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DCモータとは:モータの基礎知識2

モータの基礎知識

更新日:2018年7月27日(初回投稿)
著者:東京都市大学 工学部 教授 工学博士 百目鬼 英雄

前回は、モータの定義と原理、モータの種類、超音波モータを解説しました。今回は、モータの歴史の中で、初期に開発されたDC(直流)モータを詳しく見ていきます。DCモータの動作原理、特性、用途を学びましょう。

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1. DCモータの動作原理

DCモータは、DC(直流)電源で動くモータです。DCモータは、磁石と導体で構成されます。DCモータの基本構造を、図1に示します。磁石を構成する界磁は、巻線による電磁石と永久磁石の2種類があります。大容量モータを除き、ほとんどの場合、永久磁石(PM)が使われています。また、トルクを発生する導体部分を、電機子と呼びます。DCモータでは、ロータ(回転子)が電機子です。そこに施されている巻線(コイル)は、電機子巻線と呼ばれます。

図1:DCモータの基本構造

図1:DCモータの基本構造

DCモータには、整流のための機構が不可欠であり、ロータには整流子が、直流電源回路にはブラシが設置されています。界磁磁束が一定の場合、フレミング左手の法則で考えると、コイルには、上向きと下向きの力Fが発生します。上向きコイルが界磁の中間に来た際に、整流子とブラシの接触する位置が反転します。コイルに流れる電流の方向が逆転するので、回転を持続する下向きに力が働くようになります。なお、整流子とブラシによる整流は、接触による機械的な作用です。整流がモータの制御に影響することはなく、電流や電圧の大きさを変えることで、モータ速度制御を行います。

DCモータが回転する際、コイルがS極と対向する状態ではプラスの電流が流れ、逆にコイルがN極と対向する状態ではマイナスの電流が流れます。このためコイルに流れる電流は、図2のように矩形波状の交流電流となります。電流がプラスからマイナスに遷移する区間は、図2では電流がゼロとなっています。実際には、非常に複雑な電気的過渡現象が起きています。

図2:電機子に流れる電流波形

図2:電機子に流れる電流波形

DCモータの整流子の機構は、スイッチであり、電流の向きが切り替わる時に火花が発生する可能性があります。そのため、火花が発生しないような設計が必要です。また、整流子とブラシは接触するため、整流子が機械的に磨耗し、モータの回転速度が落ちたり、寿命が来て使えなくなる欠点もあります。

2. DCモータの特性

永久磁石を用いたPM界磁DCモータを、最も簡単な電気回路で表現すると図3のようになります。モータのコイルには、電機子が回転することで逆起電力Emが発生し、Emに向かって電流Iaが流れることで、電気エネルギーから機械エネルギーへ変換が行われます。電気回路では、逆起電力をDCモータのシンボルMで表現し、回路抵抗をraで表します。

図3:DCモータの電気回路

図3:DCモータの電気回路

界磁磁石が永久磁石で構成されるため、磁束密度は常に一定になります。電機子の電圧をVm(V)、電機子電流をIa(A)、電機子抵抗をra(1/S=Ω)、速度に比例して発生する電機子電圧をEm(V)とすると、Vm=raIa+Emが成り立ちます。この式の両辺に電流Iaを掛けると、VmIa=raIa2+EmIaとなり、これは入力電力と出力電力の関係式です。

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3. DCモータの用途

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