DCモーターの動作原理

直流機械 (DC 機械) とは、電気エネルギーを直流から機械エネルギーに変換する (DC モーターとして)、または機械エネルギーを直流電気エネルギーに変換する (DC 発電機として) ことができる回転モーターを指します。電気エネルギーと機械エネルギーの相互変換を促進するモーターの一種です。モーターとして動作する場合、DC モーターとして機能し、電気エネルギーを機械エネルギーに変換します。発電機として動作する場合、DC 発電機として機能し、機械エネルギーを電気エネルギーに変換します。

 

構成構造

DC モーターの構造は、ステーターとローターの 2 つの主要な部分で構成されます。 DC モーターの動作中の固定部分はステーターと呼ばれます。ステーターの主な機能は磁場を生成することであり、磁場はモーター ベース、主磁極、反転極、エンド キャップ、ベアリング、ブラシ デバイスで構成されます。動作時に回転する部分をロータといい、主に電磁トルクと誘導起電力が発生します。 DC モーターのエネルギー変換のハブであるため、通常はアーマチュアと呼ばれ、シャフト、アーマチュア コア、アーマチュア巻線、整流子、ファンで構成されます。

 

主磁極

主磁極の機能は、エアギャップ磁場を生成することです。主磁極は主磁極鉄心と励磁巻線の2つの部分から構成されます。鉄心は一般に厚さ0.5mm～1.5mmの珪素鋼板をプレスしリベット留めして作られます。ポール本体とポールシューの2つの部分に分かれています。励磁巻線の上側の部分をポールボディ、下側の幅広になっている部分をポールシューと呼びます。ポールシューはポール本体よりも幅が広く、エアギャップ内の磁場の分布を調整し、励磁巻線の固定を容易にすることができます。励磁巻線は絶縁銅線でできており、主磁極コアに巻き付けられています。主磁極全体がネジで機械ベースに固定されており、

逆極

反転極の機能は、転流を改善し、モーター動作中に電気ブラシと整流子の間で発生する可能性のある転流火花を減らすことです。通常、隣接する 2 つの主磁極の間に設置され、反転極鉄心と反転極巻線で構成されます。逆極巻線は、逆極鉄心に絶縁電線を巻いたもので、逆極の数は主磁極と同数です。

 

マシンベース

モーターステーターの外殻はベースと呼ばれます。マシンベースの機能は 2 つあります。

1 つは主磁極、反転極、エンドカバーの固定と、モーター全体の支持と固定に使用されます。

次に、マシンベース自体も磁気回路の一部であり、磁極間の磁路を形成します。磁束が通過する部分を磁気ヨークといいます。機械ベースは十分な機械的強度と良好な磁気伝導性を確保するために、一般に鋳鋼で作られるか、鋼板を溶接して作られます。

 

電動ブラシ装置

電気ブラシ装置は、直流電圧および直流電流を導入または抽出するために使用されます。電動ブラシ装置は、電動ブラシ、ブラシホルダー、ブラシロッド、ブラシロッドホルダーから構成されます。電気ブラシはブラシ ホルダー内に配置され、ブラシと整流子の間の良好な滑り接触を確保するためにスプリングで圧縮されます。ブラシ ホルダーはブラシ ロッドに固定されており、ブラシ ロッドは円形のブラシ ロッド シートに取り付けられており、相互に絶縁されている必要があります。ブラシロッドシートはエンドカバーまたは軸受内カバーに取り付けられ、周方向の位置調整が可能です。調整後は固定となります。

 

(1)電機子鉄心

電機子コアは主磁気回路の主要部分であり、電機子巻線を埋め込むために使用されます。一般的な電機子鉄心は、モータ運転時に電機子鉄心に発生する渦電流やヒステリシス損を低減するために、厚さ0.5mmの珪素鋼板を打ち抜いて積層したものです。積層鉄心はシャフトまたはローターブラケットに固定されます。鉄心の外周には電機子スロットがあり、そこに電機子巻線が埋め込まれています。

(2)電機子巻線

電機子巻線の機能は、電磁トルクと誘導起電力を発生することであり、DC モーターのエネルギー変換の重要な部品であるため、アーマチュアと呼ばれます。多数のコイル（以下、コンポーネント）が一定の法則に従って接続されて構成されています。コイルは、高強度エナメル線またはガラス繊維で包まれた平角銅線で巻かれています。-異なるコイルのコイルエッジは上層と下層に分割され、アーマチュアスロットに埋め込まれます。コイルと鉄心の間、およびコイルの上下エッジ間の絶縁は適切に維持されなければなりません。遠心力によってコイルのエッジがスロットから飛び出すのを防ぐために、スロットはスロットウェッジで固定されています。スロットから出たコイルの端接続部を熱硬化性ガラス不織布テープで縛ります。{7}}

 

(3)整流子

DC モーターでは、整流子には電気ブラシが装備されており、外部 DC 電力を電機子コイル内の交流に変換し、電磁トルクの方向を一定に保ちます。直流発電機では、整流子に電気ブラシが装備されており、電機子コイルに誘起された交流起電力を正負の電気ブラシから引き出される直接起電力に変換できます。整流子は、多数の整流子セグメントで構成された円筒体で、それらの間はマイカシートで絶縁されています。

 

(4)回転軸

シャフトはローターの回転を支える役割を果たし、ある程度の機械的強度と剛性が必要です。一般的には丸鋼から加工されます

主なカテゴリー

 

(5)直流発電機

DC 発電機は、機械エネルギーを DC 電気エネルギーに変換する機械です。主に直流モーター、電気分解、電気メッキ、電気製錬、充電、交流発電機などの励磁電源として使用されます。電力整流器コンポーネントは、交流を直流に変換するために直流が必要な場所でも使用されますが、特定の性能面の観点から、交流整流器電源は直流発電機を完全に置き換えることはできません。

(6)DCモーター

直流エネルギーを機械エネルギーに変換する回転装置。電気モーターの固定子は磁場を提供し、DC 電源は回転子の巻線に電流を供給し、整流子は回転子電流の方向と磁場によって生成されるトルクを一定に保ちます。 DC モーターは、一般的に使用されるブラシ付き整流子が装備されているかどうかに基づいて、ブラシ付き DC モーターとブラシレス DC モーターを含む 2 つのカテゴリに分類できます。

ブラシレス DC モーターは、マイクロプロセッサ技術の発展、高いスイッチング周波数と低消費電力を備えた新しいパワー エレクトロニクス デバイスの応用、制御方法の最適化、低コストで磁気エネルギー レベルの高い永久磁石材料の出現により、近年開発された新しいタイプの DC モーターです。{0}}

(7)制御原理

ブラシレス DC モーターの制御原理は、モーターを回転させるために、制御ユニットがまずホール センサーによって検出されたモーター ローターの位置を決定し、次にステーター巻線に応じてインバーター内のパワー トランジスタをオン (またはオフ) する順序を決定する必要があるということです。インバータ内のAH、BH、CH（これらを上アームパワートランジスタといいます）、AL、BL、CL（これらを下アームパワートランジスタといいます）は、モータのコイルに順に電流を流すことにより正回転（または逆転）の回転磁界を発生させ、ロータの磁石と相互作用してモータを右回転／左回転させます。モーターローターが別のセットの信号がホールセンサーによって感知される位置まで回転すると、制御ユニットは次のセットのパワートランジスタをオンにし、制御ユニットがモーターローターを停止してパワートランジスタをオフにする（または下アームのパワートランジスタのみをオンにする）ことを決定するまで、サイクリックモーターは同じ方向に回転し続けることができます。モータのロータを逆にすると、パワートランジスタの作動順序が逆になります。

 

基本的にパワートランジスタのオープン方法は、AH、BLグループ→AH、CLグループ→BH、CLグループ→BH、ALグループ→CH、ALグループ→CH、BLグループが例示されますが、AH、ALまたはBH、BLまたはCH、CLとしてオープンしてはなりません。さらに、電子部品には常にスイッチ応答時間が存在するため、スイッチをオフまたはオンにする際にはパワー トランジスタの応答時間を考慮する必要があります。上アーム（または下アーム）が完全にオフになっていないと、すでに下アーム（または上アーム）がオンになってしまい、上下アーム間が短絡してパワートランジスタが焼損してしまいます。

 

モーターが回転すると、コントロールユニットはドライバーが設定した速度と加減速度からなる指令とホールセンサー信号の変化速度（またはソフトウェアで計算）を比較し、次のスイッチセット（AH、BLまたはAH、CLまたはBH、CLまたは...）をオンにするかどうか、およびオン時間を決定します。速度が十分でない場合は延長されます。速度が速すぎると短くなります。作業のこの部分は PWM によって完了します。 PWM はモーターの速度が速いか遅いかを判断する方法であり、この PWM をどのように生成するかが、より正確な速度制御を実現するための核心となります。

 

高速制御では、システムのクロック分解能がソフトウェア命令の処理時間を把握するのに十分であるかどうかを考慮する必要があります。{0}さらに、ホール センサー信号の変化に対するデータ アクセス方法も、プロセッサのパフォーマンス、判定精度、リアルタイム パフォーマンスに影響します。-低速速度制御、特に低速始動では、返されるホールセンサー信号の変化が遅くなります。信号を抽出し、適切なタイミングで処理し、モーターの特性に応じて制御パラメータの値を適切に設定することが非常に重要です。あるいは、エンコーダの変更に基づいて速度フィードバックを調整して、信号の分解能を高めて制御を向上させることもできます。モーターはスムーズな動作と応答性を備えており、PID 制御の適切性も無視できません。前述したように、ブラシレス DC モーターは閉ループ制御であるため、フィードバック信号は、モーター速度が目標速度とまだどの程度異なっているか、つまり誤差を制御部門に伝えることと同じです。誤差を知るには当然補償が必要ですが、これは PID 制御などの従来の工学制御によって実現できます。しかし、制御の状態と環境は実際には複雑であり、常に変化しています。-堅牢で耐久性のある制御を実現するために、考慮する必要がある要素は、従来のエンジニアリング制御では完全に習得できない可能性があります。したがって、ファジィ制御、エキスパート システム、ニューラル ネットワークもインテリジェント PID 制御の重要な理論として含まれることになります。