Prawie połowę światowego zużycia energii zużywają silniki, dlatego też wysoka sprawność silników nazywana jest najskuteczniejszym środkiem rozwiązywania problemów energetycznych świata.
Najogólniej rzecz ujmując, chodzi o przekształcenie siły generowanej przez prąd płynący w polu magnetycznym na działanie obrotowe, a w szerokim rozumieniu obejmuje ono także działanie liniowe.W zależności od rodzaju zasilacza napędzanego silnikiem można go podzielić na silnik prądu stałego i silnik prądu przemiennego.Zgodnie z zasadą obrotu silnika można go z grubsza podzielić na następujące kategorie.(z wyjątkiem silników specjalnych)
Silnik prądu przemiennego Silnik szczotkowy: Powszechnie stosowany silnik szczotkowy jest ogólnie nazywany silnikiem prądu stałego.Elektrody zwane „szczotkami” (po stronie stojana) i „komutatorem” (po stronie twornika) są stykane sekwencyjnie w celu przełączania prądu, wykonując w ten sposób działanie obrotowe.Bezszczotkowy silnik prądu stałego: nie potrzebuje szczotek i komutatorów, ale wykorzystuje funkcje przełączające, takie jak tranzystory, do przełączania prądu i wykonywania obrotów.Silnik krokowy: Ten silnik działa synchronicznie z mocą impulsu, dlatego nazywany jest również silnikiem impulsowym.Jego cechą charakterystyczną jest to, że może z łatwością realizować dokładne operacje pozycjonowania.Silnik asynchroniczny: Prąd przemienny powoduje, że stojan wytwarza wirujące pole magnetyczne, co powoduje, że wirnik wytwarza prąd indukowany i obraca się pod wpływem jego interakcji.Silnik prądu przemiennego (prądu przemiennego) Silnik synchroniczny: prąd przemienny wytwarza wirujące pole magnetyczne, a wirnik z biegunami magnetycznymi obraca się w wyniku przyciągania.Prędkość obrotowa jest zsynchronizowana z częstotliwością zasilania.
O prądzie, polu magnetycznym i sile Przede wszystkim, aby ułatwić następujące wyjaśnienie zasady silnika, przejrzyjmy podstawowe prawa/reguły dotyczące prądu, pola magnetycznego i siły.Chociaż istnieje uczucie nostalgii, łatwo zapomnieć o tej wiedzy, jeśli nie używasz często elementów magnetycznych.
Jak obraca się silnik?1) silnik obraca się za pomocą magnesów i siły magnetycznej.Wokół magnesu trwałego z obracającym się wałem ① obracaj magnesem (w celu wytworzenia wirującego pola magnetycznego), ② zgodnie z zasadą, że różne bieguny bieguna N i bieguna S przyciągają się i w tym samym stopniu odpychają, ③ magnes z obracający się wał będzie się obracał.
Prąd płynący w przewodzie wytwarza wokół niego wirujące pole magnetyczne (siła magnetyczna), w wyniku czego magnes się obraca, co w rzeczywistości jest tym samym stanem działania.
Ponadto, gdy drut jest nawinięty w cewkę, następuje synteza siły magnetycznej, tworząc duży strumień pola magnetycznego (strumień magnetyczny), w wyniku czego powstaje biegun N i biegun S.Ponadto, wkładając żelazny rdzeń do przewodnika w kształcie cewki, linie pola magnetycznego stają się łatwe do przejścia i mogą generować większą siłę magnetyczną.2) Rzeczywisty silnik obrotowy Tutaj, jako praktyczna metoda wirującej maszyny elektrycznej, przedstawiono metodę wytwarzania wirującego pola magnetycznego za pomocą trójfazowego prądu przemiennego i cewki.(Trójfazowy prąd przemienny to sygnał prądu przemiennego z odstępem fazowym wynoszącym 120). Cewki nawinięte wokół żelaznego rdzenia są podzielone na trzy fazy, a cewki w fazie U, cewki w fazie V i cewki w fazie W są rozmieszczone w odstępach co 120. Cewki o wysokim napięciu generują N biegunów, a cewki o niskim napięciu generują S biegunów.Każda faza zmienia się zgodnie z falą sinusoidalną, więc polaryzacja (biegun N, biegun S) generowana przez każdą cewkę i jej pole magnetyczne (siła magnetyczna) ulegną zmianie.W tym momencie wystarczy spojrzeć na cewki generujące N biegunów i zmienić je w kolejności: cewka w fazie U → cewka w fazie V → cewka w fazie W → cewka w fazie U, obracając się w ten sposób.Budowa małego silnika Poniższy rysunek przedstawia ogólną strukturę i porównanie silnika krokowego, szczotkowego silnika prądu stałego i bezszczotkowego silnika prądu stałego.Podstawowymi elementami tych silników są głównie cewki, magnesy i wirniki.Ponadto, ze względu na różne typy, są one podzielone na typu stałego z cewką i typu stałego z magnesem.
Tutaj magnes szczotkowego silnika prądu stałego jest zamocowany na zewnątrz, a cewka obraca się od wewnątrz.Za zasilanie cewki i zmianę kierunku prądu odpowiadają szczotka i komutator.Tutaj cewka silnika bezszczotkowego jest zamocowana na zewnątrz, a magnes obraca się od wewnątrz.Ze względu na różne typy silników, ich konstrukcje są różne, nawet jeśli podstawowe elementy są takie same.Zostanie to szczegółowo wyjaśnione w każdej części.Silnik szczotkowy Budowa silnika szczotkowego Poniżej przedstawiono wygląd szczotkowego silnika prądu stałego często używanego w modelu oraz schemat ideowy w rozłożeniu na części zwykłego silnika dwubiegunowego (dwa magnesy) z trzema szczelinami (trzy cewki).Być może wiele osób ma doświadczenie z demontażem silnika i wyjmowaniem magnesu.Można zauważyć, że magnes trwały szczotkowego silnika prądu stałego jest nieruchomy, a cewka szczotkowego silnika prądu stałego może obracać się wokół wewnętrznego środka.Strona stała nazywana jest „stojanem”, a strona obracająca się nazywana jest „wirnikiem”.
Zasada obrotu silnika szczotki ① Obróć w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara od stanu początkowego. Cewka A znajduje się na górze, podłączając zasilanie do szczotki i niech lewa strona będzie (+), a prawa strona (-).Z lewej szczotki do cewki A przez komutator płynie duży prąd.Jest to konstrukcja, w której górna część (zewnętrzna) cewki A staje się biegunem S.Ponieważ 1/2 prądu cewki A przepływa od lewej szczotki do cewki B i cewki C w przeciwnym kierunku do cewki A, zewnętrzne strony cewki B i cewki C stają się słabymi biegunami N (oznaczonymi nieco mniejszymi literami w postać).Pole magnetyczne wytwarzane w tych cewkach oraz odpychanie i przyciąganie magnesów powodują, że cewki obracają się w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara.② dalszy obrót w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara.Następnie zakłada się, że prawa szczotka styka się z dwoma komutatorami w stanie, w którym cewka A obraca się o 30 stopni w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara.Prąd cewki A przepływa w sposób ciągły od lewej szczotki do prawej szczotki, a zewnętrzna strona cewki utrzymuje biegun S.Ten sam prąd, co cewka A przepływa przez cewkę B, a zewnętrzna część cewki B staje się silniejszym biegunem N.Ponieważ oba końce cewki C są zwarte szczotkami, nie przepływa prąd i nie jest generowane pole magnetyczne.Nawet w tym przypadku będzie on poddany działaniu siły obrotu w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara.Od ③ do ④ górna cewka w sposób ciągły otrzymuje siłę poruszającą się w lewo, a dolna cewka w sposób ciągły otrzymuje siłę poruszającą się w prawo i nadal obraca się w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara.Kiedy cewka obraca się w kierunku ③ i ④ co 30 stopni, gdy cewka znajduje się powyżej środkowej osi poziomej, zewnętrzna strona cewki staje się biegunem S;Gdy cewka znajduje się poniżej, staje się biegunem N i ten ruch się powtarza.Innymi słowy, górna cewka jest wielokrotnie poddawana działaniu siły poruszającej się w lewo, a dolna cewka jest wielokrotnie poddawana działaniu siły poruszającej się w prawo (oba w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara).Powoduje to, że wirnik zawsze obraca się w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara.Jeśli zasilanie zostanie podłączone do przeciwnej lewej szczotki (-) i prawej szczotki (+), w cewce wytworzy się pole magnetyczne o przeciwnych kierunkach, więc kierunek siły przyłożonej do cewki będzie również przeciwny, obracając się w kierunku zgodnym z ruchem wskazówek zegara .Ponadto po odłączeniu zasilania wirnik silnika szczotki przestanie się obracać, ponieważ nie ma pola magnetycznego, które utrzymywałoby go w ruchu.Trójfazowy, pełnofalowy silnik bezszczotkowy. Wygląd i budowa trójfazowego, pełnofalowego silnika bezszczotkowego
Schemat struktury wewnętrznej i obwód zastępczy podłączenia cewki trójfazowego, pełnofalowego silnika bezszczotkowego. Następnie znajduje się schemat ideowy struktury wewnętrznej i schemat zastępczy połączenia cewki.Schemat struktury wewnętrznej jest prostym przykładem silnika 2-biegunowego (2 magnesy) i 3-szczelinowego (3 cewki).Jest podobny do konstrukcji silnika szczotkowego z tą samą liczbą biegunów i szczelin, ale strona cewki jest nieruchoma, a magnes może się obracać.Oczywiście nie ma pędzla.W tym przypadku cewka przyjmuje metodę połączenia w kształcie litery Y, a element półprzewodnikowy służy do dostarczania prądu do cewki, a dopływ i odpływ prądu są kontrolowane w zależności od położenia obracającego się magnesu.W tym przykładzie element Halla służy do wykrywania położenia magnesu.Element Halla jest umieszczony pomiędzy cewkami i wykrywa generowane napięcie w zależności od natężenia pola magnetycznego i wykorzystuje je jako informację o położeniu.Na podanym wcześniej obrazie silnika wrzeciona FDD widać również, że pomiędzy cewką a cewką znajduje się element Halla (nad cewką), który wykrywa położenie.Element Halla jest dobrze znanym czujnikiem magnetycznym.Wielkość pola magnetycznego można przeliczyć na wielkość napięcia, a kierunek pola magnetycznego można przedstawić jako dodatni i ujemny.
Zasada obrotu trójfazowego, pełnofalowego silnika bezszczotkowego Następnie zostanie wyjaśniona zasada obrotu silnika bezszczotkowego zgodnie z krokami ① ~ ⑥.Aby ułatwić zrozumienie, magnes trwały został tutaj uproszczony z okrągłego na prostokątny.① W cewce trójfazowej niech cewka 1 będzie zamocowana w kierunku godziny 12 zegara, cewka 2 będzie zamocowana w kierunku godziny 4 zegara, a cewka 3 będzie zamocowana w kierunku 8 kierunek zegara.Niech biegun N 2-biegunowego magnesu trwałego będzie po lewej stronie, a biegun S po prawej stronie i będzie mógł się obracać.Prąd Io wpływa do cewki 1, aby wytworzyć pole magnetyczne o biegunie S na zewnątrz cewki.Prąd Io/2 przepływa z cewki 2 i cewki 3, aby wytworzyć pole magnetyczne o biegunie N na zewnątrz cewki.Kiedy pola magnetyczne cewki 2 i cewki 3 są syntetyzowane wektorowo, w dół generowane jest N-biegunowe pole magnetyczne, które jest 0,5 razy większe od pola magnetycznego generowanego, gdy prąd Io przepływa przez jedną cewkę i po dodaniu do pola magnetycznego pole cewki 1, staje się 1,5 razy większe.Spowoduje to wytworzenie złożonego pola magnetycznego o kącie 90° w stosunku do magnesu stałego, dzięki czemu można wygenerować maksymalny moment obrotowy, a magnes trwały obraca się w kierunku zgodnym z ruchem wskazówek zegara.Kiedy prąd cewki 2 zmniejsza się, a prąd cewki 3 zwiększa się w zależności od pozycji obrotu, powstałe pole magnetyczne również obraca się zgodnie z ruchem wskazówek zegara, a magnes trwały również nadal się obraca.② Po obróceniu o 30 stopni prąd Io wpływa do cewki 1, tak że prąd w cewce 2 wynosi zero, a prąd Io wypływa z cewki 3. Zewnętrzna strona cewki 1 staje się biegunem S, a zewnętrzna strona cewki 3 staje się biegunem N.Po połączeniu wektorów wytworzone pole magnetyczne jest √3(≈1,72) razy większe niż generowane, gdy prąd Io przepływa przez cewkę.Spowoduje to również wytworzenie wypadkowego pola magnetycznego pod kątem 90° w stosunku do pola magnetycznego magnesu trwałego i obrót w kierunku zgodnym z ruchem wskazówek zegara.Kiedy prąd dopływowy cewki 1 zmniejsza się w zależności od pozycji obrotu, prąd dopływowy cewki 2 zwiększa się od zera, a prąd odpływowy cewki 3 zwiększa się do Io, powstałe pole magnetyczne również obraca się w kierunku zgodnym z ruchem wskazówek zegara, a magnes trwały nadal się obraca.Zakładając, że każdy prąd fazowy jest sinusoidalny, wartość prądu wynosi io× sin (π 3) = io× √ 32. Poprzez syntezę wektorową pola magnetycznego całkowite pole magnetyczne wynosi (√ 32) 2× 2 = 1,5 razy większe pole magnetyczne generowane przez cewkę.※.Gdy każdy prąd fazowy jest falą sinusoidalną, niezależnie od tego, gdzie znajduje się magnes trwały, wielkość wektorowego złożonego pola magnetycznego jest 1,5 razy większa od pola magnetycznego generowanego przez cewkę, a pole magnetyczne tworzy kąt 90 stopni względem pole magnetyczne magnesu trwałego.③ W stanie dalszego obrotu o 30 stopni, prąd Io/2 wpływa do cewki 1, prąd Io/2 wpływa do cewki 2, a prąd Io wypływa z cewki 3. Zewnętrzna strona cewki 1 staje się biegunem S , zewnętrzna strona cewki 2 staje się biegunem S, a zewnętrzna strona cewki 3 staje się biegunem N.Kiedy wektory zostaną połączone, wygenerowane pole magnetyczne jest 1,5 razy większe niż generowane, gdy prąd Io przepływa przez cewkę (tak samo jak ①).Tutaj również zostanie wygenerowane syntetyczne pole magnetyczne o kącie 90 stopni w stosunku do pola magnetycznego magnesu trwałego i obrócone zgodnie z ruchem wskazówek zegara.④～⑥ Obróć w taki sam sposób jak ① ~ ③.W ten sposób, jeśli prąd wpływający do cewki będzie stale przełączany w zależności od położenia magnesu trwałego, magnes trwały będzie się obracał w ustalonym kierunku.Podobnie, jeśli prąd popłynie w przeciwnym kierunku, a syntetyczne pole magnetyczne zostanie odwrócone, będzie ono obracać się w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara.Poniższy rysunek przedstawia prąd każdej cewki w każdym stopniu od ① do ⑥.Dzięki powyższemu wprowadzeniu powinniśmy być w stanie zrozumieć związek pomiędzy bieżącą zmianą a rotacją.silnik krokowy Silnik krokowy to rodzaj silnika, który może kontrolować kąt obrotu i prędkość synchronicznie i dokładnie z sygnałem impulsowym.Silnik krokowy nazywany jest również „silnikiem impulsowym”.Silnik krokowy jest szeroko stosowany w sprzęcie wymagającym pozycjonowania, ponieważ może realizować dokładne pozycjonowanie jedynie poprzez sterowanie w otwartej pętli bez użycia czujnika położenia.Budowa silnika krokowego (dwufazowy bipolarny) W przykładach wyglądu podano wygląd silników krokowych HB (hybrydowy) i PM (z magnesami trwałymi).Diagram struktury pośrodku pokazuje również strukturę HB i PM.Silnik krokowy to konstrukcja ze stałą cewką i obrotowym magnesem trwałym.Schemat koncepcyjny wewnętrznej budowy silnika krokowego po prawej stronie jest przykładem silnika PM wykorzystującego cewki dwufazowe (dwie grupy).W podstawowym przykładzie budowy silnika krokowego cewka jest umieszczona na zewnątrz, a magnes trwały wewnątrz.Oprócz dwóch faz istnieje wiele rodzajów cewek z trzema fazami i pięcioma równymi fazami.Niektóre silniki krokowe mają inną konstrukcję, ale w celu przedstawienia zasad ich działania w tym artykule przedstawiono podstawową strukturę silników krokowych.Mam nadzieję, że w tym artykule zrozumiem, że silnik krokowy zasadniczo przyjmuje strukturę mocowania cewki i obrotu magnesu stałego.Podstawowa zasada działania silnika krokowego (wzbudzenie jednofazowe) Poniżej przedstawiono wprowadzenie podstawowej zasady działania silnika krokowego.① Prąd wpływa z lewej strony cewki 1 i wypływa z prawej strony cewki 1. Nie pozwól, aby prąd przepływał przez cewkę 2. W tym momencie wnętrze lewej cewki 1 staje się N, a wnętrze prawa cewka 1 staje się S.. Dlatego środkowy magnes trwały jest przyciągany przez pole magnetyczne cewki 1 i zatrzymuje się w stanie lewej strony S i prawej strony N.. ② Zatrzymaj prąd w cewce 1, tak, że prąd wpływa od górnej strony cewki 2 i wypływa od dolnej strony cewki 2. Wewnętrzna strona górnej cewki 2 staje się N, a wewnętrzna strona dolnej cewki 2 staje się S. Magnes trwały jest przyciągany przez swoje pole magnetyczne i przestaje się obracać o 90° w kierunku zgodnym z ruchem wskazówek zegara.③ Zatrzymaj prąd w cewce 2, tak aby prąd wpływał z prawej strony cewki 1 i wypływał z lewej strony cewki 1. Wnętrze lewej cewki 1 staje się S, a wnętrze prawej cewki 1 staje się N. Magnes trwały jest przyciągany przez swoje pole magnetyczne i obraca się zgodnie z ruchem wskazówek zegara o kolejne 90 stopni, aby się zatrzymać.④ Zatrzymaj prąd w cewce 1, tak aby prąd wpływał od dolnej strony cewki 2 i wypływał z górnej strony cewki 2. Wnętrze górnej cewki 2 staje się S, a wnętrze cewki dolna cewka 2 staje się N. Magnes trwały jest przyciągany przez swoje pole magnetyczne i obraca się zgodnie z ruchem wskazówek zegara o kolejne 90 stopni, aby się zatrzymać.Silnik krokowy można obracać przełączając prąd płynący przez cewkę w powyższej kolejności z ① na ④ przez obwód elektroniczny.W tym przykładzie każde działanie przełącznika spowoduje obrót silnika krokowego o 90. Ponadto, gdy prąd przepływa w sposób ciągły przez określoną cewkę, może utrzymać stan zatrzymania i sprawić, że silnik krokowy będzie miał moment trzymający.Nawiasem mówiąc, jeśli prąd płynący przez cewkę zostanie odwrócony, silnik krokowy można obrócić w przeciwnym kierunku.
