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モーターのしくみ - 直流整流子電動機
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電気車の速度制御を学ぶうえで避けて通れないのがモーターです。モーターとは電動機とも呼びます。
この電動機には、入力電流に合わせて直流電動機と交流電動機とが存在します。今回は数ある電動機の中でも従来の電気車の主流であった...もとい、大手の車両にも今なお沢山残っている直流整流子電動機について解説します。

ひとえに直流電動機といっても沢山あります。その中で電気車が使用しているのは電磁石磁界形整流子電動機と呼ばれるものです。電動機には回転力を生み出す回転子(電機子)と、回転子の回転を補助する固定子(界磁)があり、電動機に電流が流れると回転子と固定子に巻き付けられたコイルが電磁石となって、回転子が固定子側の電磁石に引っ張られたり反発することで回転運動を起します。このとき、回転子は定期的に磁界(NとS)の向きが変わっていて、固定子は常に磁界の向きが一定になっています。

下の図は直流整流子電動機の基本構造を示しています。細かいことを言うと永久磁石磁界形整流子電動機です。
直流整流子電動機概念図
電源を出た電流(紫矢印)はブラシと呼ばれる接点に向かって流れ込み、ブラシ(オレンジ)からコミュテータ(黄色)に伝わり、さらに回転子に流れてコミュテータ、ブラシと伝わって電池に戻っていきます。ブラシとコミュテータとは回転する物体に通電するための部品です。電源から出ている導線を直接回転子に繋ぐと、回転子とともに導線も回転して絡まってしまいます。これが起こらないように電気を通すもの同士(接点)を接触させて、擦りながら通電させるようになっているのです。
この電源側の接点をブラシといって、十分な通電性と適度な柔らかさを持った炭素でできているため摩耗します。そのため定期的な交換が必要です。交換時期の前でも摩耗した分の粉がスパークや通電不良などを誘発するため清掃が必要です。
もう片方の筒状の接点をコミュテータといって、整流作用を持っているため整流子ともいいます。コミュテータは回転子側の回路を分割するような形状になっています。金属パイプを薪割りしたような感じです。こうすることで定期的に回転子に流れる電流の向きが変わるようになります。

電磁石磁界形整流子電動機の場合、実際の回路は直流電源を出たあと、まず固定子巻線に繋がります。それからブラシを介して回転子巻線に繋がっています。このときの固定子巻線(界磁巻線)と回転子巻線の接続方法によってさらに細分化されています。後々解説する予定です。
 

 

さて、電動機が回転する原理はフレミングの左手の法則で理解できます。フレミングの左手の法則は、左手の親指をまっすぐに伸ばし、親指に対して人差指を直角に伸ばします。...早い話が、人差指で物を指すときに親指も突き立てる感じです。そして中指を手のひらが向いている方向に折り曲げます。3本の指が上下、左右、前後に垂直に向いたこの形。理科だか化学だかで習ったのを思い出したでしょうか。
親指が力の向き、人差指が磁界の向き、中指が電流の向きです。中指から順に「電・磁・力」なんていう覚え方を教わった人も多いでしょう。
図のような回路で人差指の方向を向いた磁界の中で中指の方向に電流を流すと、親指の方向に力が発生して回転子が回り始めます。
図では人差指が右、中指が奥、親指が下です。

逆起電力

次にフレミングの右手の法則も学んでおきます。左手の法則しか知らない人も多いかと思いますが、左手は電動機、右手は発電機の原理になります。
中指から順に「電・磁・力」というのは変わりません。図の回路では人差指を右に、かなり無理やりですが親指を下に向けます。中指を手前に向けます。右手の法則は発電機ですから、人差指の方向を向いた磁界の中で親指の方向に回転させると、中指の方向に電流が発生するということです。電動機と発電機は構造が同じで、電動機でも弱いながらこれが起こっています。電流だけ向きが違いますが、これが逆起電力です。
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