2) Faktisk roterande motor

Här introduceras, som en praktisk metod för att rotera elektriska maskiner, en metod för att producera ett roterande magnetfält med hjälp av trefas växelström och spolar.
(Tre-fas AC är en AC-signal med ett fasintervall på 120°)

• Det syntetiska magnetfältet i ovanstående ①-tillstånd motsvarar följande figur ①.
• Det syntetiska magnetfältet i tillståndet ② ovan motsvarar ② i figuren nedan.
• Det syntetiska magnetfältet i ovanstående tillstånd ③ motsvarar följande figur ③.

Såsom beskrivits ovan är spolen lindad runt kärnan uppdelad i tre faser, och U-fasspolen, V-fasspolen och W-fasspolen är anordnade med intervall om 120°. Spolen med hög spänning genererar N-pol och spolen med låg spänning genererar S-pol.
Eftersom varje fas ändras som en sinusvåg ändras polariteten (N-pol, S-pol) som genereras av varje spole och dess magnetfält (magnetiska kraft).
Vid denna tidpunkt, titta bara på spolen som producerar N-polen och ändra i sekvens enligt U-fasspolen→V-fasspole→W-fasspole→U-fasspole, och roterar därigenom.

Struktur av en liten motor

Figuren nedan visar den allmänna strukturen och jämförelsen av de tre motorerna: stegmotor, borstad likströmsmotor (DC) och borstlös likströmsmotor (DC).De grundläggande komponenterna i dessa motorer är huvudsakligen spolar, magneter och rotorer. På grund av olika typer är de dessutom uppdelade i spolefixerad typ och magnetfixerad typ.

Följande är en beskrivning av strukturen förknippad med exempeldiagrammet.Eftersom det kan finnas andra strukturer på en mer detaljerad basis, vänligen förstå att strukturen som beskrivs i den här artikeln är inom ett stort ramverk.

Här är stegmotorns spole fixerad på utsidan och magneten roterar på insidan.

Här är magneterna på den borstade DC-motorn fixerade på utsidan och spolarna roteras på insidan.Borstarna och kommutatorn är ansvariga för att tillföra ström till spolen och ändra strömriktningen.

Här är den borstlösa motorns spole fixerad på utsidan, och magneten roterar på insidan.

På grund av de olika typerna av motorer, även om grundkomponenterna är desamma, är strukturen annorlunda.Detaljerna kommer att förklaras i detalj i varje avsnitt.

borstad motor

Struktur för borstad motor

Nedan ser du hur en borstad likströmsmotor som ofta används i modeller ser ut, liksom en sprängskiss över en vanlig tvåpolig (2 magneter) tre-slits (3 spolar) motortyp.Kanske många har erfarenhet av att ta isär motorn och ta ut magneten.

Det kan ses att permanentmagneterna på den borstade likströmsmotorn är fixerade och spolarna på den borstade likströmsmotorn kan rotera runt den inre mitten.Den stationära sidan kallas "stator" och den roterande sidan kallas "rotor".

Följande är ett schematiskt diagram av strukturen som representerar strukturkonceptet.

Det finns tre kommutatorer (böjda metallplåtar för strömväxling) på periferin av den roterande centralaxeln.För att undvika kontakt med varandra är kommutatorerna anordnade med ett intervall på 120° (360°÷3 stycken).Kommutatorn roterar när axeln roterar.

En kommutator är ansluten till en spolände och den andra spoländen, och tre kommutatorer och tre spolar bildar en helhet (ring) som ett kretsnät.

Två borstar är fixerade vid 0° och 180° för kontakt med kommutatorn.Den externa likströmskällan är ansluten till borsten, och strömmen flyter enligt borstens väg → kommutator → spole → borste.

Rotationsprincip för borstad motor

① Rotera moturs från utgångsläget

Spole A är på toppen, anslut strömförsörjningen till borsten, låt vänster vara (+) och höger vara (-).En stor ström flyter från den vänstra borsten till spolen A genom kommutatorn.Detta är strukturen där den övre delen (ytsidan) av spolen A blir S-polen.

Eftersom 1/2 av strömmen för spole A flyter från den vänstra borsten till spole B och spole C i motsatt riktning mot spole A, blir de yttre sidorna av spole B och spole C svaga N-poler (indikeras med något mindre bokstäver i figur).

De magnetiska fälten som skapas i dessa spolar och magneternas frånstötande och attraktiva effekter utsätter spolarna för en moturs roterande kraft.

② Vrid ytterligare moturs

Därefter antas det att den högra borsten är i kontakt med de två kommutatorerna i ett tillstånd där spolen A roteras moturs med 30°.

Strömmen för spole A fortsätter att flyta från den vänstra borsten till den högra borsten, och utsidan av spolen upprätthåller S-polen.

Samma ström som spole A flyter genom spole B, och utsidan av spole B blir den starkare N-polen.

Eftersom båda ändarna av spolen C kortsluts av borstarna, flyter ingen ström och inget magnetfält genereras.

Även i detta fall upplevs en moturs rotationskraft.

Från ③ till ④ fortsätter den övre spolen att ta emot en kraft åt vänster och den nedre spolen fortsätter att ta emot en kraft åt höger och fortsätter att rotera moturs

När spolen roteras till ③ och ④ var 30°, när spolen är placerad ovanför den centrala horisontella axeln, blir spolens yttre sida S-polen; när spolen är placerad under, blir den N-polen och denna rörelse upprepas.

Med andra ord tvingas den övre spolen upprepade gånger åt vänster, och den nedre spolen tvingas upprepade gånger åt höger (båda moturs).Detta gör att rotorn snurrar moturs hela tiden.

Om du ansluter ström till de motsatta vänstra (-) och högra (+) borstarna, skapas motsatta magnetfält i spolarna, så kraften som appliceras på spolarna är också i motsatt riktning, vridande medurs.

Dessutom, när strömmen stängs av, slutar rotorn på den borstade motorn att rotera eftersom det inte finns något magnetfält som håller den igång.

Trefas fullvågs borstlös motor

Utseende och struktur hos trefas fullvågs borstlös motor

Bilden nedan visar ett exempel på utseende och struktur hos en borstlös motor.

Till vänster är ett exempel på en spindelmotor som används för att snurra en optisk skiva i en optisk skivuppspelningsenhet.Totalt trefas × 3 totalt 9 spolar.Till höger är ett exempel på en spindelmotor för en FDD-enhet, med totalt 12 spolar (trefas × 4).Spolen är fixerad på kretskortet och lindad runt järnkärnan.

Den skivformade delen till höger om spolen är permanentmagnetrotorn.Periferin är en permanentmagnet, rotorns axel är införd i den centrala delen av spolen och täcker spoldelen, och permanentmagneten omger spolens periferi.

Internt strukturdiagram och spolanslutning motsvarande krets för trefas fullvågs borstlös motor

Nästa är ett schematiskt diagram över den interna strukturen och ett schematiskt diagram över spolanslutningens ekvivalenta krets.

Detta interna diagram är ett exempel på en mycket enkel 2-polig (2 magneter) 3-slots (3 spolar) motor.Det liknar en borstad motorstruktur med samma antal poler och slitsar, men spolsidan är fixerad och magneterna kan rotera.Självklart inga borstar.

I detta fall är spolen Y-ansluten, med hjälp av ett halvledarelement för att försörja spolen med ström, och in- och utflödet av ström styrs enligt positionen för den roterande magneten.I det här exemplet används ett Hall-element för att detektera magnetens position.Hall-elementet är anordnat mellan spolarna och den genererade spänningen detekteras baserat på styrkan på magnetfältet och används som positionsinformation.På bilden av FDD-spindelmotorn som gavs tidigare kan man också se att det finns ett Hall-element (ovanför spolen) för positionsdetektering mellan spolen och spolen.

Hallelement är välkända magnetiska sensorer.Magnituden på magnetfältet kan omvandlas till spänningens storlek och magnetfältets riktning kan uttryckas som positiv eller negativ.Nedan är ett schematiskt diagram som visar Hall-effekten.

Hallelement drar fördel av fenomenet att "när en ström I_{H flyter genom en halvledare och ett magnetiskt flöde B passerar i rät vinkel mot strömmen, en spänning VH}genereras i riktningen vinkelrät mot strömmen och magnetfältet", den amerikanska fysikern Edwin Herbert Hall (Edwin Herbert Hall) upptäckte detta fenomen och kallade det "Hall-effekten".Den resulterande spänningen V_Hrepresenteras av följande formel.

V_H= (K_H/ d)・I_H・B ※K_H: Hallkoefficient, d: tjockleken på den magnetiska flödesgenomträngningsytan

Som formeln visar, ju högre ström, desto högre spänning.Denna funktion används ofta för att detektera rotorns (magnetens) position.

Rotationsprincip för trefas fullvågs borstlös motor

Rotationsprincipen för den borstlösa motorn kommer att förklaras i följande steg ① till ⑥.För enkel förståelse förenklas permanentmagneterna från cirklar till rektanglar här.

①

Bland trefasspolarna antas det att spole 1 är fixerad i riktning mot klockan 12 på klockan, spole 2 är fixerad i riktning mot klockan 4 och spole 3 är fixerad i klockan 4 riktning klockan 8 på klockan.Låt N-polen på den 2-poliga permanentmagneten vara till vänster och S-polen till höger, så kan den roteras.

En ström Io strömmar in i spolen 1 för att generera ett S-poligt magnetfält utanför spolen.Io/2-ström bringas att flyta från spole 2 och spole 3 för att generera ett N-poligt magnetfält utanför spolen.

När magnetfälten för spole 2 och spole 3 vektoriseras, genereras ett N-poligt magnetfält nedåt, vilket är 0,5 gånger storleken på magnetfältet som genereras när strömmen Io passerar genom en spole, och är 1,5 gånger större när den läggs till till magnetfältet hos spole 1.Detta skapar ett resulterande magnetfält i en 90° vinkel mot permanentmagneten, så maximalt vridmoment kan genereras, permanentmagneten roterar medurs.

När strömmen för spolen 2 minskas och strömmen i spolen 3 ökas i enlighet med rotationspositionen, roterar det resulterande magnetfältet också medurs och permanentmagneten fortsätter också att rotera.

②

I tillståndet roterat med 30° flyter strömmen Io in i spolen 1, strömmen i spolen 2 nollställs och strömmen Io flyter ut ur spolen 3 .

Utsidan av spolen 1 blir S-polen, och utsidan av spolen 3 blir N-polen.När vektorerna kombineras är det resulterande magnetfältet √3 (≈1,72) gånger det magnetiska fältet som produceras när strömmen Io passerar genom en spole.Detta producerar också ett resulterande magnetfält i en 90° vinkel mot permanentmagnetens magnetfält och roterar medurs.

När inflödesströmmen Io för spolen 1 minskas i enlighet med rotationspositionen, inflödesströmmen för spolen 2 ökas från noll, och utströmmen från spolen 3 ökas till Io, roterar det resulterande magnetfältet också medurs, och permanentmagneten fortsätter också att rotera.

※ Om man antar att varje fasström är en sinusformad vågform är strömvärdet här Io × sin(π⁄3)=Io × √3⁄2 Genom vektorsyntesen av magnetfältet erhålls den totala magnetfältsstorleken som ( √ 3⁄2)²× 2=1,5 gånger.När varje fasström är en sinusvåg, oberoende av permanentmagnetens position, är storleken på vektorns sammansatta magnetiska fält 1,5 gånger det magnetiska fältet som genereras av en spole, och magnetfältet har en vinkel på 90° relativt till permanentmagnetens magnetfält.

③

I tillståndet att fortsätta att rotera med 30° flyter strömmen Io/2 in i spolen 1, strömmen Io/2 flyter in i spolen 2 och strömmen Io flyter ut ur spolen 3.

Utsidan av spolen 1 blir S-polen, utsidan av spolen 2 blir också S-polen, och utsidan av spolen 3 blir N-polen.När vektorerna kombineras är det resulterande magnetfältet 1,5 gånger det magnetiska fältet som alstras när en ström Io flyter genom en spole (samma som ①).Även här alstras ett resulterande magnetfält i en vinkel på 90° i förhållande till permanentmagnetens magnetfält och roterar medurs.

④～⑥

Vrid på samma sätt som ① till ③.

På detta sätt, om strömmen som flyter in i spolen kontinuerligt växlas i sekvens enligt permanentmagnetens position, kommer permanentmagneten att rotera i en fast riktning.På samma sätt, om du vänder strömflödet och vänder det resulterande magnetfältet, kommer det att rotera moturs.

Bilden nedan visar kontinuerligt strömmen för varje spole i varje steg ① till ⑥ ovan.Genom ovanstående introduktion ska det vara möjligt att förstå sambandet mellan aktuell förändring och rotation.

stegmotor

En stegmotor är en motor som noggrant kan styra rotationsvinkeln och hastigheten synkroniserat med en pulssignal. Stegmotorn kallas också en "pulsmotor".Eftersom stegmotorer endast kan uppnå exakt positionering genom öppen slinga utan användning av positionssensorer, används de i stor utsträckning i utrustning som kräver positionering.

Stegmotorns struktur (tvåfas bipolär)

Följande figurer från vänster till höger är ett exempel på stegmotorns utseende, ett schematiskt diagram av den interna strukturen och ett schematiskt diagram av strukturkonceptet.

I exemplet med utseende anges utseendet på en stegmotor av typen HB (Hybrid) och PM (Permanent Magnet).Strukturdiagrammet i mitten visar även strukturen för HB-typ och PM-typ.

En stegmotor är en struktur där spolen är fixerad och permanentmagneten roterar.Det konceptuella diagrammet över den interna strukturen av en stegmotor till höger är ett exempel på en PM-motor som använder tvåfas (två uppsättningar) spolar.I exemplet med stegmotorns grundläggande struktur är spolarna anordnade på utsidan och permanentmagneterna på insidan.Förutom tvåfasspolar finns trefas- och femfastyper med fler faser.

Vissa stegmotorer har andra olika strukturer, men den grundläggande strukturen för stegmotorn ges i denna artikel för att underlätta införandet av dess arbetsprincip.Genom den här artikeln hoppas jag förstå att stegmotorn i princip antar strukturen av fast spole och roterande permanentmagnet.

Grundläggande arbetsprincip för stegmotor (enfas excitation)

Följande figur används för att introducera den grundläggande arbetsprincipen för en stegmotor.Detta är ett exempel på excitation för varje fas (uppsättning spolar) av den tvåfasiga bipolära spolen ovan.Utgångspunkten för detta diagram är att tillståndet ändras från ① till ④.Spolen består av spole 1 respektive spole 2.Dessutom indikerar strömpilarna den aktuella flödesriktningen.

①

• Strömmen strömmar in från spolens 1 vänstra sida och strömmar ut från spolens 1 högra sida.
• Låt inte ström flyta genom spole 2.
• Vid denna tidpunkt blir den inre sidan av den vänstra spolen 1 N, och den inre sidan av den högra spolen 1 blir S.
• Därför attraheras permanentmagneten i mitten av spolens 1 magnetfält, blir tillståndet för vänster S och höger N och stannar.

  ②

• Strömmen hos spolen 1 stoppas och strömmen strömmar in från spolens 2 ovansida och strömmar ut från spolens 2 undersida.
• Den inre sidan av den övre spolen 2 blir N, och den inre sidan av den nedre spolen 2 blir S.
• Permanentmagneten attraheras av sitt magnetfält och stannar genom att rotera 90° medurs.

  ③

• Strömmen i spole 2 stoppas och strömmen flyter in från höger sida av spole 1 och flyter ut från vänstra sidan av spole 1.
• Den inre sidan av den vänstra spolen 1 blir S, och den inre sidan av den högra spolen 1 blir N.
• Permanentmagneten attraheras av sitt magnetfält och stannar genom att vrida medurs ytterligare 90°.

  ④

• Strömmen hos spolen 1 stoppas och strömmen strömmar in från spolens 2 undersida och strömmar ut från spolens 2 ovansida.
• Den inre sidan av den övre spolen 2 blir S, och den inre sidan av den nedre spolen 2 blir N.
• Permanentmagneten attraheras av sitt magnetfält och stannar genom att vrida medurs ytterligare 90°.