2) Motor berputar yang sebenarnya

Di sini, sebagai metode praktis memutar mesin listrik, metode menghasilkan medan magnet berputar menggunakan arus bolak-balik tiga fase dan kumparan diperkenalkan.
(AC tiga fasa adalah sinyal AC dengan interval fasa 120°)

• Medan magnet sintetik pada keadaan ① di atas sesuai dengan gambar ① berikut.
• Medan magnet sintetik pada keadaan ② di atas sama dengan ② pada gambar di bawah.
• Medan magnet sintetik pada keadaan di atas ③ sesuai dengan gambar berikut ③.

Seperti dijelaskan di atas, kumparan yang melingkari inti dibagi menjadi tiga fasa, dan kumparan fasa U, kumparan fasa V, dan kumparan fasa W disusun dengan interval 120°. Kumparan bertegangan tinggi menghasilkan kutub N, dan kumparan bertegangan rendah menghasilkan kutub S.
Karena setiap fase berubah sebagai gelombang sinus, polaritas (kutub N, kutub S) yang dihasilkan oleh setiap kumparan dan medan magnetnya (gaya magnet) berubah.
Pada saat ini, lihat saja kumparan yang menghasilkan kutub N, dan ubah secara berurutan sesuai dengan kumparan fasa U → kumparan fasa V → kumparan fasa W → kumparan fasa U, sehingga berputar.

Struktur motor kecil

Gambar di bawah menunjukkan struktur umum dan perbandingan ketiga motor: motor stepper, motor arus searah (DC) yang disikat, dan motor arus searah (DC) tanpa sikat.Komponen dasar motor ini terutama berupa kumparan, magnet, dan rotor. Selain itu, karena tipenya yang berbeda, mereka dibagi menjadi tipe tetap koil dan tipe tetap magnet.

Berikut ini penjelasan struktur terkait dengan contoh diagram.Karena mungkin ada struktur lain yang lebih terperinci, harap dipahami bahwa struktur yang dijelaskan dalam artikel ini berada dalam kerangka besar.

Di sini, kumparan motor stepper dipasang di bagian luar, dan magnet berputar di bagian dalam.

Di sini, magnet motor DC yang disikat dipasang di bagian luar, dan kumparan diputar di bagian dalam.Sikat dan komutator bertanggung jawab untuk menyuplai daya ke kumparan dan mengubah arah arus.

Di sini, kumparan motor tanpa sikat dipasang di bagian luar, dan magnet berputar di bagian dalam.

Karena jenis motor berbeda, walaupun komponen dasarnya sama, strukturnya berbeda.Secara spesifik akan dijelaskan secara rinci di setiap bagian.

motor yang disikat

Struktur motor yang disikat

Di bawah ini adalah tampilan motor DC brushed yang sering digunakan dalam model, serta skema ledakan dari motor tipe dua kutub (2 magnet) tiga slot (3 kumparan).Mungkin banyak orang yang mempunyai pengalaman membongkar motor dan melepas magnetnya.

Terlihat bahwa magnet permanen motor DC yang disikat bersifat tetap, dan kumparan motor DC yang disikat dapat berputar mengelilingi pusat bagian dalam.Sisi yang diam disebut “stator” dan sisi yang berputar disebut “rotor”.

Berikut ini adalah diagram skema struktur yang mewakili konsep struktur.

Ada tiga komutator (lembaran logam bengkok untuk peralihan arus) di pinggiran poros tengah yang berputar.Untuk menghindari kontak satu sama lain, komutator disusun pada interval 120° (360°±3 buah).Komutator berputar seiring dengan putaran poros.

Satu komutator dihubungkan dengan satu ujung kumparan dan ujung kumparan lainnya, dan tiga komutator dan tiga kumparan membentuk satu kesatuan (cincin) sebagai jaringan rangkaian.

Dua sikat dipasang pada 0° dan 180° untuk kontak dengan komutator.Catu daya DC eksternal dihubungkan ke sikat, dan arus mengalir sesuai dengan jalur sikat → komutator → koil → sikat.

Prinsip putaran motor yang disikat

① Putar berlawanan arah jarum jam dari keadaan awal

Coil A ada di atas, sambungkan power supply ke sikat, biarkan yang kiri (+) dan kanan (-).Arus besar mengalir dari sikat kiri ke kumparan A melalui komutator.Ini adalah struktur dimana bagian atas (sisi luar) kumparan A menjadi kutub S.

Karena 1/2 arus kumparan A mengalir dari sikat kiri ke kumparan B dan kumparan C berlawanan arah dengan kumparan A, maka sisi luar kumparan B dan kumparan C menjadi kutub lemah N (ditunjukkan dengan huruf yang sedikit lebih kecil pada angka) .

Medan magnet yang tercipta dalam kumparan ini serta efek tolak-menolak dan tarikan magnet menyebabkan kumparan tersebut mengalami gaya putar berlawanan arah jarum jam.

② Selanjutnya putar berlawanan arah jarum jam

Selanjutnya diasumsikan sikat kanan bersentuhan dengan kedua komutator dalam keadaan kumparan A diputar berlawanan arah jarum jam sebesar 30°.

Arus kumparan A terus mengalir dari sikat kiri ke sikat kanan, dan bagian luar kumparan menahan kutub S.

Arus yang sama seperti Kumparan A mengalir melalui Kumparan B, dan bagian luar Kumparan B menjadi kutub N yang lebih kuat.

Karena kedua ujung kumparan C dihubung pendek oleh sikat, tidak ada arus yang mengalir dan tidak ada medan magnet yang dihasilkan.

Bahkan dalam kasus ini, gaya rotasi berlawanan arah jarum jam tetap dialami.

Dari ③ ke ④, kumparan atas terus menerima gaya ke kiri, dan kumparan bawah terus menerima gaya ke kanan, dan terus berputar berlawanan arah jarum jam.

Bila kumparan diputar ke ③ dan ④ setiap 30°, bila kumparan diposisikan di atas sumbu horizontal tengah, sisi luar kumparan menjadi kutub S; bila kumparan diposisikan di bawah, ia menjadi kutub N, dan gerakan ini diulangi.

Dengan kata lain, kumparan atas berulang kali dipaksa ke kiri, dan kumparan bawah berulang kali dipaksa ke kanan (keduanya berlawanan arah jarum jam).Hal ini membuat rotor terus berputar berlawanan arah jarum jam.

Jika Anda menghubungkan daya ke sikat kiri (-) dan kanan (+) yang berlawanan, medan magnet yang berlawanan akan tercipta di kumparan, sehingga gaya yang diterapkan pada kumparan juga berlawanan arah, berputar searah jarum jam.

Selain itu, ketika listrik dimatikan, rotor motor yang disikat berhenti berputar karena tidak ada medan magnet yang menjaganya tetap berputar.

Motor tanpa sikat gelombang penuh tiga fase

Penampilan dan struktur motor brushless gelombang penuh tiga fase

Gambar di bawah menunjukkan contoh tampilan dan struktur motor brushless.

Di sebelah kiri adalah contoh motor spindel yang digunakan untuk memutar cakram optik pada perangkat pemutaran cakram optik.Total tiga fasa × 3 total 9 kumparan.Di sebelah kanan adalah contoh motor spindel untuk perangkat FDD, dengan total 12 kumparan (tiga fasa × 4).Kumparan dipasang pada papan sirkuit dan dililitkan di sekitar inti besi.

Bagian berbentuk cakram di sebelah kanan kumparan adalah rotor magnet permanen.Bagian pinggirannya berupa magnet permanen, poros rotor dimasukkan ke bagian tengah kumparan dan menutupi bagian kumparan, dan magnet permanen mengelilingi pinggiran kumparan.

Diagram struktur internal dan rangkaian setara sambungan kumparan motor brushless gelombang penuh tiga fase

Berikut adalah diagram skema struktur internal dan diagram skema rangkaian ekivalen sambungan kumparan.

Diagram internal ini adalah contoh motor 2 kutub (2 magnet) 3 slot (3 kumparan) yang sangat sederhana.Mirip dengan struktur motor yang disikat dengan jumlah kutub dan slot yang sama, tetapi sisi kumparannya tetap dan magnetnya dapat berputar.Tentu saja, tanpa kuas.

Dalam hal ini, kumparan dihubungkan dengan Y, menggunakan elemen semikonduktor untuk menyuplai arus ke kumparan, dan arus masuk dan keluar dikontrol sesuai dengan posisi magnet yang berputar.Dalam contoh ini, elemen Hall digunakan untuk mendeteksi posisi magnet.Elemen Hall disusun di antara kumparan, dan tegangan yang dihasilkan dideteksi berdasarkan kekuatan medan magnet dan digunakan sebagai informasi posisi.Pada gambar motor spindel FDD yang diberikan sebelumnya juga terlihat terdapat elemen Hall (di atas kumparan) untuk pendeteksi posisi antara kumparan dan kumparan.

Elemen hall adalah sensor magnetik yang terkenal.Besarnya medan magnet dapat diubah menjadi besar tegangan, dan arah medan magnet dapat dinyatakan positif atau negatif.Di bawah ini adalah diagram skematik yang menunjukkan efek Hall.

Elemen hall mengambil keuntungan dari fenomena “ketika arus I_{H mengalir melalui semikonduktor dan fluks magnet B tegak lurus terhadap arus, tegangan VH}dihasilkan dalam arah tegak lurus terhadap arus dan medan magnet“, Fisikawan Amerika Edwin Herbert Hall (Edwin Herbert Hall) menemukan fenomena ini dan menyebutnya “efek Hall”.Tegangan yang dihasilkan V_Hdiwakili oleh rumus berikut.

V_H= (K_H/d)・Saya_H・B ※K_H: Koefisien hall, d : ketebalan permukaan penetrasi fluks magnet

Seperti yang ditunjukkan rumus, semakin tinggi arusnya, semakin tinggi pula tegangannya.Fitur ini sering digunakan untuk mendeteksi posisi rotor (magnet).

Prinsip rotasi motor brushless gelombang penuh tiga fase

Prinsip putaran motor brushless akan dijelaskan pada langkah ① hingga ⑥ berikut ini.Untuk memudahkan pemahaman, magnet permanen disederhanakan dari lingkaran menjadi persegi panjang di sini.

①

Di antara kumparan-kumparan tiga fasa, diasumsikan bahwa kumparan 1 terpasang pada arah jam 12, kumparan 2 terpasang pada arah jam 4, dan kumparan 3 dipasang pada arah jam 4. arah jam 8.Misalkan kutub N magnet permanen 2 kutub berada di kiri dan kutub S di kanan, dan dapat diputar.

Arus Io dialirkan ke kumparan 1 untuk menghasilkan medan magnet kutub S di luar kumparan.Arus Io/2 dibuat mengalir dari Coil 2 dan Coil 3 untuk menghasilkan medan magnet kutub-N di luar kumparan.

Ketika medan magnet kumparan 2 dan kumparan 3 divektorkan, maka dihasilkan medan magnet kutub-N ke bawah, yaitu 0,5 kali besarnya medan magnet yang dihasilkan ketika arus Io melewati satu kumparan, dan 1,5 kali lebih besar jika ditambahkan. terhadap medan magnet kumparan 1.Hal ini menciptakan medan magnet yang dihasilkan pada sudut 90° terhadap magnet permanen, sehingga torsi maksimum dapat dihasilkan, magnet permanen berputar searah jarum jam.

Ketika arus kumparan 2 diperkecil dan arus kumparan 3 diperbesar sesuai dengan posisi putarannya, medan magnet yang dihasilkan juga berputar searah jarum jam dan magnet permanen juga terus berputar.

②

Dalam keadaan diputar 30°, arus Io mengalir ke kumparan 1, arus dalam kumparan 2 dijadikan nol, dan arus Io mengalir keluar dari kumparan 3.

Bagian luar kumparan 1 menjadi kutub S, dan bagian luar kumparan 3 menjadi kutub N.Jika vektor-vektor tersebut digabungkan, medan magnet yang dihasilkan adalah √3 (≈1,72) kali medan magnet yang dihasilkan ketika arus Io melewati sebuah kumparan.Ini juga menghasilkan medan magnet yang dihasilkan pada sudut 90° terhadap medan magnet magnet permanen dan berputar searah jarum jam.

Ketika arus masuk Io kumparan 1 diperkecil sesuai posisi putarannya, arus masuk kumparan 2 bertambah dari nol, dan arus keluar kumparan 3 dinaikkan menjadi Io, medan magnet yang dihasilkan juga berputar searah jarum jam, dan magnet permanen juga terus berputar.

※Dengan asumsi bahwa setiap arus fasa berbentuk gelombang sinusoidal, nilai arus di sini adalah Io × sin(π⁄3)=Io × √3⁄2 Melalui sintesis vektor medan magnet, total ukuran medan magnet diperoleh sebagai ( √ 3⁄2)²× 2=1,5 kali.Ketika setiap arus fasa adalah gelombang sinus, terlepas dari posisi magnet permanen, besarnya medan magnet komposit vektor adalah 1,5 kali lipat medan magnet yang dihasilkan oleh kumparan, dan medan magnet berada pada sudut relatif 90°. terhadap medan magnet magnet permanen.

③

Dalam keadaan terus berputar sebesar 30°, arus Io/2 mengalir ke kumparan 1, arus Io/2 mengalir ke kumparan 2, dan arus Io mengalir ke luar kumparan 3.

Bagian luar kumparan 1 menjadi kutub S, bagian luar kumparan 2 menjadi kutub S, dan bagian luar kumparan 3 menjadi kutub N.Jika vektor-vektor tersebut digabungkan, medan magnet yang dihasilkan adalah 1,5 kali medan magnet yang dihasilkan ketika arus Io mengalir melalui kumparan (sama seperti ①).Di sini juga, medan magnet yang dihasilkan dihasilkan pada sudut 90° terhadap medan magnet magnet permanen dan berputar searah jarum jam.

④～⑥

Putar dengan cara yang sama seperti ① ke ③.

Dengan cara ini, jika arus yang mengalir ke kumparan terus menerus dialihkan secara berurutan sesuai dengan posisi magnet permanen, maka magnet permanen akan berputar dalam arah yang tetap.Demikian pula, jika Anda membalik aliran arus dan membalikkan medan magnet yang dihasilkan, maka putarannya akan berlawanan arah jarum jam.

Gambar di bawah ini secara terus menerus menunjukkan arus masing-masing kumparan pada setiap langkah ① hingga ⑥ di atas.Melalui pendahuluan di atas, kita dapat memahami hubungan antara perubahan arus dan rotasi.

motor stepper

Motor stepper adalah motor yang dapat mengontrol sudut dan kecepatan putaran secara akurat dalam sinkronisasi dengan sinyal pulsa. Motor stepper juga disebut “motor pulsa”.Karena motor stepper dapat mencapai penentuan posisi yang akurat hanya melalui kontrol loop terbuka tanpa menggunakan sensor posisi, motor ini banyak digunakan pada peralatan yang memerlukan penentuan posisi.

Struktur motor stepper (bipolar dua fasa)

Gambar dari kiri ke kanan berikut ini merupakan contoh tampilan motor penggerak, diagram skema struktur internal, dan diagram skema konsep struktur.

Pada contoh tampilan, diberikan tampilan motor penggerak tipe HB (Hybrid) dan tipe PM (Permanent Magnet).Diagram struktur di tengah juga menunjukkan struktur tipe HB dan tipe PM.

Motor penggerak adalah struktur di mana kumparan dipasang dan magnet permanen berputar.Diagram konseptual struktur internal motor stepper di sebelah kanan adalah contoh motor PM yang menggunakan kumparan dua fasa (dua set).Pada contoh struktur dasar motor penggerak, kumparan disusun di bagian luar dan magnet permanen disusun di bagian dalam.Selain kumparan dua fasa, ada pula jenis kumparan tiga fasa dan lima fasa yang fasanya lebih banyak.

Beberapa motor stepper memiliki struktur lain yang berbeda, namun struktur dasar motor stepper diberikan dalam artikel ini untuk memudahkan pengenalan prinsip kerjanya.Melalui artikel ini saya berharap dapat memahami bahwa motor penggerak pada dasarnya mengadopsi struktur kumparan tetap dan magnet permanen yang berputar.

Prinsip kerja dasar motor stepper (eksitasi satu fasa)

Gambar berikut digunakan untuk memperkenalkan prinsip kerja dasar motor stepper.Ini adalah contoh eksitasi untuk setiap fasa (kumpulan kumparan) kumparan bipolar dua fasa di atas.Premis diagram ini adalah keadaan berubah dari ① menjadi ④.Kumparan tersebut masing-masing terdiri dari Kumparan 1 dan Kumparan 2.Selain itu, panah arus menunjukkan arah aliran arus.

①

• Arus mengalir masuk dari sisi kiri kumparan 1 dan mengalir keluar dari sisi kanan kumparan 1 .
• Jangan biarkan arus mengalir melalui koil 2.
• Pada saat ini sisi dalam kumparan kiri 1 menjadi N, dan sisi dalam kumparan kanan 1 menjadi S.
• Oleh karena itu, magnet permanen yang berada di tengah tertarik oleh medan magnet kumparan 1, menjadi keadaan S kiri dan N kanan, dan berhenti.

  ②

• Arus kumparan 1 dihentikan, dan arus mengalir masuk dari kumparan sisi atas 2 dan mengalir keluar dari kumparan sisi bawah 2 .
• Sisi dalam kumparan atas 2 menjadi N, dan sisi dalam kumparan bawah 2 menjadi S.
• Magnet permanen tertarik oleh medan magnetnya dan berhenti dengan memutar 90° searah jarum jam.

  ③

• Arus kumparan 2 dihentikan, arus masuk dari kumparan sebelah kanan 1 dan mengalir keluar dari kumparan sebelah kiri 1 .
• Sisi dalam kumparan kiri 1 menjadi S, dan sisi dalam kumparan kanan 1 menjadi N.
• Magnet permanen tertarik oleh medan magnetnya dan berhenti dengan memutar lagi searah jarum jam sebesar 90°.

  ④

• Arus kumparan 1 dihentikan, dan arus mengalir masuk dari kumparan sisi bawah 2 dan mengalir keluar dari kumparan sisi atas 2 .
• Sisi dalam kumparan atas 2 menjadi S, dan sisi dalam kumparan bawah 2 menjadi N.
• Magnet permanen tertarik oleh medan magnetnya dan berhenti dengan memutar lagi searah jarum jam sebesar 90°.