漲知識(shi)丨各類NACHI電機工作原理大(da)揭秘

　　NACHI電(dian)機(ji)左側是用來旋轉光(guang)(guang)盤(pan)播放設備中的(de)光(guang)(guang)盤(pan)的(de)主(zhu)軸電(dian)機(ji)示例。共有三(san)相×3共9個線(xian)圈(quan)。右側是FDD設備的(de)主(zhu)軸電(dian)機(ji)示例，共有12個線(xian)圈(quan)（三(san)相×4）。線(xian)圈(quan)被固定在(zai)電(dian)路板上(shang)(shang)，并(bing)纏繞在(zai)鐵芯上(shang)(shang)。

　　在線(xian)(xian)圈(quan)右側的(de)盤狀部件是永(yong)磁體轉子。外圍(wei)是永(yong)磁體，轉子的(de)軸插入線(xian)(xian)圈(quan)的(de)中(zhong)心部位并覆蓋住線(xian)(xian)圈(quan)部分，永(yong)磁體圍(wei)繞在線(xian)(xian)圈(quan)的(de)外圍(wei)。

　　三(san)相全波無刷(shua)電機的內部結構圖和線圈連接等效電路

　　NACHI電機(ji)該內部(bu)結構簡圖(tu)是(shi)結構很簡單的(de)(de)2極(ji)(ji)（2個磁(ci)體）3槽（3個線圈(quan)）電機(ji)示例。它類(lei)似于極(ji)(ji)數和槽數相同的(de)(de)有刷電機(ji)結構，但線圈(quan)側(ce)是(shi)固定(ding)的(de)(de)，磁(ci)體可以旋轉。當(dang)然，沒有電刷。

　　在(zai)這(zhe)種(zhong)情況下，線(xian)圈(quan)采用(yong)(yong)(yong)Y形(xing)接法(fa)，使用(yong)(yong)(yong)半(ban)導體元件為(wei)線(xian)圈(quan)供(gong)給電流，根據(ju)旋(xuan)轉的(de)(de)磁體位(wei)置來(lai)控制電流的(de)(de)流入(ru)和(he)流出。在(zai)該(gai)示例中，使用(yong)(yong)(yong)霍(huo)爾(er)(er)元件來(lai)檢測磁體的(de)(de)位(wei)置。霍(huo)爾(er)(er)元件配置在(zai)線(xian)圈(quan)和(he)線(xian)圈(quan)之間，根據(ju)磁場強度(du)檢測產生的(de)(de)電壓(ya)并(bing)用(yong)(yong)(yong)作位(wei)置信息(xi)。在(zai)前面(mian)給出的(de)(de)FDD主軸電機的(de)(de)圖像中，也可以看到在(zai)線(xian)圈(quan)和(he)線(xian)圈(quan)之間有(you)用(yong)(yong)(yong)來(lai)檢測位(wei)置的(de)(de)霍(huo)爾(er)(er)元件（線(xian)圈(quan)的(de)(de)上方）。

　　霍爾(er)元件是的(de)磁傳感器。可將磁場的(de)大小(xiao)轉(zhuan)換為電壓的(de)大小(xiao)，并(bing)以正負來表示(shi)磁場的(de)方(fang)向。下面是顯示(shi)霍爾(er)效應的(de)示(shi)意圖。

　　圖片

　　霍爾元件利用(yong)了“當(dang)電流IH流過半(ban)導體并且(qie)磁通B與電流成直(zhi)角穿(chuan)過時(shi)，會在垂直(zhi)于電流和(he)磁場的(de)方(fang)向上產生(sheng)電壓(ya)VH"的(de)這種(zhong)現(xian)象(xiang)，美國物理學家(jia)Edwin Herbert Hall（埃德溫·赫伯特·霍爾）發現(xian)了這種(zhong)現(xian)象(xiang)并將其稱為“霍爾效應(ying)"。產生(sheng)的(de)電壓(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(de)厚度

　　如公式所示，電流越大，電壓越高。常利用這個特性來檢測(ce)轉子（磁體）的(de)位(wei)置。

　　三相全波無刷電(dian)機的(de)旋轉原(yuan)理

　　下面將(jiang)(jiang)按照步驟①～⑥來說明(ming)無刷電(dian)機的旋轉原理。為了(le)易于(yu)理解，這里將(jiang)(jiang)永(yong)磁體(ti)從圓形簡化成了(le)矩形。

　　①在三相線圈中(zhong)，設(she)線圈1固(gu)(gu)定(ding)在時鐘(zhong)(zhong)的12點鐘(zhong)(zhong)方向上(shang)(shang)，線圈2固(gu)(gu)定(ding)在時鐘(zhong)(zhong)的4點鐘(zhong)(zhong)方向上(shang)(shang)，線圈3固(gu)(gu)定(ding)在時鐘(zhong)(zhong)的8點鐘(zhong)(zhong)方向上(shang)(shang)。設(she)2極(ji)(ji)永(yong)磁(ci)體的N極(ji)(ji)在左側，S極(ji)(ji)在右側，并且可以旋(xuan)轉。

　　使電(dian)流Io流入線圈1，以(yi)在(zai)線圈外側產(chan)生S極(ji)磁(ci)場(chang)。使Io/2電(dian)流從線圈2和線圈3流出(chu)，以(yi)在(zai)線圈外側產(chan)生N極(ji)磁(ci)場(chang)。

　　在(zai)對線圈2和(he)線圈3的(de)磁場(chang)進行矢量合(he)成(cheng)時(shi)(shi)(shi)，向(xiang)下產(chan)生N極磁場(chang)，該(gai)磁場(chang)是電流Io通過(guo)一(yi)(yi)個線圈時(shi)(shi)(shi)所產(chan)生磁場(chang)的(de)0.5倍大(da)小，與線圈1的(de)磁場(chang)相加變為1.5倍。這會產(chan)生一(yi)(yi)個相對于(yu)永(yong)磁體成(cheng)90°角的(de)合(he)成(cheng)磁場(chang)，因此可(ke)以產(chan)生最(zui)大(da)扭(niu)矩，永(yong)磁體順時(shi)(shi)(shi)針旋轉。

　　當根據旋轉(zhuan)位置減小線圈2的(de)電流并增加線圈3的(de)電流時，合成磁場也順時針旋轉(zhuan)，永磁體也繼續(xu)旋轉(zhuan)。

　　②在旋轉了(le)30°的(de)狀態下(xia)，電流(liu)Io流(liu)入線(xian)圈(quan)1，使線(xian)圈(quan)2中的(de)電流(liu)為零，使電流(liu)Io從線(xian)圈(quan)3流(liu)出(chu)。

　　線圈1的(de)外(wai)側(ce)變為S極，線圈3的(de)外(wai)側(ce)變為N極。當(dang)矢量合成(cheng)時，產(chan)生(sheng)(sheng)的(de)磁(ci)場(chang)是電(dian)流Io通過(guo)一個線圈時所(suo)產(chan)生(sheng)(sheng)磁(ci)場(chang)的(de)√3（≈1.72）倍。這(zhe)也會產(chan)生(sheng)(sheng)相對于永磁(ci)體的(de)磁(ci)場(chang)成(cheng)90°角的(de)合成(cheng)磁(ci)場(chang)，并順時針(zhen)旋轉。

　　當根據旋(xuan)轉(zhuan)位置減小線圈1的(de)流(liu)入(ru)電(dian)流(liu)Io、使線圈2的(de)流(liu)入(ru)電(dian)流(liu)從零開始增加、并使線圈3的(de)流(liu)出電(dian)流(liu)增加到(dao)Io時，合(he)成磁場也順(shun)時針(zhen)旋(xuan)轉(zhuan)，永磁體也繼(ji)續旋(xuan)轉(zhuan)。

　　※假設各相(xiang)電(dian)流均(jun)為(wei)正弦波形，則此處的(de)電(dian)流值為(wei)Io × sin(π?3)=Io × √3?2 通過磁(ci)(ci)場(chang)的(de)矢量(liang)合成(cheng)，得到總磁(ci)(ci)場(chang)大小為(wei)一(yi)個線圈所產(chan)生磁(ci)(ci)場(chang)的(de)(√3?2)2×2=1.5 倍。當(dang)各相(xiang)電(dian)流均(jun)為(wei)正弦波時(shi)，無論永(yong)磁(ci)(ci)體的(de)位置在哪，矢量(liang)合成(cheng)磁(ci)(ci)場(chang)的(de)大小均(jun)為(wei)一(yi)個線圈所產(chan)生磁(ci)(ci)場(chang)的(de)1.5倍，并且磁(ci)(ci)場(chang)相(xiang)對于永(yong)磁(ci)(ci)體的(de)磁(ci)(ci)場(chang)成(cheng)90°角。

　　③在繼續(xu)旋轉了(le)30°的狀態下，電流(liu)(liu)(liu)Io/2流(liu)(liu)(liu)入(ru)線(xian)(xian)圈(quan)1，電流(liu)(liu)(liu)Io/2流(liu)(liu)(liu)入(ru)線(xian)(xian)圈(quan)2，電流(liu)(liu)(liu)Io從線(xian)(xian)圈(quan)3流(liu)(liu)(liu)出(chu)。

　　線(xian)圈1的外側變(bian)(bian)為S極(ji)(ji)，線(xian)圈2的外側也變(bian)(bian)為S極(ji)(ji)，線(xian)圈3的外側變(bian)(bian)為N極(ji)(ji)。當矢量(liang)合成(cheng)時，產(chan)生的磁(ci)場是電流(liu)Io流(liu)過一個線(xian)圈時所產(chan)生磁(ci)場的1.5倍(bei)（與①相同(tong)）。這里也會產(chan)生相對(dui)于永磁(ci)體的磁(ci)場成(cheng)90°角的合成(cheng)磁(ci)場，并順時針旋轉。

　　以①～③相同(tong)的方式(shi)旋(xuan)轉。

　　這樣，如果不(bu)斷根據永磁(ci)體(ti)的位置(zhi)依次切(qie)換流入線圈(quan)的電流，則(ze)永磁(ci)體(ti)將沿固定(ding)方向旋轉(zhuan)(zhuan)。同樣，如果使電流反向流動并(bing)使合成磁(ci)場(chang)方向相反，則(ze)會逆時針旋轉(zhuan)(zhuan)。

　　下圖連續顯示了(le)上述①～⑥每個(ge)步驟的每個(ge)線(xian)圈(quan)的電(dian)流。通過(guo)以上介紹，應該可以理解(jie)電(dian)流變化與旋轉之(zhi)間的關系了(le)。

　　NACHI電(dian)機(ji)(ji)是一種可(ke)以與脈沖信號同(tong)步(bu)準確(que)地控(kong)制旋轉角度和轉速的(de)電(dian)機(ji)(ji)，步(bu)進電(dian)機(ji)(ji)的(de)也(ye)稱為“脈沖電(dian)機(ji)(ji)"。由(you)于(yu)步(bu)進電(dian)機(ji)(ji)無需(xu)使(shi)用(yong)位(wei)置傳感(gan)器僅通過開環控(kong)制即可(ke)實現準確(que)的(de)定位(wei)而被廣泛用(yong)于(yu)需(xu)要定位(wei)的(de)設(she)備(bei)中。

　　步進電機(ji)的(de)結構（兩相雙極）

　　下(xia)圖從左到右分(fen)別是步進電機的外(wai)觀示例(li)、內(nei)部(bu)結(jie)構(gou)(gou)簡圖和結(jie)構(gou)(gou)概念簡圖。

　　NACHI電機(ji)在外(wai)觀(guan)示例中(zhong)，給(gei)出(chu)的(de)是HB（混合）型和PM（永磁）型步進電機(ji)的(de)外(wai)觀(guan)。在中(zhong)間的(de)結構圖給(gei)出(chu)的(de)也(ye)是HB型和PM型的(de)結構。

　　步進(jin)(jin)電(dian)機是(shi)線(xian)(xian)圈(quan)(quan)固定(ding)、永磁體旋轉的(de)結(jie)構。右側(ce)(ce)的(de)步進(jin)(jin)電(dian)機內部結(jie)構概念(nian)圖是(shi)使用兩(liang)相(xiang)（兩(liang)組）線(xian)(xian)圈(quan)(quan)的(de)PM電(dian)機示例。在(zai)步進(jin)(jin)電(dian)機基本結(jie)構示例中(zhong)，線(xian)(xian)圈(quan)(quan)配置(zhi)在(zai)外(wai)側(ce)(ce)，永磁體配置(zhi)在(zai)內側(ce)(ce)。線(xian)(xian)圈(quan)(quan)除了兩(liang)相(xiang)外(wai)，還有三相(xiang)和五相(xiang)等相(xiang)數較多(duo)的(de)類型。

　　有些NACHI電機(ji)具有其(qi)他不同的(de)結構(gou)，但是(shi)為了便于(yu)介紹其(qi)工(gong)作原理而在本文中給(gei)出了基本結構(gou)的(de)步進電機(ji)。通過本文希望了解步進電機(ji)基本上采用線圈固定、永磁體旋轉(zhuan)的(de)結構(gou)。

　　NACHI電機的基本工(gong)作原理（單相勵(li)磁）

　　下(xia)面使用下(xia)圖(tu)來介(jie)紹(shao)步進(jin)電機的基(ji)本工作原理。這是(shi)(shi)上面兩(liang)相(xiang)雙極型線(xian)(xian)圈每(mei)一(yi)相(xiang)（一(yi)組線(xian)(xian)圈）的勵(li)磁示例。該圖(tu)的前(qian)提是(shi)(shi)狀態(tai)從(cong)①到④變(bian)化。線(xian)(xian)圈分別由線(xian)(xian)圈1和線(xian)(xian)圈2組成。另外(wai)，電流(liu)(liu)箭頭表示電流(liu)(liu)流(liu)(liu)動(dong)方向。

　　NACHI電(dian)機這三種(zhong)電(dian)機的大概構造和對比(bi)。這些電(dian)機的基本組成(cheng)部件主要為線圈(quan)、磁鐵(tie)和轉子，另(ling)外由于種(zhong)類不同，又(you)分線圈(quan)固(gu)(gu)定型和磁鐵(tie)固(gu)(gu)定型。

　　NACHI電機以下(xia)(xia)為與示(shi)例圖(tu)相關的(de)結(jie)(jie)構說明。由于(yu)更細致(zhi)地劃分的(de)話，還可能(neng)存(cun)在其他(ta)結(jie)(jie)構，因此請理解本文中介紹的(de)是大(da)框架下(xia)(xia)的(de)結(jie)(jie)構。

　　這里的步(bu)進電機的線圈在(zai)外側(ce)(ce)固定，磁鐵(tie)在(zai)內側(ce)(ce)旋(xuan)轉。

　　這里(li)的(de)有刷直(zhi)流電機(ji)的(de)磁鐵(tie)在外側固定，線圈(quan)在內側旋(xuan)轉(zhuan)。由電刷和換向(xiang)器（commutator）負責向(xiang)線圈(quan)供電和改變電流方向(xiang)。

　　這里的(de)無刷(shua)電機(ji)的(de)線圈在外側固定(ding)，磁(ci)鐵在內側旋(xuan)轉。

　　由于馬(ma)達電機種類不(bu)(bu)同，即(ji)使基本(ben)組成(cheng)部件相同其(qi)結(jie)構也有不(bu)(bu)同。具體將在各部分(fen)進行(xing)詳細(xi)說明。

　　NACHI電(dian)機下面(mian)是經(jing)常在(zai)模型中使(shi)用的(de)有刷(shua)直流(liu)電(dian)機的(de)外(wai)觀，以及普(pu)通(tong)的(de)兩極（2個磁體）三槽（3個線圈）型電(dian)機的(de)分解(jie)示(shi)意圖。也許很多(duo)人都有拆卸電(dian)機、拿出(chu)磁鐵(tie)的(de)經(jing)驗。

　　可以看到有刷直流電(dian)機的永磁(ci)體是固定(ding)(ding)的，有刷直流電(dian)機的線圈可以繞內部中(zhong)心旋轉(zhuan)(zhuan)。固定(ding)(ding)側(ce)(ce)稱為(wei)“定(ding)(ding)子"，旋轉(zhuan)(zhuan)側(ce)(ce)稱為(wei)“轉(zhuan)(zhuan)子"。

　　NACHI電(dian)機的外圍有三個換向器(qi)（用于電(dian)流切換的彎曲金屬(shu)片）。為了避免(mian)彼此接觸，換向器(qi)之(zhi)間(jian)間(jian)隔120°（360°÷3枚(mei)）配(pei)置。換向器(qi)隨著軸的旋(xuan)轉(zhuan)而旋(xuan)轉(zhuan)。

　　一(yi)(yi)個(ge)(ge)換(huan)向器(qi)連接有一(yi)(yi)個(ge)(ge)線圈端(duan)和(he)另一(yi)(yi)個(ge)(ge)線圈端(duan)，并且三個(ge)(ge)換(huan)向器(qi)和(he)三個(ge)(ge)線圈作為(wei)電路網形成一(yi)(yi)個(ge)(ge)整體（環形）。

　　兩(liang)個(ge)電(dian)(dian)刷(shua)被固定在(zai)0°和(he)180°處，以(yi)便(bian)與換向(xiang)器接(jie)(jie)觸。外部(bu)直流電(dian)(dian)源與電(dian)(dian)刷(shua)相連接(jie)(jie)，電(dian)(dian)流按電(dian)(dian)刷(shua)→換向(xiang)器→線(xian)圈→電(dian)(dian)刷(shua)的路徑(jing)流動(dong)。

　　① NACHI電機而由于(yu)線(xian)(xian)圈(quan)(quan)A的(de)電流(liu)的(de)1/2從左(zuo)電刷流(liu)向線(xian)(xian)圈(quan)(quan)B和線(xian)(xian)圈(quan)(quan)C的(de)方向與線(xian)(xian)圈(quan)(quan)A相反(fan)，因此線(xian)(xian)圈(quan)(quan)B和線(xian)(xian)圈(quan)(quan)C的(de)外側變為(wei)弱(ruo)N極（在(zai)圖中用略小字母表示(shi)）。

　　這些線(xian)圈(quan)中產生的磁(ci)場以(yi)及(ji)磁(ci)體的排斥和(he)吸引(yin)作用使線(xian)圈(quan)受到逆時(shi)針旋轉的力(li)。

　　② 進一步逆時針旋轉

　　接(jie)下來(lai)，假(jia)設在線圈A逆時針旋轉30°的狀態下，右(you)電刷與(yu)兩個換(huan)向器(qi)接(jie)觸(chu)。

　　線圈(quan)(quan)A的(de)電(dian)(dian)(dian)流持續(xu)從左電(dian)(dian)(dian)刷流過右電(dian)(dian)(dian)刷，并且線圈(quan)(quan)的(de)外側保持S極(ji)。

　　與線圈A相同的(de)(de)電流流經線圈B，并且(qie)線圈B的(de)(de)外側變為較強的(de)(de)N極。

　　由(you)于線圈C的兩端被電(dian)刷(shua)短(duan)路，所以沒有電(dian)流(liu)流(liu)動，也沒有磁場產生。

　　即使在這種情況下，也會受(shou)到逆時針旋(xuan)轉的力(li)。

　　從③到④上側的(de)(de)線(xian)(xian)圈持續受(shou)到向(xiang)左動的(de)(de)力，下部的(de)(de)線(xian)(xian)圈持續受(shou)到向(xiang)右動的(de)(de)力，并繼續逆時(shi)針方向(xiang)旋轉

　　在線圈(quan)每30°旋轉到③和④狀態(tai)下，當線圈(quan)位(wei)于中心水(shui)平軸(zhou)上方時，線圈(quan)的外側變(bian)為(wei)S極；當線圈(quan)位(wei)于下方時變(bian)為(wei)N極，并(bing)且反(fan)復該運動。

　　換句話說，上側(ce)線(xian)圈(quan)反復受(shou)到(dao)(dao)向左(zuo)動的力(li)，下側(ce)線(xian)圈(quan)反復受(shou)到(dao)(dao)向右動的力(li)（均為逆(ni)時針(zhen)方向）。這使(shi)轉子始(shi)終逆(ni)時針(zhen)旋轉。

　　如(ru)果將電(dian)源連接到(dao)相(xiang)對的(de)(de)左(zuo)電(dian)刷（-）和右電(dian)刷（+），則線圈(quan)中會產生方向相(xiang)反的(de)(de)磁場，因此施加到(dao)線圈(quan)上的(de)(de)力的(de)(de)方向也相(xiang)反，變為順時針旋轉。

　　此外，當斷開電(dian)源時，有刷(shua)電(dian)機的轉(zhuan)子(zi)會因沒(mei)有了使之繼續旋轉(zhuan)的磁(ci)場而停止旋轉(zhuan)。