Skoraj polovico svetovne porabe energije porabijo motorji. Zato naj bi bilo izboljšanje učinkovitosti motorjev najučinkovitejši ukrep za reševanje svetovnih energetskih težav.
Vrsta motorja
Na splošno se nanaša na pretvorbo sile, ki jo ustvari tok v magnetnem polju, v rotacijsko gibanje in vključuje tudi linearno gibanje v širokem območju.
Glede na vrsto napajanja, ki ga poganja motor, ga lahko razdelimo na enosmerni in izmenični motor.Glede na princip vrtenja motorja ga lahko grobo razdelimo na naslednje vrste.(razen za posebne motorje)
O tokovih, magnetnih poljih in silah
Najprej, za udobje poznejših razlag principov motorja, preglejmo osnovne zakone/zakone o tokovih, magnetnih poljih in silah.Čeprav je prisoten občutek nostalgije, je to znanje zlahka pozabiti, če magnetnih komponent ne uporabljate pogosto.
Za ponazoritev združujemo slike in formule.
Ko je vodilni okvir pravokoten, se upošteva sila, ki deluje na tok.
Sila F, ki deluje na stranici a in c, je
Ustvari vrtilni moment okoli središčne osi.
Na primer, če upoštevamo stanje, kjer je samo kot vrtenjaθ, je sila, ki deluje pravokotno na b in d, sinθ, zato je navor Ta dela a izražen z naslednjo formulo:
Ob upoštevanju dela c na enak način se navor podvoji in dobimo navor, izračunan z:
Ker je ploščina pravokotnika S=h·l, jo nadomestimo v zgornjo formulo in dobimo naslednje rezultate:
Ta formula ne deluje samo za pravokotnike, ampak tudi za druge običajne oblike, kot so krogi.To načelo uporabljajo motorji.
Kako se vrti motor?
1) Motor se vrti s pomočjo magneta, magnetne sile
Okoli trajnega magneta z vrtljivo gredjo,① vrti magnet(za ustvarjanje rotacijskega magnetnega polja),② po načelu N in S pola, ki privlačita nasprotna pola in se odbijata na isti ravni,③ magnet z vrtljivo gredjo se bo vrtel.
To je osnovni princip vrtenja motorja.
Rotirajoče magnetno polje (magnetna sila) nastane okoli žice, ko skozi žico teče tok in se magnet vrti, kar je pravzaprav isto stanje delovanja.
Poleg tega, ko je žica navita v obliki tuljave, se magnetna sila združi, nastane velik tok magnetnega polja (magnetni tok) in nastaneta N in S pol.
Poleg tega z vstavitvijo železnega jedra v navito žico postane magnetna sila lažja za prehod skozi in lahko se ustvari močnejša magnetna sila.
2) Dejanski vrtljivi motor
Tu je kot praktična metoda rotacijskih električnih strojev predstavljena metoda ustvarjanja rotacijskega magnetnega polja z uporabo trifaznega izmeničnega toka in tuljav.
(Trifazni AC je AC signal s faznim intervalom 120°)
- Sintetično magnetno polje v zgornjem stanju ① ustreza naslednji sliki ①.
- Sintetično magnetno polje v stanju ② zgoraj ustreza ② na spodnji sliki.
- Sintetično magnetno polje v zgornjem stanju ③ ustreza naslednji sliki ③.
Kot je opisano zgoraj, je tuljava, navita okoli jedra, razdeljena na tri faze, tuljava U-faze, tuljava V-faze in tuljava W-faze pa so razporejene v intervalih 120°. Tuljava z visoko napetostjo ustvari N pol, tuljava z nizko napetostjo pa S pol.
Ker se vsaka faza spreminja kot sinusni val, se polarnost (N pol, S pol), ki jo ustvari vsaka tuljava, in njeno magnetno polje (magnetna sila) spremenita.
V tem času samo poglejte tuljavo, ki proizvaja N-pol, in spremenite zaporedje glede na tuljavo U-faze→tuljavo V-faze→tuljavo W-faze→tuljavo U-faze, s čimer se vrti.
Struktura majhnega motorja
Spodnja slika prikazuje splošno strukturo in primerjavo treh motorjev: koračnega motorja, brušenega enosmernega (DC) motorja in brezkrtačnega enosmernega (DC) motorja.Osnovne komponente teh motorjev so predvsem tuljave, magneti in rotorji. Poleg tega so zaradi različnih tipov razdeljeni na fiksni tip s tuljavo in fiksni tip z magnetom.
Sledi opis strukture, povezane s primerom diagrama.Ker lahko obstajajo druge strukture na bolj razdrobljeni podlagi, upoštevajte, da je struktura, opisana v tem članku, v širokem okviru.
Tukaj je tuljava koračnega motorja pritrjena na zunanji strani, magnet pa se vrti na notranji strani.
Tukaj so magneti brušenega enosmernega motorja pritrjeni na zunanji strani, tuljave pa se vrtijo na notranji strani.Krtače in komutator so odgovorni za napajanje tuljave in spreminjanje smeri toka.
Tukaj je tuljava brezkrtačnega motorja pritrjena na zunanji strani, magnet pa se vrti na notranji strani.
Zaradi različnih tipov motorjev je zgradba drugačna, tudi če so osnovne komponente enake.Posebnosti bodo podrobno razložene v vsakem razdelku.
krtačen motor
Struktura krtačenega motorja
Spodaj je videti, kako izgleda brušeni enosmerni motor, ki se pogosto uporablja v modelih, kot tudi eksplodirana shema običajnega dvopolnega (2 magneta) motorja s tremi režami (3 tuljave).Morda ima marsikdo izkušnjo z razstavljanjem motorja in odstranjevanjem magneta.
Vidimo lahko, da so trajni magneti brušenega enosmernega motorja pritrjeni, tuljave brušenega enosmernega motorja pa se lahko vrtijo okoli notranjega središča.Nepremična stran se imenuje "stator", vrteča stran pa "rotor".
Sledi shematski diagram strukture, ki predstavlja koncept strukture.
Na obodu vrtljive osrednje osi so trije komutatorji (upognjene pločevine za preklop toka).V izogib medsebojnemu stiku so komutatorji razporejeni v razmaku 120° (360°÷3 kosi).Komutator se vrti, kot se vrti gred.
En komutator je povezan z enim koncem tuljave in drugim koncem tuljave, trije komutatorji in tri tuljave pa tvorijo celoto (obroč) kot mrežo vezja.
Dve krtači sta pritrjeni na 0° in 180° za stik s komutatorjem.Zunanji enosmerni napajalnik je priključen na ščetko, tok pa teče po poti ščetka → komutator → tuljava → ščetka.
Načelo vrtenja krtačenega motorja
① Zavrtite v nasprotni smeri urnega kazalca od začetnega stanja
Tuljava A je na vrhu, priključite napajalnik na krtačo, levo naj bo (+), desno pa (-).Velik tok teče od leve ščetke do tuljave A skozi komutator.To je struktura, v kateri zgornji del (zunanja stran) tuljave A postane S pol.
Ker 1/2 toka tuljave A teče od leve krtačke do tuljave B in tuljave C v nasprotni smeri od tuljave A, zunanji strani tuljave B in tuljave C postaneta šibki N poli (označeni z nekoliko manjšimi črkami v slika).
Magnetna polja, ustvarjena v teh tuljavah, ter odbojni in privlačni učinki magnetov izpostavljajo tuljave sili, ki se vrti v nasprotni smeri urnega kazalca.
② Nadaljujte v nasprotni smeri urinega kazalca
Nato se predpostavi, da je desna krtača v stiku z obema komutatorjema v stanju, ko je tuljava A zasukana v nasprotni smeri urinega kazalca za 30°.
Tok tuljave A še naprej teče od leve ščetke do desne ščetke, zunanja stran tuljave pa ohranja S pol.
Enak tok kot tuljava A teče skozi tuljavo B, zunanja stran tuljave B pa postane močnejši N pol.
Ker sta oba konca tuljave C v kratkem stiku s ščetkami, tok ne teče in se ne ustvarja magnetno polje.
Tudi v tem primeru pride do rotacijske sile v nasprotni smeri urnega kazalca.
Od ③ do ④ zgornja tuljava še naprej prejema silo v levo, spodnja tuljava pa še naprej prejema silo v desno in se še naprej vrti v nasprotni smeri urnega kazalca
Ko se tuljava zavrti na ③ in ④ vsakih 30°, ko je tuljava nameščena nad osrednjo vodoravno osjo, zunanja stran tuljave postane S pol; ko je tuljava nameščena spodaj, postane pol N in to gibanje se ponovi.
Z drugimi besedami, zgornja tuljava je večkrat potisnjena v levo, spodnja tuljava pa večkrat v desno (oboje v nasprotni smeri urinega kazalca).Tako se rotor ves čas vrti v nasprotni smeri urnega kazalca.
Če priključite napajanje na nasprotni levi (-) in desni (+) ščetki, se v tuljavah ustvarijo nasprotni magnetni polji, zato je sila, ki deluje na tuljave, prav tako v nasprotni smeri in se vrti v smeri urinega kazalca.
Poleg tega se ob izklopu električnega toka rotor krtačenega motorja preneha vrteti, ker ni magnetnega polja, ki bi ga obdržalo.
Trifazni polnovalni brezkrtačni motor
Videz in zgradba trifaznega polnovalovnega brezkrtačnega motorja
Spodnja slika prikazuje primer videza in strukture brezkrtačnega motorja.
Na levi je primer vretenskega motorja, ki se uporablja za vrtenje optičnega diska v napravi za predvajanje optičnih diskov.Skupaj trifazni × 3 skupaj 9 tuljav.Na desni je primer vretenskega motorja za FDD napravo s skupno 12 tuljavami (trifazni × 4).Tuljava je pritrjena na vezje in navita okoli železnega jedra.
Del v obliki diska na desni strani tuljave je rotor s trajnim magnetom.Obod je trajni magnet, gred rotorja je vstavljena v osrednji del tuljave in pokriva del tuljave, trajni magnet pa obdaja obod tuljave.
Diagram notranje zgradbe in enakovredno vezje povezave tuljave trifaznega polnovalnih brezkrtačnih motorjev
Sledi shematski diagram notranje zgradbe in shematski diagram ekvivalentnega vezja povezave tuljave.
Ta notranji diagram je primer zelo preprostega 2-polnega (2 magneta) motorja s 3 režami (3 tuljave).Podobna je strukturi brušenega motorja z enakim številom polov in rež, vendar je stran tuljave fiksna in magneti se lahko vrtijo.Seveda brez čopičev.
V tem primeru je tuljava Y-povezana, s pomočjo polprevodniškega elementa za napajanje tuljave s tokom, dotok in odtok toka pa se krmili glede na položaj rotirajočega magneta.V tem primeru se Hallov element uporablja za zaznavanje položaja magneta.Hallov element je razporejen med tuljavami, ustvarjena napetost pa se zazna na podlagi jakosti magnetnega polja in se uporablja kot informacija o položaju.Na prejšnji sliki vretenskega motorja FDD je razvidno tudi, da obstaja Hallov element (nad tuljavo) za zaznavanje položaja med tuljavo in tuljavo.
Hallovi elementi so dobro znani magnetni senzorji.Velikost magnetnega polja lahko pretvorimo v velikost napetosti, smer magnetnega polja pa lahko izrazimo kot pozitivno ali negativno.Spodaj je shematski diagram, ki prikazuje Hallov učinek.
Hall elementi izkoriščajo pojav, da »ko tok IH teče skozi polprevodnik in magnetni tok B prehaja pravokotno na tok, napetost VHnastane v smeri, ki je pravokotna na tok in magnetno polje« je ameriški fizik Edwin Herbert Hall (Edwin Herbert Hall) odkril ta pojav in ga poimenoval »Hall efekt«.Nastala napetost VHje predstavljen z naslednjo formulo.
VH= (KH/ d)・IH・B ※KH: Hallov koeficient, d: debelina površine prodiranja magnetnega pretoka
Kot kaže formula, višji kot je tok, višja je napetost.Ta funkcija se pogosto uporablja za zaznavanje položaja rotorja (magneta).
Načelo vrtenja trifaznega polnovalovnega brezkrtačnega motorja
Načelo vrtenja brezkrtačnega motorja bo razloženo v naslednjih korakih od ① do ⑥.Za lažje razumevanje so trajni magneti tukaj poenostavljeni iz krogov v pravokotnike.
①
Med trifaznimi tuljavami se predpostavlja, da je tuljava 1 pritrjena v smeri 12. ure na uri, tuljava 2 je pritrjena v smeri 4. ure na uri, tuljava 3 pa je pritrjena v smeri 8 ure na uri.Naj bo pol N dvopolnega trajnega magneta na levi in pol S na desni in ga je mogoče vrteti.
Tok Io teče v tuljavo 1, da ustvari S-polno magnetno polje zunaj tuljave.Tok Io/2 teče iz tuljave 2 in tuljave 3, da ustvari N-polno magnetno polje zunaj tuljave.
Ko sta magnetni polji tuljave 2 in tuljave 3 vektorizirani, se navzdol ustvari N-polno magnetno polje, ki je 0,5-krat večje od velikosti magnetnega polja, ki nastane, ko tok Io teče skozi eno tuljavo, in je 1,5-krat večje, če ga dodamo na magnetno polje tuljave 1.To ustvari posledično magnetno polje pod kotom 90° na trajni magnet, tako da se lahko ustvari največji navor, trajni magnet se vrti v smeri urinega kazalca.
Ko se tok tuljave 2 zmanjša in tok tuljave 3 poveča glede na vrtilni položaj, se rezultantno magnetno polje prav tako vrti v smeri urinega kazalca in tudi trajni magnet se še naprej vrti.
②
V stanju, zasukanem za 30°, tok Io teče v tuljavo 1, tok v tuljavi 2 je enak nič, tok Io pa teče iz tuljave 3.
Zunanja stran tuljave 1 postane S pol, zunanja stran tuljave 3 pa postane N pol.Ko se vektorji združijo, je nastalo magnetno polje √3 (≈1,72)-krat magnetno polje, ki nastane, ko tok Io teče skozi tuljavo.To prav tako ustvari rezultantno magnetno polje pod kotom 90° glede na magnetno polje trajnega magneta in se vrti v smeri urinega kazalca.
Ko se vhodni tok Io tuljave 1 zmanjša glede na rotacijski položaj, se vhodni tok tuljave 2 poveča od nič, izhodni tok tuljave 3 pa se poveča na Io, se rezultantno magnetno polje prav tako vrti v smeri urinega kazalca, in tudi trajni magnet se še naprej vrti.
※ Ob predpostavki, da je vsak fazni tok sinusne valovne oblike, je trenutna vrednost tukaj Io × sin(π⁄3)=Io × √3⁄2 Z vektorsko sintezo magnetnega polja dobimo celotno velikost magnetnega polja kot ( √ 3⁄2)2× 2=1,5-krat.Ko je vsak fazni tok sinusni val, je ne glede na položaj trajnega magneta velikost vektorskega sestavljenega magnetnega polja 1,5-krat večja od magnetnega polja, ki ga ustvari tuljava, magnetno polje pa je pod kotom 90° relativno na magnetno polje trajnega magneta.
③
V stanju nadaljnjega vrtenja za 30° teče tok Io/2 v tuljavo 1, tok Io/2 v tuljavo 2 in tok Io iz tuljave 3.
Zunanja stran tuljave 1 postane pol S, zunanja stran tuljave 2 prav tako postane pol S, zunanja stran tuljave 3 pa postane pol N.Ko se vektorji združijo, je nastalo magnetno polje 1,5-krat večje od magnetnega polja, ki nastane, ko tok Io teče skozi tuljavo (enako kot ①).Tudi tu nastane rezultantno magnetno polje pod kotom 90° glede na magnetno polje trajnega magneta in se vrti v smeri urinega kazalca.
④～⑥
Zasukajte na enak način kot od ① do ③.
Na ta način, če se tok, ki teče v tuljavo, nenehno preklaplja v zaporedju glede na položaj trajnega magneta, se bo trajni magnet vrtel v fiksni smeri.Podobno, če obrnete tok toka in obrnete posledično magnetno polje, se bo vrtelo v nasprotni smeri urinega kazalca.
Spodnja slika neprekinjeno prikazuje tok vsake tuljave v vsakem koraku ① do ⑥ zgoraj.Z zgornjim uvodom bi moralo biti mogoče razumeti razmerje med trenutno spremembo in rotacijo.
koračni motor
Koračni motor je motor, ki lahko natančno krmili vrtilni kot in hitrost v sinhronizaciji z impulznim signalom. Koračni motor se imenuje tudi "impulzni motor".Ker lahko koračni motorji dosežejo natančno pozicioniranje samo s krmiljenjem z odprto zanko brez uporabe senzorjev položaja, se pogosto uporabljajo v opremi, ki zahteva pozicioniranje.
Zgradba koračnega motorja (dvofazni bipolarni)
Naslednje slike od leve proti desni so primer videza koračnega motorja, shematski diagram notranje zgradbe in shematski diagram koncepta strukture.
V primeru videza je podan videz koračnega motorja tipa HB (Hybrid) in tipa PM (Permanent Magnet).Diagram strukture na sredini prikazuje tudi strukturo tipa HB in tipa PM.
Koračni motor je struktura, v kateri je tuljava pritrjena, trajni magnet pa se vrti.Konceptualni diagram notranje zgradbe koračnega motorja na desni je primer PM motorja, ki uporablja dvofazne (dva niza) tuljav.V primeru osnovne zgradbe koračnega motorja so tuljave razporejene na zunanji strani, trajni magneti pa na notranji strani.Poleg dvofaznih tuljav obstajajo trifazni in petfazni tipi z več fazami.
Nekateri koračni motorji imajo drugačno strukturo, vendar je osnovna struktura koračnega motorja podana v tem članku, da bi olajšali uvedbo njegovega principa delovanja.S tem člankom upam, da bom razumel, da koračni motor v bistvu prevzame strukturo fiksne tuljave in rotirajočega trajnega magneta.
Osnovni princip delovanja koračnega motorja (enofazno vzbujanje)
Naslednja slika je uporabljena za predstavitev osnovnega principa delovanja koračnega motorja.To je primer vzbujanja za vsako fazo (niz tuljav) zgornje dvofazne bipolarne tuljave.Predpostavka tega diagrama je, da se stanje spremeni iz ① v ④.Tuljava je sestavljena iz tuljave 1 in tuljave 2.Poleg tega trenutne puščice kažejo trenutno smer toka.
①
- Tok teče z leve strani tuljave 1 in teče iz desne strani tuljave 1.
- Ne dovolite, da tok teče skozi tuljavo 2.
- V tem času notranja stran leve tuljave 1 postane N, notranja stran desne tuljave 1 pa S.
- Zato trajni magnet v sredini privlači magnetno polje tuljave 1, postane stanje levega S in desnega N in se ustavi.
②
- Tok tuljave 1 je ustavljen, tok teče z zgornje strani tuljave 2 in izteka iz spodnje strani tuljave 2.
- Notranja stran zgornje tuljave 2 postane N, notranja stran spodnje tuljave 2 pa S.
- Trajni magnet privlači njegovo magnetno polje in se ustavi z vrtenjem za 90° v smeri urinega kazalca.
③
- Tok tuljave 2 je ustavljen, tok teče z desne strani tuljave 1 in izteka iz leve strani tuljave 1.
- Notranja stran leve tuljave 1 postane S, notranja stran desne tuljave 1 pa N.
- Trajni magnet privlači njegovo magnetno polje in se ustavi tako, da se obrne v smeri urinega kazalca še za 90°.
④
- Tok tuljave 1 je zaustavljen, tok teče s spodnje strani tuljave 2 in izteka iz zgornje strani tuljave 2.
- Notranja stran zgornje tuljave 2 postane S, notranja stran spodnje tuljave 2 pa N.
- Trajni magnet privlači njegovo magnetno polje in se ustavi tako, da se obrne v smeri urinega kazalca še za 90°.
Čas objave: 9. julij 2022