2) Moteur rotatif réel

Ici, en tant que méthode pratique de machines électriques tournantes, une méthode de production d'un champ magnétique tournant utilisant un courant alternatif triphasé et des bobines est introduite.
(Le courant alternatif triphasé est un signal alternatif avec un intervalle de phase de 120°)

• Le champ magnétique synthétique dans l'état ① ci-dessus correspond à la figure ① suivante.
• Le champ magnétique synthétique dans l'état ② ci-dessus correspond à ② dans la figure ci-dessous.
• Le champ magnétique synthétique dans l'état ci-dessus ③ correspond à la figure suivante ③.

Comme décrit ci-dessus, la bobine enroulée autour du noyau est divisée en trois phases, et la bobine de phase U, la bobine de phase V et la bobine de phase W sont disposées à des intervalles de 120°.La bobine à haute tension génère le pôle N et la bobine à basse tension génère le pôle S.
Puisque chaque phase change comme une onde sinusoïdale, la polarité (pôle N, pôle S) générée par chaque bobine et son champ magnétique (force magnétique) changent.
À ce stade, il suffit de regarder la bobine qui produit le pôle N et de changer la séquence en fonction de la bobine de phase U → bobine de phase V → bobine de phase W → bobine de phase U, tournant ainsi.

Structure d'un petit moteur

La figure ci-dessous montre la structure générale et la comparaison des trois moteurs : moteur pas à pas, moteur à courant continu avec balais (CC) et moteur à courant continu sans balais (CC).Les composants de base de ces moteurs sont principalement des bobines, des aimants et des rotors.De plus, en raison de différents types, ils sont divisés en type fixe à bobine et type fixe à aimant.

Ce qui suit est une description de la structure associée à l’exemple de diagramme.Puisqu’il peut y avoir d’autres structures sur une base plus granulaire, veuillez comprendre que la structure décrite dans cet article s’inscrit dans un cadre plus large.

Ici, la bobine du moteur pas à pas est fixée à l'extérieur et l'aimant tourne à l'intérieur.

Ici, les aimants du moteur à courant continu à balais sont fixés à l'extérieur et les bobines tournent à l'intérieur.Les balais et le collecteur sont chargés de fournir de l'énergie à la bobine et de changer la direction du courant.

Ici, la bobine du moteur sans balais est fixée à l'extérieur et l'aimant tourne à l'intérieur.

En raison des différents types de moteurs, même si les composants de base sont les mêmes, la structure est différente.Les détails seront expliqués en détail dans chaque section.

moteur brossé

Structure du moteur à balais

Vous trouverez ci-dessous à quoi ressemble un moteur à courant continu à balais souvent utilisé dans les modèles, ainsi qu'un schéma éclaté d'un moteur commun de type bipolaire (2 aimants) à trois emplacements (3 bobines).Peut-être que beaucoup de gens ont l'expérience du démontage du moteur et du retrait de l'aimant.

On peut voir que les aimants permanents du moteur à courant continu à balais sont fixes et que les bobines du moteur à courant continu à balais peuvent tourner autour du centre intérieur.Le côté fixe est appelé « stator » et le côté rotatif est appelé « rotor ».

Ce qui suit est un diagramme schématique de la structure représentant le concept de structure.

Il y a trois commutateurs (tôles pliées pour la commutation de courant) à la périphérie de l'axe central rotatif.Afin d'éviter tout contact entre eux, les collecteurs sont disposés à un intervalle de 120° (360°÷3 pièces).Le collecteur tourne lorsque l'arbre tourne.

Un collecteur est connecté à une extrémité de bobine et à l'autre extrémité de bobine, et trois collecteurs et trois bobines forment un tout (anneau) en tant que réseau de circuits.

Deux balais sont fixés à 0° et 180° pour le contact avec le collecteur.L'alimentation CC externe est connectée au balai, et le courant circule selon le trajet du balai → collecteur → bobine → balai.

Principe de rotation du moteur à balais

① Tourner dans le sens inverse des aiguilles d'une montre à partir de l'état initial

La bobine A est en haut, connectez l'alimentation à la brosse, laissez la gauche être (+) et la droite être (-).Un courant important circule du balai gauche vers la bobine A à travers le collecteur.Il s'agit de la structure dans laquelle la partie supérieure (côté extérieur) de la bobine A devient le pôle S.

Étant donné que la moitié du courant de la bobine A circule de la brosse gauche vers la bobine B et la bobine C dans la direction opposée à la bobine A, les côtés extérieurs de la bobine B et de la bobine C deviennent des pôles N faibles (indiqués par des lettres légèrement plus petites dans le chiffre) .

Les champs magnétiques créés dans ces bobines et les effets répulsifs et attractifs des aimants soumettent les bobines à une force de rotation dans le sens inverse des aiguilles d'une montre.

② Tourner davantage dans le sens inverse des aiguilles d'une montre

Ensuite, on suppose que le balai droit est en contact avec les deux collecteurs dans un état dans lequel la bobine A tourne de 30° dans le sens inverse des aiguilles d'une montre.

Le courant de la bobine A continue de circuler de la brosse gauche vers la brosse droite, et l'extérieur de la bobine maintient le pôle S.

Le même courant que la bobine A traverse la bobine B, et l’extérieur de la bobine B devient le pôle N le plus fort.

Puisque les deux extrémités de la bobine C sont court-circuitées par les balais, aucun courant ne circule et aucun champ magnétique n'est généré.

Même dans ce cas, une force de rotation dans le sens inverse des aiguilles d’une montre est ressentie.

De ③ à ④, la bobine supérieure continue de recevoir une force vers la gauche, et la bobine inférieure continue de recevoir une force vers la droite et continue de tourner dans le sens inverse des aiguilles d'une montre.

Lorsque la bobine tourne vers ③ et ④ tous les 30°, lorsque la bobine est positionnée au-dessus de l'axe horizontal central, le côté extérieur de la bobine devient le pôle S ;lorsque la bobine est positionnée en dessous, elle devient le pôle N, et ce mouvement se répète.

En d’autres termes, la bobine supérieure est forcée à plusieurs reprises vers la gauche et la bobine inférieure est forcée à plusieurs reprises vers la droite (dans le sens inverse des aiguilles d’une montre).Cela permet au rotor de tourner tout le temps dans le sens inverse des aiguilles d'une montre.

Si vous connectez l'alimentation aux balais opposés gauche (-) et droit (+), des champs magnétiques opposés sont créés dans les bobines, de sorte que la force appliquée aux bobines est également dans la direction opposée, en tournant dans le sens des aiguilles d'une montre.

De plus, lorsque l’alimentation est coupée, le rotor du moteur à balais cesse de tourner car il n’y a pas de champ magnétique pour le faire tourner.

Moteur sans balais triphasé pleine onde

Apparence et structure du moteur sans balais triphasé à onde complète

La figure ci-dessous montre un exemple de l'apparence et de la structure d'un moteur sans balais.

Sur la gauche, un exemple de moteur à broche utilisé pour faire tourner un disque optique dans un appareil de lecture de disque optique.Un total de triphasé × 3 total de 9 bobines.À droite, un exemple de moteur de broche pour un appareil FDD, avec un total de 12 bobines (triphasées × 4).La bobine est fixée sur le circuit imprimé et enroulée autour du noyau de fer.

La partie en forme de disque à droite de la bobine est le rotor à aimant permanent.La périphérie est un aimant permanent, l'arbre du rotor est inséré dans la partie centrale de la bobine et recouvre la partie bobine, et l'aimant permanent entoure la périphérie de la bobine.

Schéma de structure interne et circuit équivalent de connexion de bobine du moteur sans balais triphasé à pleine onde

Voici ensuite un diagramme schématique de la structure interne et un diagramme schématique du circuit équivalent de la connexion de la bobine.

Ce schéma interne est un exemple d'un moteur très simple à 2 pôles (2 aimants) et 3 emplacements (3 bobines).C'est similaire à une structure de moteur à balais avec le même nombre de pôles et d'encoches, mais le côté bobine est fixe et les aimants peuvent tourner.Bien sûr, pas de pinceaux.

Dans ce cas, la bobine est connectée en Y, en utilisant un élément semi-conducteur pour alimenter la bobine en courant, et l'entrée et la sortie de courant sont contrôlées en fonction de la position de l'aimant rotatif.Dans cet exemple, un élément Hall est utilisé pour détecter la position de l'aimant.L'élément Hall est disposé entre les bobines et la tension générée est détectée en fonction de l'intensité du champ magnétique et utilisée comme information de position.Dans l'image du moteur de broche FDD donnée précédemment, on peut également voir qu'il existe un élément Hall (au-dessus de la bobine) pour la détection de position entre la bobine et la bobine.

Les éléments à effet Hall sont des capteurs magnétiques bien connus.L'amplitude du champ magnétique peut être convertie en amplitude de la tension et la direction du champ magnétique peut être exprimée comme positive ou négative.Vous trouverez ci-dessous un diagramme schématique montrant l’effet Hall.

Les éléments de Hall profitent du phénomène selon lequel « lorsqu'un courant I_{H traverse un semi-conducteur et un flux magnétique B passe perpendiculairement au courant, une tension VH}est généré dans la direction perpendiculaire au courant et au champ magnétique», le physicien américain Edwin Herbert Hall (Edwin Herbert Hall) a découvert ce phénomène et l'a appelé « effet Hall ».La tension résultante V_Hest représenté par la formule suivante.

V_H= (K_H/ d)・Je_H・B ※K_H: Coefficient de Hall, d : épaisseur de la surface de pénétration du flux magnétique

Comme le montre la formule, plus le courant est élevé, plus la tension est élevée.Cette fonctionnalité est souvent utilisée pour détecter la position du rotor (aimant).

Principe de rotation du moteur sans balais triphasé à onde complète

Le principe de rotation du moteur sans balais sera expliqué dans les étapes suivantes ① à ⑥.Pour une compréhension facile, les aimants permanents sont ici simplifiés des cercles aux rectangles.

①

Parmi les bobines triphasées, on suppose que la bobine 1 est fixe dans le sens 12 heures, la bobine 2 est fixe dans le sens 4 heures et la bobine 3 est fixe dans le sens 12 heures. direction de 8 heures du matin.Laissez le pôle N de l'aimant permanent à 2 pôles être à gauche et le pôle S à droite, et il peut être tourné.

Un courant Io circule dans la bobine 1 pour générer un champ magnétique de pôle S à l'extérieur de la bobine.Le courant Io/2 circule depuis la bobine 2 et la bobine 3 pour générer un champ magnétique à pôles N à l’extérieur de la bobine.

Lorsque les champs magnétiques des bobines 2 et 3 sont vectorisés, un champ magnétique à N pôles est généré vers le bas, qui est 0,5 fois la taille du champ magnétique généré lorsque le courant Io traverse une bobine, et est 1,5 fois plus grand lorsqu'il est ajouté. au champ magnétique de la bobine 1.Cela crée un champ magnétique résultant à un angle de 90° par rapport à l'aimant permanent, de sorte qu'un couple maximal peut être généré, l'aimant permanent tourne dans le sens des aiguilles d'une montre.

Lorsque le courant de la bobine 2 diminue et que le courant de la bobine 3 augmente en fonction de la position de rotation, le champ magnétique résultant tourne également dans le sens des aiguilles d'une montre et l'aimant permanent continue également de tourner.

②

Dans l'état de rotation de 30°, le courant Io circule dans la bobine 1, le courant dans la bobine 2 est rendu nul et le courant Io sort de la bobine 3.

L'extérieur de la bobine 1 devient le pôle S et l'extérieur de la bobine 3 devient le pôle N.Lorsque les vecteurs sont combinés, le champ magnétique résultant est √3 (≈1,72) fois le champ magnétique produit lorsque le courant Io traverse une bobine.Cela produit également un champ magnétique résultant à un angle de 90° par rapport au champ magnétique de l'aimant permanent et tourne dans le sens des aiguilles d'une montre.

Lorsque le courant d'entrée Io de la bobine 1 diminue en fonction de la position de rotation, le courant d'entrée de la bobine 2 augmente de zéro et le courant de sortie de la bobine 3 augmente jusqu'à Io, le champ magnétique résultant tourne également dans le sens des aiguilles d'une montre, et l'aimant permanent continue également à tourner.

※En supposant que chaque courant de phase est une forme d'onde sinusoïdale, la valeur du courant ici est Io × sin(π⁄3)=Io × √3⁄2 Grâce à la synthèse vectorielle du champ magnétique, la taille totale du champ magnétique est obtenue comme ( √ 3⁄2)²× 2 = 1,5 fois.Lorsque chaque courant de phase est une onde sinusoïdale, quelle que soit la position de l'aimant permanent, l'amplitude du champ magnétique composite vectoriel est 1,5 fois celle du champ magnétique généré par une bobine, et le champ magnétique est à un angle de 90° par rapport au champ magnétique de l’aimant permanent.

③

Dans l'état de rotation continue de 30°, le courant Io/2 circule dans la bobine 1, le courant Io/2 circule dans la bobine 2 et le courant Io sort de la bobine 3.

L'extérieur de la bobine 1 devient le pôle S, l'extérieur de la bobine 2 devient également le pôle S et l'extérieur de la bobine 3 devient le pôle N.Lorsque les vecteurs sont combinés, le champ magnétique résultant est 1,5 fois le champ magnétique produit lorsqu'un courant Io circule dans une bobine (identique à ①).Ici aussi, un champ magnétique résultant est généré selon un angle de 90° par rapport au champ magnétique de l'aimant permanent et tourne dans le sens des aiguilles d'une montre.

④～⑥

Faites pivoter de la même manière que ① vers ③.

De cette façon, si le courant circulant dans la bobine est continuellement commuté en séquence en fonction de la position de l'aimant permanent, l'aimant permanent tournera dans une direction fixe.De même, si vous inversez le flux de courant et inversez le champ magnétique résultant, il tournera dans le sens inverse des aiguilles d’une montre.

La figure ci-dessous montre en continu le courant de chaque bobine à chaque étape ① à ⑥ ci-dessus.Grâce à l'introduction ci-dessus, il devrait être possible de comprendre la relation entre le changement actuel et la rotation.

moteur pas à pas

Un moteur pas à pas est un moteur capable de contrôler avec précision l’angle de rotation et la vitesse en synchronisation avec un signal d’impulsion.Le moteur pas à pas est également appelé « moteur à impulsions ».Étant donné que les moteurs pas à pas ne peuvent obtenir un positionnement précis que grâce à un contrôle en boucle ouverte sans utiliser de capteurs de position, ils sont largement utilisés dans les équipements nécessitant un positionnement.

Structure du moteur pas à pas (bipolaire biphasé)

Les figures suivantes, de gauche à droite, sont un exemple de l'apparence du moteur pas à pas, un diagramme schématique de la structure interne et un diagramme schématique du concept de structure.

Dans l'exemple d'apparence, l'apparence du moteur pas à pas de type HB (hybride) et PM (aimant permanent) est donnée.Le diagramme de structure au milieu montre également la structure du type HB et du type PM.

Un moteur pas à pas est une structure dans laquelle la bobine est fixe et l'aimant permanent tourne.Le schéma conceptuel de la structure interne d'un moteur pas à pas à droite est un exemple de moteur PM utilisant des bobines biphasées (deux jeux).Dans l'exemple de structure de base du moteur pas à pas, les bobines sont disposées à l'extérieur et les aimants permanents sont disposés à l'intérieur.En plus des bobines biphasées, il existe des types triphasés et cinq phases avec plus de phases.

Certains moteurs pas à pas ont d'autres structures différentes, mais la structure de base du moteur pas à pas est donnée dans cet article pour faciliter l'introduction de son principe de fonctionnement.Grâce à cet article, j'espère comprendre que le moteur pas à pas adopte essentiellement la structure d'une bobine fixe et d'un aimant permanent rotatif.

Principe de fonctionnement de base du moteur pas à pas (excitation monophasée)

La figure suivante est utilisée pour présenter le principe de fonctionnement de base d'un moteur pas à pas.Ceci est un exemple d'excitation pour chaque phase (ensemble de bobines) de la bobine bipolaire biphasée ci-dessus.La prémisse de ce diagramme est que l’état passe de ① à ④.La bobine se compose respectivement de la bobine 1 et de la bobine 2.De plus, les flèches de courant indiquent la direction du flux actuel.

①

• Le courant entre par le côté gauche de la bobine 1 et sort par le côté droit de la bobine 1.
• Ne laissez pas le courant circuler dans la bobine 2.
• À ce moment, le côté intérieur de la bobine gauche 1 devient N et le côté intérieur de la bobine droite 1 devient S.
• Par conséquent, l'aimant permanent au milieu est attiré par le champ magnétique de la bobine 1, devient l'état de gauche S et de droite N, et s'arrête.

  ②

• Le courant de la bobine 1 est arrêté, et le courant entre par le côté supérieur de la bobine 2 et sort par le côté inférieur de la bobine 2.
• Le côté intérieur de la bobine supérieure 2 devient N, et le côté intérieur de la bobine inférieure 2 devient S.
• L'aimant permanent est attiré par son champ magnétique et s'arrête en tournant de 90° dans le sens des aiguilles d'une montre.

  ③

• Le courant de la bobine 2 est arrêté et le courant entre par le côté droit de la bobine 1 et sort par le côté gauche de la bobine 1.
• Le côté intérieur de la bobine gauche 1 devient S et le côté intérieur de la bobine droite 1 devient N.
• L'aimant permanent est attiré par son champ magnétique et s'arrête en tournant encore 90° dans le sens des aiguilles d'une montre.

  ④

• Le courant de la bobine 1 est arrêté, et le courant entre par le côté inférieur de la bobine 2 et sort par le côté supérieur de la bobine 2.
• Le côté intérieur de la bobine supérieure 2 devient S, et le côté intérieur de la bobine inférieure 2 devient N.
• L'aimant permanent est attiré par son champ magnétique et s'arrête en tournant encore 90° dans le sens des aiguilles d'une montre.