
Como se describe anteriormente, a bobina enrolada ao redor do núcleo divídese en tres fases, e a bobina de fase U, a bobina de fase V e a bobina de fase W están dispostas a intervalos de 120 °. A bobina con alta tensión xera polo N, e a bobina con baixa tensión xera polo S.
Dado que cada fase cambia como onda sinusoidal, a polaridade (polo N, polo S) xerada por cada bobina e o seu campo magnético (forza magnética) cambian.
Neste momento, basta con mirar a bobina que produce o polo N e cambiar a secuencia segundo a bobina de fase U → Bobina de fase V → Bobina de fase W → Bobina de fase U, rotando así.
Estrutura dun pequeno motor
A seguinte figura mostra a estrutura xeral e a comparación dos tres motores: motor paso a paso, motor de corrente continua con escobillas (DC) e motor de corrente continua sen escobillas (DC).Os compoñentes básicos destes motores son principalmente bobinas, imáns e rotores. Ademais, debido aos diferentes tipos, divídense en tipo fixo de bobina e tipo fixo de imán.
A continuación móstrase unha descrición da estrutura asociada ao diagrama de exemplo.Dado que pode haber outras estruturas de forma máis granular, entende que a estrutura descrita neste artigo está dentro dun marco amplo.
Aquí, a bobina do motor paso a paso está fixada no exterior e o imán xira no interior.
Aquí, os imáns do motor de CC cepillado están fixados no exterior e as bobinas xiran no interior.As escobillas e o conmutador son os encargados de subministrar enerxía á bobina e de cambiar a dirección da corrente.
Aquí, a bobina do motor sen escobillas está fixada no exterior e o imán xira no interior.
Debido aos diferentes tipos de motores, aínda que os compoñentes básicos sexan os mesmos, a estrutura é diferente.Os detalles específicos explicaranse en detalle en cada sección.
motor cepillado
Estrutura do motor cepillado
A continuación móstrase o aspecto dun motor de corrente continua con escobillas que se usa a miúdo nos modelos, así como un esquema explosivo dun motor común de dous polos (2 imáns) de tres ranuras (3 bobinas).Quizais moita xente teña a experiencia de desmontar o motor e sacar o imán.
Pódese ver que os imáns permanentes do motor DC cepillado están fixos e as bobinas do motor DC cepillado poden xirar ao redor do centro interior.O lado estacionario chámase "estator" e o lado xiratorio denomínase "rotor".
O seguinte é un diagrama esquemático da estrutura que representa o concepto de estrutura.
Hai tres conmutadores (chapas metálicas dobradas para a conmutación de corrente) na periferia do eixe central xiratorio.Para evitar o contacto entre si, os conmutadores están dispostos nun intervalo de 120° (360°÷3 pezas).O conmutador xira mentres xira o eixe.
Un conmutador está conectado cun extremo da bobina e o outro extremo da bobina, e tres conmutadores e tres bobinas forman un todo (anel) como unha rede de circuítos.
Dous cepillos están fixados a 0° e 180° para o contacto co conmutador.A fonte de alimentación de CC externa está conectada ao cepillo e a corrente flúe segundo o camiño do cepillo → conmutador → bobina → cepillo.
Principio de rotación do motor cepillado
① Xire en sentido antihorario desde o estado inicial
A bobina A está na parte superior, conecta a fonte de alimentación ao pincel, deixa que a esquerda sexa (+) e a dereita (-).Unha gran corrente flúe dende o cepillo esquerdo ata a bobina A a través do conmutador.Esta é a estrutura na que a parte superior (lado exterior) da bobina A convértese no polo S.
Dado que 1/2 da corrente da bobina A flúe desde o cepillo esquerdo á bobina B e a bobina C na dirección oposta á bobina A, os lados exteriores da bobina B e da bobina C convértense en polos N débiles (indicado por letras lixeiramente máis pequenas no figura).
Os campos magnéticos creados nestas bobinas e os efectos repulsivos e atractivos dos imáns someten as bobinas a unha forza de rotación no sentido antihorario.
② Xire máis en sentido antihorario
A continuación, suponse que a escobilla dereita está en contacto cos dous conmutadores nun estado no que a bobina A xira 30° en sentido antihorario.
A corrente da bobina A segue a fluír dende a xesta esquerda cara a dereita, e o exterior da bobina mantén o polo S.
A mesma corrente que a bobina A flúe pola bobina B, e o exterior da bobina B convértese no polo N máis forte.
Dado que os dous extremos da bobina C están curtocircuitados polos cepillos, non circula corrente nin se xera campo magnético.
Incluso neste caso, experimenta unha forza de rotación no sentido antihorario.
De ③ a ④, a bobina superior segue recibindo unha forza cara á esquerda, e a bobina inferior segue recibindo unha forza cara á dereita e segue xirando no sentido antihorario.
Cando a bobina se xira a ③ e ④ cada 30°, cando a bobina está situada por riba do eixe horizontal central, o lado exterior da bobina convértese no polo S; cando a bobina está situada debaixo, convértese no polo N, e este movemento repítese.
Noutras palabras, a bobina superior é forzada repetidamente cara á esquerda, e a bobina inferior é forzada repetidamente cara á dereita (ambas en sentido contrario ás agullas do reloxo).Isto mantén o rotor xirando no sentido antihorario todo o tempo.
Se conectas a enerxía aos cepillos opostos esquerdo (-) e dereito (+), créanse campos magnéticos opostos nas bobinas, polo que a forza aplicada ás bobinas tamén está na dirección oposta, xirando no sentido das agullas do reloxo.
Ademais, cando se desconecta a alimentación, o rotor do motor cepillado deixa de xirar porque non hai campo magnético que o manteña xirando.
Motor trifásico sen escobillas de onda completa
Aspecto e estrutura do motor trifásico sen escobillas de onda completa
A figura seguinte mostra un exemplo da aparencia e estrutura dun motor sen escobillas.
Á esquerda hai un exemplo dun motor de eixo usado para facer xirar un disco óptico nun dispositivo de reprodución de discos ópticos.Un total de trifásico × 3 total de 9 bobinas.Á dereita hai un exemplo de motor de eixo para un dispositivo FDD, cun total de 12 bobinas (trifásica × 4).A bobina está fixada na placa de circuíto e enrolada ao redor do núcleo de ferro.
A parte en forma de disco á dereita da bobina é o rotor de imán permanente.A periferia é un imán permanente, o eixe do rotor insírese na parte central da bobina e cobre a parte da bobina, e o imán permanente rodea a periferia da bobina.
Diagrama de estrutura interna e circuíto equivalente de conexión de bobina do motor sen escobillas trifásico de onda completa
A continuación móstrase un diagrama esquemático da estrutura interna e un diagrama esquemático do circuíto equivalente da conexión da bobina.
Este diagrama interno é un exemplo dun motor moi sinxelo de 2 polos (2 imáns) e 3 ranuras (3 bobinas).É semellante a unha estrutura de motor cepillado co mesmo número de polos e ranuras, pero o lado da bobina está fixo e os imáns poden xirar.Por suposto, sen pinceis.
Neste caso, a bobina está conectada en Y, utilizando un elemento semicondutor para subministrar corrente á bobina, e a entrada e saída de corrente contrólase segundo a posición do imán xiratorio.Neste exemplo, úsase un elemento Hall para detectar a posición do imán.O elemento Hall está disposto entre as bobinas e a tensión xerada detéctase en función da intensidade do campo magnético e úsase como información de posición.Na imaxe do motor de eixo FDD dada anteriormente, tamén se pode ver que hai un elemento Hall (enriba da bobina) para a detección de posición entre a bobina e a bobina.
Os elementos Hall son sensores magnéticos ben coñecidos.A magnitude do campo magnético pódese converter na magnitude da tensión e a dirección do campo magnético pódese expresar como positiva ou negativa.A continuación móstrase un diagrama esquemático que mostra o efecto Hall.
Os elementos do salón aproveitan o fenómeno de que “cando unha corrente IH atravesa un semicondutor e un fluxo magnético B pasa en ángulo recto coa corrente, unha tensión VHxérase na dirección perpendicular á corrente e ao campo magnético", o físico estadounidense Edwin Herbert Hall (Edwin Herbert Hall) descubriu este fenómeno e chamouno "efecto Hall".A tensión resultante VHrepreséntase coa seguinte fórmula.
VH= (KH/ d)・IH・B ※KH: Coeficiente de Hall, d: espesor da superficie de penetración do fluxo magnético
Como mostra a fórmula, canto maior sexa a corrente, maior será a tensión.Esta característica úsase a miúdo para detectar a posición do rotor (imán).
Principio de rotación do motor trifásico sen escobillas de onda completa
O principio de rotación do motor sen escobillas explicarase nos seguintes pasos ① a ⑥.Para facilitar a comprensión, aquí os imáns permanentes simplifícanse de círculos a rectángulos.
①
Entre as bobinas trifásicas, suponse que a bobina 1 está fixada na dirección das 12 en punto do reloxo, a bobina 2 está fixada na dirección das 4 en punto do reloxo e a bobina 3 está fixada no dirección das 8 horas do reloxo.Deixa que o polo N do imán permanente de 2 polos estea á esquerda e o polo S á dereita, e pódese xirar.
Unha corrente Io flúe á bobina 1 para xerar un campo magnético de polo S fóra da bobina.A corrente Io/2 fai que flúa da bobina 2 e da bobina 3 para xerar un campo magnético de polo N fóra da bobina.
Cando os campos magnéticos da bobina 2 e da bobina 3 se vectorizan, xérase un campo magnético de polo N cara abaixo, que é 0,5 veces o tamaño do campo magnético xerado cando a corrente Io pasa por unha bobina, e é 1,5 veces maior cando se engade. ao campo magnético da bobina 1.Isto crea un campo magnético resultante nun ángulo de 90° co imán permanente, polo que se pode xerar un par máximo, o imán permanente xira no sentido das agullas do reloxo.
Cando a corrente da bobina 2 diminúe e a corrente da bobina 3 aumenta segundo a posición de rotación, o campo magnético resultante tamén xira no sentido horario e o imán permanente tamén continúa xirando.
②
No estado xirado 30°, a corrente Io flúe cara á bobina 1 , a corrente na bobina 2 faise cero e a corrente Io sae da bobina 3 .
O exterior da bobina 1 convértese no polo S, e o exterior da bobina 3 convértese no polo N.Cando se combinan os vectores, o campo magnético resultante é √3 (≈1,72) veces o campo magnético producido cando a corrente Io pasa por unha bobina.Isto tamén produce un campo magnético resultante nun ángulo de 90° respecto ao campo magnético do imán permanente e xira no sentido das agullas do reloxo.
Cando a corrente de entrada Io da bobina 1 diminúe segundo a posición de rotación, a corrente de entrada da bobina 2 aumenta desde cero e a corrente de saída da bobina 3 aumenta a Io, o campo magnético resultante tamén xira no sentido horario, e o imán permanente tamén segue xirando.
※Asumindo que cada corrente de fase é unha forma de onda sinusoidal, o valor de corrente aquí é Io × sen(π⁄3)=Io × √3⁄2 A través da síntese vectorial do campo magnético, o tamaño total do campo magnético obtense como ( √ 3⁄2)2× 2=1,5 veces.Cando cada corrente de fase é unha onda sinusoidal, independentemente da posición do imán permanente, a magnitude do campo magnético composto vectorial é 1,5 veces a do campo magnético xerado por unha bobina, e o campo magnético está nun ángulo de 90° relativo. ao campo magnético do imán permanente.
③
No estado de seguir xirando 30°, a corrente Io/2 flúe na bobina 1, a corrente Io/2 flúe cara a bobina 2 e a corrente Io sae da bobina 3.
O exterior da bobina 1 convértese no polo S, o exterior da bobina 2 tamén se converte no polo S e o exterior da bobina 3 convértese no polo N.Cando os vectores se combinan, o campo magnético resultante é 1,5 veces o campo magnético producido cando unha corrente Io flúe por unha bobina (igual que ①).Tamén aquí xérase un campo magnético resultante nun ángulo de 90° con respecto ao campo magnético do imán permanente e xira no sentido horario.
④～⑥
Xira do mesmo xeito que ① a ③.
Deste xeito, se a corrente que flúe na bobina se cambia continuamente en secuencia segundo a posición do imán permanente, o imán permanente xirará nunha dirección fixa.Do mesmo xeito, se inverte o fluxo de corrente e inverte o campo magnético resultante, xirará no sentido antihorario.
A figura seguinte mostra continuamente a corrente de cada bobina en cada paso ① a ⑥ anterior.A través da introdución anterior, debería ser posible comprender a relación entre o cambio actual e a rotación.
motor paso a paso
Un motor paso a paso é un motor que pode controlar con precisión o ángulo de rotación e a velocidade en sincronización cun sinal de pulso. O motor paso a paso tamén se denomina "motor de pulso".Dado que os motores paso a paso só poden conseguir un posicionamento preciso mediante o control de lazo aberto sen o uso de sensores de posición, úsanse amplamente en equipos que requiren posicionamento.
Estrutura do motor paso a paso (bipolar bifásico)
As seguintes figuras de esquerda a dereita son un exemplo da aparencia do motor paso a paso, un diagrama esquemático da estrutura interna e un diagrama esquemático do concepto de estrutura.
No exemplo de aparencia, dáse a aparencia do motor paso a paso tipo HB (híbrido) e PM (imán permanente).O diagrama de estrutura do medio tamén mostra a estrutura do tipo HB e do tipo PM.
Un motor paso a paso é unha estrutura na que a bobina está fixada e o imán permanente xira.O diagrama conceptual da estrutura interna dun motor paso a paso á dereita é un exemplo dun motor PM que utiliza bobinas de dúas fases (dous conxuntos).No exemplo da estrutura básica do motor paso a paso, as bobinas están dispostas no exterior e os imáns permanentes están dispostos no interior.Ademais das bobinas de dúas fases, hai tipos trifásicos e cinco fases con máis fases.
Algúns motores paso a paso teñen outras estruturas diferentes, pero a estrutura básica do motor paso a paso indícase neste artigo para facilitar a introdución do seu principio de funcionamento.A través deste artigo, espero entender que o motor paso a paso adopta basicamente a estrutura de bobina fixa e imán permanente xiratorio.
Principio básico de funcionamento do motor paso a paso (excitación monofásica)
A seguinte figura úsase para presentar o principio básico de funcionamento dun motor paso a paso.Este é un exemplo de excitación para cada fase (conxunto de bobinas) da bobina bipolar bifásica anterior.A premisa deste diagrama é que o estado cambia de ① a ④.A bobina componse de bobina 1 e bobina 2, respectivamente.Ademais, as frechas actuais indican a dirección do fluxo actual.
①
- A corrente entra polo lado esquerdo da bobina 1 e sae polo lado dereito da bobina 1 .
- Non permita que a corrente circule pola bobina 2.
- Neste momento, o lado interno da bobina esquerda 1 convértese en N e o lado interior da bobina dereita 1 convértese en S.
- Polo tanto, o imán permanente do medio é atraído polo campo magnético da bobina 1, pasa a ser o estado do S esquerdo e do N dereito e detense.
②
- A corrente da bobina 1 está detida e a corrente entra dende o lado superior da bobina 2 e sae pola parte inferior da bobina 2 .
- O lado interno da bobina superior 2 convértese en N e o lado interior da bobina inferior 2 convértese en S.
- O imán permanente é atraído polo seu campo magnético e detense xirando 90° no sentido horario.
③
- A corrente da bobina 2 está detida e a corrente entra polo lado dereito da bobina 1 e sae do lado esquerdo da bobina 1 .
- O lado interior da bobina esquerda 1 convértese en S e o lado interior da bobina dereita 1 convértese en N.
- O imán permanente é atraído polo seu campo magnético e detense xirando no sentido das agullas do reloxo outros 90°.
④
- A corrente da bobina 1 está detida e a corrente entra pola parte inferior da bobina 2 e sae pola parte superior da bobina 2 .
- O lado interior da bobina superior 2 convértese en S e o lado interior da bobina inferior 2 convértese en N.
- O imán permanente é atraído polo seu campo magnético e detense xirando no sentido das agullas do reloxo outros 90°.
Hora de publicación: 09-07-2022