漲知識丨各類(lei)NACHI電機工作(zuo)原理大(da)揭秘

　　NACHI電機左側是(shi)(shi)用來(lai)旋(xuan)轉光盤(pan)播放設(she)備中的(de)(de)光盤(pan)的(de)(de)主軸(zhou)(zhou)電機示(shi)例。共(gong)有(you)三相×3共(gong)9個線(xian)(xian)(xian)圈(quan)。右側是(shi)(shi)FDD設(she)備的(de)(de)主軸(zhou)(zhou)電機示(shi)例，共(gong)有(you)12個線(xian)(xian)(xian)圈(quan)（三相×4）。線(xian)(xian)(xian)圈(quan)被固定在電路板上，并纏繞在鐵芯上。

　　在(zai)線(xian)圈(quan)(quan)右側的盤狀(zhuang)部(bu)件是永(yong)磁體(ti)轉(zhuan)子。外圍(wei)(wei)(wei)是永(yong)磁體(ti)，轉(zhuan)子的軸插入線(xian)圈(quan)(quan)的中(zhong)心部(bu)位并(bing)覆蓋住線(xian)圈(quan)(quan)部(bu)分，永(yong)磁體(ti)圍(wei)(wei)(wei)繞(rao)在(zai)線(xian)圈(quan)(quan)的外圍(wei)(wei)(wei)。

　　三相全波無刷(shua)電機的內(nei)部結構圖和(he)線(xian)圈連接等效電路

　　NACHI電(dian)機(ji)該內部結構(gou)簡(jian)圖是結構(gou)很簡(jian)單的2極(ji)（2個(ge)磁(ci)體(ti)）3槽（3個(ge)線(xian)圈）電(dian)機(ji)示(shi)例。它類似于極(ji)數和槽數相同的有刷(shua)電(dian)機(ji)結構(gou)，但線(xian)圈側是固(gu)定的，磁(ci)體(ti)可以旋(xuan)轉。當(dang)然，沒有電(dian)刷(shua)。

　　在(zai)這種情(qing)況下，線圈(quan)采用(yong)Y形(xing)接法(fa)，使用(yong)半導體(ti)(ti)元(yuan)件(jian)為線圈(quan)供給(gei)電流(liu)，根(gen)據旋轉的(de)(de)(de)磁體(ti)(ti)位置(zhi)來控制電流(liu)的(de)(de)(de)流(liu)入和(he)流(liu)出。在(zai)該示例(li)中，使用(yong)霍(huo)(huo)(huo)爾元(yuan)件(jian)來檢(jian)測磁體(ti)(ti)的(de)(de)(de)位置(zhi)。霍(huo)(huo)(huo)爾元(yuan)件(jian)配置(zhi)在(zai)線圈(quan)和(he)線圈(quan)之間(jian)，根(gen)據磁場(chang)強度檢(jian)測產(chan)生的(de)(de)(de)電壓(ya)并用(yong)作位置(zhi)信息(xi)。在(zai)前面給(gei)出的(de)(de)(de)FDD主(zhu)軸(zhou)電機的(de)(de)(de)圖(tu)像中，也可以看(kan)到在(zai)線圈(quan)和(he)線圈(quan)之間(jian)有(you)用(yong)來檢(jian)測位置(zhi)的(de)(de)(de)霍(huo)(huo)(huo)爾元(yuan)件(jian)（線圈(quan)的(de)(de)(de)上方）。

　　霍爾元件(jian)是的(de)磁傳感器。可(ke)將磁場(chang)的(de)大小轉換為電(dian)壓的(de)大小，并以正(zheng)負來表示磁場(chang)的(de)方向。下面(mian)是顯示霍爾效應的(de)示意圖。

　　圖片

　　霍(huo)爾元件利用了“當電(dian)流IH流過(guo)半導(dao)體(ti)并且磁通B與(yu)電(dian)流成直角穿過(guo)時，會(hui)在垂直于(yu)電(dian)流和磁場的方向上產(chan)生(sheng)電(dian)壓(ya)VH"的這種現象(xiang)(xiang)，美國物理學家(jia)Edwin Herbert Hall（埃德溫·赫伯特·霍(huo)爾）發(fa)現了這種現象(xiang)(xiang)并將其(qi)稱為“霍(huo)爾效應"。產(chan)生(sheng)的電(dian)壓(ya)VH由下列公式表示。

　　VH = (KH / d)?IH?B??※KH：霍爾系數，d：磁通穿透面(mian)的厚度

　　如公式所示(shi)，電流越(yue)大，電壓越(yue)高。常(chang)利用這個特性來檢測轉子（磁體）的位置。

　　三相全波(bo)無(wu)刷電(dian)機的旋(xuan)轉(zhuan)原理

　　下(xia)面將按(an)照步驟①～⑥來(lai)說明無(wu)刷電機的旋轉原理。為了易于理解，這里將永磁體(ti)從圓(yuan)形簡化成(cheng)了矩形。

　　①在(zai)三相線(xian)圈中，設(she)線(xian)圈1固定(ding)在(zai)時鐘(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)的(de)12點鐘(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)方(fang)向上(shang)(shang)，線(xian)圈2固定(ding)在(zai)時鐘(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)的(de)4點鐘(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)方(fang)向上(shang)(shang)，線(xian)圈3固定(ding)在(zai)時鐘(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)的(de)8點鐘(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)方(fang)向上(shang)(shang)。設(she)2極(ji)永(yong)磁體的(de)N極(ji)在(zai)左(zuo)側，S極(ji)在(zai)右(you)側，并且可以旋轉。

　　使電流Io流入線(xian)圈(quan)(quan)(quan)1，以在線(xian)圈(quan)(quan)(quan)外側產生S極磁場。使Io/2電流從線(xian)圈(quan)(quan)(quan)2和(he)線(xian)圈(quan)(quan)(quan)3流出，以在線(xian)圈(quan)(quan)(quan)外側產生N極磁場。

　　在對線(xian)圈(quan)(quan)(quan)2和線(xian)圈(quan)(quan)(quan)3的(de)磁(ci)(ci)(ci)場進(jin)行矢量合成時，向下產(chan)生(sheng)(sheng)N極磁(ci)(ci)(ci)場，該磁(ci)(ci)(ci)場是電流Io通過(guo)一個(ge)線(xian)圈(quan)(quan)(quan)時所產(chan)生(sheng)(sheng)磁(ci)(ci)(ci)場的(de)0.5倍(bei)大小，與線(xian)圈(quan)(quan)(quan)1的(de)磁(ci)(ci)(ci)場相(xiang)加變(bian)為(wei)1.5倍(bei)。這會產(chan)生(sheng)(sheng)一個(ge)相(xiang)對于永(yong)磁(ci)(ci)(ci)體成90°角的(de)合成磁(ci)(ci)(ci)場，因此可(ke)以產(chan)生(sheng)(sheng)最大扭(niu)矩(ju)，永(yong)磁(ci)(ci)(ci)體順(shun)時針(zhen)旋轉。

　　當根據旋轉(zhuan)位置減小線圈2的電流(liu)(liu)并增加線圈3的電流(liu)(liu)時，合成磁場也順(shun)時針(zhen)旋轉(zhuan)，永磁體也繼續旋轉(zhuan)。

　　②在旋轉(zhuan)了30°的狀(zhuang)態下，電(dian)(dian)流(liu)(liu)Io流(liu)(liu)入線圈1，使線圈2中的電(dian)(dian)流(liu)(liu)為零(ling)，使電(dian)(dian)流(liu)(liu)Io從線圈3流(liu)(liu)出(chu)。

　　線(xian)(xian)圈1的(de)外側變為(wei)S極(ji)(ji)，線(xian)(xian)圈3的(de)外側變為(wei)N極(ji)(ji)。當矢(shi)量合成(cheng)時(shi)(shi)(shi)，產(chan)生(sheng)的(de)磁(ci)場(chang)是電(dian)流Io通過一(yi)個線(xian)(xian)圈時(shi)(shi)(shi)所產(chan)生(sheng)磁(ci)場(chang)的(de)√3（≈1.72）倍。這也會產(chan)生(sheng)相(xiang)對于永磁(ci)體的(de)磁(ci)場(chang)成(cheng)90°角的(de)合成(cheng)磁(ci)場(chang)，并順時(shi)(shi)(shi)針旋轉(zhuan)。

　　當根據(ju)旋轉位置減小線圈(quan)(quan)(quan)1的(de)(de)流(liu)入電(dian)(dian)流(liu)Io、使線圈(quan)(quan)(quan)2的(de)(de)流(liu)入電(dian)(dian)流(liu)從零開始(shi)增加、并使線圈(quan)(quan)(quan)3的(de)(de)流(liu)出電(dian)(dian)流(liu)增加到Io時(shi)，合成(cheng)磁場也順時(shi)針旋轉，永磁體也繼(ji)續旋轉。

　　※假設各相電(dian)流均(jun)為正(zheng)弦波(bo)形，則此(ci)處的電(dian)流值為Io × sin(π?3)=Io × √3?2 通過磁場(chang)的矢(shi)量(liang)合成，得到總磁場(chang)大小為一(yi)個線(xian)圈(quan)所產生磁場(chang)的(√3?2)2×2=1.5 倍。當各相電(dian)流均(jun)為正(zheng)弦波(bo)時，無論永(yong)磁體的位置(zhi)在哪，矢(shi)量(liang)合成磁場(chang)的大小均(jun)為一(yi)個線(xian)圈(quan)所產生磁場(chang)的1.5倍，并且磁場(chang)相對于永(yong)磁體的磁場(chang)成90°角。

　　③在(zai)繼(ji)續(xu)旋轉了30°的狀態下，電(dian)流(liu)(liu)Io/2流(liu)(liu)入線圈1，電(dian)流(liu)(liu)Io/2流(liu)(liu)入線圈2，電(dian)流(liu)(liu)Io從線圈3流(liu)(liu)出。

　　線(xian)圈(quan)1的(de)(de)(de)外側(ce)變為(wei)S極，線(xian)圈(quan)2的(de)(de)(de)外側(ce)也變為(wei)S極，線(xian)圈(quan)3的(de)(de)(de)外側(ce)變為(wei)N極。當矢(shi)量合(he)成(cheng)(cheng)時，產(chan)(chan)生(sheng)(sheng)的(de)(de)(de)磁(ci)(ci)場(chang)是(shi)電流Io流過一個線(xian)圈(quan)時所產(chan)(chan)生(sheng)(sheng)磁(ci)(ci)場(chang)的(de)(de)(de)1.5倍（與(yu)①相同）。這(zhe)里也會(hui)產(chan)(chan)生(sheng)(sheng)相對(dui)于永(yong)磁(ci)(ci)體的(de)(de)(de)磁(ci)(ci)場(chang)成(cheng)(cheng)90°角的(de)(de)(de)合(he)成(cheng)(cheng)磁(ci)(ci)場(chang)，并順時針旋轉。

　　以①～③相同的(de)方(fang)式旋轉。

　　這樣(yang)，如果不斷根據永磁(ci)體(ti)的位置(zhi)依次切(qie)換流(liu)入線圈的電(dian)流(liu)，則永磁(ci)體(ti)將(jiang)沿固(gu)定方向(xiang)旋轉。同樣(yang)，如果使電(dian)流(liu)反向(xiang)流(liu)動并使合成磁(ci)場方向(xiang)相反，則會逆時針旋轉。

　　下(xia)圖(tu)連續顯示了(le)上述①～⑥每(mei)(mei)個(ge)(ge)步驟的每(mei)(mei)個(ge)(ge)線圈的電(dian)流。通過以上介(jie)紹，應(ying)該可以理解電(dian)流變(bian)化與旋轉之間的關系了(le)。

　　NACHI電(dian)(dian)機是(shi)一種可(ke)以與脈(mo)沖(chong)信號同(tong)步準確地(di)控制(zhi)旋轉角度和轉速(su)的(de)電(dian)(dian)機，步進(jin)電(dian)(dian)機的(de)也稱為“脈(mo)沖(chong)電(dian)(dian)機"。由于(yu)步進(jin)電(dian)(dian)機無需使用位(wei)置傳感器(qi)僅通過開環控制(zhi)即(ji)可(ke)實現準確的(de)定位(wei)而被(bei)廣泛用于(yu)需要定位(wei)的(de)設備(bei)中(zhong)。

　　步進電機的結構（兩相雙極）

　　下(xia)圖(tu)從(cong)左到右(you)分別是步進電(dian)機的外觀示例(li)、內(nei)部結(jie)(jie)構(gou)簡(jian)圖(tu)和結(jie)(jie)構(gou)概念簡(jian)圖(tu)。

　　NACHI電機(ji)在外(wai)觀(guan)(guan)示例中(zhong)，給出的(de)(de)是HB（混合(he)）型和(he)PM（永磁）型步(bu)進電機(ji)的(de)(de)外(wai)觀(guan)(guan)。在中(zhong)間的(de)(de)結構圖給出的(de)(de)也是HB型和(he)PM型的(de)(de)結構。

　　步進(jin)電(dian)機是線(xian)圈固(gu)定、永磁體旋轉的結(jie)構(gou)(gou)(gou)。右側(ce)的步進(jin)電(dian)機內部結(jie)構(gou)(gou)(gou)概念圖是使用兩相(xiang)（兩組）線(xian)圈的PM電(dian)機示(shi)例。在步進(jin)電(dian)機基(ji)本結(jie)構(gou)(gou)(gou)示(shi)例中，線(xian)圈配置在外側(ce)，永磁體配置在內側(ce)。線(xian)圈除(chu)了兩相(xiang)外，還有三相(xiang)和五相(xiang)等相(xiang)數較多的類型。

　　有些(xie)NACHI電(dian)機(ji)具有其他不同的(de)(de)結(jie)構，但(dan)是(shi)為了便于介紹(shao)其工作原(yuan)理而在(zai)本文中給出了基本結(jie)構的(de)(de)步(bu)進電(dian)機(ji)。通(tong)過本文希望了解(jie)步(bu)進電(dian)機(ji)基本上采(cai)用線圈固定(ding)、永(yong)磁體旋轉的(de)(de)結(jie)構。

　　NACHI電機的基本工作原理（單相勵磁(ci)）

　　下(xia)面使用下(xia)圖(tu)來介紹步進電(dian)機的(de)基本工作原(yuan)理。這(zhe)是(shi)上面兩(liang)相(xiang)雙(shuang)極型線(xian)圈(quan)(quan)每一相(xiang)（一組線(xian)圈(quan)(quan)）的(de)勵磁示例。該圖(tu)的(de)前提是(shi)狀態從①到④變(bian)化(hua)。線(xian)圈(quan)(quan)分(fen)別由線(xian)圈(quan)(quan)1和線(xian)圈(quan)(quan)2組成(cheng)。另(ling)外(wai)，電(dian)流箭頭表示電(dian)流流動(dong)方向。

　　NACHI電機這(zhe)三(san)種(zhong)電機的大概構(gou)造和對比。這(zhe)些電機的基本組成部件主(zhu)要為線圈、磁鐵和轉子，另外由于種(zhong)類不(bu)同，又分線圈固定型(xing)和磁鐵固定型(xing)。

　　NACHI電(dian)機以下為與示例圖(tu)相關的(de)結構說明。由于(yu)更細(xi)致地(di)劃(hua)分的(de)話，還(huan)可(ke)能(neng)存在其(qi)他(ta)結構，因此請(qing)理解(jie)本文中介(jie)紹的(de)是大(da)框架下的(de)結構。

　　這里(li)的步進電機(ji)的線圈在外側固定，磁鐵在內側旋轉(zhuan)。

　　這里的(de)(de)有刷直(zhi)流電(dian)機的(de)(de)磁鐵在外側固定，線圈在內側旋轉。由電(dian)刷和換向器（commutator）負責向線圈供(gong)電(dian)和改變(bian)電(dian)流方向。

　　這(zhe)里的(de)無刷(shua)電(dian)機的(de)線圈在外側固定，磁鐵(tie)在內側旋轉(zhuan)。

　　由(you)于馬(ma)達電機種類不同，即使基本組(zu)成部件相同其結構(gou)也有不同。具體(ti)將在各部分進行詳細說明。

　　NACHI電(dian)(dian)機下面(mian)是(shi)經(jing)常在模型中使用(yong)的有刷直流(liu)電(dian)(dian)機的外觀，以及普通的兩極（2個(ge)磁(ci)體(ti)）三槽（3個(ge)線圈）型電(dian)(dian)機的分解示(shi)意圖(tu)。也許很多人都有拆卸電(dian)(dian)機、拿(na)出磁(ci)鐵的經(jing)驗。

　　可以看到有刷直流電(dian)機的(de)永磁(ci)體是固(gu)定(ding)(ding)的(de)，有刷直流電(dian)機的(de)線(xian)圈可以繞內部中心旋轉。固(gu)定(ding)(ding)側(ce)稱為“定(ding)(ding)子(zi)"，旋轉側(ce)稱為“轉子(zi)"。

　　NACHI電機的外圍有三個換向(xiang)(xiang)(xiang)器（用于電流切(qie)換的彎曲金屬片）。為了避免(mian)彼此(ci)接觸，換向(xiang)(xiang)(xiang)器之(zhi)間(jian)間(jian)隔(ge)120°（360°÷3枚）配置。換向(xiang)(xiang)(xiang)器隨著(zhu)軸的旋(xuan)(xuan)轉而(er)旋(xuan)(xuan)轉。

　　一個(ge)換向器(qi)連接有一個(ge)線圈(quan)端和另一個(ge)線圈(quan)端，并且(qie)三個(ge)換向器(qi)和三個(ge)線圈(quan)作為電路網(wang)形成一個(ge)整體（環形）。

　　兩個(ge)電(dian)(dian)刷被固定在0°和180°處，以便與換向器接(jie)觸(chu)。外部(bu)直(zhi)流電(dian)(dian)源與電(dian)(dian)刷相連接(jie)，電(dian)(dian)流按電(dian)(dian)刷→換向器→線圈→電(dian)(dian)刷的路徑流動。

　　① NACHI電機而由于線(xian)圈(quan)A的電流的1/2從左電刷(shua)流向線(xian)圈(quan)B和(he)線(xian)圈(quan)C的方(fang)向與線(xian)圈(quan)A相(xiang)反(fan)，因此線(xian)圈(quan)B和(he)線(xian)圈(quan)C的外側變(bian)為弱(ruo)N極（在圖中用略(lve)小(xiao)字母表示）。

　　這些線(xian)圈(quan)中(zhong)產生的磁場以及磁體的排斥和吸引作(zuo)用使(shi)線(xian)圈(quan)受(shou)到逆(ni)時針(zhen)旋轉的力。

　　② 進一(yi)步逆時(shi)針(zhen)旋轉(zhuan)

　　接下來，假(jia)設在(zai)線圈A逆時(shi)針旋轉30°的狀態下，右(you)電刷與(yu)兩個換(huan)向器接觸。

　　線(xian)圈A的電(dian)流持續(xu)從左電(dian)刷流過(guo)右電(dian)刷，并且線(xian)圈的外(wai)側保持S極(ji)。

　　與(yu)線圈A相同的電(dian)流流經線圈B，并且線圈B的外側變為較(jiao)強的N極(ji)。

　　由于線圈C的兩(liang)端被(bei)電刷短路，所(suo)以沒(mei)(mei)有電流流動，也沒(mei)(mei)有磁場產生。

　　即使在這種情況(kuang)下(xia)，也(ye)會受到逆時針旋轉的力(li)。

　　從(cong)③到④上側的線圈持(chi)(chi)續受到向左動的力(li)，下部的線圈持(chi)(chi)續受到向右動的力(li)，并繼續逆時針方向旋(xuan)轉

　　在線圈(quan)每30°旋轉到③和④狀態下，當線圈(quan)位(wei)于(yu)中心水平軸上方時，線圈(quan)的外側變為S極(ji)；當線圈(quan)位(wei)于(yu)下方時變為N極(ji)，并且反(fan)復(fu)該運(yun)動。

　　換句話說，上側線(xian)圈反復受到(dao)(dao)向左動(dong)的力，下(xia)側線(xian)圈反復受到(dao)(dao)向右(you)動(dong)的力（均為(wei)逆(ni)時針(zhen)方(fang)向）。這使轉子始終逆(ni)時針(zhen)旋轉。

　　如果將電(dian)源(yuan)連(lian)接到相對的左(zuo)電(dian)刷（-）和右電(dian)刷（+），則線圈(quan)中會產(chan)生(sheng)方向相反(fan)的磁場，因此施加(jia)到線圈(quan)上(shang)的力的方向也相反(fan)，變為(wei)順(shun)時針旋轉(zhuan)。

　　此外，當(dang)斷開電源時，有(you)刷電機的轉子會因沒有(you)了使之(zhi)繼續旋轉的磁場而停止旋轉。