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DC 馬達的運作理論

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讀者們對上期筆者的問題有沒有頭緒呢?但無論結果如何,都看看以下有關DC馬達的理論介紹吧。

雖然不同生產商的DC馬達都有少許不同的地方,但大部份DC馬達都由以下基本部份組成:

 

 

l. 電線圈(Coil):它跟上一期在實驗裡所提及過的電線圈一樣,當電流通過電線圈的時候,便成為電磁鐵。電線圈以銅線製作而成。電線圈的圈數越多,磁場越強。

圖 1 : DC 馬達基本結構圖

2. 轉子(Armature): 在上一期的實驗裡電線圈能將一根鐵釘磁化(Magnetization),這裡所用的轉子跟那鐵釘的作用一樣。雖然電線圈本身已能夠製造磁場,但如果想要 提高馬達的效率,就一定要使用轉子。轉子以具有高磁通密度的金屬造成(磁通密度(Magnetic flux density)是描述一件物件能被磁化的程度。磁通密度越高,便越容易被磁化。)

圖 2 示範產生洛倫茲力 士 Lorentz force . a) 沒有電流的時候,電線停留不動。

3. 永久磁鐵(Permanent magnet):所謂永久磁鐵其實是指一般天然磁鐵。它能在轉子的外圍提供一個固定的磁場,以便當電流通過線圈的時候,令轉子轉動。然而,部份馬達會以電線圈製成的電磁鐵替代。

b). 當電流在電線流過時,電線會因磁場的存在而產生位移。

4. 整流子(Commutator):外型像是一個分開了兩半的環,每邊分別連接到電線圈的電極上。當轉子轉動的時候,整流子跟電刷互相接觸,確保電流持續穩定地通過電線圈。

圖 3. 弗林明左手定律 Fleming's Left Hand Rule

5. 電刷(Brushes):作為提供電源的電子線路和整流子之間接觸的電極。當轉子轉動的時候,確保電流流入電線圈內。電刷通常以碳製成。

大 家還記得上期提及過的「弗林明左手定律」(Fleming's Left Hand Rule)嗎?它是用於描述電動機(馬達)運作的電磁學定律。根據定律,當電流方向(中指)跟磁場方向(食指)在特定的方向(手指的方向)成九十度角時, 便會產生一個與電流方向及磁場方向成九十度角的力,將在磁場範圍內有電流流過的電線推往特定方向。產生該位移的力稱之為洛倫茲力(Lorentz force)。其實「弗林明左手定律」只是將在馬達內發生的「同性相斥,異性相吸」現象具體地描述而已。圖3的實驗就展示了這個現象。

介紹了馬達的結構和「弗林明左手定律」,是時候為讀者解開DC馬達的運作之迷了。圖4表達了DC馬達的整個運作。讀者只要利用筆者一直以來所教的理論去思考,便可以明白DC馬達的基本運作了。

但 DC馬達並未能滿足機械人方面的應用,主要是因為機械人的運動並非單純無限制的旋轉運動,而是必須依從指令工作,換句話說馬達的運轉必須受到控制,只可在 受限制的範圍內活動。因此若要在機械人使用馬達,便要將馬達的結構作出改動。下期筆者會介紹現時其中一種普遍在機械人使用的步進馬達。

步行馬達


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