기존의 브러시 직류 모터(장난감 및 팬에 흔히 사용됨)는 고정된 브러시와 회전하는 정류자 조각 사이의 기계적인 마찰 접촉에 의존하여 회전 중에 코일의 전류 방향을 자동으로 전환함으로써 지속적인 회전 전자기 토크를 생성합니다.
고정자는 움직이지 않는 부분입니다. 단순한 직류 모터에서 고정자는 하우징 양쪽의 영구 자석(왼쪽 N극/빨간색, 오른쪽 S극/파란색)이며, 모터 내부에서 왼쪽에서 오른쪽으로 작용하는 수평 자기장을 생성합니다.
회전자는 중앙에서 회전하는 어셈블리이며 구리선 권선이 감겨 있습니다. 전원이 공급되면 이 권선은 전자기철 역할을 하며 양쪽 고정자 자석과 "같은 극은 밀어내고 다른 극은 끌어당기는" 상호작용을 통해 회전자를 회전시킵니다.
샤프트 위의 반원형 구리 정류자 두 개가 코일 끝에 연결되어 있습니다. 양쪽에는 배터리 양극과 음극에 연결된 두 개의 고정 브러시가 있습니다. 회전자가 회전함에 따라 정류자 조각들이 차례로 브러시와 접촉하여 회전자가 수직 사점을 통과할 때 코일의 전류 방향을 자동으로 반전시켜 지속적인 단방향 회전을 구현합니다!
이 대화형 모델에서 왼쪽은 직류 브러시 모터의 물리적 단면을 나타내고 오른쪽은 연결 회로를 보여줍니다. 모터에 직류 전원을 연결하면 전류가 고정 브러시를 통해 회전자 코일로 흘러 들어가 전자기 토크를 생성하며, 회전자는 자기력에 의해 회전합니다. 회전자가 180° 회전하여 중심선을 통과할 때마다 정류자 조각 사이의 틈새가 브러시를 가로지르며 회전자 코일로 흐르는 전류의 극성을 반대로 바꿉니다. 이를 통해 전체 회전 과정에서 토크 방향이 일정하게 유지됩니다.
로드 중...
| 단계 | 회전자 공간 각도 | 브러시 (+) 접촉편 | 브러시 (-) 접촉편 | 전자기 토크 상태 | 코일 전류 방향 |
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정류자는 회전자 축에 고정된 구리 접촉편 세트(이 단순 모델에서는 양쪽 두 개)로 회전자와 함께 회전합니다. 브러시는 탄성을 가진 고정 접촉점(일반적으로 내마모성과 전도성이 우수한 탄소 재질)으로 스프링에 의해 정류자 표면에 밀착되어 있습니다. 회전자가 회전할 때 브러시는 차례로 정류자 조각들과 접촉합니다. 브러시 한쪽은 양극에, 다른 쪽은 음극에 연결되어 있기 때문에 회전자가 수직 중심선을 통과할 때마다 권선에 흐르는 전류 방향이 기계적으로 반전됩니다. 이를 통해 회전자의 자기극이 고정자 자석과 항상 밀고 당기는 상호작용을 하도록 하여 시계 방향 토크를 유지시킵니다.
이것이 브러시 모터의 가장 큰 장점입니다! 정류는 정류자와 브러시로 구성된기계적 스위치에 의해 완전히 자동으로 이루어집니다. 양극과 음극에 일반 직류 전원을 인가하기만 하면 모터는 기계적 정류 덕분에 스스로 연속 회전합니다. 마이크로컨트롤러(MCU), 드라이버 칩(MOSFET) 또는 정류 감지 알고리즘이 전혀 필요하지 않아 시스템이 매우 저렴하고 간단합니다.
세 가지 치명적인 결함이 있습니다:
• 브러시 마모 및 짧은 수명: 브러시와 정류자가 고속 운전 중에 계속해서 기계적인 마찰을 일으키므로 카본 브러시가 마모되어 짧아져 주기적인 교체가 필요합니다.
• 전기 스파크 및 전자기 간섭 (EMI): 접점이 전환되는 순간 코일 인덕턴스로 인해 미세한 스파크가 발생합니다. 이는 폭발 위험이 있는 환경에서 사용을 제한할 뿐만 아니라 강한 전자기 노이즈를 발생시켜 주변 전자기기를 방해합니다.
• 열 방출 및 효율 저하: 열이 발생하는 코일이 회전하는 회전자에 위치하여 외부 하우징으로 직접 열을 전달하기 어려우므로 모터의 출력 밀도가 제한됩니다.
기본 원리는 완전히 동일합니다. 다만, 2극 회전자의 경우 90° 절연 사점에 멈췄을 때 자체 시동이 불가능한 한계를 극복하기 위해, 실제 완구용 모터는 대개 3극 회전자(코어 티스 3개, 정류자 조각 3개)를 사용합니다. 이 설계를 통해 어느 각도에서든 항상 최소 두 상의 코일에 전류가 흐르도록 보장하여, 모터가 어떤 정지 위치에서든 안정적으로 시동하고 토크를 더 균일하게 유지할 수 있습니다.