该内部结构简图是结构很简单的2极(2个磁体)3槽(3个线圈)电机示例。它类似于极数和槽数相同的有刷电机结构,但线圈侧是固定的,磁体可以旋转。当然,没有电刷。
在这种情况下,线圈采用Y形接法,使用半导体元件为线圈供给电流,根据旋转的磁体位置来控制电流的流入和流出。在该示例中,使用霍尔元件来检测磁体的位置。霍尔元件配置在线圈和线圈之间,根据磁场强度检测产生的电压并用作位置信息。在前面给出的FDD主轴电机的图像中,也可以看到在线圈和线圈之间有用来检测位置的霍尔元件(线圈的上方)。
霍尔元件是众所周知的磁传感器。可将磁场的大小转换为电压的大小,并以正负来表示磁场的方向。下面是显示霍尔效应的示意图。
霍尔元件利用了“当电流IH流过半导体并且磁通B与电流成直角穿过时,会在垂直于电流和磁场的方向上产生电压VH”的这种现象,美国物理学家EdwinHerbertHall(埃德温·赫伯特·霍尔)发现了这种现象并将其称为“霍尔效应”。产生的电压VH由下列公式表示。
VH = (KH / d)・IH・B ※KH:霍尔系数,d:磁通穿透面的厚度
如公式所示,电流越大,电压越高。常利用这个特性来检测转子(磁体)的位置。
下面将按照步骤①~⑥来说明无刷电机的旋转原理。为了易于理解,这里将永磁体从圆形简化成了矩形。
①在三相线圈中,设线圈1固定在时钟的12点钟方向上,线圈2固定在时钟的4点钟方向上,线圈3固定在时钟的8点钟方向上。设2极永磁体的N极在左侧,S极在右侧,并且可以旋转。
使电流Io流入线圈1,以在线圈外侧产生S极磁场。使Io/2电流从线圈2和线圈3流出,以在线圈外侧产生N极磁场。
在对线圈2和线圈3的磁场进行矢量合成时,向下产生N极磁场,该磁场是电流Io通过一个线圈时所产生磁场的0.5倍大小,与线圈1的磁场相加变为1.5倍。这会产生一个相对于永磁体成90°角的合成磁场,可以产生Zui大扭矩,永磁体顺时针旋转。
当根据旋转位置减小线圈2的电流并增加线圈3的电流时,合成磁场也顺时针旋转,永磁体也继续旋转。
②在旋转了30°的状态下,电流Io流入线圈1,使线圈2中的电流为零,使电流Io从线圈3流出。
线圈1的外侧变为S极,线圈3的外侧变为N极。当矢量合成时,产生的磁场是电流Io通过一个线圈时所产生磁场的√3(≈1.72)倍。这也会产生相对于永磁体的磁场成90°角的合成磁场,并顺时针旋转。
当根据旋转位置减小线圈1的流入电流Io、使线圈2的流入电流从零开始增加、并使线圈3的流出电流增加到Io时,合成磁场也顺时针旋转,永磁体也继续旋转。
※假设各相电流均为正弦波形,则此处的电流值为Io × sin(π⁄3)=Io × √3⁄2通过磁场的矢量合成,得到总磁场大小为一个线圈所产生磁场的(√3⁄2)2×2=1.5倍。当各相电流均为正弦波时,无论永磁体的位置在哪,矢量合成磁场的大小均为一个线圈所产生磁场的1.5倍,并且磁场相对于永磁体的磁场成90°角。
③在继续旋转了30°的状态下,电流Io/2流入线圈1,电流Io/2流入线圈2,电流Io从线圈3流出。
线圈1的外侧变为S极,线圈2的外侧也变为S极,线圈3的外侧变为N极。当矢量合成时,产生的磁场是电流Io流过一个线圈时所产生磁场的1.5倍(与①相同)。这里也会产生相对于永磁体的磁场成90°角的合成磁场,并顺时针旋转。
④~⑥
以①~③相同的方式旋转。
这样,如果不断根据永磁体的位置依次切换流入线圈的电流,则永磁体将沿固定方向旋转。同样,如果使电流反向流动并使合成磁场方向则会逆时针旋转。
下图连续显示了上述①~⑥每个步骤的每个线圈的电流。通过以上介绍,应该可以理解电流变化与旋转之间的关系了。
步进电机
步进电机是一种可以与脉冲信号同步准确地控制旋转角度和转速的电机,步进电机的也称为“脉冲电机”。由于步进电机无需使用位置传感器仅通过开环控制即可实现准确的定位而被广泛用于需要定位的设备中。
下图从左到右分别是步进电机的外观示例、内部结构简图和结构概念简图。
在外观示例中,给出的是HB(混合)型和PM(永磁)型步进电机的外观。在中间的结构图给出的也是HB型和PM型的结构。
步进电机是线圈固定、永磁体旋转的结构。右侧的步进电机内部结构概念图是使用两相(两组)线圈的PM电机示例。在步进电机基本结构示例中,线圈配置在外侧,永磁体配置在内侧。线圈除了两相外,还有三相和五相等相数较多的类型。
有些步进电机具有其他不同的结构,为了便于介绍其工作原理而在本文中给出了基本结构的步进电机。通过本文希望了解步进电机基本上采用线圈固定、永磁体旋转的结构。
下面使用下图来介绍步进电机的基本工作原理。这是上面两相双极型线圈每一相(一组线圈)的励磁示例。该图的前提是状态从①到④变化。线圈分别由线圈1和线圈2组成。电流箭头表示电流流动方向。
①
・使电流从线圈1的左侧流入,从线圈1的右侧流出。
・勿使电流流过线圈2。
・此时,左线圈1的内侧变为N,右线圈1的内侧变为S。
・中间的永磁体被线圈1的磁场吸引,变为左侧S和右侧N的状态并停止。
②
・停止线圈1的电流,使电流从线圈2的上侧流入,从线圈2的下侧流出。
・上线圈2的内侧变为N,下线圈2的内侧变为S。
・永磁体被其磁场吸引,顺时针旋转90°停止。
③
・停止线圈2的电流,使电流从线圈1的右侧流入,从线圈1的左侧流出。
・左线圈1的内侧变为S,右线圈1的内侧变为N。
・永磁体被其磁场吸引,顺时针再旋转90°停止。
④
・停止线圈1的电流,使电流从线圈2的下侧流入,从线圈2的上侧流出。
・上线圈2的内侧变为S,下线圈2的内侧变为N。
・永磁体被其磁场吸引,顺时针再旋转90°停止。
通过电子电路按照上述①至④的顺序切换流过线圈的电流,即可使步进电机旋转。在该示例中,每一次开关动作会使步进电机旋转90°。当使电流不断流过某一线圈时,可以保持停止状态并使步进电机具有保持转矩。顺便提一下,如果将流过线圈的电流顺序反过来,则可以使步进电机反向旋转。