Майже половина світового споживання електроенергії споживається двигунами, тому високий ККД двигунів називають найефективнішим заходом для вирішення світових енергетичних проблем.
Взагалі кажучи, це стосується перетворення сили, створеної струмом, що протікає в магнітному полі, в обертальну дію, а в широкому сенсі також включає лінійну дію.За типом джерела живлення, що приводиться в дію двигуном, його можна розділити на двигун постійного струму та двигун змінного струму.За принципом обертання двигуна його можна приблизно розділити на наступні категорії.(крім спеціальних двигунів)
Двигун змінного струму Щітковий двигун: широко використовуваний щітковий двигун зазвичай називають двигуном постійного струму.Електрод, який називається «щіткою» (сторона статора) і «комутатором» (сторона якоря), послідовно контактує для перемикання струму, таким чином виконуючи дію обертання.Безщітковий двигун постійного струму: йому не потрібні щітки та комутатори, але він використовує функції перемикання, такі як транзистори для перемикання струму та обертання.Кроковий двигун: Цей двигун працює синхронно з імпульсною потужністю, тому його також називають імпульсним двигуном.Його характеристика полягає в тому, що він може легко реалізувати операцію точного позиціонування.Асинхронний двигун: змінний струм змушує статор створювати обертове магнітне поле, яке змушує ротор виробляти індукований струм і обертатися під його взаємодією.Двигун змінного струму (змінного струму) Синхронний двигун: змінний струм створює обертове магнітне поле, а ротор з магнітними полюсами обертається за рахунок тяжіння.Швидкість обертання синхронізована з частотою живлення.
Про струм, магнітне поле та силу Перш за все, щоб полегшити наступне пояснення принципу двигуна, давайте розглянемо основні закони/правила про струм, магнітне поле та силу.Хоча є почуття ностальгії, це знання легко забути, якщо ви не використовуєте магнітні компоненти часто.
Як обертається двигун?1) двигун обертається за допомогою магнітів і магнітної сили.Навколо постійного магніту з обертовим валом ① обертайте магніт (для створення обертового магнітного поля), ② відповідно до принципу, що різні полюси N полюса та S полюса притягуються, а однаковий рівень відштовхується, ③ магніт із обертовий вал буде обертатися.
Струм, що протікає в дроті, викликає обертове магнітне поле (магнітну силу) навколо нього, так що магніт обертається, що фактично є таким самим станом дії, як і цей.
Крім того, коли дріт намотується в котушку, синтезується магнітна сила, утворюючи великий потік магнітного поля (магнітний потік), що призводить до N-полюса та S-полюса.Крім того, вставивши залізний сердечник у провідник у формі котушки, лінії магнітного поля стають легшими для проходження та можуть створювати сильнішу магнітну силу.2) Фактичний обертовий двигун Тут, як практичний метод обертової електричної машини, представлено метод створення обертового магнітного поля за допомогою трифазного змінного струму та котушки.(Трифазний змінний струм — це сигнал змінного струму з інтервалом фаз 120.) Котушки, намотані навколо залізного сердечника, поділяються на три фази, а котушки U-фази, V-фази та W-фази розташовані з інтервалами 120. Котушки з високою напругою породжують N полюсів, а котушки з низькою напругою — S полюсів.Кожна фаза змінюється відповідно до синусоїди, тому полярність (N-полюс, S-полюс), створена кожною котушкою, і її магнітне поле (магнітна сила) будуть змінюватися.У цей час просто подивіться на котушки, які генерують N полюсів, і змініть їх у такому порядку: котушка U-фази → котушка V-фази → котушка W-фази → котушка U-фази, таким чином обертаючись.Структура невеликого двигуна На наступному малюнку показано загальну структуру та порівняння крокового двигуна, щіткового двигуна постійного струму та безщіткового двигуна постійного струму.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.
Тут магніт щіткового двигуна постійного струму закріплений зовні, а котушка обертається всередині.Щітка і комутатор відповідають за подачу живлення на котушку і зміну напрямку струму.Тут котушка безщіткового двигуна закріплена зовні, а магніт обертається всередині.Через різні типи двигунів їх структури відрізняються, навіть якщо основні компоненти однакові.Це буде докладно пояснено в кожній частині.Щітковий двигун Структура щіткового двигуна Нижче наведено зовнішній вигляд щіткового двигуна постійного струму, який часто використовується в моделі, а також схематичну діаграму звичайного двополюсного (два магніти) трипрорізного (три котушки) двигуна.Напевно у багатьох є досвід розбирання мотора і виймання магніту.Можна побачити, що постійний магніт щіткового двигуна постійного струму нерухомий, а котушка щіткового двигуна постійного струму може обертатися навколо внутрішнього центру.Нерухома сторона називається «статор», а сторона, що обертається, називається «ротор».
Принцип обертання двигуна щітки ① Обертайте проти годинникової стрілки, починаючи з початкового стану. Котушка A знаходиться вгорі, підключаючи джерело живлення до щітки, і нехай ліва сторона буде (+), а права – (-).Від лівої щітки до котушки А через комутатор тече великий струм.Це структура, в якій верхня частина (зовні) 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).Магнітне поле, створене в цих котушках, а також відштовхування та притягання магнітів змушують котушки обертатися проти годинникової стрілки.② подальше обертання проти годинникової стрілки.Далі передбачається, що права щітка контактує з двома комутаторами в тому стані, коли котушка A обертається проти годинникової стрілки на 30 градусів.Струм котушки А безперервно тече від лівої щітки до правої щітки, а зовнішня сторона котушки утримує полюс S.Через котушку B протікає той самий струм, що й у котушки A, а зовнішня сторона котушки B стає сильнішим N-полюсом.Оскільки обидва кінці котушки C замкнуті накоротко щітками, струм не тече і магнітне поле не створюється.Навіть у цьому випадку на нього буде діяти сила обертання проти годинникової стрілки.Від ③ до ④ на верхню котушку постійно діє сила, що рухається вліво, а на нижню котушку постійно діє сила, що рухається вправо, і вона продовжує обертатися проти годинникової стрілки.Коли котушка обертається на ③ і ④ кожні 30 градусів, коли котушка розташована над центральною горизонтальною віссю, зовнішня сторона котушки стає S-полюсом;Коли котушка розташована нижче, вона стає N-полюсом, і цей рух повторюється.Іншими словами, на верхню котушку постійно діє сила, що рухається вліво, а на нижню котушку постійно діє сила, що рухається праворуч (обидві проти годинникової стрілки).Це призводить до того, що ротор завжди обертається проти годинникової стрілки.Якщо джерело живлення підключено до протилежних лівої щітки (-) і правої щітки (+), у котушці буде створено магнітне поле протилежних напрямків, тому напрямок сили, прикладеної до котушки, також протилежний, обертаючись за годинниковою стрілкою. .Крім того, коли джерело живлення відключено, ротор щіткового двигуна перестане обертатися, оскільки немає магнітного поля, яке б підтримувало його обертання.Трифазний повнохвильовий безщітковий двигун Зовнішній вигляд і структура трифазного повнохвильового безщіткового двигуна
Схема внутрішньої структури та еквівалентна схема підключення котушки трифазного повнохвильового безщіткового двигуна Далі наведено принципову схему внутрішньої структури та еквівалентну схему підключення котушки.Схема внутрішньої структури є простим прикладом 2-полюсного (2 магніти) 3-слотового (3 котушки) двигуна.Це схоже на структуру щіткового двигуна з такою ж кількістю полюсів і прорізів, але сторона котушки фіксована, і магніт може обертатися.Пензлика, звичайно, немає.У цьому випадку котушка використовує метод Y-з’єднання, а напівпровідниковий елемент використовується для подачі струму в котушку, а приплив і відтік струму контролюються відповідно до положення обертового магніту.У цьому прикладі елемент Холла використовується для визначення положення магніту.Елемент Холла розташований між котушками, виявляє генеровану напругу відповідно до напруженості магнітного поля та використовує її як інформацію про положення.На зображенні двигуна шпинделя FDD, наведеному раніше, також можна побачити, що між котушкою та котушкою є елемент Холла (над котушкою), щоб визначити положення.Елемент Холла - відомий магнітний датчик.Величина магнітного поля може бути перетворена в величину напруги, а напрямок магнітного поля може бути представлений позитивним і негативним.
Принцип обертання трифазного повнохвильового безщіткового двигуна Далі буде пояснено принцип обертання безщіткового двигуна відповідно до кроків ① ~ ⑥.Для зручності розуміння постійний магніт тут спрощено з круглого на прямокутний.① У трифазній котушці нехай котушка 1 буде закріплена в напрямку 12 годин годинника, котушка 2 буде зафіксована в напрямку 4 годин годинника, а котушка 3 буде зафіксована в напрямку 8 годин. o'clock напрямок годинника.Нехай N-полюс 2-полюсного постійного магніту знаходиться ліворуч, а S-полюс — праворуч, і він може обертатися.Струм Io тече в котушку 1, створюючи S-полюсне магнітне поле поза котушкою.Струм Io/2 тече від котушок 2 і котушок 3, створюючи N-полюсне магнітне поле поза котушкою.Коли магнітні поля котушок 2 і 3 синтезуються за допомогою вектора, N-полюсне магнітне поле генерується вниз, яке в 0,5 раза перевищує величину магнітного поля, що створюється, коли струм Io проходить через одну котушку, і коли додається до магнітного поля котушки 1, стає в 1,5 рази.Це створить композитне магнітне поле під кутом 90° відносно постійного магніту, тому може бути створений максимальний крутний момент і 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 При обертанні на 30 градусів струм Io тече в котушку 1, так що струм у котушці 2 дорівнює нулю, а струм Io витікає з котушки 3. Зовнішня сторона котушки 1 стає S-полюсом, а зовнішня сторона котушки 3 стає N-полюсом.Коли вектори комбінуються, магнітне поле, яке створюється, у √3 (≈1,72) разів більше, ніж поле, яке створюється, коли струм Io проходить через котушку.Це також створить результуюче магнітне поле під кутом 90 по відношенню 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, а постійний магніт продовжує обертатися.Якщо припустити, що кожна фаза струму є синусоїдальною, значення струму тут є io× sin (π 3) = io× √ 32. Завдяки векторному синтезу магнітного поля повне магнітне поле становить (√ 32) 2× 2 = 1,5 рази більше, ніж магнітне поле, створюване котушкою.※.Коли кожен фазний струм є синусоїдальним, незалежно від того, де розташований постійний магніт, величина векторного складеного магнітного поля в 1,5 рази перевищує магнітне поле, створене котушкою, і магнітне поле утворює кут 90 градусів відносно магнітне поле постійного магніту.③ У стані продовження обертання на 30 градусів струм Io/2 протікає в котушку 1, струм Io/2 протікає в котушку 2, а струм Io витікає з котушки 3. Зовнішня сторона котушки 1 стає S-полюсом , зовнішня сторона котушки 2 стає S-полюсом, а зовнішня сторона котушки 3 стає N-полюсом.Коли вектори комбінуються, магнітне поле, яке створюється, в 1,5 рази більше, ніж утворюється, коли струм Io протікає через котушку (те саме, що ①).Тут також буде створено синтетичне магнітне поле під кутом 90 градусів відносно магнітного поля постійного магніту, яке обертатиметься за годинниковою стрілкою.④～⑥ Обертайте так само, як ① ~ 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 струм тече в протилежному напрямку, а синтетичне магнітне поле змінюється, воно обертатиметься проти годинникової стрілки.На наступному малюнку показано струм кожної котушки на кожному кроці від ① до ⑥.Завдяки наведеному вище вступу ми повинні зрозуміти зв’язок між поточними змінами та ротацією.кроковий двигун Кроковий двигун - це свого роду двигун, який може синхронно та точно контролювати кут обертання та швидкість за допомогою імпульсного сигналу.Кроковий двигун також називають «імпульсним двигуном».Кроковий двигун широко використовується в обладнанні, яке потребує позиціонування, оскільки він може реалізувати точне позиціонування лише за допомогою керування з відкритим контуром без використання датчика положення.Структура крокового двигуна (двофазний біполярний) У прикладах зовнішнього вигляду наведено зовнішній вигляд крокових двигунів HB (гібрид) і PM (постійний магніт).Структурна діаграма посередині також показує структуру HB і PM.Кроковий двигун - це конструкція з нерухомою котушкою та обертовим постійним магнітом.Концептуальна схема внутрішньої структури крокового двигуна праворуч є прикладом двигуна PM з використанням двофазних (двох груп) котушок.У базовому прикладі конструкції крокового двигуна котушка розташована зовні, а постійний магніт — усередині.Окрім двох фаз, існує багато типів котушок із трьома фазами та п’ятьма рівнофазними.Деякі крокові двигуни мають іншу структуру, але для ознайомлення з принципами їх роботи в цій статті наведено основну структуру крокових двигунів.Завдяки цій статті я сподіваюся зрозуміти, що кроковий двигун в основному приймає структуру фіксації котушки та обертання постійного магніту.Основний принцип роботи крокового двигуна (однофазне збудження) Нижче наведено основні принципи роботи крокового двигуна.① Струм надходить з лівого боку котушки 1 і виходить з правого боку котушки 1. Не дозволяйте струму протікати через котушку 2. У цей час всередині лівої котушки 1 стає N, а всередині права котушка 1 стає S. Таким чином, середній постійний магніт притягується магнітним полем котушки 1 і зупиняється в стані лівої сторони S і правої сторони N.. ② Зупиніть струм у котушці 1, так що струм надходить з верхньої сторони котушки 2 і виходить 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 перестає обертатися на 90° за годинниковою стрілкою.③ Зупиніть струм у котушці 2, щоб струм надходив з правого боку котушки 1 і витікав з лівого боку котушки 1. Внутрішня частина лівої котушки 1 стає S, а внутрішня сторона правої котушки 1 стає S. стає N.. Постійний магніт притягується своїм магнітним полем і обертається за годинниковою стрілкою ще на 90 градусів, щоб зупинитися.④ Зупиніть струм у котушці 1, щоб струм надходив з нижньої сторони котушки 2 і витікав з верхньої сторони котушки 2. Внутрішня частина верхньої котушки 2 стає S, а внутрішня сторона нижня котушка 2 стає N.. Постійний магніт притягується своїм магнітним полем і обертається за годинниковою стрілкою ще на 90 градусів, щоб зупинитися.Кроковий двигун можна обертати шляхом перемикання струму, що протікає через котушку, у зазначеному вище порядку від ① до ④ через електронну схему.У цьому прикладі кожна дія перемикача обертатиме кроковий двигун на 90. Крім того, коли струм безперервно протікає через певну котушку, він може підтримувати стан зупинки та змушувати кроковий двигун мати утримуючий момент.До речі, якщо струм, що протікає через котушку, реверсований, кроковий двигун можна обертати в протилежну сторону.
