磁場から回転へ：DCモーターが回転する理由を理解するための記事

前の記事では、すでに予備的な理解がありましたDCモーターとは、その基本構造が構成している部分と、生命と産業における幅広いアプリケーションで構成されています。この記事では、「なぜDCモーターが回転できるのか、その動作の原理は何なのか」という詳細について説明します。

 

DCモーターの回転には、電流、磁場、複雑なコイル構造が必要であることがすでにわかっていますが、電気、磁気、コイルはどのように反応し、どのような物理的法則が一見静止した成分が継続的に回転し始めますか？

 

これらの問題を次のコンテンツで1つずつ説明しますので、始めましょう。

 

 

DCモーターが回転できる理由を本当に理解するには、物理​​学の非常に基本的な法則を知る必要があります - アンペアの法則。

 

電気モーターの基本原則：アンペアの力法（f=bil）

物理学には次のような法律があります。

電流がワイヤーを通過し、磁場にある場合、磁場によって作用されます。

 

この力の大きさは、次の式によって決まります。

f=b×i×l×sinθ

F：力

B：磁場強度

I：電流強度

L：ワイヤーの長さ

θ：電流方向と磁場方向の間の角度

この力は、私たちがしばしば「アンペア力」と呼ぶものです。

 

導電性コイルの近くに磁石を置くと、電流と磁場の相互作用である「押し」または「引っ張る」力を感じるように、それは神秘的ではありません。

 

簡単に言えば、電流通過磁場を通過→力がワイヤーに適用されます→ワイヤの動き

 

これがモーターが移動する基礎です。

 

DCモーターは、この力をどのようにして「連続回転」に変えますか？

以前には、ワイヤーが力にさらされると言いました。しかし、モーターでは、それはワイヤーではなく、コイル巻線のグループです。自由に回転できるローターに取り付けられるアーマチュアコイルと呼ばれます。

 

電流は電源からコイルに流れ、コイルは力を生成し、ローターは回転し始めます。ここに質問があります：

力が一度しか塗られていない場合、ローターは一度だけ回転してから停止し、連続的に回転できませんか？

 

はい、そのため、DCモーターの内部で設計された非常に重要な構造 - 整流子があります。

 

この小さなコンポーネントの機能は、アーマチュアの回転中にコイル内の電流の方向を自動的に切り替えることです。これの利点は、現在の方向が変化しますが、磁場の「力方向」が一貫しているため、ローターが回転し続けることです。

 

整流子は、回転中に「絶えず反転」するスイッチと考えることができます。それはブラシと連携して、常に現在の「正しい方向に流れる」を保ち、安定した回転を維持します。

 

 

DCモーターが安定して「動く」ことができる理由は、電流と磁場だけでなく、「アーマチュアコイル」、「産業者」、「ブラシ」などの一連の精密成分の調整された作業のためでもあります。簡単に理解するために、ここでの説明はブラシ付きDCモーターに基づいています。

 

1。アーマチュアコイル：電流の「トラック」

DCモーターでは、アーマチュアコイル（ローター巻線とも呼ばれます）は、アンペア力の直接キャリアです。電流が外部電源からモーターに入ると、力が磁場に適用されるのは、スロットに分布しているこれらのコイルを通してです。コイルはローターに対称的に分布しているため、これらの力は互いに協力して、安定したバランスの取れた回転トルク（トルク）を形成します。

 

次のように理解できます。

ワイヤの各セクションは、電流が実行される「トラック」のようなものであり、磁場は「駆動力」を発揮する審判として機能します。複数のコイルを組み合わせると、チームのようで、リズミカルにサークルで走り、最終的に連続トルクを生成します。

 

さらに、より多くのアーマチュアコイルがあるほど、モーターが滑らかになり、出力トルクの変動が小さくなります。

 

2。整理者とブラシ：電流を逆にする魔術師

電流がコイルを流れるのに十分ではありません - アーマチュアを同じ方向に一定の力で保つために、整流子の仕事である半ターンごとに電流の方向を逆転させる必要があります。

 

整流子は、ステーターのブラシと接触し続けるシャフトに固定された銅板の構造です。ローターが回転すると、ブラシが異なる銅板の上にスライドし、電流が「自動リバース」になります。これが、コイルが半分に変わった後でも、ワイヤの力が同じ方向にとどまる理由です。

 

言い換えれば、comutatorは信号機を自動的に調整して、現在の「滑らかに流れる」ことを保証し、回転リズムを維持するシステムのようなものです。

 

では、なぜブラシや整流器はしばしば最も速い着用部品なのでしょうか？

彼らは継続的な接触と摩擦の状態にあるため、高速と高電流で火をつけたり暖房したりする傾向があり、それらの寿命は長期運用下で制限されています。したがって、高性能モーター（ブラシレスDCモーターなど）では、人々は電子整流を使用して構造のこの部分を置き換えます。

 

 

DCモーターは、「回転」だけでなく、「速く回転」し、「激しく回転」し、さまざまな負荷の下で安定した出力を維持することもできます。それでは、モーターの制御された速度（rpm）とトルク（トルク）はどのようになりますか？次の側面から理解できます。

 

1。電圧、電流、速度、トルク間の関係

DCモーターの出力特性は、入力電圧と電流に密接に関連しています。

 

電圧は速度を決定します

負荷が変更されていないという前提で、DCモーターの速度は電圧にほぼ比例します。

・電圧削減→速度低下

・電圧の増加→速度が上昇します

 

電流はトルクに影響します

電流が大きいほど、コイルから生成されるアンペア力が強くなり、出力トルクが大きくなります。

・より多くの電流→より多くのトルク（ただし、過熱する傾向があります）

 

これが、電気自動車が加速するときにより電流を必要とする理由ですが、一定の速度で巡航すると電流が減少します。

 

2。負荷の下でモーターはどのように「自己調整」しますか？

モーターによって駆動される負荷が重くなると（電気自転車に座っている2人のように）、ローターの動きは抵抗が大きくなり、速度は自然に低下します。現時点では、アーマチュアコイルの逆電気力が減少し、モーターに流れる電流が増え、出力トルクが自動的に増加し、負荷に抵抗し、回転を維持します。

 

この「適応」メカニズムは、DCモーターが非常に実用的である理由の1つです。

 

3。PWM制御：電圧制御のバリエーション

現在のモーター制御では、電源電圧は直接調整されません。代わりに、PWM（パルス幅変調）と呼ばれる方法を使用して、「可変電圧」効果をシミュレートします。

 

簡単に言えば：

コントローラーは電源を迅速にオン \/オフにし、モーターが高周波の「オンオフオフオン」スイッチングサイクルで動作できるようにします。

「オン」時間比（デューティサイクル）を調整することにより、異なる平均電圧をシミュレートできます。

 

例えば：

50％デューティサイクル≈半分電圧供給→速度は全速数の半分です

90％デューティサイクル≈高電圧供給→フルスピードに近い速度

 

PWMは、正確な制御だけでなく、エネルギー損失を減らします。これは、最新のDCモーター制御システムの中核的な手段です。

 

 

以前のコンテンツでは、実用原理を説明するための例として、ブラシ付き永久磁石DCモーターを使用しましたが、実際には「DCモーター」は単一の構造ではありません。整流方法、磁場ソースなどに基づいて、設計形式で異なる場合があります。

 

それで、これらの異なるタイプのDCモーターは同じように機能しますか？重要な違いは何ですか？見てみましょう。

 

1。ブラシとブラシレス：整流メカニズムの違い

ブラシ付きDCモーター

整流方法：機械的整流子 +ブラシに依存して、電流方向の反転を完了します。

機能：シンプルな構造、制御が簡単で、低価格ですが、ブラシは簡単に着用でき、定期的なメンテナンスが必要です。

 

ブラシレスDCモーター（BLDC）

整流方法：電子整流、位置センサーとコントローラーを介して、ローターの位置を決定し、エネルギー化されたコイルを変更します。

機能：高効率、長寿命、低騒音、高性能（ドローン、電動工具、電気自動車など）を必要とするシナリオに適しています。

 

コアの違いの概要：

プロジェクト	ブラシ付きモーター	ブラシレスモーター
整流方法	機械整流子	電子制御
メンテナンス頻度	高い	低い
サービスライフ	比較的短い	長い
料金	低い	より高い
コントロールの難易度	低い	中から高

 

2。永久磁石と励起：磁場の異なる源

永久磁石DCモーター（PMDCモーター）

・磁場出典：安定した磁場とコンパクトな構造を備えた永久磁石が使用されます。

利点：小型、高効率、マイクロモーター、ポータブルデバイス、電気自動車などで一般的に使用されています。

短所：磁石の耐熱性は限られており、磁場強度は調整できません。

 

興奮したDCモーター

・磁場出典：磁場は、直列励起、平行励起、複合励起、その他の構造である励起コイルによって生成されます。

利点：磁場は調整可能であり、産業用リフティング機器、エレベーターなど、大きな開始トルクまたは可変速度を必要とするアプリケーションに適しています。

短所：より複雑な構造、より大きな体積、わずかに高いエネルギー消費。

 

磁場の違いの比較：

プロジェクト	永久磁石モーター	励起モーター
磁場ソース	永久磁石	励起コイル
磁場調整可能性	調整できません	調整可能
料金	比較的低い	わずかに高い
アプリケーションシナリオ	小さくてポータブル	産業、ヘビーデューティ

 

比較すると、異なるタイプのDCモーターは整流メカニズムと磁場の発生源が異なっていますが、それらのコア原理は同じです。磁場の電流運搬導体に加えられた力を使用してトルクを形成し、それによって回転を駆動することがわかります。

 

 

この時点で、私はあなたが完全に理解していると思いますDCモーターとはそして、DCモーターが回転できる理由の全体のプロセス。物理的原理（アンペアの法則）から、主要なコンポーネントの調整された作業（アーマチュアコイル、整流子、ブラシ）、さまざまな種類のモーター（ブラシ\/ブラシレス、永久磁石\/励起）の作業メカニズムの違いまで、DCモーターは、一見シンプルであると思われるテクノロジーであると言えます。

 

 

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