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標題: 硬菜：電機是怎么轉(zhuǎn)起來的,？ [打印本頁]
作者: twq19810302    時間: 2023-3-6 10:27
標題: 硬菜：電機是怎么轉(zhuǎn)起來的,？
世界上功率消耗量的近一半是由電機消耗，因此在解決世界能源問題上,，電機的高效率化被稱為是最有效的措施,。

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）
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。
當導線框為矩形時,，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,。

電機如何旋轉(zhuǎn)?
1) 電機旋轉(zhuǎn)借助磁鐵,、磁力
在帶旋轉(zhuǎn)軸的永久磁鐵周圍，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。
另外,，在線圈狀導線中插入鐵芯,，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）
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)。
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）負責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說明,。

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）。
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,，當線圈位于中心水平軸上方時,，線圈的外側(cè)變?yōu)镾極；當線圈位于下方時變?yōu)镹極,，并且反復該運動。
換句話說,，上側(cè)線圈反復受到向左動的力,，下側(cè)線圈反復受到向右動的力（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),。

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)。當然,，沒有電刷,。
在這種情況下，線圈采用Y形接法,，使用半導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）。
霍爾元件是眾所周知的磁傳感器,�,？蓪⒋艌龅拇笮∞D(zhuǎn)換為電壓的大小，并以正負來表示磁場的方向,。下面是顯示霍爾效應(yīng)的示意圖,。
霍爾元件利用了“當電流IH流過半導體并且磁通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。
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,。

步進電機
步進電機是一種可以與脈沖信號同步準確地控制旋轉(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,。
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，當使電流不斷流過某一線圈時,，可以保持停止狀態(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),。

作者: smilefm    時間: 2023-3-6 17:00
這樣圖文并茂、排版有序的好帖，而且是滿滿的干貨,，很奇怪怎么沒人回復,？
作者: yyds123    時間: 2023-3-7 14:50
頂一下
作者: ls4320001    時間: 2023-3-9 15:13
初學，感恩,，不要威望真好
作者: 鵵島    時間: 2023-3-9 22:20
非常好內(nèi)容
作者: 可行    時間: 2023-3-20 08:24
樓主威武�,。�
作者: haoaj    時間: 2023-3-20 15:39
頂一下
作者: hfbay    時間: 2023-3-29 11:35
感謝
作者: 哈哈嘿嘿zl    時間: 2023-3-29 15:40
感謝樓主666
作者: 邢云鶴    時間: 2023-3-29 15:45
感謝分享
作者: jxzdh1002    時間: 2023-4-3 10:32
smilefm 發(fā)表于 2023-3-6 17:00
這樣圖文并茂,、排版有序的好帖,，而且是滿滿的干貨，很奇怪怎么沒人回復,？

高中知識而已
作者: zhangcau    時間: 2023-4-12 08:21
謝謝分享
作者: yunqiggd    時間: 2023-4-12 13:25
確實是硬菜,，頂一下



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