2) Фактичний обертовий двигун

Тут як практичний метод обертових електричних машин представлено спосіб створення обертового магнітного поля за допомогою трифазного змінного струму та котушок.
(Трифазний змінний струм - це сигнал змінного струму з інтервалом фаз 120°)

• Синтетичне магнітне поле в стані вище ① відповідає малюнку ①.
• Синтетичне магнітне поле в стані ② вище відповідає ② на малюнку нижче.
• Синтетичне магнітне поле в наведеному вище стані ③ відповідає наступному малюнку ③.

Як описано вище, котушка, намотана навколо сердечника, розділена на три фази, причому U-фазна котушка, V-фазна котушка та W-фазна котушка розташовані з інтервалами 120°. Котушка з високою напругою генерує N-полюс, а котушка з низькою напругою генерує S-полюс.
Оскільки кожна фаза змінюється як синусоїда, полярність (N-полюс, S-полюс), створена кожною котушкою, і її магнітне поле (магнітна сила) змінюються.
У цей час просто подивіться на котушку, яка створює полюс N, і змінюйте послідовність відповідно до U-фазної котушки→V-фазної котушки→W-фазної котушки→U-фазної котушки, таким чином обертаючись.

Будова малого двигуна

На малюнку нижче показано загальну структуру та порівняння трьох двигунів: крокового двигуна, щіткового двигуна постійного струму (DC) і безщіткового двигуна постійного струму (DC).Основними компонентами цих двигунів є в основному котушки, магніти та ротори. Крім того, через різні типи вони поділяються на фіксований тип котушки та фіксований тип магніту.

Нижче наведено опис структури, пов’язаної з прикладом діаграми.Оскільки можуть існувати інші структури на більш детальній основі, пам’ятайте, що структура, описана в цій статті, входить у широку структуру.

Тут котушка крокового двигуна закріплена зовні, а магніт обертається всередині.

Тут магніти щіткового двигуна постійного струму закріплені зовні, а котушки обертаються всередині.Щітки і комутатор відповідають за живлення котушки і зміну напрямку струму.

Тут котушка безщіткового двигуна закріплена зовні, а магніт обертається всередині.

Через різні типи двигунів, навіть якщо основні компоненти однакові, структура відрізняється.Специфіка буде детально описана в кожному розділі.

щітковий двигун

Конструкція щіткового двигуна

Нижче показано, як виглядає матовий двигун постійного струму, який часто використовується в моделях, а також розібрана схема звичайного двополюсного (2 магніти) двигуна з трьома пазами (3 котушки).Можливо, у багатьох є досвід розбирання двигуна і виймання магніту.

Можна побачити, що постійні магніти щіткового двигуна постійного струму нерухомі, а котушки щіткового двигуна постійного струму можуть обертатися навколо внутрішнього центру.Нерухома сторона називається «статор», а сторона, що обертається, називається «ротор».

Нижче наведена схематична діаграма структури, яка представляє концепцію структури.

По периферії обертової центральної осі є три комутатори (гнуті металеві листи для комутації струму).Щоб уникнути контакту один з одним, комутатори розташовані з інтервалом 120° (360°÷3 шт.).Комутатор обертається разом із обертанням вала.

Один комутатор з’єднаний з одним кінцем котушки та іншим кінцем котушки, а три комутатори та три котушки утворюють ціле (кільце) як мережу ланцюгів.

Дві щітки закріплені під кутом 0° і 180° для контакту з комутатором.Зовнішнє джерело живлення постійного струму підключається до щітки, і струм тече відповідно до шляху щітка → комутатор → котушка → щітка.

Принцип обертання щіткового двигуна

① Поверніть проти годинникової стрілки від початкового стану

Котушка A знаходиться зверху, підключіть джерело живлення до щітки, нехай ліворуч буде (+), а праворуч (-).Від лівої щітки до котушки А через комутатор тече великий струм.Це структура, в якій верхня частина (зовнішня сторона) котушки A стає S-полюсом.

Оскільки 1/2 струму котушки A тече від лівої щітки до котушки B і котушки C у протилежному напрямку до котушки A, зовнішні сторони котушки B і котушки C стають слабкими полюсами N (позначено дещо меншими літерами в фігура).

Магнітні поля, створені в цих котушках, а також ефекти відштовхування та притягання магнітів піддають котушкам силу, що обертається проти годинникової стрілки.

② Далі поверніть проти годинникової стрілки

Далі передбачається, що права щітка контактує з двома комутаторами в стані, коли котушка А повернута проти годинникової стрілки на 30°.

Струм котушки A продовжує текти від лівої щітки до правої щітки, а зовнішня частина котушки підтримує полюс S.

Через котушку B протікає той самий струм, що й у котушки A, а зовнішня сторона котушки B стає сильнішим полюсом N.

Оскільки обидва кінці котушки C замкнуті накоротко щітками, струм не тече і магнітне поле не створюється.

Навіть у цьому випадку виникає сила обертання проти годинникової стрілки.

Від ③ до ④ верхня котушка продовжує отримувати силу вліво, а нижня котушка продовжує отримувати силу вправо та продовжує обертатися проти годинникової стрілки

Коли котушку повертають до ③ і ④ кожні 30°, коли котушка розташована над центральною горизонтальною віссю, зовнішня сторона котушки стає S-полюсом; коли котушка розташована нижче, вона стає полюсом N, і цей рух повторюється.

Іншими словами, верхню котушку неодноразово примушують ліворуч, а нижню котушку неодноразово примушують праворуч (обидва проти годинникової стрілки).Завдяки цьому ротор весь час обертається проти годинникової стрілки.

Якщо підключити живлення до протилежних лівої (-) і правої (+) щіток, у котушках створюватимуться протилежні магнітні поля, тому сила, прикладена до котушок, також діє в протилежному напрямку, обертаючись за годинниковою стрілкою.

Крім того, коли живлення вимикається, ротор щіткового двигуна перестає обертатися, оскільки немає магнітного поля, яке б підтримувало його обертання.

Трифазний повнохвильовий безщітковий двигун

Зовнішній вигляд і будова трифазного повнохвильового безщіткового двигуна

На малюнку нижче показаний приклад зовнішнього вигляду і будови безщіткового двигуна.

Ліворуч наведено приклад двигуна шпинделя, який використовується для обертання оптичного диска в пристрої відтворення оптичних дисків.Всього трифазний × 3 всього 9 котушок.Праворуч наведено приклад шпиндельного двигуна для пристрою FDD із загалом 12 котушками (трифазні × 4).Котушка закріплена на друкованій платі та намотана навколо залізного сердечника.

Дископодібна частина праворуч від котушки є ротором постійного магніту.Периферія - постійний магніт, вал ротора вставляється в центральну частину котушки і охоплює частину котушки, а постійний магніт оточує периферію котушки.

Схема внутрішньої структури та еквівалентна схема підключення котушки трифазного повнохвильового безщіткового двигуна

Далі наведено принципову схему внутрішньої будови та принципову схему заміщення з’єднання котушки.

Ця внутрішня схема є прикладом дуже простого 2-полюсного (2 магніти) 3-слотового (3 котушки) двигуна.Це схоже на конструкцію щіткового двигуна з такою ж кількістю полюсів і прорізів, але сторона котушки фіксована, а магніти можуть обертатися.Звичайно, без пензликів.

У цьому випадку котушка з’єднана Y-образно, використовуючи напівпровідниковий елемент для живлення котушки струмом, а вхід і вихід струму контролюється відповідно до положення обертового магніту.У цьому прикладі елемент Холла використовується для визначення положення магніту.Елемент Холла розташований між котушками, і генерована напруга визначається на основі сили магнітного поля та використовується як інформація про положення.На зображенні двигуна шпинделя FDD, наведеному раніше, також можна побачити, що є елемент Холла (над котушкою) для визначення положення між котушкою та котушкою.

Елементи Холла є добре відомими магнітними датчиками.Величина магнітного поля може бути перетворена в величину напруги, а напрямок магнітного поля може бути виражений як позитивний або негативний.Нижче наведено схематичне зображення ефекту Холла.

Елементи Холла використовують переваги явища, що «коли струм I_{H протікає через напівпровідник, а магнітний потік B проходить під прямим кутом до струму, напруга VH}генерується в напрямку, перпендикулярному до струму і магнітного поля», американський фізик Едвін Герберт Холл (Edwin Herbert Hall) відкрив це явище і назвав його «ефектом Холла».Результуюча напруга В_Hпредставлено такою формулою.

В_H= (К_H/ d)・I_H・B ※K_H: Коефіцієнт Холла, d: товщина поверхні проникнення магнітного потоку

Як показує формула, чим більше сила струму, тим вище напруга.Ця функція часто використовується для визначення положення ротора (магніту).

Принцип обертання трифазного повнохвильового безщіткового двигуна

Принцип обертання безщіткового двигуна пояснюється в наступних кроках від ① до ⑥.Для полегшення розуміння постійні магніти тут спрощено представлено з кіл на прямокутники.

①

Серед трифазних котушок передбачається, що котушка 1 закріплена в напрямку 12 годин годинника, котушка 2 закріплена в напрямку 4 години годинника, а котушка 3 закріплена в напрямку 12 годин годинника. напрямок 8 години годинника.Нехай N-полюс двополюсного постійного магніту знаходиться ліворуч, а S-полюс — праворуч, і його можна обертати.

Струм Io тече в котушку 1 для створення S-полюсного магнітного поля поза котушкою.Струм Io/2 протікає від котушок 2 і 3 для створення N-полюсного магнітного поля поза котушкою.

Коли магнітні поля котушки 2 і котушки 3 векторизуються, N-полюсне магнітне поле генерується вниз, яке в 0,5 рази перевищує величину магнітного поля, створюваного, коли струм Io проходить через одну котушку, і в 1,5 рази більше, якщо додати до магнітного поля котушки 1.Це створює результуюче магнітне поле під кутом 90° до постійного магніту, тому може бути створений максимальний крутний момент, постійний магніт обертається за годинниковою стрілкою.

Коли струм котушки 2 зменшується, а струм котушки 3 збільшується відповідно до положення обертання, результуюче магнітне поле також обертається за годинниковою стрілкою, і постійний магніт також продовжує обертатися.

②

У стані, повернутому на 30°, струм Io тече в котушку 1, струм в котушці 2 стає нульовим, а струм Io витікає з котушки 3.

Зовнішня частина котушки 1 стає S-полюсом, а зовнішня частина котушки 3 стає N-полюсом.Коли вектори поєднуються, результуюче магнітне поле в √3 (≈1,72) разів перевищує магнітне поле, яке створюється під час проходження струму Io через котушку.Це також створює результуюче магнітне поле під кутом 90° до магнітного поля постійного магніту та обертається за годинниковою стрілкою.

Коли вхідний струм Io котушки 1 зменшується відповідно до положення обертання, вхідний струм котушки 2 збільшується від нуля, а вихідний струм котушки 3 збільшується до Io, результуюче магнітне поле також обертається за годинниковою стрілкою, і постійний магніт також продовжує обертатися.

※Припускаючи, що кожен фазний струм є синусоїдальною формою, значення струму тут дорівнює Io × sin(π⁄3)=Io × √3⁄2 Через векторний синтез магнітного поля загальний розмір магнітного поля отримується як ( √ 3⁄2)²× 2=1,5 рази.Коли кожен фазний струм є синусоїдальною, незалежно від положення постійного магніту, величина векторного складеного магнітного поля в 1,5 рази перевищує магнітне поле, створене котушкою, і магнітне поле знаходиться під кутом 90° відносно до магнітного поля постійного магніту.

③

У стані продовження обертання на 30° струм Io/2 тече в котушку 1, струм Io/2 тече в котушку 2, а струм Io витікає з котушки 3.

Зовнішня частина котушки 1 стає S-полюсом, зовнішня сторона котушки 2 також стає S-полюсом, а зовнішня сторона котушки 3 стає N-полюсом.Коли вектори поєднуються, результуюче магнітне поле в 1,5 рази перевищує магнітне поле, створене, коли струм Io протікає через котушку (те саме, що ①).Тут також результуюче магнітне поле створюється під кутом 90° відносно магнітного поля постійного магніту та обертається за годинниковою стрілкою.

④～⑥

Обертайте так само, як від ① до ③.

Таким чином, якщо струм, що протікає в котушку, постійно перемикається відповідно до положення постійного магніту, постійний магніт обертатиметься у фіксованому напрямку.Подібним чином, якщо ви змінюєте струм і результуюче магнітне поле, воно обертатиметься проти годинникової стрілки.

На малюнку нижче безперервно показано струм кожної котушки на кожному кроці від ① до ⑥ вище.Завдяки наведеному вище вступу можна зрозуміти взаємозв’язок між поточними змінами та обертанням.

кроковий двигун

Кроковий двигун - це двигун, який може точно регулювати кут обертання і швидкість синхронно з імпульсним сигналом. Кроковий двигун ще називають «імпульсним двигуном».Оскільки крокові двигуни можуть досягти точного позиціонування лише за допомогою керування з відкритим контуром без використання датчиків положення, вони широко використовуються в обладнанні, яке потребує позиціонування.

Структура крокового двигуна (двофазний біполярний)

Наступні малюнки зліва направо є прикладом зовнішнього вигляду крокового двигуна, принциповою схемою внутрішньої структури та принциповою схемою концепції конструкції.

У прикладі зовнішнього вигляду наведено зовнішній вигляд крокового двигуна типу HB (гібридний) і типу PM (постійний магніт).Структурна діаграма посередині також показує структуру типу HB і типу PM.

Кроковий двигун - це конструкція, в якій котушка закріплена, а постійний магніт обертається.Концептуальна схема внутрішньої структури крокового двигуна праворуч є прикладом двигуна з ФПМ, що використовує двофазні (два набори) котушок.У прикладі базової конструкції крокового двигуна котушки розташовані зовні, а постійні магніти – зсередини.Крім двофазних котушок існують трифазні і п'ятифазні типи з більшою кількістю фаз.

Деякі крокові двигуни мають іншу структуру, але основна структура крокового двигуна наведена в цій статті, щоб полегшити введення принципу його роботи.Завдяки цій статті я сподіваюся зрозуміти, що кроковий двигун в основному приймає структуру нерухомої котушки та обертового постійного магніту.

Основний принцип роботи крокового двигуна (однофазне збудження)

Наступний малюнок використовується для ознайомлення з основним принципом роботи крокового двигуна.Це приклад збудження для кожної фази (набору котушок) двофазної біполярної котушки вище.Передумовою цієї діаграми є те, що стан змінюється від ① до ④.Котушка складається з котушки 1 і котушки 2 відповідно.Крім того, стрілки струму вказують напрямок потоку струму.

①

• Струм надходить з лівого боку котушки 1 і витікає з правого боку котушки 1.
• Не допускайте проходження струму через котушку 2.
• У цей час внутрішня сторона лівої котушки 1 стає N, а внутрішня сторона правої котушки 1 стає S.
• Тому постійний магніт посередині притягується магнітним полем котушки 1, переходить у стан ліворуч S і праворуч N і зупиняється.

  ②

• Струм котушки 1 припиняється, і струм надходить з верхньої сторони котушки 2 і витікає з нижньої сторони котушки 2 .
• Внутрішня сторона верхньої котушки 2 стає N, а внутрішня сторона нижньої котушки 2 стає S.
• Постійний магніт притягується своїм магнітним полем і зупиняється, обертаючись на 90° за годинниковою стрілкою.

  ③

• Струм котушки 2 припиняється, і струм надходить з правого боку котушки 1 і витікає з лівого боку котушки 1.
• Внутрішня сторона лівої котушки 1 стає S, а внутрішня сторона правої котушки 1 стає N.
• Постійний магніт притягується своїм магнітним полем і зупиняється, повертаючи за годинниковою стрілкою ще на 90°.

  ④

• Струм котушки 1 припиняється, і струм надходить з нижньої сторони котушки 2 і витікає з верхньої сторони котушки 2 .
• Внутрішня сторона верхньої котушки 2 стає S, а внутрішня сторона нижньої котушки 2 стає N.
• Постійний магніт притягується своїм магнітним полем і зупиняється, повертаючи за годинниковою стрілкою ще на 90°.