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當(dāng)前位置:上海雅恩斯機電設(shè)備有限公司>>技術(shù)文章>>電機是如何旋轉(zhuǎn)起來的?
01電機種類
一般情況下指將磁場內(nèi)電流流通產(chǎn)生的力轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)動作,在廣義范圍內(nèi)還包括直線動作。
按電機驅(qū)動的電源種類,可分為DC電機和AC電機。而根據(jù)電機旋轉(zhuǎn)原理,大致可分為以下幾種。(特殊電機除外)
02關(guān)于電流、磁場和力
首先,為了便于后續(xù)電機原理說明,我們來回顧一下有關(guān)電流、磁場和力的基本定律/法則。雖然有一種懷舊的感覺,但如果平時不常使用磁性元器件,就很容易忘記這些知識。
我們結(jié)合圖片和公式來說明。
當(dāng)導(dǎo)線框為矩形時,要考慮到作用在電流上的力。
作用于邊a、c部分的力F為
產(chǎn)生以中心軸為心軸的轉(zhuǎn)矩。
例如,當(dāng)考慮到旋轉(zhuǎn)角度僅為θ的狀態(tài)時,與b和d成直角作用的力為sinθ,因此a部分的轉(zhuǎn)矩Ta由以下公式表示:
以相同的方式考慮c部分,則轉(zhuǎn)矩加倍,并生成由以下公式計算出來的轉(zhuǎn)矩:
由于矩形的面積為S=h?l,因此將其代入上述公式可得出以下結(jié)果:
該公式不僅適用于矩形,也適用于圓形等其他常見形狀。電機就是利用了該原理。
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03電機如何旋轉(zhuǎn)?
1)電機旋轉(zhuǎn)借助磁鐵、磁力
在帶旋轉(zhuǎn)軸的磁鐵周圍,①旋轉(zhuǎn)磁鐵(使產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場),②則根據(jù) N極與S極異極相吸、同級相斥原理,③帶旋轉(zhuǎn)軸的磁鐵將旋轉(zhuǎn)。
這就是電機旋轉(zhuǎn)的基本原理。
導(dǎo)線中流過電流使其周圍產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(磁力)從而磁鐵旋轉(zhuǎn),實際上與此是一樣的動作狀態(tài)。
另外,將導(dǎo)線繞成線圈狀,則磁力被合成,形成大的磁場通量(磁通量),產(chǎn)生N極和S極。
在線圈狀導(dǎo)線中插入鐵芯,磁力線變得容易通過,能產(chǎn)生更強的磁力。
2)實際旋轉(zhuǎn)電機
在此,作為旋轉(zhuǎn)電機的實際方法,介紹利用三相交流和線圈制造旋轉(zhuǎn)磁場的方法。
(三相交流是間隔120°相位的交流信號)
上述①狀態(tài)下的合成磁場對應(yīng)下圖①。
上述②狀態(tài)下的合成磁場對應(yīng)下圖②。
上述③狀態(tài)下的合成磁場對應(yīng)下圖③。
如上所述,纏繞鐵芯的線圈分三相,間隔120°配置U相線圈、V相線圈、W相線圈,電壓高的線圈產(chǎn)生N極,電壓低的線圈產(chǎn)生S極。
各相位按正弦波變化,因此各線圈產(chǎn)生的極性(N極、S極)和其磁場(磁力)將發(fā)生變化。
此時,單看產(chǎn)生N極的線圈,按U相線圈→V相線圈→W相線圈→U相線圈依次變化,從而發(fā)生旋轉(zhuǎn)。
04小型電機的結(jié)構(gòu)
下圖中給出了步進電機、有刷直流(DC)電機、無刷直流(DC)電機這三種電機的大概構(gòu)造和對比。這些電機的基本組成部件主要為線圈、磁鐵和轉(zhuǎn)子,另外由于種類不同,又分線圈固定型和磁鐵固定型。
以下為與示例圖相關(guān)的結(jié)構(gòu)說明。由于更細(xì)致地劃分的話,還可能存在其他結(jié)構(gòu),因此請理解本文中介紹的是大框架下的結(jié)構(gòu)。
這里的步進電機的線圈在外側(cè)固定,磁鐵在內(nèi)側(cè)旋轉(zhuǎn)。
這里的有刷直流電機的磁鐵在外側(cè)固定,線圈在內(nèi)側(cè)旋轉(zhuǎn)。由電刷和換向器(commutator)負(fù)責(zé)向線圈供電和改變電流方向。
這里的無刷電機的線圈在外側(cè)固定,磁鐵在內(nèi)側(cè)旋轉(zhuǎn)。
由于馬達電機種類不同,即使基本組成部件相同其結(jié)構(gòu)也有不同。具體將在各部分進行詳細(xì)說明。
05有刷電機
有刷電機的結(jié)構(gòu)
下面是經(jīng)常在模型中使用的有刷直流電機的外觀,以及普通的兩極(2個磁體)三槽(3個線圈)型電機的分解示意圖。也許很多人都有拆卸電機、拿出磁鐵的經(jīng)驗。
可以看到有刷直流電機的永磁體是固定的,有刷直流電機的線圈可以繞內(nèi)部中心旋轉(zhuǎn)。固定側(cè)稱為“定子",旋轉(zhuǎn)側(cè)稱為“轉(zhuǎn)子"。
以下是表示結(jié)構(gòu)概念的結(jié)構(gòu)簡圖。
旋轉(zhuǎn)中心軸的外圍有三個換向器(用于電流切換的彎曲金屬片)。為了避免彼此接觸,換向器之間間隔120°(360°÷3枚)配置。換向器隨著軸的旋轉(zhuǎn)而旋轉(zhuǎn)。
一個換向器連接有一個線圈端和另一個線圈端,并且三個換向器和三個線圈作為電路網(wǎng)形成一個整體(環(huán)形)。
兩個電刷被固定在0°和180°處,以便與換向器接觸。外部直流電源與電刷相連接,電流按電刷→換向器→線圈→電刷的路徑流動。
有刷電機的旋轉(zhuǎn)原理
① 從初始狀態(tài)逆時針旋轉(zhuǎn)
線圈A在最上方,將電源連接到電刷,設(shè)左側(cè)為(+),右側(cè)為(-)。大電流從左電刷通過換向器流到線圈A。這是線圈A的上部(外側(cè))變?yōu)镾極的結(jié)構(gòu)。
而由于線圈A的電流的1/2從左電刷流向線圈B和線圈C的方向與線圈A相反,因此線圈B和線圈C的外側(cè)變?yōu)槿鮊極(在圖中用略小字母表示)。
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這些線圈中產(chǎn)生的磁場以及磁體的排斥和吸引作用使線圈受到逆時針旋轉(zhuǎn)的力。
② 進一步逆時針旋轉(zhuǎn)
接下來,假設(shè)在線圈A逆時針旋轉(zhuǎn)30°的狀態(tài)下,右電刷與兩個換向器接觸。
線圈A的電流持續(xù)從左電刷流過右電刷,并且線圈的外側(cè)保持S極。
與線圈A相同的電流流經(jīng)線圈B,并且線圈B的外側(cè)變?yōu)檩^強的N極。
由于線圈C的兩端被電刷短路,所以沒有電流流動,也沒有磁場產(chǎn)生。
即使在這種情況下,也會受到逆時針旋轉(zhuǎn)的力。
從③到④上側(cè)的線圈持續(xù)受到向左動的力,下部的線圈持續(xù)受到向右動的力,并繼續(xù)逆時針方向旋轉(zhuǎn)
在線圈每30°旋轉(zhuǎn)到③和④狀態(tài)下,當(dāng)線圈位于中心水平軸上方時,線圈的外側(cè)變?yōu)镾極;當(dāng)線圈位于下方時變?yōu)镹極,并且反復(fù)該運動。
換句話說,上側(cè)線圈反復(fù)受到向左動的力,下側(cè)線圈反復(fù)受到向右動的力(均為逆時針方向)。這使轉(zhuǎn)子始終逆時針旋轉(zhuǎn)。
如果將電源連接到相對的左電刷(-)和右電刷(+),則線圈中會產(chǎn)生方向相反的磁場,因此施加到線圈上的力的方向也相反,變?yōu)轫槙r針旋轉(zhuǎn)。
此外,當(dāng)斷開電源時,有刷電機的轉(zhuǎn)子會因沒有了使之繼續(xù)旋轉(zhuǎn)的磁場而停止旋轉(zhuǎn)。
06三相全波無刷電機
三相全波無刷電機的外觀和結(jié)構(gòu)
下圖為無刷電機的外觀和結(jié)構(gòu)示例。
左側(cè)是用來旋轉(zhuǎn)光盤播放設(shè)備中的光盤的主軸電機示例。共有三相×3共9個線圈。右側(cè)是FDD設(shè)備的主軸電機示例,共有12個線圈(三相×4)。線圈被固定在電路板上,并纏繞在鐵芯上。
在線圈右側(cè)的盤狀部件是永磁體轉(zhuǎn)子。外圍是永磁體,轉(zhuǎn)子的軸插入線圈的中心部位并覆蓋住線圈部分,永磁體圍繞在線圈的外圍。
三相全波無刷電機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖和線圈連接等效電路
接下來是內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡圖和線圈連接等效電路示意圖。
該內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡圖是結(jié)構(gòu)很簡單的2極(2個磁體)3槽(3個線圈)電機示例。它類似于極數(shù)和槽數(shù)相同的有刷電機結(jié)構(gòu),但線圈側(cè)是固定的,磁體可以旋轉(zhuǎn)。當(dāng)然,沒有電刷。
在這種情況下,線圈采用Y形接法,使用半導(dǎo)體元件為線圈供給電流,根據(jù)旋轉(zhuǎn)的磁體位置來控制電流的流入和流出。在該示例中,使用霍爾元件來檢測磁體的位置?;魻栐渲迷诰€圈和線圈之間,根據(jù)磁場強度檢測產(chǎn)生的電壓并用作位置信息。在前面給出的FDD主軸電機的圖像中,也可以看到在線圈和線圈之間有用來檢測位置的霍爾元件(線圈的上方)。
霍爾元件是一款磁傳感器??蓪⒋艌龅拇笮∞D(zhuǎn)換為電壓的大小,并以正負(fù)來表示磁場的方向。下面是顯示霍爾效應(yīng)的示意圖。
霍爾元件利用了“當(dāng)電流IH流過半導(dǎo)體并且磁通B與電流成直角穿過時,會在垂直于電流和磁場的方向上產(chǎn)生電壓VH"的這種現(xiàn)象,美國物理學(xué)家Edwin Herbert Hall(埃德溫·赫伯特·霍爾)發(fā)現(xiàn)了這種現(xiàn)象并將其稱為“霍爾效應(yīng)"。產(chǎn)生的電壓VH由下列公式表示。
VH = (KH / d)?IH?B ※KH:霍爾系數(shù),d:磁通穿透面的厚度
如公式所示,電流越大,電壓越高。常利用這個特性來檢測轉(zhuǎn)子(磁體)的位置。
三相全波無刷電機的旋轉(zhuǎn)原理
下面將按照步驟①~⑥來說明無刷電機的旋轉(zhuǎn)原理。為了易于理解,這里將永磁體從圓形簡化成了矩形。
①
在三相線圈中,設(shè)線圈1固定在時鐘的12點鐘方向上,線圈2固定在時鐘的4點鐘方向上,線圈3固定在時鐘的8點鐘方向上。設(shè)2極永磁體的N極在左側(cè),S極在右側(cè),并且可以旋轉(zhuǎn)。
使電流Io流入線圈1,以在線圈外側(cè)產(chǎn)生S極磁場。使Io/2電流從線圈2和線圈3流出,以在線圈外側(cè)產(chǎn)生N極磁場。
在對線圈2和線圈3的磁場進行矢量合成時,向下產(chǎn)生N極磁場,該磁場是電流Io通過一個線圈時所產(chǎn)生磁場的0.5倍大小,與線圈1的磁場相加變?yōu)?.5倍。這會產(chǎn)生一個相對于永磁體成90°角的合成磁場,因此可以產(chǎn)生最大扭矩,永磁體順時針旋轉(zhuǎn)。
當(dāng)根據(jù)旋轉(zhuǎn)位置減小線圈2的電流并增加線圈3的電流時,合成磁場也順時針旋轉(zhuǎn),永磁體也繼續(xù)旋轉(zhuǎn)。
②
在旋轉(zhuǎn)了30°的狀態(tài)下,電流Io流入線圈1,使線圈2中的電流為零,使電流Io從線圈3流出。
線圈1的外側(cè)變?yōu)镾極,線圈3的外側(cè)變?yōu)镹極。當(dāng)矢量合成時,產(chǎn)生的磁場是電流Io通過一個線圈時所產(chǎn)生磁場的√3(≈1.72)倍。這也會產(chǎn)生相對于永磁體的磁場成90°角的合成磁場,并順時針旋轉(zhuǎn)。
當(dāng)根據(jù)旋轉(zhuǎn)位置減小線圈1的流入電流Io、使線圈2的流入電流從零開始增加、并使線圈3的流出電流增加到Io時,合成磁場也順時針旋轉(zhuǎn),永磁體也繼續(xù)旋轉(zhuǎn)。
※假設(shè)各相電流均為正弦波形,則此處的電流值為Io × sin(π?3)=Io × √3?2 通過磁場的矢量合成,得到總磁場大小為一個線圈所產(chǎn)生磁場的(√3?2)2×2=1.5 倍。當(dāng)各相電流均為正弦波時,無論永磁體的位置在哪,矢量合成磁場的大小均為一個線圈所產(chǎn)生磁場的1.5倍,并且磁場相對于永磁體的磁場成90°角。
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③
在繼續(xù)旋轉(zhuǎn)了30°的狀態(tài)下,電流Io/2流入線圈1,電流Io/2流入線圈2,電流Io從線圈3流出。
線圈1的外側(cè)變?yōu)镾極,線圈2的外側(cè)也變?yōu)镾極,線圈3的外側(cè)變?yōu)镹極。當(dāng)矢量合成時,產(chǎn)生的磁場是電流Io流過一個線圈時所產(chǎn)生磁場的1.5倍(與①相同)。這里也會產(chǎn)生相對于永磁體的磁場成90°角的合成磁場,并順時針旋轉(zhuǎn)。
④~⑥
以①~③相同的方式旋轉(zhuǎn)。
這樣,如果不斷根據(jù)永磁體的位置依次切換流入線圈的電流,則永磁體將沿固定方向旋轉(zhuǎn)。同樣,如果使電流反向流動并使合成磁場方向相反,則會逆時針旋轉(zhuǎn)。
下圖連續(xù)顯示了上述①~⑥每個步驟的每個線圈的電流。通過以上介紹,應(yīng)該可以理解電流變化與旋轉(zhuǎn)之間的關(guān)系了。
07步進電機
步進電機是一種可以與脈沖信號同步準(zhǔn)確地控制旋轉(zhuǎn)角度和轉(zhuǎn)速的電機,步進電機的也稱為“脈沖電機"。由于步進電機無需使用位置傳感器僅通過開環(huán)控制即可實現(xiàn)準(zhǔn)確的定位而被廣泛用于需要定位的設(shè)備中。
步進電機的結(jié)構(gòu)(兩相雙極)
下圖從左到右分別是步進電機的外觀示例、內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡圖和結(jié)構(gòu)概念簡圖。
在外觀示例中,給出的是HB(混合)型和PM(永磁)型步進電機的外觀。在中間的結(jié)構(gòu)圖給出的也是HB型和PM型的結(jié)構(gòu)。
步進電機是線圈固定、永磁體旋轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)。右側(cè)的步進電機內(nèi)部結(jié)構(gòu)概念圖是使用兩相(兩組)線圈的PM電機示例。在步進電機基本結(jié)構(gòu)示例中,線圈配置在外側(cè),永磁體配置在內(nèi)側(cè)。線圈除了兩相外,還有三相和五相等相數(shù)較多的類型。
有些步進電機具有其他不同的結(jié)構(gòu),但是為了便于介紹其工作原理而在本文中給出了基本結(jié)構(gòu)的步進電機。通過本文希望了解步進電機基本上采用線圈固定、永磁體旋轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)。
步進電機的基本工作原理(單相勵磁)
下面使用下圖來介紹步進電機的基本工作原理。這是上面兩相雙極型線圈每一相(一組線圈)的勵磁示例。該圖的前提是狀態(tài)從①到④變化。線圈分別由線圈1和線圈2組成。另外,電流箭頭表示電流流動方向。
①
?使電流從線圈1的左側(cè)流入,從線圈1的右側(cè)流出。
?勿使電流流過線圈2。
?此時,左線圈1的內(nèi)側(cè)變?yōu)镹,右線圈1的內(nèi)側(cè)變?yōu)镾。
?因此,中間的永磁體被線圈1的磁場吸引,變?yōu)樽髠?cè)S和右側(cè)N的狀態(tài)并停止。
②
?停止線圈1的電流,使電流從線圈2的上側(cè)流入,從線圈2的下側(cè)流出。
?上線圈2的內(nèi)側(cè)變?yōu)镹,下線圈2的內(nèi)側(cè)變?yōu)镾。
?永磁體被其磁場吸引,順時針旋轉(zhuǎn)90°停止。
③
?停止線圈2的電流,使電流從線圈1的右側(cè)流入,從線圈1的左側(cè)流出。
?左線圈1的內(nèi)側(cè)變?yōu)镾,右線圈1的內(nèi)側(cè)變?yōu)镹。
?永磁體被其磁場吸引,順時針再旋轉(zhuǎn)90°停止。
④
?停止線圈1的電流,使電流從線圈2的下側(cè)流入,從線圈2的上側(cè)流出。
?上線圈2的內(nèi)側(cè)變?yōu)镾,下線圈2的內(nèi)側(cè)變?yōu)镹。
?永磁體被其磁場吸引,順時針再旋轉(zhuǎn)90°停止。
通過電子電路按照上述①至④的順序切換流過線圈的電流,即可使步進電機旋轉(zhuǎn)。在該示例中,每一次開關(guān)動作會使步進電機旋轉(zhuǎn)90°。另外,當(dāng)使電流不斷流過某一線圈時,可以保持停止?fàn)顟B(tài)并使步進電機具有保持轉(zhuǎn)矩。順便提一下,如果將流過線圈的電流順序反過來,則可以使步進電機反向旋轉(zhuǎn)。
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