交流電気についての愚問です。お教えください。

質問

交流電気は電流、電圧が正弦波形で示されるのですが、
１サイクルの半分は正(プラス）で半分は負(マイナス）です。
電動機や交流コイルでは、交流が＋－を繰り返していれば
作用する力は＋－に応じて反転を繰返し、電動機やコイルは作動しないのでは思ってしまうのですが。
でも実際は作動するわけで、どう考えれば良いのか分かりません。

また、交流ヒータ、(交流）白熱球では交流電子の流れ(?)が
ヒータ材、ニクロム線内の電子にブラウン(?)運動を起こしているのかな、なんて考えていますが、発熱、発光の原理は本当はどういうことなんでしょうか。

易しくお教えください。お願いします。

回答No.7

digitalian · ベストアンサー

整流子モーターをお考えでしょうか。

直流用の整流子モーターに交流を流すと、ご質問のように電源の極性が反転するたび、回転方向も反転してしまいます。

交流用の整流子モーターは、向かい合わせの永久磁石の代わりに電磁石を用います。こうすれば、電源が逆極性のとき、周りから与える磁場も S,N極が逆になりますので、回転するコイルの回転方向は逆の逆、つまり正方向に回転を続けることになって、上手く回ります。

実際のモーターは No.4の参考URL一番下の図のように、回転するコイルは ふつう3極になっています。

整流子モーターは、直流用として一般的に使われます。交流用では掃除機など、高速回転が必要な機器に使われます。

No.4 で回答した誘導モーターは、冷蔵庫、エアコン、扇風機、洗濯機などに使われます。構造が簡単なので寿命が長いのが特長です。回転速度は電源周波数に依ります。

参考URL：

http://www.ipc.shizuoka.ac.jp/~eiymoti1/gijutu/shiryo/electricity/seiryu.html,http://www.fsinet.or.jp/~tamuron/Freq.htm

お礼

再回答有難うございます。

三相誘導電動機を考えていました。

参考URLの上の方の（ipc.shizuoka)「交流電源の場合」で納得しました。
皆さんに回答を頂き、所有の本を改めて見直しました。
そして、「電源の±が変わると、磁界の向きが変わり、回転子に流れる電流の向きも変わり、
フレミングの左手の法則によると力の向きは変わらない」と考えるのかなと思っていました。
でも、自身では本当のところが分かりませんでした。
「交流電源の場合」の説明図はこの通りで三相誘導電動機については納得出来ました。

回答No.9

noname#17844

電磁弁に使用されている隈取りコイルについてですが、隈取りコイルが無い場合を考えましょう。
電磁弁に交流の励磁電流を流しますと、磁気回路の磁気抵抗を減らすべくコイル内部に鉄心（弁に直結）が引き込まれます。電流が無くなるとコイル内部のスプリングにより鉄心がコイル内部から出ていきます。
当然、交流ですから１周期ごとに励磁電流が零になりますので、スプリングがヤング率が大きいとコイル外部へ鉄心が出ていこうとします。これによりうなり（振動）を発します。リレー（継電器）の場合、接点が開放する場合も有ります。残留磁気が少し有りますが、弱いため振動を押さえることは出来ません。
これに対応するため。隈取りコイルに２次誘起電圧が生じますが、隈取りコイルに少し抵抗値を持たせ（R・Xの関係分かるかな？）、これに流れる（励磁）電流を、主コイルの励磁電流よりずらして、磁束がゼロにならないようにしているのです。

お礼

有難うございます。
隈取コイルの働きは少し分かりました。
この回答を頂いて、所有本の隈取コイル型単相モータについての説明を読みました。
当然でしょうか、ソレノイド隈取コイルと同じような作用をするようですね。
「（R・Xの関係分かるかな？）」Ｒ：抵抗、Ｘ：誘導リアクタンスで、ＸがＲに対して位相が90°遅れになるということでしたら知っていますが。

回答No.8

noname#17844

それぞれの回答、如何にうまく説明するかみなさんが苦労しているのが分かり大変おもしろく読ませていただきました。電動機の回転原理の基本は、励磁・負荷電流の極性が変化しても回転エネルギーの方向が常に同一方向であることが基本です。ここで簡単な例えで説明します。
鉄心（大きい釘等）にエナメル線を巻いた電磁石を２つ造ります。巻き線端子をのそれぞれを並列に接続して、直流の励磁電流を流します。そのとき、釘鉄心が反発するようにしておきます。この状態で、電流の向き（極性）を変えます。電流の極性を変えても、釘鉄心の反発するのは変化しません。これが、交流電流によるの磁界原理です。
ちなみに、隈取りコイルは単相モーター用です。
交流による磁界は、単相の場合交番磁界であるため、初期トルクは零ですので隈取りコイルまたは進相用コンデンサにて電圧・電流間の位相差を与えてあたかも多相電源で有るかの様に細工をしているのです。
３相の場合は、回転磁界であるため細工が必要無く、回転子に永久磁石を与えた場合を考えると、固定コイルに３相電源を印可すると周波数に応じて固定子電磁石が、あたかも回転したようになり、それが、回転子のN/S磁石をひっぱてまわすのです。

お礼

有難うございます。
皆さんのお蔭で愚問がほぼ解決しました。
ただ、電気が熱（光）に変わるメカニズムが未だ分かりません。
運動エネルギと抵抗がどう発熱にかかわるのかです。

文章で自分の言いたいことを伝えるのが如何に難しいかが改めて分かりました。
面と向かって話せば、私の愚問も直ぐ解決したと思うのですが。
クマドリコイルは電磁弁のコイルにもあることを知っていますが機能は理解していません。

回答No.6

GTAC

直流モーターと交流モーターとでは回転させる仕組みが根本から違います。
直流モーターは整流作用により、交流モータは回転磁界によって回転させています。

フレミングの法則（磁界がかかっているところに電流を流した電線を置くと電線に力がかかる）は知っていることと思います。

コイルが磁界の中に置かれたときには磁界とコイルの成す角度（Cosθ）によりコイルが磁界から受ける力が変わります。

直流モーターは永久磁石か電磁石で磁界をつくりますが、磁界とコイルの角度が直角のときコイルがうける力は最大で、平行になると力は受けなくなります。
そこで磁界を反転させるか、コイルに流す電流を反転させる（整流する）と、ふたたびコイルに同じ回転方向の力を与えて回転し続けることができます。
（これは高校物理の範囲です）

交流モーター（三相同期電動機）のばあい、コイルは120度づつ角度をずらして配置されます。
それぞれのコイルに時間的に120度ずつずれた交流（３相交流）を流すと、交流の周波数と同じ磁界がモーターの内部に回り始めます。
そこでモーター内に永久磁石か電磁石（界磁）をおくと、回転磁界に磁石がひきつけれられて回転を始めます。５０Hzであれば毎分３０００回転の速度でまわります。
（この数学的な取扱は電気系大学の２年生で習う内容で電験２種の範囲です。電験３種ではなぜ回転磁界ができるかについて三角関数を使って導出する方法は書かれていません。）

発熱、発光の原理は抵抗のある物質内を電子が動く際に電子の持つ運動エネルギー（もともとは電位差によるポテンシャルエネルギー）が熱に変わることです。
高圧の水を細い配管に通すと水と配管の摩擦（配管の圧力損失）によって熱に変わるのと似ています。

お礼

有難うございます。
三相同期電動機は電験三種受験本でほぼ分かりました。
三相誘導電動機は分かりません。電験二種受験本等で勉強してみます。

電磁石を利用した交流リレーについてお教えください。
交流電磁石のコイルはどう考えれば良いのでしょうか。
交流コイルは普通一相で正弦波ですから、電流が±に振れる毎に吸引力の向きが入れ替わり、トータルとして吸引力はゼロと考えてしますのですが。
でも実際は吸引するわけで、私の考えのどこが間違っているのか、どう考えるべきなのか教えて頂けると有り難いのですが。

発熱についての水の例は良く分かります。油圧の仕事に携わっていましたので。
電気と油圧は同じ考えで良いと言われますが、電気、電子になると、どうもピンと来ません。
でも自分で勉強してみようと思います。

補足

「お礼をいう」でリレーの吸引力について教えて下さいと書きましたが、分かった気がします。
吸引力は±にならないのですね。電流が±と切り替わる瞬間は吸引力は「０」になっても極短時間なのでトータルとして吸引力が働き続けるということで良いのですね。

回答No.5

bttf2003

交流の場合は、スカラー量ではなくてベクトル量なので力は大きさだけはなく方向も考えないといけません。だから、＋とーは必ずしも直線状に引きあったり、反発したりはしません。電動機もコイルもちゃんと動作します。
ちょっと、はしょって説明したので理解し難しいかもしれませんが、高校物理程度の電気についての解説書に書いてありますので、確認して下さい。

お礼

有難うございます。
高校ははるか昔のことでして、電気を勉強したかどうかさえ覚えていません。

電験受験本を見ても私の知りたいことは見当たりませんでした。

交流電動機については簡単な原理は理解しているつもりです。またフレミングの右手、左手も何となく分かっているつもりです。
しかし、±のある正弦波交流で交流電動機が回転するメカニズムが分かっていないのです。

（質問の仕方が悪く、他の方にも質問の主旨が分かり難かったと思います。自分でもどう質問すべきか迷いました。）

回答No.4

digitalian

交流モーターの回る原理ですね。向かい合わせのコイルに単層交流を流すとご質問のようになって上手く回りませんので、実際の交流モーターはコンデンサーを用いて、補助電流を作ります。参考URL真ん中の図をご覧ください。

補助コイルを付け、これに位相が90度遅れた電流を流すことによって、主１→補助１→主２→補助２（図が間違ってますね）→……と、回転子を動かす力が右回りにくるくる回るのがお分かり頂けると思います。

電球はフィラメントで発生した熱が光に変わる物とお考えください。「かんぷ摩擦」にたとえましょう。背中がフィラメント、タオルが電流です。背中をゴシゴシこすると背中が熱くなります。タオルは往復運動をしていますが、熱はタオルが動くたび発生します。

電球も同じように、電子は往復運動をしていて、電子がフィラメントの中を動くたび熱が発生します。この熱が光に変わるのです。

参考URL：

http://www.e3.panasonic.co.jp/communication/kihon/denki/motor/m-syurui.html

お礼

有難うございます。
ご回答の前半とURLの例は単相交流モータについてですね。
このコンデンサで位相をずらすことは知っています。
昔、仕事でスタート用とランニング用と夫々容量の違うコンデンサを持った単相交流モータを使った事があります。

電球発光を乾布摩擦で例えるのは面白いですね。
発熱は電子が高速（光速）で動くことによる摩擦抵抗熱と考えれば良いのですね。

回答No.3

he-goshite-

電動機は，交流が流れるとうまく回転するように構造ができています。コイルは交流が流れることでコイルのはたらきをします。

ヒータの発熱体の中を電気が流れると発熱します。白熱電球のフィラメントを電気が流れると発光します。逆向きに電気が流れても熱が引っ込んだり，あたりの光を吸い込んだりはしません。
逆向きに電気が流れてもやはり，熱が出たり光が出たりします。

お礼

有難うございます。
「電動機は，交流が流れるとうまく回転するように構造ができています」
私の愚問は、ここが分からないところと言えそうです。
構造は何となく分かっている積りですが、「交流が流れるとうまく回転する」メカニズムが分からないといっても良いかも知れません。
もしここを説明して頂けると有り難いのですが。

コイルについては　[電流が±に変動するので、吸引力も方向が入れ替わり、トータルとして吸引力＝０]　と考えてしまうのですが。
この考えが違うのでしょうね。
[吸引力の方向が入れ替わっても、絶えず吸引している]　と考えるべきなのかも知れませんね。

回答No.2

unos1201

直流モーターに交流を流すと、行ったり来たりで振るえるだけです。交流モーターはクマドリ式のコイルを使ったりで、極性が逆になれば、回りの電磁石も逆極性になるように工夫しています。直流は周りは永久磁石を使うことも出来ます。つまり、最大値の時、回転方向への推進力が最大になるのです。１サイクル当たり２回、単相交流ではそうなります。３相交流では、電磁石を１２0度ずつに用意すると２つの線を切り替えれば逆回転できるのです。

電球やヒーター、蛍光灯でも単相では最大発熱、発光状態になり、１サイクルあたり２回の点灯を繰り返す状態になります。電流の伝送速度は光と同じですので、非常に高速に振動する状態となります。ただし、電圧に比例しますので、ブラウン運動のような無秩序とは逆の秩序だった電子の移動となります。

お礼

有難うございます。
私が交流を理解してないので、愚問を発したのですが、私の疑問点がうまく伝えられていないようです。
そして、モータについてのご回答は理解しきれませんでした。
クマドリコイルは私の持っている電験対策本には単相モータに使われているように書いてあるのですが、３相用にもあるのでしょうか。

回答No.1

noname#4564

電磁誘導の話は専門家のフォローに期待するとして、

> 交流ヒータ、(交流）白熱球

こっちは、たんなる抵抗熱の問題なので、直流だろうが交流だろうが関係ないのでは？