今回のテーマは「モーターの仕組み」。「モーターを動かすのに必要なものは?」「電流」「正解だ」「でももう一つ大事な要素があるぞ?」

そう、磁石です。モーターが回転するためには、電流と磁界が必要。モーターは、磁界があるところに電流を流すと働く力(電磁力)をうまいこと回転に変換している。

この記事では、磁界、電流と電磁力の関係を表した「フレミング左手の法則」について解説した後、それをどんな風に回転に利用しているかを理系ライターのR175と解説してくぞ。記事中では何回もフレミングの左手の法則が出てくるので、おさらいのチャンスです。

ライター/R175

理科教員を目指す理系ライター。エンジニアの経験を活かし、教科書の内容を実際の現象に結び付けて分かりやすく説明する。

1.モーター回転の原動力

image by iStockphoto

モータの回転には、磁界があるところに電流を流すと発生する力「電磁力」を利用しています。

*磁界は、「磁石がそばにある場所」をイメージしてください。

「電磁力」の向きや大きさは、電流や磁界の向き、大きさによって決まります(フレミング左手の法則)。

モータは、この「電磁力」が常に回転方向に働くような構造になっています。

次項では、まずモータ回転の原動力となっている「電磁力」について見ていきましょう。

2.フレミング左手の法則

2.フレミング左手の法則

image by Study-Z編集部

ここではモーターの原理に直結する「フレミングの法則」を見ていきましょう。

フレミングの法則

磁界の向き

電流の向き

力の向き

の関係を表したもの。

磁界は「磁力」が発生する「場所」。

磁界のある場所に鉄など「磁石にくっつくもの」を置くと、どこかに吸い寄せられていくものとイメージしてください。

イラストに示すように、右方向に磁界があるところに、前後方向に電流を流すと力は上向きに働きます。

さてここで、左手の親指、人差し指、中指をイラストのような形にしてください。電流の向きが中指、磁界の方向が人差し指、力の方向が親指となります。

\次のページで「3.電磁力を回転に利用する」を解説!/

image by Study-Z編集部

磁石と磁石の間にエナメル線を置いて、電流を流すと、このフレミング左手の法則による方向にエナメル線が動きます。


例えば、イラストのように置いた場合、エナメル線はどちらに動くでしょうか?


フレミング左手の法則により答えは求められますが、道具が、そろう方は是非現物で試してみてください。

 

3.電磁力を回転に利用する

ご存知の通り、モータの中には磁石が入っています。もちろん「磁界」を作るためです。

そして、モータを回すためには、電流が必要ですね。磁界があるところに流すための電流。

「磁界」と「電流」がそろえば、「電磁力」も発生。問題はこの電磁力をどう回転に利用するかです。

3-1.回転中の動き段階別に観察

3-1.回転中の動き段階別に観察

image by Study-Z編集部

イラストをご覧ください。

モータは、回転する部分(回転子orローター)と回転しない部分(固定子)で構成されています。

回転子の一部が導線。導線があっちにこっちに力を受けながら回転しています。具体的に、どの方向に力を受けているのか見てみましょう。

まず、導線のAの部分に注目。

モータ内に置かれた磁石によって、イラスト(a)方向に磁界が発生。

そして、導線上にはイラスト(b)方向に電流を流すと、導線はイラスト(c)方向、上向きに電磁力を受けます。回転子にそのような力をかけると、イラストに示すよう時計回りに回転しますね。

Aの部分が一番上を通り過ぎると、今度は電流の向きが(d)の方向になります。磁界の向き(a)方向なので、電磁力はイラスト(e)の向き、時計回りに回転していきますね。

Bの部分だけに注目しても同様です。

このように、常に回転方向に電磁力が働くよう工夫されています。

3-2.肝は整流子

3-2.肝は整流子

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常に、回転方向に電磁力を働かせるためには、電流の向きを適切な方向にしておく必要があります。それを行っているのが「整流子」。

先ほどの3-1で回転子のA部分が磁石の極側にいるときは、電流は回転子A→Bの向きに流れていますが、A部分が極側に来たときは回転子B→A方向に流れていますね。

常にA→B、B→A方向だと回転できないのです。180°回転するごとに、回転子に流れる電流の向きを逆向きに変えることで、常に回転方向に電磁力が働くようにしている。それが整流子の役割です。

整流子なしでも回転可能?

実は、整流子がなくても常に回転方向に電磁力を働かせる方法があります。

電磁力は、電流の向きor磁界の向きで決まりますね。

整流子は180°ごとに電流の向きを変えていますが、逆に電流の向きは変えずに磁界の向きを変えても同じこと。

磁石のN極、S極を、回転子が180°回転するごとに入れ替えればよいのです。

実際、そのような仕組みのモータも存在します。え、マジか。

どうやって磁界の向きを変えるのか?磁石を電磁石にして、その電磁石に流す電流の向きをパチパチ変換することで、磁界の向きを変えてやれば可能ですね。

磁界の向きを変換するタイプのモータでは、モータが今どれくらい回転しているのか把握できる仕組みになっています。さもないと、磁界の向きを切り替えるタイミングが分かりません。

\次のページで「電流と磁界と電磁力と回転」を解説!/

電流と磁界と電磁力と回転

この記事でのキーワードは、「電流」、「磁界」、「電磁力」、「回転」の4つです。

「電磁力」「電流」「磁界」の向きの関係を表したのがフレミング左手の法則。電流と磁界があれば力(電磁力)が発生し、その向きも規定されているというもの。

モータでは、この電磁力が常に回転方向に働くよう原理が工夫されている。

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物理理科電磁気学・光学・天文学

磁界と電流から回転を生み出す「モーターの仕組み」を理系ライターがわかりやすく解説

今回のテーマは「モーターの仕組み」。「モーターを動かすのに必要なものは?」「電流」「正解だ」「でももう一つ大事な要素があるぞ?」

そう、磁石です。モーターが回転するためには、電流と磁界が必要。モーターは、磁界があるところに電流を流すと働く力(電磁力)をうまいこと回転に変換している。

この記事では、磁界、電流と電磁力の関係を表した「フレミング左手の法則」について解説した後、それをどんな風に回転に利用しているかを理系ライターのR175と解説してくぞ。記事中では何回もフレミングの左手の法則が出てくるので、おさらいのチャンスです。

ライター/R175

理科教員を目指す理系ライター。エンジニアの経験を活かし、教科書の内容を実際の現象に結び付けて分かりやすく説明する。

1.モーター回転の原動力

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モータの回転には、磁界があるところに電流を流すと発生する力「電磁力」を利用しています。

*磁界は、「磁石がそばにある場所」をイメージしてください。

「電磁力」の向きや大きさは、電流や磁界の向き、大きさによって決まります(フレミング左手の法則)。

モータは、この「電磁力」が常に回転方向に働くような構造になっています。

次項では、まずモータ回転の原動力となっている「電磁力」について見ていきましょう。

2.フレミング左手の法則

2.フレミング左手の法則

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ここではモーターの原理に直結する「フレミングの法則」を見ていきましょう。

フレミングの法則

磁界の向き

電流の向き

力の向き

の関係を表したもの。

磁界は「磁力」が発生する「場所」。

磁界のある場所に鉄など「磁石にくっつくもの」を置くと、どこかに吸い寄せられていくものとイメージしてください。

イラストに示すように、右方向に磁界があるところに、前後方向に電流を流すと力は上向きに働きます。

さてここで、左手の親指、人差し指、中指をイラストのような形にしてください。電流の向きが中指、磁界の方向が人差し指、力の方向が親指となります。

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