モーターのしくみ電流と磁場で、
軸を回す力を生む。

モーターは、電気で軸を回す

モーターは、電気エネルギーを機械の動きへ変える装置です。回転する軸に羽根を付ければ風を送り、歯車をつなげれば別の部品を動かせます。ただし、羽根が風を作る働きと、モーターが軸を回す原理は別です。

ここでは、永久磁石と回転するコイルを使うブラシ付き直流モーターを入口にします。直流はDCとも呼ばれます。模型などに使われる小型モーターを理解するのに役立つ方式ですが、家庭の機器すべてがこの構造というわけではありません。

観察したいのは、電流が流れる場所、磁場の向き、そこで生じる力の向きです。「磁石があるから回る」で終わらせず、なぜ同じ方向へ回り続けられるのかまで追います。

電流と磁場が、回す力を生む

磁場は、磁石などによる磁気の作用を表すものです。電流を流した導線を磁場の中に置くと、条件に応じて力が生じます。力の向きは、電流の向きと磁場の向きの両方に関係します。

図1は、軸の方向から見た単純化したモデルです。磁石のN極を左、S極を右に置き、その間の磁場を右向きにしています。コイルの左右の辺は、画面に垂直な方向へ延びているものとして示しています。丸の中の点は手前向き、丸の中の×は奥向きの電流です。電子の移動方向ではありません。

この条件で、左側には上向き、右側には下向きの力が生じます。左右の辺が同じ回転部分につながっているため、二つの力は軸を時計回りに回そうとします。この回す働きを「トルク」と呼びます。

コイルは、導線を巻いたものです。電流によってコイル自体も磁場を作りますが、図の青い矢印は外側の永久磁石による磁場を示しています。二種類の磁場の細かな分布は描いていません。

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半回転したら、そのままでは続かない

一つのコイルを考えると、回転に伴って左右の辺の位置が入れ替わります。もし同じ物理的な辺に同じ向きの電流を流し続けたら、半回転後には回そうとする向きが逆になります。そこで、回転位置に合わせてコイルの電流の向きを切り替えます。

図2のAとBは、同じコイルの二つの辺を区別する記号です。0度の状態ではAが左、Bが右。180度回った状態では、Aが右、Bが左に移っています。Aの電流は点から×へ、Bは×から点へ変わります。その結果、空間の左側は上向き、右側は下向きの力となり、回す向きをそろえられます。

入れ替わるのは、回転するコイルへの接続です。外の電源のプラスとマイナスを人が毎回つなぎ直すわけではありません。 図は二つの回転位置の比較で、途中の角度や切り替え瞬間の接触状態をすべて示してはいません。

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1. 0度の状態：Aが左、Bが右。Aは点、Bは×の電流
2. 180度の状態：Bが左、Aが右。Aは×、Bは点の電流。下段の接点区画も交換する

ブラシと整流子は、回転中の接点

ブラシは、回転する部品へ電流を受け渡す接点です。「ブラシ」という名前でも、掃除用の毛の束を意味するとは限りません。接点は整流子に触れ、回転中も電気の通り道を作ります。

整流子は軸とともに回転し、角度に応じてブラシが触れる区画を変えます。図2の下段では、二つの区画と固定したブラシを別に見せています。区画の色は上段のA・Bに対応しています。実際の接続線は省略しているため、上段と下段を直接配線する図として使わないでください。

図の一つのコイルと二つの区画は、役割を理解するための最小モデルです。このモデルでは回転位置によって回す力が弱くなり、ゼロになる位置もあります。動いていれば慣性で通過できますが、どの位置からでも確実に始動できるとは限りません。実用モーターでは複数のコイルや整流子の区画などで、始動と回転のむらに対応します。

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ブラシレスや交流モーターは、構造が違う

ブラシレスモーターでは、ブラシと整流子による機械的な切り替えを使いません。代表的なブラシレスDC方式では永久磁石が回転側、コイルが固定側にあり、電子回路がコイルへの通電を制御します。回転位置を検出するセンサーを使う方式などがあります。「ブラシを取り去っただけの同じ配線」ではありません。

交流モーターにも複数の種類があります。代表的な方式では、固定側のコイルによって回転する磁場を作ります。誘導モーターと同期モーターは、回転側の働きや磁場との関係が違います。したがって、家電のモーターをすべて図2の整流子で説明することはできません。

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回転数と、回す力は同じではない

回転数は、どれだけ速く回るかを表します。トルクは、軸を回す働きの大きさです。速く回ることだけで、重いものを動かす力が大きいとは判断できません。歯車を使えば回転数とトルクの関係も変わります。

永久磁石を使う直流モーターでは、磁場や電流がトルクに関係します。一方、電源電圧だけからどの条件でも回転数が決まるわけではありません。負荷、摩擦、モーターの構造、制御回路などを合わせて考えます。

また、回転中のコイルには、電源からの電流を抑える側に働く電圧が生じます。「逆起電力」と呼ばれるもので、モーターが回ることで発電の働きも生じるという関係です。基本的な直流モデルでは、回転が止まるとこの電圧が小さくなり、大きな電流が流れる条件になります。保護・制御のある製品では電流を制限する場合もあります。

軸を無理に止めたまま通電すると、発熱や故障につながります。これは試して確認するための操作ではありません。定格・負荷・製品の指示に従い、回転部へ触れたり、裸のモーターを家庭のコンセントへ接続したりしないでください。

電池から回転へ、エネルギーの行き先を見る

洗濯機では、回転で衣類と水を動かして洗う働きを助け、脱水では衣類を残して水を減らします。同じモーターの回転でも、洗いと脱水では回す部品・速さ・目的が異なります。この記事のブラシ式モーターの構造を、すべての洗濯機に共通する構造と考えないでください。

掃除機では、モーターがファンを回し、そのファンが空気に仕事をして流れを作ります。軸の回転と空気の流れ、空気からごみを分ける集じんは、それぞれ別の部品の役割です。モーターの出力や回転数だけで、床のごみの取れやすさまでは決まりません。

エレベーターでは、駆動シーブの回転をロープなどの上下の移動へ変えます。つり合いおもりで負担を減らし、速さと位置を制御して床へ合わせます。毎階の停止と、異常時の非常止めは別の仕事です。この記事のブラシ式の構造を、そのまま巻上機のモーターの実断面とは考えないでください。

電池の仕組みでは、化学反応から電気エネルギーを取り出すところを見ました。モーターは供給された電気を回転の仕事へ変えます。ただし、受け取ったエネルギーすべてが軸の仕事になるわけではなく、巻線の発熱や摩擦などによる損失もあります。

LEDは電気から光を、IHは電磁誘導を通じて鍋底の熱を生みます。同じ「電気を使う道具」でも、動かす対象と取り出す働きが違います。電池・LED・モーター・IHを読むときは、実際にその順番で直列につなぐという意味ではなく、エネルギーの変換を比較してみてください。

スピーカーも磁場の中の電流が受ける力を使いますが、振動板を前後に動かして、空気に音の波を作ります。今回のモーターで軸を回す働きと、スピーカーで往復運動を取り出す働きを比べると、同じ電気と磁場でも目的に応じて構造が変わることが分かります。

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1. モーター：電気入力から軸の仕事へ
2. 発電機：回す仕事から電気出力へ
3. 両方：発熱・摩擦などの損失がある

回転から電気を取り出す、発電機との関係

発電機の仕組みでは、逆向きの変換を追えます。外から軸を回す仕事を与え、コイルを通る磁束を変えることで電圧を生みます。モーターの逆起電力も、回転と発電が結び付く例です。

ただし、モーターと発電機をつなげれば電気を増やし続けられるわけではありません。電気を取り出すには回す仕事が必要で、どちらにも発熱や摩擦などの損失があります。用途・定格・出力の制御も含めて区別しましょう。