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DC 모터는 직류 전류를 회전 기계 에너지로 안정적으로 변환할 수 있는데, 이는 주로 특수 구조 설계를 통해 직류 전류에 의해 생성되는 "단방향 자기장" 문제를 해결함으로써 가능합니다. "정류자"를 통해 회전자의 受力(힘) 방향을 일정하게 유지하며, 작동에는 고정자, 회전자, 정류자라는 세 가지 핵심 구성 요소와 방향성 전자기력 작용 및 기계적 정류라는 두 가지 핵심 과정이 포함됩니다. 구체적인 원리는 다음 세 부분으로 나눌 수 있습니다.
1. 핵심 구성 요소: 방향성 힘을 위한 "구조적 프레임워크" 구축
DC 모터의 구조적 설계는 "연속 회전"의 필요성을 중심으로 이루어졌으며, 세 가지 구성 요소는 각각 고유한 목적을 갖습니다.
- 스테이터: 모터의 고정 부분으로, 주로 주 자극, 프레임, 그리고 브러시로 구성됩니다. 주 자극은 일반적으로 계자 권선으로 감겨 있으며, 직류가 흐르면 N극과 S극이 교대로 존재하는 일정한 자기장이 형성되어 회전자가 힘을 받을 수 있는 환경을 제공합니다. 브러시는 프레임에 고정되어 있으며, 한쪽 끝은 외부 DC 전원에 연결되고 다른 쪽 끝은 회전자의 정류자와 접촉하여 회전자로 전류를 전달합니다.
- 로터(아마추어): 고정자 자기장 내에 위치하며 모터 축을 중심으로 회전할 수 있으며, 전기자 철심과 전기자 권선으로 구성됩니다. 전기자 철심은 와전류 손실을 줄이기 위해 규소강판을 적층하여 제작됩니다. 전기자 권선은 특정 패턴에 따라 철심의 슬롯에 감겨 있으며, 전류와 자기장의 상호작용을 통해 전자기력을 생성하는 핵심 부품 역할을 합니다.
- 정류기: DC 모터의 "핵심 혁신"으로, 회전자 축에 고정되어 전기자 권선의 양쪽 끝에 연결됩니다. 여러 개의 절연 구리 세그먼트로 구성되어 있으며, 구리 세그먼트의 수는 전기자 권선의 권선 수와 일치합니다. "전류 방향 변환기" 역할을 하는 이 장치는 브러시와의 슬라이딩 접촉을 통해 전기자 권선의 전류 방향을 실시간으로 변경합니다.
2. 작동 메커니즘: 연속 회전을 달성하기 위한 "핵심 논리"
DC 모터의 회전은 "전자기력 생성"과 "정류자 조정"의 시너지 효과에 따라 달라지며, 구체적인 프로세스는 두 단계로 나뉩니다.
- 전자기력의 방향성 생성: 외부 직류 전류가 브러시를 통해 정류자로 흘러 전기자 권선으로 들어가면, 고정자의 일정한 자기장 내에 위치한 전기자 권선의 도체는 플레밍의 왼손 법칙에 따라 전자기력을 받습니다. 예를 들어, 고정자의 N극 아래에 있는 도체는 오른쪽으로, S극 아래에 있는 도체는 왼쪽으로 힘을 받습니다. 이러한 힘은 회전자를 시계 방향으로 회전시키는 전자기 토크를 형성합니다.
- 정류자의 정류 함수: 회전자가 "전기자 권선의 도체가 고정자 자극의 중심선을 교차하는" 지점까지 회전할 때 전류 방향이 변하지 않으면 도체에 작용하는 자기장의 방향이 반전되어 전자기력의 방향이 반전되어 회전자가 연속적으로 회전하지 못하게 됩니다. 이 지점에서 정류자는 회전자와 동기하여 회전합니다. 구리 세그먼트와 브러시 사이의 접점을 전환하여 도체의 전류 방향을 정확히 반전시킵니다. 원래 흐르던 전류가 이제는 흐르고 전자기력의 방향은 동일하게 유지됩니다(회전자는 여전히 시계 방향으로 회전합니다). 이 사이클이 반복됩니다. 회전자가 180° 회전할 때마다 정류자는 전류 방향을 한 번 조정하여 회전자가 항상 같은 방향의 전자기 토크를 받도록 하고 연속 회전을 가능하게 합니다.
3. 원리의 실제적 중요성: DC 모터의 성능 및 응용 분야 결정
이 핵심 원리는 DC 모터에 고유한 장점을 부여합니다. 전기자 전압이나 계자 전류를 조정함으로써 부드러운 속도 조절(예: 저속에서 고속으로의 연속적인 변화)을 쉽게 달성할 수 있습니다. 또한, 높은 시동 토크를 가지고 있어 중부하 장비를 시동할 수 있습니다. 따라서 DC 모터는 산업 분야의 공작 기계 및 엘리베이터 견인 기계의 스핀들 드라이브, 운송 분야의 기존 전기 자동차용 구동 시스템, 가전 제품의 전동 공구 및 러닝 머신 모터와 같이 속도 제어에 높은 정밀도가 필요한 시나리오에서 널리 사용됩니다. 그러나 정류자와 브러시 사이의 기계적 마찰로 인해 DC 모터는 AC 모터에 비해 유지 보수 비용이 상대적으로 높고 수명이 짧습니다. 이는 또한 브러시리스 DC 모터(기계적 정류 대신 전자 정류를 사용)의 개발을 촉진했습니다.
