Gandrīz pusi no pasaules enerģijas patēriņa patērē motori. Tāpēc tiek uzskatīts, ka dzinēju efektivitātes uzlabošana ir visefektīvākais pasākums pasaules enerģētikas problēmu risināšanai.
Motora tips
Kopumā tas attiecas uz spēka, ko rada strāvas plūsma magnētiskajā laukā, pārveidošanu rotācijas kustībā, un tas ietver arī lineāru kustību plašā diapazonā.
Atkarībā no barošanas avota veida, ko darbina motors, to var iedalīt līdzstrāvas motorā un maiņstrāvas motorā.Saskaņā ar motora rotācijas principu to var aptuveni iedalīt šādos veidos.(izņemot speciālos motorus)
Par straumēm, magnētiskajiem laukiem un spēkiem
Pirmkārt, turpmāko motora principu skaidrojumu ērtībai, apskatīsim pamatlikumus/likumus par strāvām, magnētiskajiem laukiem un spēkiem.Lai gan ir nostalģijas sajūta, šīs zināšanas ir viegli aizmirst, ja bieži neizmantojat magnētiskos komponentus.
Mēs apvienojam attēlus un formulas, lai ilustrētu.
Ja svina rāmis ir taisnstūrveida, tiek ņemts vērā spēks, kas iedarbojas uz strāvu.
Spēks F, kas iedarbojas uz malām a un c, ir
Rada griezes momentu ap centrālo asi.
Piemēram, apsverot stāvokli, kurā ir tikai rotācijas leņķisθ, spēks, kas darbojas taisnā leņķī pret b un d, ir grēksθ, tāpēc a daļas griezes momentu Ta izsaka ar šādu formulu:
Aplūkojot daļu c tādā pašā veidā, griezes moments tiek dubultots un iegūst griezes momentu, ko aprēķina:
Tā kā taisnstūra laukums ir S=h·l, aizvietojot to iepriekš minētajā formulā, tiek iegūti šādi rezultāti:
Šī formula darbojas ne tikai taisnstūriem, bet arī citām izplatītām formām, piemēram, apļiem.Motori izmanto šo principu.
Kā motors griežas?
1) Motors griežas ar magnēta, magnētiskā spēka palīdzību
Ap pastāvīgo magnētu ar rotējošu vārpstu,① pagriež magnētu(lai radītu rotējošu magnētisko lauku),② saskaņā ar principu, ka N un S stabi piesaista pretējos polus un atgrūž vienā līmenī,③ griezīsies magnēts ar rotējošu vārpstu.
Tas ir motora rotācijas pamatprincips.
Kad caur vadu plūst strāva, ap vadu tiek ģenerēts rotējošs magnētiskais lauks (magnētiskais spēks), un magnēts griežas, kas faktiski ir tāds pats darbības stāvoklis.
Turklāt, kad vads ir uztīts spoles formā, magnētiskais spēks tiek apvienots, veidojas liela magnētiskā lauka plūsma (magnētiskā plūsma) un tiek ģenerēts N pols un S pols.
Turklāt, ievietojot dzelzs serdi uztītajā stieplē, magnētiskajam spēkam kļūst vieglāk iziet cauri, un var radīt spēcīgāku magnētisko spēku.
2) Faktiskais rotējošais motors
Šeit kā praktiska elektrisko mašīnu rotācijas metode tiek ieviesta rotējoša magnētiskā lauka radīšanas metode, izmantojot trīsfāzu maiņstrāvu un spoles.
(Trīsfāzu maiņstrāva ir maiņstrāvas signāls ar fāzes intervālu 120°)
- Sintētiskais magnētiskais lauks iepriekš minētajā ① stāvoklī atbilst nākamajam attēlam ①.
- Sintētiskais magnētiskais lauks augstāk esošajā stāvoklī ② atbilst ② zemāk esošajā attēlā.
- Sintētiskais magnētiskais lauks iepriekš minētajā stāvoklī ③ atbilst nākamajam attēlam ③.
Kā aprakstīts iepriekš, spole ap serdi ir sadalīta trīs fāzēs, un U-fāzes spole, V-fāzes spole un W-fāzes spole ir izvietotas ar 120° intervālu. Spole ar augstu spriegumu ģenerē N polu, un spole ar zemu spriegumu ģenerē S polu.
Tā kā katra fāze mainās kā sinusoidāls vilnis, mainās katras spoles radītā polaritāte (N pols, S pols) un tās magnētiskais lauks (magnētiskais spēks).
Šajā laikā vienkārši apskatiet spoli, kas rada N polu, un mainiet secību atbilstoši U fāzes spolei → V fāzes spolei → W fāzes spolei → U fāzes spolei, tādējādi griežot.
Maza motora uzbūve
Zemāk esošajā attēlā ir parādīta trīs motoru vispārējā struktūra un salīdzinājums: pakāpju motors, matētas līdzstrāvas (DC) motors un bezsuku līdzstrāvas (DC) motors.Šo motoru pamatkomponenti galvenokārt ir spoles, magnēti un rotori. Turklāt dažādu veidu dēļ tie ir sadalīti spoles fiksētā tipa un magnēta fiksētā tipa.
Tālāk ir sniegts ar parauga diagrammu saistītās struktūras apraksts.Tā kā detalizētāk var būt arī citas struktūras, lūdzu, ņemiet vērā, ka šajā rakstā aprakstītā struktūra ir iekļauta lielā ietvarā.
Šeit pakāpju motora spole ir fiksēta ārpusē, un magnēts griežas iekšpusē.
Šeit matēta līdzstrāvas motora magnēti ir fiksēti ārpusē, bet spoles tiek pagrieztas iekšpusē.Birstes un komutators ir atbildīgi par strāvas padevi spolei un strāvas virziena maiņu.
Šeit bezsuku motora spole ir fiksēta ārpusē, un magnēts griežas iekšpusē.
Dažādu motoru veidu dēļ, pat ja pamata sastāvdaļas ir vienādas, struktūra atšķiras.Specifika tiks detalizēti izskaidrota katrā sadaļā.
matēts motors
Matēta motora uzbūve
Tālāk ir parādīts, kā izskatās modeļos bieži izmantotais matēts līdzstrāvas motors, kā arī izplatīta divu polu (2 magnēti) trīs slotu (3 spoles) tipa motora eksplozijas shēma.Varbūt daudziem ir pieredze motora izjaukšanā un magnēta izņemšanā.
Var redzēt, ka matēta līdzstrāvas motora pastāvīgie magnēti ir fiksēti, un matētā līdzstrāvas motora spoles var griezties ap iekšējo centru.Stacionāro pusi sauc par "statoru", bet rotējošo pusi - par "rotoru".
Tālāk ir sniegta struktūras shematiska diagramma, kas atspoguļo struktūras koncepciju.
Rotējošās centrālās ass perifērijā ir trīs komutatori (saliektas metāla loksnes strāvas pārslēgšanai).Lai izvairītos no saskares viens ar otru, komutatori ir izvietoti 120° (360°÷3 gab.) intervālā.Komutators griežas, vārpstai griežoties.
Viens komutators ir savienots ar vienu spoles galu un otru spoles galu, un trīs komutatori un trīs spoles veido veselumu (gredzenu) kā ķēdes tīklu.
Divas birstes ir fiksētas 0° un 180° leņķī, lai saskartos ar komutatoru.Ārējais līdzstrāvas barošanas avots ir pievienots birstei, un strāva plūst atbilstoši sukas → komutatora → spoles → sukas ceļam.
Matēta motora rotācijas princips
① Pagrieziet pretēji pulksteņrādītāja virzienam no sākotnējā stāvokļa
Spole A ir augšpusē, pievienojiet barošanas avotu birstei, lai kreisais ir (+) un labais (-).Liela strāva plūst no kreisās sukas uz spoli A caur komutatoru.Šī ir struktūra, kurā spoles A augšējā daļa (ārējā puse) kļūst par S polu.
Tā kā 1/2 no spoles A strāvas plūst no kreisās birstes uz spoli B un spoli C pretējā virzienā pret spoli A, tad spoles B un spoles C ārējās malas kļūst par vājiem N poliem (to apzīmē ar nedaudz mazākiem burtiem skaitlis).
Šajās spolēs radītie magnētiskie lauki un magnētu atgrūdošie un pievilcīgie efekti pakļauj spoles pretēji pulksteņrādītāja virzienam rotējošam spēkam.
② Tālāk grieziet pretēji pulksteņrādītāja virzienam
Tālāk tiek pieņemts, ka labā suka saskaras ar diviem komutatoriem tādā stāvoklī, kurā spole A ir pagriezta pretēji pulksteņrādītāja virzienam par 30°.
Spoles A strāva turpina plūst no kreisās sukas uz labo suku, un spoles ārpuse uztur S polu.
Caur spoli B plūst tāda pati strāva kā spolei A, un spoles B ārpuse kļūst par spēcīgāko N polu.
Tā kā abos spoles C galos ir īssavienojums ar birstēm, strāva neplūst un magnētiskais lauks netiek radīts.
Pat šajā gadījumā tiek piedzīvots griešanās spēks pretēji pulksteņrādītāja virzienam.
No ③ līdz ④ augšējā spole turpina saņemt spēku pa kreisi, bet apakšējā spole turpina saņemt spēku pa labi un turpina griezties pretēji pulksteņrādītāja virzienam.
Kad spole tiek pagriezta uz ③ un ④ ik pēc 30°, kad spole ir novietota virs centrālās horizontālās ass, spoles ārējā puse kļūst par S polu; kad spole ir novietota zemāk, tā kļūst par N polu, un šī kustība tiek atkārtota.
Citiem vārdiem sakot, augšējā spole tiek atkārtoti spiesta pa kreisi, bet apakšējā - pa labi (abas pretēji pulksteņrādītāja virzienam).Tādējādi rotors visu laiku griežas pretēji pulksteņrādītāja virzienam.
Ja pieslēdzat strāvu pretējās kreisās (-) un labās (+) birstes, spoles tiek radīti pretēji magnētiskie lauki, tāpēc spolēm pieliktais spēks ir arī pretējā virzienā, griežoties pulksteņrādītāja virzienā.
Turklāt, kad strāva tiek izslēgta, matētā motora rotors pārstāj griezties, jo nav magnētiskā lauka, lai tas grieztos.
Trīsfāzu pilna viļņa bezsuku motors
Trīsfāzu pilna viļņa bezsuku motora izskats un struktūra
Zemāk esošajā attēlā ir parādīts bezsuku motora izskata un struktūras piemērs.
Kreisajā pusē ir redzams vārpstas motora piemērs, ko izmanto, lai grieztu optisko disku optiskā diska atskaņošanas ierīcē.Kopā trīsfāzu × 3 kopā 9 spoles.Labajā pusē ir FDD ierīces vārpstas motora piemērs ar 12 spolēm (trīsfāzu × 4).Spole ir piestiprināta pie shēmas plates un aptīta ap dzelzs serdi.
Diska formas daļa pa labi no spoles ir pastāvīgā magnēta rotors.Perifērija ir pastāvīgais magnēts, rotora vārpsta ir ievietota spoles centrālajā daļā un pārklāj spoles daļu, un pastāvīgais magnēts ieskauj spoles perifēriju.
Trīsfāzu pilna viļņa bezsuku motora iekšējā struktūras shēma un spoles savienojuma ekvivalenta ķēde
Nākamā ir iekšējās struktūras shematiska diagramma un spoles savienojuma līdzvērtīgas shēmas shematiska diagramma.
Šī iekšējā diagramma ir ļoti vienkārša 2 polu (2 magnēti) 3 slotu (3 spoles) motora piemērs.Tas ir līdzīgs matētai motora konstrukcijai ar tādu pašu skaitu stabu un slotu, taču spoles puse ir fiksēta un magnēti var griezties.Protams, bez otām.
Šajā gadījumā spole ir savienota ar Y, izmantojot pusvadītāju elementu, lai padotu spoli ar strāvu, un strāvas pieplūde un izplūde tiek kontrolēta atbilstoši rotējošā magnēta stāvoklim.Šajā piemērā, lai noteiktu magnēta pozīciju, tiek izmantots Hall elements.Hall elements ir izvietots starp spolēm, un ģenerētais spriegums tiek noteikts, pamatojoties uz magnētiskā lauka stiprumu, un tiek izmantots kā pozīcijas informācija.Iepriekš sniegtajā FDD vārpstas motora attēlā var arī redzēt, ka ir Hall elements (virs spoles) pozīcijas noteikšanai starp spoli un spoli.
Zāles elementi ir labi zināmi magnētiskie sensori.Magnētiskā lauka lielumu var pārvērst sprieguma lielumā, un magnētiskā lauka virzienu var izteikt kā pozitīvu vai negatīvu.Zemāk ir shematiska diagramma, kurā parādīts Hall efekts.
Zāles elementi izmanto fenomenu, ka “kad strāva IH plūst caur pusvadītāju un magnētiskā plūsma B iet taisnā leņķī pret strāvu, spriegums VHtiek ģenerēts virzienā, kas ir perpendikulārs strāvai un magnētiskajam laukamAmerikāņu fiziķis Edvīns Herberts Hols (Edvins Herberts Hols) atklāja šo fenomenu un nosauca to par "Hāla efektu".Iegūtais spriegums VHir attēlots ar šādu formulu.
VH= (KH/ d)・EsH・B※KH: Hallas koeficients, d: magnētiskās plūsmas caurlaidības virsmas biezums
Kā parāda formula, jo lielāka strāva, jo augstāks ir spriegums.Šo funkciju bieži izmanto, lai noteiktu rotora (magnēta) stāvokli.
Trīsfāzu pilna viļņa bezsuku motora rotācijas princips
Bezsuku motora griešanās princips tiks izskaidrots turpmākajās darbībās no ① līdz ⑥.Lai to būtu vieglāk saprast, pastāvīgie magnēti šeit ir vienkāršoti no apļiem līdz taisnstūriem.
①
Trīsfāzu spoļu vidū tiek pieņemts, ka spole 1 ir fiksēta pulksteņa pulksten 12 virzienā, spole 2 ir fiksēta pulksten 4 virzienā, bet spole 3 ir fiksēta pulksten 12 virzienā. pulksten 8 virzienā.Lai 2 polu pastāvīgā magnēta N pols atrodas kreisajā pusē un S pols labajā pusē, un to var pagriezt.
Spolē 1 tiek iepludināta strāva Io, lai ārpus spoles radītu S pola magnētisko lauku.Io/2 strāvai plūst no 2. spoles un 3. spoles, lai ārpus spoles radītu N polu magnētisko lauku.
Ja 2. un 3. spoles magnētiskie lauki ir vektorizēti, uz leju tiek ģenerēts N-pola magnētiskais lauks, kas ir 0,5 reizes lielāks par magnētiskā lauka lielumu, kas rodas, strāvai Io iet caur vienu spoli, un ir 1,5 reizes lielāks, ja to pievieno. uz spoles 1 magnētisko lauku.Tas rada iegūto magnētisko lauku 90° leņķī pret pastāvīgo magnētu, tādējādi var radīt maksimālo griezes momentu, pastāvīgajam magnētam griežoties pulksteņrādītāja virzienā.
Samazinot spoles 2 strāvu un palielinot spoles 3 strāvu atbilstoši rotācijas pozīcijai, iegūtais magnētiskais lauks griežas arī pulksteņrādītāja virzienā un arī pastāvīgais magnēts turpina griezties.
②
Par 30° pagrieztā stāvoklī strāva Io ieplūst spolē 1, strāva spolē 2 tiek padarīta par nulli un strāva Io izplūst no spoles 3 .
Spoles 1 ārpuse kļūst par S polu, bet spoles 3 ārpuse kļūst par N polu.Ja vektorus apvieno, iegūtais magnētiskais lauks ir √3 (≈1,72) reizes lielāks par magnētisko lauku, kas rodas, strāvai Io šķērsojot spoli.Tas arī rada magnētisko lauku 90° leņķī pret pastāvīgā magnēta magnētisko lauku un griežas pulksteņrādītāja virzienā.
Samazinot spoles 1 pieplūdes strāvu Io atbilstoši rotācijas pozīcijai, spoles 2 pieplūdes strāvu palielina no nulles un spoles 3 izplūdes strāvu palielina līdz Io, iegūtais magnētiskais lauks griežas arī pulksteņrādītāja virzienā, un arī pastāvīgais magnēts turpina griezties.
※ Pieņemot, ka katra fāzes strāva ir sinusoidāla viļņa forma, strāvas vērtība šeit ir Io × sin(π⁄3)=Io × √3⁄2 Caur magnētiskā lauka vektoru sintēzi kopējo magnētiskā lauka lielumu iegūst kā ( √ 3⁄2)2× 2 = 1,5 reizes.Ja katra fāzes strāva ir sinusoidāls vilnis, neatkarīgi no pastāvīgā magnēta novietojuma, vektoru saliktā magnētiskā lauka lielums ir 1,5 reizes lielāks par spoles radītā magnētiskā lauka lielumu, un magnētiskais lauks atrodas 90° leņķī. uz pastāvīgā magnēta magnētisko lauku.
③
Turpinot griezties par 30°, strāva Io/2 ieplūst spolē 1 , strāva Io/2 ieplūst spolē 2 un strāva Io izplūst no spoles 3 .
Spoles 1 ārpuse kļūst par S polu, spoles 2 ārpuse arī kļūst par S polu, un spoles 3 ārpuse kļūst par N polu.Ja vektorus apvieno, iegūtais magnētiskais lauks ir 1,5 reizes lielāks par magnētisko lauku, kas rodas, strāvai Io plūstot caur spoli (tāds pats kā ①).Arī šeit iegūtais magnētiskais lauks tiek ģenerēts 90° leņķī attiecībā pret pastāvīgā magnēta magnētisko lauku un griežas pulksteņrādītāja virzienā.
④～⑥
Pagrieziet tāpat kā no ① līdz ③.
Tādā veidā, ja spolē ieplūstošā strāva tiek nepārtraukti secīgi pārslēgta atbilstoši pastāvīgā magnēta novietojumam, pastāvīgais magnēts griezīsies noteiktā virzienā.Tāpat, ja mainīsit strāvas plūsmu un apvērsīsiet iegūto magnētisko lauku, tas griezīsies pretēji pulksteņrādītāja virzienam.
Zemāk esošajā attēlā nepārtraukti parādīta katras spoles strāva katrā solī no ① līdz ⑥ iepriekš.Izmantojot iepriekš minēto ievadu, vajadzētu būt iespējai izprast saistību starp pašreizējām izmaiņām un rotāciju.
stepper motors
Stepper motors ir motors, kas var precīzi kontrolēt griešanās leņķi un ātrumu sinhronizācijā ar impulsa signālu. Pakāpju motoru sauc arī par "impulsu motoru".Tā kā pakāpju motori var sasniegt precīzu pozicionēšanu tikai ar atvērtas cilpas vadību, neizmantojot pozīcijas sensorus, tos plaši izmanto iekārtās, kurām nepieciešama pozicionēšana.
Stepper motora uzbūve (divfāzu bipolāri)
Sekojošie attēli no kreisās puses uz labo ir pakāpju motora izskata piemērs, iekšējās struktūras shematiska diagramma un struktūras koncepcijas shematiska diagramma.
Izskata piemērā ir dots HB (hibrīda) tipa un PM (pastāvīgā magnēta) tipa soļu motora izskats.Struktūras diagramma vidū parāda arī HB tipa un PM tipa struktūru.
Pakāpju motors ir konstrukcija, kurā spole ir fiksēta un pastāvīgais magnēts griežas.Pakāpju motora iekšējās struktūras konceptuālā diagramma labajā pusē ir PM motora piemērs, kas izmanto divfāžu (divus komplektus) spoles.Soļu motora pamatstruktūras piemērā spoles ir izvietotas ārpusē un pastāvīgie magnēti ir izvietoti iekšpusē.Papildus divfāžu spolēm ir trīsfāžu un piecu fāžu veidi ar vairāk fāzēm.
Dažiem pakāpju motoriem ir citas atšķirīgas struktūras, taču šajā rakstā ir sniegta pakāpju motora pamatstruktūra, lai atvieglotu tā darbības principa ieviešanu.Izmantojot šo rakstu, es ceru saprast, ka pakāpju motors pamatā izmanto fiksētas spoles un rotējoša pastāvīgā magnēta struktūru.
Stepper motora darbības pamatprincips (vienfāzes ierosme)
Šis attēls ir izmantots, lai iepazīstinātu ar pakāpju motora darbības pamatprincipu.Šis ir ierosināšanas piemērs katrai iepriekš minētās divfāzu bipolārās spoles fāzei (spoļu komplektam).Šīs diagrammas priekšnoteikums ir tāds, ka stāvoklis mainās no ① uz ④.Spole sastāv attiecīgi no spoles 1 un spoles 2.Turklāt pašreizējās bultiņas norāda strāvas plūsmas virzienu.
①
- Strāva ieplūst no spoles 1 kreisās puses un izplūst no spoles 1 labās puses.
- Neļaujiet strāvai plūst caur spoli 2.
- Šajā laikā kreisās spoles 1 iekšējā puse kļūst par N, bet labās spoles 1 iekšējā puse kļūst par S.
- Tāpēc vidū esošais pastāvīgais magnēts tiek piesaistīts spoles 1 magnētiskajam laukam, kļūst par kreisā S un labā N stāvokli un apstājas.
②
- Spoles 1 strāva tiek apturēta, un strāva ieplūst no spoles 2 augšējās puses un izplūst no spoles 2 apakšējās puses.
- Augšējās spoles 2 iekšējā puse kļūst par N, bet apakšējās spoles 2 iekšējā puse kļūst par S.
- Pastāvīgo magnētu pievelk tā magnētiskais lauks, un tas apstājas, pagriežot par 90° pulksteņrādītāja virzienā.
③
- 2. spoles strāva tiek apturēta, un strāva ieplūst no spoles 1 labās puses un izplūst no spoles 1 kreisās puses.
- Kreisās spoles 1 iekšējā puse kļūst par S, bet labās spoles 1 iekšējā puse kļūst par N.
- Pastāvīgo magnētu pievelk tā magnētiskais lauks un apstājas, pagriežot pulksteņrādītāja virzienā vēl par 90°.
④
- Spoles 1 strāva tiek apturēta, un strāva ieplūst no spoles 2 apakšējās puses un izplūst no spoles 2 augšējās puses.
- Augšējās spoles 2 iekšējā puse kļūst par S, bet apakšējās spoles 2 iekšējā puse kļūst par N.
- Pastāvīgo magnētu pievelk tā magnētiskais lauks un apstājas, pagriežot pulksteņrādītāja virzienā vēl par 90°.
Izlikšanas laiks: 09.07.2022