2) Реальный вращающийся двигатель

Здесь в качестве практического метода вращающихся электрических машин представлен метод создания вращающегося магнитного поля с использованием трехфазного переменного тока и катушек.
(Трехфазный переменный ток — это сигнал переменного тока с фазовым интервалом 120°)

• Синтетическое магнитное поле в вышеуказанном состоянии ① соответствует следующему рисунку ①.
• Синтетическое магнитное поле в состоянии ② выше соответствует состоянию ② на рисунке ниже.
• Синтетическое магнитное поле в вышеуказанном состоянии ③ соответствует следующему рисунку ③.

Как описано выше, катушка, намотанная на сердечник, разделена на три фазы, причем катушка U-фазы, катушка V-фазы и катушка W-фазы расположены с интервалом 120°. Катушка с высоким напряжением генерирует N-полюс, а катушка с низким напряжением — S-полюс.
Поскольку каждая фаза изменяется как синусоидальная волна, полярность (N-полюс, S-полюс), генерируемая каждой катушкой, и ее магнитное поле (магнитная сила) изменяются.
В это время просто посмотрите на катушку, которая создает полюс N, и измените последовательность в соответствии с катушкой U-фазы → катушкой V-фазы → катушкой W-фазы → катушкой U-фазы, тем самым вращая.

Конструкция небольшого двигателя

На рисунке ниже показана общая структура и сравнение трех двигателей: шагового двигателя, коллекторного двигателя постоянного тока (DC) и бесщеточного двигателя постоянного тока (DC).Основными компонентами этих двигателей являются в основном катушки, магниты и роторы. Кроме того, в зависимости от типа они делятся на фиксированные катушки и фиксированные магниты.

Ниже приводится описание структуры, связанной с примером диаграммы.Поскольку могут существовать и другие структуры на более детальной основе, помните, что структура, описанная в этой статье, находится в рамках более широкой структуры.

Здесь катушка шагового двигателя закреплена снаружи, а магнит вращается внутри.

Здесь магниты коллекторного двигателя постоянного тока закреплены снаружи, а катушки вращаются внутри.Щетки и коммутатор отвечают за подачу питания на катушку и изменение направления тока.

Здесь катушка бесщеточного двигателя закреплена снаружи, а магнит вращается внутри.

Из-за разных типов двигателей, даже если основные компоненты одинаковы, структура различна.Подробности будут описаны в каждом разделе.

матовый двигатель

Конструкция коллекторного двигателя

Ниже показано, как выглядит коллекторный двигатель постоянного тока, часто используемый в моделях, а также развернутая схема обычного двухполюсного (2 магнита) трехщелевого двигателя (3 катушки).Может у многих есть опыт разборки мотора и вынимания магнита.

Видно, что постоянные магниты коллекторного двигателя постоянного тока фиксированы, а катушки коллекторного двигателя постоянного тока могут вращаться вокруг внутреннего центра.Неподвижная сторона называется «статором», а вращающаяся сторона — «ротором».

Ниже приведена схематическая диаграмма структуры, представляющая концепцию структуры.

По периферии вращающейся центральной оси расположены три коммутатора (изогнутые металлические листы для переключения тока).Во избежание контакта друг с другом коллекторы расположены с интервалом 120° (360°÷3 шт.).Коллектор вращается вместе с валом.

Один коммутатор соединен с одним концом катушки и другим концом катушки, а три коммутатора и три катушки образуют единое целое (кольцо) в виде электрической сети.

Две щетки закреплены под углом 0° и 180° для контакта с коллектором.Внешний источник постоянного тока подключается к щетке, и ток течет по пути щетка → коммутатор → катушка → щетка.

Принцип вращения коллекторного двигателя

① Поворот против часовой стрелки из исходного состояния.

Катушка А сверху, подключите к щетке питание, пусть левая будет (+), а правая (-).Большой ток течет от левой щетки к катушке А через коммутатор.Это конструкция, в которой верхняя часть (внешняя сторона) катушки А становится полюсом S.

Поскольку 1/2 тока катушки A течет от левой щетки к катушке B и катушке C в направлении, противоположном катушке A, внешние стороны катушки B и катушки C становятся слабыми N-полюсами (обозначены немного меньшими буквами в фигура) .

Магнитные поля, создаваемые в этих катушках, а также отталкивающие и притягивающие эффекты магнитов подвергают катушки силе вращения против часовой стрелки.

② Далее поверните против часовой стрелки.

Далее предполагается, что правая щетка контактирует с двумя коммутаторами в состоянии, когда катушка А повернута против часовой стрелки на 30°.

Ток катушки А продолжает течь от левой щетки к правой, а внешняя часть катушки сохраняет полюс S.

Тот же ток, что и катушка А, течет через катушку B, и внешняя часть катушки B становится более сильным N-полюсом.

Поскольку оба конца катушки C закорочены щетками, ток не протекает и магнитное поле не генерируется.

Даже в этом случае возникает сила вращения против часовой стрелки.

От ③ до ④ верхняя катушка продолжает получать силу влево, а нижняя катушка продолжает получать силу вправо и продолжает вращаться против часовой стрелки.

Когда катушка поворачивается на ③ и ④ каждые 30°, когда катушка расположена над центральной горизонтальной осью, внешняя сторона катушки становится S-полюсом; когда катушка расположена ниже, она становится полюсом N, и это движение повторяется.

Другими словами, верхняя катушка неоднократно перемещается влево, а нижняя — вправо (обе — против часовой стрелки).Благодаря этому ротор все время вращается против часовой стрелки.

Если подключить питание к противоположным левой (-) и правой (+) щеткам, в катушках создаются противоположные магнитные поля, поэтому сила, приложенная к катушкам, также направлена ​​в противоположном направлении, вращаясь по часовой стрелке.

Кроме того, при отключении питания ротор коллекторного двигателя перестает вращаться, поскольку отсутствует магнитное поле, поддерживающее его вращение.

Трехфазный двухполупериодный бесщеточный двигатель

Внешний вид и конструкция трехфазного двухполупериодного бесщеточного двигателя.

На рисунке ниже показан пример внешнего вида и устройства бесщеточного двигателя.

Слева показан пример двигателя шпинделя, используемого для вращения оптического диска в устройстве воспроизведения оптических дисков.Всего трехфазных × 3, всего 9 катушек.Справа приведен пример двигателя шпинделя для устройства FDD с 12 катушками (трехфазные × 4).Катушка закреплена на плате и намотана на железный сердечник.

Дискообразная часть справа от катушки представляет собой ротор с постоянным магнитом.Периферия представляет собой постоянный магнит, вал ротора вставлен в центральную часть катушки и охватывает часть катушки, а постоянный магнит окружает периферию катушки.

Схема внутренней структуры и эквивалентная схема подключения катушки трехфазного двухполупериодного бесщеточного двигателя

Далее приведена принципиальная схема внутреннего строения и принципиальная схема эквивалентной схемы подключения катушки.

Эта внутренняя схема представляет собой пример очень простого 2-полюсного (2 магнита) 3-слотового (3 катушки) двигателя.Он похож на конструкцию щеточного двигателя с таким же количеством полюсов и пазов, но сторона катушки фиксирована, а магниты могут вращаться.Разумеется, никаких кистей.

В этом случае катушка соединена по оси Y, с использованием полупроводникового элемента для подачи тока на катушку, а приток и отток тока контролируются в зависимости от положения вращающегося магнита.В этом примере элемент Холла используется для определения положения магнита.Элемент Холла расположен между катушками, а генерируемое напряжение определяется на основе силы магнитного поля и используется в качестве информации о местоположении.На изображении шпиндельного двигателя FDD, приведенном ранее, также видно, что имеется элемент Холла (над катушкой) для определения положения между катушкой и катушкой.

Элементы Холла представляют собой хорошо известные магнитные датчики.Величину магнитного поля можно преобразовать в величину напряжения, а направление магнитного поля можно выразить как положительное или отрицательное.Ниже приведена схематическая диаграмма, показывающая эффект Холла.

Элементы Холла используют то явление, что «когда ток I_{H течет через полупроводник, а магнитный поток B проходит под прямым углом к ​​току, напряжение VH}генерируется в направлении, перпендикулярном току и магнитному полю«Американский физик Эдвин Герберт Холл (Edwin Herbert Hall) открыл это явление и назвал его «эффектом Холла».Результирующее напряжение В_Hпредставляется следующей формулой.

В_H= (К_H/ г)・Я_H・Б ※К_H: коэффициент Холла, d: толщина поверхности проникновения магнитного потока

Как показывает формула, чем больше ток, тем выше напряжение.Эта функция часто используется для определения положения ротора (магнита).

Принцип вращения трехфазного двухполупериодного бесщеточного двигателя

Принцип вращения бесщеточного двигателя будет объяснен в следующих шагах от ① до ⑥.Для простоты понимания постоянные магниты здесь упрощены от кругов до прямоугольников.

①

Среди трехфазных катушек предполагается, что катушка 1 зафиксирована в направлении 12 часов, катушка 2 зафиксирована в направлении 4 часов, а катушка 3 зафиксирована в направлении 12 часов. направлении 8 часов часов.Пусть N-полюс двухполюсного постоянного магнита находится слева, а S-полюс справа, и его можно вращать.

Ток Io течет в катушку 1 для создания магнитного поля S-полюса снаружи катушки.Ток Io/2 течет из катушки 2 и катушки 3, создавая N-полюсное магнитное поле снаружи катушки.

Когда магнитные поля катушки 2 и катушки 3 векторизованы, вниз генерируется N-полюсное магнитное поле, которое в 0,5 раза превышает размер магнитного поля, создаваемого при прохождении тока Io через одну катушку, и в 1,5 раза больше при сложении. магнитному полю катушки 1.Это создает результирующее магнитное поле под углом 90 ° к постоянному магниту, поэтому может быть создан максимальный крутящий момент, постоянный магнит вращается по часовой стрелке.

Когда ток катушки 2 уменьшается, а ток катушки 3 увеличивается в зависимости от положения вращения, результирующее магнитное поле также вращается по часовой стрелке, и постоянный магнит также продолжает вращаться.

②

В положении, повернутом на 30°, ток Io течет в катушку 1, ток в катушке 2 становится нулевым, и ток Io вытекает из катушки 3.

Внешняя часть катушки 1 становится полюсом S, а внешняя часть катушки 3 становится полюсом N.Когда векторы объединяются, результирующее магнитное поле в √3 (≈1,72) раза превышает магнитное поле, создаваемое при прохождении тока Io через катушку.Это также создает результирующее магнитное поле под углом 90 ° к магнитному полю постоянного магнита и вращается по часовой стрелке.

Когда ток притока Io катушки 1 уменьшается в соответствии с положением вращения, ток притока катушки 2 увеличивается от нуля, а ток оттока катушки 3 увеличивается до Io, результирующее магнитное поле также вращается по часовой стрелке, и постоянный магнит также продолжает вращаться.

※Предполагая, что каждый фазный ток имеет синусоидальную форму, значение тока здесь равно Io × sin(π/3) = Io × √3/2. Путем векторного синтеза магнитного поля общий размер магнитного поля получается как ( √ 3/2)²× 2=1,5 раза.Когда каждый фазный ток представляет собой синусоидальную волну, независимо от положения постоянного магнита, величина векторного составного магнитного поля в 1,5 раза превышает магнитное поле, генерируемое катушкой, и магнитное поле находится под углом 90 ° относительно магнитному полю постоянного магнита.

③

В состоянии продолжения вращения на 30° ток Io/2 течет в катушку 1, ток Io/2 течет в катушку 2, а ток Io вытекает из катушки 3.

Внешняя часть катушки 1 становится полюсом S, внешняя часть катушки 2 также становится полюсом S, а внешняя часть катушки 3 становится полюсом N.Когда векторы объединяются, результирующее магнитное поле в 1,5 раза превышает магнитное поле, создаваемое при протекании тока Io через катушку (так же, как ①).Здесь также создается результирующее магнитное поле под углом 90° по отношению к магнитному полю постоянного магнита и вращается по часовой стрелке.

④～⑥

Поверните так же, как с ① по ③.

Таким образом, если ток, текущий в катушку, постоянно переключается последовательно в соответствии с положением постоянного магнита, постоянный магнит будет вращаться в фиксированном направлении.Аналогично, если вы поменяете направление тока и поменяете результирующее магнитное поле, оно будет вращаться против часовой стрелки.

На рисунке ниже непрерывно показан ток каждой катушки на каждом этапе от ① до ⑥ выше.Благодаря приведенному выше введению должно стать возможным понять взаимосвязь между текущими изменениями и ротацией.

шаговый двигатель

Шаговый двигатель — это двигатель, который может точно управлять углом вращения и скоростью синхронно с импульсным сигналом. Шаговый двигатель еще называют «импульсным двигателем».Поскольку шаговые двигатели могут обеспечить точное позиционирование только за счет управления с разомкнутым контуром без использования датчиков положения, они широко используются в оборудовании, требующем позиционирования.

Структура шагового двигателя (двухфазный биполярный)

Следующие рисунки слева направо представляют собой пример внешнего вида шагового двигателя, принципиальную схему внутренней структуры и принципиальную схему концепции конструкции.

В примере внешнего вида представлен внешний вид шагового двигателя типа HB (гибрид) и типа PM (постоянный магнит).Структурная диаграмма в середине также показывает структуру типа HB и типа PM.

Шаговый двигатель представляет собой конструкцию, в которой закреплена катушка, а вращается постоянный магнит.Концептуальная схема внутренней структуры шагового двигателя справа представляет собой пример двигателя с постоянными магнитами, использующего двухфазные (два набора) катушек.В примере базовой конструкции шагового двигателя катушки расположены снаружи, а постоянные магниты расположены внутри.Помимо двухфазных катушек, существуют трехфазные и пятифазные типы с большим количеством фаз.

Некоторые шаговые двигатели имеют другую конструкцию, но в этой статье приведена базовая конструкция шагового двигателя, чтобы облегчить представление о принципе его работы.Благодаря этой статье я надеюсь понять, что шаговый двигатель в основном имеет структуру фиксированной катушки и вращающегося постоянного магнита.

Основной принцип работы шагового двигателя (однофазное возбуждение)

Следующий рисунок используется для представления основного принципа работы шагового двигателя.Это пример возбуждения для каждой фазы (набора катушек) двухфазной биполярной катушки, приведенной выше.Предпосылка этой диаграммы заключается в том, что состояние меняется с ① на ④.Катушка состоит из Катушки 1 и Катушки 2 соответственно.Кроме того, текущие стрелки указывают текущее направление потока.

①

• Ток втекает с левой стороны катушки 1 и вытекает с правой стороны катушки 1.
• Не допускайте протекания тока через катушку 2.
• В это время внутренняя сторона левой катушки 1 становится N, а внутренняя сторона правой катушки 1 становится S.
• Таким образом, постоянный магнит в середине притягивается магнитным полем катушки 1, переходит в состояние левого S и правого N и останавливается.

  ②

• Ток катушки 1 прекращается, ток втекает с верхней стороны катушки 2 и вытекает с нижней стороны катушки 2.
• Внутренняя сторона верхней катушки 2 становится N, а внутренняя сторона нижней катушки 2 становится S.
• Постоянный магнит притягивается своим магнитным полем и останавливается при повороте на 90° по часовой стрелке.

  ③

• Ток катушки 2 прекращается, ток втекает с правой стороны катушки 1 и вытекает с левой стороны катушки 1.
• Внутренняя сторона левой катушки 1 становится S, а внутренняя сторона правой катушки 1 становится N.
• Постоянный магнит притягивается своим магнитным полем и останавливается, повернув его по часовой стрелке еще на 90°.

  ④

• Ток катушки 1 прекращается, ток втекает с нижней стороны катушки 2 и вытекает с верхней стороны катушки 2.
• Внутренняя сторона верхней катушки 2 становится S, а внутренняя сторона нижней катушки 2 становится N.
• Постоянный магнит притягивается своим магнитным полем и останавливается, повернув его по часовой стрелке еще на 90°.