2) Động cơ quay thực tế

Ở đây, như một phương pháp thực tế của máy điện quay, phương pháp tạo ra từ trường quay sử dụng dòng điện xoay chiều ba pha và cuộn dây được giới thiệu.
(AC ba pha là tín hiệu AC có khoảng pha là 120°)

• Từ trường tổng hợp ở trạng thái ① trên tương ứng với hình ① sau.
• Từ trường tổng hợp ở trạng thái ② trên tương ứng với ② trong hình bên dưới.
• Từ trường tổng hợp ở trạng thái trên tương ứng với hình ③ sau.

Như đã mô tả ở trên, cuộn dây quấn quanh lõi được chia thành ba pha và cuộn dây pha U, cuộn dây pha V và cuộn dây pha W được bố trí cách nhau 120°.Cuộn dây có điện áp cao tạo ra cực N và cuộn dây có điện áp thấp tạo ra cực S.
Vì mỗi pha thay đổi dưới dạng sóng hình sin nên cực (cực N, cực S) được tạo ra bởi mỗi cuộn dây và từ trường (lực từ) của nó thay đổi.
Lúc này, chỉ cần nhìn vào cuộn dây tạo ra cực N và thay đổi theo thứ tự theo cuộn dây pha U→cuộn dây pha V→cuộn dây pha W→cuộn dây pha U, từ đó quay.

Cấu tạo của động cơ nhỏ

Hình dưới đây cho thấy cấu trúc chung và so sánh của ba động cơ: động cơ bước, động cơ một chiều có chổi than (DC) và động cơ một chiều không chổi than (DC).Các thành phần cơ bản của các động cơ này chủ yếu là cuộn dây, nam châm và rôto.Ngoài ra, do có nhiều loại khác nhau nên chúng được chia thành loại cố định cuộn dây và loại cố định nam châm.

Sau đây là mô tả về cấu trúc liên quan đến sơ đồ ví dụ.Vì có thể có các cấu trúc khác trên cơ sở chi tiết hơn, vui lòng hiểu rằng cấu trúc được mô tả trong bài viết này nằm trong một khuôn khổ lớn.

Ở đây, cuộn dây của động cơ bước được cố định ở bên ngoài và nam châm quay ở bên trong.

Ở đây, các nam châm của động cơ DC có chổi than được cố định ở bên ngoài và các cuộn dây được quay ở bên trong.Bàn chải và cổ góp có nhiệm vụ cung cấp điện cho cuộn dây và thay đổi chiều dòng điện.

Ở đây, cuộn dây của động cơ không chổi than được cố định ở bên ngoài và nam châm quay ở bên trong.

Do các loại động cơ khác nhau nên dù các bộ phận cơ bản giống nhau nhưng cấu tạo cũng khác nhau.Các chi tiết cụ thể sẽ được giải thích chi tiết trong từng phần.

động cơ chải

Cấu tạo của động cơ chổi than

Dưới đây là hình dáng của động cơ DC có chổi than thường được sử dụng trong các mô hình, cũng như sơ đồ nổ của động cơ loại ba khe (3 cuộn dây) hai cực (2 nam châm) thông thường.Chắc nhiều người có kinh nghiệm tháo mô tơ và lấy nam châm ra.

Có thể thấy rằng các nam châm vĩnh cửu của động cơ DC chổi than được cố định và các cuộn dây của động cơ DC chổi than có thể quay xung quanh tâm bên trong.Phần đứng yên được gọi là “stato” và phần quay được gọi là “rôto”.

Sau đây là sơ đồ nguyên lý của cấu trúc thể hiện khái niệm cấu trúc.

Có ba cổ góp (tấm kim loại uốn cong để chuyển đổi dòng điện) ở ngoại vi của trục quay trung tâm.Để tránh tiếp xúc với nhau, các cổ góp được bố trí cách nhau 120° (360°/3 miếng).Cổ góp quay khi trục quay.

Một cổ góp được kết nối với một đầu cuộn dây và đầu cuộn dây còn lại, ba cổ góp và ba cuộn dây tạo thành một (vòng) tổng thể như một mạng mạch.

Hai bàn chải được cố định ở 0° và 180° để tiếp xúc với cổ góp.Nguồn điện DC bên ngoài được kết nối với chổi than và dòng điện chạy theo đường đi của chổi than → cổ góp → cuộn dây → chổi than.

Nguyên lý quay của động cơ chổi than

① Xoay ngược chiều kim đồng hồ từ trạng thái ban đầu

Cuộn dây A ở trên, nối nguồn điện vào chổi than, bên trái là (+) và bên phải là (-).Một dòng điện lớn chạy từ chổi than bên trái tới cuộn dây A qua cổ góp.Đây là cấu trúc trong đó phần trên (mặt ngoài) của cuộn dây A trở thành cực S.

Vì 1/2 dòng điện của cuộn A chạy từ chổi bên trái sang cuộn B và cuộn C ngược chiều với cuộn A nên mặt ngoài của cuộn B và cuộn C trở thành cực N yếu (được biểu thị bằng các chữ cái nhỏ hơn một chút trong nhân vật) .

Từ trường được tạo ra trong các cuộn dây này và tác dụng đẩy và hút của nam châm khiến cuộn dây chịu một lực quay ngược chiều kim đồng hồ.

② Xoay thêm ngược chiều kim đồng hồ

Tiếp theo, giả sử chổi than bên phải tiếp xúc với hai cổ góp ở trạng thái cuộn dây A quay ngược chiều kim đồng hồ 30°.

Dòng điện trong cuộn dây A tiếp tục chạy từ chổi than bên trái sang chổi than bên phải, mặt ngoài cuộn dây duy trì cực S.

Dòng điện tương tự như cuộn A chạy qua cuộn B và bên ngoài cuộn B trở thành cực N mạnh hơn.

Vì cả hai đầu của cuộn dây C đều bị ngắn mạch bởi chổi than nên không có dòng điện chạy qua và không có từ trường nào được tạo ra.

Ngay cả trong trường hợp này, vẫn có lực quay ngược chiều kim đồng hồ.

Từ ③ đến ④, cuộn dây phía trên tiếp tục nhận lực sang trái, cuộn dây phía dưới tiếp tục nhận lực sang bên phải và tiếp tục quay ngược chiều kim đồng hồ

Khi cuộn dây được quay đến ③ và ④ cứ sau 30°, khi cuộn dây được đặt phía trên trục ngang trung tâm, mặt ngoài của cuộn dây trở thành cực S;khi cuộn dây được đặt bên dưới, nó trở thành cực N và chuyển động này được lặp lại.

Nói cách khác, cuộn dây phía trên liên tục bị ép sang trái và cuộn dây phía dưới liên tục bị ép sang phải (cả hai đều theo hướng ngược chiều kim đồng hồ).Điều này giữ cho rôto luôn quay ngược chiều kim đồng hồ.

Nếu bạn cắm nguồn vào các chổi than trái (-) và phải (+) đối diện thì từ trường ngược nhau sẽ được tạo ra trong cuộn dây, do đó lực tác dụng lên cuộn dây cũng ngược chiều, quay theo chiều kim đồng hồ.

Ngoài ra, khi tắt nguồn, rôto của động cơ chổi than sẽ ngừng quay do không có từ trường để giữ cho nó quay.

Động cơ không chổi than toàn sóng ba pha

Hình dáng và cấu tạo của động cơ không chổi than toàn sóng ba pha

Hình dưới đây cho thấy một ví dụ về hình dáng và cấu trúc của động cơ không chổi than.

Bên trái là ví dụ về động cơ trục chính dùng để quay đĩa quang trong thiết bị phát lại đĩa quang.Tổng cộng ba pha × 3 tổng cộng có 9 cuộn dây.Bên phải là ví dụ về động cơ trục chính cho thiết bị FDD, với tổng số 12 cuộn dây (ba pha × 4).Cuộn dây được cố định trên bảng mạch và quấn quanh lõi sắt.

Phần hình đĩa ở bên phải cuộn dây là rôto nam châm vĩnh cửu.Ngoại vi là một nam châm vĩnh cửu, trục của rôto được lắp vào phần trung tâm của cuộn dây và bao bọc phần cuộn dây, còn nam châm vĩnh cửu bao quanh ngoại vi của cuộn dây.

Sơ đồ cấu trúc bên trong và mạch tương đương đấu nối cuộn dây của động cơ không chổi than toàn sóng ba pha

Tiếp theo là sơ đồ cấu trúc bên trong và sơ đồ mạch tương đương của kết nối cuộn dây.

Sơ đồ bên trong này là một ví dụ về động cơ 2 cực (2 nam châm) 3 khe (3 cuộn dây) rất đơn giản.Nó tương tự như cấu trúc động cơ chổi than với cùng số cực và khe nhưng mặt cuộn dây được cố định và nam châm có thể quay.Tất nhiên, không có bàn chải.

Trong trường hợp này, cuộn dây được nối chữ Y, sử dụng một phần tử bán dẫn để cung cấp dòng điện cho cuộn dây, dòng điện vào và ra được điều khiển theo vị trí của nam châm quay.Trong ví dụ này, phần tử Hall được sử dụng để phát hiện vị trí của nam châm.Phần tử Hall được bố trí giữa các cuộn dây và điện áp tạo ra được phát hiện dựa trên cường độ của từ trường và được sử dụng làm thông tin vị trí.Trong hình ảnh động cơ trục chính FDD đưa ra trước đó, cũng có thể thấy có một phần tử Hall (phía trên cuộn dây) để phát hiện vị trí giữa cuộn dây và cuộn dây.

Các phần tử Hall là các cảm biến từ tính nổi tiếng.Độ lớn của từ trường có thể được chuyển đổi thành độ lớn của điện áp và hướng của từ trường có thể được biểu thị dưới dạng dương hoặc âm.Dưới đây là sơ đồ thể hiện hiệu ứng Hall.

Các phần tử Hall lợi dụng hiện tượng “khi có dòng điện I_{H chạy qua chất bán dẫn và từ thông B vuông góc với dòng điện có hiệu điện thế VH}được tạo ra theo phương vuông góc với dòng điện và từ trường“, nhà vật lý người Mỹ Edwin Herbert Hall (Edwin Herbert Hall) đã phát hiện ra hiện tượng này và gọi nó là “Hiệu ứng Hall”.Điện áp kết quả V_Hđược biểu diễn bằng công thức sau.

V._H= (K_H/ d)・Tôi_H・B ※K_H: Hệ số Hall, d: độ dày bề mặt xuyên qua từ thông

Như công thức cho thấy, dòng điện càng cao thì điện áp càng cao.Tính năng này thường được sử dụng để phát hiện vị trí của rôto (nam châm).

Nguyên lý quay của động cơ không chổi than toàn sóng ba pha

Nguyên lý quay của động cơ không chổi than sẽ được giải thích trong các bước ① đến ⑥ sau.Để dễ hiểu, nam châm vĩnh cửu ở đây được đơn giản hóa từ hình tròn thành hình chữ nhật.

①

Trong các cuộn dây ba pha, giả sử cuộn dây 1 cố định theo hướng 12 giờ đồng hồ, cuộn 2 cố định hướng 4 giờ đồng hồ, cuộn 3 cố định theo hướng 4 giờ đồng hồ. hướng 8 giờ của đồng hồ.Đặt cực N của nam châm vĩnh cửu 2 cực ở bên trái và cực S ở bên phải và có thể quay được.

Dòng điện Io chạy vào cuộn dây 1 để tạo ra từ trường cực S bên ngoài cuộn dây.Dòng Io/2 được tạo ra để chạy từ Cuộn dây 2 và Cuộn dây 3 để tạo ra từ trường cực N bên ngoài cuộn dây.

Khi từ trường của cuộn 2 và cuộn 3 được vectơ hóa, một từ trường cực N được tạo ra hướng xuống, có kích thước gấp 0,5 lần từ trường được tạo ra khi dòng điện Io đi qua một cuộn dây và lớn hơn 1,5 lần khi thêm vào. vào từ trường của cuộn dây 1.Điều này tạo ra một từ trường tổng hợp ở góc 90° so với nam châm vĩnh cửu, do đó có thể tạo ra mô-men xoắn cực đại, nam châm vĩnh cửu quay theo chiều kim đồng hồ.

Khi dòng điện ở cuộn dây 2 giảm và dòng điện ở cuộn dây 3 tăng theo vị trí quay thì từ trường sinh ra cũng quay theo chiều kim đồng hồ và nam châm vĩnh cửu cũng tiếp tục quay.

②

Ở trạng thái quay một góc 30°, dòng điện Io chạy vào cuộn dây 1, dòng điện trong cuộn dây 2 bằng 0 và dòng điện Io chảy ra khỏi cuộn dây 3.

Bên ngoài cuộn dây 1 trở thành cực S và bên ngoài cuộn dây 3 trở thành cực N.Khi các vectơ được kết hợp, từ trường thu được bằng √3 (≈1,72) lần từ trường được tạo ra khi dòng điện Io đi qua một cuộn dây.Điều này cũng tạo ra một từ trường tổng hợp ở góc 90° so với từ trường của nam châm vĩnh cửu và quay theo chiều kim đồng hồ.

Khi dòng vào Io của cuộn 1 giảm theo vị trí quay thì dòng vào của cuộn 2 tăng từ 0 và dòng đi ra của cuộn 3 tăng lên Io thì từ trường sinh ra cũng quay theo chiều kim đồng hồ, và nam châm vĩnh cửu cũng tiếp tục quay.

※Giả sử rằng mỗi dòng điện pha là dạng sóng hình sin, giá trị hiện tại ở đây là Io × sin(π⁄3)=Io × √3⁄2 Thông qua quá trình tổng hợp vectơ của từ trường, tổng kích thước từ trường thu được là ( √ 3⁄2)²× 2=1,5 lần.Khi mỗi dòng điện pha là sóng hình sin, bất kể vị trí của nam châm vĩnh cửu, độ lớn của từ trường tổng hợp vectơ gấp 1,5 lần so với từ trường do cuộn dây tạo ra và từ trường có góc tương đối 90° vào từ trường của nam châm vĩnh cửu.

③

Ở trạng thái tiếp tục quay 30°, dòng điện Io/2 chạy vào cuộn dây 1 , dòng điện Io/2 chạy vào cuộn dây 2 , và dòng điện Io chạy ra khỏi cuộn dây 3 .

Mặt ngoài của cuộn 1 trở thành cực S, mặt ngoài của cuộn 2 cũng trở thành cực S và mặt ngoài của cuộn 3 trở thành cực N.Khi các vectơ được kết hợp, từ trường thu được gấp 1,5 lần từ trường được tạo ra khi dòng điện Io chạy qua cuộn dây (giống như ①).Ở đây cũng vậy, từ trường tổng hợp được tạo ra ở góc 90° so với từ trường của nam châm vĩnh cửu và quay theo chiều kim đồng hồ.

④～⑥

Xoay theo cách tương tự như ① đến ③.

Bằng cách này, nếu dòng điện chạy vào cuộn dây được chuyển đổi liên tục theo trình tự theo vị trí của nam châm vĩnh cửu thì nam châm vĩnh cửu sẽ quay theo một hướng cố định.Tương tự như vậy, nếu bạn đảo ngược dòng điện và đảo ngược từ trường tổng hợp, nó sẽ quay ngược chiều kim đồng hồ.

Hình dưới đây liên tục thể hiện dòng điện của từng cuộn dây trong mỗi bước ① đến ⑥ ở trên.Qua phần giới thiệu trên có thể hiểu được mối quan hệ giữa sự thay đổi và chiều quay của dòng điện.

động cơ bước

Động cơ bước là động cơ có thể điều khiển chính xác góc quay và tốc độ đồng bộ với tín hiệu xung.Động cơ bước còn được gọi là “động cơ xung”.Bởi vì động cơ bước chỉ có thể đạt được vị trí chính xác thông qua điều khiển vòng hở mà không cần sử dụng cảm biến vị trí nên chúng được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị yêu cầu định vị.

Cấu tạo của động cơ bước (lưỡng cực hai pha)

Các hình sau đây từ trái sang phải là một ví dụ về hình thức bên ngoài của động cơ bước, sơ đồ cấu trúc bên trong và sơ đồ nguyên lý của khái niệm cấu trúc.

Trong ví dụ về ngoại hình, sự xuất hiện của động cơ bước loại HB (Hybrid) và PM (Nam châm vĩnh cửu) được đưa ra.Sơ đồ cấu trúc ở giữa cũng thể hiện cấu trúc của loại HB và loại PM.

Động cơ bước là cấu trúc trong đó cuộn dây được cố định và nam châm vĩnh cửu quay.Sơ đồ khái niệm về cấu trúc bên trong của động cơ bước ở bên phải là một ví dụ về động cơ PM sử dụng cuộn dây hai pha (hai bộ).Trong ví dụ về cấu trúc cơ bản của động cơ bước, các cuộn dây được bố trí ở bên ngoài và nam châm vĩnh cửu được bố trí ở bên trong.Ngoài cuộn dây hai pha, còn có loại ba pha và năm pha với nhiều pha hơn.

Một số động cơ bước có các cấu trúc khác nhau nhưng cấu trúc cơ bản của động cơ bước được đưa ra trong bài viết này để tạo điều kiện cho việc giới thiệu nguyên lý làm việc của nó.Qua bài viết này tôi hy vọng hiểu được động cơ bước về cơ bản có cấu trúc cuộn dây cố định và nam châm vĩnh cửu quay.

Nguyên lý làm việc cơ bản của động cơ bước (kích thích một pha)

Hình dưới đây được sử dụng để giới thiệu nguyên lý làm việc cơ bản của động cơ bước.Đây là ví dụ về kích thích cho từng pha (bộ cuộn dây) của cuộn dây lưỡng cực hai pha ở trên.Tiền đề của sơ đồ này là trạng thái thay đổi từ ① thành ④.Cuộn dây lần lượt gồm cuộn 1 và cuộn 2.Ngoài ra, các mũi tên hiện tại chỉ hướng dòng chảy hiện tại.

①

• Dòng điện chạy vào từ phía bên trái cuộn dây 1 và chạy ra từ phía bên phải cuộn dây 1.
• Không cho dòng điện chạy qua cuộn dây 2.
• Lúc này, mặt trong của cuộn dây bên trái 1 trở thành N, mặt trong của cuộn dây bên phải 1 trở thành S.
• Do đó, nam châm vĩnh cửu ở giữa bị từ trường của cuộn dây 1 hút, trở thành trạng thái S bên trái và N bên phải rồi dừng lại.

  ②

• Dòng điện ở cuộn 1 dừng lại, dòng điện đi vào từ phía trên cuộn 2 và chảy ra từ phía dưới cuộn 2.
• Mặt trong của cuộn dây trên 2 trở thành N và mặt trong của cuộn dây dưới 2 trở thành S.
• Nam châm vĩnh cửu bị hút bởi từ trường của nó và dừng lại bằng cách quay 90° theo chiều kim đồng hồ.

  ③

• Dòng điện ở cuộn 2 dừng lại, dòng điện đi vào từ phía bên phải cuộn 1 và chảy ra từ phía bên trái cuộn 1.
• Mặt trong của cuộn dây bên trái 1 trở thành S và mặt trong của cuộn dây bên phải 1 trở thành N.
• Nam châm vĩnh cửu bị hút bởi từ trường của nó và dừng lại bằng cách quay theo chiều kim đồng hồ thêm 90° nữa.

  ④

• Dòng điện ở cuộn 1 dừng lại, dòng điện đi vào từ phía dưới cuộn 2 và chảy ra từ phía trên cuộn 2.
• Mặt trong của cuộn dây trên 2 trở thành S và mặt trong của cuộn dây dưới 2 trở thành N.
• Nam châm vĩnh cửu bị hút bởi từ trường của nó và dừng lại bằng cách quay theo chiều kim đồng hồ thêm 90° nữa.