Как работает постоянный токовый электродвигатель?

DC электрический мотор — это электромеханическое устройство, которое преобразует электрическую энергию в механическую энергию через электромагнитные взаимодействия. Его работа основана на фундаментальном принципе электромагнитной силы — когда проводник с током помещается в магнитное поле, он испытывает силу, которая вызывает механическое движение. Основные компоненты и рабочий процесс можно разбить на следующие ключевые этапы:

​

Основные компоненты DC-двигателя​

Типичный DC мотор состоит из четырех основных частей:​

Статор: Неподвижная часть, обычно состоящая из постоянных магнитов или электромагнитов (обмотки поля), которая генерирует постоянное магнитное поле (основное магнитное поле) с фиксированными северным (N) и южным (S) полюсами.

Ротор (Якорь): Вращающаяся часть, состоящая из цилиндрического железного сердечника с вмонтированными обмотками якоря (катушками), которые проводят ток.

Коммутатор: Устройство в виде разрезного кольца, прикрепленное к валу ротора, которое изменяет направление тока в обмотках якоря по мере вращения ротора.​

Щетки: Кондуктивные контакты (часто изготовленные из углерода), которые скользят по коллектору, supplying direct current from an external power source to the armature windings.​

Принцип работы: от электрической энергии к механическому движению

Операция DC моторразворачивается в три последовательных этапа, управляемых электромагнитными взаимодействиями:​

Когда обмотки статора (или постоянные магниты) подаются в напряжение, создается однородное магнитное поле между полюсами N и S, с магнитными линиями силы, протекающими от N к S. Это формирует "сцену" для генерации электромагнитной силы.

2. Ток в обмотке якоря​

Внешний постоянный ток проходит через щетки, коллектор и попадает в обмотки якоря, превращая их в проводники, несущие ток. Эти проводники погружены в магнитное поле статора, удовлетворяя условию для электромагнитной силы (Левое правило Флеминга: если большой палец, указательный и средний пальцы левой руки взаимно перпендикулярны, при этом указательный палец указывает в направлении магнитного поля (севера на юг), а средний палец - в направлении тока, то большой палец указывает направление силы на проводнике).​

3. Ротация и коммутация​

Сила, действующая на обмотки якоря, создает момент, который вращает ротор. По мере вращения ротора коллектор — разделенный на два или более сегмента — вращается вместе с ним. Когда ротор достигает положения, в котором обмотки перпендикулярны магнитному полю (нейтральная плоскость), сегменты коллектора переключают контакт с щетками, изменяя направление тока в обмотках. Это изменение направления обеспечивает продолжение действия силы на обмотки в том же вращательном направлении, поддерживая непрерывное вращение.

Ключевые характеристики, обеспечивающие непрерывную работу

Односторонний крутящий момент: Критическая роль коллектора в обратном токе в нужный момент предотвращает реверс крутящего момента, обеспечивая вращение ротора в постоянном направлении.​

Стабильное магнитное поле: Фиксированное магнитное поле статора обеспечивает постоянный "эталон" для электромагнитной силы якоря, что позволяет предсказуемое и контролируемое вращение.​

В заключение, DC мотор преобразует электрическую энергию в механическое движение через взаимодействие магнитного поля статора и обмоток якоря, несущих ток, при этом коммутатор обеспечивает непрерывное вращение за счет своевременного изменения направления тока. Этот принцип делает DC моторы широко используемыми в приложениях, требующих точного контроля скорости и крутящего момента, от небольших бытовых приборов до промышленного оборудования.