최고의 전문가:전기 모터는 어떻게 작동합니까?

전 세계 전력 소비의 거의 절반이 전기 모터에 의해 소비되므로, 전기 모터의 높은 효율은 세계의 에너지 문제를 해결하는 가장 효과적인 방법이라고 합니다.

종류 전기 모터

일반적으로 자기장에 전류가 흐르면서 발생하는 힘을 회전운동으로 변환하는 것을 말하며, 넓은 범위에서는 직선운동도 포함한다.

모터 구동에 사용되는 전원의 종류에 따라 DC 모터와 AC 전기 모터.

그리고 모터 회전 원리에 따라 크게 다음과 같은 범주로 나눌 수 있습니다. (특수 모터 제외)

DC 전동기/DC(직류) 모터

브러시드 모터

널리 사용되는 브러시 모터는 일반적으로 DC 전기 모터라고 합니다.

The electrodes connected to the "brush" (stator side) and the "commutator" (armature side)

The brushed motor is used to switch the current by making contact with the "commutator" (armature side) in turn to perform rotational action.

브러시리스 DC 모터

브러시리스 DC 모터는 브러시나 정류자를 사용하지 않고 트랜지스터와 같은 스위칭 기능을 사용하여 전류를 전환하고 회전 동작을 수행합니다.

스테퍼 모터.

이 모터는 펄스 전력과 동기식으로 작동하므로 펄스 유도 모터라고도 합니다.

정확한 위치 결정 작업을 쉽게 달성할 수 있는 것이 특징입니다.

AC 모터

비동기 모터

AC 전원은 고정자에 회전 자기장을 생성하고, 회전자에 유도 전류를 생성하며, 이 회전자에서 AC 유도 모터에 대한 상호 작용 회전이 발생합니다.

동기 모터

AC 전원은 회전 자기장을 생성하고 자극으로 인해 회전자가 회전합니다.

-회전 속도는 전원 공급 장치의 주파수와 다행히 동기화됩니다.

전류, 자기장 및 힘에 대하여

먼저, 이후의 모터 원리 설명을 위해 전류, 자기장 및 힘에 관한 기본 법칙/법칙을 검토해 보겠습니다.

향수를 불러일으키는 느낌이 있지만 평소에 자성 부품을 사용하지 않는다면 이 지식을 잊기 쉽습니다.

그림과 공식을 결합하여 설명합니다.

와이어 프레임이 직사각형일 때 전류에 작용하는 힘이 고려됩니다.

변 a와 c에 작용하는 힘 F는

토크는 중심축을 중심축으로 하여 생성됩니다.

예를 들어, 회전각도가 θ뿐인 상태를 고려할 때 b와 d에 직각으로 작용하는 힘은 sinθ이므로 a부의 토크 Ta는 다음과 같이 주어진다.

같은 방법으로 c부분을 고려하면 토크는 2배가 되어 다음 식으로 계산된 토크가 발생합니다.

직사각형의 면적은 S = h・l이므로 위 식에 대입하면 다음과 같은 결과가 됩니다.

이 공식은 직사각형뿐만 아니라 원과 같은 다른 일반적인 모양에도 적용됩니다. 모터는 이 원리를 이용합니다.

전기 모터는 어떻게 회전합니까?

1) 유도전동기는 자석과 자력의 도움으로 회전한다.

회전축이 있는 영구자석 주위에,

① 자석이 회전한다(회전 자기장이 발생하도록).

② 그러면 N극과 S극이 서로 다른 극에서 서로 끌어당기고 같은 높이에서 서로 밀어낸다는 원리에 따라,

③ 회전축이 있는 자석이 회전합니다.

이것이 AC 모터 회전의 기본 원리입니다.

도체에 흐르는 전류는 그 주위에 회전 자기장(자기력)을 일으켜 자석이 회전하는데, 이는 사실상 이와 같은 작용 상태이다.

또한 와이어를 코일 모양으로 감으면 자기력이 합성되어 N극과 S극을 만드는 큰 자기장 플럭스(플럭스)가 생긴다.

또한 코일 모양의 와이어에 철심을 삽입하면 자력선이 통과하기 쉬워지고 더 강한 자기력을 생성할 수 있습니다.

2) 실제 회전 모터

여기서는 모터를 회전시키는 실용적인 방법으로 3상 교류 모터와 코일을 이용하여 회전 자기장을 만드는 방법을 소개한다.

(3상 AC 산업용 모터는 위상이 120° 떨어진 AC ​​신호입니다.)

위 ① 상태의 합성 자기장은 아래 그림 ①에 해당합니다.

위 ② 상태의 합성 자기장은 아래 그림 ②에 해당한다.

위 ③의 상태에서의 합성 자기장은 아래의 그림 ③에 해당한다.

상기한 바와 같이 권선된 코어의 코일은 120°간격으로 U상 코일, V상 코일, W상 코일의 3상으로 구분되며 고전압 코일은 N극을, S극을 발생시키는 저전압 코일.

정현파에 따라 각 위상이 바뀌므로 각 코일에서 발생하는 극성(N극, S극)과 자기장(자기력)이 바뀌게 됩니다.

이때 N극만을 발생시키는 코일은 U상코일 → V상코일 → W상코일 → U상코일 순으로 변화하여 회전이 일어난다.

소형 모터의 구조

다음 그림은 스테퍼 모터, 브러시 DC(DC) 모터 및 브러시리스 DC(DC) 모터의 세 가지 유형의 산업용 모터의 대략적인 구조와 비교를 제공합니다.

이들 모터의 기본 구성요소는 주로 코일, 자석, 회전자이며 종류에 따라 코일고정형과 자석고정형도 있다.

다음은 예제 다이어그램과 관련된 구조에 대한 설명입니다. 좀 더 세심하게 나누면 다른 구조도 있을 수 있으니 본 논문에서 제시하는 구조는 큰 틀 아래에 있음을 이해해 주시기 바랍니다.

여기서 스테퍼 모터의 코일은 바깥쪽에 고정되고 자석은 안쪽에서 회전합니다.

여기서 브러시 DC 모터의 자석은 바깥쪽에 고정되고 코일은 안쪽에서 회전합니다. 티

브러시와 정류자는 코일에 전원을 공급하고 전류의 방향을 바꾸는 역할을 합니다.

브러시리스 모터의 경우 코일이 바깥쪽에 고정되어 있고 자석이 안쪽에서 회전합니다.

브러시리스 모터는 모터의 종류가 다르기 때문에 기본 구성이 같아도 구조가 다릅니다. 자세한 내용은 각 섹션에서 설명합니다.

브러시 모터

브러시 DC 모터의 구조

아래는 모델에서 자주 사용되는 브러시드 DC 모터의 모습과 일반 2극(2자석) 3슬롯(3코일)형 모터의 고장 개략도입니다. 아마도 많은 분들이 DC 전기 모터를 분해하고 자석을 꺼낸 경험이 있을 것입니다.

브러시 DC 모터의 영구 자석이 고정되어 있고 브러시 DC 모터의 코일이 내부 중심을 중심으로 회전할 수 있음을 알 수 있습니다.

The fixed side is called the "stator" and the rotating side is called the "rotor".

다음은 구조의 개념을 나타내는 구조 스케치입니다.

회전하는 중심축 주변에는 3개의 정류자(전류 전환을 위해 구부러진 금속판)가 있습니다.

서로의 접촉을 피하기 위해 정류자는 120° 떨어져 구성됩니다(360° ÷ 3개). 정류자는 샤프트의 회전과 함께 회전합니다.

하나의 정류자는 하나의 코일 끝과 다른 하나의 코일 끝에 연결되며, 3개의 정류자와 3개의 코일이 하나의 회로망으로 전체(링)를 형성합니다.

두 개의 브러시는 정류자와 접촉하기 위해 0°와 180°로 고정됩니다.

외부 DC 전원 공급 장치가 브러시에 연결되고 전류는 브러시 → 정류자 → 코일 → 브러시 경로로 흐릅니다.

브러시 DC 모터의 회전 원리

① 초기상태에서 시계반대방향으로 회전

코일 A는 최상단에 전동 공구 공급 장치를 브러시에 연결하고 왼쪽을 (+)로, 오른쪽을 (-)로 설정합니다.

왼쪽 브러시에서 정류자를 통해 코일 A로 큰 전류가 흐릅니다.

코일 A의 상부(외부)가 S극이 되는 구조입니다.

그리고 코일 A에서 나오는 전류의 1/2은 왼쪽 브러시에서 코일 A의 반대 방향으로 코일 B와 C로 흐르기 때문에 코일 B와 C의 바깥쪽은 약한 N극이 됩니다(그림에서 약간 작은 문자로 표시됨). 수치).

이러한 코일에서 생성된 자기장과 자석의 반발 및 인력 효과로 인해 코일이 시계 반대 방향으로 회전하는 힘을 받게 됩니다.

② 반시계 방향으로 더 회전

다음으로 코일 A가 반시계 방향으로 30° 회전한 상태에서 오른쪽 브러시가 양쪽 정류자와 접촉하고 있다고 가정합니다.

코일 A의 전류는 왼쪽 브러시에서 오른쪽 브러시를 통해 지속적으로 흐르고 코일의 바깥쪽은 S극을 유지합니다.

코일 B에는 코일 A와 같은 전류가 흐르고 코일 B의 바깥 쪽 N극이 더 강해집니다.

코일 C의 끝이 브러시에 의해 단락되기 때문에 전류가 흐르지 않고 자기장이 생성되지 않습니다.

이 경우에도 시계 반대 방향으로 회전하는 힘이 있습니다.

③에서 ④까지 위쪽 코일은 계속해서 왼쪽으로 움직이는 힘을 받고, 아래쪽 코일은 계속해서 오른쪽으로 움직이는 힘을 받으며 반시계 방향으로 계속 회전한다.

코일이 ③과 ④로 30°씩 회전할 때 코일이 중심 수평축 위에 있을 때 코일의 바깥쪽은 S극이 됩니다. 코일이 아래에 있으면 N극이 되어 동작을 반복한다.

즉, 상부 코일은 반복적으로 왼쪽으로 이동하는 힘을 받고 하부 코일은 오른쪽으로(둘 다 반시계 방향으로) 이동하는 힘을 반복적으로 받게 된다. 이로 인해 로터가 항상 시계 반대 방향으로 회전합니다.

반대쪽 왼쪽 브러시(-)와 오른쪽 브러시(+)에 전원을 연결하면 반대 방향의 코일 고정자 권선에 자기장이 발생하여 코일에 가해지는 힘이 반대 방향으로 움직이며 시계 방향으로 회전하게 된다. .

또한 전원이 끊기면 브러시드 모터의 로터는 회전을 유지하는 자기장이 없기 때문에 회전을 멈춥니다.

삼상 전파 브러시리스 모터

3상 전파 브러시리스 모터의 외관 및 구조

다음 그림은 브러시리스 모터의 모양과 구조의 예를 보여줍니다.

왼쪽은 디스크 재생 장치에서 디스크를 회전시키는 데 사용되는 스핀들 모터의 예입니다. 3상 x 3의 9개 코일이 있습니다. 오른쪽은 12개 코일(3상 x 4)이 있는 FDD 장치용 스핀들 모터의 예입니다. 코일은 보드에 고정되고 코어에 감겨 있습니다.

코일 오른쪽의 디스크 모양 부분은 영구 자석 회전자입니다. 회전자 축은 코일 중앙에 삽입되어 코일 부분을 덮고 영구 자석은 코일 주변을 감쌉니다.

3상 전파 브러시리스 모터의 내부 구조 및 코일 연결 등가 회로

다음은 내부 구조의 스케치와 코일 연결의 등가 회로입니다.

이 내부 구조 스케치는 매우 단순한 구조의 2극(자석 2개) 3슬롯(3코일) 모터의 예입니다. 같은 수의 극과 슬롯을 가진 브러시 모터의 구조와 유사하지만 코일 쪽이 고정되어 있고 자석이 회전할 수 있습니다. 물론 브러쉬는 없습니다.

이때 코일은 Y자 형태로 연결되어 있으며 반도체소자를 이용하여 코일에 전류를 공급하여 회전자석의 위치에 따라 전류의 유입과 유출을 조절한다.

이 예에서는 홀 요소를 사용하여 자석의 위치를 ​​감지합니다. 홀 소자는 코일과 코일 사이에 구성되어 발생하는 전압을 감지하여 자기장 세기에 따른 위치 정보로 활용한다. 앞서 주어진 FDD 스핀들 모터의 이미지에서 코일과 코일 사이(코일 위)의 위치를 ​​감지하는 데 사용되는 홀 요소도 볼 수 있습니다.

홀 요소는 자기 센서로 잘 알려져 있습니다.

자기장의 크기를 전압의 크기로 변환하고 자기장의 방향을 양수 또는 음수로 나타낼 수 있습니다.

아래는 홀 효과를 보여주는 다이어그램입니다.

Hall elements take advantage of the phenomenon that "when a current IH flows through a semiconductor and the magnetic flux B passes at right angles to the current, a voltage VH is generated in the direction perpendicular to the current and the magnetic field", a phenomenon discovered by American physicist Edwin Herbert Hall (Edwin Herbert Hall) and called "Hall effect".

결과 전압 VH는 다음 방정식으로 표현됩니다.

VH = (KH / d)・IH・B ※KH: 홀 계수, d: 플럭스 침투면의 두께

공식에서 알 수 있듯이 전류가 높을수록 전압이 높아집니다. 이 속성은 종종 회전자(자석)의 위치를 ​​감지하는 데 사용됩니다.

삼상 전파 브러시리스 모터의 회전 원리

브러시리스 모터의 회전 원리는 다음 ①에서 ⑥까지의 순서로 설명합니다. 이해하기 쉽도록 여기에서는 영구 자석을 원에서 직사각형으로 단순화했습니다.

①

3상 코일에서 코일 1을 시계의 12시 방향에 고정하고, 코일 2를 시계의 4시 방향에 고정하고, 코일 3을 시계의 8시 방향에 고정한다고 가정합니다. 2극 영구자석의 N극을 왼쪽에, S극을 오른쪽에 두고 회전이 가능하도록 한다.

전류 Io가 코일 1에 흐르도록 하여 코일 외부에 S극 자기장을 생성합니다. 전류 Io/2가 코일 2와 코일 3에서 흐르도록 하여 코일 외부에 N극 자기장을 생성합니다.

코일 2와 3의 자기장을 벡터 합성하면 N극 자기장이 아래쪽으로 발생하는데 이는 전류 Io가 코일을 통과할 때 발생하는 자기장의 크기의 0.5배, 이것은 영구자석에 대하여 90°의 각도로 합성자계를 발생시켜 최대토크를 발생시킬 수 있으며 영구자석은 시계방향으로 회전한다.

회전 위치에 따라 코일 2의 전류가 감소하고 코일 3의 전류가 증가하면 합성 자기장도 시계 방향으로 회전하고 영구 자석은 계속 회전합니다.

②

30° 회전된 상태에서 전류 Io는 코일 1로 흐르고 코일 2의 전류는 0이 되어 전류 Io는 코일 3에서 흘러나갑니다.

코일 1의 바깥쪽은 S극이 되고 코일 3의 바깥쪽은 N극이 됩니다. 벡터가 합성될 때 생성되는 자기장은 전류 Io가 하나의 코일을 통과할 때 생성되는 자기장의 √3(≈1.72)배입니다. 이것 역시 영구자석의 자기장에 대해 90°의 각도로 합성 자기장을 생성하고 시계 방향으로 회전합니다.

회전 위치에 따라 코일 1의 유입 전류 Io가 감소하면 코일 2의 유입 전류는 0에서 증가하고 코일 3의 유출 전류는 Io로 증가하면 합성 자기장도 시계 방향으로 회전하고 영구 자석은 계속 회전합니다.

각 위상의 전류가 정현파라고 가정하면 여기서 전류 값은 Io × sin(π⁄3) = Io × √3⁄2입니다. 자기장의 벡터 합성에 의해 전체 자기장의 크기는 (√3⁄2)2 × 2 = 하나의 코일에서 생성된 자기장의 1.5배입니다. 각 상의 전류가 정현파일 때 벡터 합성 자기장의 크기는 영구자석의 위치에 관계없이 하나의 코일이 생성하는 자기장의 1.5배이며 자기장의 각도는 에 대하여 90°이다. 영구 자석의 자기장.

③

30° 회전한 상태에서 전류 Io/2는 코일 1에 흐르고 전류 Io/2는 코일 2에 흐르고 전류 Io는 코일 3에 흐릅니다.

코일1의 바깥쪽이 S극이 되고, 코일2의 바깥쪽도 S극이 되며, 코일3의 바깥쪽이 N극이 된다. 벡터 합성시 생성되는 자기장은 하나의 코일에 전류 Io가 흐를 때 생성되는 자기장의 1.5배가 된다(①과 동일). 여기에서도 영구자석의 자기장에 대해 90°의 각도로 합성 자기장이 생성되어 시계 방향으로 회전합니다.

④～⑥

①에서 ③과 같은 방법으로 회전합니다.

이와 같이 영구자석의 위치에 따라 코일에 흐르는 전류를 순차적으로 연속적으로 스위칭하면 영구자석은 일정한 방향으로 회전하게 된다. 마찬가지로 전류가 역전되고 합성 자기장의 방향이 역전되면 시계 반대 방향으로 회전합니다.

다음 그림은 위의 ①에서 ⑥까지의 각 단계에 대한 각 코일의 전류를 연속적으로 보여줍니다. 전류 변화와 회전 사이의 관계는 위의 설명으로 이해되어야 합니다.

스테퍼 모터

A stepper motor is a motor that can accurately control the rotation angle and speed synchronized with a pulse signal, also known as a "pulse motor. Stepper motors are widely used in equipment that requires positioning because accurate positioning can be achieved by open-loop control without the use of position sensors.

스테퍼 모터의 구조(two-phase bipolar)

다음 다이어그램은 왼쪽에서 오른쪽으로 스테퍼 모터의 모양, 내부 구조 스케치 및 구조 개념 스케치의 예를 보여줍니다.

외관예에서는 HB(하이브리드)타입과 PM(영구자석)타입 스테퍼모터의 모습을 보여주고 있습니다. 중간에 있는 구조도는 HB형과 PM형에 대해서도 주어진다.

스테퍼 모터는 코일이 고정되고 영구자석이 회전하는 구조이다. 오른쪽 스테퍼 모터의 내부 구조 개념도는 2상(2조)의 코일을 사용한 PM 모터의 예입니다. 기본 스테퍼 모터 구조의 예에서 코일은 외부에 구성되고 영구 자석은 내부에 구성됩니다. 2상 코일 외에 3상, 5상 등 상수가 많은 타입도 있습니다.

일부 스테퍼 모터는 다른 구조를 가지고 있지만 이 논문에서는 스테퍼 모터의 기본 구조를 제공하여 작동 원리를 쉽게 소개합니다. 본 논문을 통해 고정코일과 회전하는 영구자석을 갖는 스테퍼 모터의 기본 구조를 이해하고자 한다.

스테퍼 모터의 기본 작동 원리(단상 여기)

다음 다이어그램은 스테퍼 모터의 기본 작동 원리를 소개하는 데 사용됩니다. 이것은 위의 2상 양극형 코일의 각 위상(코일 세트)에 대한 여기의 예입니다. 다이어그램의 전제는 상태가 ①에서 ④로 변한다는 것입니다. 코일은 각각 코일 1과 코일 2로 구성됩니다. 또한 전류 화살표는 전류 흐름의 방향을 나타냅니다.

①

・전류는 코일 1의 왼쪽에서 코일 1의 오른쪽에서 흐르게 하십시오.

・코일 2에 전류가 흐르지 않도록 하십시오.

・이 때 좌측코일(1)의 내측은 N, 우측코일(1)의 내측은 S가 된다.

・그 결과 가운데 영구자석은 코일 1의 자기장에 이끌려 왼쪽 S, 오른쪽 N으로 바뀌어 정지한다.

②

・코일 1의 전류를 정지하여 코일 2의 위쪽에서 전류가 흐르고 코일 2의 아래쪽에서 빠져나갑니다.

・상부코일2의 내측이 N, 하코일2의 내측이 S로 변경됩니다.

・영구 자석은 자기장에 이끌려 시계 방향으로 90° 회전하여 정지합니다.

③

・코일 2의 전류를 정지시켜 코일 1의 오른쪽에서 전류가 흐르고 코일 1의 왼쪽에서 빠져나갑니다.

・왼쪽 코일(1)의 내측은 S가 되고, 오른쪽 코일(1)의 내측은 N이 됩니다.

・영구 자석은 자기장에 이끌려 시계 방향으로 90° 더 회전하여 정지합니다.

④

・코일 1의 전류를 차단하여 코일 2의 아래쪽에서 코일 2의 위쪽에서 전류가 흐르도록 합니다.

・상측 코일(2)의 내측은 S가 되고, 하측 코일(2)의 내측은 N이 된다.

・영구 자석은 자기장에 이끌려 시계 방향으로 90° 더 회전하여 정지합니다.

전자 회로에 의해 코일에 흐르는 전류를 위의 ①에서 ④의 순서로 스위칭하여 스테퍼 모터를 회전시킬 수 있다. 이 예에서 각 전환 동작은 스테퍼 모터를 90° 회전시킵니다.

또한 전류가 코일을 통해 지속적으로 흐르면 정지 상태를 유지할 수 있으며 스테퍼 모터는 홀딩 토크를 가질 수 있습니다. 또한, 코일에 흐르는 전류의 순서를 반대로 하면 스테퍼 모터가 반대로 회전하게 할 수 있습니다.

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