DC 모터의 작동 원리는 무엇인가요

DC 모터의 작동 원리는 무엇인가요?

DC 모터 정의

DC 모터는 전기적 에너지를 기계적 에너지로 변환하는 장치로, 자기장과 전류를 사용합니다.

DC 모터는 현대 산업에서 중요한 역할을 합니다. 이 글에서는 DC 모터의 작동 원리를 알아보며, 그 시작은 기본적인 단일 루프 구조로부터 시작됩니다.

DC 모터의 가장 기본적인 구조는 전류를 운반하는 아머처, 코뮤테이터 세그먼트와 브러시를 통해 공급단에 연결되어 있습니다. 아머처는 위의 다이어그램에서 보듯 영구자석이나 전자석의 북극과 남극 사이에 배치됩니다.

직류가 아머처를 통과하면 주변의 자석으로부터 기계적 힘을 경험합니다. DC 모터가 어떻게 작동하는지 완전히 이해하려면 플레밍의 왼손 법칙을 이해하는 것이 중요합니다. 이 법칙은 아머처에 작용하는 힘의 방향을 결정하는 데 도움이 됩니다.

전류가 흐르는 도체가 자기장과 수직으로 배치되면, 도체는 자기장과 전류 방향 모두와 수직인 방향으로 힘을 경험합니다.

플레밍의 왼손 법칙은 모터의 회전 방향을 결정할 수 있습니다. 이 법칙은 왼손의 검지, 중지, 엄지가 서로 수직으로 펼쳐져 있을 때, 중지는 도체를 통과하는 전류의 방향을, 검지는 자기장의 방향(북극에서 남극으로)을 가리키고, 엄지는 생성된 기계적 힘의 방향을 가리킵니다.

DC 모터의 원리를 명확히 이해하기 위해서는 아래 다이어그램을 고려하여 힘의 크기를 결정해야 합니다.

무한히 작은 전하 dq가 전기장 E와 자기장 B의 영향 하에 속도 'v'로 흐를 때, 전하에 작용하는 로렌츠 힘 dF는 다음과 같이 주어집니다:

DC 모터의 작동을 고려할 때, E = 0이라고 가정합니다.

즉, dq v와 자기장 B의 벡터곱입니다.

여기서, dL은 전하 q를 운반하는 도체의 길이입니다.

첫 번째 다이어그램에서 볼 수 있듯이, DC 모터의 구조는 모든 순간 아머처 도체를 통과하는 전류 방향이 자기장과 수직이도록 설계되어 있습니다. 따라서 힘은 아머처 도체에 자기장과 전류 방향 모두와 수직인 방향으로 작용하며, 그 크기는 일정합니다.

따라서 아머처 도체의 왼쪽 부분에서의 전류를 I, 오른쪽 부분에서의 전류를 -I라고 할 때, 이들은 서로 반대 방향으로 흐릅니다.

그렇다면 아머처 도체의 왼쪽 부분에 작용하는 힘은,

마찬가지로, 아머처 도체의 오른쪽 부분에 작용하는 힘은,

따라서, 해당 위치에서 양쪽에 작용하는 힘은 크기가 같지만 방향은 반대입니다. 두 도체가 아머처 회전의 폭 w만큼 떨어져 있으므로, 두 반대 방향의 힘은 회전력 또는 토크를 생성하여 아머처 도체를 회전시킵니다.

이제 아머처 회전이 초기 위치와 α(알파) 각도를 형성할 때 토크의 표현을 살펴보겠습니다.생성되는 토크는 다음과 같습니다:

여기서 α(알파)는 아머처 회전의 평면과 참조 평면 또는 초기 위치의 아머처 간의 각도이며, 여기서는 자기장의 방향과 일치합니다.

토크 방정식에서 cosα 항의 존재는 힘과 달리 모든 위치에서 토크가 동일하지 않음을 잘 나타냅니다. 실제로 α(알파)의 변화에 따라 토크가 변합니다. 토크의 변화와 모터 회전 원리를 설명하기 위해 단계별 분석을 수행해 보겠습니다.

단계 1:

처음에는 아머처가 출발점 또는 참조 위치에 있다고 가정합니다. 여기서 각도 α = 0입니다.

α = 0이므로, cos α = 1 또는 최대값이므로, 이 위치에서의 토크는 τ = BILw로 최대입니다. 이 높은 초기 토크는 아머처의 초기 관성력을 극복하고 회전시키는 데 도움이 됩니다.

단계 2:

아머처가 움직이기 시작하면, 아머처의 실제 위치와 초기 참조 위치 사이의 각도 α는 회전 경로를 따라 증가하여 90°가 됩니다. 결과적으로, cosα는 감소하고, 토크 값도 감소합니다.

이 경우 토크는 τ = BILwcosα로 주어지며, α가 0°보다 클 때 BILw보다 작습니다.

단계 3:

아머처의 회전 경로에서 실제 위치가 초기 위치와 완전히 수직인 지점, 즉 α = 90°가 되는 지점에 도달합니다. 결과적으로, cosα = 0이 됩니다.

이 위치에서 도체에 작용하는 토크는 다음과 같습니다:

즉, 이 시점에서 거의 회전 토크가 작용하지 않습니다. 그러나 아머처는 멈추지 않으며, 이는 DC 모터의 작동이 이러한 영점 토크를 극복할 만큼 충분한 운동 관성을 갖게 설계되었기 때문입니다.

로터가 이 위치를 지나치면 아머처의 실제 위치와 초기 평면 사이의 각도가 다시 감소하여 토크가 다시 작용하기 시작합니다.