2) Motor rotativo real

Aqui, como um método prático de rotação de máquinas elétricas, é apresentado um método de produção de um campo magnético rotativo usando corrente alternada trifásica e bobinas.
(CA trifásica é um sinal CA com intervalo de fase de 120°)

• O campo magnético sintético no estado ① acima corresponde à figura ① a seguir.
• O campo magnético sintético no estado ② acima corresponde a ② na figura abaixo.
• O campo magnético sintético no estado acima ③ corresponde à figura ③ a seguir.

Conforme descrito acima, a bobina enrolada em torno do núcleo é dividida em três fases, e a bobina da fase U, a bobina da fase V e a bobina da fase W são dispostas em intervalos de 120°.A bobina com alta tensão gera pólo N, e a bobina com baixa tensão gera pólo S.
Como cada fase muda como uma onda senoidal, a polaridade (pólo N, pólo S) gerada por cada bobina e seu campo magnético (força magnética) mudam.
Neste momento, basta olhar para a bobina que produz o pólo N e mudar na sequência de acordo com a bobina da fase U → bobina da fase V → bobina da fase W → bobina da fase U, girando assim.

Estrutura de um pequeno motor

A figura abaixo mostra a estrutura geral e comparação dos três motores: motor de passo, motor de corrente contínua com escova (CC) e motor de corrente contínua sem escova (CC).Os componentes básicos desses motores são principalmente bobinas, ímãs e rotores.Além disso, devido aos diferentes tipos, eles são divididos em tipo fixo de bobina e tipo fixo magnético.

A seguir está uma descrição da estrutura associada ao diagrama de exemplo.Como pode haver outras estruturas de forma mais granular, entenda que a estrutura descrita neste artigo está dentro de uma estrutura ampla.

Aqui, a bobina do motor de passo é fixada por fora e o ímã gira por dentro.

Aqui, os ímãs do motor CC escovado são fixados por fora e as bobinas giram por dentro.As escovas e o comutador são responsáveis ​​por fornecer energia à bobina e alterar a direção da corrente.

Aqui, a bobina do motor sem escova é fixada por fora e o ímã gira por dentro.

Devido aos diferentes tipos de motores, mesmo que os componentes básicos sejam iguais, a estrutura é diferente.Os detalhes serão explicados em detalhes em cada seção.

motor escovado

Estrutura do motor escovado

Abaixo está a aparência de um motor DC escovado frequentemente usado em modelos, bem como um esquema explodido de um motor comum do tipo dois pólos (2 ímãs) e três slots (3 bobinas).Talvez muitas pessoas tenham a experiência de desmontar o motor e retirar o ímã.

Pode-se observar que os ímãs permanentes do motor CC escovado são fixos e as bobinas do motor CC escovado podem girar em torno do centro interno.O lado estacionário é denominado “estator” e o lado giratório é denominado “rotor”.

A seguir está um diagrama esquemático da estrutura que representa o conceito de estrutura.

Existem três comutadores (chapas metálicas dobradas para comutação de corrente) na periferia do eixo central rotativo.Para evitar o contato entre si, os comutadores são dispostos em um intervalo de 120° (360°÷3 peças).O comutador gira conforme o eixo gira.

Um comutador é conectado a uma extremidade da bobina e à outra extremidade da bobina, e três comutadores e três bobinas formam um todo (anel) como uma rede de circuitos.

Duas escovas são fixadas em 0° e 180° para contato com o comutador.A fonte de alimentação CC externa é conectada à escova e a corrente flui de acordo com o caminho da escova → comutador → bobina → escova.

Princípio de rotação do motor escovado

① Gire no sentido anti-horário a partir do estado inicial

A bobina A está em cima, conecte a fonte de alimentação na escova, deixe a esquerda (+) e a direita (-).Uma grande corrente flui da escova esquerda para a bobina A através do comutador.Esta é a estrutura em que a parte superior (lado externo) da bobina A se torna o pólo S.

Como 1/2 da corrente da bobina A flui da escova esquerda para a bobina B e para a bobina C na direção oposta à bobina A, os lados externos da bobina B e da bobina C tornam-se pólos N fracos (indicados por letras ligeiramente menores no figura) .

Os campos magnéticos criados nestas bobinas e os efeitos repulsivos e atrativos dos ímãs submetem as bobinas a uma força de rotação no sentido anti-horário.

② Gire ainda mais no sentido anti-horário

A seguir, assume-se que a escova direita está em contato com os dois comutadores em um estado onde a bobina A é girada 30° no sentido anti-horário.

A corrente da bobina A continua a fluir da escova esquerda para a escova direita, e a parte externa da bobina mantém o pólo S.

A mesma corrente da Bobina A flui através da Bobina B, e a parte externa da Bobina B torna-se o pólo N mais forte.

Como ambas as extremidades da bobina C estão em curto-circuito pelas escovas, nenhuma corrente flui e nenhum campo magnético é gerado.

Mesmo neste caso, é experimentada uma força de rotação no sentido anti-horário.

De ③ a ④, a bobina superior continua a receber uma força para a esquerda, e a bobina inferior continua a receber uma força para a direita e continua a girar no sentido anti-horário

Quando a bobina é girada para ③ e ④ a cada 30°, quando a bobina é posicionada acima do eixo horizontal central, o lado externo da bobina se torna o pólo S;quando a bobina é posicionada abaixo, ela se torna o pólo N, e esse movimento se repete.

Em outras palavras, a bobina superior é repetidamente forçada para a esquerda e a bobina inferior é repetidamente forçada para a direita (ambas no sentido anti-horário).Isso mantém o rotor girando no sentido anti-horário o tempo todo.

Se você conectar a alimentação às escovas opostas esquerda (-) e direita (+), campos magnéticos opostos serão criados nas bobinas, de modo que a força aplicada às bobinas também estará na direção oposta, girando no sentido horário.

Além disso, quando a energia é desligada, o rotor do motor escovado para de girar porque não há campo magnético para mantê-lo girando.

Motor sem escova trifásico de onda completa

Aparência e estrutura do motor sem escova trifásico de onda completa

A figura abaixo mostra um exemplo da aparência e estrutura de um motor sem escovas.

À esquerda está um exemplo de motor de eixo usado para girar um disco óptico em um dispositivo de reprodução de disco óptico.Um total de trifásico × 3 total de 9 bobinas.À direita está um exemplo de motor spindle para um dispositivo FDD, com um total de 12 bobinas (trifásico × 4).A bobina é fixada na placa de circuito e enrolada no núcleo de ferro.

A parte em forma de disco à direita da bobina é o rotor de ímã permanente.A periferia é um ímã permanente, o eixo do rotor é inserido na parte central da bobina e cobre a parte da bobina, e o ímã permanente envolve a periferia da bobina.

Diagrama de estrutura interna e circuito equivalente de conexão da bobina do motor trifásico sem escova de onda completa

A seguir está um diagrama esquemático da estrutura interna e um diagrama esquemático do circuito equivalente da conexão da bobina.

Este diagrama interno é um exemplo de motor muito simples de 2 pólos (2 ímãs) e 3 slots (3 bobinas).É semelhante a uma estrutura de motor escovada com o mesmo número de pólos e ranhuras, mas o lado da bobina é fixo e os ímãs podem girar.Claro, sem pincéis.

Neste caso, a bobina é conectada em Y, usando um elemento semicondutor para fornecer corrente à bobina, e a entrada e saída de corrente são controladas de acordo com a posição do ímã giratório.Neste exemplo, um elemento Hall é usado para detectar a posição do ímã.O elemento Hall é disposto entre as bobinas e a tensão gerada é detectada com base na intensidade do campo magnético e usada como informação de posição.Na imagem do motor spindle FDD fornecida anteriormente, também pode ser visto que existe um elemento Hall (acima da bobina) para detecção de posição entre a bobina e a bobina.

Os elementos Hall são sensores magnéticos bem conhecidos.A magnitude do campo magnético pode ser convertida na magnitude da tensão, e a direção do campo magnético pode ser expressa como positiva ou negativa.Abaixo está um diagrama esquemático mostrando o efeito Hall.

Os elementos Hall aproveitam o fenômeno de que “quando uma corrente I_{H flui através de um semicondutor e um fluxo magnético B passa perpendicularmente à corrente, uma tensão VH}é gerado na direção perpendicular à corrente e ao campo magnético“, O físico americano Edwin Herbert Hall (Edwin Herbert Hall) descobriu esse fenômeno e o chamou de “efeito Hall”.A tensão resultante V_Hé representado pela seguinte fórmula.

V_H= (K_H/ d)・Eu_H・B ※K_H: Coeficiente Hall, d: espessura da superfície de penetração do fluxo magnético

Como mostra a fórmula, quanto maior a corrente, maior será a tensão.Este recurso é frequentemente usado para detectar a posição do rotor (ímã).

Princípio de rotação do motor sem escova trifásico de onda completa

O princípio de rotação do motor sem escova será explicado nas etapas ① a ⑥ a seguir.Para facilitar a compreensão, os ímãs permanentes são simplificados de círculos para retângulos aqui.

①

Entre as bobinas trifásicas, assume-se que a bobina 1 está fixada no sentido das 12 horas, a bobina 2 está fixada no sentido das 4 horas e a bobina 3 está fixada no sentido das 4 horas. direção das 8 horas do relógio.Deixe o pólo N do ímã permanente de 2 pólos estar à esquerda e o pólo S à direita, e ele pode ser girado.

Uma corrente Io flui para dentro da bobina 1 para gerar um campo magnético de pólo S fora da bobina.A corrente Io/2 flui da Bobina 2 e da Bobina 3 para gerar um campo magnético de N pólos fora da bobina.

Quando os campos magnéticos da bobina 2 e da bobina 3 são vetorizados, um campo magnético de N pólos é gerado para baixo, que é 0,5 vezes o tamanho do campo magnético gerado quando a corrente Io passa por uma bobina e é 1,5 vezes maior quando adicionado ao campo magnético da bobina 1.Isso cria um campo magnético resultante em um ângulo de 90° em relação ao ímã permanente, de modo que o torque máximo pode ser gerado, o ímã permanente gira no sentido horário.

Quando a corrente da bobina 2 diminui e a corrente da bobina 3 aumenta de acordo com a posição rotacional, o campo magnético resultante também gira no sentido horário e o ímã permanente também continua a girar.

②

No estado girado em 30°, a corrente Io flui para dentro da bobina 1, a corrente na bobina 2 é zerada e a corrente Io flui para fora da bobina 3.

A parte externa da bobina 1 torna-se o pólo S, e a parte externa da bobina 3 torna-se o pólo N.Quando os vetores são combinados, o campo magnético resultante é √3 (≈1,72) vezes o campo magnético produzido quando a corrente Io passa por uma bobina.Isso também produz um campo magnético resultante em um ângulo de 90° em relação ao campo magnético do ímã permanente e gira no sentido horário.

Quando a corrente de entrada Io da bobina 1 diminui de acordo com a posição rotacional, a corrente de entrada da bobina 2 aumenta de zero e a corrente de saída da bobina 3 aumenta para Io, o campo magnético resultante também gira no sentido horário, e o ímã permanente também continua a girar.

※Assumindo que cada corrente de fase é uma forma de onda senoidal, o valor da corrente aqui é Io × sin (π⁄3) = Io × √3⁄2 Através da síntese vetorial do campo magnético, o tamanho total do campo magnético é obtido como (√ 3⁄2)²× 2 = 1,5 vezes.Quando cada corrente de fase é uma onda senoidal, independentemente da posição do ímã permanente, a magnitude do campo magnético composto vetorial é 1,5 vezes maior que a do campo magnético gerado por uma bobina, e o campo magnético está em um ângulo de 90° em relação ao campo magnético do ímã permanente.

③

No estado de continuar a girar 30°, a corrente Io/2 flui para a bobina 1, a corrente Io/2 flui para a bobina 2 e a corrente Io flui para fora da bobina 3.

A parte externa da bobina 1 torna-se o pólo S, a parte externa da bobina 2 também se torna o pólo S e a parte externa da bobina 3 torna-se o pólo N.Quando os vetores são combinados, o campo magnético resultante é 1,5 vezes o campo magnético produzido quando uma corrente Io flui através de uma bobina (igual a ①).Também aqui um campo magnético resultante é gerado num ângulo de 90° em relação ao campo magnético do íman permanente e gira no sentido horário.

④～⑥

Gire da mesma forma que ① para ③.

Desta forma, se a corrente que flui para a bobina for continuamente comutada em sequência de acordo com a posição do íman permanente, o íman permanente irá rodar numa direção fixa.Da mesma forma, se você inverter o fluxo da corrente e inverter o campo magnético resultante, ele girará no sentido anti-horário.

A figura abaixo mostra continuamente a corrente de cada bobina em cada etapa ① a ⑥ acima.Através da introdução acima, deverá ser possível compreender a relação entre a mudança atual e a rotação.

motor de passo

Um motor de passo é um motor que pode controlar com precisão o ângulo de rotação e a velocidade em sincronização com um sinal de pulso.O motor de passo também é chamado de “motor de pulso”.Como os motores de passo só podem alcançar um posicionamento preciso através do controle de malha aberta sem o uso de sensores de posição, eles são amplamente utilizados em equipamentos que requerem posicionamento.

Estrutura do motor de passo (bipolar bifásico)

As figuras a seguir, da esquerda para a direita, são um exemplo da aparência do motor de passo, um diagrama esquemático da estrutura interna e um diagrama esquemático do conceito de estrutura.

No exemplo de aparência, é dada a aparência do motor de passo do tipo HB (Híbrido) e do tipo PM (Ímã Permanente).O diagrama de estrutura no meio também mostra a estrutura do tipo HB e do tipo PM.

Um motor de passo é uma estrutura na qual a bobina é fixa e o ímã permanente gira.O diagrama conceitual da estrutura interna de um motor de passo à direita é um exemplo de motor PM usando duas fases (dois conjuntos) de bobinas.No exemplo da estrutura básica do motor de passo, as bobinas estão dispostas na parte externa e os ímãs permanentes estão dispostos na parte interna.Além das bobinas bifásicas, existem tipos trifásicos e cincofásicos com mais fases.

Alguns motores de passo possuem outras estruturas diferentes, mas a estrutura básica do motor de passo é fornecida neste artigo para facilitar a introdução de seu princípio de funcionamento.Através deste artigo, espero entender que o motor de passo adota basicamente a estrutura de bobina fixa e ímã permanente giratório.

Princípio básico de funcionamento do motor de passo (excitação monofásica)

A figura a seguir é usada para apresentar o princípio básico de funcionamento de um motor de passo.Este é um exemplo de excitação para cada fase (conjunto de bobinas) da bobina bipolar bifásica acima.A premissa deste diagrama é que o estado muda de ① para ④.A bobina consiste na Bobina 1 e na Bobina 2, respectivamente.Além disso, as setas atuais indicam a direção do fluxo atual.

①

• A corrente flui pelo lado esquerdo da bobina 1 e sai pelo lado direito da bobina 1.
• Não permita que a corrente flua através da bobina 2.
• Neste momento, o lado interno da bobina esquerda 1 torna-se N e o lado interno da bobina direita 1 torna-se S.
• Portanto, o ímã permanente no meio é atraído pelo campo magnético da bobina 1, torna-se o estado do S esquerdo e do N direito e para.

  ②

• A corrente da bobina 1 é interrompida e a corrente flui do lado superior da bobina 2 e sai do lado inferior da bobina 2.
• O lado interno da bobina superior 2 torna-se N e o lado interno da bobina inferior 2 torna-se S.
• O ímã permanente é atraído pelo seu campo magnético e para girando 90° no sentido horário.

  ③

• A corrente da bobina 2 é interrompida e a corrente flui do lado direito da bobina 1 e sai do lado esquerdo da bobina 1.
• O lado interno da bobina esquerda 1 torna-se S, e o lado interno da bobina direita 1 torna-se N.
• O ímã permanente é atraído pelo seu campo magnético e para girando mais 90° no sentido horário.

  ④

• A corrente da bobina 1 é interrompida e a corrente flui do lado inferior da bobina 2 e sai do lado superior da bobina 2.
• O lado interno da bobina superior 2 torna-se S, e o lado interno da bobina inferior 2 torna-se N.
• O ímã permanente é atraído pelo seu campo magnético e para girando mais 90° no sentido horário.