มอเตอร์ไฟฟ้า DC ทำงานอย่างไร?

มอเตอร์ไฟฟ้า DC เป็นอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่แปลงพลังงานไฟฟ้าเป็นพลังงานกลผ่านการโต้ตอบทางแม่เหล็กไฟฟ้า การทำงานของมันอิงตามหลักการพื้นฐานของแรงแม่เหล็กไฟฟ้า—เมื่อมีตัวนำที่มีการไหลของกระแสไฟฟ้าอยู่ในสนามแม่เหล็ก มันจะประสบกับแรงที่ขับเคลื่อนการเคลื่อนไหวทางกล ส่วนประกอบหลักและกระบวนการทำงานสามารถแบ่งออกเป็นขั้นตอนสำคัญดังต่อไปนี้:

​

ส่วนประกอบหลักของมอเตอร์กระแสตรง​

มอเตอร์ DC แบบทั่วไปประกอบด้วยสี่ส่วนที่สำคัญ:​

Stator: ส่วนที่ไม่เคลื่อนที่ ซึ่งมักประกอบด้วยแม่เหล็กถาวรหรือแม่เหล็กไฟฟ้า (การพันขดลวดสนาม) ซึ่งสร้างสนามแม่เหล็กคงที่ (สนามแม่เหล็กหลัก) ที่มีขั้วเหนือ (N) และขั้วใต้ (S) ที่คงที่​

โรเตอร์ (อาร์มature): ส่วนที่หมุนประกอบด้วยแกนเหล็กทรงกระบอกที่มีการพันขดลวดอาร์มature (ขดลวด) ที่นำกระแสไฟฟ้า

คอมมิวเตเตอร์: อุปกรณ์วงแหวนแยกที่ติดอยู่กับเพลาหมุน ซึ่งกลับทิศทางกระแสในขดลวดของอาร์มเจอร์เมื่อโรเตอร์หมุน​

แปรง: สัมผัสนำไฟฟ้า (มักทำจากคาร์บอน) ที่เลื่อนเข้าหากันกับคอมมิวเตเตอร์ ส่งกระแสตรงจากแหล่งจ่ายไฟภายนอกไปยังขดลวดของโรเตอร์​

หลักการทำงาน: จากพลังงานไฟฟ้าไปสู่การเคลื่อนไหวเชิงกล​

การดำเนินงานของ aมอเตอร์กระแสตรงเกิดขึ้นในสามขั้นตอนที่ต่อเนื่องกัน ซึ่งขับเคลื่อนโดยปฏิสัมพันธ์ทางแม่เหล็กไฟฟ้า:​

เมื่อขดลวดสนามของสเตเตอร์ (หรือแม่เหล็กถาวร) ถูกจ่ายไฟ จะเกิดสนามแม่เหล็กที่สม่ำเสมอระหว่างขั้ว N และ S โดยมีเส้นแรงแม่เหล็กไหลจาก N ไปยัง S สิ่งนี้สร้าง "เวที" สำหรับการสร้างแรงแม่เหล็กไฟฟ้า

2. กระแสไฟฟ้าในขดลวดโรเตอร์

กระแสไฟฟ้าภายนอก DC ไหลผ่านแปรง, ตัวเปลี่ยนทิศทาง, และเข้าสู่ขดลวดของโรเตอร์, เปลี่ยนให้เป็นตัวนำที่มีการนำกระแสไฟฟ้า ตัวนำเหล่านี้จมอยู่ในสนามแม่เหล็กของสเตเตอร์, ทำให้เป็นไปตามเงื่อนไขสำหรับแรงแม่เหล็กไฟฟ้า (กฎมือซ้ายของฟเลมมิง: หากนิ้วโป้ง, นิ้วชี้, และนิ้วกลางของมือซ้ายตั้งฉากต่อกัน, โดยนิ้วชี้ชี้ไปในทิศทางของสนามแม่เหล็ก (จาก N ไป S) และนิ้วกลางไปในทิศทางของกระแสไฟฟ้า, นิ้วโป้งจะแสดงทิศทางของแรงที่กระทำต่อผู้นำ).​

3. การหมุนและการสลับ​

แรงที่กระทำต่อขดลวดของโรเตอร์สร้างแรงบิดที่หมุนโรเตอร์ เมื่อโรเตอร์หมุน คอมมิวเตเตอร์—ซึ่งแบ่งออกเป็นสองส่วนหรือมากกว่า—จะหมุนไปพร้อมกับมัน เมื่อโรเตอร์ถึงตำแหน่งที่ขดลวดตั้งฉากกับสนามแม่เหล็ก (ระนาบเป็นกลาง) ส่วนของคอมมิวเตเตอร์จะเปลี่ยนการสัมผัสกับแปรง ทำให้ทิศทางกระแสในขดลวดกลับด้าน การกลับด้านนี้ทำให้แน่ใจว่าแรงที่กระทำต่อขดลวดยังคงทำงานในทิศทางการหมุนเดียวกัน ทำให้การหมุนต่อเนื่องดำเนินต่อไป

คุณลักษณะสำคัญที่รับประกันการดำเนินงานอย่างต่อเนื่อง​

แรงบิดทิศทางเดียว: บทบาทที่สำคัญของคอมมิวเตเตอร์ในการกลับทิศทางกระแสในช่วงเวลาที่เหมาะสมช่วยป้องกันการกลับทิศทางของแรงบิด ทำให้โรเตอร์หมุนในทิศทางที่คงที่

สนามแม่เหล็กที่เสถียร: สนามแม่เหล็กที่คงที่ของสเตเตอร์ให้ "การอ้างอิง" ที่สม่ำเสมอสำหรับแรงแม่เหล็กไฟฟ้าของโรเตอร์ ทำให้การหมุนเป็นไปอย่างคาดการณ์ได้และควบคุมได้​

โดยสรุปแล้ว มอเตอร์ DC แปลงพลังงานไฟฟ้าเป็นการเคลื่อนไหวเชิงกลผ่านการมีปฏิสัมพันธ์ระหว่างสนามแม่เหล็กของสเตเตอร์และขดลวดอาร์มเจอร์ที่มีการนำกระแสไฟฟ้า โดยมีคอมมิวเตเตอร์ที่ทำให้การหมุนต่อเนื่องผ่านการกลับทิศทางของกระแสไฟฟ้าอย่างทันท่วงที หลักการนี้ทำให้มอเตอร์ DC ถูกนำมาใช้ในแอปพลิเคชันที่ต้องการการควบคุมความเร็วและแรงบิดที่แม่นยำ ตั้งแต่เครื่องใช้ในบ้านขนาดเล็กไปจนถึงเครื่องจักรในอุตสาหกรรม