Fra magnetfelt til rotasjon: En artikkel for å forstå hvorfor DC Motors roterer

I forrige artikkel har vi allerede hatt en foreløpig forståelse av Hva en DC -motor er, hvilke deler dens grunnleggende struktur består av, og dens brede spekter av applikasjoner i liv og industri. I denne artikkelen vil vi forklare mer dybde "Hvorfor kan en DC -motor rotere og hva som er dens arbeidsprinsipp".

 

Vi vet allerede at rotasjonen av en DC -motor krever elektrisk strøm, et magnetfelt og en kompleks spiralstruktur, men hvordan reagerer strøm, magnetisme og spoler på hverandre, og hvilke fysiske lover tillater en tilsynelatende stasjonær komponent å begynne å rotere kontinuerlig?

 

Vi vil forklare disse problemene en etter en i følgende innhold, så la oss komme i gang.

 

 

For å virkelig forstå hvorfor DC -motorer kan rotere, må vi vite en veldig grunnleggende fysikklov - Ampere lov.

 

Grunnleggende prinsipper for elektriske motorer: Ampere's Force Law (f=bil)

Det er en lov i fysikk som sier:

Når strømmen går gjennom en ledning og den er i et magnetfelt, vil den bli utført av et magnetfelt.

 

Størrelsen på denne kraften bestemmes av følgende formel:

F=b × i × l × sinθ

F: Force

B: Magnetfeltstyrke

I: Gjeldende intensitet

L: Ledningslengde

θ: vinkel mellom strømretning og magnetfeltretning

Denne styrken er det vi ofte kaller "Ampere Force".

 

Det er ikke mystisk, akkurat som når du legger en magnet nær en ledende spole, vil du føle en "skyvende" eller "trekke" kraft, som er samspillet mellom den elektriske strømmen og magnetfeltet.

 

Enkelt sagt: Strøm passerer gjennom et magnetfelt → Kraft brukes på ledningen → ledningen beveger seg

 

Dette er grunnlaget for at motoren skal bevege seg.

 

Hvordan gjør en DC -motor denne kraften til "kontinuerlig rotasjon"?

Tidligere sa vi at en ledning er utsatt for kraft. Men i motoren er det ikke en ledning, men en gruppe spiralviklinger - vi kaller dem ankerspoler, som er installert på en rotor som kan rotere fritt.

 

Strømmen strømmer fra strømkilden inn i spolen, spolen genererer kraft, og rotoren begynner å rotere. Her er et spørsmål:

Hvis kraften bare blir påført en gang, vil rotoren bare rotere en gang og deretter stoppe, og ikke kan rotere kontinuerlig?

 

Ja, så det er en veldig viktig struktur designet inne i DC -motoren - kommutatoren.

 

Funksjonen til denne lille komponenten er å automatisk bytte retning på strømmen i spolen under rotasjonen av ankeret. Fordelen med dette er at selv om strømmen endrer retning, forblir "kraftretningen" i magnetfeltet konsistent, slik at rotoren kan fortsette å rotere.

 

Du kan tenke på kommutatoren som en bryter som "stadig vipper" under rotasjonen. Det fungerer med børstene for alltid å holde den nåværende "flyte i riktig retning" for å opprettholde stabil rotasjon.

 

 

Årsaken til at DC -motoren kan "bevege seg" stabilt er ikke bare på grunn av det nåværende og magnetiske feltet, men også på grunn av det koordinerte arbeidet til en serie presisjonskomponenter inne i den, inkludert "Armature Coil", "Commutator" og "Brush". For en enklere forståelse vil forklaringen her være basert på den børstede DC -motoren.

 

1. Armaturspole: "Spor" av strømmen

I en DC -motor er ankerspolen (også kalt rotorviklingen) den direkte bæreren av amperekraften. Når strømmen kommer inn i motoren fra en ekstern strømkilde, er den gjennom disse spolene fordelt i sporene at kraften blir påført i magnetfeltet. Siden spolene er symmetrisk fordelt på rotoren, vil disse kreftene samarbeide med hverandre for å danne et stabilt og balansert rotasjonsmoment (dreiemoment).

 

Det kan forstås som følger:

Hver del av ledningen er som et "spor" der strømmen går, og magnetfeltet fungerer som en dommer for å utøve "drivkraft". Når flere spoler kombineres sammen, er de som et team, som kjører i sirkler rytmisk og til slutt genererer kontinuerlig dreiemoment.

 

I tillegg, jo mer armaturspoler det er, jo jevnere kjører motoren og desto mindre svingning av utgangsmoment.

 

2. Commutator and Brushes: Magikeren som reverserer strømmen

Det er ikke nok å ha strøm som strømmer gjennom spolen - for å holde ankeret under konstant kraft i samme retning, må strømmen til strømmen reverseres hver halv sving, som er kommutatorens jobb.

 

Pendatoren er en struktur av kobberplater festet til akselen som holder kontakten med børstene på statoren. Når rotoren roterer, glir børstene over forskjellige kobberplater, noe som får strømmen til "automatisk reverse". Dette er grunnen til at kraften på ledningen forblir i samme retning, selv etter at spolen har snudd en halv sving.

 

Med andre ord, kommutatoren er som et system som automatisk justerer trafikklys for å sikre at strømmen "flyter jevnt" og opprettholder rotasjonsrytmen.

 

Så hvorfor er børster og pendlere ofte de raskest iført deler?

Fordi de er i en tilstand av kontinuerlig kontakt og friksjon, er de utsatt for å gnistre og oppvarme i høye hastigheter og høye strømmer, og levetiden deres er begrenset under langvarig drift. Derfor, i høyytelsesmotorer (for eksempel børsteløse DC-motorer), bruker folk elektronisk pendling for å erstatte denne delen av strukturen.

 

 

En DC -motor handler ikke bare om å "snu", den kan også "bli raskt", "snu voldelig", og til og med opprettholde stabil utgang under forskjellige belastninger. Så, hvordan kontrolleres hastigheten (RPM) og dreiemomentet (dreiemomentet) på motoren? Vi kan forstå det fra følgende aspekter:

 

1. Forholdet mellom spenning, strøm, hastighet og dreiemoment

Utgangskarakteristikkene til en DC -motor er nært beslektet med inngangsspenningen og strømmen:

 

Spenning bestemmer hastigheten

Under forutsetningen om at belastningen forblir uendret, er hastigheten på DC -motoren omtrent proporsjonal med spenningen.

· Spenningsreduksjon → Hastighetsreduksjon

· Spenningen øker → hastigheten øker

 

Strøm påvirker dreiemomentet

Jo større strøm, jo ​​sterkere er amperekraften generert gjennom spolen, og desto større er utgangsmomentet.

· Mer strøm → mer dreiemoment (men også mer utsatt for overoppheting)

 

Dette er grunnen til at elektriske kjøretøyer krever mer strøm når de akselererer, mens strømmen avtar når den kjører med konstant hastighet.

 

2. Hvordan "selvregulerer motoren" under belastningsendringer?

Når belastningen som drives av motoren blir tyngre (som to personer som sitter på en elektrisk sykkel), vil bevegelsen av rotoren møte større motstand og hastigheten vil naturlig avta. På dette tidspunktet vil den bakre elektromotorkraften til armaturspolen avta, noe som får mer strøm til å strømme inn i motoren, noe som automatisk vil øke utgangsmomentet, motstå belastningen og opprettholde rotasjonen.

 

Denne "adaptive" mekanismen er en av grunnene til at DC -motorer er veldig praktiske.

 

3. PWM -kontroll: En variant av spenningskontroll

Ved gjeldende motorstyring justeres ikke strømforsyningsspenningen direkte. I stedet brukes en metode som kalles PWM (pulsbreddemodulasjon) for å simulere "variabel spenning" -effekten.

 

Enkelt sagt:

Kontrolleren bytter strøm av og på raskt, slik at motoren kan fungere i en høyfrekvent "av-på-på-av-av-" -koblingssyklus.

Ved å justere "på" tidsforholdet (driftssyklus), kan forskjellige gjennomsnittlige spenninger simuleres.

 

For eksempel:

50% Duty Cycle ≈ Halvspenningsforsyning → Hastighet er omtrent halvparten av full hastighet

90% Duty Cycle ≈ Høyspenningsforsyning → Hastighet i nærheten av full hastighet

 

PWM har ikke bare presis kontroll, men reduserer også energitap. Det er kjernen for moderne DC -motorstyringssystemer.

 

 

I det forrige innholdet brukte vi den børstede permanente Magnet DC -motoren som et eksempel for å forklare arbeidsprinsippet, men faktisk er "DC -motoren" ikke en eneste struktur. Det kan variere i designformer basert på pendlingsmetoder, magnetfeltkilder osv.

 

Så fungerer disse forskjellige typene DC -motorer på samme måte? Hva er de viktigste forskjellene? La oss ta en titt.

 

1. Børstet vs. børsteløs: Forskjeller i pendlingsmekanismer

Børstet DC -motor

Pendlingsmetode: Stol på mekanisk kommutator + børste for å fullføre reversering av dagens retning.

Funksjoner: Enkel struktur, enkel å kontrollere, lav pris, men børstene er enkle å ha på seg og krever regelmessig vedlikehold.

 

Brusheløs DC Motor (BLDC)

Pendlingsmetode: elektronisk pendling, gjennom posisjonssensoren og kontrolleren for å bestemme rotorposisjonen og endre den energiske spolen.

Funksjoner: Høy effektivitet, lang levetid, lav støy, egnet for scenarier som krever høy ytelse (for eksempel droner, elektroverktøy, elektriske kjøretøyer, etc.).

 

Sammendrag av kjerneforskjeller:

prosjekt	Børstet motor	Børsteløs motor
Pendlingsmetode	Mekanisk kommutator	Elektronisk kontroll
Vedlikeholdsfrekvens	høy	Lav
Levetid	Relativt kort	Lenger
koste	Lav	Høyere
Kontroller vanskeligheter	Lav	Middels til høy

 

2. Permanent magnet vs eksitasjon: forskjellige magnetfeltkilder

Permanent magnet DC -motor (PMDC -motor)

· Magnetfeltkilde: Permanente magneter brukes, med stabilt magnetfelt og kompakt struktur.

Fordeler: liten størrelse, høy effektivitet, ofte brukt i mikromotorer, bærbare enheter, elektriske kjøretøyer, etc.

Ulemper: Magneten har begrenset varmemotstand og magnetfeltstyrken kan ikke justeres.

 

Spent DC -motor

· Magnetfeltkilde: Magnetfeltet genereres av eksitasjonsspolen, som kan være serieeksitasjon, parallell eksitasjon, sammensatt eksitasjon og andre strukturer.

Fordeler: Magnetfeltet er justerbart, egnet for applikasjoner som krever stort startmoment eller variabel hastighet, for eksempel industrielt løfteutstyr, heiser, etc.

Ulemper: mer kompleks struktur, større volum, litt høyere energiforbruk.

 

Magnetfeltforskjell Sammenligning:

prosjekt	Permanent magnetmotor	Eksitasjonsmotor
Magnetfeltkilde	Permanente magneter	Eksitasjonsspole
Magnetfeltjusterbarhet	Ikke justerbar	Regulerbar
koste	Relativt lav	Litt høyere
Applikasjonsscenario	Liten og bærbar	Industriell, kraftig

 

Til sammenligning kan det sees at selv om forskjellige typer DC-motorer er forskjellige i pendlingsmekanismer og magnetfeltkilder, er deres kjerneprinsipper de samme: ved å bruke kraften som utøves på den nåværende bærende lederen i magnetfeltet for å danne dreiemoment, og dermed drive rotasjon.

 

 

På dette tidspunktet tror jeg at du har en fullstendig forståelse av Hva en DC -motor er og hele prosessen med hvorfor en DC -motor kan rotere. Fra det fysiske prinsippet (Ampere's Law), til det koordinerte arbeidet med nøkkelkomponenter (ankerspole, pendler, børste), til forskjellene i arbeidsmekanismene til forskjellige typer motorer (børste\/børsteløs, permanent magnet\/eksitasjon), kan det sies at DC -motorer er en teknologi som "tilsynelatende enkel, men inneholder sofistikerte utformede designer.

 

 

Hvis du er ute etter en effektiv og pålitelig DC -motor for prosjektet ditt, hvorfor ikke kontakte oss - VSD DC Motor -produsent.

Vi fokuserer på design og tilpasning av forskjellige DC -motorer, dekker børstet, børsteløs, permanent magnet, utstyr, elektronisk kontroll og andre serier, som er mye brukt i smarte hjemmeapparater, roboter, automatiseringsutstyr, medisinsk presisjon og andre felt.

 

Våre fordeler:

Støtt tilpasset utvikling og liten batchforsøksproduksjon

Besitter uavhengig patentteknologi og streng kvalitetssertifisering

Betjente kunder i mange land rundt om i verden

 

Kontakt oss gjerne for produkthåndbøker eller tekniske råd. Det vil gjøre motorvalget ditt enklere og prosjektet ditt mer effektivt!