2) Реальный вращающийся двигатель

Здесь в качестве практического метода для вращающихся двигателей представлен метод создания вращающегося магнитного поля с помощью трехфазного переменного тока и катушки.
(Трехфазный переменный ток - это сигнал переменного тока, разнесенный по фазе на 120°).

Синтетическое магнитное поле в состоянии ① вверху соответствует ① внизу.

Синтетическое магнитное поле в состоянии ② вверху соответствует ② внизу.

Синтетическое магнитное поле в состоянии ③ вверху соответствует рисунку ③ внизу.

Как было сказано выше, катушки сердечника разделены на три фазы, расположенные под углом 120° друг к другу: U-фазная, V-фазная и W-фазная, причем катушка с более высоким напряжением создает N-полюс, а катушка с более низким напряжением - S-полюс.

Каждая фаза изменяется в соответствии с синусоидальной волной, поэтому полярность (N-полюс, S-полюс), создаваемая каждой катушкой, и ее магнитное поле (магнитная сила) будут меняться.

В этот момент, если рассматривать только катушку, создающую N-полюс, то она изменяется последовательно: U-фазная катушка → V-фазная катушка → W-фазная катушка → U-фазная катушка, и, таким образом, вращается.
 

Структура малогабаритных двигателей

На следующем рисунке приведено примерное устройство и сравнение трех типов двигателей: шагового, щеточного двигателя постоянного тока (DC) и бесщеточного двигателя постоянного тока (DC). Основными компонентами этих двигателей являются катушки, магниты и роторы, кроме того, из-за различия типов они делятся на катушечные и магнитоуправляемые.

Ниже приводится описание структуры, связанной с приведенной в качестве примера схемой. Поскольку при более тщательном разделении могут существовать и другие структуры, следует понимать, что описанные здесь структуры относятся к более крупной схеме.

Шаговый двигатель в данном случае имеет катушку, закрепленную на внешней стороне, и магнит, вращающийся на внутренней стороне.

В щеточном двигателе постоянного тока магнит закреплен снаружи, а катушка вращается внутри. Щетки и коммутатор отвечают за подачу питания на катушку и изменение направления тока.

В случае бесщеточного двигателя катушка закреплена снаружи, а магнит вращается внутри.

В связи с различием типов двигателей, даже если основные компоненты одинаковы, существуют различия в их конструкции. Это будет подробно описано в каждом разделе.

Щеточные двигатели
Структура щеточного двигателя

Ниже рассмотрен щеточный двигатель постоянного тока, часто используемый в моделизме, и схема поломки обычного двухполюсного (2 магнита) трехщелевого (3 катушки) двигателя. Возможно, многие из вас имели опыт разборки двигателя и извлечения магнитов.

Как вы видите, постоянные магниты щеточного двигателя постоянного тока неподвижны, а катушки щеточного двигателя постоянного тока могут вращаться вокруг внутреннего центра. Неподвижная сторона называется "статор", а вращающаяся - "ротор".

Ниже приведен эскиз структуры, представляющий понятие структуры.

По периферии вращающегося центрального вала расположены три коммутатора (изогнутые металлические листы для коммутации тока). Чтобы избежать контакта друг с другом, коммутаторы расположены на расстоянии 120° (360° ÷ 3 шт.) друг от друга. Коммутаторы вращаются вместе с валом.

Один коммутатор соединен с одним концом катушки и другим концом катушки, а три коммутатора и три катушки образуют единый блок (кольцо) в виде цепной сети.

Две щетки закреплены под углами 0° и 180° для контакта с коммутатором. К щеткам подключается внешний источник постоянного тока, и ток течет по пути щетка → коммутатор → катушка → щетка.

Принцип вращения щеточного двигателя

① Вращение против часовой стрелки от начального состояния

Катушка А находится вверху, подключите к щеткам источник питания и установите левую сторону в положение (+), а правую - в положение (-). Большой ток течет от левой щетки через коммутатор к катушке А. В этой структуре верхняя (внешняя) часть катушки А становится S-полюсом.

А поскольку 1/2 тока из катушки А течет от левой щетки к катушкам В и С в направлении, противоположном катушке А, то внешние части катушек В и С становятся слабыми полюсами N (на схеме обозначены чуть меньшими буквами).

Магнитное поле, создаваемое в этих катушках, а также отталкивающее и притягивающее действие магнитов приводят к тому, что на катушки действует сила вращения против часовой стрелки.

② Дальнейшее вращение против часовой стрелки

Далее предположим, что правая щетка находится в контакте с обоими коммутаторами, а катушка A повернута на 30° против часовой стрелки.

Ток из катушки А продолжает течь от левой щетки через правую щетку, и внешняя сторона катушки остается S-полюсной.

Через катушку B протекает тот же ток, что и в катушке A, и внешняя сторона катушки B становится более сильным N-полюсом.

Поскольку концы катушки С замкнуты щетками, ток не течет и магнитное поле не создается.

Но даже в этом случае возникает сила вращения против часовой стрелки.

От ③ до ④ виток на верхней стороне продолжает двигаться с силой влево, а виток на нижней стороне продолжает двигаться с силой вправо и продолжает вращаться против часовой стрелки.

При каждом повороте катушки на 30° в состояния ③ и ④ внешняя сторона катушки становится S-полюсом, если катушка находится выше центральной горизонтальной оси, и N-полюсом, если катушка находится ниже, и это движение повторяется.

Другими словами, на катушку с верхней стороны многократно действует сила, направленная влево, а на катушку с нижней стороны - сила, направленная вправо (обе силы действуют против часовой стрелки). В результате ротор всегда вращается против часовой стрелки.

Если же источник питания подключен к противоположным левой (-) и правой (+) щеткам, то в катушках создается магнитное поле противоположного направления, и, соответственно, сила, приложенная к катушкам, действует в обратном направлении, приобретая вращение по часовой стрелке.

Кроме того, при отключении питания ротор щеточного двигателя перестает вращаться, поскольку в нем больше нет магнитного поля, поддерживающего его вращение.

Трехфазный полноволновый бесщеточный двигатель

Внешний вид и структура трехфазного полноволнового бесщеточного двигателя

На следующем рисунке приведен пример внешнего вида и структуры бесщеточного двигателя.

Слева показан пример шпиндельного двигателя, используемого для вращения дисков в устройствах воспроизведения дисков. Всего 9 катушек (3 фазы × 3). Справа - пример шпиндельного двигателя для оборудования FDD с 12 катушками (три фазы × 4). Катушки закреплены на плате и намотаны вокруг сердечника.

Дискообразная часть справа от катушек - это ротор с постоянными магнитами. По периферии находится постоянный магнит, вал ротора вставляется в центральную часть катушки и охватывает ее, постоянный магнит окружает периферию катушки.

Внутренняя структура трехфазного полноволнового бесщеточного двигателя и эквивалентная схема подключения катушки
Далее приводится эскиз внутренней структуры и схема эквивалентной цепи соединения катушек.

Этот эскиз внутренней структуры представляет собой пример двухполюсного (2 магнита) трехщелевого (3 катушки) двигателя с очень простой структурой. Она похожа на структуру щеточного двигателя с тем же количеством полюсов и пазов, но сторона катушки неподвижна, а магниты могут вращаться. Щетки, естественно, отсутствуют.

В данном случае катушки соединены в виде буквы Y, а для подачи тока в катушки используется полупроводниковый элемент, управляющий притоком и оттоком тока в зависимости от положения вращающихся магнитов. В данном примере для определения положения магнита используется элемент Холла. Элемент Холла сконфигурирован между катушкой и витком и обнаруживает напряжение, создаваемое на основе напряженности магнитного поля, и используется в качестве информации о положении. На изображении шпиндельного двигателя FDD, приведенном ранее, также видно, что между катушкой и обмоткой (над катушкой) расположены элементы Холла, используемые для определения положения.

Элементы Холла хорошо известны как магнитные датчики. Они могут преобразовывать величину магнитного поля в величину напряжения и указывать направление магнитного поля как положительное или отрицательное. Ниже приведена схема, демонстрирующая эффект Холла.

Элементы Холла используют явление, согласно которому "при протекании через полупроводник тока IH и прохождении через него магнитного потока B под прямым углом к току возникает напряжение VH в направлении, перпендикулярном току и магнитному полю", - явление, открытое американским физиком Эдвином Гербертом Холлом (Edwin Herbert Hall), который назвал его "эффект Холла". Результирующее напряжение VH задается следующим уравнением.

VH = (KH / d)・IH・B ※KH: коэффициент Холла, d: толщина поверхности, пронизываемой магнитным потоком.

Как видно из формулы, чем больше ток, тем больше напряжение. Это свойство часто используется для определения положения ротора (магнита).

Принцип вращения трехфазного полноволнового бесщеточного двигателя

Далее принцип вращения бесщеточного двигателя будет объясняться в соответствии с шагами ① - ⑥. Для удобства понимания постоянный магнит упрощенно изображен в виде круга и прямоугольника.

(1) В трехфазной катушке пусть катушка 1 закреплена в направлении 12 часов по часовой стрелке, катушка 2 - в направлении 4 часов по часовой стрелке, а катушка 3 - в направлении 8 часов по часовой стрелке. Пусть N-полюс двухполюсного постоянного магнита расположен слева, а S-полюс - справа и может вращаться.

Пусть в катушке 1 протекает ток Io, создающий магнитное поле S-полюса на внешней стороне катушки. Вызвать протекание тока Io/2 из катушки 2 и катушки 3 для создания магнитного поля N-полюса на внешней стороне катушки.

При векторном синтезе магнитных полей катушек 2 и 3 создается направленное вниз N-полюсное магнитное поле, которое в 0,5 раза больше магнитного поля, создаваемого током Io при прохождении через одну катушку, и становится в 1,5 раза больше при сложении с магнитным полем катушки 1. В результате создается синтетическое магнитное поле под углом 90° по отношению к постоянному магниту, что позволяет создать максимальный крутящий момент, и постоянный магнит вращается по часовой стрелке.

При уменьшении тока в катушке 2 и увеличении тока в катушке 3 в зависимости от положения вращения синтетическое магнитное поле также поворачивается по часовой стрелке, и постоянный магнит продолжает вращаться.

② В состоянии поворота на 30° ток Io втекает в катушку 1 так, что ток в катушке 2 становится равным нулю, в результате чего ток Io вытекает из катушки 3.

Внешняя сторона катушки 1 становится S-полюсной, а внешняя сторона катушки 3 - N-полюсной. При векторном синтезе создаваемое магнитное поле в √3 (≈1,72) раза больше магнитного поля, создаваемого при прохождении тока Io через одну катушку. При этом синтезированное магнитное поле также образуется под углом 90° по отношению к магнитному полю постоянного магнита и вращается по часовой стрелке.

При уменьшении тока Io в катушке 1 в соответствии с положением вращения, увеличении тока притока в катушке 2 от нуля и увеличении тока оттока в катушке 3 до Io синтезированное магнитное поле также вращается по часовой стрелке, а постоянный магнит продолжает вращаться.

В предположении, что токи в каждой фазе синусоидальны, значение тока здесь равно Io × sin(π⁄3) = Io × √3⁄2 При векторном синтезе магнитного поля величина суммарного магнитного поля в (√3⁄2)2 × 2 = 1,5 раза больше, чем у магнитного поля, создаваемого одной катушкой. Если токи во всех фазах синусоидальны, то величина векторно-синтезированного магнитного поля в 1,5 раза больше магнитного поля, создаваемого одним витком, независимо от положения постоянного магнита, и магнитное поле находится под углом 90° по отношению к магнитному полю постоянного магнита.

(iii) В состоянии, когда вращение продолжается на 30°, ток Io/2 течет в катушку 1, ток Io/2 течет в катушку 2, и ток Io течет из катушки 3.

Внешняя сторона катушки 1 становится S-полюсной, внешняя сторона катушки 2 также становится S-полюсной, а внешняя сторона катушки 3 становится N-полюсной. При синтезе векторов создаваемое магнитное поле в 1,5 раза больше поля, создаваемого при протекании тока Io через одну катушку (то же, что и ①). Здесь также синтетическое магнитное поле создается под углом 90° по отношению к магнитному полю постоянного магнита и вращается по часовой стрелке.

④～⑥

Вращение осуществляется аналогично ① - ③.

Таким образом, если ток, протекающий в катушке, постоянно последовательно переключается в соответствии с положением постоянного магнита, то постоянный магнит будет вращаться в фиксированном направлении. Аналогично, если изменить направление тока и направление синтетического магнитного поля на противоположное, то он будет вращаться против часовой стрелки.

На рисунке ниже показан ток в каждой катушке для каждого из описанных выше шагов ① - ⑥ последовательно. Изложенное выше должно позволить понять взаимосвязь между изменением тока и вращением.

шаговый двигатель

Шаговые двигатели - это двигатели, способные точно регулировать угол поворота и скорость вращения в синхронизации с импульсными сигналами, их также называют "импульсными". Шаговые двигатели широко используются в оборудовании, требующем позиционирования, поскольку позволяют добиться точного позиционирования за счет управления в разомкнутом контуре без использования датчика положения.

Конструкция шагового двигателя (двухфазный биполярный)

Ниже, слева направо, показан пример внешнего вида шагового двигателя, эскиз внутренней структуры и эскиз структурной концепции.

На примере внешнего вида приведен внешний вид шаговых двигателей типа HB (гибридный) и типа PM (с постоянными магнитами). На структурных рисунках в середине приведена структура шаговых двигателей типов HB и PM.

Шаговый двигатель представляет собой конструкцию, в которой катушка неподвижна, а постоянный магнит вращается. На концептуальной схеме внутренней структуры шагового двигателя справа показан пример ПМ-двигателя с использованием двухфазных (двух комплектов) катушек. В примере базовой структуры шагового двигателя катушки расположены снаружи, а постоянные магниты - внутри. Помимо двухфазных, катушки могут иметь и другие типы фаз, например трехфазные и пятифазные.

Некоторые шаговые двигатели имеют и другие конфигурации, но в данной статье приведена основная структура шагового двигателя для ознакомления с принципом его работы. Из этой статьи можно сделать вывод, что шаговые двигатели в основном состоят из неподвижных катушек и вращающихся постоянных магнитов.

Основной принцип работы шаговых двигателей (однофазное возбуждение)

Принципиальная работа шагового двигателя описывается ниже с помощью приведенной схемы. Это пример возбуждения каждой фазы (набора катушек) двухфазной катушки биполярного типа, приведенной выше. Диаграмма построена исходя из предпосылки, что состояние изменяется от ① до ④. Катушки состоят из катушки 1 и катушки 2 соответственно. Кроме того, стрелки тока указывают направление его протекания.

①

・Заставьте ток втекать с левой стороны катушки 1 и вытекать с правой стороны катушки 1.

・Не допускайте протекания тока через катушку 2.

・В это время внутренняя сторона левой катушки 1 становится N, а внутренняя сторона правой катушки 1 становится S.

В результате постоянный магнит в центре притягивается магнитным полем катушки 1, переходит в состояние S на левой стороне и N на правой стороне и останавливается.

②

・Подключите ток в катушке 1 так, чтобы ток входил с верхней стороны катушки 2 и выходил 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° по часовой стрелке.

③

・・Остановите ток в катушке 2 так, чтобы ток входил с правой стороны катушки 1 и выходил с левой стороны катушки 1.

・Внутренняя поверхность левого витка 1 становится S, а внутренняя поверхность правого витка 1 становится N. ③ ・Постоянный магнит притягивается своим магнитным полем.

・Постоянный магнит притягивается своим магнитным полем и поворачивается по часовой стрелке еще на 90°, чтобы остановиться.

④

・Подключите ток в катушке 1 так, чтобы ток входил с нижней стороны катушки 2 и выходил с верхней стороны катушки 2.

・Внутренняя сторона верхней катушки 2 становится S, а внутренняя сторона нижней катушки 2 становится N. ・・Постоянный магнит притягивается своим магнитным полем.

・Постоянный магнит притягивается своим магнитным полем и поворачивается по часовой стрелке еще на 90° до остановки.

Шаговый двигатель может вращаться путем переключения тока, протекающего через катушку, электронной схемой в порядке от ① до ④ выше. В данном примере каждое переключение поворачивает шаговый двигатель на 90°. Кроме того, при непрерывном протекании тока через определенную катушку можно поддерживать состояние остановки и обеспечивать удерживающий момент шагового двигателя. Кстати, если изменить порядок протекания тока через катушки, то шаговый двигатель можно заставить вращаться в противоположном направлении.

Источник статьи: Motor Today