Почти половина потребляемой в мире электроэнергии потребляется двигателями, поэтому высокий КПД двигателей называют наиболее эффективной мерой решения мировых энергетических проблем.
Вообще говоря, это относится к преобразованию силы, создаваемой током, протекающим в магнитном поле, во вращательное действие, а в широком смысле оно включает и линейное действие.В зависимости от типа источника питания, приводимого в действие двигателем, его можно разделить на двигатель постоянного тока и двигатель переменного тока.По принципу вращения двигателя его можно условно разделить на следующие категории.(кроме специальных двигателей)
Двигатель переменного тока Коллекторный двигатель: Широко используемый коллекторный двигатель обычно называется двигателем постоянного тока.Электрод, называемый «щеткой» (сторона статора) и «коммутатором» (сторона якоря), последовательно контактируют для переключения тока, тем самым выполняя вращательное действие.Бесщеточный двигатель постоянного тока: ему не нужны щетки и коммутаторы, но он использует функции переключения, такие как транзисторы, для переключения тока и вращения.Шаговый двигатель: этот двигатель работает синхронно с импульсной мощностью, поэтому его также называют импульсным двигателем.Его особенностью является то, что он может легко реализовать точное позиционирование.Асинхронный двигатель: переменный ток заставляет статор создавать вращающееся магнитное поле, которое заставляет ротор вырабатывать индуцированный ток и вращаться под его взаимодействием.Двигатель переменного тока (переменного тока) Синхронный двигатель: переменный ток создает вращающееся магнитное поле, а ротор с магнитными полюсами вращается за счет притяжения.Скорость вращения синхронизирована с частотой сети.
О токе, магнитном поле и силе Прежде всего, чтобы облегчить следующее объяснение принципа двигателя, давайте рассмотрим основные законы/правила о токе, магнитном поле и силе.Хоть и возникает чувство ностальгии, но эти знания легко забыть, если не пользоваться магнитными компонентами часто.
Как вращается двигатель?1) двигатель вращается с помощью магнитов и магнитной силы.Вокруг постоянного магнита с вращающимся валом: ① вращайте магнит (для создания вращающегося магнитного поля), ② в соответствии с принципом, согласно которому разные полюса полюса N и полюса S притягиваются, а один и тот же уровень отталкивается, ③ магнит с вращающийся вал будет вращаться.
Ток, текущий по проводу, вызывает вокруг него вращающееся магнитное поле (магнитную силу), так что магнит вращается, что на самом деле является тем же состоянием действия, что и это.
Кроме того, когда провод наматывается в катушку, магнитная сила синтезируется, образуя большой поток магнитного поля (магнитный поток), в результате чего образуются N-полюс и S-полюс.Кроме того, если вставить железный сердечник в проводник в форме катушки, линии магнитного поля станут легче проходить и могут генерировать более сильную магнитную силу.2) Реальный вращающийся двигатель. Здесь в качестве практического метода вращающейся электрической машины представлен метод создания вращающегося магнитного поля с использованием трехфазного переменного тока и катушки.(Трехфазный переменный ток представляет собой сигнал переменного тока с интервалом фаз 120.) Катушки, намотанные вокруг железного сердечника, разделены на три фазы, а катушки U-фазы, катушки V-фазы и катушки W-фазы расположены с интервалом 120. Катушки с высоким напряжением генерируют N полюсов, а катушки с низким напряжением генерируют S полюса.Каждая фаза изменяется в соответствии с синусоидальной волной, поэтому полярность (N-полюс, S-полюс), генерируемая каждой катушкой, и ее магнитное поле (магнитная сила) изменятся.В это время просто посмотрите на катушки, которые генерируют N полюсов, и измените их в следующем порядке: катушка U-фазы → катушка V-фазы → катушка W-фазы → катушка U-фазы, вращая таким образом.Структура небольшого двигателя На следующем рисунке показана общая структура и сравнение шагового двигателя, коллекторного двигателя постоянного тока и бесщеточного двигателя постоянного тока.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.
Здесь магнит щеточного двигателя постоянного тока закреплен снаружи, а катушка вращается внутри.Щетка 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 их конструкции различаются, даже если основные компоненты одинаковы.Это будет подробно объяснено в каждой части.Коллекторный двигатель Структура щеточного двигателя Ниже представлен внешний вид коллекторного двигателя постоянного тока, часто используемого в модели, а также схематическая диаграмма обычного двухполюсного (два магнита) трехслотового (три катушки) двигателя.Возможно у многих есть опыт разборки мотора и вынимания магнита.Видно, что постоянный магнит щеточного двигателя постоянного тока фиксирован, а катушка щеточного двигателя постоянного тока может вращаться вокруг внутреннего центра.Неподвижная сторона называется «статором», а вращающаяся сторона — «ротором».
Принцип вращения двигателя щетки ① Вращайте против часовой стрелки из исходного состояния. Катушка А находится вверху, подключая источник питания к щетке, и пусть левая сторона будет (+), а правая сторона будет (-).Большой ток течет от левой щетки к катушке А через коммутатор.Это конструкция, в которой верхняя часть (снаружи) 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).Магнитное поле, генерируемое в этих катушках, а также отталкивание и притяжение магнитов заставляют катушки вращаться против часовой стрелки.② дальнейшее вращение против часовой стрелки.Далее предполагается, что правая щетка контактирует с двумя коммутаторами в состоянии, когда катушка А вращается против часовой стрелки на 30 градусов.Ток катушки А непрерывно течет от левой щетки к правой, а внешняя сторона катушки удерживает полюс S.Через катушку B течет тот же ток, что и в катушке A, 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 на него будет действовать сила вращения против часовой стрелки.От ③ до ④ верхняя катушка постоянно воспринимает силу, движущуюся влево, а нижняя катушка постоянно получает силу, движущуюся вправо, и продолжает вращаться против часовой стрелки.Когда катушка поворачивается на ③ и ④ каждые 30 градусов, когда катушка расположена над центральной горизонтальной осью, внешняя сторона катушки становится S-полюсом;Когда катушка расположена внизу, она становится N-полюсом, и это движение повторяется.Другими словами, верхняя катушка неоднократно подвергается воздействию силы, движущейся влево, а нижняя катушка неоднократно подвергается воздействию силы, движущейся вправо (обе против часовой стрелки).Это заставляет ротор всегда вращаться против часовой стрелки.Если источник питания подключен к противоположным левой щетке (-) и правой щетке (+), в катушке будет генерироваться магнитное поле с противоположными направлениями, поэтому направление силы, приложенной к катушке, также будет противоположным, поворачиваясь по часовой стрелке. .Кроме того, при отключении питания ротор щеточного двигателя перестанет вращаться, поскольку отсутствует магнитное поле, поддерживающее его вращение.Трехфазный двухполупериодный бесщеточный двигатель Внешний вид и конструкция трехфазного двухполупериодного бесщеточного двигателя
Схема внутренней структуры и эквивалентная схема подключения катушки трехфазного двухполупериодного бесщеточного двигателя Далее приведена принципиальная схема внутренней структуры и эквивалентная схема подключения катушки.Схема внутренней структуры представляет собой простой пример 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 магнит может вращаться.Кисти, конечно, нет.В этом случае катушка использует метод Y-образного соединения, а полупроводниковый элемент используется для подачи тока в 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, определяет генерируемое напряжение в зависимости от напряженности магнитного поля и использует его в качестве информации о местоположении.На изображении шпиндельного двигателя FDD, приведенном ранее, также видно, что между катушкой и катушкой имеется элемент Холла (над катушкой) для определения положения.Элемент Холла представляет собой известный магнитный датчик.Величину магнитного поля можно преобразовать в величину напряжения, а направление магнитного поля можно представить как положительное, так и отрицательное.
Принцип вращения трехфазного двухполупериодного бесщеточного двигателя Далее принцип вращения бесщеточного двигателя будет объяснен в соответствии с шагами ① ~ ⑥.Для простоты понимания постоянный магнит здесь упрощен с круглого на прямоугольный.① В трехфазной катушке: катушка 1 должна быть зафиксирована в направлении 12 часов, катушка 2 — в направлении 4 часов, а катушка 3 — в направлении 8 часов. часовое направление часов.Пусть N-полюс двухполюсного постоянного магнита находится слева, а S-полюс справа, и он может вращаться.Ток Io течет в катушку 1, создавая магнитное поле 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 векторно-синтезированы, вниз генерируется N-полюсное магнитное поле, которое в 0,5 раза превышает размер магнитного поля, генерируемого при прохождении тока Io через одну катушку и при добавлении к магнитному полю. поле катушки 1 становится в 1,5 раза.Это создаст составное магнитное поле под углом 90° относительно постоянного магнита, поэтому может быть создан максимальный крутящий момент, и 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 При повороте на 30 градусов ток Io течет в катушку 1, так что ток в катушке 2 равен нулю, а ток Io вытекает из катушки 3. Внешняя сторона катушки 1 становится S-полюсом, и внешняя сторона катушки 3 становится N-полюсом.Когда векторы объединяются, генерируемое магнитное поле в √3 (≈1,72) раза превышает поле, создаваемое при прохождении тока Io через катушку.Это также создаст результирующее магнитное поле под углом 90 градусов по отношению к магнитному полю постоянного магнита и будет вращаться 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, а постоянный магнит продолжает вращаться.Предполагая, что ток каждой фазы синусоидальный, значение тока здесь составляет io× sin (π 3) = io× √ 32. Благодаря векторному синтезу магнитного поля общее магнитное поле составляет (√ 32) 2× 2 = 1,5 раза магнитное поле, создаваемое катушкой.※.Когда каждый фазный ток имеет синусоидальную форму, независимо от того, где расположен постоянный магнит, величина векторного составного магнитного поля в 1,5 раза превышает магнитное поле, генерируемое катушкой, и магнитное поле образует угол 90 градусов по отношению к магнитное поле постоянного магнита.③ В состоянии продолжения вращения на 30 градусов ток Io/2 течет в катушку 1, ток Io/2 течет в катушку 2, а ток Io течет из катушки 3. Внешняя сторона катушки 1 становится S-полюсом. внешняя сторона катушки 2 становится полюсом S, а внешняя сторона катушки 3 становится полюсом N.Когда векторы объединяются, создаваемое магнитное поле в 1,5 раза превышает создаваемое при протекании тока Io через катушку (так же, как ①).Здесь также будет генерироваться и вращаться по часовой стрелке синтетическое магнитное поле под углом 90 градусов относительно магнитного поля постоянного магнита.④～⑥ Поворачивайте так же, как ① ~ ③.Таким образом, если ток, текущий в катушку, постоянно переключается в зависимости от положения постоянного магнита, постоянный магнит будет вращаться в фиксированном направлении.Аналогично, если ток течет в противоположном направлении и синтетическое магнитное поле повернуто на противоположное, оно будет вращаться против часовой стрелки.На следующем рисунке показан ток каждой катушки на каждом этапе от ① до ⑥.Благодаря приведенному выше введению мы сможем понять взаимосвязь между текущими изменениями и ротацией.Шаговый двигатель Шаговый двигатель — это тип двигателя, который может синхронно и точно управлять углом вращения и скоростью с помощью импульсного сигнала.Шаговый двигатель еще называют «импульсным двигателем».Шаговый двигатель широко используется в оборудовании, требующем позиционирования, поскольку он может обеспечить точное позиционирование только посредством управления с разомкнутым контуром без использования датчика положения.Конструкция шагового двигателя (двухфазного биполярного) В примерах внешнего вида приведены внешний вид шаговых двигателей HB (гибридный) и PM (постоянный магнит).Структурная диаграмма посередине также показывает структуру HB и PM.Шаговый двигатель представляет собой конструкцию с неподвижной катушкой и вращающимся постоянным магнитом.Концептуальная схема внутренней структуры шагового двигателя справа представляет собой пример двигателя с постоянными магнитами, в котором используются двухфазные (две группы) катушки.В примере базовой конструкции шагового двигателя катушка расположена снаружи, а постоянный магнит расположен внутри.Помимо двухфазных, существует множество типов катушек с тремя фазами и пятью равными фазами.Некоторые шаговые двигатели имеют другую конструкцию, но для того, чтобы представить принципы их работы, в этой статье представлена базовая структура шаговых двигателей.Благодаря этой статье я надеюсь понять, что шаговый двигатель в основном использует структуру фиксации катушки и вращения постоянного магнита.Основной принцип работы шагового двигателя (однофазное возбуждение) Ниже приведены основные принципы работы шагового двигателя.① Ток втекает с левой стороны катушки 1 и выходит с правой стороны катушки 1. Не позволяйте току течь через катушку 2. В это время внутренняя часть левой катушки 1 становится N, а внутренняя часть правая катушка 1 становится S. Таким образом, средний постоянный магнит притягивается магнитным полем катушки 1 и останавливается в состоянии левой стороны S и правой стороны N.. ② Остановить ток в катушке 1, так что 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 перестает вращаться на 90 градусов по часовой стрелке.③ Остановите ток в катушке 2, чтобы ток втекал с правой стороны катушки 1 и вытекал с левой стороны катушки 1. Внутренняя часть левой катушки 1 становится S, а внутренняя часть правой катушки 1. становится N. Постоянный магнит притягивается своим магнитным полем и вращается по часовой стрелке еще на 90 градусов, чтобы остановиться.④ Остановите ток в катушке 1, чтобы ток втекал с нижней стороны катушки 2 и вытекал с верхней стороны катушки 2. Внутренняя часть верхней катушки 2 становится S, а внутренняя часть нижняя катушка 2 становится N. Постоянный магнит притягивается своим магнитным полем и вращается по часовой стрелке еще на 90 градусов, чтобы остановиться.Шаговый двигатель можно вращать, переключая ток, протекающий через катушку в указанном выше порядке, с ① на ④ через электронную схему.В этом примере каждое действие переключателя будет поворачивать шаговый двигатель на 90 градусов. Кроме того, когда ток непрерывно течет через определенную катушку, он может сохранять состояние остановки и обеспечивать удерживающий момент шагового двигателя.Кстати, если ток, текущий через катушку, повернуть вспять, шаговый двигатель можно будет вращать в противоположном направлении.
