漲(zhang)知識丨各類(lei)NACHI電機(ji)工作(zuo)原理大揭(jie)秘

　　NACHI電(dian)機左側(ce)是用(yong)來旋轉光盤播放設備(bei)中的光盤的主軸(zhou)電(dian)機示例。共有三(san)相×3共9個線(xian)圈(quan)。右側(ce)是FDD設備(bei)的主軸(zhou)電(dian)機示例，共有12個線(xian)圈(quan)（三(san)相×4）。線(xian)圈(quan)被(bei)固定在(zai)電(dian)路(lu)板上，并纏繞在(zai)鐵芯上。

　　在線圈(quan)(quan)右側的(de)(de)盤狀部件是永磁體轉(zhuan)子。外圍(wei)是永磁體，轉(zhuan)子的(de)(de)軸插入線圈(quan)(quan)的(de)(de)中(zhong)心部位并覆蓋住線圈(quan)(quan)部分，永磁體圍(wei)繞在線圈(quan)(quan)的(de)(de)外圍(wei)。

　　三相全波無刷電(dian)機(ji)的內部結(jie)構圖和線圈連接(jie)等效電(dian)路

　　NACHI電機該內部結構(gou)簡圖是結構(gou)很簡單的2極（2個磁體）3槽(cao)（3個線(xian)圈）電機示(shi)例。它類似于極數(shu)和槽(cao)數(shu)相同的有(you)刷(shua)電機結構(gou)，但(dan)線(xian)圈側是固定的，磁體可(ke)以旋轉(zhuan)。當(dang)然，沒有(you)電刷(shua)。

　　在(zai)這種情況下(xia)，線(xian)(xian)(xian)圈(quan)采用Y形接(jie)法，使用半導體元(yuan)件為(wei)線(xian)(xian)(xian)圈(quan)供給電(dian)流(liu)，根據旋轉的(de)(de)(de)磁體位置來(lai)控制電(dian)流(liu)的(de)(de)(de)流(liu)入和(he)流(liu)出。在(zai)該(gai)示(shi)例中(zhong)，使用霍(huo)爾元(yuan)件來(lai)檢(jian)測磁體的(de)(de)(de)位置。霍(huo)爾元(yuan)件配(pei)置在(zai)線(xian)(xian)(xian)圈(quan)和(he)線(xian)(xian)(xian)圈(quan)之間，根據磁場(chang)強度檢(jian)測產生的(de)(de)(de)電(dian)壓并用作位置信息。在(zai)前面給出的(de)(de)(de)FDD主(zhu)軸電(dian)機的(de)(de)(de)圖(tu)像中(zhong)，也可以看(kan)到在(zai)線(xian)(xian)(xian)圈(quan)和(he)線(xian)(xian)(xian)圈(quan)之間有用來(lai)檢(jian)測位置的(de)(de)(de)霍(huo)爾元(yuan)件（線(xian)(xian)(xian)圈(quan)的(de)(de)(de)上方）。

　　霍爾元(yuan)件是的(de)磁傳感器。可將磁場(chang)的(de)大(da)小(xiao)轉(zhuan)換(huan)為電壓的(de)大(da)小(xiao)，并以正負來表示(shi)(shi)磁場(chang)的(de)方(fang)向。下面是顯示(shi)(shi)霍爾效應的(de)示(shi)(shi)意圖。

　　圖片

　　霍(huo)(huo)爾(er)(er)元件利用了(le)“當電流(liu)IH流(liu)過(guo)半導體并且磁(ci)通B與電流(liu)成直角(jiao)穿過(guo)時，會在垂直于電流(liu)和磁(ci)場的方向上產生(sheng)電壓VH"的這種(zhong)現(xian)象，美國物(wu)理學家(jia)Edwin Herbert Hall（埃德溫·赫(he)伯特·霍(huo)(huo)爾(er)(er)）發現(xian)了(le)這種(zhong)現(xian)象并將其(qi)稱為“霍(huo)(huo)爾(er)(er)效應"。產生(sheng)的電壓VH由下列公式表示(shi)。

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

　　如公式(shi)所示，電流越大，電壓越高(gao)。常利用這個特性(xing)來(lai)檢(jian)測轉子（磁(ci)體）的(de)位(wei)置。

　　三相全(quan)波無(wu)刷電機(ji)的(de)旋轉原理(li)

　　下面將(jiang)按照步驟①～⑥來(lai)說明無(wu)刷電機(ji)的旋轉原理。為了易于(yu)理解，這里將(jiang)永磁體從圓形簡化成了矩(ju)形。

　　①在(zai)(zai)三(san)相線圈(quan)(quan)中(zhong)，設(she)線圈(quan)(quan)1固(gu)定(ding)在(zai)(zai)時鐘的(de)(de)(de)12點(dian)鐘方(fang)向(xiang)(xiang)上，線圈(quan)(quan)2固(gu)定(ding)在(zai)(zai)時鐘的(de)(de)(de)4點(dian)鐘方(fang)向(xiang)(xiang)上，線圈(quan)(quan)3固(gu)定(ding)在(zai)(zai)時鐘的(de)(de)(de)8點(dian)鐘方(fang)向(xiang)(xiang)上。設(she)2極永磁體的(de)(de)(de)N極在(zai)(zai)左側，S極在(zai)(zai)右側，并且可以旋轉(zhuan)。

　　使電流Io流入線圈1，以(yi)(yi)在(zai)線圈外側產(chan)生S極磁場(chang)。使Io/2電流從線圈2和線圈3流出，以(yi)(yi)在(zai)線圈外側產(chan)生N極磁場(chang)。

　　在對(dui)線圈2和線圈3的(de)磁(ci)場(chang)(chang)進行(xing)矢量(liang)合成(cheng)(cheng)時(shi)(shi)，向下產(chan)生(sheng)N極磁(ci)場(chang)(chang)，該磁(ci)場(chang)(chang)是電流Io通過(guo)一個線圈時(shi)(shi)所產(chan)生(sheng)磁(ci)場(chang)(chang)的(de)0.5倍大(da)(da)小，與線圈1的(de)磁(ci)場(chang)(chang)相加變為(wei)1.5倍。這(zhe)會產(chan)生(sheng)一個相對(dui)于(yu)永磁(ci)體成(cheng)(cheng)90°角(jiao)的(de)合成(cheng)(cheng)磁(ci)場(chang)(chang)，因此可以產(chan)生(sheng)最大(da)(da)扭矩，永磁(ci)體順(shun)時(shi)(shi)針旋轉。

　　當(dang)根據(ju)旋轉(zhuan)位置減小線圈2的(de)電流(liu)(liu)并增加線圈3的(de)電流(liu)(liu)時，合(he)成磁場也(ye)順時針旋轉(zhuan)，永磁體也(ye)繼(ji)續旋轉(zhuan)。

　　②在旋(xuan)轉了30°的狀態(tai)下，電(dian)流(liu)(liu)Io流(liu)(liu)入線圈(quan)(quan)1，使線圈(quan)(quan)2中的電(dian)流(liu)(liu)為(wei)零，使電(dian)流(liu)(liu)Io從線圈(quan)(quan)3流(liu)(liu)出。

　　線(xian)(xian)圈(quan)1的(de)(de)外側(ce)變為(wei)S極(ji)，線(xian)(xian)圈(quan)3的(de)(de)外側(ce)變為(wei)N極(ji)。當矢量合成時(shi)(shi)，產生的(de)(de)磁(ci)場(chang)(chang)是電流Io通過(guo)一個線(xian)(xian)圈(quan)時(shi)(shi)所產生磁(ci)場(chang)(chang)的(de)(de)√3（≈1.72）倍(bei)。這也會產生相(xiang)對于永磁(ci)體(ti)的(de)(de)磁(ci)場(chang)(chang)成90°角的(de)(de)合成磁(ci)場(chang)(chang)，并(bing)順時(shi)(shi)針旋轉。

　　當根據旋(xuan)轉(zhuan)位置(zhi)減(jian)小線(xian)圈(quan)1的(de)流入電流Io、使線(xian)圈(quan)2的(de)流入電流從零開始增加(jia)、并使線(xian)圈(quan)3的(de)流出電流增加(jia)到Io時(shi)，合成磁(ci)場(chang)也(ye)順時(shi)針旋(xuan)轉(zhuan)，永磁(ci)體也(ye)繼續旋(xuan)轉(zhuan)。

　　※假設各(ge)(ge)相電流(liu)均(jun)為正弦波形，則(ze)此(ci)處的(de)(de)電流(liu)值為Io × sin(π?3)=Io × √3?2 通過磁(ci)場(chang)的(de)(de)矢(shi)量(liang)合成(cheng)，得到總磁(ci)場(chang)大(da)小(xiao)為一個(ge)線圈所產生磁(ci)場(chang)的(de)(de)(√3?2)2×2=1.5 倍。當各(ge)(ge)相電流(liu)均(jun)為正弦波時，無論永磁(ci)體的(de)(de)位置在哪，矢(shi)量(liang)合成(cheng)磁(ci)場(chang)的(de)(de)大(da)小(xiao)均(jun)為一個(ge)線圈所產生磁(ci)場(chang)的(de)(de)1.5倍，并且磁(ci)場(chang)相對于永磁(ci)體的(de)(de)磁(ci)場(chang)成(cheng)90°角。

　　③在繼續旋轉(zhuan)了30°的狀態(tai)下(xia)，電(dian)流(liu)Io/2流(liu)入線(xian)圈(quan)1，電(dian)流(liu)Io/2流(liu)入線(xian)圈(quan)2，電(dian)流(liu)Io從線(xian)圈(quan)3流(liu)出。

　　線圈1的(de)(de)(de)外側(ce)變(bian)為(wei)(wei)S極(ji)，線圈2的(de)(de)(de)外側(ce)也變(bian)為(wei)(wei)S極(ji)，線圈3的(de)(de)(de)外側(ce)變(bian)為(wei)(wei)N極(ji)。當矢量合成時，產(chan)生(sheng)(sheng)的(de)(de)(de)磁(ci)(ci)場(chang)是電流Io流過一個線圈時所產(chan)生(sheng)(sheng)磁(ci)(ci)場(chang)的(de)(de)(de)1.5倍（與①相同）。這里也會產(chan)生(sheng)(sheng)相對于(yu)永磁(ci)(ci)體的(de)(de)(de)磁(ci)(ci)場(chang)成90°角(jiao)的(de)(de)(de)合成磁(ci)(ci)場(chang)，并順時針旋轉。

　　以①～③相同(tong)的方(fang)式旋轉。

　　這樣，如(ru)果(guo)不斷根據永磁體的位置依次切換流入線(xian)圈的電(dian)流，則(ze)永磁體將沿固定方向旋轉。同(tong)樣，如(ru)果(guo)使(shi)(shi)電(dian)流反(fan)向流動并使(shi)(shi)合成磁場方向相反(fan)，則(ze)會逆時針旋轉。

　　下圖連(lian)續(xu)顯示了(le)上(shang)述(shu)①～⑥每個(ge)步驟的(de)每個(ge)線圈的(de)電(dian)流。通過以上(shang)介紹(shao)，應(ying)該可以理解(jie)電(dian)流變化(hua)與旋轉之間的(de)關系了(le)。

　　NACHI電(dian)機是一(yi)種可以(yi)與脈(mo)沖信號(hao)同步(bu)準確(que)地控(kong)制旋轉角度(du)和(he)轉速的電(dian)機，步(bu)進電(dian)機的也稱為“脈(mo)沖電(dian)機"。由(you)于步(bu)進電(dian)機無(wu)需(xu)使用位(wei)置傳感器僅通過(guo)開環控(kong)制即可實現準確(que)的定位(wei)而被廣(guang)泛用于需(xu)要定位(wei)的設備中(zhong)。

　　步(bu)進電機(ji)的(de)結(jie)構(gou)（兩相雙極）

　　下圖(tu)從左到右分別是步進(jin)電(dian)機的外觀示例(li)、內部(bu)結構(gou)簡圖(tu)和(he)結構(gou)概念(nian)簡圖(tu)。

　　NACHI電機(ji)在(zai)外觀示例(li)中，給出的(de)(de)(de)是HB（混(hun)合(he)）型和(he)PM（永磁）型步進電機(ji)的(de)(de)(de)外觀。在(zai)中間的(de)(de)(de)結(jie)構圖給出的(de)(de)(de)也(ye)是HB型和(he)PM型的(de)(de)(de)結(jie)構。

　　步(bu)進電(dian)(dian)機(ji)是線(xian)(xian)圈(quan)(quan)固定、永磁體旋(xuan)轉的(de)結(jie)構。右側(ce)的(de)步(bu)進電(dian)(dian)機(ji)內部(bu)結(jie)構概念圖是使用兩相(xiang)(xiang)（兩組）線(xian)(xian)圈(quan)(quan)的(de)PM電(dian)(dian)機(ji)示(shi)例(li)。在步(bu)進電(dian)(dian)機(ji)基本結(jie)構示(shi)例(li)中，線(xian)(xian)圈(quan)(quan)配(pei)(pei)置在外側(ce)，永磁體配(pei)(pei)置在內側(ce)。線(xian)(xian)圈(quan)(quan)除了兩相(xiang)(xiang)外，還有(you)三相(xiang)(xiang)和五相(xiang)(xiang)等(deng)相(xiang)(xiang)數較多的(de)類型。

　　有(you)些NACHI電(dian)機具有(you)其他(ta)不同的結構(gou)(gou)，但(dan)是為了(le)便于介紹其工作原理而在本(ben)(ben)文中(zhong)給(gei)出了(le)基(ji)本(ben)(ben)結構(gou)(gou)的步進(jin)(jin)電(dian)機。通過本(ben)(ben)文希望了(le)解步進(jin)(jin)電(dian)機基(ji)本(ben)(ben)上(shang)采用線圈固定、永磁(ci)體旋轉(zhuan)的結構(gou)(gou)。

　　NACHI電機的基(ji)本(ben)工(gong)作原理（單(dan)相勵(li)磁）

　　下(xia)(xia)面(mian)(mian)使用下(xia)(xia)圖(tu)來介紹步(bu)進(jin)電機(ji)的基本工作原理。這是(shi)上面(mian)(mian)兩相(xiang)雙極型(xing)線圈(quan)(quan)每一相(xiang)（一組線圈(quan)(quan)）的勵磁示(shi)例。該圖(tu)的前(qian)提(ti)是(shi)狀態(tai)從①到④變化。線圈(quan)(quan)分別由線圈(quan)(quan)1和線圈(quan)(quan)2組成。另外(wai)，電流箭頭表示(shi)電流流動方向。

　　NACHI電機這三種(zhong)電機的大(da)概構造和對(dui)比。這些電機的基本組成部件主要為線(xian)圈、磁(ci)鐵和轉(zhuan)子，另外由(you)于(yu)種(zhong)類不(bu)同(tong)，又分(fen)線(xian)圈固(gu)定(ding)型和磁(ci)鐵固(gu)定(ding)型。

　　NACHI電(dian)機以下(xia)為與示(shi)例圖相關的結構說(shuo)明(ming)。由于更(geng)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(jia)下(xia)的結構。

　　這里的步(bu)進電機的線圈在外側固定，磁鐵(tie)在內側旋轉。

　　這(zhe)里的(de)有(you)刷直流電機的(de)磁鐵在(zai)外側(ce)(ce)固(gu)定(ding)，線圈在(zai)內側(ce)(ce)旋轉。由電刷和(he)換向(xiang)器（commutator）負責向(xiang)線圈供電和(he)改變電流方向(xiang)。

　　這里的無刷電機(ji)的線圈在外(wai)側固定，磁鐵在內側旋轉。

　　由于馬達電(dian)機種(zhong)類(lei)不同(tong)，即使基本(ben)組成部件相(xiang)同(tong)其結(jie)構也有不同(tong)。具體將在各(ge)部分進(jin)行詳細說明。

　　NACHI電機(ji)下面(mian)是(shi)經常(chang)在模型中使用的(de)有(you)刷直流電機(ji)的(de)外(wai)觀，以(yi)及普(pu)通的(de)兩極（2個磁體）三槽（3個線圈(quan)）型電機(ji)的(de)分解示意圖(tu)。也許(xu)很多人都有(you)拆卸(xie)電機(ji)、拿出磁鐵(tie)的(de)經驗。

　　可以(yi)看(kan)到有刷直流電(dian)(dian)機的永磁體是(shi)固定的，有刷直流電(dian)(dian)機的線圈可以(yi)繞內部中(zhong)心旋(xuan)(xuan)轉。固定側稱(cheng)為“定子"，旋(xuan)(xuan)轉側稱(cheng)為“轉子"。

　　NACHI電機的(de)外圍(wei)有三個換向器（用于電流(liu)切換的(de)彎曲金屬(shu)片）。為了(le)避免(mian)彼此接觸，換向器之間間隔120°（360°÷3枚）配置。換向器隨(sui)著軸的(de)旋轉(zhuan)(zhuan)而旋轉(zhuan)(zhuan)。

　　一(yi)個(ge)換(huan)向器(qi)(qi)連接有(you)一(yi)個(ge)線(xian)圈(quan)端和另一(yi)個(ge)線(xian)圈(quan)端，并且三(san)個(ge)換(huan)向器(qi)(qi)和三(san)個(ge)線(xian)圈(quan)作為電(dian)路網形成一(yi)個(ge)整(zheng)體（環形）。

　　兩個電(dian)(dian)刷(shua)被固(gu)定在0°和(he)180°處，以便(bian)與換(huan)向器(qi)接觸。外部直流(liu)電(dian)(dian)源與電(dian)(dian)刷(shua)相連接，電(dian)(dian)流(liu)按電(dian)(dian)刷(shua)→換(huan)向器(qi)→線(xian)圈→電(dian)(dian)刷(shua)的路徑流(liu)動。

　　① NACHI電(dian)機(ji)而由于線(xian)(xian)圈(quan)(quan)A的(de)電(dian)流的(de)1/2從(cong)左電(dian)刷(shua)流向線(xian)(xian)圈(quan)(quan)B和(he)線(xian)(xian)圈(quan)(quan)C的(de)方(fang)向與線(xian)(xian)圈(quan)(quan)A相反，因(yin)此線(xian)(xian)圈(quan)(quan)B和(he)線(xian)(xian)圈(quan)(quan)C的(de)外側變為弱N極（在圖(tu)中(zhong)用略小字母表示）。

　　這些線圈中產生的磁(ci)場以及磁(ci)體(ti)的排斥(chi)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(xia)來(lai)，假設(she)在線圈(quan)A逆時(shi)針旋轉30°的狀態下(xia)，右電刷與兩個換(huan)向器接觸。

　　線(xian)圈(quan)A的電流持(chi)續(xu)從左電刷流過右電刷，并且線(xian)圈(quan)的外(wai)側(ce)保持(chi)S極(ji)。

　　與線圈A相(xiang)同的(de)電流流經線圈B，并且線圈B的(de)外側變(bian)為較強(qiang)的(de)N極(ji)。

　　由于(yu)線(xian)圈(quan)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(ji)使在(zai)這(zhe)種情況下，也會受到逆時針旋轉的力(li)。

　　從③到(dao)(dao)④上側的(de)線(xian)圈(quan)持續受(shou)到(dao)(dao)向(xiang)左動(dong)的(de)力，下部的(de)線(xian)圈(quan)持續受(shou)到(dao)(dao)向(xiang)右動(dong)的(de)力，并(bing)繼(ji)續逆時針方向(xiang)旋轉(zhuan)

　　在線圈(quan)每30°旋轉(zhuan)到③和④狀態(tai)下，當線圈(quan)位于中心水平軸上方時(shi)，線圈(quan)的外側變為S極(ji)；當線圈(quan)位于下方時(shi)變為N極(ji)，并且(qie)反復(fu)該運(yun)動。

　　換句話(hua)說，上側(ce)線圈反復(fu)受(shou)到(dao)向左動(dong)的力(li)(li)，下側(ce)線圈反復(fu)受(shou)到(dao)向右動(dong)的力(li)(li)（均為逆時(shi)針方向）。這使轉子始(shi)終逆時(shi)針旋轉。

　　如果將電源連接到(dao)(dao)相對(dui)的(de)左電刷(shua)（-）和右電刷(shua)（+），則線(xian)圈中會產(chan)生方(fang)向相反(fan)的(de)磁(ci)場，因此施加到(dao)(dao)線(xian)圈上(shang)的(de)力(li)的(de)方(fang)向也相反(fan)，變為順時針旋轉(zhuan)。

　　此(ci)外，當斷(duan)開電(dian)源時，有刷電(dian)機的轉子會因沒有了使之(zhi)繼(ji)續旋轉的磁場(chang)而停止旋轉。