2) מנוע מסתובב בפועל

כאן, כשיטה מעשית לסיבוב מכונות חשמליות, מוצגת שיטה להפקת שדה מגנטי מסתובב באמצעות זרם חילופין תלת פאזי וסלילים.
(AC תלת פאזי הוא אות AC עם מרווח פאזה של 120°)

• השדה המגנטי הסינתטי במצב ① לעיל מתאים לאיור הבא ①.
• השדה המגנטי הסינתטי במצב ② לעיל מתאים ל② באיור למטה.
• השדה המגנטי הסינתטי במצב שלעיל ③ מתאים לאיור הבא ③.

כפי שתואר לעיל, הסליל הכרוך סביב הליבה מחולק לשלושה שלבים, וסליל U-פאזה, סליל V-פאזה וסליל פאזה W מסודרים במרווחים של 120 מעלות.הסליל עם המתח הגבוה מייצר קוטב N, והסליל עם המתח הנמוך יוצר קוטב S.
מכיוון שכל פאזה משתנה כגל סינוס, הקוטביות (קוטב N, קוטב S) שנוצר על ידי כל סליל והשדה המגנטי שלו (הכוח המגנטי) משתנים.
בשלב זה, פשוט תסתכל על הסליל שמייצר את הקוטב N, ושנה ברצף בהתאם לסליל U-פאזה → סליל V-פאזה → סליל פאזה W → סליל U-פאזה, ובכך מסתובב.

מבנה של מנוע קטן

האיור שלהלן מציג את המבנה הכללי וההשוואה של שלושת המנועים: מנוע צעד, מנוע זרם ישר מוברש (DC), ומנוע זרם ישר ללא מברשות (DC).המרכיבים הבסיסיים של מנועים אלו הם בעיקר סלילים, מגנטים ורוטורים.בנוסף, בשל סוגים שונים, הם מחולקים לסוג סליל קבוע וסוג קבוע מגנט.

להלן תיאור של המבנה המשויך לתרשים לדוגמה.מכיוון שעשויים להיות מבנים אחרים על בסיס פרטני יותר, אנא הבינו שהמבנה המתואר במאמר זה נמצא במסגרת גדולה.

כאן, סליל מנוע הצעד קבוע מבחוץ, והמגנט מסתובב מבפנים.

כאן, המגנטים של מנוע ה-DC המוברש קבועים מבחוץ, והסלילים מסובבים מבפנים.המברשות והקומוטטור אחראים על אספקת החשמל לסליל ושינוי כיוון הזרם.

כאן, סליל המנוע ללא מברשות מקובע מבחוץ, והמגנט מסתובב מבפנים.

בשל סוגי המנועים השונים, גם אם הרכיבים הבסיסיים זהים, המבנה שונה.הפרטים הספציפיים יוסברו בפירוט בכל חלק.

מנוע מוברש

מבנה מנוע מוברש

להלן איך נראה מנוע DC מוברש המשמש לעתים קרובות בדגמים, כמו גם סכימה מפוצצת של מנוע משותף דו-קוטבי (2 מגנטים) בעל שלושה חריצים (3 סלילים).אולי להרבה אנשים יש ניסיון בפירוק המנוע והוצאת המגנט.

ניתן לראות שהמגנטים הקבועים של מנוע ה-DC המוברש קבועים, והסלילים של מנוע ה-DC המוברש יכולים להסתובב סביב המרכז הפנימי.הצד הנייח נקרא "סטטור" והצד המסתובב נקרא "רוטור".

להלן תרשים סכמטי של המבנה המייצג את מושג המבנה.

ישנם שלושה קומוטטורים (יריעות מתכת כפופות למיתוג זרם) בשולי הציר המרכזי המסתובב.על מנת להימנע ממגע זה עם זה, הקומוטטורים מסודרים במרווח של 120° (360°÷3 חתיכות).הקומוטטור מסתובב בזמן שהפיר מסתובב.

קומוטטור אחד מחובר עם קצה סליל אחד וקצה סליל שני, ושלושה קומוטטורים ושלושה סלילים יוצרים שלם (טבעת) כרשת מעגלים.

שתי מברשות מקובעות ב-0° ו-180° למגע עם הקומוטטור.ספק הכוח החיצוני DC מחובר למברשת, והזרם זורם בהתאם לנתיב המברשת → קומוטטור → סליל → מברשת.

עקרון סיבוב של מנוע מוברש

① סובב נגד כיוון השעון מהמצב ההתחלתי

סליל A נמצא למעלה, חבר את ספק הכוח למברשת, תן לשמאל להיות (+) ולימין להיות (-).זרם גדול זורם מהמברשת השמאלית לסליל A דרך הקומוטטור.זהו המבנה שבו החלק העליון (הצד החיצוני) של סליל A הופך לקוטב S.

מכיוון ש-1/2 מהזרם של סליל A זורם מהמברשת השמאלית לסליל B וסליל C בכיוון ההפוך לסליל A, הצדדים החיצוניים של סליל B ושל סליל C הופכים לקטבים N חלשים (מסומנים באותיות מעט קטנות יותר ב- דמות) .

השדות המגנטיים הנוצרים בסלילים אלו וההשפעות הדוחות והמושכות של המגנטים מעמידים את הסלילים בכוח מסתובב נגד כיוון השעון.

② סיבוב נוסף נגד כיוון השעון

לאחר מכן, ההנחה היא שהמברשת הימנית נמצאת במגע עם שני הקומוטטורים במצב שבו סליל A מסובב נגד כיוון השעון ב-30°.

הזרם של סליל A ממשיך לזרום מהמברשת השמאלית למברשת הימנית, והחלק החיצוני של הסליל שומר על קוטב ה-S.

אותו זרם כמו סליל A זורם דרך סליל B, והחלק החיצוני של סליל B הופך לקוטב N החזק יותר.

מכיוון ששני הקצוות של סליל C קצרים על ידי המברשות, לא זורם זרם ולא נוצר שדה מגנטי.

אפילו במקרה זה, נחווה כוח סיבוב נגד כיוון השעון.

מ-③ ל-④, הסליל העליון ממשיך לקבל כוח שמאלה, והסליל התחתון ממשיך לקבל כוח ימינה, וממשיך להסתובב נגד כיוון השעון

כאשר הסליל מסובב ל-③ ו-④ כל 30°, כאשר הסליל ממוקם מעל הציר האופקי המרכזי, הצד החיצוני של הסליל הופך לקוטב S;כאשר הסליל ממוקם מתחת, הוא הופך לקוטב N, והתנועה הזו חוזרת על עצמה.

במילים אחרות, הסליל העליון נכפה שוב ושוב שמאלה, והסליל התחתון נכפה שוב ושוב ימינה (שניהם נגד כיוון השעון).זה משאיר את הרוטור מסתובב נגד כיוון השעון כל הזמן.

אם מחברים חשמל למברשות הנגדיות השמאלי (-) והימין (+), נוצרים שדות מגנטיים מנוגדים בסלילים, כך שהכוח המופעל על הסלילים הוא גם בכיוון ההפוך, מסתובב עם כיוון השעון.

בנוסף, כשהחשמל כבוי, הרוטור של המנוע המוברש מפסיק להסתובב מכיוון שאין שדה מגנטי שימשיך להסתובב.

מנוע תלת פאזי ללא מברשות עם גל מלא

מראה ומבנה של מנוע תלת פאזי ללא מברשות עם גלים מלאים

האיור שלהלן מציג דוגמה למראה ולמבנה של מנוע ללא מברשות.

בצד שמאל יש דוגמה למנוע ציר המשמש לסובב דיסק אופטי בהתקן השמעת דיסק אופטי.סך הכל תלת פאזי × 3 סה"כ 9 סלילים.בצד ימין יש דוגמה למנוע ציר להתקן FDD, עם סך של 12 סלילים (תלת פאזי × 4).הסליל מקובע על המעגל ומפותל סביב ליבת הברזל.

החלק בצורת דיסק מימין לסליל הוא רוטור המגנט הקבוע.הפריפריה היא מגנט קבוע, ציר הרוטור מוחדר לחלק המרכזי של הסליל ומכסה את חלק הסליל, והמגנט הקבוע מקיף את היקפית של הסליל.

דיאגרמת מבנה פנימית ומעגל שווה ערך של חיבור סליל של מנוע תלת פאזי ללא מברשות עם גלים מלאים

לאחר מכן תרשים סכמטי של המבנה הפנימי ותרשים סכמטי של המעגל המקביל של חיבור הסליל.

דיאגרמה פנימית זו היא דוגמה למנוע פשוט מאוד בעל 2 קוטבים (2 מגנטים) 3 חריצים (3 סלילים).זה דומה למבנה מנוע מוברש עם אותו מספר של קטבים וחריצים, אבל צד הסליל קבוע והמגנטים יכולים להסתובב.כמובן, ללא מברשות.

במקרה זה, הסליל מחובר Y, באמצעות אלמנט מוליך למחצה כדי לספק לסליל זרם, והזרימה והיציאה של הזרם נשלטת בהתאם למיקום המגנט המסתובב.בדוגמה זו, אלמנט הול משמש לזיהוי מיקום המגנט.אלמנט ההול מסודר בין הסלילים, והמתח שנוצר מזוהה על סמך עוצמת השדה המגנטי ומשמש כמידע מיקום.בתמונה של מנוע הציר FDD שניתנה קודם לכן, ניתן לראות גם שישנו אלמנט Hall (מעל הסליל) לזיהוי מיקום בין הסליל לסליל.

אלמנטים של הול הם חיישנים מגנטיים ידועים.ניתן להמיר את גודל השדה המגנטי לגודל המתח, ואת כיוון השדה המגנטי ניתן לבטא כחיובי או שלילי.להלן תרשים סכמטי המציג את אפקט הול.

אלמנטים בהיכל מנצלים את התופעה ש"כאשר זרם I_{H זורם דרך מוליך למחצה ושטף מגנטי B עובר בזווית ישרה לזרם, מתח VH}נוצר בכיוון הניצב לזרם ולשדה המגנטי", הפיזיקאי האמריקני אדווין הרברט הול (אדווין הרברט הול) גילה את התופעה הזו וכינה אותה "אפקט הול".המתח המתקבל V_Hמיוצג על ידי הנוסחה הבאה.

V_H= (ק_H/ ד)・אני_H・B ※K_H: מקדם הול, d: עובי משטח חדירת השטף המגנטי

כפי שמראה הנוסחה, ככל שהזרם גבוה יותר, כך המתח גבוה יותר.תכונה זו משמשת לעתים קרובות כדי לזהות את מיקום הרוטור (מגנט).

עקרון סיבוב של מנוע תלת פאזי ללא מברשות עם גלים מלאים

עקרון הסיבוב של המנוע חסר המברשות יוסבר בשלבים הבאים ① עד ⑥.להבנה קלה, המגנטים הקבועים מפושטים מעיגולים למלבנים כאן.

①

בין הסלילים התלת פאזיים, ההנחה היא שסליל 1 קבוע בכיוון השעה 12 של השעון, סליל 2 קבוע בכיוון השעה 4 של השעון, וסליל 3 קבוע ב- כיוון השעה 8 של השעון.תן לקוטב N של המגנט הקבוע הדו-קוטבי להיות בצד שמאל ולקוטב S בצד ימין, וניתן לסובב אותו.

זרם Io מוזרם לתוך סליל 1 כדי ליצור שדה מגנטי בקוטב S מחוץ לסליל.זרם Io/2 עשוי לזרום מסליל 2 ומסליל 3 כדי ליצור שדה מגנטי בקוטב N מחוץ לסליל.

כאשר השדות המגנטיים של סליל 2 וסליל 3 מוקטורים, נוצר שדה מגנטי של קוטב N כלפי מטה, שהוא פי 0.5 מגודל השדה המגנטי שנוצר כאשר הזרם Io עובר דרך סליל אחד, והוא גדול פי 1.5 כאשר מוסיפים אותו. לשדה המגנטי של סליל 1.זה יוצר שדה מגנטי שנוצר בזווית של 90 מעלות למגנט הקבוע, כך שניתן ליצור מומנט מרבי, המגנט הקבוע מסתובב בכיוון השעון.

כאשר הזרם של סליל 2 מופחת והזרם של סליל 3 גדל בהתאם למיקום הסיבובי, השדה המגנטי שנוצר מסתובב גם הוא בכיוון השעון והמגנט הקבוע ממשיך גם הוא להסתובב.

②

במצב המסובב ב-30°, הזרם Io זורם לתוך הסליל 1, הזרם בסליל 2 הופך לאפס, והזרם Io זורם מתוך הסליל 3.

החלק החיצוני של סליל 1 הופך לקוטב S, והחלק החיצוני של סליל 3 הופך לקוטב N.כאשר הווקטורים משולבים, השדה המגנטי המתקבל הוא פי 3 (≈1.72) מהשדה המגנטי שנוצר כאשר הזרם Io עובר דרך סליל.זה גם מייצר שדה מגנטי שנוצר בזווית של 90° לשדה המגנטי של המגנט הקבוע ומסתובב עם כיוון השעון.

כאשר זרם הכניסה Io של סליל 1 מופחת בהתאם למיקום הסיבובי, זרם הכניסה של סליל 2 גדל מאפס, וזרם היציאה של סליל 3 גדל ל-Io, השדה המגנטי שנוצר מסתובב גם הוא בכיוון השעון, וגם המגנט הקבוע ממשיך להסתובב.

※ בהנחה שכל זרם פאזה הוא צורת גל סינוסואידלית, ערך הזרם כאן הוא Io × sin(π⁄3)=Io × √3⁄2 באמצעות סינתזה וקטורית של השדה המגנטי, גודל השדה המגנטי הכולל מתקבל כ( √ 3⁄2)²× 2=1.5 פעמים.כאשר כל זרם פאזה הוא גל סינוס, ללא קשר למיקום המגנט הקבוע, גודל השדה המגנטי הווקטורי הוא פי 1.5 מזה של השדה המגנטי שנוצר על ידי סליל, והשדה המגנטי נמצא בזווית של 90 מעלות יחסית. לשדה המגנטי של המגנט הקבוע.

③

במצב של המשך סיבוב ב-30°, הזרם Io/2 זורם לתוך הסליל 1, הזרם Io/2 זורם לתוך הסליל 2, והזרם Io זורם מתוך הסליל 3.

החלק החיצוני של סליל 1 הופך לקוטב S, החלק החיצוני של סליל 2 הופך גם הוא לקוטב S, והחלק החיצוני של סליל 3 הופך לקוטב N.כאשר הוקטורים משולבים, השדה המגנטי המתקבל הוא פי 1.5 מהשדה המגנטי שנוצר כאשר זרם Io זורם דרך סליל (זהה כמו ①).גם כאן נוצר שדה מגנטי שנוצר בזווית של 90° ביחס לשדה המגנטי של המגנט הקבוע ומסתובב בכיוון השעון.

④～⑥

סובב באותו אופן כמו ① ל③.

בדרך זו, אם הזרם הזורם לתוך הסליל משתנה ברצף בהתאם למיקום המגנט הקבוע, המגנט הקבוע יסתובב בכיוון קבוע.באופן דומה, אם תהפוך את זרימת הזרם ותהפוך את השדה המגנטי שנוצר, הוא יסתובב נגד כיוון השעון.

האיור למטה מציג באופן רציף את הזרם של כל סליל בכל שלב ① עד ⑥ למעלה.דרך ההקדמה לעיל, אמור להיות אפשרי להבין את הקשר בין השינוי הנוכחי לרוטציה.

מנוע צעדים

מנוע צעד הוא מנוע שיכול לשלוט במדויק על זווית הסיבוב והמהירות בסנכרון עם אות דופק.מנוע הצעד נקרא גם "מנוע דופק".מכיוון שמנועי צעד יכולים להשיג מיקום מדויק רק באמצעות בקרת לולאה פתוחה ללא שימוש בחיישני מיקום, הם נמצאים בשימוש נרחב בציוד הדורש מיקום.

מבנה מנוע צעד (דו-פאזי דו-פאזי)

האיורים הבאים משמאל לימין הם דוגמה להופעת מנוע הצעד, תרשים סכמטי של המבנה הפנימי ותרשים סכמטי של מושג המבנה.

בדוגמה למראה, המראה של מנוע צעד מסוג HB (היברידי) ומנוע צעד מסוג PM (מגנט קבוע).תרשים המבנה באמצע מציג גם את המבנה של סוג HB וסוג PM.

מנוע צעד הוא מבנה שבו הסליל מקובע והמגנט הקבוע מסתובב.הדיאגרמה המושגית של המבנה הפנימי של מנוע צעד בצד ימין היא דוגמה למנוע PM המשתמש דו-פאזי (שני סטים) של סלילים.בדוגמה של המבנה הבסיסי של מנוע הדריכה, הסלילים מסודרים מבחוץ והמגנטים הקבועים מסודרים מבפנים.בנוסף לסלילים דו-פאזיים, ישנם סוגים תלת-פאזיים ו-5-פאזיים עם יותר פאזות.

לכמה מנועי צעד יש מבנים שונים אחרים, אך המבנה הבסיסי של מנוע הצעד ניתן במאמר זה כדי להקל על הצגת עקרון העבודה שלו.באמצעות מאמר זה, אני מקווה להבין שמנוע הצעדים מאמץ בעצם את המבנה של סליל קבוע ומגנט קבוע מסתובב.

עקרון עבודה בסיסי של מנוע צעד (עירור חד פאזי)

האיור הבא משמש כדי להציג את עקרון העבודה הבסיסי של מנוע צעד.זוהי דוגמה לעירור עבור כל פאזה (סט סלילים) של הסליל הדו-פאזי הדו-פאזי שלמעלה.הנחת היסוד של דיאגרמה זו היא שהמצב משתנה מ-① ל-④.הסליל מורכב מסליל 1 וסליל 2, בהתאמה.בנוסף, חיצי הזרם מציינים את כיוון הזרימה הנוכחית.

①

• הזרם זורם מהצד השמאלי של סליל 1 ויוצא מהצד הימני של סליל 1.
• אל תאפשר לזרם לזרום דרך סליל 2.
• בשלב זה, הצד הפנימי של הסליל השמאלי 1 הופך ל-N, והצד הפנימי של הסליל הימני 1 הופך ל-S.
• לכן, המגנט הקבוע באמצע נמשך על ידי השדה המגנטי של סליל 1, הופך למצב של ה-S השמאלי וה-N הימני, ועוצר.

  ②

• הזרם של סליל 1 נעצר, והזרם זורם מהצד העליון של סליל 2 ויוצא מהצד התחתון של סליל 2.
• הצד הפנימי של הסליל העליון 2 הופך ל-N, והצד הפנימי של הסליל התחתון 2 הופך ל-S.
• המגנט הקבוע נמשך על ידי השדה המגנטי שלו ועוצר על ידי סיבוב 90° בכיוון השעון.

  ③

• הזרם של סליל 2 נעצר, והזרם זורם מהצד הימני של סליל 1 ויוצא מהצד השמאלי של סליל 1.
• הצד הפנימי של סליל 1 הופך ל-S, והצד הפנימי של סליל 1 הופך ל-N.
• המגנט הקבוע נמשך על ידי השדה המגנטי שלו ועוצר על ידי סיבוב עם כיוון השעון עוד 90°.

  ④

• הזרם של סליל 1 נעצר, והזרם זורם מהצד התחתון של סליל 2 ויוצא מהצד העליון של הסליל 2.
• הצד הפנימי של הסליל העליון 2 הופך ל-S, והצד הפנימי של הסליל התחתון 2 הופך ל-N.
• המגנט הקבוע נמשך על ידי השדה המגנטי שלו ועוצר על ידי סיבוב עם כיוון השעון עוד 90°.