モーターの回転原理

この核となる考え方を理解することで、次のような原則が生まれる。モーター回転は、私たちが毎日使っている多くのものの背後にある秘密を解き明かす。この記事では、モーターがどのように機能するのか、何がモーターを一定の方向に回転させるのか、そしてモーター速度をどのように制御するのかについて、正確に学ぶことができる。複雑な計算は一切なく、私たちの世界を動かしている磁力についてわかりやすく解説します。

モーター回転の基本原理とは？

それは、「反対は引きつけ、同類は反発する」という自然界のシンプルな法則に他ならない。2つの磁石で遊ぶことを考えてみよう。2つの北極を一緒に押そうとすると、互いに押しのけ合う。しかし、一方を回転させれば、北極と南極はピタリとくっつく。この単純な押し引きが、あらゆる電気モーターの心臓部にある力なのだ。

モーターの回転の核となる原理は、この磁石の押し引きを利用して連続的な回転運動を生み出すことだ。普通の磁石を2つ使うわけではない。普通の磁石を1つと、電気でオン・オフできる特殊な磁石を1つ使うのだ。押すタイミングと引くタイミングを注意深く調整することで、モーターの一部が磁場を追いかけながら円を描くように回転する。この追いかけっこが、目に見える回転なのだ。モーターの驚くべき設計はすべて、このシンプルで強力な原理を中心に組み立てられている。

磁力はどのようにしてモーターを回転させるのか？

では、その磁力を使って実際に何かを回転させるにはどうすればいいのだろうか？基本的なモーターの内部には、主に2つの部品がある。ひとつは固定された磁石（またはマグネット）。もうひとつはローターで、回転する部分です。このローターにワイヤーを巻いてコイルにします。このコイルに電流を流すと、電磁石と呼ばれる一時的な磁石になるという驚くべきことが起こる。これがすべての鍵なのだ。

これで、固定磁石と新しい電磁石の2つの磁石がローターにできました。電磁石の北極は固定磁石の北極に押され、南極に引っ張られます。この押し引きによって、ローターを回転させる力が生まれます。この回転運動が、私たちが求める回転運動です。モーター設計の目標は、この磁力をできるだけ効率よく働かせ、スムーズな回転を生み出すことです。

この原理において電流はどのような役割を果たしているのか？

電流はモーターの燃料だ。電流がなければ、ワイヤのコイルはただの銅の塊だ。磁力もない。ワイヤーに電流を流すと、磁場が発生する。これが電気と磁気をつなぐ基本原理だ。電流の量は電磁石の強さに直接影響します。小さな電流は弱い磁場を作り、大きな電流は強力な磁場を作る。

これによってモーターを制御することができる。電流は、モーターを動かしたり止めたりするためにオン・オフするものです。また、電流を調整することで、モーターの動作を変えることもできる。コイルに電流を流すという単純な行為が、モーションを生み出すすべてのトリガーとなる。モーターの設計は、この電流が作り出す磁界をいかにうまく利用し、有用な機械的パワーと回転を生み出すかということに尽きる。

モーターの回転方向を変えることは可能か？

ええ、もちろんです！その方法は驚くほどシンプルだ。電磁石の原理に戻る。コイルを流れる電流の方向によって、どちらの端が北極になり、どちらが南極になるかが決まる。電流が一方向に流れると、左側が北極になるかもしれない。電流の向きを逆にすれば、右側が北極になる。磁石の極が反転したのだ。

つまり、モーターの回転方向を変えるには、コイルに流れる電流の向きを変えればいいのだ。例えば、モーターが時計回りに回転していたとしよう。電流を逆に流すことで、ローターの磁極を反転させる。すると、ローターを時計回りに回転させていた力が、反対方向に働く。モーターは停止し、反時計回りに回転し始める。簡単に向きを変えられるこの機能は、自動車のパワーウィンドウから工場のロボットまで、多くのモーター用途にとって重要な機能である。単純な変更がモーターの出力に大きな影響を与えるのだ。

モーターの回転速度はどのように制御されているのか？

モーターの回転数制御もまた、複雑に見えるが単純な考えに基づいている。電流の強さが磁場の強さに影響することを覚えているだろうか。磁場が強ければ強い押し引きの力が生まれる。この強い力がモーターの回転を速くする。つまり、モーターの回転数をコントロールするには、モーターの電力量をコントロールすればいいのだ。

通常、電圧を変えることでこれを行う。電圧を高くすると、コイルにより多くの電流が流れ、磁場が強くなり、速度が速くなる。電圧が低いと電流が少なくなり、磁場が弱くなり、速度が遅くなります。速度に影響するもう一つの要因は、モーターにかかる負荷である。モーターが重いファンブレードを回転させようとしている場合、何も取り付けられていない状態で回転している場合よりも低速になります。モーターの設計と供給する電圧が相まって、最終的な回転速度が決まります。

モーターの設計はなぜ重要なのか？

モーターの設計がすべてである。基本的な原理は同じですが、モーターの実際の設計によって、その性能のすべてが変わります。設計はモーターのパワー、スピード、効率を決定する。例えば、磁石に使われる材料、コイルの数、モーターシャフトが回転するベアリングの品質など、すべてが大きな影響を与えます。安価な設計では、弱い材料が使われ、熱くなりやすいかもしれません。

モーターの使用目的は、その設計を決定する。振動する携帯電話用の小さなモーターと、電気自動車用の大きなモーターでは、設計が大きく異なる。携帯電話のモーターは小型で消費電力が少ない必要がある。一方、自動車のモーターは大きなパワーとトルクを必要とする。用途が設計の選択を左右するのです。良いモーター設計とは、そのモーターが必要とする仕事に完全にマッチしたものであり、その特定の仕事に対して回転原理を最大限に活用したものである。

トルクとは何か、なぜ回転力に関係するのか？

モーターについて語るとき、"トルク "という言葉をよく耳にする。トルクとは、単純にモーターが生み出すことができる捻る力の大きさのことです。スピードとは違います。とても速く回るモーターがあっても、トルクはほとんどなく、指で簡単に止めることができます。また、回転は遅いがトルクは大きく、非常に重いものを回すことができるモーターもある。

トルクは回転を開始させる力です。モーターは、慣性（物体が静止しようとする力）や接続されている負荷に打ち勝つのに十分なトルクを発生する必要があります。例えば、ミキサーのモーターは、ジャーに氷と果物が入った状態でブレードを回転させ始めるのに大きなトルクを必要とする。回転が始まれば、速度の方が重要になるかもしれない。モーターの回転力は、トルクと速度の両方の組み合わせであり、優れたモーター設計は、その用途に適した両方のバランスを提供します。

モーターの回転数を簡単に計算するには？

多くの単純なモーター、特にDCモーターでは、回転速度は与える電圧に直接関係します。単純で正確でない計算や経験則によれば、電圧を2倍にすれば、負荷が同じであると仮定した場合、モーターの回転速度はおよそ2倍になる。

より正式な、しかし基本的な計算は次のようなものだ：速度は（電圧-電流×抵抗）に比例する。2番目の部分はあまり気にしないでください。重要なのは、電圧がスピードの主な要因であるということだ。実際の計算はもっと複雑で、モーターの設計、磁束、負荷などの要素が含まれます。しかし、基本的な理解としては、「電圧が高いほど速度が上がる」ということだけを覚えておけばよい。この単純な計算は、モーター制御を理解するための素晴らしいベースとなります。

DCモーターなど、さまざまな種類のモーターとは？

モーターにはさまざまな種類がありますが、そのほとんどは、これまでお話ししてきたのと同じコア・マグネットの原理を使用しています。最も一般的で説明しやすいタイプのひとつが DCモーター.「DC」は「Direct Current（直流）」の略で、電気が一方向にまっすぐ流れることを意味する。おもちゃやドローン、多くの携帯電子機器に搭載されているモーターはこのタイプだ。設計がシンプルで、制御が簡単です。

これまで説明してきたDCモーターは、ブラシを使ってコイルに流れる電流の向きを切り替えながら回転させることで、回転を維持している。ブラシレスDCモーターもあり、こちらはより効率的で、磁場の切り替えに電子回路を使用している。また、ACモーターもあり、これはコンセントからの交流電流で作動する。正確なメカニズムは変わる可能性がありますが、回転磁界が機械的な回転を引き起こすという基本的な考え方は、ほぼすべてのモータータイプの基礎となっています。

日本電産はこの回転原理をどのように利用しているのか？

この原則がいかに重要かを知るには、日本電産を見ればいい。同社はモーター製造の世界的リーダーである。日本電産が得意とするのは、大きくて強力なモーターを作ることだけでなく、私たちの身の回りにある何百万という小型で精密なモーターの設計と製造だ。コンピュータのハードドライブを回転させる小さなモーター、携帯電話を振動させるモーター、電子機器を冷却する小型ファンなど、その特定の用途のために設計をマスターしている可能性が高い。

モーター回転の基本原理を、驚異的なエンジニアリングで応用しているのだ。最高の素材、最も効率的なコイル設計、そして完璧な電子制御を見つけ出し、可能な限り少ない電力で完璧に機能するモーターを作り上げる。彼らの仕事は、このひとつの基本的な科学的原理が、現代生活の動力源となる膨大な種類の製品を生み出すためにいかに利用できるかを示している。このような企業の成功は、すべて磁気による回転力の発生をマスターすることで成り立っている。