Casi la mitad del consumo de energía mundial proviene de los motores.Por lo tanto, se dice que mejorar la eficiencia de los motores es la medida más eficaz para resolver los problemas energéticos del mundo.
Tipo de motor
En general, se refiere a convertir la fuerza generada por el flujo de corriente en el campo magnético en un movimiento giratorio, y también incluye el movimiento lineal en un amplio rango.
Según el tipo de fuente de alimentación impulsada por el motor, se puede dividir en motor de CC y motor de CA.Según el principio de rotación del motor, se puede dividir a grandes rasgos en los siguientes tipos.(excepto motores especiales)
Acerca de corrientes, campos magnéticos y fuerzas
Primero, para facilitar las explicaciones posteriores de los principios motores, revisemos las leyes básicas sobre corrientes, campos magnéticos y fuerzas.Aunque existe una sensación de nostalgia, es fácil olvidar este conocimiento si no se utilizan componentes magnéticos con frecuencia.
Combinamos imágenes y fórmulas para ilustrar.
Cuando el marco conductor es rectangular, se tiene en cuenta la fuerza que actúa sobre la corriente.
La fuerza F que actúa sobre los lados a y c es
Genera par alrededor del eje central.
Por ejemplo, al considerar el estado donde el ángulo de rotación es soloθ, la fuerza que actúa en ángulo recto con byd es senθ, por lo que el par Ta de la parte a se expresa mediante la siguiente fórmula:
Considerando la parte c de la misma manera, el par se duplica y produce un par calculado por:
Dado que el área del rectángulo es S=h·l, al sustituirla en la fórmula anterior se obtienen los siguientes resultados:
Esta fórmula funciona no sólo para rectángulos, sino también para otras formas comunes como círculos.Los motores utilizan este principio.
¿Cómo gira el motor?
1) El motor gira con la ayuda de un imán, fuerza magnética.
Alrededor de un imán permanente con un eje giratorio,① gira el imán(para generar un campo magnético giratorio),② según el principio de que los polos N y S atraen polos opuestos y se repelen al mismo nivel,③ el imán con eje giratorio girará.
Este es el principio básico de la rotación del motor.
Se genera un campo magnético giratorio (fuerza magnética) alrededor del cable cuando una corriente fluye a través del cable y el imán gira, que en realidad es el mismo estado de operación.
Además, cuando el cable se enrolla en forma de bobina, la fuerza magnética se combina, se forma un gran flujo de campo magnético (flujo magnético) y se generan los polos N y S.
Además, al insertar un núcleo de hierro en el cable enrollado, resulta más fácil que la fuerza magnética pase a través de él y se puede generar una fuerza magnética más fuerte.
2) Motor giratorio real
Aquí, como método práctico de máquinas eléctricas rotativas, se presenta un método para producir un campo magnético giratorio utilizando corriente alterna trifásica y bobinas.
(La CA trifásica es una señal de CA con un intervalo de fase de 120°)
- El campo magnético sintético en el estado ① anterior corresponde a la siguiente figura ①.
- El campo magnético sintético en el estado ② anterior corresponde al ② en la figura siguiente.
- El campo magnético sintético en el estado anterior ③ corresponde a la siguiente figura ③.
Como se describió anteriormente, la bobina enrollada alrededor del núcleo se divide en tres fases, y la bobina de fase U, la bobina de fase V y la bobina de fase W están dispuestas a intervalos de 120°.La bobina con alto voltaje genera el polo N y la bobina con bajo voltaje genera el polo S.
Dado que cada fase cambia como una onda sinusoidal, la polaridad (polo N, polo S) generada por cada bobina y su campo magnético (fuerza magnética) cambian.
En este momento, simplemente mire la bobina que produce el polo N y cambie en secuencia de acuerdo con la bobina de fase U → bobina de fase V → bobina de fase W → bobina de fase U, girando así.
Estructura de un motor pequeño.
La siguiente figura muestra la estructura general y la comparación de los tres motores: motor paso a paso, motor de corriente continua (CC) con escobillas y motor de corriente continua (CC) sin escobillas.Los componentes básicos de estos motores son principalmente bobinas, imanes y rotores.Además, debido a los diferentes tipos, se dividen en tipo fijo de bobina y tipo fijo de imán.
La siguiente es una descripción de la estructura asociada con el diagrama de ejemplo.Dado que puede haber otras estructuras de forma más granular, comprenda que la estructura descrita en este artículo se encuentra dentro de un marco amplio.
Aquí, la bobina del motor paso a paso está fijada en el exterior y el imán gira en el interior.
Aquí, los imanes del motor de corriente continua con escobillas están fijos en el exterior y las bobinas giran en el interior.Las escobillas y el conmutador son responsables de suministrar energía a la bobina y cambiar la dirección de la corriente.
Aquí, la bobina del motor sin escobillas está fijada en el exterior y el imán gira en el interior.
Debido a los diferentes tipos de motores, aunque los componentes básicos sean los mismos, la estructura es diferente.Los detalles se explicarán en detalle en cada sección.
motor cepillado
Estructura del motor cepillado.
A continuación se muestra cómo se ve un motor de CC con escobillas que se usa a menudo en modelos, así como un esquema despiezado de un motor común de tipo bipolar (2 imanes) y tres ranuras (3 bobinas).Quizás mucha gente tenga la experiencia de desmontar el motor y sacar el imán.
Se puede ver que los imanes permanentes del motor de CC con escobillas están fijos y las bobinas del motor de CC con escobillas pueden girar alrededor del centro interior.El lado estacionario se llama "estator" y el lado giratorio se llama "rotor".
El siguiente es un diagrama esquemático de la estructura que representa el concepto de estructura.
En la periferia del eje central giratorio hay tres conmutadores (láminas de metal dobladas para la conmutación de corriente).Para evitar el contacto entre sí, los conmutadores están dispuestos en un intervalo de 120° (360°÷3 piezas).El conmutador gira a medida que gira el eje.
Un conmutador está conectado con un extremo de la bobina y el otro extremo de la bobina, y tres conmutadores y tres bobinas forman un todo (anillo) como una red de circuitos.
Se fijan dos escobillas a 0° y 180° para hacer contacto con el conmutador.La fuente de alimentación de CC externa está conectada a la escobilla y la corriente fluye de acuerdo con la trayectoria de la escobilla → conmutador → bobina → escobilla.
Principio de rotación del motor con escobillas.
① Girar en sentido antihorario desde el estado inicial.
La bobina A está arriba, conecta la fuente de alimentación al cepillo, deja que la izquierda sea (+) y la derecha sea (-).Una gran corriente fluye desde la escobilla izquierda hasta la bobina A a través del conmutador.Esta es la estructura en la que la parte superior (lado exterior) de la bobina A se convierte en el polo S.
Dado que la mitad de la corriente de la bobina A fluye desde el cepillo izquierdo a la bobina B y a la bobina C en dirección opuesta a la bobina A, los lados exteriores de la bobina B y la bobina C se convierten en N polos débiles (indicados por letras ligeramente más pequeñas en el cifra) .
Los campos magnéticos creados en estas bobinas y los efectos repulsivos y atractivos de los imanes someten a las bobinas a una fuerza de rotación en sentido antihorario.
② Gire más en sentido antihorario
A continuación, se supone que la escobilla derecha está en contacto con los dos conmutadores en un estado en el que la bobina A gira 30° en sentido antihorario.
La corriente de la bobina A continúa fluyendo desde la escobilla izquierda a la derecha y el exterior de la bobina mantiene el polo S.
La misma corriente que la bobina A fluye a través de la bobina B, y el exterior de la bobina B se convierte en el polo N más fuerte.
Dado que las escobillas cortocircuitan ambos extremos de la bobina C, no fluye corriente ni se genera ningún campo magnético.
También en este caso se produce una fuerza de rotación en sentido contrario a las agujas del reloj.
De ③ a ④, la bobina superior continúa recibiendo una fuerza hacia la izquierda y la bobina inferior continúa recibiendo una fuerza hacia la derecha y continúa girando en sentido antihorario.
Cuando la bobina se gira a ③ y ④ cada 30°, cuando la bobina se coloca sobre el eje horizontal central, el lado exterior de la bobina se convierte en el polo S;cuando la bobina se coloca debajo, se convierte en el polo N y este movimiento se repite.
En otras palabras, la bobina superior se fuerza repetidamente hacia la izquierda y la bobina inferior se fuerza repetidamente hacia la derecha (ambas en sentido antihorario).Esto mantiene el rotor girando en sentido antihorario todo el tiempo.
Si conecta la alimentación a los cepillos opuestos izquierdo (-) y derecho (+), se crean campos magnéticos opuestos en las bobinas, por lo que la fuerza aplicada a las bobinas también es en la dirección opuesta, girando en el sentido de las agujas del reloj.
Además, cuando se corta la energía, el rotor del motor con escobillas deja de girar porque no hay un campo magnético que lo mantenga girando.
Motor trifásico sin escobillas de onda completa
Aspecto y estructura del motor trifásico sin escobillas de onda completa.
La siguiente figura muestra un ejemplo de la apariencia y estructura de un motor sin escobillas.
A la izquierda hay un ejemplo de un motor de husillo utilizado para hacer girar un disco óptico en un dispositivo de reproducción de discos ópticos.Un total de trifásicos × 3 en total 9 bobinas.A la derecha se muestra un ejemplo de motor de husillo para un dispositivo FDD, con un total de 12 bobinas (trifásico × 4).La bobina se fija en la placa de circuito y se enrolla alrededor del núcleo de hierro.
La parte en forma de disco a la derecha de la bobina es el rotor de imán permanente.La periferia es un imán permanente, el eje del rotor se inserta en la parte central de la bobina y cubre la parte de la bobina, y el imán permanente rodea la periferia de la bobina.
Diagrama de estructura interna y circuito equivalente de conexión de bobina de motor trifásico sin escobillas de onda completa
A continuación se muestra un diagrama esquemático de la estructura interna y un diagrama esquemático del circuito equivalente de la conexión de la bobina.
Este diagrama interno es un ejemplo de un motor muy simple de 2 polos (2 imanes) y 3 ranuras (3 bobinas).Es similar a una estructura de motor con escobillas con el mismo número de polos y ranuras, pero el lado de la bobina es fijo y los imanes pueden girar.Por supuesto, nada de pinceles.
En este caso, la bobina está conectada en Y, utilizando un elemento semiconductor para suministrar corriente a la bobina, y la entrada y salida de corriente se controla de acuerdo con la posición del imán giratorio.En este ejemplo, se utiliza un elemento Hall para detectar la posición del imán.El elemento Hall está dispuesto entre las bobinas y la tensión generada se detecta en función de la intensidad del campo magnético y se utiliza como información de posición.En la imagen del motor de husillo FDD proporcionada anteriormente, también se puede ver que hay un elemento Hall (encima de la bobina) para la detección de posición entre la bobina y la bobina.
Los elementos Hall son sensores magnéticos bien conocidos.La magnitud del campo magnético se puede convertir en la magnitud del voltaje y la dirección del campo magnético se puede expresar como positiva o negativa.A continuación se muestra un diagrama esquemático que muestra el efecto Hall.
Los elementos de Hall aprovechan el fenómeno de que “cuando una corriente IH fluye a través de un semiconductor y un flujo magnético B pasa en ángulo recto con la corriente, un voltaje VHSe genera en la dirección perpendicular a la corriente y al campo magnético.“, el físico estadounidense Edwin Herbert Hall (Edwin Herbert Hall) descubrió este fenómeno y lo llamó “efecto Hall”.El voltaje resultante VHestá representado por la siguiente fórmula.
VH= (KH/d)・YoH・B※KH: Coeficiente de Hall, d: espesor de la superficie de penetración del flujo magnético
Como muestra la fórmula, cuanto mayor es la corriente, mayor es el voltaje.Esta característica se utiliza a menudo para detectar la posición del rotor (imán).
Principio de rotación del motor trifásico sin escobillas de onda completa.
El principio de rotación del motor sin escobillas se explicará en los siguientes pasos ① a ⑥.Para facilitar la comprensión, los imanes permanentes se simplifican aquí de círculos a rectángulos.
①
Entre las bobinas trifásicas, se supone que la bobina 1 está fijada en la dirección de las 12 en punto del reloj, la bobina 2 está fijada en la dirección de las 4 en punto del reloj y la bobina 3 está fijada en la dirección de las 4 en punto del reloj. dirección de las 8 en punto del reloj.Deje que el polo N del imán permanente de 2 polos esté a la izquierda y el polo S a la derecha, y se puede girar.
Una corriente Io fluye hacia la bobina 1 para generar un campo magnético de polo S fuera de la bobina.Se hace fluir corriente Io/2 desde la bobina 2 y la bobina 3 para generar un campo magnético de polo N fuera de la bobina.
Cuando los campos magnéticos de las bobinas 2 y 3 se vectorizan, se genera un campo magnético de polos N hacia abajo, que es 0,5 veces el tamaño del campo magnético generado cuando la corriente Io pasa a través de una bobina, y es 1,5 veces mayor cuando se suma. al campo magnético de la bobina 1.Esto crea un campo magnético resultante en un ángulo de 90° con respecto al imán permanente, por lo que se puede generar el par máximo; el imán permanente gira en el sentido de las agujas del reloj.
Cuando la corriente de la bobina 2 disminuye y la corriente de la bobina 3 aumenta según la posición de rotación, el campo magnético resultante también gira en el sentido de las agujas del reloj y el imán permanente también continúa girando.
②
En el estado girado 30°, la corriente Io fluye hacia la bobina 1, la corriente en la bobina 2 se hace cero y la corriente Io sale de la bobina 3.
El exterior de la bobina 1 se convierte en el polo S y el exterior de la bobina 3 se convierte en el polo N.Cuando se combinan los vectores, el campo magnético resultante es √3 (≈1,72) veces el campo magnético producido cuando la corriente Io pasa a través de una bobina.Esto también produce un campo magnético resultante en un ángulo de 90° con respecto al campo magnético del imán permanente y gira en el sentido de las agujas del reloj.
Cuando la corriente de entrada Io de la bobina 1 disminuye según la posición de rotación, 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 resultante también gira en el sentido de las agujas del reloj. y el imán permanente también continúa girando.
※Suponiendo que cada corriente de fase es una forma de onda sinusoidal, el valor actual aquí es Io × sin(π⁄3)=Io × √3⁄2 A través de la síntesis vectorial del campo magnético, el tamaño total del campo magnético se obtiene como ( √ 3⁄2)2× 2=1,5 veces.Cuando cada corriente de fase es una onda sinusoidal, independientemente de la posición del imán permanente, la magnitud del campo magnético compuesto vectorial es 1,5 veces la del campo magnético generado por una bobina, y el campo magnético está en un ángulo relativo de 90°. al campo magnético del imán permanente.
③
En el estado de rotación continua de 30°, la corriente Io/2 fluye hacia la bobina 1, la corriente Io/2 fluye hacia la bobina 2 y la corriente Io sale de la bobina 3.
El exterior de la bobina 1 se convierte en el polo S, el exterior de la bobina 2 también se convierte en el polo S y el exterior de la bobina 3 se convierte en el polo N.Cuando se combinan los vectores, el campo magnético resultante es 1,5 veces el campo magnético producido cuando una corriente Io fluye a través de una bobina (igual que ①).También en este caso se genera un campo magnético resultante con un ángulo de 90° con respecto al campo magnético del imán permanente y que gira en el sentido de las agujas del reloj.
④～⑥
Gire de la misma manera que ① a ③.
De esta manera, si la corriente que fluye hacia la bobina cambia continuamente en secuencia según la posición del imán permanente, el imán permanente girará en una dirección fija.Del mismo modo, si invierte el flujo de corriente e invierte el campo magnético resultante, girará en sentido antihorario.
La siguiente figura muestra continuamente la corriente de cada bobina en cada paso ① a ⑥ arriba.A través de la introducción anterior, debería ser posible comprender la relación entre el cambio actual y la rotación.
motor paso a paso
Un motor paso a paso es un motor que puede controlar con precisión el ángulo de rotación y la velocidad en sincronización con una señal de pulso.El motor paso a paso también se denomina "motor de impulsos".Debido a que los motores paso a paso pueden lograr un posicionamiento preciso sólo mediante un control de bucle abierto sin el uso de sensores de posición, se utilizan ampliamente en equipos que requieren posicionamiento.
Estructura del motor paso a paso (bipolar bifásico)
Las siguientes figuras, de izquierda a derecha, son un ejemplo de la apariencia del motor paso a paso, un diagrama esquemático de la estructura interna y un diagrama esquemático del concepto de estructura.
En el ejemplo de apariencia, se muestra la apariencia del motor paso a paso tipo HB (híbrido) y PM (imán permanente).El diagrama de estructura en el medio también muestra la estructura del tipo HB y del tipo PM.
Un motor paso a paso es una estructura en la que se fija la bobina y gira el imán permanente.El diagrama conceptual de la estructura interna de un motor paso a paso a la derecha es un ejemplo de un motor PM que utiliza dos fases (dos juegos) de bobinas.En el ejemplo de la estructura básica del motor paso a paso, las bobinas están dispuestas en el exterior y los imanes permanentes en el interior.Además de las bobinas bifásicas, existen tipos trifásicos y cinco fases con más fases.
Algunos motores paso a paso tienen otras estructuras diferentes, pero en este artículo se proporciona la estructura básica del motor paso a paso para facilitar la introducción de su principio de funcionamiento.A través de este artículo, espero comprender que el motor paso a paso adopta básicamente la estructura de una bobina fija y un imán permanente giratorio.
Principio de funcionamiento básico del motor paso a paso (excitación monofásica)
La siguiente figura se utiliza para presentar el principio de funcionamiento básico de un motor paso a paso.Este es un ejemplo de excitación para cada fase (conjunto de bobinas) de la bobina bipolar de dos fases anterior.La premisa de este diagrama es que el estado cambia de ① a ④.La bobina consta de la Bobina 1 y la Bobina 2, respectivamente.Además, las flechas actuales indican la dirección del flujo actual.
①
- La corriente entra por el lado izquierdo de la bobina 1 y sale por el lado derecho de la bobina 1.
- No permita que la corriente fluya a través de la bobina 2.
- En este momento, el lado interior de la bobina izquierda 1 se convierte en N y el lado interior de la bobina derecha 1 se convierte en S.
- Por lo tanto, el imán permanente en el medio es atraído por el campo magnético de la bobina 1, pasa al estado de S izquierdo y N derecho, y se detiene.
②
- La corriente de la bobina 1 se detiene y la corriente entra desde el lado superior de la bobina 2 y sale desde el lado inferior de la bobina 2.
- El lado interior de la bobina superior 2 se convierte en N, y el lado interior de la bobina inferior 2 se convierte en S.
- El imán permanente es atraído por su campo magnético y se detiene girando 90° en el sentido de las agujas del reloj.
③
- La corriente de la bobina 2 se detiene y la corriente entra desde el lado derecho de la bobina 1 y sale desde el lado izquierdo de la bobina 1.
- El lado interior de la bobina izquierda 1 se convierte en S y el lado interior de la bobina derecha 1 se convierte en N.
- El imán permanente es atraído por su campo magnético y se detiene girando otros 90° en el sentido de las agujas del reloj.
④
- La corriente de la bobina 1 se detiene y la corriente entra desde el lado inferior de la bobina 2 y sale desde el lado superior de la bobina 2.
- El lado interior de la bobina superior 2 se convierte en S, y el lado interior de la bobina inferior 2 se convierte en N.
- El imán permanente es atraído por su campo magnético y se detiene girando otros 90° en el sentido de las agujas del reloj.
Hora de publicación: 09-jul-2022