Động cơ quay như thế nào?
1) Động cơ quay nhờ nam châm và lực từ. Xung quanh một nam châm vĩnh cửu có trục quay,
① làm quay nam châm (để tạo ra từ trường quay),
② theo nguyên lý cực khác nhau của cực Bắc và cực Nam hút nhau và cực cùng mức đẩy nhau,
③ nam châm có trục quay sẽ quay.
Dòng điện chạy trong dây dẫn tạo ra từ trường quay (lực từ) xung quanh nó, do đó nam châm quay, thực chất đây là trạng thái hoạt động tương tự như vậy.
Ngoài ra, khi dây dẫn được quấn thành cuộn, lực từ được tổng hợp, tạo thành từ thông lớn, dẫn đến cực Bắc và cực Nam. Thêm vào đó, bằng cách đưa lõi sắt vào bên trong dây dẫn hình cuộn, các đường sức từ dễ dàng đi qua hơn và có thể tạo ra lực từ mạnh hơn.
2) Động cơ quay thực tế Ở đây, như một phương pháp thực tiễn của máy điện quay, phương pháp tạo ra từ trường quay bằng cách sử dụng dòng điện xoay chiều ba pha và cuộn dây được giới thiệu. (Dòng điện xoay chiều ba pha là tín hiệu xoay chiều có khoảng cách pha là 120.) Các cuộn dây quấn quanh lõi sắt được chia thành ba pha, và các cuộn dây pha U, cuộn dây pha V và cuộn dây pha W được bố trí cách nhau 120. Các cuộn dây có điện áp cao tạo ra cực Bắc, và các cuộn dây có điện áp thấp tạo ra cực Nam. Mỗi pha thay đổi theo một sóng sin, do đó cực tính (cực Bắc, cực Nam) được tạo ra bởi mỗi cuộn dây và từ trường (lực từ) của nó sẽ thay đổi. Lúc này, chỉ cần nhìn vào các cuộn dây tạo ra N cực, và thay đổi chúng theo thứ tự cuộn dây pha U → cuộn dây pha V → cuộn dây pha W → cuộn dây pha U, do đó động cơ sẽ quay. Cấu trúc của động cơ nhỏ Hình dưới đây cho thấy cấu trúc tổng quát và so sánh của động cơ bước, động cơ DC chổi than và động cơ DC không chổi than. Các thành phần cơ bản của các động cơ này chủ yếu là cuộn dây, nam châm và rôto. Ngoài ra, do các loại khác nhau, chúng được chia thành loại cuộn dây cố định và loại nam châm cố định.
Ở đây, nam châm của động cơ DC chổi than được cố định ở bên ngoài, và cuộn dây quay ở bên trong. Chổi than và cổ góp có nhiệm vụ cung cấp năng lượng 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, cấu trúc của chúng cũng khác nhau ngay cả khi các thành phần cơ bản giống nhau. Điều này sẽ được giải thích chi tiết trong từng phần. Cấu trúc động cơ chổi than Sau đây là hình dạng của động cơ DC chổi than thường được sử dụng trong mô hình, và sơ đồ tháo rời của động cơ hai cực (hai nam châm) ba rãnh (ba cuộn dây) thông thường. Có lẽ nhiều người đã có kinh nghiệm tháo rời động cơ và lấy nam châm ra. Có thể thấy rằng nam châm vĩnh cửu của động cơ DC chổi than được cố định, và cuộn dây của động cơ DC chổi than có thể quay quanh tâm bên trong. Phía cố định được gọi là “stator” và phía quay được gọi là “rotor”.
3). Nguyên lý quay của động cơ chổi than
① Quay ngược chiều kim đồng hồ từ trạng thái ban đầu. Cuộn dây A nằm ở phía trên, nối nguồn điện với chổi than, và để phía bên trái là (+) và phía bên phải là (-). Một dòng điện lớn chảy từ chổi than bên trái đến cuộn dây A thông qua bộ chuyển mạch. Đây là cấu trúc trong đó phần trên (bên ngoài) của cuộn dây A trở thành cực Nam. Vì 1/2 dòng điện của cuộn dây A chảy từ chổi than bên trái đến cuộn dây B và cuộn dây C theo hướng ngược lại với cuộn dây A, nên các mặt ngoài của cuộn dây B và cuộn dây C trở thành các cực Bắc yếu (được biểu thị bằng các chữ cái nhỏ hơn một chút trong hình). Từ trường được tạo ra trong các cuộn dây này và lực đẩy và hút của nam châm làm cho các cuộn dây quay ngược chiều kim đồng hồ.
② Tiếp tục quay ngược chiều kim đồng hồ. Tiếp theo, giả sử chổi than bên phải tiếp xúc với hai bộ chuyển mạch trong trạng thái cuộn dây A quay ngược chiều kim đồng hồ 30 độ. Dòng điện của cuộn dây A liên tục chảy từ chổi than bên trái đến chổi than bên phải, và mặt ngoài của cuộn dây giữ nguyên cực Nam. Dòng điện chạy qua cuộn dây B giống như dòng điện trong cuộn A, và mặt ngoài của cuộn B trở thành cực Bắc mạnh hơn. Vì cả hai đầu của cuộn C đều bị ngắn mạch bởi chổi than, nên không có dòng điện chạy qua và không có từ trường được tạo ra. Ngay cả trong trường hợp này, nó vẫn chịu lực quay ngược chiều kim đồng hồ.
Từ ③ đến ④, cuộn dây phía trên liên tục chịu lực chuyển động sang trái, và cuộn dây phía dưới liên tục chịu lực chuyển động sang phải, và tiếp tục quay ngược chiều kim đồng hồ. Khi cuộn dây quay đến ③ và ④ cứ mỗi 30 độ, khi cuộn dây nằm phía trên trục ngang trung tâm, mặt ngoài của cuộn dây trở thành cực Nam; khi cuộn dây nằm phía dưới, nó trở thành cực Bắc, và chuyển động này được lặp lại. Nói cách khác, cuộn dây phía trên liên tục chịu lực chuyển động sang trái, và cuộn dây phía dưới liên tục chịu lực chuyển động sang phải (cả hai đều ngược chiều kim đồng hồ). Điều này khiến rôto luôn quay ngược chiều kim đồng hồ. Nếu nguồn điện được nối vào cực âm (-) của chổi than và cực dương (+) của chổi than, một từ trường có hướng ngược nhau sẽ được tạo ra trong cuộn dây, do đó hướng của lực tác dụng lên cuộn dây cũng ngược chiều kim đồng hồ. Ngoài ra, khi ngắt nguồn điện, rôto của động cơ chổi than sẽ ngừng quay vì không có từ trường để giữ cho nó quay. Động cơ không chổi than toàn sóng ba pha. Hình dạng và cấu trúc của động cơ không chổi than toàn sóng ba pha.
Sơ đồ cấu trúc bên trong và mạch tương đương của cách đấu cuộn dây động cơ không chổi than ba pha toàn sóng. Tiếp theo là sơ đồ cấu trúc bên trong và sơ đồ mạch tương đương của cách đấu cuộn dây. Sơ đồ cấu trúc bên trong là một ví dụ đơn giản về động cơ 2 cực (2 nam châm) 3 rãnh (3 cuộn dây). Nó tương tự như cấu trúc động cơ chổi than với cùng số cực và rãnh, nhưng phía cuộn dây được cố định và nam châm có thể quay. Tất nhiên, không có chổi than. Trong trường hợp này, cuộn dây sử dụng phương pháp đấu chữ Y, và phần tử bán dẫn được sử dụng để cung cấp dòng điện cho cuộn dây, và dòng điện vào và ra được điều khiển theo vị trí của nam châm quay. Trong ví dụ này, một 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 phát hiện điện áp được tạo ra theo cường độ từ trường và sử dụng nó làm thông tin vị trí. Trong hình ảnh động cơ trục chính FDD đã cho trước đó, cũng có thể thấy rằng có một phần tử Hall (phía trên cuộn dây) giữa các cuộn dây để phát hiện vị trí. Cảm biến Hall là một loại 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 diễn bằng dương và âm.
Nguyên lý quay của động cơ không chổi than toàn sóng ba pha Tiếp theo, nguyên lý quay của động cơ không chổi than sẽ được giải thích theo các bước ① ~ ⑥. Để dễ hiểu, nam châm vĩnh cửu được đơn giản hóa từ hình tròn thành hình chữ nhật ở đây. ① Trong cuộn dây ba pha, giả sử cuộn dây 1 được cố định ở vị trí 12 giờ, cuộn dây 2 được cố định ở vị trí 4 giờ và cuộn dây 3 được cố định ở vị trí 8 giờ. Giả sử cực Bắc của nam châm vĩnh cửu 2 cực nằm bên trái và cực Nam nằm bên phải, và nó có thể quay. Dòng điện Io chạy vào cuộn dây 1 để tạo ra từ trường cực Nam bên ngoài cuộn dây. Dòng điện Io/2 chạy từ cuộn dây 2 và cuộn dây 3 để tạo ra từ trường cực Bắc bên ngoài cuộn dây. Khi từ trường của cuộn dây 2 và cuộn dây 3 được tổng hợp vectơ, một từ trường cực Bắc được tạo ra hướng xuống dưới, có cường độ bằng 0,5 lần từ trường được tạo ra khi dòng điện Io chạy qua một cuộn dây, và khi cộng với từ trường của cuộn dây 1, nó trở thành 1,5 lần. Điều này sẽ tạo ra một từ trường tổng hợp với góc 90 độ so với nam châm vĩnh cửu, do đó có thể tạo ra mômen xoắn cực đại và nam châm vĩnh cửu quay theo chiều kim đồng hồ. Khi dòng điện của cuộn dây 2 giảm và dòng điện của cuộn dây 3 tăng theo vị trí quay, từ trường tổng hợp cũng quay theo chiều kim đồng hồ, và nam châm vĩnh cửu cũng tiếp tục quay. ② Khi quay 30 độ, dòng điện Io chảy vào cuộn dây 1, do đó dòng điện trong cuộn dây 2 bằng không, và dòng điện Io chảy ra khỏi cuộn dây 3. Mặt ngoài của cuộn dây 1 trở thành cực Nam, và mặt ngoài của cuộn dây 3 trở thành cực Bắc. Khi các vectơ được kết hợp, từ trường tạo ra lớn hơn √3 (≈1,72) lần so với từ trường tạo ra khi dòng điện Io chạy qua cuộn dây. Điều này cũng sẽ 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 điện vào Io của cuộn dây 1 giảm theo vị trí quay, dòng điện vào của cuộn dây 2 tăng từ 0, và dòng điện ra của cuộn dây 3 tăng lên Io, từ trường tổng hợp cũng quay theo chiều kim đồng hồ, và nam châm vĩnh cửu tiếp tục quay. Giả sử mỗi dòng điện pha là hình sin, giá trị dòng điện ở đây là io × sin (π 3) = io × √32. Thông qua tổng hợp vectơ của từ trường, từ trường tổng cộng lớn hơn (√32) 2 × 2 = 1,5 lần từ trường tạo ra bởi một cuộn dây. ※. Khi dòng điện mỗi pha là sóng sin, bất kể nam châm vĩnh cửu nằm ở đâu, độ lớn của từ trường tổng hợp vectơ gấp 1,5 lần từ trường do cuộn dây tạo ra, và từ trường tạo thành một góc 90 độ so với từ trường của nam châm vĩnh cửu. ③ Trong trạng thái tiếp tục quay 30 độ, dòng điện Io/2 chảy vào cuộn dây 1, dòng điện Io/2 chảy vào cuộn dây 2, và dòng điện Io chảy ra khỏi cuộn dây 3. Mặt ngoài của cuộn dây 1 trở thành cực Nam, mặt ngoài của cuộn dây 2 trở thành cực Nam, và mặt ngoài của cuộn dây 3 trở thành cực Bắc. Khi các vectơ được kết hợp, từ trường tạo ra gấp 1,5 lần từ trường tạo ra khi dòng điện Io chảy qua cuộn dây (tương tự như ①). Ở đây, một từ trường tổng hợp tạo thành một góc 90 độ so với từ trường của nam châm vĩnh cửu cũng sẽ được tạo ra và quay theo chiều kim đồng hồ. ④～⑥ Xoay theo cùng cách như ① ~ ③. Theo cách này, nếu dòng điện chạy vào cuộn dây được chuyển đổi liên tục theo vị trí của nam châm vĩnh cửu, nam châm vĩnh cửu sẽ quay theo một hướng cố định. Tương tự, nếu dòng điện chạy theo hướng ngược lại và từ trường tổng hợp bị đảo chiều, nó sẽ quay ngược chiều kim đồng hồ. Hình dưới đây cho thấy dòng điện của mỗi cuộn dây ở mỗi bước từ ① đến ⑥. Qua phần giới thiệu trên, chúng ta có thể hiểu được mối quan hệ giữa sự thay đổi dòng điện và sự quay. Động cơ bước là một loại động cơ có thể điều khiển góc quay và tốc độ một cách đồng bộ và chính xác bằng tín hiệu xung. Động cơ bước còn được gọi là “động cơ xung”. Động cơ bước được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị cần định vị vì nó có thể thực hiện định vị chính xác chỉ thông qua điều khiển vòng hở mà không cần sử dụng cảm biến vị trí. Cấu trúc của động cơ bước (hai pha lưỡng cực) Trong các ví dụ về hình thức, hình thức của động cơ bước HB (lai) và PM (nam châm vĩnh cửu) được đưa ra. Sơ đồ cấu trúc ở giữa cũng cho thấy cấu trúc của HB và PM. Động cơ bước là một cấu trúc với cuộn dây cố định và nam châm vĩnh cửu quay. Sơ đồ 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 nhóm). Trong ví dụ cấu trúc cơ bản của động cơ bước, cuộn dây được bố trí bên ngoài và nam châm vĩnh cửu được bố trí bên trong. Ngoài hai pha, còn có nhiều loại cuộn dây với ba pha và năm pha bằng nhau. Một số động cơ bước có cấu trúc khác nhau, nhưng để giới thiệu nguyên lý hoạt động của chúng, bài viết này trình bày cấu trúc cơ bản của động cơ bước. Thông qua bài viết này, tôi hy vọng sẽ hiểu rằng động cơ bước về cơ bản sử dụng cấu trúc cố định cuộn dây và quay nam châm vĩnh cửu. Nguyên lý hoạt động cơ bản của động cơ bước (kích thích một pha) Sau đây sử dụng để giới thiệu nguyên lý hoạt động cơ bản của động cơ bước. ① Dòng điện chạy vào từ phía bên trái của cuộn dây 1 và chạy ra từ phía bên phải của cuộn dây 1. Không cho dòng điện chạy qua cuộn dây 2. Lúc này, mặt trong của cuộn dây 1 bên trái trở thành N (cực âm), và mặt trong của cuộn dây 1 bên phải trở thành S (cực dương). Do đó, nam châm vĩnh cửu ở giữa bị hút bởi từ trường của cuộn dây 1 và dừng lại ở trạng thái mặt trái là S và mặt phải là N. ② Ngừng dòng điện trong cuộn dây 1, sao cho dòng điện chạy vào từ phía trên của cuộn dây 2 và chạy ra từ phía dưới của cuộn dây 2. Mặt trong của cuộn dây 2 phía trên trở thành N (cực âm) và mặt trong của cuộn dây 2 phía dưới trở thành S. Nam châm vĩnh cửu bị hút bởi từ trường của nó và dừng quay 90 độ theo chiều kim đồng hồ. ③ Ngừng dòng điện trong cuộn dây 2, sao cho dòng điện chảy vào từ phía bên phải của cuộn dây 1 và chảy ra từ phía bên trái của cuộn dây 1. Mặt trong của cuộn dây 1 bên trái trở thành S, và mặt trong của cuộn dây 1 bên phải trở thành N. Nam châm vĩnh cửu bị hút bởi từ trường của nó và quay theo chiều kim đồng hồ thêm 90 độ rồi dừng lại. ④ Ngừng dòng điện trong cuộn dây 1, sao cho dòng điện chảy vào từ phía dưới của cuộn dây 2 và chảy ra từ phía trên của cuộn dây 2. Mặt trong của cuộn dây 2 phía trên trở thành S, và mặt trong của cuộn dây 2 phía dưới trở thành N. Nam châm vĩnh cửu bị hút bởi từ trường của nó và quay theo chiều kim đồng hồ thêm 90 độ rồi dừng lại. Động cơ bước có thể được quay bằng cách chuyển mạch dòng điện chạy qua các cuộn dây theo thứ tự từ ① đến ④ ở trên thông qua mạch điện tử. Trong ví dụ này, mỗi lần nhấn công tắc sẽ làm quay động cơ bước 90 độ. Ngoài ra, khi dòng điện liên tục chạy qua một cuộn dây nhất định, nó có thể giữ trạng thái dừng và tạo ra mô-men giữ cho động cơ bước. Nếu dòng điện chạy qua cuộn dây bị đảo chiều, động cơ bước có thể quay theo hướng ngược lại.