2) 실제 회전하는 모터

여기서는 회전전기기계의 실제적인 방법으로 3상 교류와 코일을 이용하여 회전자계를 발생시키는 방법을 소개한다.
(3상 교류는 위상 간격이 120°인 교류 신호입니다.)

• 위 ① 상태의 합성 자기장은 다음 그림 ①에 해당합니다.
• 위 ② 상태의 합성 자기장은 아래 그림의 ②에 해당합니다.
• 위 상태 ③의 합성 자기장은 다음 그림 ③에 해당합니다.

전술한 바와 같이 코어에 감긴 코일은 3상으로 나누어져 있으며, U상 코일, V상 코일, W상 코일이 120° 간격으로 배열되어 있다.전압이 높은 코일은 N극이 발생하고, 전압이 낮은 코일은 S극이 발생합니다.
각 위상이 정현파로 변하기 때문에 각 코일이 생성하는 극성(N극, S극)과 그 자기장(자기력)이 변하게 됩니다.
이때 N극을 만들어 내는 코일을 보면 U상 코일→V상 코일→W상 코일→U상 코일 순으로 바뀌면서 회전하게 된다.

소형 모터의 구조

아래 그림은 스테퍼 모터, 브러시형 직류(DC) 모터, 브러시리스 직류(DC) 모터 등 세 가지 모터의 일반적인 구조와 비교를 보여줍니다.이러한 모터의 기본 구성 요소는 주로 코일, 자석 및 로터입니다.또한, 종류에 따라 코일고정형과 자석고정형으로 구분됩니다.

다음은 예제 다이어그램과 관련된 구조에 대한 설명입니다.좀 더 세부적으로 다른 구조가 있을 수 있으므로 이 문서에 설명된 구조는 큰 프레임워크 내에 있다는 점을 이해하시기 바랍니다.

여기서 스테퍼 모터의 코일은 외부에 고정되고, 자석은 내부에서 회전합니다.

여기서 브러시드 DC 모터의 자석은 외부에 고정되고 코일은 내부에서 회전합니다.브러시와 정류자는 코일에 전원을 공급하고 전류의 방향을 바꾸는 역할을 합니다.

여기서 브러시리스 모터의 코일은 외부에 고정되고, 자석은 내부에서 회전합니다.

모터의 종류가 다르기 때문에 기본 구성 요소가 동일하더라도 구조가 다릅니다.구체적인 내용은 각 섹션에서 자세히 설명하겠습니다.

브러시 모터

브러시 모터의 구조

아래는 모델에 자주 사용되는 브러시형 DC 모터의 모습과 일반적인 2극(자석 2개) 3슬롯(3코일) 유형 모터의 분해도입니다.아마 많은 분들이 모터를 분해하고 자석을 빼낸 경험이 있으실텐데요.

브러시드 DC 모터의 영구자석은 고정되어 있고, 브러시드 DC 모터의 코일은 내부 중심을 중심으로 회전할 수 있음을 알 수 있다.고정된 쪽을 '고정자', 회전하는 쪽을 '로터'라고 합니다.

다음은 구조 개념을 나타내는 구조의 개략도이다.

회전 중심축 주변에는 3개의 정류자(전류 스위칭을 위한 구부러진 금속 시트)가 있습니다.서로 접촉을 피하기 위해 정류자는 120°(360°±3개) 간격으로 배열됩니다.샤프트가 회전함에 따라 정류자가 회전합니다.

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

정류자와의 접촉을 위해 두 개의 브러시가 0°와 180°로 고정되어 있습니다.외부 DC 전원은 브러시에 연결되어 브러시 → 정류자 → 코일 → 브러시의 경로에 따라 전류가 흐른다.

브러시 모터의 회전 원리

① 초기상태에서 반시계방향으로 회전

코일 A가 위에 있고 전원 공급 장치를 브러시에 연결하고 왼쪽을 (+), 오른쪽을 (-)로 둡니다.왼쪽 브러시에서 정류자를 통해 코일 A로 큰 전류가 흐릅니다.코일 A의 상부(바깥쪽)가 S극이 되는 구조입니다.

코일 A 전류의 1/2이 왼쪽 브러시에서 코일 B와 코일 C로 코일 A와 반대 방향으로 흐르므로 코일 B와 코일 C의 바깥 쪽은 약한 N 극이됩니다 (그림에서 약간 작은 글자로 표시). 수치) .

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

② 시계 반대 방향으로 더 회전

다음으로, 코일 A가 반시계 방향으로 30° 회전한 상태에서 오른쪽 브러시가 두 정류자에 접촉되어 있다고 가정한다.

코일 A의 전류는 왼쪽 브러시에서 오른쪽 브러시로 계속 흐르고 코일 외부는 S극을 유지합니다.

코일 A와 동일한 전류가 코일 B를 통해 흐르고, 코일 B의 외부는 더 강한 N극이 됩니다.

코일(C)의 양단은 브러시에 의해 단락되므로 전류가 흐르지 않으며 자기장이 발생하지 않는다.

이 경우에도 시계 반대 방향의 회전력이 발생합니다.

③부터 ④까지 상부코일은 계속해서 왼쪽으로 힘을 받고, 하부코일은 계속해서 오른쪽으로 힘을 받아 반시계방향으로 계속 회전한다.

코일을 30°마다 ③, ④로 회전시키면 코일이 중심 수평축 위에 위치할 때 코일의 바깥쪽이 S극이 되며,코일이 아래에 위치하게 되면 N극이 되며 이러한 움직임이 반복됩니다.

즉, 위쪽 코일은 왼쪽으로 반복적으로 힘을 받고, 아래쪽 코일은 오른쪽으로 반복적으로 힘을 받습니다(둘 다 반시계 방향).이렇게 하면 로터가 항상 시계 반대 방향으로 회전하게 됩니다.

반대편 왼쪽(-), 오른쪽(+) 브러시에 전원을 연결하면 코일에 반대 자기장이 생기므로 코일에 가해지는 힘도 반대 방향으로 시계방향으로 회전하게 된다.

또한, 전원이 꺼지면 브러시 모터의 회전자는 회전을 유지하는 자기장이 없기 때문에 회전을 멈춥니다.

3상 전파 브러시리스 모터

3상 전파 Brushless 모터의 외관 및 구조

아래 그림은 브러시리스 모터의 외관과 구조의 예를 보여줍니다.

왼쪽은 광디스크 재생 장치에서 광디스크를 회전시키는 데 사용되는 스핀들 모터의 예입니다.총 3상 × 3개 총 9코일입니다.오른쪽은 총 12개의 코일(3상 × 4)을 갖춘 FDD 장치용 스핀들 모터의 예입니다.코일은 회로 기판에 고정되어 철심 주위에 감겨 있습니다.

코일 오른쪽의 원판 모양 부분이 영구자석 회전자입니다.주변부는 영구자석으로 되어 있고, 회전자의 축은 코일의 중앙부에 삽입되어 코일부를 덮고 있으며, 영구자석은 코일의 주변부를 둘러싸고 있다.

3상 전파 브러시리스 모터의 내부 구조도 및 코일 연결 등가 회로

다음은 내부구조의 개략도와 코일접속의 등가회로의 개략도이다.

이 내부 다이어그램은 매우 간단한 2극(자석 2개) 3슬롯(코일 3개) 모터의 예입니다.동일한 수의 극과 슬롯을 갖는 브러시 모터 구조와 유사하지만 코일 측이 고정되어 있고 자석이 회전할 수 있습니다.물론 브러쉬는 없습니다.

이 경우 코일은 Y결선으로 되어 있고, 반도체소자를 이용하여 코일에 전류를 공급하고, 회전하는 자석의 위치에 따라 전류의 유입과 유출을 제어한다.이 예에서는 홀 요소를 사용하여 자석의 위치를 ​​감지합니다.코일 사이에 홀 소자를 배치하고, 발생된 전압을 자기장의 세기를 바탕으로 감지해 위치 정보로 활용한다.앞서 제공한 FDD 스핀들 모터 이미지에서는 코일과 코일 사이의 위치 감지를 위한 홀 요소(코일 위에)가 있는 것도 볼 수 있습니다.

홀 요소는 잘 알려진 자기 센서입니다.자기장의 크기는 전압의 크기로 환산될 수 있고, 자기장의 방향은 양(+) 또는 음(-)으로 표현될 수 있다.아래는 홀 효과를 보여주는 개략도입니다.

홀 요소는 "현재 I_{H는 반도체를 통해 흐르고 자속 B는 전류, 전압 V에 직각으로 전달됩니다.H}전류와 자기장에 수직인 방향으로 발생” 미국의 물리학자 에드윈 허버트 홀(Edwin Herbert Hall)은 이 현상을 발견하고 이를 “홀 효과”라고 불렀다.결과 전압 V_H는 다음 수식으로 표현됩니다.

V_H= (K_H/ d)・나_H・B ※K_H: 홀 계수, d: 자속 침투면의 두께

공식에서 알 수 있듯이 전류가 높을수록 전압도 높아집니다.이 기능은 로터(자석)의 위치를 ​​감지하는 데 자주 사용됩니다.

3상 전파 브러시리스 모터의 회전 원리

브러시리스 모터의 회전 원리를 아래의 ①~⑥단계로 설명하겠습니다.이해를 돕기 위해 여기에서는 영구자석을 원형에서 직사각형으로 단순화했습니다.

①

3상 코일 중 코일 1은 시계 12시 방향에, 코일 2는 시계 4시 방향에, 코일 3은 시계 방향에 고정되어 있다고 가정한다. 시계 8시 방향.2극 영구자석의 N극을 왼쪽, S극을 오른쪽으로 하여 회전시킬 수 있습니다.

코일(1)에 전류(Io)가 흘러 코일 외부에 S극 자기장이 생성된다.코일 2와 코일 3에서 Io/2 전류가 흘러 코일 외부에 N극 자기장이 생성됩니다.

코일 2와 코일 3의 자기장을 벡터화하면 아래쪽으로 N극 자기장이 생성되는데, 이는 전류 Io가 하나의 코일을 통과할 때 생성되는 자기장의 크기의 0.5배이고, 더해지면 1.5배 더 커진다. 코일 1의 자기장에.이는 영구 자석에 대해 90° 각도로 결과적인 자기장을 생성하므로 최대 토크가 생성될 수 있으며 영구 자석은 시계 방향으로 회전합니다.

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

②

30°회전한 상태에서 전류 Io는 코일(1)로 흐르고, 코일(2)의 전류는 0이 되며, 전류(Io)는 코일(3)로 흐른다.

코일(1)의 외부는 S극이 되고, 코일(3)의 외부는 N극이 된다.벡터를 결합하면 결과 자기장은 전류 Io가 코일을 통과할 때 생성되는 자기장의 √3(1.72)배가 됩니다.이는 또한 영구 자석의 자기장과 90° 각도로 결과적인 자기장을 생성하고 시계 방향으로 회전합니다.

회전 위치에 따라 코일(1)의 유입 전류(Io)가 감소하면 코일(2)의 유입 전류는 0에서 증가하고, 코일(3)의 유출 전류는 Io로 증가하면 그에 따른 자기장도 시계 방향으로 회전하게 되며, 영구 자석도 계속 회전합니다.

※각 상 전류를 정현파라고 가정하면, 여기서 전류값은 Io × sin(π⁄3)=Io × √3⁄2 자기장의 벡터 합성을 통해 전체 자기장의 크기는 ( √ 3/2)²× 2=1.5배.각 상전류가 사인파일 때 영구자석의 위치에 관계없이 벡터 합성 자기장의 크기는 코일이 생성하는 자기장의 크기의 1.5배이고, 자기장은 상대방향으로 90° 각도를 이룬다. 영구 자석의 자기장에.

③

계속해서 30°회전한 상태에서 전류 Io/2는 코일(1)로 흐르고, 전류 Io/2는 코일(2)로 흐르고, 전류 Io는 코일(3)로 흐른다.

코일(1)의 외부가 S극이 되고, 코일(2)의 외부도 S극이 되며, 코일(3)의 외부가 N극이 된다.벡터를 결합하면 생성되는 자기장은 코일에 전류 Io가 흐를 때 생성되는 자기장의 1.5배가 됩니다(1과 동일).여기서도 영구자석의 자기장과 90°의 각도로 합성 자기장이 발생하여 시계방향으로 회전하게 된다.

④~⑥

① ~ ③과 같은 방법으로 회전시킵니다.

이와 같이 코일에 흐르는 전류가 영구자석의 위치에 따라 순차적으로 연속적으로 전환되면 영구자석은 고정된 방향으로 회전하게 된다.마찬가지로 전류 흐름을 역전시키고 결과 자기장을 역전시키면 시계 반대 방향으로 회전합니다.

아래 그림은 위의 ①~⑥단계 각각에서 각 코일의 전류를 연속적으로 나타낸 것입니다.위의 소개를 통해 전류변화와 회전의 관계를 이해할 수 있을 것이다.

스테퍼 모터

스테퍼 모터는 펄스 신호에 동기하여 회전 각도와 속도를 정확하게 제어할 수 있는 모터입니다.스테퍼 모터는 '펄스 모터'라고도 합니다.스테퍼 모터는 위치 센서를 사용하지 않고 개루프 제어만으로 정확한 위치 결정이 가능하기 때문에 위치 결정이 필요한 장비에 널리 사용됩니다.

스테퍼 모터의 구조(2상 바이폴라)

다음 그림은 왼쪽부터 오른쪽으로 스테핑 모터의 외관 예, 내부 구조 개략도, 구조 개념 개략도이다.

외관예에서는 HB(Hybrid)형과 PM(영구자석)형 스테핑모터의 외관을 보여주고 있습니다.중앙의 구조도에는 HB형과 PM형의 구조도 나와 있습니다.

스테핑모터는 코일이 고정되고 영구자석이 회전하는 구조이다.오른쪽의 스테퍼 모터 내부 구조 개념도는 2상(2세트) 코일을 사용한 PM 모터의 예입니다.스테핑 모터의 기본 구조의 예에서는 코일이 외부에 배치되고 영구 자석이 내부에 배치됩니다.2상 코일 외에도 3상 코일과 더 많은 상을 갖춘 5상 코일이 있습니다.

일부 스테퍼 모터에는 다른 구조가 있지만 이 기사에서는 작동 원리를 쉽게 소개할 수 있도록 스테퍼 모터의 기본 구조를 설명합니다.이 기사를 통해 스테핑 모터는 기본적으로 고정 코일과 회전 영구 자석의 구조를 채택하고 있음을 이해하기를 바랍니다.

스테퍼 모터의 기본 작동 원리(단상 여자)

다음 그림은 스테퍼 모터의 기본 작동 원리를 소개하는 데 사용됩니다.위의 2상 바이폴라 코일의 각 상(코일 세트)에 대한 여자의 예입니다.이 다이어그램의 전제는 상태가 ①에서 ④로 변경된다는 것입니다.코일은 각각 코일 1과 코일 2로 구성됩니다.또한 전류 화살표는 전류 흐름 방향을 나타냅니다.

①

• 전류는 코일(1)의 왼쪽에서 유입되어 코일(1)의 오른쪽에서 흘러나온다.
• 코일 2를 통해 전류가 흐르지 않도록 하십시오.
• 이때, 좌측 코일(1)의 내측은 N이 되고, 우측 코일(1)의 내측은 S가 된다.
• 따라서 중앙의 영구자석은 코일(1)의 자기장에 끌려 왼쪽 S, 오른쪽 N의 상태가 되어 정지하게 된다.

  ②

• 코일(1)의 전류는 정지되고, 전류는 코일(2)의 상부에서 유입되어 코일(2)의 하부에서 유출된다.
• 상부 코일(2)의 내측은 N이 되고, 하부 코일(2)의 내측은 S가 된다.
• 영구 자석은 자기장에 끌려 시계 방향으로 90° 회전하여 정지합니다.

  ③

• 코일 2의 전류는 정지되고, 전류는 코일 1의 오른쪽에서 유입되어 코일 1의 왼쪽에서 흘러나온다.
• 왼쪽 코일(1)의 내측이 S가 되고, 오른쪽 코일(1)의 내측이 N이 된다.
• 영구 자석은 자기장에 끌려 시계 방향으로 90° 더 회전하면 정지합니다.

  ④

• 코일(1)의 전류는 정지되고, 전류는 코일(2)의 아래쪽에서 유입되어 코일(2)의 위쪽에서 흘러나온다.
• 상부 코일(2)의 내측은 S가 되고, 하부 코일(2)의 내측은 N이 된다.
• 영구 자석은 자기장에 끌려 시계 방향으로 90° 더 회전하면 정지합니다.