Casi la mitad del consumo de energía del mundo es consumido por los motores eléctricos, por lo que se dice que la alta eficiencia de los motores eléctricos es la medida más efectiva para resolver los problemas de energía del mundo.
En general, se refiere a la transformación de la fuerza generada por el flujo de corriente en un campo magnético en una acción rotativa, y en un amplio rango, también incluye acción lineal.
Dependiendo del tipo de fuente de alimentación utilizada para conducir el motor, hay motores de CC y AC Motores eléctricos.
Y de acuerdo con el principio de rotación del motor, se puede dividir aproximadamente en las siguientes categorías. (Excepto por motores especiales)
DC Motor eléctrico /motores DC (corriente continua)
Motores cepillados
Los motores de cepillo ampliamente utilizados generalmente se llaman motores eléctricos de CC.
The electrodes connected to the "brush" (stator side) and the "commutator" (armature side)
The brushed motor is used to switch the current by making contact with the "commutator" (armature side) in turn to perform rotational action.
Motor CC sin escobillas
Los motores de CC sin escobillas no usan cepillos o conmutadores, pero usan una función de conmutación, como un transistor para cambiar la corriente y realizar la acción de rotación.
Pasos motor.
Este motor funciona sincrónicamente con potencia de pulso y, por lo tanto, también se llama motor de inducción de pulso.
Se caracteriza por la capacidad de lograr fácilmente una operación de posicionamiento precisa.
motores de corriente alterna
Motor asincrónico
La potencia de CA genera un campo magnético giratorio en el estator, que a su vez genera una corriente inducida en el rotor, en cuya rotación de interacción ocurre para el motor de inducción de CA.
Motor sincrónico
La potencia de CA crea un campo magnético giratorio, y el rotor con postes magnéticos gira debido a la atracción.
-La velocidad de rotación se sincroniza afortunadamente con la frecuencia de la fuente de alimentación.
Sobre corrientes, campos y fuerzas magnéticas
Primero, en aras de las explicaciones posteriores del principio motor, revisemos las leyes/leyes básicas con respecto al campo y la fuerza magnéticos actuales.
Aunque hay una sensación de nostalgia, es fácil olvidar este conocimiento si generalmente no usa componentes magnéticos
Combinamos imágenes y fórmulas para ilustrar.
Cuando el marco de cable es rectangular, se tiene en cuenta la fuerza que actúa sobre la corriente.
La fuerza f actuando sobre las partes de los lados A y C es
El par se genera con el eje central como el eje central.
Por ejemplo, cuando se considera un estado donde el ángulo de rotación es solo θ, la fuerza que actúa en ángulo recto a B y D es sinθ, por lo que el torque de la parte A viene dada por:
Teniendo en cuenta la parte C de la misma manera, el par se duplica y genera el par calculado por la siguiente ecuación
Dado que el área del rectángulo es S = H ・ L, sustituirlo en la ecuación anterior da el siguiente resultado.
La fórmula se aplica no solo a los rectángulos, sino también a otras formas comunes, como los círculos. El motor hace uso de este principio.
¿Cómo gira un motor eléctrico?
1) Los motores de inducción giran con la ayuda de imanes y fuerza magnética
Alrededor de un imán permanente con un eje giratorio,
① El imán se gira (de modo que se genera un campo magnético giratorio),
② Entonces, según el principio de que los polos n y s se atraen entre sí en diferentes polos y se repelen entre sí al mismo nivel,
③ El imán con un eje giratorio girará.
Este es el principio básico de la rotación de motores de CA.
La corriente que fluye en el conductor provoca un campo magnético giratorio (fuerza magnética) a su alrededor y, por lo tanto, el imán gira, que es prácticamente el mismo estado de acción que este.
Además, cuando el cable se enrolla en forma de bobina, la fuerza magnética se sintetiza, creando un gran flujo de campo magnético (flujo) que produce postes N y S.
Además, al insertar un núcleo de hierro en el cable de bobina, las líneas magnéticas de fuerza se vuelven fáciles de pasar y se puede generar una fuerza magnética más fuerte.
2) Motor giratorio real
Aquí, como un método práctico de motor giratorio, presentamos el método para crear un campo magnético giratorio utilizando motor y bobinas de CA trifásica.
(Los motores industriales de CA trifásicos son una señal de CA espaciada a 120 ° de separación en fase)
El campo magnético sintético en el estado ① anterior corresponde a la figura ① a continuación.
El campo magnético sintético en el estado ② anterior corresponde a la figura ② a continuación.
El campo magnético sintético en el estado ③ anterior corresponde a la figura ③ a continuación.
Como se mencionó anteriormente, las bobinas del núcleo de la herida se dividen en tres fases, con una configuración de intervalo de 120 ° de bobinas en fase U, bobinas de fase V y bobinas de fase W, con la bobina con alto voltaje que produce N-polipe y la bobina con bajo voltaje de voltaje S de polo.
Cada fase cambia de acuerdo con una onda sinusoidal, por lo que cambiará la polaridad (pole n, s polo) y su campo magnético (fuerza magnética) generada por cada bobina.
En este momento, la bobina que produce N polo solo cambia en la secuencia de acuerdo con la bobina de la bobina de fase U → bobina de fase V → bobina de fase W-fase → bobina de fase U, y por lo tanto se produce la rotación.
Estructura de un motor pequeño
La siguiente figura proporciona la estructura aproximada y la comparación de tres tipos de motores industriales: motores paso a paso, motores de CC cepillados (DC) y motores de CC sin escobillas (DC).
Los componentes básicos de estos motores son principalmente bobinas, imanes y rotores, y también hay tipos fijados en bobina y fijado con imán que dependen del tipo.
La siguiente es una descripción de la estructura asociada con el diagrama de ejemplo. Dado que puede haber otras estructuras si se dividen con más cuidado, comprenda que la estructura presentada en este documento está bajo un marco grande.
La bobina del motor paso a paso aquí se fija en el lado exterior y el imán se gira en el lado interno.
Aquí el imán del motor CC cepillado se fija en el lado exterior y la bobina gira en el lado interno. T
Los cepillos y el conmutador son responsables de suministrar energía a la bobina y cambiar la dirección de la corriente.
En el caso de un motor sin escobillas, la bobina se fija en el exterior y el imán gira en el interior.
La estructura de un motor sin escobillas es diferente incluso si los componentes básicos son la misma debido a los diferentes tipos de motores. Los detalles se explicarán en cada sección.
Pincel
Estructura de motores de CC cepillados
A continuación se muestra la aparición de un motor de CC cepillado que se usa a menudo en modelos, y un diagrama esquemático de la descomposición de un motor de tres ranuras (3 bobinas) normal de dos polos (2 imanes). Quizás muchos de ustedes tienen experiencia en desmontar el motor eléctrico de DC y eliminar los imanes.
Puede ver que los imanes permanentes de un motor CC cepillado están fijos, y las bobinas de un motor CC cepillado pueden girar alrededor del centro interno.
The fixed side is called the "stator" and the rotating side is called the "rotor".
El siguiente es un bosquejo estructural que representa el concepto de estructura.
La periferia del eje central giratorio tiene tres conmutadores (hojas de metal dobladas para la conmutación de corriente).
Para evitar el contacto entre sí, los conmutadores están configurados a 120 ° separados (360 ° ÷ 3 piezas). Los conmutadores giran con la rotación del eje.
Un conmutador está conectado a un extremo de la bobina y al otro extremo de la bobina, y los tres conmutadores y las tres bobinas forman un todo (anillo) como una red de circuito.
Dos pinceles se fijan a 0 ° y 180 ° para hacer contacto con el conmutador.
Se conecta una fuente de alimentación de CC externa a los cepillos y los flujos actuales en el cepillo de ruta → Commutador → bobina → cepillo.
Principio de rotación del motor DC de cepillo
① Gire en sentido antihorario desde el estado inicial
La bobina A está en la parte superior y conecta el suministro de herramientas eléctricas a los pinceles, configure el lado izquierdo como (+) y el lado derecho como (-).
Una gran corriente fluye desde el cepillo izquierdo a través del conmutador hasta la bobina A.
Esta es la estructura donde la parte superior (exterior) de la bobina A se convierte en el polo S.
Y dado que 1/2 de la corriente de la bobina A fluye desde el cepillo izquierdo hasta las bobinas B y C en la dirección opuesta de la bobina A, los lados externos de las bobinas B y C se vuelven débiles Presos N (indicados por letras ligeramente más pequeñas en la figura).
Los campos magnéticos generados en estas bobinas y los efectos repulsivos y atractivos de los imanes hacen que las bobinas se sometan a una fuerza giratoria en sentido antihorario.
② Rotación en sentido antihorario adicional
Luego, suponga que el cepillo derecho está en contacto con ambos conmutadores en un estado donde la bobina A se gira 30 ° en sentido antihorario.
La corriente de la bobina A fluye continuamente desde el cepillo izquierdo a través del cepillo derecho y el lado exterior de la bobina permanece en polo s.
La misma corriente que la bobina A fluye a través de la bobina B, y el lado exterior de la bobina B se vuelve más fuerte.
Dado que los extremos de la bobina C son acortados por los cepillos, no se genera flujos de corriente ni un campo magnético.
Incluso en este caso, hay una fuerza giratoria en sentido antihorario.
La bobina en el lado superior de ③ a ④ se somete continuamente a una fuerza que se mueve hacia la izquierda, y la bobina inferior se somete continuamente a una fuerza que se mueve hacia la derecha, y continúa girando en sentido antihorario
Cuando la bobina gira cada 30 ° a ③ y ④, el lado exterior de la bobina se convierte en el polo S cuando la bobina está por encima del eje horizontal central; Cuando la bobina está debajo, se convierte en el polo N, y el movimiento se repite.
En otras palabras, la bobina superior se somete repetidamente a una fuerza que se mueve hacia la izquierda y la bobina inferior se somete repetidamente a una fuerza que se mueve hacia la derecha (ambas en sentido antihorario). Esto hace que el rotor gire en sentido antihorario en todo momento.
Si la potencia está conectada al cepillo izquierdo opuesto (-) y el cepillo derecho (+), se genera un campo magnético en los devanados del estator de las bobinas en la dirección opuesta, por lo que la fuerza aplicada a las bobinas se mueve en la dirección opuesta y se convierte en rotación en el sentido de las agujas del reloj.
Además, cuando se desconecta la potencia, el rotor del motor cepillado deja de girar porque está privado del campo magnético que la mantiene girando.
Motor trifásico de ondas llenas
Apariencia y estructura de un motor trifásico de ondas llenas
La siguiente figura muestra un ejemplo de la apariencia y la estructura de un motor sin escobillas.
A la izquierda hay un ejemplo de un motor de husillo utilizado para rotar un disco en un dispositivo de reproducción de disco. Hay 9 bobinas de tres fases x 3. A la derecha hay un ejemplo de un motor de husillo para un dispositivo FDD con 12 bobinas (tres fases x 4). Las bobinas se fijan en el tablero y se enrollan en el núcleo.
La parte en forma de disco en el lado derecho de las bobinas es el rotor de imán permanente. El eje del rotor se inserta en el centro de la bobina y cubre la parte de la bobina, y los imanes permanentes rodean la periferia de la bobina.
La estructura interna del motor trifásico sin escobillas y el circuito equivalente de la conexión de la bobina
El siguiente es un boceto de la estructura interna y el circuito equivalente de la conexión de la bobina.
Este boceto de estructura interna es un ejemplo de un motor de 3 polos (2 imanes) de 3 ranuras (3 bobinas) con una estructura muy simple. Es similar a la estructura de un motor cepillado con el mismo número de polos y ranuras, pero el lado de la bobina se fija y los imanes se pueden girar. Por supuesto, no hay pinceles.
En este caso, las bobinas están conectadas en forma de Y y un elemento semiconductor se usa para suministrar corriente a las bobinas, controlando la entrada y la salida de corriente de acuerdo con la posición de los imanes giratorios.
En este ejemplo, se usa un elemento salón para detectar la posición del imán. El elemento Hall está configurado entre la bobina y la bobina para detectar el voltaje generado y utilizado como información de posición basada en la intensidad del campo magnético. En la imagen del motor del huso FDD dado anteriormente, también puede ver el elemento salón utilizado para detectar la posición entre la bobina y la bobina (por encima de la bobina).
Los elementos del pasillo son bien conocidos como sensores magnéticos.
Puede convertir la magnitud del campo magnético en la magnitud del voltaje e indicar la dirección del campo magnético en términos positivos o negativos.
A continuación se muestra un diagrama que muestra el efecto del salón.
Hall elements take advantage of the phenomenon that "when a current IH flows through a semiconductor and the magnetic flux B passes at right angles to the current, a voltage VH is generated in the direction perpendicular to the current and the magnetic field", a phenomenon discovered by American physicist Edwin Herbert Hall (Edwin Herbert Hall) and called "Hall effect".
El voltaje resultante VH se expresa mediante la siguiente ecuación.
VH = (KH / D) ・ IH ・ B ※ KH: coeficiente de salón, D: espesor de la superficie de penetración de flujo
Como muestra la fórmula, cuanto mayor sea la corriente, mayor será el voltaje. Esta propiedad a menudo se usa para detectar la posición del rotor (imán).
Principio de rotación del motor trifásico de ondas llenas
El principio de rotación del motor sin escobillas se explicará en los siguientes pasos ① a ⑥. Para una fácil comprensión, el imán permanente se simplifica de un círculo a un rectángulo aquí.
①
En una bobina trifásica, deje que la bobina 1 se fije a las 12 en punto, la bobina 2 se fijará a las 4 en punto y la bobina 3 se fijará a las 8 en punto del reloj. Deje que el nos n del imán permanente de 2 polos esté en el lado izquierdo y el polo s en el lado derecho y rotativo.
Haga que el IO actual fluya en la bobina 1 para producir el campo magnético de polo S en el exterior de la bobina. Deje que la actual IO/2 fluya fuera de la bobina 2 y la bobina 3 para producir un campo magnético N polo en el exterior de la bobina.
Cuando los campos magnéticos de las bobinas 2 y 3 se sintetizan el vector, el campo magnético de N-polo se genera hacia abajo, que es 0.5 veces el tamaño del campo magnético generado cuando el IO actual pasa a través de una bobina y se convierte en 1.5 veces el tamaño cuando se agrega al campo magnético de la bobina 1. Esto produce un campo magnético sintético en un ángulo de 90 ° con el respeto al magnet de la permanente, que puede ser el máximo de magnet, el Torque, que produce un campo magnético sintético en un ángulo de 90 ° con el respeto al magnet de la permanente, el máximo de la bobina puede ser el máximo de magnet, el Torque, que produce un campo magnético sintético en un ángulo de 90 ° con el respeto al magnet de la permanente. y el imán permanente gira en sentido horario.
Cuando la corriente en la bobina 2 se reduce y la corriente en la bobina 3 aumenta de acuerdo con la posición giratoria, el campo magnético sintético también gira en sentido horario y el imán permanente continúa girando.
②
En el estado girado de 30 °, el IO actual fluye a la bobina 1 para que la corriente en la bobina 2 sea cero, lo que hace que el IO actual fluya fuera de la bobina 3.
El lado exterior de la bobina 1 se convierte en el polo S y el lado exterior de la bobina 3 se convierte en el polo n. Cuando se sintetiza el vector, el campo magnético producido es √3 (≈1.72) veces el campo magnético producido cuando el IO actual pasa a través de una bobina. Esto también produce un campo magnético sintetizado en un ángulo de 90 ° con respecto al campo magnético del imán permanente, y gira en sentido horario.
Cuando la corriente de entrada IO de la bobina 1 se reduce de acuerdo con la posición giratoria, la corriente de entrada de la bobina 2 aumenta desde cero, y la corriente de salida de la bobina 3 aumenta a IO, el campo magnético sintético también gira en sentido horario y el imán permanente continúa girando.
Suponiendo que la corriente en cada fase es sinusoidal, el valor actual aquí es io × sin (π⁄3) = io × √3⁄2. Por síntesis vectorial del campo magnético, el tamaño total del campo magnético es (√3⁄2) 2 × 2 = 1.5 veces el campo magnético generado por una bobina. Cuando las corrientes en cada fase son sinusoidales, la magnitud del campo magnético de síntesis del vector es 1.5 veces el campo magnético producido por una bobina independientemente de la posición del imán permanente, y el campo magnético está en un ángulo de 90 ° con respecto al campo magnético del imán permanente.
③
En el estado donde la rotación ha continuado durante 30 °, la actual IO/2 fluye a la bobina 1, la actual IO/2 fluye a la bobina 2 y el IO actual fluye fuera de la bobina 3.
El lado exterior de la bobina 1 se convierte en el polo S, el lado exterior de la bobina 2 también se convierte en el polo S y el lado exterior de la bobina 3 se convierte en el polo n. Cuando se sintetiza el vector, el campo magnético producido es 1.5 veces el campo magnético producido cuando el IO actual fluye a través de una bobina (igual que ①). Aquí también, se genera un campo magnético sintético en un ángulo de 90 ° con respecto al campo magnético del imán permanente, y gira en sentido horario.
④～⑥
Gire de la misma manera que ① a ③.
De esta manera, si la corriente que fluye hacia la bobina se cambia continuamente secuencialmente de acuerdo con la posición del imán permanente, el imán permanente girará en una dirección fija. Del mismo modo, si la corriente se invierte y la dirección del campo magnético sintético se invierte, girará en sentido antihorario.
El siguiente diagrama muestra las corrientes en cada bobina para cada uno de los pasos ① a ⑥ arriba en sucesión. La relación entre el cambio actual y la rotación debe entenderse mediante la descripción anterior.
Motores paso a paso
A stepper motor is a motor that can accurately control the rotation angle and speed synchronized with a pulse signal, also known as a "pulse motor. Stepper motors are widely used in equipment that requires positioning because accurate positioning can be achieved by open-loop control without the use of position sensors.
Estructura del motor paso a paso (bipolar de dos fases)
Los siguientes diagramas, de izquierda a derecha, muestran un ejemplo de la aparición de un motor paso a paso, un boceto de la estructura interna y un boceto del concepto de estructura.
En el ejemplo de apariencia, se proporciona la aparición del tipo Hb (híbrido) y los motores paso a paso de tipo PM (imán permanente). El diagrama de la estructura en el medio también se proporciona para el tipo Hb y el tipo de PM.
El motor paso a paso es una estructura en la que la bobina está fija y el imán permanente está girando. El diagrama conceptual de la estructura interna de un motor paso a paso a la derecha es un ejemplo de un motor PM que usa dos fases (dos conjuntos) de bobinas. En el ejemplo básico de la estructura del motor paso a paso, las bobinas están configuradas en el exterior y los imanes permanentes están configurados en el interior. Además de las bobinas de dos fases, también hay tipos con un mayor número de fases, como trifas y cinco fases.
Algunos motores paso a paso tienen otras estructuras diferentes, pero la estructura básica del motor paso a paso se da en este documento para facilitar la introducción de su principio operativo. A través de este documento, esperamos comprender la estructura básica de los motores paso a paso con bobinas fijas e imanes permanentes giratorios.
Principio de trabajo básico del motor paso a paso (excitación monofásica)
El siguiente diagrama se utiliza para introducir el principio de funcionamiento básico de un motor paso a paso. Este es un ejemplo de excitación para cada fase (conjunto de bobinas) de las bobinas de tipo bipolar de dos fases arriba. La premisa del diagrama es que el estado cambia de ① a ④. Las bobinas consisten en bobina 1 y bobina 2, respectivamente. Además, las flechas de corriente indican la dirección del flujo de corriente.
①
・ Haga que el flujo de corriente del lado izquierdo de la bobina 1 y fuera del lado derecho de la bobina 1.
・ No permita que la corriente fluya a través de la bobina 2.
・ En este momento, el lado interno de la bobina izquierda 1 se convierte en n y el lado interno de la bobina derecha 1 se convierte en S.
・ Como resultado, el imán permanente medio se siente atraído por el campo magnético de la bobina 1 y cambia al lado izquierdo S y el lado derecho N y se detiene.
②
・ La corriente de la bobina 1 se detiene para que la corriente fluya desde el lado superior de la bobina 2 y fuera del lado inferior de la bobina 2.
・ El lado interno de la bobina superior 2 cambia a N y el lado interno de la bobina inferior 2 cambia a S.
・ El imán permanente se siente atraído por su campo magnético y gira 90 ° en el sentido de las agujas del reloj para detenerse.
③
・ La corriente de la bobina 2 se detiene para que la corriente fluya desde el lado derecho de la bobina 1 y fuera del lado izquierdo de la bobina 1.
・ El lado interno de la bobina izquierda 1 se convierte en S y el lado interno de la bobina derecha 1 se convierte en N.
・ El imán permanente se siente atraído por su campo magnético y gira en sentido horario por otros 90 ° para detenerse.
④
・ Detenga la corriente en la bobina 1 para que la corriente fluya desde el lado inferior de la bobina 2 y fuera del lado superior de la bobina 2.
・ El lado interno de la bobina superior 2 se convierte en S y el lado interno de la bobina inferior 2 se convierte en N.
・ El imán permanente se siente atraído por su campo magnético y gira en sentido horario por otros 90 ° para detenerse.
El motor paso a paso se puede girar cambiando la corriente que fluye a través de la bobina por el circuito electrónico en el orden de ① a ④ arriba. En este ejemplo, cada acción de conmutación hace que el motor paso a paso gire 90 °.
Además, cuando la corriente fluye continuamente a través de una bobina, el estado de parada se puede mantener y el motor paso a paso puede tener un par de retención. Por cierto, si se invierte el orden de la corriente que fluye a través de la bobina, se puede hacer que el motor paso a paso gire en reversa.
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