Gần một nửa lượng điện năng tiêu thụ trên thế giới được tiêu thụ bởi động cơ, vì vậy hiệu suất cao của động cơ được gọi là biện pháp hiệu quả nhất để giải quyết vấn đề năng lượng của thế giới.
Nói chung, nó đề cập đến sự biến đổi lực được tạo ra bởi dòng điện chạy trong từ trường thành tác dụng quay và theo nghĩa rộng, nó cũng bao gồm tác dụng tuyến tính.Theo loại nguồn điện được điều khiển bởi động cơ, nó có thể được chia thành động cơ DC và động cơ AC.Theo nguyên lý quay của động cơ, nó có thể được chia thành các loại sau.(trừ động cơ đặc biệt)
Động cơ AC AC Động cơ chổi than: Động cơ chổi than được sử dụng rộng rãi thường được gọi là động cơ DC.Một điện cực được gọi là “bàn chải” (phía stator) và “cổ góp” (phía phần ứng) được tiếp xúc tuần tự để chuyển đổi dòng điện, từ đó thực hiện tác động quay.Động cơ DC không chổi than: Không cần chổi than và cổ góp mà sử dụng các chức năng chuyển mạch như bóng bán dẫn để chuyển mạch dòng điện và thực hiện quay.Động cơ bước: Động cơ này hoạt động đồng bộ với nguồn điện xung nên còn gọi là động cơ xung.Đặc điểm của nó là có thể dễ dàng nhận ra hoạt động định vị chính xác.Động cơ không đồng bộ: Dòng điện xoay chiều làm cho stato tạo ra từ trường quay, làm cho rôto sinh ra dòng điện cảm ứng và quay dưới sự tương tác của nó.Động cơ AC (dòng điện xoay chiều) Động cơ đồng bộ: dòng điện xoay chiều tạo ra từ trường quay, rôto có các cực từ quay do lực hút.Tốc độ quay được đồng bộ với tần số nguồn.
Về dòng điện, từ trường và lực Trước hết, để thuận tiện cho việc giải thích nguyên lý động cơ sau đây, chúng ta hãy ôn lại các định luật/quy luật cơ bản về dòng điện, từ trường và lực.Tuy có cảm giác hoài cổ nhưng bạn rất dễ quên đi kiến thức này nếu không thường xuyên sử dụng linh kiện từ tính.
Động cơ quay như thế nào?1) động cơ quay với sự trợ giúp của nam châm và lực từ.Xung quanh một nam châm vĩnh cửu có trục quay, ① quay nam châm (để tạo ra từ trường quay), ② theo nguyên tắc các cực N và cực S khác nhau hút nhau và cùng mức đẩy nhau, ③ nam châm có một trục quay sẽ quay.
Dòng điện chạy trong dây gây ra một từ trường quay (lực từ) xung quanh nó, do đó nam châm quay, thực ra đây là trạng thái hoạt động tương tự như thế này.
Ngoài ra, khi dây quấn thành cuộn dây, lực từ được tổng hợp tạo thành một từ thông (từ thông) lớn, tạo thành cực N và cực S.Ngoài ra, bằng cách đưa lõi sắt vào dây dẫn hình cuộn dây, các đường sức từ trở nên dễ dàng đi qua và có thể tạo ra lực từ mạnh hơn.2) Động cơ quay thực tế Ở đây, như một phương pháp thực tế 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.(AC ba pha là tín hiệu AC có khoảng 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 đều nhau 120. Cuộn dây có điện áp cao tạo ra cực N, và cuộn dây có điện áp thấp tạo ra cực S.Mỗi pha thay đổi theo một sóng hình sin nên cực tính (cực N, cực S) do mỗi cuộn dây tạo ra 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 quay.Cấu trúc của động cơ nhỏ Hình dưới đây trình bày cấu trúc chung và so sánh động cơ bước, động cơ DC có 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 có nhiều loại khác nhau nên chúng được chia thành loại cố định cuộn dây và loại cố định nam châm.
Ở đây, nam châm của động cơ DC chổi than được cố định ở bên ngoài và cuộn dây quay ở bên trong.Bàn chải và cổ góp có nhiệm vụ cung cấp điện 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 nên cấu trúc của chúng cũng khác nhau ngay cả khi các bộ phận cơ bản giống nhau.Sẽ được giải thích chi tiết ở từng phần.Động cơ chổi than Cấu trúc của động cơ chổi than Sau đây là hình dáng bên ngoài của động cơ DC chổi than thường được sử dụng trong mô hình và sơ đồ nổ của động cơ ba khe (ba cuộn dây) hai cực (hai nam châm) thông thường.Có lẽ nhiều người đã có kinh nghiệm tháo mô tơ 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 xung quanh tâm bên trong.Phía cố định được gọi là “stato” và phía quay được gọi là “rôto”.
Nguyên lý quay của động cơ chổi than ① Xoay ngược chiều kim đồng hồ từ trạng thái ban đầu Cuộn dây A ở trên cùng, nối nguồn điện với chổi than, đặt bên trái là (+) và bên phải là (-).Một dòng điện lớn chạy từ chổi than bên trái tới cuộn dây A qua cổ góp.Đây là cấu trúc trong đó phần trên (bên ngoài) của cuộn dây A trở thành cực S.Vì 1/2 dòng điện của cuộn A chạy từ chổi bên trái sang cuộn B và cuộn C ngược chiều với cuộn A nên mặt ngoài của cuộn B và cuộn C trở thành cực N yếu (được biểu thị bằng các chữ cái nhỏ hơn một chút trong nhân vật).Từ trường được tạo ra trong các cuộn dây này và lực đẩy, lực hút của nam châm làm cho cuộn dây quay ngược chiều kim đồng hồ.② tiếp tục xoay ngược chiều kim đồng hồ.Tiếp theo, giả sử chổi than bên phải tiếp xúc với hai cổ góp ở trạng thái cuộn dây A quay ngược chiều kim đồng hồ một góc 30 độ.Dòng điện của cuộn dây A liên tục chạy từ chổi than bên trái sang chổi than bên phải, mặt ngoài cuộn dây giữ cực S.Dòng điện tương tự như cuộn A chạy qua cuộn B và mặt ngoài của cuộn B trở thành cực N mạnh hơn.Vì cả hai đầu của cuộn dây C đều bị ngắn mạch bằng chổi than nên không có dòng điện chạy qua và không có từ trường nào được tạo ra.Ngay cả trong trường hợp này, nó sẽ phải chịu lực quay ngược chiều kim đồng hồ.Từ ③ đến ④, cuộn dây phía trên liên tục nhận lực chuyển động sang trái, cuộn dây phía dưới liên tục nhận lực chuyển động sang phải và tiếp tục quay ngược chiều kim đồng hồ.Khi cuộn dây quay ③ và ④ cứ sau 30 độ, khi cuộn dây nằm phía trên trục ngang trung tâm thì mặt ngoài của cuộn dây trở thành cực S;Khi cuộn dây nằm bên dưới, nó trở thành cực N và chuyển động này được lặp lại.Nói cách khác, cuộn dây phía trên liên tục chịu một lực chuyển động sang trái và cuộn dây phía dưới liên tục chịu một lực chuyển động sang phải (cả hai đều ngược chiều kim đồng hồ).Điều này làm cho rôto luôn quay ngược chiều kim đồng hồ.Nếu nối nguồn điện vào chổi trái (-) và chổi phải (+) thì sẽ tạo ra một từ trường ngược chiều trong cuộn dây nên chiều của lực tác dụng lên cuộn dây cũng ngược chiều, quay theo chiều kim đồng hồ. .Ngoài ra, khi ngắt nguồn điện, rôto của động cơ chổi than sẽ ngừng quay do không có từ trường để giữ cho nó quay.Động cơ không chổi than toàn sóng ba pha Hình dáng và cấu tạo của động cơ không chổi than toàn sóng ba pha
Sơ đồ cấu trúc bên trong và mạch tương đương của kết nối cuộn dây của động cơ không chổi than toàn sóng ba pha Tiếp theo là sơ đồ cấu trúc bên trong và sơ đồ mạch tương đương của kết nối cuộn dây.Sơ đồ cấu trúc bên trong là một ví dụ đơn giản về động cơ 2 cực (2 nam châm) 3 khe (3 cuộn dây).Nó tương tự như cấu trúc của động cơ chổi than với cùng số cực và khe nhưng mặt cuộn dây được cố định và nam châm có thể quay.Tất nhiên là không có bàn chải.Trong trường hợp này, cuộn dây sử dụng phương pháp kết nối chữ Y và phần tử bán dẫn được sử dụng để cung cấp dòng điện cho cuộn dây, dòng điện vào và ra được điều khiển theo vị trí của nam châm quay.Trong ví dụ này, 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 đưa ra trước đó, cũng có thể thấy có một phần tử Hall (phía trên cuộn dây) giữa cuộn dây và cuộn dây để phát hiện vị trí.Phần tử Hall là một cảm biến từ tính nổi tiếng.Độ lớn của từ trường có thể được chuyển đổi thành cường độ của điện áp và hướng của từ trường có thể được biểu thị 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 ở đây được đơn giản hóa từ hình tròn sang hình chữ nhật.① Ở cuộn dây ba pha, cho cuộn dây 1 cố định theo hướng 12 giờ đồng hồ, cuộn dây 2 cố định theo hướng 4 giờ đồng hồ, và cuộn dây 3 cố định theo hướng 8 hướng giờ của đồng hồ.Đặt cực N của nam châm vĩnh cửu 2 cực ở bên trái và cực S ở bên phải thì nó có thể quay.Dòng điện Io chạy vào cuộn dây 1 tạo ra từ trường cực S bên ngoài cuộn dây.Dòng Io/2 chạy từ cuộn dây 2 và cuộn dây 3 để tạo ra từ trường cực N bên ngoài cuộn dây.Khi từ trường của cuộn 2 và cuộn 3 được tổng hợp theo vectơ, một từ trường cực N được tạo ra hướng xuống, gấp 0,5 lần độ lớn của từ trường sinh ra khi dòng điện Io đi qua một cuộn dây và khi thêm vào từ trường. trường của cuộn 1 thì tăng lên 1,5 lần.Điều này sẽ tạo ra một từ trường tổng hợp có góc 90 so với nam châm vĩnh cửu, do đó có thể tạo ra mô-men xoắn cực đại và nam châm vĩnh cửu quay theo chiều kim đồng hồ.Khi dòng điện ở cuộn 2 giảm và dòng điện ở cuộn 3 tăng theo vị trí quay thì từ trường sinh ra cũng quay theo chiều kim đồng hồ và nam châm vĩnh cửu cũng tiếp tục quay.② Khi quay một góc 30 độ, dòng điện Io chạy vào cuộn dây 1, sao cho dòng điện trong cuộn dây 2 bằng 0 và dòng điện Io chạy ra khỏi cuộn dây 3. Mặt ngoài của cuộn dây 1 trở thành cực S, và mặt ngoài của cuộn dây 3 trở thành cực N.Khi các vectơ được kết hợp, từ trường được tạo ra gấp √3(≈1,72) lần so với khi dòng điện Io đi qua một cuộn dây.Điều này cũng sẽ tạo ra một từ trường hợp thành một góc 90 so với từ trường của nam châm vĩnh cửu và quay theo chiều kim đồng hồ.Khi dòng vào Io của cuộn 1 giảm theo vị trí quay thì dòng vào của cuộn 2 tăng từ 0 và dòng đi ra của cuộn 3 tăng lên Io thì từ trường sinh ra cũng quay theo chiều kim đồng hồ, và nam châm vĩnh cửu tiếp tục quay.Giả sử dòng điện mỗi pha là hình sin thì giá trị dòng điện ở đây là io× sin (π 3) = io× √ 32. Thông qua tổng hợp vectơ của từ trường, tổng từ trường là (√ 32) 2× 2 = 1,5 lần so với từ trường do cuộn dây tạo ra.※.Khi mỗi dòng điện pha là sóng hình sin, bất kể nam châm vĩnh cửu đặt ở đâu, cường độ của từ trường tổng hợp vectơ bằng 1,5 lần từ trường do cuộn dây tạo ra và từ trường tạo thành một góc 90 độ đối với từ trường của nam châm vĩnh cửu.③ Ở 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 S , mặt ngoài của cuộn 2 trở thành cực S và mặt ngoài của cuộn 3 trở thành cực N.Khi các vectơ được kết hợp, từ trường được tạo ra gấp 1,5 lần so với dòng điện Io chạy qua cuộn dây (giống như ①).Tại đây, một từ trường tổng hợp có 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 tương tự như ① ~ ③.Bằng cách này, nếu dòng điện chạy vào cuộn dây được chuyển đổi liên tục theo vị trí của nam châm vĩnh cửu thì nam châm vĩnh cửu sẽ quay theo một hướng cố định.Tương tự, nếu dòng điện chạy ngược chiều và từ trường tổng hợp bị đảo ngược thì nó sẽ quay ngược chiều kim đồng hồ.Hình dưới đây thể hiện dòng điện của từng cuộn dây trong mỗi bước từ ① đến ⑥.Qua phần giới thiệu ở trên, chúng ta có thể hiểu được mối quan hệ giữa sự thay đổi và chuyển động quay của dòng điện.Động cơ bước Động cơ bước là loại động cơ có thể điều khiển góc quay và tốc độ quay 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 chỉ có thể nhận ra vị trí chính xác thông qua điều khiển vòng hở mà không cần sử dụng cảm biến vị trí.Cấu trúc của động cơ bước (lưỡng cực hai pha) Trong các ví dụ về hình dáng, hình dáng của động cơ bước HB (hybrid) và PM (nam châm vĩnh cửu) được đưa ra.Sơ đồ cấu trúc ở giữa cũng thể hiện cấu trúc của HB và PM.Động cơ bước là cấu trúc có cuộn dây cố định và nam châm vĩnh cửu quay.Sơ đồ khái niệm cấu trúc bên trong của động cơ bước bên phải là một ví dụ về động cơ PM sử dụng cuộn dây hai pha (hai nhóm).Trong ví dụ về cấu trúc cơ bản của động cơ bước, cuộn dây được bố trí ở bên ngoài và nam châm vĩnh cửu được bố trí ở bên trong.Ngoài hai pha, còn có nhiều loại cuộn dây có ba pha và năm pha bằng nhau.Một số động cơ bước có cấu tạo khác nhau nhưng để giới thiệu nguyên lý làm việc của chúng, bài viết này đưa ra cấu tạo cơ bản của động cơ bước.Qua bài viết này, tôi hy vọng hiểu được động cơ bước về cơ bản có cấu trúc cố định cuộn dây và quay nam châm vĩnh cửu.Nguyên lý làm việc cơ bản của động cơ bước (kích thích một pha) Phần sau đây giới thiệu nguyên lý làm việc cơ bản của động cơ bước.① Dòng điện chạy từ bên trái cuộn dây 1 và đi ra từ bên phải cuộn dây 1. Không cho dòng điện chạy qua cuộn dây 2. Lúc này, bên trong cuộn dây bên trái 1 trở thành N, và bên trong cuộn dây 1 cuộn dây bên phải 1 trở thành S.. Do đó, nam châm vĩnh cửu ở giữa bị hút bởi từ trường của cuộn dây 1 và dừng lại ở trạng thái bên trái S và bên phải N.. ② Dừng dòng điện trong cuộn dây 1, sao cho dòng điện chạy vào từ phía trên cuộn dây 2 và chảy ra từ phía dưới cuộn dây 2. Mặt trong của cuộn dây 2 phía trên trở thành N và mặt trong của cuộn dây 2 phía dưới trở thành S.. Nam châm vĩnh cửu bị hút bởi từ trường của nó và ngừng quay 90 theo chiều kim đồng hồ.③ Ngắt dòng điện ở cuộn 2 để dòng điện chạy vào từ bên phải cuộn 1 và chảy ra từ phía bên trái cuộn 1. Mặt trong cuộn dây bên trái 1 trở thành S, và mặt trong cuộn dây bên phải 1 trở thành N.. Nam châm vĩnh cửu bị hút bởi từ trường của nó và quay theo chiều kim đồng hồ thêm 90 độ nữa thì dừng lại.④ Ngắt dòng điện trong cuộn 1 để dòng điện chạy vào từ phía dưới cuộn 2 và chảy ra từ phía trên cuộn 2. Mặt trong của cuộn dây 2 phía trên trở thành S, và mặt trong của cuộn dây 2 cuộn dây phía dưới 2 trở thành N.. Nam châm vĩnh cửu bị hút bởi từ trường của nó và quay theo chiều kim đồng hồ thêm 90 độ nữa thì dừng lại.Động cơ bước có thể quay bằng cách chuyển đổi dòng điện chạy qua cuộn dây theo thứ tự trên từ ① đến ④ qua mạch điện tử.Trong ví dụ này, mỗi hành động chuyển đổi sẽ làm động cơ bước quay 90. Ngoài ra, khi dòng điện liên tục chạy qua một cuộn dây nhất định, nó có thể giữ trạng thái dừng và làm cho động cơ bước có mô-men xoắn giữ.Nhân tiện, nếu dòng điện chạy qua cuộn dây bị đảo ngược thì động cơ bước có thể quay theo hướng ngược lại.
