DCモータの動作原理とは何ですか

DCモーターの動作原理とは？

DCモーターの定義

DCモーターは、磁場と電流を使用して直流電力を機械エネルギーに変換する装置として定義されます。

DCモーターは現代の産業において重要な役割を果たしています。この記事で探求するDCモーターの動作原理を理解するには、その基本的な単一ループ構造から始める必要があります。

DCモーターの最も基本的な構造は、コマタやブラシを通じて供給端に接続された電流を伝導するアーマチュアを含んでいます。アーマチュアは、上記の図に示すように永久磁石または電磁石の北極と南極の間に配置されています。

アーマチュアに直流が流れると、周囲の磁石から機械的な力を受けます。DCモーターの動作を完全に理解するためには、アーマチュアに働く力の方向を決定するフレミングの左手の法則を理解することが重要です。

電流が流れる導体が磁場に垂直に置かれた場合、導体は磁場と導体の両方に対して相互に垂直な方向に力を受ける。

フレミングの左手の法則は、モーターの回転方向を決定することができます。この法則によれば、左手の人差し指、中指、親指を互いに直角に伸ばし、中指が導体の電流方向を示し、人差し指が磁場の方向（つまり北極から南極）を示すと、親指は生成される機械力の方向を示します。

DCモーターの原理を明確に理解するためには、以下の図を考慮に入れて力を決定する必要があります。

無限小の電荷dqが電場Eと磁場Bの影響下で速度vで流れると、電荷が経験するローレンツ力dFは次のように与えられます。

DCモーターの動作を考えるとき、E = 0とします。

つまり、dq vと磁場Bの外積です。

ここで、dLは電荷qを伝導する導体の長さです。

1つ目の図から、DCモーターの構造は、アーマチュア導体を通過する電流が常に磁場に対して垂直であることがわかります。そのため、力は均一な磁場と電流に対して垂直な方向に作用します。

アーマチュア導体の左側の電流をI、右側の電流を-Iとすると、それらは反対方向に流れています。

すると、アーマチュア導体の左側に働く力は、

同様に、アーマチュア導体の右側に働く力は、

したがって、その位置では、どちら側にも等しい大きさの力が働くが、方向は反対です。2つの導体は幅wで分離されているため、2つの反対の力は回転力またはトルクを生じさせ、アーマチュア導体を回転させます。

次に、アーマチュアターンが初期位置に対して角度α（アルファ）を作ったときのトルクの式を見てみましょう。生成されるトルクは次の式で与えられます。

ここで、α（アルファ）はアーマチュアターンの平面と参照平面またはアーマチュアの初期位置との間の角度であり、ここでは磁場の方向に沿っています。

トルクの式におけるcosαの項は、力とは異なり、すべての位置でのトルクが同じではないことを明確に示しています。実際、トルクは角度α（アルファ）の変化に応じて変化します。トルクの変動とモーターの回軞原理を説明するために、ステップバイステップの分析を行いましょう。

ステップ1：

最初にアーマチュアが開始点または参照位置にあると仮定します。このとき角度α = 0です。

α = 0の場合、cos α = 1、つまり最大値となるため、この位置でのトルクはτ = BILwで最大となります。この高い開始トルクにより、アーマチュアの初期慣性を克服し、回転を開始できます。

ステップ2：

アーマチュアが動き出すと、アーマチュアの実際の位置と初期参照位置との間の角度αは、回転の途中で増加し、最終的に90度になります。結果として、cosαは減少し、トルクの値も減少します。

この場合のトルクはτ = BILwcosαで与えられ、これはαが0度より大きい場合にBIL wよりも小さいです。

ステップ3：

アーマチュアの回転の過程で、ロータの実際の位置が初期位置に対して完全に垂直になる点に到達します。つまり、α = 90度となり、結果としてcosα = 0となります。

この位置での導体に働くトルクは、

つまり、この時点で実質的に回転トルクはアーマチュアに作用しません。しかし、それでもアーマチュアは停止せず、これはDCモーターの動作が設計されているためです。この点での慣性運動は、このトルクがゼロになる点を克服するのに十分です。

ロータがこの位置を超えると、アーマチュアの実際の位置と初期平面との間の角度は再び減少し、トルクが再び作用し始めます。