Режим работы:Режим двигателя:

Направление преобразования энергии: электрическая энергия постоянного тока → механическая энергия, основной закон: правило левой руки (закон Ампера), описание эффекта: на электрифицированный проводник в магнитном поле действует «электромагнитная сила», заставляющая проводник (или катушку) двигаться.

2. Ключевая структура: основной компонент, реализующий электромагнитные эффекты.
Для обеспечения стабильного преобразования «электромагнитной силы» двигатель постоянного тока должен иметь следующие пять основных компонентов, каждый из которых имеет взаимосвязанные функции:

Статор: закреплен внутри корпуса, обычно состоит из постоянных магнитов (двигатели малой мощности) или обмоток возбуждения (двигатели большой мощности), обеспечивает стабильное магнитное поле (основное магнитное поле) и служит «источником магнитного поля» для электромагнитных эффектов.

Ротор: состоит из нескольких наборов катушек (обмоток якоря), намотанных на железный сердечник, который может вращаться вокруг центральной оси. Двигательный режим: катушки приводятся во вращение электромагнитной силой после подачи напряжения;
Режим генератора: катушка вращается, чтобы перерезать линию магнитной индукции и генерировать ток.

Коммутатор: коаксиальная «полукольцевая структура» (состоящая из нескольких медных полуколец, количество которых соответствует количеству витков обмотки якоря), которая решает «проблему чередования направления» тока/электродвижущей силы при вращении ротора, гарантируя, что на выходе (или входе) будет постоянный ток.

Электрическая щетка: проводящий компонент (обычно из графитового материала), закрепленный на статоре в тесном контакте с поверхностью коллектора для обеспечения токового соединения между «неподвижной цепью» (внешнее питание/нагрузка) и «вращающейся цепью» (обмотка якоря).

Корпус и вал: корпус фиксирует статор, а вал соединен с железным сердечником ротора, чтобы поддерживать вращение ротора, передавая механическую энергию наружу (электродвигатель) или получая внешнюю механическую энергию (генератор).

3. Подробное объяснение рабочего процесса (на примере наиболее распространенного «двигательного режима»)

Основная задача двигателя постоянного тока — «поддерживать вращение ротора», но если проблема направления не решена после подачи напряжения на катушку в магнитном поле, ротор «качнется только один раз» и застрянет.
Координация между коллектором и электрической щеткой является ключом к решению этой проблемы, а конкретный процесс делится на четыре этапа:

1. Исходное состояние: катушка включена и активируется электромагнитной силой.
Внешний источник постоянного тока подает питание на коммутатор через электрические щетки, а ток протекает в определенный набор катушек ротора (например, катушку АВ).
Катушка находится в магнитном поле, создаваемом статором (предполагается, что направление магнитного поля — «от полюса N к полюсу S»), согласно правилу левой руки:
Сторона АВ катушки (вблизи полюса N) будет испытывать «нисходящую» электромагнитную силу;
Край CD катушки (вблизи полюса S) будет испытывать «восходящую» электромагнитную силу;
Эти две силы образуют «крутящий момент», который заставляет ротор вращаться по часовой стрелке вокруг оси вращения.

2. Ключевые узлы: Катушка поворачивается на 90°, а коммутатор переключает направление тока.
При повороте ротора на 90° плоскость катушки «параллельна» направлению магнитного поля (край катушки не пересекает линию магнитной индукции), а электромагнитный момент равен 0, но ротор продолжает вращаться по инерции.
При этом коллектор вращается синхронно с ротором, а полукольцо, первоначально находившееся в контакте со «щеткой положительного электрода», переключается в контакт со «щеткой отрицательного электрода»;
Полукольцо, которое изначально было подключено к отрицательному электроду, переключено на положительный электрод.
Результат: Направление тока в катушке меняется на противоположное (например, ток на стороне AB меняется с «A → B» на «B → A»).

3. Непрерывное вращение: направление электромагнитной силы остается постоянным.
После смены полярности тока катушка продолжает вращаться (более 90°), а край катушки снова оказывается в магнитном поле.
Согласно правилу левой руки, хотя направление тока изменилось, положение магнитного поля в месте расположения катушки также изменилось (сторона AB теперь ближе к полюсу S, сторона CD ближе к полюсу N), а направление электромагнитной силы осталось неизменным (по-прежнему заставляя ротор вращаться по часовой стрелке).

4. Цикл вперед и назад: достижение непрерывного вращения.
При каждом повороте ротора на 180° коммутатор совершает «переключение тока»;
Переключайтесь дважды на каждые 360° поворота.
Благодаря такому «синхронному переключению» катушка всегда подвергается воздействию «вращательного момента одного и того же направления», а ротор достигает непрерывного и стабильного вращения, в конечном итоге преобразуя электрическую энергию постоянного тока в механическую энергию.