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      • 発行日 2024年2月26日
      • 最終変更日 2024年2月26日
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    モーターの仕組み

    このガイドでは、さまざまな種類の電気モーターがどのように機能し、どのように使用されるかを紹介します。

    テクニカルサポートエンジニア、カール・ラルフのレビュー (2022年11月)

    モーターは、電気エネルギーを磁力に変換し、最終的に運動エネルギーに変換する装置です。その動作の背後にある主な原理は、電気エネルギーがまず磁力に変換され、そしてそれが物理的な運動に変換されるというものです。この原理を実現するために、さまざまな方法があります。その結果、多種多様なモーターのデザイン、形状、サイズが存在します。また、モーターに電力を供給する方法もさまざまです。従来の交流モーターや直流モーターは以前から存在していましたが、現在ではモーターを制御するための高度なエレクトロニクスが利用可能になりました。これにより、高度な制御が可能な超高効率モーターが実現されました。

    電気モーターを支える物理とは?

    図では、可動部が整流子と回転子であるとします。永久磁石(ステーター)、ブラシ、バッテリー電源(直流)はすべて静止したままです。整流子は2つの半月形に分割され、四角いローター・ワイヤーに接続され、ブラシを経由して直流ボルト電源に電気回路を作ります。

    以下の流れは、モーターがどのように動作するかを示しています:

    1. 電流がバッテリー(直流)からカーボン・ブラシを経由してローター回路に流される。
    2. この電流はローターの周囲に電磁界を形成する。北磁界は磁石の北磁界に面し、南磁界はもう一方の磁石の南磁界に面する。
    3. 対向する磁界が反発力を引き起こし、ローターを磁石から遠ざけるため、矢印の方向に回転する。
    4. ローターが整流子の接点が分かれる点を過ぎて回転すると、ローターを流れる電流が反転する。
    5. 電流の反転は、ローター周辺の磁場も反転させるため、磁石の反発力によってローターを押し続けます。回転運動実現。

    モーターの種類

    モーターには、直流で作動するもの、交流で作動するもの、信号やパルスで制御されるものがあります。また、サイズや定格出力も幅広く異なります。電気モーターには、主に次の3種類があります:

    • ACモーター(誘導、同期、リスケージ)
    • DCモーター(分流型、直列型、個別励磁型)
    • その他(ユニバーサル、ステッパー、ブラシレス)

    モーターアクセサリは、モータの寿命を延ばし、運転の安全性を向上させるのに役立ちます。

    A/C モーター

    交流電動機の仕組みは、交流電気モーターが交流電流を交流電磁界に変換することにあります。交流磁界は、いくつかの方法で交流磁気エネルギーを運動に変換します。

    • 誘導モーター:固定子の磁界が回転子に誘導され、回転子が自身の磁界を発生させます。
    • 同期モーター:回転磁界と同期してローターが回転します。
    • かご形誘導電動機:このタイプのモーターは誘導モーターに似ていますが、ローターの巻線が固い棒に置き換えられ、それが連結されてリスなどが使う回し車のように見えます。交番磁界がバー内に電流を誘導し、そのバーが独自の磁界を発生させ、運動を生み出します。

    より大型で強力なモーターには、モータースターター(モータ始動器)が必要です。電気モータースターターは、リレーと同じように動作します。通常、モーターに大電流を供給するコンタクターがあり、モーターの始動と停止に使用するボタン式パネルが備わっています。

    ACモーターを見る

    DCモーター

    DCモーターは、ACシステムに比べてコストが安いため、おそらく最も一般的なタイプのモーターです。その構成は以下の通りです:

    • 分巻モータ:ステーターとローターのコイルが並列に接続されたものです。
    • 直列モーター:固定子と回転子のコイルが直列に接続されています。このタイプのモーターは始動トルクが非常に高く、通常、電気列車、リフト、その他の高負荷アプリケーションなど、高レベルの始動慣性を克服するために使用されます。
    • 個別励起モーター:ローターコイルがステーターコイルとは別に給電される点を除けば、シャントモーターに似ています。これには、速度制御や逆方向の制御を容易にするという利点があります。
    DCモーターを見る

    電気自動車のモーターの仕組み

    電気自動車は直流電源であるバッテリーで動きますが、ACまたはDCモーターを搭載することができます。ACモーターの場合、バッテリーからの直流を交流に変換するインバーター回路が搭載されています。モーターは通常、AC誘導タイプです。

    車載モーターは、車両が坂を下ったりブレーキをかけたりするときにバッテリーを充電するためのバックフィード・オルタネーターとしても使用できます。自動車にACモーターを使用するデメリットは、DCモーターシステムよりも導入コストが高くなる傾向があることです。

    電動ファンモーターの仕組み

    大型の扇風機は、多くの場合誘導モーターで駆動されます。小型の手持ち扇風機にはDCモーターが使用されます。ファンの単相誘導モータにはスタータコンデンサを取り付けることができます。このコンデンサは、固定子と回転子のコイルに直列に配線され、逆相電流を供給します。コンデンサは、モーターを容易に始動させ、速度制御を容易にします。コンデンサは、単相モーターの始動および走行性能を向上させるために使用され、モーターが正しい方向に走行することも保証します。

    電動バイク用モーターの仕組みは次の通りです。

    電動バイクでは、永久磁石モーターとブラシレスDCモーターが好まれます。一般的に3相モーター(ステーターコイルの巻線が3つ)です。これらのモーターは、パワーとスピードを調整するためのパルスを供給するオンボード・エレクトロニクスによって駆動され、制御されます。

    電気モーターその他の用途

    電気モーターは、あらゆるところで使われています。電気モーターがなければ、私たちの日常生活を想像するのは難しいでしょう。洗濯機、歯ブラシ、冷蔵庫、自動車、バイク、ロボット工学、ハードドライブ、ヘアドライヤー、旋盤、クレーン、船舶、列車、ドローンなど、数え上げればきりがありません。振動を発生させるためのモーターは携帯電話にも搭載されています。この場合、携帯電話に取り付けられた小さな電気モーターがあり、回転スピンドルに取り付けられたオフバランスの錘が取り付けられています。これにより、電話が鳴ると振動が発生します。スクーター用電気モーターもまた、重要な役割を果たしています。スクーターには少なくとも1つのブラシレスDCモーター(BLDC)が取り付けられており、これらは自転車用モーターと同様に電子制御されています。非常に効率的で、大きさや重さに比べて驚くほどのパワーを発揮します。モーターは今日の世界では欠かせないアイテムです。技術の進歩とともに、モーターは進化し続け、私たちの現代生活に大きく貢献していくでしょう。

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