Gotovo polovicu svjetske potrošnje energije troše motori.Stoga se poboljšanje učinkovitosti motora smatra najučinkovitijom mjerom za rješavanje svjetskih energetskih problema.
Vrsta motora
Općenito, odnosi se na pretvaranje sile koju stvara strujni tok u magnetskom polju u rotacijsko gibanje, a uključuje i linearno gibanje u širokom rasponu.
Prema vrsti napajanja koju pokreće motor, može se podijeliti na DC motor i AC motor.Prema principu rotacije motora, može se grubo podijeliti na sljedeće vrste.(osim specijalnih motora)
O strujama, magnetskim poljima i silama
Prvo, radi praktičnosti naknadnih objašnjenja principa motora, pregledajmo osnovne zakone/zakone o strujama, magnetskim poljima i silama.Iako postoji osjećaj nostalgije, lako je zaboraviti ovo saznanje ako ne koristite često magnetske komponente.
Kombiniramo slike i formule za ilustraciju.
Kada je olovni okvir pravokutan, uzima se u obzir sila koja djeluje na struju.
Sila F koja djeluje na stranice a i c je
Stvara moment oko središnje osi.
Na primjer, kada se razmatra stanje u kojem je samo kut rotacijeθ, sila koja djeluje pod pravim kutom na b i d je sinθ, pa se zakretni moment Ta dijela a izražava sljedećom formulom:
Uzimajući u obzir dio c na isti način, zakretni moment se udvostručuje i daje zakretni moment izračunat prema:
Budući da je površina pravokutnika S=h·l, njezina zamjena u gornju formulu daje sljedeće rezultate:
Ova formula ne funkcionira samo za pravokutnike, već i za druge uobičajene oblike poput krugova.Motori koriste ovaj princip.
Kako se motor okreće?
1) Motor se okreće uz pomoć magneta, magnetske sile
Oko trajnog magneta s rotirajućom osovinom,① okreće magnet(za stvaranje rotirajućeg magnetskog polja),② prema principu N i S polova koji privlače suprotne polove i odbijaju se na istoj razini,③ magnet s rotirajućom osovinom će se okretati.
Ovo je osnovni princip rotacije motora.
Rotirajuće magnetsko polje (magnetska sila) nastaje oko žice kada struja teče kroz žicu, a magnet se okreće, što je zapravo isto radno stanje.
Osim toga, kada je žica namotana u obliku zavojnice, magnetska sila se kombinira, stvara se veliki tok magnetskog polja (magnetski tok) i generiraju se N pol i S pol.
Osim toga, umetanjem željezne jezgre u namotanu žicu, postaje lakše za prolazak magnetske sile, te se može generirati jača magnetska sila.
2) Stvarni rotirajući motor
Ovdje se kao praktična metoda rotacijskih električnih strojeva uvodi metoda proizvodnje rotacijskog magnetskog polja pomoću trofazne izmjenične struje i zavojnica.
(Trofazni AC je AC signal s faznim intervalom od 120°)
- Sintetičko magnetsko polje u gornjem ① stanju odgovara sljedećoj slici ①.
- Sintetičko magnetsko polje u stanju ② iznad odgovara ② na slici ispod.
- Sintetičko magnetsko polje u gornjem stanju ③ odgovara sljedećoj slici ③.
Kao što je gore opisano, zavojnica omotana oko jezgre podijeljena je u tri faze, a zavojnica U-faze, zavojnica V-faze i zavojnica W-faze raspoređeni su u intervalima od 120°.Zavojnica s visokim naponom stvara N pol, a zavojnica s niskim naponom S pol.
Budući da se svaka faza mijenja kao sinusni val, polaritet (N pol, S pol) koji stvara svaka zavojnica i njeno magnetsko polje (magnetska sila) se mijenjaju.
U ovom trenutku samo pogledajte zavojnicu koja proizvodi N pol i promijenite redoslijed u skladu sa zavojnicom U-faze→Zavojnica V-faze→Zavojnica W-faze→Zavojnica U-faze, čime se rotira.
Struktura malog motora
Donja slika prikazuje opću strukturu i usporedbu triju motora: koračni motor, brušeni istosmjerni (DC) motor i istosmjerni (DC) motor bez četkica.Osnovne komponente ovih motora uglavnom su zavojnice, magneti i rotori.Osim toga, zbog različitih tipova, dijele se na fiksni tip s zavojnicom i fiksni tip s magnetom.
Slijedi opis strukture povezane s primjerom dijagrama.Budući da mogu postojati druge strukture na granularnijoj osnovi, imajte na umu da je struktura opisana u ovom članku unutar širokog okvira.
Ovdje je zavojnica koračnog motora fiksirana izvana, a magnet se okreće iznutra.
Ovdje su magneti brušenog istosmjernog motora fiksirani izvana, a zavojnice se okreću iznutra.Četkice i komutator odgovorni su za napajanje zavojnice i promjenu smjera struje.
Ovdje je zavojnica motora bez četkica fiksirana izvana, a magnet se okreće iznutra.
Zbog različitih vrsta motora, čak i ako su osnovne komponente iste, struktura je drugačija.Specifičnosti će biti detaljno objašnjene u svakom odjeljku.
brušeni motor
Struktura brušenog motora
Ispod je kako izgleda brušeni istosmjerni motor koji se često koristi u modelima, kao i rastavljena shema uobičajenog dvopolnog (2 magneta) motora s tri utora (3 zavojnice).Možda mnogi ljudi imaju iskustvo rastavljanja motora i vađenja magneta.
Može se vidjeti da su trajni magneti brušenog istosmjernog motora fiksni, a zavojnice brušenog istosmjernog motora mogu rotirati oko unutarnjeg središta.Stacionarna strana naziva se "stator", a rotirajuća strana naziva se "rotor".
Slijedi shematski dijagram strukture koji predstavlja koncept strukture.
Na obodu rotirajuće središnje osi nalaze se tri komutatora (savijeni metalni limovi za preklapanje struje).Kako bi se izbjegao međusobni kontakt, komutatori su raspoređeni u razmaku od 120° (360°÷3 komada).Komutator se okreće kao i osovina.
Jedan komutator povezan je s jednim krajem zavojnice i drugim krajem zavojnice, a tri komutatora i tri zavojnice čine cjelinu (prsten) kao strujnu mrežu.
Dvije četke su fiksirane na 0° i 180° za kontakt s komutatorom.Vanjsko istosmjerno napajanje spojeno je na četkicu, a struja teče u skladu s putanjom četkica → komutator → zavojnica → četkica.
Princip rotacije brušenog motora
① Zakrenite u smjeru suprotnom od kazaljke na satu od početnog stanja
Zavojnica A je na vrhu, priključite napajanje na četkicu, lijevo neka bude (+), a desno (-).Velika struja teče od lijeve četkice do svitka A kroz komutator.Ovo je struktura u kojoj gornji dio (vanjska strana) zavojnice A postaje S pol.
Budući da 1/2 struje zavojnice A teče od lijeve četke do zavojnice B i zavojnice C u suprotnom smjeru od zavojnice A, vanjske strane zavojnice B i zavojnice C postaju slabi N polovi (označeni nešto manjim slovima u lik) .
Magnetska polja stvorena u ovim zavojnicama te odbojni i privlačni učinci magneta podvrgavaju zavojnice rotirajućoj sili u smjeru suprotnom od kazaljke na satu.
② Okrenite dalje u smjeru suprotnom od kazaljke na satu
Zatim se pretpostavlja da je desna četkica u kontaktu s dva komutatora u stanju u kojem je zavojnica A zakrenuta u smjeru suprotnom od kazaljke na satu za 30°.
Struja zavojnice A nastavlja teći od lijeve četkice do desne četkice, a vanjski dio zavojnice održava S pol.
Ista struja kao zavojnica A teče kroz zavojnicu B, a vanjska strana zavojnice B postaje jači N pol.
Budući da su oba kraja svitka C kratko spojena četkicama, struja ne teče i ne stvara se magnetsko polje.
Čak iu ovom slučaju dolazi do sile rotacije u smjeru suprotnom od kazaljke na satu.
Od ③ do ④, gornja zavojnica nastavlja primati silu ulijevo, a donja zavojnica nastavlja primati silu udesno i nastavlja se okretati u smjeru suprotnom od kazaljke na satu
Kada se zavojnica rotira na ③ i ④ svakih 30°, kada je zavojnica postavljena iznad središnje horizontalne osi, vanjska strana zavojnice postaje S pol;kada je zavojnica postavljena ispod, ona postaje N pol, i ovo kretanje se ponavlja.
Drugim riječima, gornja zavojnica se opetovano gura ulijevo, a donja se opetovano gura udesno (oba u smjeru suprotnom od kazaljke na satu).Time se rotor cijelo vrijeme vrti u smjeru suprotnom od kazaljke na satu.
Ako priključite napajanje na suprotne lijeve (-) i desne (+) četkice, u zavojnicama se stvaraju suprotna magnetska polja, tako da je sila koja se primjenjuje na zavojnice također u suprotnom smjeru, okrećući se u smjeru kazaljke na satu.
Osim toga, kada se struja isključi, rotor brušenog motora prestaje se okretati jer nema magnetskog polja koje bi ga nastavilo vrtjeti.
Trofazni punovalni motor bez četkica
Izgled i struktura trofaznog punovalnog motora bez četkica
Na donjoj slici prikazan je primjer izgleda i strukture motora bez četkica.
S lijeve strane je primjer vretenastog motora koji se koristi za okretanje optičkog diska u uređaju za reprodukciju optičkog diska.Ukupno trofazni × 3 ukupno 9 zavojnica.Desno je primjer vretenastog motora za FDD uređaj, s ukupno 12 zavojnica (trofazni × 4).Zavojnica je pričvršćena na tiskanu ploču i omotana oko željezne jezgre.
Dio u obliku diska desno od zavojnice je rotor s permanentnim magnetom.Periferija je permanentni magnet, osovina rotora je umetnuta u središnji dio zavojnice i pokriva dio zavojnice, a permanentni magnet okružuje periferiju zavojnice.
Dijagram unutarnje strukture i ekvivalentni krug spajanja zavojnice trofaznog punovalnog motora bez četkica
Slijedi shematski dijagram unutarnje strukture i shematski dijagram ekvivalentnog kruga spoja zavojnice.
Ovaj unutarnji dijagram primjer je vrlo jednostavnog 2-polnog (2 magneta) motora s 3 utora (3 zavojnice).Slična je brušenoj strukturi motora s istim brojem polova i utora, ali je strana zavojnice fiksirana i magneti se mogu okretati.Naravno, bez četkica.
U ovom slučaju, zavojnica je Y-spojena, pomoću poluvodičkog elementa za opskrbu zavojnice strujom, a dotok i odljev struje kontrolira se prema položaju rotirajućeg magneta.U ovom primjeru, Hallov element se koristi za otkrivanje položaja magneta.Hallov element je raspoređen između zavojnica, a generirani napon detektira se na temelju jakosti magnetskog polja i koristi se kao informacija o položaju.Na slici FDD motora vretena danoj ranije, također se može vidjeti da postoji Hallov element (iznad zavojnice) za detekciju položaja između zavojnice i zavojnice.
Hall elementi su poznati magnetski senzori.Veličina magnetskog polja može se pretvoriti u veličinu napona, a smjer magnetskog polja može se izraziti kao pozitivan ili negativan.Ispod je shematski dijagram koji prikazuje Hallov učinak.
Hall elementi iskorištavaju fenomen da „kada struja IH teče kroz poluvodič i magnetski tok B prolazi pod pravim kutom u odnosu na struju, napon VHse stvara u smjeru okomitom na struju i magnetsko polje“, američki fizičar Edwin Herbert Hall (Edwin Herbert Hall) otkrio je ovaj fenomen i nazvao ga “Hall efekt”.Rezultirajući napon VHpredstavljena je sljedećom formulom.
VH= (KH/ d)・IH・B ※KH: Hallov koeficijent, d: debljina površine prodiranja magnetskog toka
Kao što formula pokazuje, što je veća struja, to je veći napon.Ova se značajka često koristi za otkrivanje položaja rotora (magneta).
Princip rotacije trofaznog punovalnog motora bez četkica
Princip rotacije motora bez četkica bit će objašnjen u sljedećim koracima ① do ⑥.Radi lakšeg razumijevanja, ovdje su trajni magneti pojednostavljeni iz krugova u pravokutnike.
①
Među trofaznim zavojnicama, pretpostavlja se da je zavojnica 1 fiksirana u smjeru 12 sati na satu, zavojnica 2 je fiksirana u smjeru 4 sata na satu, a zavojnica 3 je fiksirana u smjeru 8 sati na satu.Neka N pol 2-polnog permanentnog magneta bude s lijeve strane, a S pol s desne strane i može se rotirati.
Struja Io teče u zavojnicu 1 kako bi se stvorilo magnetsko polje S-pola izvan zavojnice.Io/2 struja teče iz zavojnice 2 i zavojnice 3 kako bi se stvorilo N-polno magnetsko polje izvan zavojnice.
Kada su magnetska polja zavojnice 2 i zavojnice 3 vektorizirana, N-polno magnetsko polje se generira prema dolje, što je 0,5 puta veće od veličine magnetskog polja generiranog kada struja Io prolazi kroz jednu zavojnicu, a 1,5 puta je veće kada se doda na magnetsko polje zavojnice 1.Ovo stvara rezultirajuće magnetsko polje pod kutom od 90° u odnosu na permanentni magnet, tako da se može generirati maksimalni zakretni moment, permanentni magnet rotira u smjeru kazaljke na satu.
Kada se struja zavojnice 2 smanji, a struja zavojnice 3 poveća u skladu s rotacijskim položajem, rezultantno magnetsko polje također se okreće u smjeru kazaljke na satu i permanentni magnet također nastavlja rotirati.
②
U stanju zakrenutom za 30°, struja Io teče u zavojnicu 1, struja u zavojnici 2 postaje nula, a struja Io teče iz zavojnice 3.
Vanjski dio zavojnice 1 postaje S pol, a vanjski dio zavojnice 3 postaje N pol.Kada se vektori kombiniraju, rezultirajuće magnetsko polje je √3 (≈1,72) puta magnetsko polje proizvedeno kada struja Io prolazi kroz zavojnicu.Ovo također proizvodi rezultirajuće magnetsko polje pod kutom od 90° u odnosu na magnetsko polje stalnog magneta i rotira u smjeru kazaljke na satu.
Kada se ulazna struja Io zavojnice 1 smanji prema rotacijskom položaju, ulazna struja zavojnice 2 se poveća od nule, a izlazna struja zavojnice 3 se poveća na Io, rezultantno magnetsko polje također rotira u smjeru kazaljke na satu, a permanentni magnet također nastavlja rotirati.
※Pod pretpostavkom da je svaka fazna struja sinusnog valnog oblika, vrijednost struje ovdje je Io × sin(π⁄3)=Io × √3⁄2 Kroz vektorsku sintezu magnetskog polja, ukupna veličina magnetskog polja dobiva se kao ( √ 3⁄2)2× 2=1,5 puta.Kada je svaka fazna struja sinusni val, bez obzira na položaj trajnog magneta, veličina vektorskog kompozitnog magnetskog polja je 1,5 puta veća od magnetskog polja koje stvara zavojnica, a magnetsko polje je pod kutom od 90° relativno na magnetsko polje permanentnog magneta.
③
U stanju nastavka rotacije za 30° struja Io/2 teče u zavojnicu 1, struja Io/2 teče u zavojnicu 2, a struja Io izlazi iz zavojnice 3.
Vanjski dio zavojnice 1 postaje S pol, vanjski dio zavojnice 2 također postaje S pol, a vanjski dio zavojnice 3 postaje N pol.Kada se vektori kombiniraju, rezultirajuće magnetsko polje je 1,5 puta veće od magnetskog polja proizvedenog kada struja Io teče kroz zavojnicu (isto kao ①).I ovdje se rezultantno magnetsko polje stvara pod kutom od 90° u odnosu na magnetsko polje permanentnog magneta i rotira u smjeru kazaljke na satu.
④～⑥
Rotirajte na isti način kao od ① do ③.
Na taj način, ako se struja koja teče u zavojnicu kontinuirano mijenja u nizu prema položaju trajnog magneta, permanentni magnet će se okretati u fiksnom smjeru.Isto tako, ako preokrenete tok struje i preokrenete rezultantno magnetsko polje, ono će se okretati suprotno od kazaljke na satu.
Donja slika kontinuirano prikazuje struju svake zavojnice u svakom koraku od ① do ⑥ iznad.Kroz gornji uvod trebalo bi biti moguće razumjeti odnos između trenutne promjene i rotacije.
koračni motor
Koračni motor je motor koji može točno kontrolirati kut rotacije i brzinu sinkronizirano s impulsnim signalom.Koračni motor se također naziva "impulsni motor".Budući da koračni motori mogu postići točno pozicioniranje samo kroz kontrolu otvorene petlje bez upotrebe senzora položaja, naširoko se koriste u opremi koja zahtijeva pozicioniranje.
Struktura koračnog motora (dvofazni bipolarni)
Sljedeće slike s lijeva na desno primjer su izgleda koračnog motora, shematski dijagram unutarnje strukture i shematski dijagram koncepta strukture.
U primjeru izgleda dat je izgled koračnog motora tipa HB (Hybrid) i tipa PM (Permanent Magnet).Dijagram strukture u sredini također prikazuje strukturu tipa HB i tipa PM.
Koračni motor je struktura u kojoj je zavojnica fiksirana, a permanentni magnet rotira.Konceptualni dijagram unutarnje strukture koračnog motora s desne strane primjer je PM motora koji koristi dvofazne (dva seta) zavojnice.U primjeru osnovne strukture koračnog motora zavojnice su raspoređene s vanjske strane, a trajni magneti s unutarnje strane.Osim dvofaznih svitaka, postoje trofazni i petofazni tipovi s više faza.
Neki koračni motori imaju druge različite strukture, ali osnovna struktura koračnog motora dana je u ovom članku kako bi se olakšalo uvođenje njegovog principa rada.Kroz ovaj članak, nadam se da ću shvatiti da koračni motor u osnovi ima strukturu fiksne zavojnice i rotirajućeg trajnog magneta.
Osnovni princip rada koračnog motora (jednofazna pobuda)
Sljedeća slika koristi se za predstavljanje osnovnog principa rada koračnog motora.Ovo je primjer pobude za svaku fazu (set zavojnica) dvofazne bipolarne zavojnice iznad.Pretpostavka ovog dijagrama je da se stanje mijenja iz ① u ④.Zavojnica se sastoji od zavojnice 1 i zavojnice 2.Osim toga, strujne strelice pokazuju trenutni smjer protoka.
①
- Struja ulazi s lijeve strane zavojnice 1, a izlazi iz desne strane zavojnice 1.
- Nemojte dopustiti da struja teče kroz zavojnicu 2.
- U to vrijeme, unutarnja strana lijeve zavojnice 1 postaje N, a unutarnja strana desne zavojnice 1 postaje S.
- Zbog toga se stalni magnet u sredini privlači magnetskim poljem zavojnice 1, prelazi u stanje lijevo S i desno N i zaustavlja se.
②
- Struja zavojnice 1 je zaustavljena, te struja ulazi s gornje strane zavojnice 2 i izlazi s donje strane zavojnice 2 .
- Unutarnja strana gornjeg svitka 2 postaje N, a unutarnja strana donjeg svitka 2 postaje S.
- Trajni magnet privlači svoje magnetsko polje i zaustavlja se okretanjem za 90° u smjeru kazaljke na satu.
③
- Struja zavojnice 2 je zaustavljena, a struja ulazi s desne strane zavojnice 1 i izlazi s lijeve strane zavojnice 1.
- Unutarnja strana lijeve zavojnice 1 postaje S, a unutarnja strana desne zavojnice 1 postaje N.
- Trajni magnet je privučen svojim magnetskim poljem i zaustavlja se okretanjem u smjeru kazaljke na satu za još 90°.
④
- Struja zavojnice 1 je zaustavljena, te struja ulazi s donje strane zavojnice 2 i izlazi s gornje strane zavojnice 2 .
- Unutarnja strana gornjeg svitka 2 postaje S, a unutarnja strana donjeg svitka 2 postaje N.
- Trajni magnet je privučen svojim magnetskim poljem i zaustavlja se okretanjem u smjeru kazaljke na satu za još 90°.
Vrijeme objave: 9. srpnja 2022