2) Tatsächlich rotierender Motor

Als praktische Methode zum Drehen elektrischer Maschinen wird hier ein Verfahren zum Erzeugen eines rotierenden Magnetfelds unter Verwendung von dreiphasigem Wechselstrom und Spulen vorgestellt.
(Dreiphasen-Wechselstrom ist ein Wechselstromsignal mit einem Phasenabstand von 120°)

• Das synthetische Magnetfeld im obigen ①-Zustand entspricht der folgenden Abbildung ①.
• Das synthetische Magnetfeld im Zustand ② oben entspricht ② in der Abbildung unten.
• Das synthetische Magnetfeld im obigen Zustand ③ entspricht der folgenden Abbildung ③.

Wie oben beschrieben, ist die um den Kern gewickelte Spule in drei Phasen unterteilt, und die U-Phasen-Spule, die V-Phasen-Spule und die W-Phasen-Spule sind in Abständen von 120° angeordnet.Die Spule mit hoher Spannung erzeugt einen N-Pol und die Spule mit niedriger Spannung erzeugt einen S-Pol.
Da sich jede Phase als Sinuswelle ändert, ändern sich die von jeder Spule erzeugte Polarität (N-Pol, S-Pol) und ihr Magnetfeld (Magnetkraft).
Schauen Sie sich zu diesem Zeitpunkt einfach die Spule an, die den N-Pol erzeugt, und ändern Sie die Reihenfolge entsprechend der U-Phasen-Spule → V-Phasen-Spule → W-Phasen-Spule → U-Phasen-Spule, wodurch sie sich dreht.

Aufbau eines Kleinmotors

Die folgende Abbildung zeigt die allgemeine Struktur und den Vergleich der drei Motoren: Schrittmotor, bürstenbehafteter Gleichstrommotor (DC) und bürstenloser Gleichstrommotor (DC).Die Grundkomponenten dieser Motoren sind hauptsächlich Spulen, Magnete und Rotoren.Aufgrund der unterschiedlichen Typen werden sie außerdem in spulenfeste Typen und magnetfeste Typen unterteilt.

Im Folgenden finden Sie eine Beschreibung der Struktur, die dem Beispieldiagramm zugeordnet ist.Da es möglicherweise andere Strukturen auf einer detaillierteren Basis gibt, haben Sie bitte Verständnis dafür, dass sich die in diesem Artikel beschriebene Struktur in einem großen Rahmen befindet.

Dabei ist die Spule des Schrittmotors außen befestigt und der Magnet dreht sich innen.

Dabei sind die Magnete des bürstenbehafteten Gleichstrommotors außen befestigt und die Spulen werden innen gedreht.Die Bürsten und der Kommutator sind für die Stromversorgung der Spule und die Änderung der Stromrichtung verantwortlich.

Dabei ist die Spule des bürstenlosen Motors außen befestigt und der Magnet dreht sich innen.

Aufgrund der unterschiedlichen Motortypen ist der Aufbau unterschiedlich, auch wenn die Grundkomponenten gleich sind.Die Besonderheiten werden in jedem Abschnitt ausführlich erläutert.

Bürstenmotor

Struktur des Bürstenmotors

Unten sehen Sie, wie ein bürstenbehafteter Gleichstrommotor aussieht, der häufig in Modellen verwendet wird, sowie ein Explosionsschaltbild eines üblichen zweipoligen Motors (2 Magnete) mit drei Schlitzen (3 Spulen).Vielleicht haben viele Leute die Erfahrung gemacht, den Motor zu zerlegen und den Magneten herauszunehmen.

Es ist ersichtlich, dass die Permanentmagnete des bürstenbehafteten Gleichstrommotors fest sind und die Spulen des bürstenbehafteten Gleichstrommotors um die innere Mitte rotieren können.Die stationäre Seite wird „Stator“ und die rotierende Seite „Rotor“ genannt.

Das Folgende ist ein schematisches Diagramm der Struktur, das das Strukturkonzept darstellt.

Am Umfang der rotierenden Mittelachse befinden sich drei Kommutatoren (gebogene Bleche zur Stromschaltung).Um eine Berührung untereinander zu vermeiden, sind die Kommutatoren im Abstand von 120° (360° ÷ 3 Stück) angeordnet.Der Kommutator dreht sich, wenn sich die Welle dreht.

Ein Kommutator ist mit einem Spulenende und dem anderen Spulenende verbunden, und drei Kommutatoren und drei Spulen bilden als Schaltungsnetzwerk ein Ganzes (Ring).

Für den Kontakt mit dem Kommutator sind zwei Bürsten bei 0° und 180° fixiert.Die externe Gleichstromversorgung wird an die Bürste angeschlossen und der Strom fließt entsprechend dem Pfad Bürste → Kommutator → Spule → Bürste.

Rotationsprinzip des Bürstenmotors

① Vom Ausgangszustand aus gegen den Uhrzeigersinn drehen

Spule A befindet sich oben. Schließen Sie das Netzteil an die Bürste an. Lassen Sie die linke Seite (+) und die rechte Seite (-).Ein großer Strom fließt von der linken Bürste zur Spule A durch den Kommutator.Dies ist die Struktur, bei der der obere Teil (Außenseite) der Spule A zum Südpol wird.

Da die Hälfte des Stroms von Spule A von der linken Bürste zu Spule B und Spule C in der entgegengesetzten Richtung zu Spule A fließt, werden die Außenseiten von Spule B und Spule C zu schwachen N-Polen (angezeigt durch etwas kleinere Buchstaben in der Abbildung). Figur) .

Die in diesen Spulen erzeugten Magnetfelder und die abstoßenden und anziehenden Wirkungen der Magnete setzen die Spulen einer rotierenden Kraft gegen den Uhrzeigersinn aus.

② Weiter gegen den Uhrzeigersinn drehen

Als nächstes wird angenommen, dass die rechte Bürste die beiden Kommutatoren in einem Zustand berührt, in dem die Spule A um 30° gegen den Uhrzeigersinn gedreht ist.

Der Strom der Spule A fließt weiterhin von der linken Bürste zur rechten Bürste, und die Außenseite der Spule hält den S-Pol aufrecht.

Durch Spule B fließt der gleiche Strom wie durch Spule A, und die Außenseite von Spule B wird zum stärkeren Nordpol.

Da beide Enden der Spule C durch die Bürsten kurzgeschlossen sind, fließt kein Strom und es wird kein Magnetfeld erzeugt.

Selbst in diesem Fall wird eine Rotationskraft entgegen dem Uhrzeigersinn ausgeübt.

Von ③ bis ④ erhält die obere Spule weiterhin eine Kraft nach links und die untere Spule erhält weiterhin eine Kraft nach rechts und dreht sich weiterhin gegen den Uhrzeigersinn

Wenn die Spule alle 30° um ③ und ④ gedreht wird und sich die Spule über der zentralen horizontalen Achse befindet, wird die Außenseite der Spule zum Südpol.Wenn die Spule unten positioniert ist, wird sie zum Nordpol und diese Bewegung wiederholt sich.

Mit anderen Worten: Die obere Spule wird wiederholt nach links und die untere Spule wiederholt nach rechts gedrückt (beide gegen den Uhrzeigersinn).Dadurch dreht sich der Rotor ständig gegen den Uhrzeigersinn.

Wenn Sie Strom an die gegenüberliegenden linken (-) und rechten (+) Bürsten anschließen, werden in den Spulen entgegengesetzte Magnetfelder erzeugt, sodass die auf die Spulen ausgeübte Kraft ebenfalls in die entgegengesetzte Richtung wirkt und sich im Uhrzeigersinn dreht.

Darüber hinaus hört der Rotor des Bürstenmotors auf, sich zu drehen, wenn der Strom abgeschaltet wird, da kein Magnetfeld vorhanden ist, das ihn weiterdrehen könnte.

Dreiphasiger bürstenloser Vollwellenmotor

Aussehen und Aufbau eines dreiphasigen bürstenlosen Vollwellenmotors

Die folgende Abbildung zeigt ein Beispiel für das Aussehen und den Aufbau eines bürstenlosen Motors.

Auf der linken Seite sehen Sie ein Beispiel für einen Spindelmotor, der zum Drehen einer optischen Disc in einem Wiedergabegerät für optische Discs verwendet wird.Insgesamt dreiphasig × 3, insgesamt 9 Spulen.Rechts ist ein Beispiel eines Spindelmotors für ein FDD-Gerät mit insgesamt 12 Spulen (dreiphasig × 4).Die Spule ist auf der Platine befestigt und um den Eisenkern gewickelt.

Der scheibenförmige Teil rechts von der Spule ist der Permanentmagnetrotor.Die Peripherie ist ein Permanentmagnet, die Welle des Rotors wird in den zentralen Teil der Spule eingeführt und bedeckt den Spulenteil, und der Permanentmagnet umgibt die Peripherie der Spule.

Internes Strukturdiagramm und Spulenanschluss-Ersatzschaltbild eines dreiphasigen bürstenlosen Vollwellenmotors

Als nächstes folgt ein schematisches Diagramm der internen Struktur und ein schematisches Diagramm des Ersatzschaltbilds der Spulenverbindung.

Dieses interne Diagramm ist ein Beispiel für einen sehr einfachen 2-poligen (2 Magnete) 3-Schlitz-Motor (3 Spulen).Es ähnelt einer Struktur eines Bürstenmotors mit der gleichen Anzahl an Polen und Schlitzen, aber die Spulenseite ist fest und die Magnete können rotieren.Natürlich keine Pinsel.

In diesem Fall ist die Spule Y-förmig geschaltet, wobei ein Halbleiterelement die Spule mit Strom versorgt und der Stromzufluss und -abfluss entsprechend der Position des rotierenden Magneten gesteuert wird.In diesem Beispiel wird ein Hall-Element verwendet, um die Position des Magneten zu erfassen.Das Hall-Element ist zwischen den Spulen angeordnet und die erzeugte Spannung wird anhand der Stärke des Magnetfelds erfasst und als Positionsinformation verwendet.In dem zuvor gegebenen Bild des FDD-Spindelmotors ist auch zu erkennen, dass zwischen Spule und Spule ein Hall-Element (über der Spule) zur Positionserkennung vorhanden ist.

Hall-Elemente sind bekannte Magnetsensoren.Die Größe des Magnetfelds kann in die Größe der Spannung umgewandelt werden, und die Richtung des Magnetfelds kann als positiv oder negativ ausgedrückt werden.Unten ist ein schematisches Diagramm, das den Hall-Effekt zeigt.

Hall-Elemente machen sich das Phänomen zunutze, dass „wenn ein Strom I_{H fließt durch einen Halbleiter und ein magnetischer Fluss B fließt im rechten Winkel zum Strom, einer Spannung VH}wird in der Richtung senkrecht zum Strom und zum Magnetfeld erzeugt„Der amerikanische Physiker Edwin Herbert Hall (Edwin Herbert Hall) entdeckte dieses Phänomen und nannte es den „Hall-Effekt“.Die resultierende Spannung V_Hwird durch die folgende Formel dargestellt.

V_H= (K_H/ d)・I_H・B ※K_H: Hall-Koeffizient, d: Dicke der magnetischen Flussdurchdringungsfläche

Wie die Formel zeigt, ist die Spannung umso höher, je höher der Strom ist.Diese Funktion wird häufig zur Erkennung der Position des Rotors (Magneten) verwendet.

Rotationsprinzip eines dreiphasigen bürstenlosen Vollwellenmotors

Das Rotationsprinzip des bürstenlosen Motors wird in den folgenden Schritten ① bis ⑥ erläutert.Zum besseren Verständnis sind die Permanentmagnete hier vereinfacht von Kreisen zu Rechtecken dargestellt.

①

Bei den dreiphasigen Spulen wird davon ausgegangen, dass Spule 1 in Richtung 12 Uhr der Uhr, Spule 2 in Richtung 4 Uhr und Spule 3 in Richtung 12 Uhr fixiert ist Richtung 8 Uhr der Uhr.Befindet sich der Nordpol des 2-poligen Permanentmagneten links und der Südpol rechts, kann er gedreht werden.

Ein Strom Io fließt in die Spule 1, um außerhalb der Spule ein S-Pol-Magnetfeld zu erzeugen.Io/2-Strom fließt von Spule 2 und Spule 3, um außerhalb der Spule ein N-Pol-Magnetfeld zu erzeugen.

Wenn die Magnetfelder von Spule 2 und Spule 3 vektorisiert werden, wird ein N-Pol-Magnetfeld nach unten erzeugt, das 0,5-mal so groß ist wie das Magnetfeld, das erzeugt wird, wenn der Strom Io durch eine Spule fließt, und 1,5-mal größer ist, wenn man es addiert zum Magnetfeld der Spule 1.Dadurch entsteht ein resultierendes Magnetfeld im 90°-Winkel zum Permanentmagneten, so dass ein maximales Drehmoment erzeugt werden kann, der Permanentmagnet dreht sich im Uhrzeigersinn.

Wenn der Strom der Spule 2 verringert und der Strom der Spule 3 entsprechend der Drehstellung erhöht wird, dreht sich das resultierende Magnetfeld ebenfalls im Uhrzeigersinn und der Permanentmagnet dreht sich ebenfalls weiter.

②

Im um 30° gedrehten Zustand fließt der Strom Io in die Spule 1, der Strom in der Spule 2 wird auf Null gesetzt und der Strom Io fließt aus der Spule 3.

Die Außenseite der Spule 1 wird zum S-Pol und die Außenseite der Spule 3 wird zum N-Pol.Wenn die Vektoren kombiniert werden, ist das resultierende Magnetfeld √3 (≈1,72) mal so groß wie das Magnetfeld, das entsteht, wenn der Strom Io durch eine Spule fließt.Dadurch entsteht auch ein resultierendes Magnetfeld, das im 90°-Winkel zum Magnetfeld des Permanentmagneten steht und sich im Uhrzeigersinn dreht.

Wenn der Zuflussstrom Io der Spule 1 entsprechend der Drehposition verringert wird, der Zuflussstrom der Spule 2 von Null aus erhöht wird und der Abflussstrom der Spule 3 auf Io erhöht wird, dreht sich das resultierende Magnetfeld ebenfalls im Uhrzeigersinn. und auch der Permanentmagnet dreht sich weiter.

※Unter der Annahme, dass jeder Phasenstrom eine Sinuswellenform hat, beträgt der Stromwert hier Io × sin(π⁄3)=Io × √3⁄2. Durch die Vektorsynthese des Magnetfelds wird die gesamte Magnetfeldgröße erhalten als ( √ 3⁄2)²× 2=1,5 mal.Wenn jeder Phasenstrom eine Sinuswelle ist, beträgt die Größe des zusammengesetzten Vektormagnetfelds unabhängig von der Position des Permanentmagneten das 1,5-fache des von einer Spule erzeugten Magnetfelds, und das Magnetfeld weist einen Winkel von 90° dazu auf zum Magnetfeld des Permanentmagneten.

③

Im Zustand der weiteren Drehung um 30° fließt der Strom Io/2 in die Spule 1, der Strom Io/2 in die Spule 2 und der Strom Io aus der Spule 3.

Die Außenseite der Spule 1 wird zum Südpol, die Außenseite der Spule 2 wird ebenfalls zum Südpol und die Außenseite der Spule 3 wird zum Nordpol.Wenn die Vektoren kombiniert werden, ist das resultierende Magnetfeld das 1,5-fache des Magnetfelds, das erzeugt wird, wenn ein Strom Io durch eine Spule fließt (dasselbe wie ①).Auch hier entsteht ein resultierendes Magnetfeld, das im 90°-Winkel zum Magnetfeld des Permanentmagneten steht und im Uhrzeigersinn rotiert.

④～⑥

Auf die gleiche Weise wie ① nach ③ drehen.

Wenn auf diese Weise der in die Spule fließende Strom entsprechend der Position des Permanentmagneten kontinuierlich der Reihe nach umgeschaltet wird, dreht sich der Permanentmagnet in einer festen Richtung.Wenn Sie den Stromfluss umkehren und das resultierende Magnetfeld umkehren, dreht es sich ebenfalls gegen den Uhrzeigersinn.

Die folgende Abbildung zeigt kontinuierlich den Strom jeder Spule in jedem Schritt ① bis ⑥ oben.Durch die obige Einführung sollte es möglich sein, die Beziehung zwischen aktueller Änderung und Rotation zu verstehen.

Schrittmotor

Ein Schrittmotor ist ein Motor, der den Drehwinkel und die Geschwindigkeit synchron mit einem Impulssignal genau steuern kann.Der Schrittmotor wird auch „Pulsmotor“ genannt.Da Schrittmotoren eine genaue Positionierung nur durch Steuerung ohne Verwendung von Positionssensoren erreichen können, werden sie häufig in Geräten eingesetzt, die eine Positionierung erfordern.

Aufbau des Schrittmotors (zweiphasig bipolar)

Die folgenden Abbildungen von links nach rechts sind ein Beispiel für das Erscheinungsbild des Schrittmotors, eine schematische Darstellung der inneren Struktur und eine schematische Darstellung des Strukturkonzepts.

Im Beispiel für das Erscheinungsbild ist das Erscheinungsbild eines Schrittmotors vom Typ HB (Hybrid) und PM (Permanentmagnet) dargestellt.Das Strukturdiagramm in der Mitte zeigt auch die Struktur des HB-Typs und des PM-Typs.

Ein Schrittmotor ist eine Struktur, bei der die Spule fest ist und der Permanentmagnet rotiert.Das konzeptionelle Diagramm der inneren Struktur eines Schrittmotors auf der rechten Seite ist ein Beispiel für einen PM-Motor mit zwei Phasen (zwei Spulensätzen).Im Beispiel des Grundaufbaus des Schrittmotors sind die Spulen außen und die Permanentmagnete innen angeordnet.Neben zweiphasigen Spulen gibt es auch dreiphasige und fünfphasige Typen mit mehr Phasen.

Einige Schrittmotoren haben andere unterschiedliche Strukturen, aber in diesem Artikel wird die Grundstruktur des Schrittmotors beschrieben, um die Einführung in sein Funktionsprinzip zu erleichtern.Durch diesen Artikel hoffe ich zu verstehen, dass der Schrittmotor grundsätzlich die Struktur einer festen Spule und eines rotierenden Permanentmagneten annimmt.

Grundprinzip des Schrittmotors (einphasige Erregung)

Die folgende Abbildung wird verwendet, um das grundlegende Funktionsprinzip eines Schrittmotors vorzustellen.Dies ist ein Beispiel für die Erregung jeder Phase (Spulensatz) der oben genannten zweiphasigen Bipolarspule.Die Voraussetzung für dieses Diagramm ist, dass sich der Zustand von ① nach ④ ändert.Die Spule besteht aus Spule 1 bzw. Spule 2.Darüber hinaus geben die Strompfeile die aktuelle Fließrichtung an.

①

• Der Strom fließt von der linken Seite der Spule 1 ein und von der rechten Seite der Spule 1 ab.
• Lassen Sie keinen Strom durch Spule 2 fließen.
• Zu diesem Zeitpunkt wird die Innenseite der linken Spule 1 zu N und die Innenseite der rechten Spule 1 wird zu S.
• Daher wird der Permanentmagnet in der Mitte vom Magnetfeld der Spule 1 angezogen, geht in den Zustand links S und rechts N über und stoppt.

  ②

• Der Strom der Spule 1 wird gestoppt und der Strom fließt von der Oberseite der Spule 2 ein und von der Unterseite der Spule 2 aus.
• Die Innenseite der oberen Spule 2 wird zu N und die Innenseite der unteren Spule 2 wird zu S.
• Der Permanentmagnet wird durch sein Magnetfeld angezogen und stoppt durch eine Drehung um 90° im Uhrzeigersinn.

  ③

• Der Strom von Spule 2 wird gestoppt und der Strom fließt von der rechten Seite von Spule 1 ein und von der linken Seite von Spule 1 ab.
• Die Innenseite der linken Spule 1 wird zu S und die Innenseite der rechten Spule 1 wird zu N.
• Der Permanentmagnet wird durch sein Magnetfeld angezogen und stoppt, indem er sich um weitere 90° im Uhrzeigersinn dreht.

  ④

• Der Strom der Spule 1 wird gestoppt und der Strom fließt von der Unterseite der Spule 2 ein und von der Oberseite der Spule 2 aus.
• Die Innenseite der oberen Spule 2 wird zu S und die Innenseite der unteren Spule 2 wird zu N.
• Der Permanentmagnet wird durch sein Magnetfeld angezogen und stoppt, indem er sich um weitere 90° im Uhrzeigersinn dreht.