2) Motore rotante effettivo

Qui, come metodo pratico per ruotare le macchine elettriche, viene introdotto un metodo per produrre un campo magnetico rotante utilizzando corrente alternata trifase e bobine.
(La CA trifase è un segnale CA con un intervallo di fase di 120°)

• Il campo magnetico sintetico nello stato ① sopra corrisponde alla seguente figura ①.
• Il campo magnetico sintetico nello stato ② sopra corrisponde a ② nella figura seguente.
• Il campo magnetico sintetico nello stato sopra ③ corrisponde alla seguente figura ③.

Come descritto sopra, la bobina avvolta attorno al nucleo è divisa in tre fasi e la bobina di fase U, la bobina di fase V e la bobina di fase W sono disposte a intervalli di 120°. La bobina con alta tensione genera il polo N e la bobina con bassa tensione genera il polo S.
Poiché ciascuna fase cambia come un'onda sinusoidale, la polarità (polo N, polo S) generata da ciascuna bobina e il suo campo magnetico (forza magnetica) cambiano.
A questo punto, basta guardare la bobina che produce il polo N e cambiare in sequenza in base alla bobina di fase U→bobina di fase V→bobina di fase W→bobina di fase U, ruotando così.

Struttura di un piccolo motore

La figura seguente mostra la struttura generale e il confronto dei tre motori: motore passo-passo, motore a corrente continua con spazzole (CC) e motore a corrente continua senza spazzole (CC).I componenti base di questi motori sono principalmente bobine, magneti e rotori. Inoltre, a causa dei diversi tipi, sono suddivisi in tipo fisso con bobina e tipo fisso con magnete.

Di seguito è riportata la descrizione della struttura associata al diagramma di esempio.Poiché potrebbero esserci altre strutture su base più granulare, ti preghiamo di comprendere che la struttura descritta in questo articolo rientra in un quadro più ampio.

Qui la bobina del motore passo-passo è fissata all'esterno e il magnete ruota all'interno.

Qui i magneti del motore DC con spazzole sono fissati all'esterno e le bobine vengono ruotate all'interno.Le spazzole e il commutatore sono responsabili dell'alimentazione della bobina e del cambiamento della direzione della corrente.

Qui la bobina del motore brushless è fissata all'esterno e il magnete ruota all'interno.

A causa dei diversi tipi di motori, anche se i componenti di base sono gli stessi, la struttura è diversa.Le specifiche verranno spiegate in dettaglio in ogni sezione.

motore spazzolato

Struttura del motore spazzolato

Di seguito è riportato l'aspetto di un motore CC con spazzole spesso utilizzato nei modelli, nonché uno schema esploso di un comune motore di tipo a due poli (2 magneti) e a tre slot (3 bobine).Forse molte persone hanno avuto l'esperienza di smontare il motore ed estrarre il magnete.

Si può vedere che i magneti permanenti del motore DC con spazzole sono fissi e le bobine del motore DC con spazzole possono ruotare attorno al centro interno.Il lato stazionario è chiamato “statore” mentre il lato rotante è chiamato “rotore”.

Quello che segue è un diagramma schematico della struttura che rappresenta il concetto di struttura.

Ci sono tre commutatori (lamiere piegate per la commutazione della corrente) sulla periferia dell'asse centrale rotante.Per evitare contatti tra loro i commutatori sono disposti ad un intervallo di 120° (360°÷3 pezzi).Il commutatore ruota mentre ruota l'albero.

Un commutatore è collegato con un'estremità della bobina e l'altra estremità della bobina, e tre commutatori e tre bobine formano un insieme (anello) come una rete circuitale.

Due spazzole sono fisse a 0° e 180° per il contatto con il commutatore.L'alimentatore CC esterno è collegato alla spazzola e la corrente scorre secondo il percorso della spazzola → commutatore → bobina → spazzola.

Principio di rotazione del motore a spazzole

① Ruotare in senso antiorario dallo stato iniziale

La bobina A è in alto, collega l'alimentazione alla spazzola, lascia che la sinistra sia (+) e la destra sia (-).Una grande corrente scorre dalla spazzola sinistra alla bobina A attraverso il commutatore.Questa è la struttura in cui la parte superiore (lato esterno) della bobina A diventa il polo S.

Poiché 1/2 della corrente della bobina A scorre dalla spazzola sinistra alla bobina B e alla bobina C nella direzione opposta alla bobina A, i lati esterni della bobina B e della bobina C diventano poli N deboli (indicati da lettere leggermente più piccole nell'immagine). figura) .

I campi magnetici creati in queste bobine e gli effetti repulsivi e attrattivi dei magneti sottopongono le bobine a una forza di rotazione in senso antiorario.

② Girare ulteriormente in senso antiorario

Successivamente, si presuppone che la spazzola destra sia in contatto con i due commutatori in uno stato in cui la bobina A viene ruotata in senso antiorario di 30°.

La corrente della bobina A continua a fluire dalla spazzola sinistra a quella destra e l'esterno della bobina mantiene il polo S.

La stessa corrente della bobina A scorre attraverso la bobina B e l'esterno della bobina B diventa il polo N più forte.

Poiché entrambe le estremità della bobina C sono cortocircuitate dalle spazzole, non scorre corrente e non viene generato alcun campo magnetico.

Anche in questo caso si avverte una forza di rotazione in senso antiorario.

Da ③ a ④, la bobina superiore continua a ricevere una forza verso sinistra, mentre la bobina inferiore continua a ricevere una forza verso destra e continua a ruotare in senso antiorario

Quando la bobina viene ruotata verso ③ e ④ ogni 30°, quando la bobina è posizionata sopra l'asse orizzontale centrale, il lato esterno della bobina diventa il polo S; quando la bobina è posizionata in basso diventa il polo N e questo movimento si ripete.

In altre parole, la bobina superiore viene ripetutamente forzata a sinistra e quella inferiore viene ripetutamente forzata a destra (entrambe in senso antiorario).Ciò mantiene il rotore che gira continuamente in senso antiorario.

Se si collega l'alimentazione alle spazzole opposte sinistra (-) e destra (+), nelle bobine vengono creati campi magnetici opposti, quindi anche la forza applicata alle bobine è nella direzione opposta, ruotando in senso orario.

Inoltre, quando si spegne l'alimentazione, il rotore del motore a spazzole smette di ruotare perché non è presente alcun campo magnetico che lo mantenga in rotazione.

Motore brushless trifase a onda intera

Aspetto e struttura del motore brushless trifase a onda intera

La figura seguente mostra un esempio dell'aspetto e della struttura di un motore brushless.

A sinistra c'è un esempio di un motore a mandrino utilizzato per far girare un disco ottico in un dispositivo di riproduzione di dischi ottici.Un totale di trifase × 3 totale di 9 bobine.A destra è riportato un esempio di motore mandrino per un dispositivo FDD, con un totale di 12 bobine (trifase × 4).La bobina è fissata sul circuito stampato e avvolta attorno al nucleo di ferro.

La parte a forma di disco a destra della bobina è il rotore a magnete permanente.La periferia è un magnete permanente, l'albero del rotore è inserito nella parte centrale della bobina e copre la parte della bobina, e il magnete permanente circonda la periferia della bobina.

Schema della struttura interna e circuito equivalente di collegamento della bobina del motore brushless trifase a onda intera

Di seguito è riportato un diagramma schematico della struttura interna e un diagramma schematico del circuito equivalente della connessione della bobina.

Questo schema interno è un esempio di un motore molto semplice a 2 poli (2 magneti) e 3 slot (3 bobine).È simile alla struttura di un motore a spazzole con lo stesso numero di poli e slot, ma il lato della bobina è fisso e i magneti possono ruotare.Ovviamente niente spazzole.

In questo caso, la bobina è collegata a Y, utilizzando un elemento semiconduttore per fornire corrente alla bobina, e l'afflusso e il deflusso della corrente sono controllati in base alla posizione del magnete rotante.In questo esempio viene utilizzato un elemento Hall per rilevare la posizione del magnete.L'elemento Hall è disposto tra le bobine e la tensione generata viene rilevata in base all'intensità del campo magnetico e utilizzata come informazione di posizione.Nell'immagine del motore mandrino FDD fornita in precedenza, si può anche vedere che è presente un elemento Hall (sopra la bobina) per il rilevamento della posizione tra bobina e bobina.

Gli elementi Hall sono sensori magnetici ben noti.L'entità del campo magnetico può essere convertita nell'entità della tensione e la direzione del campo magnetico può essere espressa come positiva o negativa.Di seguito è riportato un diagramma schematico che mostra l'effetto Hall.

Gli elementi Hall sfruttano il fenomeno secondo cui “quando una corrente I_{H scorre attraverso un semiconduttore e un flusso magnetico B passa ad angolo retto rispetto alla corrente, una tensione VH}viene generato nella direzione perpendicolare alla corrente e al campo magnetico“, il fisico americano Edwin Herbert Hall (Edwin Herbert Hall) scoprì questo fenomeno e lo chiamò “effetto Hall”.La tensione risultante V_Hè rappresentato dalla seguente formula.

V_H= (k_H/ d)・I_H・B ※K_H: Coefficiente di Hall, d: spessore della superficie di penetrazione del flusso magnetico

Come mostra la formula, maggiore è la corrente, maggiore è la tensione.Questa funzione viene spesso utilizzata per rilevare la posizione del rotore (magnete).

Principio di rotazione del motore brushless trifase a onda intera

Il principio di rotazione del motore brushless verrà spiegato nei passaggi successivi da ① a ⑥.Per una facile comprensione, qui i magneti permanenti sono semplificati da cerchi a rettangoli.

①

Per le bobine trifase si presuppone che la bobina 1 sia fissata in direzione delle ore 12, la bobina 2 sia fissata in direzione delle ore 4 e la bobina 3 sia fissata in direzione delle ore 4 e la bobina 3 sia fissata in direzione delle ore 4. direzione delle 8 dell'orologio.Lascia che il polo N del magnete permanente a 2 poli sia a sinistra e il polo S a destra e possa essere ruotato.

Una corrente Io scorre nella bobina 1 per generare un campo magnetico di polo S all'esterno della bobina.La corrente Io/2 viene fatta fluire dalla bobina 2 e dalla bobina 3 per generare un campo magnetico di polo N all'esterno della bobina.

Quando i campi magnetici della bobina 2 e della bobina 3 vengono vettorizzati, viene generato un campo magnetico di polo N verso il basso, che è 0,5 volte la dimensione del campo magnetico generato quando la corrente Io passa attraverso una bobina, ed è 1,5 volte più grande se sommata al campo magnetico della bobina 1.Questo crea un campo magnetico risultante con un angolo di 90° rispetto al magnete permanente, in modo da poter generare la coppia massima, il magnete permanente ruota in senso orario.

Quando la corrente della bobina 2 diminuisce e la corrente della bobina 3 aumenta in base alla posizione di rotazione, anche il campo magnetico risultante ruota in senso orario e anche il magnete permanente continua a ruotare.

②

Nello stato ruotato di 30° la corrente Io fluisce nella bobina 1 , la corrente nella bobina 2 viene azzerata e la corrente Io esce dalla bobina 3 .

L'esterno della bobina 1 diventa il polo S e l'esterno della bobina 3 diventa il polo N.Quando i vettori vengono combinati, il campo magnetico risultante è √3 (≈1,72) volte il campo magnetico prodotto quando la corrente Io passa attraverso una bobina.Questo produce anche un campo magnetico risultante con un angolo di 90° rispetto al campo magnetico del magnete permanente e ruota in senso orario.

Quando la corrente di afflusso Io della bobina 1 diminuisce in base alla posizione di rotazione, la corrente di afflusso della bobina 2 viene aumentata da zero e la corrente di deflusso della bobina 3 viene aumentata a Io, anche il campo magnetico risultante ruota in senso orario, e anche il magnete permanente continua a ruotare.

※Supponendo che ciascuna corrente di fase sia una forma d'onda sinusoidale, il valore della corrente qui è Io × sin(π⁄3)=Io × √3⁄2 Attraverso la sintesi vettoriale del campo magnetico, la dimensione totale del campo magnetico si ottiene come ( √ 3⁄2)²× 2=1,5 volte.Quando ciascuna corrente di fase è un'onda sinusoidale, indipendentemente dalla posizione del magnete permanente, l'ampiezza del campo magnetico composito vettoriale è 1,5 volte quella del campo magnetico generato da una bobina e il campo magnetico forma un angolo di 90° rispetto al campo magnetico del magnete permanente.

③

Continuando a ruotare di 30°, la corrente Io/2 fluisce nella bobina 1 , la corrente Io/2 fluisce nella bobina 2 e la corrente Io esce dalla bobina 3 .

L'esterno della bobina 1 diventa il polo S, anche l'esterno della bobina 2 diventa il polo S e l'esterno della bobina 3 diventa il polo N.Quando i vettori vengono combinati, il campo magnetico risultante è 1,5 volte il campo magnetico prodotto quando una corrente Io scorre attraverso una bobina (come ①).Anche in questo caso viene generato un campo magnetico risultante con un angolo di 90° rispetto al campo magnetico del magnete permanente e ruota in senso orario.

④～⑥

Ruotare allo stesso modo da ① a ③.

In questo modo, se la corrente che scorre nella bobina viene commutata continuamente in sequenza in base alla posizione del magnete permanente, il magnete permanente ruoterà in una direzione fissa.Allo stesso modo, se si inverte il flusso di corrente e si inverte il campo magnetico risultante, ruoterà in senso antiorario.

La figura seguente mostra continuamente la corrente di ciascuna bobina in ogni passaggio da ① a ⑥ sopra.Attraverso l'introduzione di cui sopra, dovrebbe essere possibile comprendere la relazione tra il cambiamento attuale e la rotazione.

motore passo-passo

Un motore passo-passo è un motore in grado di controllare accuratamente l'angolo di rotazione e la velocità in sincronia con un segnale a impulsi. Il motore passo-passo è anche chiamato “motore a impulsi”.Poiché i motori passo-passo possono ottenere un posizionamento accurato solo attraverso il controllo ad anello aperto senza l'uso di sensori di posizione, sono ampiamente utilizzati nelle apparecchiature che richiedono il posizionamento.

Struttura del motore passo-passo (bipolare bifase)

Le seguenti figure da sinistra a destra sono un esempio dell'aspetto del motore passo-passo, un diagramma schematico della struttura interna e un diagramma schematico del concetto di struttura.

Nell'esempio dell'aspetto, viene fornito l'aspetto del motore passo-passo di tipo HB (ibrido) e di tipo PM (a magnete permanente).Il diagramma della struttura al centro mostra anche la struttura del tipo HB e del tipo PM.

Un motore passo-passo è una struttura in cui la bobina è fissa e il magnete permanente ruota.Il diagramma concettuale della struttura interna di un motore passo-passo sulla destra è un esempio di un motore PM che utilizza due fasi (due set) di bobine.Nell'esempio della struttura base del motore passo-passo le bobine sono disposte all'esterno e i magneti permanenti all'interno.Oltre alle bobine bifase, esistono tipi trifase e cinque fasi con più fasi.

Alcuni motori passo-passo hanno altre strutture diverse, ma la struttura di base del motore passo-passo è fornita in questo articolo per facilitare l'introduzione del suo principio di funzionamento.Attraverso questo articolo, spero di capire che il motore passo-passo adotta fondamentalmente la struttura della bobina fissa e del magnete permanente rotante.

Principio di funzionamento di base del motore passo-passo (eccitazione monofase)

La figura seguente viene utilizzata per introdurre il principio di funzionamento di base di un motore passo-passo.Questo è un esempio di eccitazione per ciascuna fase (insieme di bobine) della bobina bipolare bifase sopra.La premessa di questo diagramma è che lo stato cambia da ① a ④.La bobina è composta rispettivamente da Bobina 1 e Bobina 2.Inoltre, le frecce attuali indicano la direzione del flusso attuale.

①

• La corrente entra dal lato sinistro della bobina 1 ed esce dal lato destro della bobina 1 .
• Non consentire alla corrente di fluire attraverso la bobina 2.
• A questo punto, il lato interno della bobina sinistra 1 diventa N, e il lato interno della bobina destra 1 diventa S.
• Pertanto, il magnete permanente al centro viene attratto dal campo magnetico della bobina 1, diventa lo stato di sinistra S e di destra N e si ferma.

  ②

• La corrente della bobina 1 viene interrotta e la corrente fluisce dal lato superiore della bobina 2 e fuoriesce dal lato inferiore della bobina 2.
• Il lato interno della bobina superiore 2 diventa N e il lato interno della bobina inferiore 2 diventa S.
• Il magnete permanente è attratto dal suo campo magnetico e si ferma ruotando di 90° in senso orario.

  ③

• La corrente della bobina 2 viene interrotta e la corrente entra dal lato destro della bobina 1 e fuoriesce dal lato sinistro della bobina 1.
• Il lato interno della bobina sinistra 1 diventa S, e il lato interno della bobina destra 1 diventa N.
• Il magnete permanente viene attratto dal suo campo magnetico e si ferma ruotando in senso orario di altri 90°.

  ④

• La corrente della bobina 1 viene interrotta e la corrente fluisce dal lato inferiore della bobina 2 e fuoriesce dal lato superiore della bobina 2.
• Il lato interno della bobina superiore 2 diventa S e il lato interno della bobina inferiore 2 diventa N.
• Il magnete permanente viene attratto dal suo campo magnetico e si ferma ruotando in senso orario di altri 90°.