2) Rzeczywisty silnik obrotowy

Tutaj, jako praktyczną metodę wirujących maszyn elektrycznych, przedstawiono metodę wytwarzania wirującego pola magnetycznego za pomocą trójfazowego prądu przemiennego i cewek.
(Trójfazowy prąd przemienny to sygnał prądu przemiennego z odstępem fazowym 120°)

• Syntetyczne pole magnetyczne w powyższym stanie ① odpowiada poniższemu rysunkowi ①.
• Syntetyczne pole magnetyczne w stanie ② powyżej odpowiada ② na poniższym rysunku.
• Syntetyczne pole magnetyczne w powyższym stanie ③ odpowiada poniższemu rysunkowi ③.

Jak opisano powyżej, cewka nawinięta wokół rdzenia jest podzielona na trzy fazy, przy czym cewka w fazie U, cewka w fazie V i cewka w fazie W są rozmieszczone w odstępach co 120°. Cewka o wysokim napięciu generuje biegun N, a cewka o niskim napięciu generuje biegun S.
Ponieważ każda faza zmienia się jak fala sinusoidalna, zmienia się polaryzacja (biegun N, biegun S) generowany przez każdą cewkę i jej pole magnetyczne (siła magnetyczna).
W tym momencie wystarczy spojrzeć na cewkę wytwarzającą biegun N i zmienić kolejność zgodnie z cewką w fazie U → cewką w fazie V → cewką w fazie W → cewką w fazie U, obracając się w ten sposób.

Budowa małego silnika

Poniższy rysunek przedstawia ogólną strukturę i porównanie trzech silników: silnika krokowego, szczotkowego silnika prądu stałego (DC) i bezszczotkowego silnika prądu stałego (DC).Podstawowymi elementami tych silników są głównie cewki, magnesy i wirniki. Ponadto, ze względu na różne typy, są one podzielone na typu stałego z cewką i typu stałego z magnesem.

Poniżej znajduje się opis konstrukcji powiązany z przykładowym diagramem.Ponieważ mogą istnieć inne struktury o bardziej szczegółowym charakterze, należy pamiętać, że struktura opisana w tym artykule mieści się w dużych ramach.

Tutaj cewka silnika krokowego jest zamocowana na zewnątrz, a magnes obraca się od wewnątrz.

Tutaj magnesy szczotkowanego silnika prądu stałego są zamocowane na zewnątrz, a cewki obracają się od wewnątrz.Szczotki i komutator odpowiadają za zasilanie cewki i zmianę kierunku prądu.

Tutaj cewka silnika bezszczotkowego jest zamocowana na zewnątrz, a magnes obraca się od wewnątrz.

Ze względu na różne typy silników, nawet jeśli podstawowe elementy są takie same, ich konstrukcja jest inna.Szczegóły zostaną szczegółowo wyjaśnione w każdej sekcji.

szczotkowany silnik

Budowa silnika szczotkowego

Poniżej pokazano, jak wygląda szczotkowany silnik prądu stałego często używany w modelach, a także schemat rozłożony na części zwykłego silnika dwubiegunowego (2 magnesy) z trzema szczelinami (3 cewki).Może wiele osób ma doświadczenie z demontażem silnika i wyjęciem magnesu.

Można zauważyć, że magnesy trwałe szczotkowanego silnika prądu stałego są nieruchome, a cewki szczotkowanego silnika prądu stałego mogą obracać się wokół wewnętrznego środka.Strona nieruchoma nazywana jest „stojanem”, a strona wirująca nazywana jest „rotorem”.

Poniżej znajduje się schematyczny diagram konstrukcji przedstawiający koncepcję konstrukcji.

Na obwodzie obrotowej osi środkowej znajdują się trzy komutatory (wygięte blachy do przełączania prądu).Aby uniknąć kontaktu ze sobą, komutatory są rozmieszczone w odstępie 120° (360° ÷ 3 sztuki).Komutator obraca się wraz z obrotem wału.

Jeden komutator jest połączony z jednym końcem cewki, a drugim końcem cewki, a trzy komutatory i trzy cewki tworzą całość (pierścień) jako sieć obwodów.

Dwie szczotki są ustawione pod kątem 0° i 180° w celu kontaktu z komutatorem.Do szczotki podłączony jest zewnętrzny zasilacz prądu stałego, a prąd płynie zgodnie z drogą szczotka → komutator → cewka → szczotka.

Zasada obrotu silnika szczotkowego

① Obróć w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara od stanu początkowego

Cewka A jest na górze, podłącz zasilanie do szczotki, niech lewa będzie (+), a prawa (-).Duży prąd płynie z lewej szczotki do cewki A przez komutator.Jest to konstrukcja, w której górna część (zewnętrzna strona) cewki A staje się biegunem S.

Ponieważ 1/2 prądu cewki A przepływa od lewej szczotki do cewki B i cewki C w przeciwnym kierunku do cewki A, zewnętrzne strony cewki B i cewki C stają się słabymi biegunami N (oznaczonymi nieco mniejszymi literami w figura).

Pola magnetyczne utworzone w tych cewkach oraz odpychające i przyciągające działanie magnesów poddają cewki działaniu siły obrotowej w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara.

② Dalszy obrót w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara

Następnie zakłada się, że prawa szczotka styka się z obydwoma komutatorami w stanie, w którym cewka A jest obrócona o 30° w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara.

Prąd cewki A nadal płynie od lewej szczotki do prawej szczotki, a zewnętrzna część cewki utrzymuje biegun S.

Ten sam prąd, co cewka A przepływa przez cewkę B, a zewnętrzna część cewki B staje się silniejszym biegunem N.

Ponieważ oba końce cewki C są zwarte przez szczotki, nie przepływa prąd ani nie jest generowane pole magnetyczne.

Nawet w tym przypadku występuje siła obrotowa w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara.

Od ③ do ④ górna cewka nadal otrzymuje siłę w lewo, a dolna cewka nadal otrzymuje siłę w prawo i nadal obraca się w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara

Kiedy cewka zostanie obrócona o ③ i ④ co 30°, gdy cewka zostanie umieszczona powyżej środkowej osi poziomej, zewnętrzna strona cewki stanie się biegunem S; gdy cewka jest umieszczona poniżej, staje się biegunem N i ten ruch się powtarza.

Innymi słowy, górna cewka jest wielokrotnie przesuwana w lewo, a dolna cewka jest wielokrotnie przesuwana w prawo (w obu przypadkach w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara).Dzięki temu wirnik obraca się cały czas w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara.

Jeśli podłączysz zasilanie do przeciwległych szczotek lewych (-) i prawych (+), w cewkach powstaną przeciwne pola magnetyczne, więc siła przyłożona do cewek będzie również skierowana w przeciwnym kierunku, obracając się zgodnie z ruchem wskazówek zegara.

Ponadto po wyłączeniu zasilania wirnik silnika szczotkowego przestaje się obracać, ponieważ nie ma pola magnetycznego, które utrzymywałoby go w ruchu.

Trójfazowy, pełnofalowy silnik bezszczotkowy

Wygląd i budowa trójfazowego, pełnofalowego silnika bezszczotkowego

Poniższy rysunek przedstawia przykładowy wygląd i budowę silnika bezszczotkowego.

Po lewej stronie znajduje się przykład silnika wrzeciona używanego do obracania dysku optycznego w urządzeniu odtwarzającym dyski optyczne.Łącznie trójfazowe × 3 łącznie 9 cewek.Po prawej stronie znajduje się przykład silnika wrzecionowego dla urządzenia FDD z łącznie 12 cewkami (trójfazowe × 4).Cewka jest przymocowana do płytki drukowanej i owinięta wokół żelaznego rdzenia.

Część w kształcie dysku po prawej stronie cewki to wirnik z magnesami trwałymi.Obwód stanowi magnes trwały, wał wirnika jest włożony w środkową część cewki i zakrywa część cewki, a magnes trwały otacza obwód cewki.

Schemat struktury wewnętrznej i obwód zastępczy podłączenia cewki trójfazowego, pełnofalowego silnika bezszczotkowego

Następnie znajduje się schemat ideowy struktury wewnętrznej oraz schemat zastępczy obwodu połączenia cewki.

Ten schemat wewnętrzny jest przykładem bardzo prostego silnika 2-biegunowego (2 magnesy) i 3-szczelinowego (3 cewki).Jest podobny do konstrukcji silnika szczotkowanego z taką samą liczbą biegunów i szczelin, ale strona cewki jest nieruchoma, a magnesy mogą się obracać.Oczywiście bez pędzli.

W tym przypadku cewka jest połączona w kształcie litery Y, przy użyciu elementu półprzewodnikowego zasilającego cewkę prądem, a dopływ i odpływ prądu jest kontrolowany w zależności od położenia obracającego się magnesu.W tym przykładzie element Halla służy do wykrywania położenia magnesu.Element Halla jest umieszczony pomiędzy cewkami, a generowane napięcie jest wykrywane na podstawie natężenia pola magnetycznego i wykorzystywane jako informacja o położeniu.Na podanym wcześniej obrazie silnika wrzeciona FDD widać również, że znajduje się element Halla (nad cewką) służący do wykrywania położenia pomiędzy cewką a cewką.

Elementy Halla są dobrze znanymi czujnikami magnetycznymi.Wielkość pola magnetycznego można przeliczyć na wielkość napięcia, a kierunek pola magnetycznego można wyrazić jako dodatni lub ujemny.Poniżej znajduje się schematyczny diagram przedstawiający efekt Halla.

Elementy Halla wykorzystują zjawisko, że „kiedy prąd I_{H przepływa przez półprzewodnik, a strumień magnetyczny B przepływa pod kątem prostym do prądu, czyli napięcia VH}generowany jest w kierunku prostopadłym do prądu i pola magnetycznego„, amerykański fizyk Edwin Herbert Hall (Edwin Herbert Hall) odkrył to zjawisko i nazwał je „efektem Halla”.Wynikowe napięcie V_Hjest reprezentowany przez następujący wzór.

V_H= (K_H/ d)・I_H・B ※K_H: Współczynnik Halla, d: grubość powierzchni penetracji strumienia magnetycznego

Jak pokazuje wzór, im wyższy prąd, tym wyższe napięcie.Ta funkcja jest często wykorzystywana do wykrywania położenia wirnika (magnesu).

Zasada obrotu trójfazowego, pełnofalowego silnika bezszczotkowego

Zasada obrotu silnika bezszczotkowego zostanie wyjaśniona w kolejnych krokach ① do ⑥.Aby ułatwić zrozumienie, magnesy trwałe zostały tutaj uproszczone z okręgów do prostokątów.

①

Wśród cewek trójfazowych przyjmuje się, że cewka 1 jest zamocowana w kierunku godziny 12:00, cewka 2 jest zamocowana w kierunku godziny 4:00, a cewka 3 jest zamocowana w kierunku godziny 12:00. kierunku godziny 8.00.Niech biegun N 2-biegunowego magnesu trwałego będzie po lewej stronie, a biegun S po prawej stronie i można go obracać.

Do cewki 1 przepływa prąd Io w celu wytworzenia pola magnetycznego o biegunie S na zewnątrz cewki.Prąd Io/2 przepływa z cewki 2 i cewki 3 w celu wygenerowania pola magnetycznego o biegunie N na zewnątrz cewki.

Kiedy pola magnetyczne cewki 2 i cewki 3 są wektoryzowane, w dół generowane jest N-biegunowe pole magnetyczne, które jest 0,5 razy większe od pola magnetycznego generowanego, gdy prąd Io przepływa przez jedną cewkę i jest 1,5 razy większe po dodaniu do pola magnetycznego cewki 1.Tworzy to wynikowe pole magnetyczne pod kątem 90° do magnesu trwałego, dzięki czemu można wygenerować maksymalny moment obrotowy, magnes trwały obraca się w kierunku zgodnym z ruchem wskazówek zegara.

Kiedy prąd cewki 2 zmniejsza się, a prąd cewki 3 zwiększa się w zależności od położenia obrotowego, powstałe pole magnetyczne również obraca się w kierunku zgodnym z ruchem wskazówek zegara, a magnes trwały również nadal się obraca.

②

W stanie obróconym o 30° prąd Io wpływa do cewki 1, prąd w cewce 2 wynosi zero, a prąd Io wypływa z cewki 3.

Zewnętrzna strona cewki 1 staje się biegunem S, a zewnętrzna strona cewki 3 staje się biegunem N.Po połączeniu wektorów powstałe pole magnetyczne jest √3 (≈1,72) razy większe od pola magnetycznego wytwarzanego, gdy prąd Io przepływa przez cewkę.Wytwarza to również wypadkowe pole magnetyczne pod kątem 90° do pola magnetycznego magnesu trwałego i obraca się w kierunku zgodnym z ruchem wskazówek zegara.

Kiedy prąd dopływowy cewki 1 zmniejsza się w zależności od położenia obrotowego, prąd dopływowy cewki 2 zwiększa się od zera, a prąd odpływowy cewki 3 zwiększa się do Io, powstałe pole magnetyczne również obraca się w kierunku zgodnym z ruchem wskazówek zegara, a magnes trwały również nadal się obraca.

※Zakładając, że każdy prąd fazowy ma kształt fali sinusoidalnej, wartość prądu wynosi Io × sin(π⁄3)=Io × √3⁄2. Poprzez syntezę wektorową pola magnetycznego całkowity rozmiar pola magnetycznego otrzymuje się jako ( √ 3⁄2)²× 2 = 1,5 razy.Gdy każdy prąd fazowy jest falą sinusoidalną, niezależnie od położenia magnesu trwałego, wielkość wektorowego złożonego pola magnetycznego jest 1,5 razy większa od pola magnetycznego generowanego przez cewkę, a pole magnetyczne jest względem siebie ustawione pod kątem 90° do pola magnetycznego magnesu trwałego.

③

W stanie dalszego obrotu o 30° prąd Io/2 wpływa do cewki 1, prąd Io/2 wpływa do cewki 2, a prąd Io wypływa z cewki 3.

Zewnętrzna strona cewki 1 staje się biegunem S, zewnętrzna strona cewki 2 staje się również biegunem S, a zewnętrzna strona cewki 3 staje się biegunem N.Po połączeniu wektorów powstałe pole magnetyczne jest 1,5 razy większe od pola magnetycznego wytwarzanego, gdy przez cewkę przepływa prąd Io (tak samo jak ①).Również tutaj powstałe pole magnetyczne powstaje pod kątem 90° w stosunku do pola magnetycznego magnesu trwałego i obraca się w kierunku zgodnym z ruchem wskazówek zegara.

④～⑥

Obróć w taki sam sposób, jak ① do ③.

W ten sposób, jeśli prąd wpływający do cewki będzie stale przełączany w kolejności zgodnej z położeniem magnesu trwałego, magnes trwały będzie się obracał w ustalonym kierunku.Podobnie, jeśli odwrócimy przepływ prądu i powstałe pole magnetyczne, będzie ono obracać się w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara.

Poniższy rysunek pokazuje w sposób ciągły prąd każdej cewki w każdym kroku ① do ⑥ powyżej.Dzięki powyższemu wprowadzeniu powinno być możliwe zrozumienie związku pomiędzy zmianą prądu a rotacją.

silnik krokowy

Silnik krokowy to silnik, który może dokładnie kontrolować kąt obrotu i prędkość w synchronizacji z sygnałem impulsowym. Silnik krokowy nazywany jest także „silnikiem impulsowym”.Ponieważ silniki krokowe mogą osiągnąć dokładne pozycjonowanie jedynie poprzez sterowanie w otwartej pętli bez użycia czujników położenia, są one szeroko stosowane w sprzęcie wymagającym pozycjonowania.

Budowa silnika krokowego (dwufazowy bipolarny)

Poniższe rysunki od lewej do prawej stanowią przykład wyglądu silnika krokowego, schematyczny diagram konstrukcji wewnętrznej oraz schematyczny diagram koncepcji konstrukcji.

W przykładzie wyglądu podano wygląd silnika krokowego typu HB (Hybrid) i PM (Magnes trwały).Diagram struktury pośrodku pokazuje również strukturę typu HB i typu PM.

Silnik krokowy to konstrukcja, w której cewka jest zamocowana, a magnes trwały się obraca.Schemat koncepcyjny wewnętrznej budowy silnika krokowego po prawej stronie jest przykładem silnika PM wykorzystującego dwufazowe (dwa zestawy) cewek.W przykładzie podstawowej konstrukcji silnika krokowego cewki są rozmieszczone na zewnątrz, a magnesy trwałe są umieszczone wewnątrz.Oprócz cewek dwufazowych istnieją typy trójfazowe i pięciofazowe z większą liczbą faz.

Niektóre silniki krokowe mają inną konstrukcję, ale w tym artykule podana jest podstawowa konstrukcja silnika krokowego, aby ułatwić wprowadzenie jego zasady działania.Mam nadzieję, że w tym artykule zrozumiem, że silnik krokowy zasadniczo przyjmuje strukturę stałej cewki i obracającego się magnesu stałego.

Podstawowa zasada działania silnika krokowego (wzbudzenie jednofazowe)

Poniższy rysunek służy do przedstawienia podstawowej zasady działania silnika krokowego.To jest przykład wzbudzenia każdej fazy (zestawu cewek) powyższej dwufazowej cewki bipolarnej.Założeniem tego diagramu jest to, że stan zmienia się z ① na ④.Cewka składa się odpowiednio z cewki 1 i cewki 2.Dodatkowo strzałki prądu wskazują kierunek przepływu prądu.

①

• Prąd wpływa z lewej strony cewki 1 i wypływa z prawej strony cewki 1.
• Nie pozwól, aby prąd przepływał przez cewkę 2.
• W tym momencie wewnętrzna strona lewej cewki 1 staje się N, a wewnętrzna strona prawej cewki 1 staje się S.
• Dlatego magnes trwały pośrodku jest przyciągany przez pole magnetyczne cewki 1, przechodzi w stan lewego S i prawego N i zatrzymuje się.

  ②

• Prąd cewki 1 zostaje zatrzymany, a prąd wpływa od górnej strony cewki 2 i wypływa od dolnej strony cewki 2.
• Wewnętrzna strona górnej cewki 2 staje się N, a wewnętrzna strona dolnej cewki 2 staje się S.
• Magnes trwały jest przyciągany przez swoje pole magnetyczne i zatrzymuje się, obracając się o 90° w kierunku zgodnym z ruchem wskazówek zegara.

  ③

• Prąd cewki 2 zostaje zatrzymany, a prąd wpływa z prawej strony cewki 1 i wypływa z lewej strony cewki 1.
• Wewnętrzna strona lewej cewki 1 staje się S, a wewnętrzna strona prawej cewki 1 staje się N.
• Magnes trwały jest przyciągany przez swoje pole magnetyczne i zatrzymuje się, obracając się w prawo o kolejne 90°.

  ④

• Prąd cewki 1 zostaje zatrzymany, a prąd wpływa od dolnej strony cewki 2 i wypływa od górnej strony cewki 2.
• Wewnętrzna strona górnej cewki 2 staje się S, a wewnętrzna strona dolnej cewki 2 staje się N.
• Magnes trwały jest przyciągany przez swoje pole magnetyczne i zatrzymuje się, obracając się w prawo o kolejne 90°.