Почти половината от световното потребление на енергия се консумира от двигатели, така че високата ефективност на двигателите се нарича най-ефективната мярка за решаване на световните енергийни проблеми.
Най-общо казано, то се отнася до трансформирането на силата, генерирана от тока, протичащ в магнитното поле, във въртеливо действие, а в широк смисъл включва и линейно действие.Според вида на захранването, задвижвано от мотор, то може да бъде разделено на двигател с постоянен ток и двигател с променлив ток.Според принципа на въртене на двигателя, той може грубо да бъде разделен на следните категории.(с изключение на специални двигатели)
AC AC мотор Мотор с четка: Широко използваният мотор с четка обикновено се нарича DC мотор.Електрод, наречен „четка“ (от страната на статора) и „комутатор“ (от страната на котвата), се свързват последователно, за да превключват тока, като по този начин извършват въртеливо действие.Безчетков DC мотор: Не се нуждае от четки и комутатори, но използва превключващи функции като транзистори за превключване на тока и извършване на въртене.Стъпков двигател: Този двигател работи синхронно с импулсна мощност, така че се нарича още импулсен двигател.Неговата характеристика е, че може лесно да реализира точна операция за позициониране.Асинхронен двигател: Променливият ток кара статора да произвежда въртящо се магнитно поле, което кара ротора да произвежда индуциран ток и да се върти при неговото взаимодействие.Двигател с променлив ток (променлив ток) Синхронен двигател: променливият ток създава въртящо се магнитно поле, а роторът с магнитни полюси се върти поради привличане.Скоростта на въртене е синхронизирана с честотата на мощността.
Относно тока, магнитното поле и силата Преди всичко, за да улесним следното обяснение на принципа на двигателя, нека прегледаме основните закони/правила за тока, магнитното поле и силата.Въпреки че има чувство на носталгия, лесно е да забравите това знание, ако не използвате често магнитни компоненти.
Как се върти моторът?1) моторът се върти с помощта на магнити и магнитна сила.Около постоянен магнит с въртящ се вал, ① завъртете магнита (за генериране на въртящо се магнитно поле), ② според принципа, че различните полюси на N полюса и S полюса се привличат и същото ниво отблъсква, ③ магнита с въртящият се вал ще се върти.
Токът, протичащ в проводника, предизвиква въртящо се магнитно поле (магнитна сила) около него, така че магнитът да се върти, което всъщност е същото състояние на действие като това.
Освен това, когато жицата се навива в намотка, се синтезира магнитната сила, образувайки голям поток от магнитно поле (магнитен поток), което води до N-полюс и S-полюс.В допълнение, чрез поставяне на желязното ядро в проводника с форма на намотка, линиите на магнитното поле стават лесни за преминаване и могат да генерират по-силна магнитна сила.2) Действителен въртящ се двигател Тук, като практичен метод за въртяща се електрическа машина, се въвежда методът за производство на въртящо се магнитно поле чрез използване на трифазен променлив ток и намотка.(Трифазният променлив ток е променливотоков сигнал с фазов интервал от 120.) Намотките, навити около желязното ядро, са разделени на три фази, а U-фазните намотки, V-фазните намотки и W-фазните намотки са подредени на интервали от 120. Намотките с високо напрежение генерират N полюси, а намотките с ниско напрежение генерират S полюси.Всяка фаза се променя според синусоида, така че полярността (N полюс, S полюс), генерирана от всяка бобина и нейното магнитно поле (магнитна сила), ще се променят.Понастоящем просто погледнете намотките, които генерират N полюса, и ги променете в ред на U-фазова намотка → V-фазова намотка → W-фазова намотка → U-фазова намотка, като по този начин се въртят.Структура на малък двигател Следващата фигура показва общата структура и сравнение на стъпков двигател, четков DC двигател и безчетков DC двигател.Основните компоненти на тези двигатели са главно намотки, магнити и ротори.В допълнение, поради различните типове, те се разделят на фиксиран тип с намотка и фиксиран тип с магнит.
Тук магнитът на постояннотоковия двигател на четката е фиксиран отвън, а намотката се върти отвътре.Четката и комутаторът са отговорни за захранването на намотката и промяната на посоката на тока.Тук намотката на безчетковия двигател е фиксирана отвън, а магнитът се върти отвътре.Поради различните видове двигатели, техните структури са различни, дори ако основните компоненти са еднакви.Ще бъде обяснено подробно във всяка част.Мотор с четка Структура на мотор с четка Следното е външният вид на мотора с четка DC, често използван в модела, и разглобената схематична диаграма на обикновения двуполюсен (два магнита) мотор с три гнезда (три бобини).Може би много хора имат опит да разглобят двигателя и да извадят магнита.Може да се види, че постоянният магнит на постояннотоковия двигател на четката е фиксиран и намотката на постояннотоковия двигател на четката може да се върти около вътрешния център.Фиксираната страна се нарича „статор“, а въртящата се страна се нарича „ротор“.
Принцип на въртене на двигателя на четката ① Завъртете обратно на часовниковата стрелка от първоначалното състояние Бобина A е отгоре, свързвайки захранването към четката, и оставете лявата страна да бъде (+), а дясната страна да бъде (-).Голям ток протича от лявата четка към намотката А през комутатора.Това е структура, в която горната част (отвън) на намотката А става S полюс.Тъй като 1/2 от тока на намотка A протича от лявата четка към намотка B и намотка C в обратна посока на намотка A, външните страни на намотка B и намотка C стават слаби N полюси (обозначени с малко по-малки букви в фигура).Магнитното поле, генерирано в тези намотки, и отблъскването и привличането на магнитите карат намотките да се въртят обратно на часовниковата стрелка.② допълнително въртене обратно на часовниковата стрелка.След това се приема, че дясната четка е в контакт с два комутатора в състояние, в което намотката А се върти обратно на часовниковата стрелка с 30 градуса.Токът на намотката A непрекъснато тече от лявата четка към дясната четка, а външната страна на намотката поддържа S полюса.Същият ток като намотката A протича през намотката B, а външната страна на намотката B става по-силен N-полюс.Тъй като двата края на намотка C са свързани накъсо от четки, не протича ток и не се генерира магнитно поле.Дори в този случай той ще бъде подложен на силата на въртене обратно на часовниковата стрелка.От ③ до ④, горната намотка непрекъснато получава силата, движеща се наляво, а долната намотка непрекъснато получава силата, движеща се надясно, и продължава да се върти обратно на часовниковата стрелка.Когато намотката се завърти до ③ и ④ на всеки 30 градуса, когато намотката е разположена над централната хоризонтална ос, външната страна на намотката става S полюс;Когато намотката е разположена отдолу, тя става N полюс и това движение се повтаря.С други думи, горната намотка е многократно подложена на сила, движеща се наляво, а долната намотка е многократно подложена на сила, движеща се надясно (и двете обратно на часовниковата стрелка).Това кара ротора винаги да се върти обратно на часовниковата стрелка.Ако захранването е свързано към противоположната лява четка (-) и дясната четка (+), в намотката ще се генерира магнитно поле с противоположни посоки, така че посоката на силата, приложена към намотката, също е противоположна, въртяща се по часовниковата стрелка .Освен това, когато захранването е изключено, роторът на двигателя на четката ще спре да се върти, защото няма магнитно поле, което да го поддържа.Трифазен пълновълнов безчетков двигател Външен вид и структура на трифазен пълновълнов безчетков двигател
Диаграма на вътрешната структура и еквивалентна схема на свързване на бобината на трифазен пълновълнов безчетков двигател Следва схематичната диаграма на вътрешната структура и еквивалентната схема на свързване на бобината.Диаграмата на вътрешната структура е прост пример за 2-полюсен (2 магнита) 3-слотов (3 намотки) двигател.Подобна е на структурата на мотора с четка със същия брой полюси и слотове, но страната на бобината е фиксирана и магнитът може да се върти.Разбира се, четка няма.В този случай бобината приема Y-образен метод на свързване и полупроводниковият елемент се използва за подаване на ток към бобината, а притокът и изходът на ток се контролират според позицията на въртящия се магнит.В този пример се използва елемент на Хол за откриване на позицията на магнита.Елементът на Хол е разположен между намотките и открива генерираното напрежение според силата на магнитното поле и го използва като информация за позицията.В изображението на двигателя на шпиндела FDD, дадено по-рано, може също да се види, че има елемент на Хол (над бобината) между бобината и бобината за откриване на позицията.Елементът на Хол е добре познат магнитен сензор.Големината на магнитното поле може да се преобразува в величината на напрежението, а посоката на магнитното поле може да бъде представена с положителна и отрицателна.
Принцип на въртене на трифазен пълновълнов безчетков двигател След това принципът на въртене на безчетковия двигател ще бъде обяснен според стъпки ① ~ ⑥.За по-лесно разбиране постоянният магнит тук е опростен от кръгъл на правоъгълен.① В трифазната намотка оставете намотка 1 да бъде фиксирана в посока 12 часа на часовника, намотка 2 да бъде фиксирана в посока 4 часа на часовника, а намотка 3 да бъде фиксирана в посока 8 час посоката на часовника.Нека N полюсът на двуполюсния постоянен магнит е отляво, а S полюсът е отдясно и той може да се върти.Ток Io протича в намотката 1, за да генерира S-полюсно магнитно поле извън намотката.Токът Io/2 протича от намотката 2 и намотката 3, за да генерира N-полюсно магнитно поле извън намотката.Когато магнитните полета на намотка 2 и намотка 3 са векторно синтезирани, се генерира N-полюсно магнитно поле надолу, което е 0,5 пъти по-голямо от размера на магнитното поле, генерирано, когато ток Io преминава през една намотка, и когато се добави към магнитното поле на намотка 1, става 1,5 пъти.Това ще създаде съставно магнитно поле с ъгъл 90 спрямо постоянния магнит, така че може да се генерира максимален въртящ момент и постоянният магнит да се върти по посока на часовниковата стрелка.Когато токът на намотката 2 се намали и токът на намотката 3 се увеличи в съответствие с позицията на въртене, полученото магнитно поле също се върти по посока на часовниковата стрелка и постоянният магнит също продължава да се върти.② Когато се завърти на 30 градуса, токът Io протича в намотката 1, така че токът в намотката 2 е нула, а токът Io изтича от намотката 3. Външната страна на намотката 1 става S полюс, и външната страна на намотката 3 става N полюс.Когато векторите се комбинират, генерираното магнитно поле е √3 (≈1,72) пъти по това, генерирано, когато токът Io преминава през намотка.Това също ще създаде резултантно магнитно поле под ъгъл от 90 по отношение на магнитното поле на постоянния магнит и ще се върти по часовниковата стрелка.Когато входящият ток Io на намотката 1 се намали според позицията на въртене, входящият ток на намотката 2 се увеличи от нула, а изходящият ток на намотката 3 се увеличи до Io, полученото магнитно поле също се върти по посока на часовниковата стрелка, и постоянният магнит продължава да се върти.Ако приемем, че всеки фазов ток е синусоидален, стойността на тока тук е io× sin (π 3) = io× √ 32. Чрез векторен синтез на магнитно поле общото магнитно поле е (√ 32) 2 × 2 = 1,5 пъти по-голямо от магнитно поле, генерирано от намотка.※.Когато всеки фазов ток е синусоидална вълна, без значение къде се намира постоянният магнит, големината на векторното съставно магнитно поле е 1,5 пъти по-голяма от магнитното поле, генерирано от намотка, и магнитното поле образува ъгъл от 90 градуса по отношение на магнитното поле на постоянния магнит.③ В състояние на продължаващо въртене с 30 градуса, ток Io/2 протича в намотка 1, ток Io/2 протича в намотка 2, а ток Io изтича от намотка 3. Външната страна на намотка 1 става S полюс , външната страна на намотката 2 става S полюс, а външната страна на намотката 3 става N полюс.Когато векторите се комбинират, генерираното магнитно поле е 1,5 пъти по-голямо от генерираното, когато токът Io протича през намотка (същото като ①).Тук синтетично магнитно поле с ъгъл от 90 градуса спрямо магнитното поле на постоянния магнит също ще бъде генерирано и завъртяно по посока на часовниковата стрелка.④～⑥ Завъртете по същия начин като ① ~ ③.По този начин, ако токът, протичащ в намотката, непрекъснато се превключва според позицията на постоянния магнит, постоянният магнит ще се върти във фиксирана посока.По същия начин, ако токът тече в обратна посока и синтетичното магнитно поле е обърнато, то ще се върти обратно на часовниковата стрелка.Следната фигура показва тока на всяка намотка във всяка стъпка от ① до ⑥.Чрез горното въведение трябва да можем да разберем връзката между текущата промяна и ротацията.стъпков двигател Стъпковият двигател е вид двигател, който може да контролира ъгъла на въртене и скоростта синхронно и точно с импулсен сигнал.Стъпковият двигател се нарича още „импулсен двигател“.Стъпковият двигател се използва широко в оборудването, което се нуждае от позициониране, тъй като може да реализира точно позициониране само чрез управление с отворен контур, без да използва сензор за позиция.Структура на стъпков двигател (двуфазен биполярен) В примерите за външен вид са дадени външният вид на HB (хибридни) и PM (постоянен магнит) стъпкови двигатели.Структурната диаграма в средата също показва структурата на HB и PM.Стъпковият двигател е конструкция с фиксирана намотка и въртящ се постоянен магнит.Концептуалната диаграма на вътрешната структура на стъпковия двигател вдясно е пример за PM двигател, използващ двуфазни (две групи) намотки.В примера за основна структура на стъпков двигател бобината е разположена отвън, а постоянният магнит е разположен отвътре.В допълнение към две фази, има много видове намотки с три фази и пет равни фази.Някои стъпкови двигатели имат други различни структури, но за да представи принципите им на работа, тази статия дава основната структура на стъпковите двигатели.Чрез тази статия се надявам да разбера, че стъпковият двигател основно възприема структурата на фиксиране на бобина и въртене на постоянен магнит.Основен принцип на работа на стъпковия двигател (еднофазно възбуждане) Следното се използва за представяне на основния принцип на работа на стъпковия двигател.① Токът протича от лявата страна на бобина 1 и излиза от дясната страна на бобина 1. Не позволявайте на тока да тече през бобина 2. По това време вътрешността на лявата бобина 1 става N, а вътрешността на дясната намотка 1 става S. Следователно средният постоянен магнит е привлечен от магнитното поле на намотката 1 и спира в състояние на лявата страна S и дясната страна N.. ② Спрете тока в намотка 1, така че токът да тече от горната страна на намотка 2 и да изтича от долната страна на намотка 2. Вътрешната страна на горната намотка 2 става N, а вътрешната страна на долната намотка 2 става S. Постоянният магнит се привлича от своето магнитно поле и спира да се върти на 90° по часовниковата стрелка.③ Спрете тока в намотка 2, така че токът да постъпва от дясната страна на намотка 1 и да изтича от лявата страна на намотка 1. Вътрешността на лявата намотка 1 става S, а вътрешността на дясната намотка 1 става N.. Постоянният магнит е привлечен от своето магнитно поле и се завърта по посока на часовниковата стрелка за още 90 градуса, за да спре.④ Спрете тока в намотка 1, така че токът да постъпва от долната страна на намотка 2 и да изтича от горната страна на намотка 2. Вътрешността на горната намотка 2 става S, а вътрешността на долната намотка 2 става N. Постоянният магнит се привлича от своето магнитно поле и се завърта по посока на часовниковата стрелка за още 90 градуса, за да спре.Стъпковият двигател може да се върти чрез превключване на тока, протичащ през намотката в горния ред от ① към ④ през електронната верига.В този пример всяко действие на превключвателя ще завърти стъпковия двигател на 90. Освен това, когато токът непрекъснато тече през определена бобина, той може да запази състоянието на стоп и да накара стъпковия двигател да има задържащ въртящ момент.Между другото, ако токът, протичащ през бобината, е обърнат, стъпковият двигател може да се завърти в обратна посока.
