漲知識丨各類NACHI電機工作原理大揭秘

　　NACHI電機左側是用來旋轉光盤播放設備中的光盤的主軸電機示例。共有三相×3共9個線圈。右側是FDD設備的主軸電機示例，共有12個線圈（三相×4）。線圈被固定在電路板上，并纏繞在鐵芯上。

　　在線圈右側的盤狀部件是永磁體轉子。外圍是永磁體，轉子的軸插入線圈的中心部位并覆蓋住線圈部分，永磁體圍繞在線圈的外圍。

　　三相全波無刷電機的內部結構圖和線圈連接等效電路

　　NACHI電機該內部結構簡圖是結構很簡單的2極（2個磁體）3槽（3個線圈）電機示例。它類似于極數和槽數相同的有刷電機結構，但線圈側是固定的，磁體可以旋轉。當然，沒有電刷。

　　在這種情況下，線圈采用Y形接法，使用半導體元件為線圈供給電流，根據旋轉的磁體位置來控制電流的流入和流出。在該示例中，使用霍爾元件來檢測磁體的位置。霍爾元件配置在線圈和線圈之間，根據磁場強度檢測產生的電壓并用作位置信息。在前面給出的FDD主軸電機的圖像中，也可以看到在線圈和線圈之間有用來檢測位置的霍爾元件（線圈的上方）。

　　霍爾元件是的磁傳感器。可將磁場的大小轉換為電壓的大小，并以正負來表示磁場的方向。下面是顯示霍爾效應的示意圖。

　　圖片

　　霍爾元件利用了“當電流IH流過半導體并且磁通B與電流成直角穿過時，會在垂直于電流和磁場的方向上產生電壓VH”的這種現象，美國物理學家Edwin Herbert Hall（埃德溫·赫伯特·霍爾）發(fā)現了這種現象并將其稱為“霍爾效應”。產生的電壓VH由下列公式表示。

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

　　如公式所示，電流越大，電壓越高。常利用這個特性來檢測轉子（磁體）的位置。

　　三相全波無刷電機的旋轉原理

　　下面將按照步驟①～⑥來說明無刷電機的旋轉原理。為了易于理解，這里將永磁體從圓形簡化成了矩形。

　　①在三相線圈中，設線圈1固定在時鐘的12點鐘方向上，線圈2固定在時鐘的4點鐘方向上，線圈3固定在時鐘的8點鐘方向上。設2極永磁體的N極在左側，S極在右側，并且可以旋轉。

　　使電流Io流入線圈1，以在線圈外側產生S極磁場。使Io/2電流從線圈2和線圈3流出，以在線圈外側產生N極磁場。

　　在對線圈2和線圈3的磁場進行矢量合成時，向下產生N極磁場，該磁場是電流Io通過一個線圈時所產生磁場的0.5倍大小，與線圈1的磁場相加變?yōu)?.5倍。這會產生一個相對于永磁體成90°角的合成磁場，因此可以產生最大扭矩，永磁體順時針旋轉。

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

　　②在旋轉了30°的狀態(tài)下，電流Io流入線圈1，使線圈2中的電流為零，使電流Io從線圈3流出。

　　線圈1的外側變?yōu)镾極，線圈3的外側變?yōu)镹極。當矢量合成時，產生的磁場是電流Io通過一個線圈時所產生磁場的√3（≈1.72）倍。這也會產生相對于永磁體的磁場成90°角的合成磁場，并順時針旋轉。

　　當根據旋轉位置減小線圈1的流入電流Io、使線圈2的流入電流從零開始增加、并使線圈3的流出電流增加到Io時，合成磁場也順時針旋轉，永磁體也繼續(xù)旋轉。

　　※假設各相電流均為正弦波形，則此處的電流值為Io × sin(π?3)=Io × √3?2 通過磁場的矢量合成，得到總磁場大小為一個線圈所產生磁場的(√3?2)2×2=1.5 倍。當各相電流均為正弦波時，無論永磁體的位置在哪，矢量合成磁場的大小均為一個線圈所產生磁場的1.5倍，并且磁場相對于永磁體的磁場成90°角。

　　③在繼續(xù)旋轉了30°的狀態(tài)下，電流Io/2流入線圈1，電流Io/2流入線圈2，電流Io從線圈3流出。

　　線圈1的外側變?yōu)镾極，線圈2的外側也變?yōu)镾極，線圈3的外側變?yōu)镹極。當矢量合成時，產生的磁場是電流Io流過一個線圈時所產生磁場的1.5倍（與①相同）。這里也會產生相對于永磁體的磁場成90°角的合成磁場，并順時針旋轉。

　　以①～③相同的方式旋轉。

　　這樣，如果不斷根據永磁體的位置依次切換流入線圈的電流，則永磁體將沿固定方向旋轉。同樣，如果使電流反向流動并使合成磁場方向相反，則會逆時針旋轉。

　　下圖連續(xù)顯示了上述①～⑥每個步驟的每個線圈的電流。通過以上介紹，應該可以理解電流變化與旋轉之間的關系了。

　　NACHI電機是一種可以與脈沖信號同步準確地控制旋轉角度和轉速的電機，步進電機的也稱為“脈沖電機”。由于步進電機無需使用位置傳感器僅通過開環(huán)控制即可實現準確的定位而被廣泛用于需要定位的設備中。

　　步進電機的結構（兩相雙極）

　　下圖從左到右分別是步進電機的外觀示例、內部結構簡圖和結構概念簡圖。

　　NACHI電機在外觀示例中，給出的是HB（混合）型和PM（永磁）型步進電機的外觀。在中間的結構圖給出的也是HB型和PM型的結構。

　　步進電機是線圈固定、永磁體旋轉的結構。右側的步進電機內部結構概念圖是使用兩相（兩組）線圈的PM電機示例。在步進電機基本結構示例中，線圈配置在外側，永磁體配置在內側。線圈除了兩相外，還有三相和五相等相數較多的類型。

　　有些NACHI電機具有其他不同的結構，但是為了便于介紹其工作原理而在本文中給出了基本結構的步進電機。通過本文希望了解步進電機基本上采用線圈固定、永磁體旋轉的結構。

　　NACHI電機的基本工作原理（單相勵磁）

　　下面使用下圖來介紹步進電機的基本工作原理。這是上面兩相雙極型線圈每一相（一組線圈）的勵磁示例。該圖的前提是狀態(tài)從①到④變化。線圈分別由線圈1和線圈2組成。另外，電流箭頭表示電流流動方向。

　　NACHI電機這三種電機的大概構造和對比。這些電機的基本組成部件主要為線圈、磁鐵和轉子，另外由于種類不同，又分線圈固定型和磁鐵固定型。

　　NACHI電機以下為與示例圖相關的結構說明。由于更細致地劃分的話，還可能存在其他結構，因此請理解本文中介紹的是大框架下的結構。

　　這里的步進電機的線圈在外側固定，磁鐵在內側旋轉。

　　這里的有刷直流電機的磁鐵在外側固定，線圈在內側旋轉。由電刷和換向器（commutator）負責向線圈供電和改變電流方向。

　　這里的無刷電機的線圈在外側固定，磁鐵在內側旋轉。

　　由于馬達電機種類不同，即使基本組成部件相同其結構也有不同。具體將在各部分進行詳細說明。

　　NACHI電機下面是經常在模型中使用的有刷直流電機的外觀，以及普通的兩極（2個磁體）三槽（3個線圈）型電機的分解示意圖。也許很多人都有拆卸電機、拿出磁鐵的經驗。

　　可以看到有刷直流電機的永磁體是固定的，有刷直流電機的線圈可以繞內部中心旋轉。固定側稱為“定子”，旋轉側稱為“轉子”。

　　NACHI電機的外圍有三個換向器（用于電流切換的彎曲金屬片）。為了避免彼此接觸，換向器之間間隔120°（360°÷3枚）配置。換向器隨著軸的旋轉而旋轉。

　　一個換向器連接有一個線圈端和另一個線圈端，并且三個換向器和三個線圈作為電路網形成一個整體（環(huán)形）。

　　兩個電刷被固定在0°和180°處，以便與換向器接觸。外部直流電源與電刷相連接，電流按電刷→換向器→線圈→電刷的路徑流動。

　　① NACHI電機而由于線圈A的電流的1/2從左電刷流向線圈B和線圈C的方向與線圈A相反，因此線圈B和線圈C的外側變?yōu)槿鮊極（在圖中用略小字母表示）。

　　這些線圈中產生的磁場以及磁體的排斥和吸引作用使線圈受到逆時針旋轉的力。

　　② 進一步逆時針旋轉

　　接下來，假設在線圈A逆時針旋轉30°的狀態(tài)下，右電刷與兩個換向器接觸。

　　線圈A的電流持續(xù)從左電刷流過右電刷，并且線圈的外側保持S極。

　　與線圈A相同的電流流經線圈B，并且線圈B的外側變?yōu)檩^強的N極。

　　由于線圈C的兩端被電刷短路，所以沒有電流流動，也沒有磁場產生。

　　即使在這種情況下，也會受到逆時針旋轉的力。

　　從③到④上側的線圈持續(xù)受到向左動的力，下部的線圈持續(xù)受到向右動的力，并繼續(xù)逆時針方向旋轉

　　在線圈每30°旋轉到③和④狀態(tài)下，當線圈位于中心水平軸上方時，線圈的外側變?yōu)镾極；當線圈位于下方時變?yōu)镹極，并且反復該運動。

　　換句話說，上側線圈反復受到向左動的力，下側線圈反復受到向右動的力（均為逆時針方向）。這使轉子始終逆時針旋轉。

　　如果將電源連接到相對的左電刷（-）和右電刷（+），則線圈中會產生方向相反的磁場，因此施加到線圈上的力的方向也相反，變?yōu)轫槙r針旋轉。

　　此外，當斷開電源時，有刷電機的轉子會因沒有了使之繼續(xù)旋轉的磁場而停止旋轉。