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モーター(1)

こちらの記事の翻訳です。

モーターとは、電気エネルギー・流体の運動エネルギー・空気の圧力などを機械エネルギーに変換するための装置であり、以下に挙げるように数多くの種類のモーターが存在します。

  • 電気モーター: 電気エネルギーを機械エネルギーに変換
  • 分子モーター: 細胞内のエネルギーを機械エネルギーに変換
  • 熱モーター: エンジンとしても知られており、燃料エネルギーもしくは熱エネルギーを機械エネルギーに変換

今回の記事では、電気モーターを中心に取り上げていきます。電気モーターとは、電気エネルギーを機械エネルギーに変換する機械で、生み出された運動エネルギーは他の機械を動かすために利用されます。

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まずモーターの動く原理について解説します。モーターの回転は、フレミングの左手の法則、もしくは右手の法則に基づいています。磁石の間に導線(コイル)を置き、磁界とコイルが平行な場合は、フレミングの左手の法則によってコイルが回転します。また、磁界とコイルが垂直になった場合も、勢いでコイルは回り続けます。この動作を繰り返すことで、電気エネルギーを機械エネルギーへと変換することができます。

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こちらの動画も参考にしてください。

 これらがモーターの基本原理となります。モーターの種類は日々増加し続けており、全ての原理をここでご紹介することはできませんが、基本的にはこの記事で解説した原理に基づいています。

次に、モーターの基本的な構造について解説します。

モーターは、固定子と回転子と呼ばれる部品で構成されています。固定子は、モーター内部に固定された電機子を指し、回転子は、軸受けに支えられた回転軸の回りで回転します。固定子と回転子の間には、回転子がなめらかに回るように一定の間隔が存在します。磁気回路として利用する場合は、高い透磁率をもつ素材が必要になります。

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上図はモーターを構成する各部品を示した図であり、全てのモーターで必要とされる部品もあります。

1835年に考案されて以来、様々なモーターが多様な用途のために生み出されてきました。これらのモーターを分類する場合、動力による分類と構造による分類の二種類の分け方があります。

動力による分類

名前 特徴
DCモーター 永久磁石もしくは電磁石・整流子・ブラシ・その他の部品などを用いており、外部の直流電源と接続されたブラシと整流子が、連続的に回転子に電力を供給し続けています。また、回転子が同じ方向に回り続けるよう、時間ごとに電流の向きが変わるようになっています。主に小型の機械に使われています。
ACモーター 空間的・時間的に異なる磁界が生み出されるようにモーターの固定子に交流電源が接続されています。高温下などの環境で使用することができ、ブラシを綺麗にする必要もありませんが、速度のコントロールが比較的困難です。
パルスモーター パルス電流を用いて動くモーターであり、ステッピングモーターとも呼ばれています

左から、直流モーター・交流モーター・パルスモーターの写真になります。

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構造による分類

名前 特徴
同期モーター 同期速度で回転するモーターで、速度を調整する必要がありません。また、初期トルクが小さく、モーターがある回転速度に達すると、そのまま一定の速度と高周波数を保ちます。
非同期モーター 簡単かつ丈夫な構造をしており、抵抗やキャパシタを用いて速度を変えたり逆回転させることができます。代表的な使用例としては、扇風機、圧搾ポンプ、エアコンなどが挙げられます。
リバースモーター 非同期モーターと同じ構造・特徴を持っており、モーター後部に簡易ブレーキ構造を内蔵しています。摩擦負荷を加えて、オーバーランを小さくすることで、モーターを逆回転させることができます。
ステップモーター パルス電流を加える事で、オープンループ制御を利用してモーターを決められた回転角度ごとに回転させる事ができます。加速度や位置を把握してフィードバックする装置が不要で、正確な位置・速度かつ安定性を保ったままモーターを稼働できます。
リニアモーター 長いストロークを持ち、高精度で位置を制御することができます。
その他 回転変流機、回転増幅機など

一般的には、カテゴリ数がより少ない動力による分類を用います。また、モーターの名前からもその特徴を知ることができます。直流・交流モーターはより早い段階に生み出され、用法もより伝統的なものとなっています。パルスモーターは最近になって生み出されたもので、新しい技術が使われている分制御がより簡単になっています。

あまりにも多くの種類のモーターが存在するため、全てをここで取り上げることはできません。しかしながら、本記事を読むことによって、モーターに関する基本的な知識を得ることができます。次の記事では、通常使われているモーターについてより詳しく解説してきます。