【DCモーター】直流”電動機”の基礎・構造をイラスト付きで解説!①【整流子?ブラシ?】 

皆さんこんにちは!NORIです!

本記事は「機械の泉」開設後、記念すべき記事第一弾となります!

そんな本記事では、四機器(直流機・誘導機・変圧器・誘導機)のうちの一つ、直流機の解説を行います。直流機というと、直流電動機(電気を回転エネルギーに変換)と直流発電機(電気を生み出す)のどちらも含みますが、混乱を防ぐために直流電動機のみに絞り解説を行います。直流発電機については後々更新します。

まずモーターは使用する電気方式(交流・直流)によって名前が付けられています。直流機はその名の通り、”直流”電源によって回転するモーターです。別表記で「DCモーター」とも書かれます。

直流機の簡単な構造

まずは、直流機の簡単な構造を見てみましょう。<画像1>

<画像1>

 

以下主な構成部品と役割の説明になりますので、”回転”を理解するのに重要な「フレミングの法則」に関しては下のリンクで説明いたします。ぜひご覧ください。

関連記事

皆さんこんにちは!NORIです! 今回は超重要法則!「フレミングの法則」について解説していきます。 この記事をご覧になっている皆様も中学校理科あたりで習ったかと思います。.....懐かしいですよね。 電気を生業にしていない方でも結[…]

直流機は大まかに分けると「固定子」と「回転子」からなります。主な構成部品と役割は以下の通りです。

固定子(その名の通り動かない・固定されている部分)

固定子の構成要素は以下の通りです。

  • 界磁巻線・・・・・直流電流を流し、”右ねじの法則”により磁界を発生させます。
  • 界磁鉄心・・・・・①で発生した磁界を通します。高透磁率材料を用いることで、磁束密度を大きくします。

界磁巻線と界磁鉄心の組み合わせ。これは”電磁石”と同様のものになります。

  • 磁極片・・・・・・回転子に均等に磁束を与える部分です。
  • 継鉄・・・・・・・界磁鉄心間の磁束の通り道です。
<画像2>

直流電動機は、界磁方式の違いによって「他励・分巻・直巻・複巻」の四つに大きく分類出来ます。それぞれの概要に関しては下のリンクで解説していますので是非ご覧ください。

回転子(その名の通り回転する部分:電機子)

回転子の主な構成要素は以下の通りです。

  • 電機子巻線・・・・外部電源に接続され、直流電流が流れます。
  • 整流子・・・・・・回転子(コイル)に流れる電流の方向を切り替えて、一定方向に回転させるための部品です。
  • 電機子鉄心・・・・磁束が通りやすくなるように設けられる。電機子巻線は鉄心のスロットに埋め込まれます。
<画像3>
<画像4>

初めて学ぶ方は、ブラシと整流子がごっちゃになりがちだと思いますが、一度自分の手で図を描いてみると覚えられると思います。

ブラシと整流子の役割

ブラシと整流子。学びはじめでは、どんな役割を持っているのか分かりにくいかと思います。

「ブラシ・整流子がなかったらどうなるの??( ノД`)シクシク…」

って感じですよね。

ということで「ブラシ・整流子がなかった場合」どうなるのかを理解することで、この部品の必要性を理解することにしましょう。(※前提知識として「フレミングの左手の法則」が必要になりますのでご存じの無い方は下記リンクを参照にしてください。)

参考記事↓

関連記事

皆さんこんにちは!NORIです! 今回は超重要法則!「フレミングの法則」について解説していきます。 この記事をご覧になっている皆様も中学校理科あたりで習ったかと思います。.....懐かしいですよね。 電気を生業にしていない方でも結[…]

では、もしブラシと整流子がなかった場合どうなるのか、見ていきましょう。

↓<画像5>では”コイルと外部電源が一体となっている(ブラシ・整流子なし)”と仮定して青側(コイル辺左側)と赤側(コイル辺右側)には、常に同じ方向の電流が流れています。

すると、フレミングの左手の法則によりコイルに電磁力がはたらき、青側には下向き・赤側には上向きの力が働きます。結果、コイル全体としては「左回り」に回転する力が働きます。

<画像5>

↓<画像6>では、上記の状態からそのまま左回りに回転子、”コイルと外部電源が”共に”90°以上回転した状態”を示しています。(あくまでもイメージです。)

コイルと外部電源は”共に”回転しているので、青側・赤側にはそれぞれ<画像5>と同じ方向の電流が流れます。

ここでフレミングの左手の法則により電磁力が働きますが、青側には下向き・赤側には上向きの力が働きます。結果としてコイル全体には「右回り」に回転する力が働きます。

<画像6>
 

結果として<画像5>→<画像6>に状態が移行することで、電機子巻線にかかるトルクが逆転してしまっています。これではモーターとしてはお話になりません。そこで、ブラシと整流子が登場するわけです。


ではブラシと整流子を設けた場合の回転プロセスを見ていきましょう。

整流子は電機子巻線と共に回転します。まず状態①では図の方向に整流子を介して電流が流れ、回転子には左回りに回転するような力が働きます。

<画像7>

次に状態②を見てみると、回転子が左回転し、電機子巻線の赤コイル辺が左側に来ました。先ほどの”ブラシ・整流子”がない場合の<画像6>と同じ位置関係になっています。<画像6>の場合、各コイル辺に流れる電流の向きは変化しなかったので、トルクが反転せず、一定の回転方向となる様な力が働きませんでした。

しかし<画像8>の場合、ブラシ・整流子のおかげで各コイル辺に流れる電流の向きが変化し、各コイル辺に加わる力の向きも変化しました。これでまた、左回転するような力が働きます。

<画像8>

そして状態③は、状態①の場合と比較して180°回転した状態になります。ここでも左回転するような力が働いています。

<画像9>

結論、ブラシと整流子は上記の不具合を解消し、一定の回転方向とするために設けられます。』

内容はここまでとなります。

ここまでお疲れさまでした(*_ _)

直流モータに関するオススメの本・記事

<初心者向け>モータ技術のすべてがわかる本

こちらの本は本章で取り扱った直流モータのみならず、誘導モータ・同期モータに関しても非常に分かりやすく詳細に書いてあります。また、この本の最大の特徴ともいえるのが、フルカラーという点です。フルカラーイラストをふんだんに用いていますので、機械科目において重要な「脳内でのイメージ材料」を鮮明に手に入れることが出来るでしょう。

表紙にも記載のある通り、まさに、「モータのことはこれ1冊でOK」な本となっています。

<上級者向け>メカトロニクスのモータ技術

こちらを一言で表現するならば、DCモータを極めるための本です。個人的に非常に難しい本だと感じましたが、その分学びも多くありました。

内訳としては、DCモータ絡みのページが400ページ強。電磁気に関するページが60ページほど。となっています。電験3種どころか2種・1種でも出題されないような、どちらかというと「モータ開発者・使用者」等の実務者向けの本であるように、個人的には思います。したがって<上級者向け>としました。

それでも私のような人間にもある程度理解できるよう書いてあるのが本書の素晴らしい点であると感じています。

本自体の重厚感・紙質にもこだわりぬかれた「高級な贅沢品」であると感じました。

小型DCモータの構造を知りたい方

小型DCモータを分解し、その構造・回転メカニズムを「実物写真・カラーイラスト・GIF」を用いて丁寧に分かりやすくなるよう解説しました!

「機械の泉」の方向性を示す記事となっていますので是非ご覧ください!

関連記事

[adcode] 皆さんこんにちは!「機械の泉」管理人NORIです! 今回は「分解してみたシリーズ」第一弾ということで、直流電動機の実物分解・解説を行いたいと思います。 当記事は初の試みですので温かい目でご覧いただけると幸[…]

 

 

「機械の泉」最新記事情報を更新!管理人NORIと一緒に学ぼう!
>電気を楽しく、機械を好きに。

電気を楽しく、機械を好きに。

「機械の泉」は電気主任技術者試験のみならず、電気を学習するすべての方に向けたサイトです。Twitterでは最新記事のお知らせ・学習過程のツイートやニュースに対する緩いツイートも書いています。フォローしていただけると嬉しいです。

CTR IMG