モーターとは
モーターとは、電気エネルギーを力学的エネルギーに変換する電気機器です。
日本語では電動機と呼びます。磁界と電流の相互作用 (ローレンツ力) によって生まれる力を利用して回転運動を出力するものが一般的です。直線運動をするリニアモーターなども存在します。
モーターは回転軸を持ち回転する「回転子 (ローター) 」や回転子を回転させる「固定子 (ステーター) 」、回転軸を支える「軸受」、損失により発生した熱を冷却する「冷却装置」などから構成されます。回転子と固定子の磁界を発生させる部分を「界磁」といい、界磁とのと相互作用させトルクを得るための磁界を発生させるものを「電機子」と呼びます。
モーターの仕組み
最も基本的な「ブラシ付きDCモーター」の仕組みを説明します。まず、S極とN極にはさまれた磁界の中にコイルを置きます。コイルに流れる電流によってコイルにも磁界が発生するので、一方の磁極に対する反発が起き、もう一方の磁極に引き寄せられこの作用で回転が起こります。回転の途中でコイルに流す電流を逆にすることで反発・引き寄せの力が入れ替わり回転が持続させます。
モーターの中には「整流子」という素子があり、整流子が「ブラシ」に当たるとブラシから給電が行われます。整流子は軸とともに回転しており、回転によって整流子とブラシの当たる位置が移動します。給電の位置が変わることによって電流の向きが変わります。
構造が簡単な直流モーターの基本構造は磁石の磁界の中に、回転軸に固定されたコイル状の同線及びブラシ、整流子が設けられています。 整流子は電源とコイルの接触・非接触を切り替える部品です。 ブラシは整流子を電源に接触させる役割を持っています。 コイルに直流電流を流すと電流の向きに従ってローレンツ力が働き、コイルが回転を始めます。
しかし、コイルが180度回転して左右が逆になると回転が止まるため、整流子が必要となります。 整流子はコイルが90度回転したところで、コイルと電源の接触を一時停止します。 この状態ではコイルが惰性で回転を続け、次に整流子が電源に接触したときには再びローレンツ力がコイルの回転方向に働きます。
モーターの区分
まず、モーターを駆動電源で分類するとDC (直流) とAC (交流) の2種類があります。それに加えて構造や原理によって以下のように分類されます。
1. DC (直流) モーター
DCモーターは、1分間に3~4万回転という高速回転が可能で、トルクの強いモーターです。
- ブラシ付きモーター
一般的に用いられているモーターです。固定子側の電極である「ブラシ」を電機子側の「整流子」に順次接触させることで電流を切り替え、回転動作を行います。 - ブラシレスモーター
ブラシと整流子を使用しないモーターです。トランジスタのなどによるスイッチング機能を用いて電気的に電流の切り替えを行います。 (活用例：CDプレーヤー) - ステッピングモーター
パルス電力を用いて動作するもので、パルスモーターとも呼ばれます。正確な位置決め動作を容易にできるという特徴があります。 (活用例：プリンター)
2. AC (交流) モーター
交流電源で回転するモーターで、誘導モーター、インダクションモーターとも言います。 アルミニウムの円盤の周りに磁界を発生するコイルを用意して、交流電流を使用することでアルミニウム円盤を回転させます。 交流モーターの回転数制御にはインバーターが用いられ、低速からのスムーズな加速や速度制御が自在になります。
- 誘導モーター
交流によって固定子に回転磁界を発生させ、回転子に誘導電流が発生します。その作用によって回転が起こります。 - 同期モーター
交流が作る回転磁界によって磁極を持つ回転子が吸引・追従し回転が起こります。回転の速度は電源周波数と同期します。