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モーター(2)

こちらの記事の翻訳です。

前回の記事では、電気モーターの基本的な原理と種類について解説しました。次の二つの記事では、私たちが最も良く目にするモーターである、直流モーター、交流モーターそしてステッピングモーターについて解説します。まず、比較的馴染み深い直流モーターと交流モーターについて解説します。

直流モーター

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このモーターはとても一般的で汎用性が高く、ラジコンカーからリフトまで幅広く使われています。励直流電動機・直流分巻電動機・直流複巻電動機など、多くの種類の直流電動機が存在します。しかし、動作原理はどれも似ており大きな違いはありません。

直流モーターの基本的な構造は、電機子・界磁・スリップリング・ブラシから構成されています。

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動作原理

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これは、単純な直流モーターです。コイルに通電すると、回転子の周りに磁界が生まれ、左側の磁石から回転子に左回転の力が加わり、その後右に引き寄せられて、回転が生まれます。 慣性力によって回転子が回転し続けます。 回転子が再び水平位置に戻ってくると、電流の方向が逆転し、コイルによって作られる磁界も逆転するため、最初の過程が再び繰り返されます。

もし理解できない場合は、以下の動画を参考にしてください。

 

利点 欠点
直流モーターは強い力を出力することができ、モーターのスピードは電源周波数に左右されないため、高速なモーターを作ることができます。また、制御電圧も比較的単純で簡単です。 長期間使い続けていると、ブラシが摩耗してしまうため取り替える必要があります。また、電機子も同様に摩耗してしまいます。

このブラシが摩耗してしまうという欠点をカバーするために、ブラシが無いモーターというのも存在し、シャフトとブラシの間の摩擦が少ないため、消費電力が少なく、比較的静かという利点があります。しかしながら、作るのが難しく、製造コストが高いという欠点もあります。

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ブラシなしモーター

先ほど、直流モーターは非常に汎用的であると述べました。電気シェーバー・テープレコーダー・VCR・CDプレイヤー・モデルカー・電車などの家電やおもちゃに利用することができ、大きな出力を持つ直流モーターは、路面電車・クレーン・リフト・製紙機械などに利用されています。

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左: リフトのモーター / 右: ラジコンカーのモーター

次に、交流モーターについて解説します。

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直流モーターと交流モーターの最も大きな違いは、交流モーターは始動に交流電源を使うことです。交流モーターは、誘導電動機と同期電動機に分けることができます。

動作原理

交流モーターの動作原理は、固定子で生み出される回転磁界によって、モーターの回転子が回転するようになっています。

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同期電動機

永久磁石もしくは電磁石を利用した同期電動機の回転子があり、永久磁石を界磁に使用したモーターは永久磁石電動機と呼ばれています。固定子によって生み出された磁界は、回転子の磁界を惹きつけ、固定子によって生み出された磁界は一定の速度で回転しているので、固定子の速度と同じ速度で回転子が回転します。

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誘導電動機

外部電源から供給された電力は、誘導電動機の回転子ではなく、固定子の巻線を流れる交流電流の回転磁界によって、回転子を動かします。磁力線によって発生した誘導起電力を回転子の巻線が遮ることで、回転子の巻線に誘導起電力が発生します。

単純な例を見てみましょう。

利点 欠点
安価で単純な構造をしており、管理も簡単です。脱調も少なく、生産も容易で、維持管理することなく長い期間にわたって部品を使い続けることができます 回転シードが電源周波数に制限されるため、高速でモーターを制御するさいに通常の交流電源を使うことができず、通常の電源周波数を利用した場合最大速度は3600rpmとなります。高速モーターでは、希望する周波数を生み出すために周波数変換が必要とされ、速度の制御には周波数を変えるか他のフィードバック装置を導入する必要があります。

多くの機械が交流電源を使用しているため、交流モーターは最も幅広く利用されてます。

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左: ドライヤーのモーター / 右: 扇風機のモーター

本記事で紹介した二種類のモーターは、日常で最も幅広く利用されています。モーターの制御と応用は本当に多様で、目的に応じて最適なモーターを選ぶ必要があります。次の記事では他の種類のモーターについて解説し、モーター開発の歴史についてもご紹介します。