小型モーターの駆動原理

質問

先日、電気工学等の基礎学習教材についてご紹介いただいたところ、初めての者にもチャレンジできそうなものとして、次のものに目を付けました。
http://www.elekit.co.jp/material/japanese_product_html/JS-03.php
このモーターについて教えていただきたいのです。

今まで、モーター駆動の原理としてはフレミングの右手だと思っていたのですが、このモーターについては、フレミングの右手ととともに電気士（回転部分）に電磁石を作って磁石の反発と吸引力を利用するものだと言うことです。
この電磁石の作用についてはわかったのですが、この回路のように回転軸にコイルの2個（実際の小型のモーターは3個・・・３極というようです）を設けてこれを腕にした状態で回転するのです。
この場合にはフレミングの右手は使われているというのですが、そのように作用しているのでしょうか。
通常参考書などでは、回転軸と同じ平面に四角形（長方形）状のコイルを作って電流を流すと、その両サイドの導線に上下逆の力が発生して回転するというのを目にします。しかし、このキッドのようにコイルが設けられた場合どのように力が発生し、作用するのかお分かりになりますでしょうか。
よろしくお願いいたします。

回答No.6

ojisan7 · ベストアンサー

モーター駆動の原理はフレミングの左手の法則です。右手の法則は発電機の原理ですね。質問者さんが掲げている学習教材は直流モーターですね。直流モーターの駆動原理は、私が中学生の時習いましたので、簡単です。今の中学生にも簡単に理解できる内容だと思います。回転子（電機子）を回転させるためには、電機子に流れる電流の向きを変えないようにしなければなりません。そのための工夫が、「整流子」と「ブラシ」ですよね。２極モーターだと、回転方向が決まらないため、回転させるためには、はずみを与えるために、最初に手動でちょっと回してやる必要があります。３極以上ならば、このような面倒なことをしなくても、自然に回転することが理解できますね。
ここで、練習のために、質問者さんへ課題を１つ与えましょう。時間があるようなら考えてみてください。

課題：整流３極モーターの電機子のコイルの巻き方、整流子、ブラシ、界磁はどのようになりますか。

参考URL：

http://www.jaea.go.jp/09/wakuwaku/kosaku/motor/img/seisaku4.pdf

お礼

ありがとうございます。これを元に勉強させていただきます。
しかし、２極の場合の左手の力の作用の仕方がわからないのです。
左手の法則はわかるのですが、このような簡単な直流モータにおいて、どのように左手か関わっているのか・・・。
URLにおける説明でもこの部分が省略されているのです。

補足

すみません。補足でなく
課題の回答です。
コイルの巻き方は、言葉では説明しにくいですね。
例えば上を向いた磁極がN極であれば、下の2つがS極になるように巻く
整流子は、３つ必要でしょうが、どのように付ければいいのでしょうか？
ブラシは2つでいいですよね。
磁界とありますが、これは永久磁石を指しているのでしょうか（電磁石でもよいですが）・・・。

回答No.7

moto21

Ｎｏ，３の方が書かれている様に鉄心が使われる場合フレミングの法則で考えるとうまく説明できないことがあると思います。
そこでも書かれている様に鉄心に磁束が行って銅線と交わるの少ないのがあります。（空気と鉄など３桁１０００倍位はちがうと思います）

むかし、小型のブラシレスモータ（ブラシが半導体になったもの）の巻線を手で巻いたことがありますが、その時巻くのがへたで緩くなってしまいました。しかしその方が磁束と交わる実効長さは長くなるので同じ電流を流しても力（トルク）は大きくなっても良いはずなのにピッチリまいたの同じでした。つまり純粋に巻き数に依存しました。また緩いので広がった部分圧力をかけて整形をして（このとき磁束と交わる実効長さ短くなる）もトルクは同じでした。
緩く巻くと抵抗値は上がりますがここでは回転に必要な特性である電流１（Ａ）どれだけトルクがでるかに着目しています。

理論的なことはわかりませんが、感覚的には説明できないところがあります。

また、質問文にあるリンク先のもの写真が小さいのではっきりとはいえませんが、固定側にある磁石では参考書にある並行な磁場ができていないとおもいます。
理由は左右の磁石をつなぐケース（ヨーク）がないこと距離が離れていつことです。参照リンク先のマブチのモータ説明がありますが左右の磁石を保持しているケースは磁力を通す道ともかいてあります。

結論はわかりませんが、高校で自由落下を習いますがパチンコ玉ならある程度理論どうりですが羽や紙では通用せず空気の抵抗を考えなければいけなくなります。飛行機の原理はよくベルヌーイの定理が多用されますが紙飛行機や曲芸の背面飛行は説明できないと思います。
原理を教える部分と現実の物は多少違うことがあると考えることにしています。

参考URL：

http://www.mabuchi-motor.co.jp/ja_JP/technic/t_0100.html

お礼

お世話になります。
やはり、フレミングの左手の作用の仕方はわからないですか・・・。

回答No.5

foobar

＃３お礼欄に関連して
電機子巻線（や大型機だと界磁巻線）の中に、磁束を通りやすくするために入っているのが鉄心です。（使用するところの条件によって、積層珪素鋼板や軟鉄材などが使われているそうです。）

内部に鉄心を持ったコイルで、電動機トルクがフレミングの左手で発生しているか、電磁石の吸引反発で発生しているかで、力の発生のしかた（と伝わり方）が異なってきます。（フレミングだと、力が加わるのは導体で、導体から絶縁材、鉄心を通して、軸にトルクが伝わります。これに対して、電磁石の吸引反発だと鉄心の部分で主な力が発生し、軸にトルクとして伝達します。）

大型の回転機（導体が鉄心に刻まれたスリットに埋め込まれている）だと「フレミングでトルクが発生する」と仮定すると、かなりの力が絶縁材に加わるはずなのが、大型機のオーバーホールの際に、電機子導体の絶縁物を調べたところそこまでの力がかかった痕跡がなかったのだとか。それで、現在は、「電磁石の吸引反発で鉄心が力を発生」という説明が主流になっているのだと聞きました。
（ただし、扁平型モータのように鉄心表面に巻き線が張り付いているようなタイプだと、また話はかわるかも知れません。）

回答No.4

fujiyama32

この小型のモータは原理的な理解をするための極めて初等的な模型(直流モータ)だろうと思います。
直流モータの場合、外側のコイル(界磁コイル)で作った磁界(永久磁石と同等の作用)の中で、電機子(回転子)に流れる電流が受ける電磁力で回転すると考えて良いのではないかと思います。(この場合、フレミング左手の法則の学習になると思います。)

次のURLを参考にして下さい。図解の下の方に電機子を3極にしている理由も書いてあります。

http://denkinyumon.web.fc2.com/tyokuryuudendouki.html

なお、産業分野で使用されている交流の誘導電動機(カゴ形モータ)の原理は「アラゴの円盤」の作用を理解することから始まります。
この場合は、外側の磁界を回転させますと円盤にフレミング右手の法則により電流が発生します。この電流と外側の磁界の作用より、外側の回転する界磁を追いかける様に円盤が回転します。(この時はフレミング左手の法則で電磁力が発生して回転すると考えます。)

http://denkinyumon.web.fc2.com/yuudoudendouki.html

この実験をしたい場合は、次のような方法があります。
(1)飲料用のアルミ缶のキャップを用意します。
---キャップの直径が、やや大きい目のアルミ缶が良いでしょう。
(2)キャップを逆さにして3本の糸で吊り下げます。
---糸をキャップに三カ所セロテープで止めます。
---糸を三角錐の形にして1本にまとめます。
(3)まとめた1本の糸の上の方を適当な場所にセロテープで止めます。
(4)キャップをぶら下げます。
---固定する場所として電気スタンドの笠の縁あたりが良いと思います。
(5)吊り下げたキャップの下の丸い面に永久磁石が接触しない程度に近づけます。
---上のURLに書いてあります図1と円盤と磁石が上下逆の配置になります。
(6)キャップの中心を軸にして手に持った永久磁石をゆっくり回転させます。
(7)永久磁石の回転に連れてキャップが回転し始めます。
(8)これがカゴ形誘導電動機の原理です。
(9)永久磁石を手で回転させていますが、永久磁石の代りに3つのコイルを巻き、これに3相交流電源を加えますと回転磁界ができ、円盤に相当する回転子が回転し始めます。

回答No.3

foobar

電機子に鉄心がない場合には、フレミングの法則、電磁石と磁石の吸引反発、どちらの説明でもよい
けれども、
電機子に鉄心がある場合には、電磁石と磁石の吸引反発、という説明の方がフレミングの法則よりも適切
なのだそうです。

（電気子が鉄心を持つ場合、磁束の大半は鉄心を通っていて、電流が流れている導線自体はそれほど強い磁束にはさらされていない、のだとか。）

お礼

おせわになります。
電気子に鉄心があるというより、コイルにより鉄心が作られます。
作成したところにも聞いたのですが、フレミングの法則も使われているということですが、どのように作用しているかまではわかりませんでした。
磁石の吸引、反発だけでも説明としてはいいのかもしれませんが、では今までのモーターは右手というのはいったい何だったんだろう？ということになるので、実際のモーターではそれがどのように作用しているのかつかみたいと思っています。

回答No.2

yzx

このサイトでは如何でしょうか
ちなみにモーターは左手の法則で発電機が右手の法則です。
http://www.ncsm.city.nagoya.jp/asw/index.htm

回答No.1

fjnobu

参考にしてください。
右手と左手をごっちゃにしていませんか？
尚、どんな場合でもフレミングの法則は生きています。

参考URL：

http://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%95%E3%83%AC%E3%83%9F%E3%83%B3%E3%82%B0%E3%81%AE%E6%B3%95%E5%89%87

お礼

モーターですので、右手を使って考えています。
そのときの力の方向をコイルの位置に応じて考えたのですがどうもしっくりくないのです。
例えば45°位傾いたところを考えると上下のコイルの下側と上側で力の方向が逆になり釣り合ってしまうのではないかと。
そこで、回転軸から力の作用する点までの距離（いわゆる回転モーメントの腕の長さ）を考慮することにより、回転力の違いがでるのかなと考えているのですが、それでよいものかどうかが疑問となっています。