자기장에서 회전까지 : DC 모터가 회전하는 이유를 이해하는 기사

Apr 25, 2025

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이전 기사에서 우리는 이미 예비 이해를 가졌습니다.DC 모터가 무엇인지, 기본 구조의 일부 부분과 삶과 산업의 광범위한 응용 분야로 구성됩니다. 이 기사에서는 "DC 모터가 왜 회전 할 수 있고 작동 원리가 무엇인지"더 깊이 설명 할 것입니다.

우리는 DC 모터의 회전에는 전류, 자기장 및 복잡한 코일 구조가 필요하지만 전기, 자기 및 코일이 어떻게 서로 반응하고, 어떤 물리 법칙이 어떻게 고정 된 구성 요소가 지속적으로 회전하기 시작할 수 있습니까?

다음 내용에서 이러한 문제를 하나씩 설명하므로 시작하겠습니다.

핵심 원리 해체 : 전류 + 자기장=힘

DC 모터가 회전 할 수있는 이유를 진정으로 이해하려면 매우 기본적인 물리 법칙을 알아야합니다.암페어의 법칙.

전기 모터의 기본 원리 : 암페어의 힘 법칙 (F=bil)

물리학에는 다음과 같은 법이 있습니다.

전류가 와이어를 통과하고 자기장에 있으면 자기장에 의해 작용됩니다.

이 힘의 크기는 다음 공식에 의해 결정됩니다.

f=b × i × l × sinθ

F : 힘

B : 자기장 강도

I : 현재 강도

L : 와이어 길이

θ : 현재 방향과 자기장 방향 사이의 각도

이 힘은 우리가 종종 "암페어 힘"이라고 부르는 것입니다.

전도성 코일에 자석을 넣을 때와 마찬가지로 신비하지 않습니다. 전류와 자기장 사이의 상호 작용 인 "푸시"또는 "당기기"힘을 느낄 수 있습니다.

간단히 말하면 : 전류는 자기장을 통과합니다 → 힘이 와이어에 적용됩니다 → 와이어 이동

이것은 모터가 움직이는 기초입니다.

Schematic diagram of current loop and magnetic field force

DC 모터는이 힘을 어떻게 "연속 회전"으로 바꾸나요?

이전에 우리는 와이어가 강제로 가해 졌다고 말했습니다. 그러나 모터에서는 와이어가 아니라 코일 와인딩 그룹입니다. 우리는이를 전기자 코일이라고하며 자유롭게 회전 할 수있는 로터에 설치됩니다.

전류는 전원에서 코일로 흐르고 코일은 힘을 생성하고 로터가 회전하기 시작합니다. 다음은 질문입니다.

힘이 한 번만 적용되면 로터는 한 번만 회전 한 다음 정지 한 다음 연속적으로 회전 할 수 없습니까?

예, DC 모터 내부에 설계된 매우 중요한 구조가 있습니다.

이 작은 구성 요소의 기능은 전기자 회전 동안 코일의 전류 방향을 자동으로 전환하는 것입니다. 이것의 장점은 전류가 방향을 바꾸지 만 자기장의 "힘 방향"은 일관성을 유지하여 로터가 계속 회전 할 수 있다는 것입니다.

정류기를 회전하는 동안 "지속적으로 뒤집는"스위치로 생각할 수 있습니다. 브러시와 함께 작동하여 항상 전류가 "올바른 방향으로 흐르고"안정적인 회전을 유지합니다.

주요 구성 요소 및 힘 형성 과정

DC 모터가 "이동"할 수있는 이유는 전류 및 자기장 때문일뿐만 아니라 "전기자 코일", "통근자"및 "브러시"를 포함하여 일련의 정밀 구성 요소의 조정 된 작업 때문입니다. 더 간단한 이해를 위해 여기서 설명은 브러시 된 DC 모터를 기반으로합니다.

How to achieve stable rotation of DC motor

1. 전기자 코일 : 전류의 "트랙"

DC 모터에서, 전기자 코일 (로터 권선이라고도 함)은 암페어 힘의 직접 캐리어입니다. 전류가 외부 전원에서 모터로 들어가면 슬롯에 분포 된이 코일을 통해 힘이 자기장에 적용됩니다. 코일은 로터에 대칭 적으로 분포되기 때문에,이 힘은 서로 협력하여 안정적이고 균형 잡힌 회전 토크 (토크)를 형성합니다.

다음과 같이 이해할 수 있습니다.

와이어의 각 섹션은 전류가 작동하는 "트랙"과 같으며 자기장은 "구동력"을 행사하기위한 심판 역할을합니다. 여러 코일이 함께 결합되면 팀과 같으며 원으로 달리기로 달리며 결국 연속 토크를 생성합니다.

또한, 전기자 코일이 많을수록 모터가 더 부드럽고 출력 토크 변동이 작을 수 있습니다.

2. 정류자와 브러시 : 전류를 뒤집는 마술사

전류를 코일을 통해 흐르는 것만으로는 충분하지 않습니다. 전기자를 같은 방향으로 일정한 힘으로 유지하기 위해 전류의 방향은 반전마다 반전되어야하며, 이는 정류자의 작업입니다.

정류자는 고정자의 브러시와 접촉하는 샤프트에 고정 된 구리판의 구조입니다. 로터가 회전함에 따라 브러시는 다른 구리판 위로 미끄러 져 전류가 "자동 재시험"을 초래합니다. 그렇기 때문에 코일이 반 돌린 후에도 와이어의 힘이 같은 방향으로 유지됩니다.

다시 말해, 통근자는 신호등을 자동으로 조정하여 현재가 "부드럽게 흐르고 회전 리듬을 유지하는지 확인하는 시스템과 같습니다.

그렇다면 브러시와 통근자는 종종 가장 빠르게 착용하는 부품입니까?

연속 접촉 및 마찰 상태에 있기 때문에 고속과 고전류에서 스파크 및 가열이 발생하며 수명은 장기 작동 하에서 제한됩니다. 따라서 고성능 모터 (예 : 브러시리스 DC 모터)에서 사람들은 전자 정류를 사용하여 구조 의이 부분을 대체합니다.

토크 및 속도 : 모터 출력이 조절되는 방법

DC 모터는 단순히 "회전"에 관한 것이 아니라 "빠르게 회전"하고 "폭력적으로 회전 할 수 있으며"다른 하중에서 안정적인 출력을 유지할 수 있습니다. 그렇다면 모터의 속도 (RPM) 및 토크 (토크)는 어떻게 제어됩니까? 다음 측면에서 이해할 수 있습니다.

1. 전압, 전류, 속도 및 토크 간의 관계

DC 모터의 출력 특성은 입력 전압 및 전류와 밀접한 관련이 있습니다.

전압은 속도를 결정합니다

부하가 변경되지 않은 전제에 따라 DC 모터의 속도는 전압에 대략 비례합니다.

· 전압 감소 → 속도 감소

· 전압 증가 → 속도가 증가합니다

전류는 토크에 영향을 미칩니다

전류가 클수록 코일을 통해 암페어 힘이 강하고 출력 토크가 커집니다.

· 더 많은 전류 → 더 많은 토크 (그러나 과열이 더 발생하기 쉬운)

그렇기 때문에 전기 자동차가 가속화 될 때 더 많은 전류가 필요하고 일정한 속도로 순항 할 때 전류가 감소합니다.

2. 부하 하에서 모터가 어떻게 "자체 조절"하는가?

모터에 의해 구동되는 하중이 더 무겁게되면 (전기 자전거에 앉아있는 두 사람과 같이) 로터의 움직임은 더 큰 저항에 부응하고 속도가 자연스럽게 감소합니다. 이 시점에서, 전기자 코일의 후면 전자력은 감소하여 모터로 더 많은 전류가 흐르도록하여 출력 토크를 자동으로 증가시키고, 하중에 저항하며, 회전을 유지합니다.

이 "적응 형"메커니즘은 DC 모터가 매우 실용적인 이유 중 하나입니다.

3. PWM 제어 : 전압 제어의 변화

전류 모터 제어에서 전원 공급 장치 전압은 직접 조정되지 않습니다. 대신, PWM (펄스 폭 변조)이라는 방법을 사용하여 "가변 전압"효과를 시뮬레이션합니다.

간단히 :

컨트롤러는 전원을 빠르게 켜고 끄는 데 빠르게 전환하여 모터가 고주파 "Off-On-Off"스위칭 사이클로 작동 할 수 있습니다.

"ON"시간 비율 (듀티 사이클)을 조정하면 다른 평균 전압을 시뮬레이션 할 수 있습니다.

예를 들어:

50% 듀티 사이클 ≈ 하프 전압 공급 → 속도는 최대 속도의 절반입니다.

90% 듀티 사이클 ≈ 고전압 공급 → 전속 속도에 가까운 속도

PWM은 정확한 제어를 할뿐만 아니라 에너지 손실을 줄입니다. 현대적인 DC 모터 제어 시스템의 핵심 수단입니다.

다양한 유형의 DC 모터의 작업 원리의 유사점과 차이

이전 컨텐츠에서는 브러시드 영구 자석 DC 모터를 예로 사용하여 작업 원리를 설명했지만 실제로 "DC 모터"는 단일 구조가 아닙니다. 정류 방법, 자기장 소스 등에 따라 설계 형식이 다를 수 있습니다.

그렇다면 이러한 다양한 유형의 DC 모터가 같은 방식으로 작동합니까? 주요 차이점은 무엇입니까? 봅시다.

1. 브러시와 브러시리스 : 정류 메커니즘의 차이

브러시 된 DC 모터

정류 방법 : 기계식 통근자 + 브러시에 의존하여 현재 방향의 역전을 완료하십시오.

특징 : 간단한 구조, 제어하기 쉬운, 저렴한 가격이지만 브러시는 착용하기 쉽고 정기적 인 유지 보수가 필요합니다.

브러시리스 DC 모터 (BLDC)

정류 방법 : 위치 센서 및 컨트롤러를 통해 전자 정류를하여 로터 위치를 결정하고 에너지 코일을 변경합니다.

특징 : 고효율, 장수, 저음, 고성능 (드론, 전동 공구, 전기 자동차 등)이 필요한 시나리오에 적합합니다.

핵심 차이 요약 :

프로젝트	브러시 된 모터	브러시리스 모터
정류 방법	기계식 정류자	전자 제어
유지 보수 빈도	높은	낮은
서비스 수명	비교적 짧습니다	더 길게
비용	낮은	더 높은
제어 난이도	낮은	중간에서 최고

2. 영구 자석 대 흥분 : 다른 자기장의 공급원

영구 자석 DC 모터 (PMDC 모터)

· 자기장 소스 : 안정적인 자기장과 소형 구조와 함께 영구 자석이 사용됩니다.

장점 : 작은 크기, 고효율, 마이크로 모터, 휴대용 장치, 전기 자동차 등에 일반적으로 사용됩니다.

단점 : 자석은 내열성이 제한되어 있으며 자기장 강도를 조정할 수 없습니다.

흥분된 DC 모터

· 자기장 소스 : 자기장은 여기 코일에 의해 생성되며, 이는 일련의 여기, 병렬 여기, 복합 여기 및 기타 구조 일 수 있습니다.

장점 : 자기장은 조절 가능하며, 산업용 리프팅 장비, 엘리베이터 등과 같은 큰 시작 토크 또는 가변 속도가 필요한 응용 분야에 적합합니다.

단점 : 더 복잡한 구조, 더 큰 부피, 약간 높은 에너지 소비.

자기장 차이 비교 :

프로젝트	영구 자석 모터	여기 모터
자기장 소스	영구 자석	여기 코일
자기장 조정 가능성	조정할 수 없습니다	조절할 수 있는
비용	상대적으로 낮습니다	약간 더 높습니다
응용 프로그램 시나리오	작고 휴대용	산업, 헤비 듀티

이에 비해 다른 유형의 DC 모터는 정류 메커니즘과 자기장 소스가 다르지만, 핵심 원리는 동일하다는 것을 알 수 있습니다. 자기장의 전류 가공 도체에 가해지는 힘을 사용하여 토크를 형성하여 회전을 구동합니다.

"변환하는 이유"에서 "더 나은 변화하는 방법"으로

이 시점에서 나는 당신이DC 모터가 무엇인지DC 모터가 회전 할 수있는 이유의 전체 과정. 물리적 원리 (Ampere 's Law), 주요 구성 요소 (Arcinature Coil, Commutator, Brush)의 조정 된 작업, 다양한 유형의 모터 (브러시\/브러시리스, 영구 자석\/여기)의 작동 메커니즘의 차이에 이르기까지 DC 모터는 "단순하지만 정교한 디자인"을 포함하는 기술이라고 말할 수 있습니다.