電気機械システムは、電気要素と機械要素を効果的に組み合わせて目的の結果を達成する複雑な構成となっています。これらのシステムの多くで中心となるのは 直流(DC)モーターです。DC モーターは電気エネルギーを機械的な動きに変換する装置で、単純なファンから複雑なロボット機構まで、さまざまな用途に使用できます。
DC モーターの主要要素の一つは電機子(アーマチュア)です。電機子は磁場内に配置された回転回路です。電流が電機子を通過すると、磁場との相互作用により力が発生し、トルクが発生します。このトルクによってローターが回転し、電気エネルギーが機械的な動きに変換されます。電機子に誘導される電圧は速度に正比例します。この現象は逆起電力 (EMF) として知られています。
DC モーターの動作を分析するには、電機子回路に電気原理を適用します。ループ方程式を採用し、それをラプラス法で変換することで、電機子電流 (i_a)、印加電機子電圧 (V_a)、逆起電力 (E_b) の関係を解明できます。方程式は次のように表されます:
ここで、R_a は電機子抵抗、E_b は逆起電力を表します。
s 領域では、モーターによって生成されるトルク (T) は電機子電流に正比例し、次のように表されます:
ここで、k_t はトルク定数です。このトルクは、ローターの慣性 (J) で表すこともできます:
トルクをモーター軸の角度位置 (θ) で表し、簡略化することで、伝達関数を導き出すことができます。電機子インダクタンスが電機子抵抗に比べて無視できると仮定すると、DC モーターの簡略化された伝達関数は次のようになります:
この伝達関数により、モーターの動的応答を包括的に理解でき、電気入力を機械出力にリンクして、電気機械システムの設計と制御が容易になります。
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