「モータ」のキホン (イチバンやさしい理工系)
著者プロフィール
井出萬盛
1951年長野県生まれ。現在、湘南工科大学附属 高等学校教諭、同大学非常勤講師。著書に『「シ ーケンス制御」のキホン」』(ソフトバンククリエイティ ブ)、『全方向へ思いのままにボールで動くロボッ トの製作』「録音再生ICを使ったおしゃべりロボッ トの製作』(パワー社)、『図解入門 よくわかる最 新モータ技術の基本とメカニズム』(秀和システム) がある。趣味はアンデス音楽(フォルクローレ)、シー ク演奏、渓流のイワナ釣りなど。
アートディレクター:坂本紀子(Design Studio Palette)
カバーイラスト: 野辺ハヤト
http://www.breathpiece.com/
本文イラスト:山本治(atelier TRUMP HOUSE)
http://www.nda.or.jp/~trump/
はじめに
この20年間の情報技術の発達は、驚くべきものでした。インターネットが完 備され、あっという間に世界が結ばれてしまいました。世の中が1つに結ばれた のは、大変意義のあることだと思います。そして、この時代を大きく変えたのは、 「科学技術の力」といってもよいと思います。また、私自身、この時代を科学技術 の発達とともに歩めたことを、大変うれしく思っています。
モータは比較的歴史が古く、ほぼ完成された機械と思っている方も多いかと 思います。しかし、モータを取り巻く環境にも大きな変化がありました。まず、 強い永久磁石が開発され、モータに使われるようになりました。次に、マイクロ コンピュータの出現と、半導体制御技術の向上にともない、新しいタイプのモー タが誕生しています。
現在、社会で利用されているモータのほとんどが、機械システムの中で動いて います。モータは回転速度を変えたり、回転方向を変えたり、ゆっくり止めたり、 ブレーキをかけて早く止めたりします。しかも、その存在を感じさせることなく、 私たちの要求に応えてくれています。このように、私たちの生活の中で、安全で 心地よい環境を与えてくれているのが、縁の下の力もちといわれるモータです。 人間とのかかわりの中でますますその重要性は高まることでしょう。本書では、 そのようなモータを周辺技術を含めて、わかりやすく解説しました。
ビル・ゲイツ氏が初めてコンピュータに向かったとき、「なんて使いにくいもの だろう」と思ったそうです。ふつうは「これはすごい」と驚くと思いますが、やはり 天才はとらえ方が違うようです。物事をどうとらえるのかということが、その後 の人生に大きく影響することはいうまでもありません。すばらしい物事に出会っ たとき、そのことをどうとらえるかは、その人の「感性」で決まります。そして、 ものづくりに必要な感性は、若いときに決まるようです。読者のみなさんには、 若いときにものづくりの感性を高めてほしいと思います。
本書が、ものづくりの「感性」を磨く一助となれば幸いです。
2010年4月 井出萬盛
目次
はじめに
登場キャラクターのご紹介
第1章 モータの使われ方を調べてみよう
001 扇風機や換気扇には負荷に応じて回転速度が変化する誘導モータを使用
002 洗濯機の誘導モータもブラシレスモータのダイレクトドライブに進化している
003 エアコンや冷蔵庫でも省エネのためにブラシレスモータが活躍する
004 電動工具には始動時に大きな力がでる交流整流子モータが使われている
005 地下鉄や路面電車には理想的な特性の直流直巻モータが使われてきた
006 新幹線や特急電車にはVVVFインバータ制御が可能な三相誘導モータが使われる
007 電気自動車には三相交流の誘導モータかPM同期モータが使われている
008 新幹線は大規模なモータ制御システムで運行管理されている
009 サーボモータと制御技術によって介護や医療の分野にもロボットが進出
010 VVVF制御技術とPM同期モータでエレベータやエスカレータが進化する
011 ケーブルカーやロープウェイにはインバータ制御の三相誘導モータを使用
012 遊園地の大形アトラクション設備には油圧モータやリニアモータが使われる
013 パソコンと周辺機器には静音のためにブラシレスモータが使われる
014 そのほかの家電製品に使われているモータたち
COLUMN 量の記号および単位記号
第2章 モータの利用と基礎知識
015 モータっていったいなんだろう?
016 クリーンエネルギーとしての電気エネルギー
017 直流・交流2つのモータで現在の快適な暮らしは維持されている
018 モータは電気エネルギー、駆動原理、構造別に多様な種類がある
019 小形直流モータの基本的な構造を見てみよう
020 「トルク」ってなんのことだろう?
021 モータでは回転数や電圧・電流の使い方を示す「定格」値がある
022 モータは「効率」が悪いと大きくなってしまう
COLUMN 回転しない振動モータとは?
第3章 電流と磁界の関係
023 永久磁石は2つに割ってもふたたびN極とS極が現れる
024 磁界の強さは磁力線で表す
025 ネオジム磁石はもっとも強い磁力をもっている
026 電池から流れでる電流はいろいろな働きをする
027 電流と磁界は右ネジの関係でつながっている
028 電磁石は電池を取り外しても磁気が残る
029 磁界が変化するとコイルに不思議な電流が流れる
030 電磁誘導はファラデーとレンツによって解明された
031 コイルに発生する誘導起電力は発電機の原理になっている
032 磁界の中で電流に働く力を見てみよう
033 フレミングの法則には「右手の法則」と「左手の法則」がある
034 磁界の中で鉄や磁石が受ける力はモータの回転原理につながる
COLUMN モータに革命を起こしたサマリウム・コバルト磁石
第4章 直流で動くモータのしくみと働き
035 永久磁石による磁界と電磁石による磁界のつくり方
036 永久磁石を使った小形直流モータの基本構造を知ろう
037 小形直流モータが回転するしくみを知ろう
038 小形直流モータの性能を考えてみよう
039 電磁石を使った大形直流モータの基本構造を知ろう
040 整流子と電機子コイルの接続
041 モータは回転すると同時に発電もし
042 コイルの発熱と等価回路の考え方
043 電機子電流による界磁磁束の偏りはブラシや整流子を損傷させる
044 トルクの大きさはモータの形でわかる
045 直流モータは電磁石のつくり方で性能が大きく変化する
046 電磁石を電機子コイルと並列接続した直流モータの性能
047 大形直流モータは始動時の大電流を抑えながら回転させる
048 大形直流モータの回転速度は電圧や界磁で調整できる
COLUMN 誘導モータと同期モータ
第5章 交流で動くモータのしくみと働き
049 家庭の電気は交流といい、電流の向きが変わる
050 交流回路では使われる電力と使われずに電源に帰る電力がある
051 実際に使われる電力の割合を「力率」という
052 うず電流は目的によっては弊害にもなる
053 交流モータを回転させる三相交流とその性質
054 三相交流電源の接続にはA接続とY接続がある
055 三相交流では回転する磁界をつくることができる
056 うず電流とアラゴの円板
057 三相交流で回転する誘導モータの原理と基本構造
058 三相誘導モータは回転子巻き線の構造によって2種類ある
059 固定子コイルの巻き方で回転速度が変わる
060 誘導モータの回転速度と「すべり」について
061 三相誘導モータは直流モータに比べて始動トルクが小さい
062 三相誘導モータには「かご形」と「巻線形」がある
063 三相誘導モータの回転制御は電圧や周波数で行っている
064 家庭で使われる単相誘導モータのしくみと特徴
065 単相誘導モータの始動方法について考えてみよう
066 交流で回転する「同期モータ」は磁石の吸引力で回転する
067 同期モータは自力で回転できないモーター
068 同期モータは回転特性や構造的な特徴が豊富なモータである
069 同期モータは始動に手助けが必要になる
070 整流子をもつ交流モータのしくみと特徴
COLUMN 新幹線の新しい時代が始まる
第6章 特殊なモータのしくみと働き
071 ギヤの働きと回転調整
072 標準ギヤや遊星ギヤなどギヤにはいろいろな種類がある
073 ロータリーエンコーダは回転数や回転方向を検出できる
074 高い機能を引きだしたモータ
075 磁磁気を使わない「超音波モータ」の回転原理と特徴
076 回転磁界から移動磁界にすることでリニアモータが誕生した
077 移動磁界を利用した交流で動くリニアモータ
078 動く部分によっていろいろな種類があるリニア直流モータ
079 スイッチで電流の方向を切り替えて移動するリニア直流モータ
080 電気抵抗がゼロになる「超伝導材料」は魔法の材料
081 超伝導リニアモータカーは2種類のコイルで走行している
082 整流子とブラシを半導体で置き換えて「ブラシレスモータ」が誕生
083 磁極の吸引を半導体で切り替えて「ステッピングモータ」が誕生
084 ステッピングモータの励磁方式を見てみよう
COLUMN いま、地下鉄がおもしろい
第7章 モータと半導体制御
085 モータを思いのままに動かす制御技術
086 モータ制御に使われるセンサーを見てみよう
087 SCRは魔法のスイッチといわれ、大容量のスイッチングに使われる
088 モータ制御のための代表的な半導体電力制御回路
089 モータを半導体で制御すると新しいタイプのモータが開発できる
090 制御性のよさが「サーボモータ」の命
COLUMN ベアリングは日本のお家芸
参考文献
索引
登場キャラクターのご紹介
★キホンガエルのぴょん太くん
本シリーズのメインキャラクター。 ものづくりを好み、どんなことに も興味をもつ。いつかは自分で画 期的な製品をつくりたいと願って いる。
★ガイド役
磁石くん
ツートンカラーで誰でも知っている 磁石くん。強力な永久磁石パワー で、モータを小さく、高性能にする んだ。
電気くん
外見はずいぶん違うけど、実は磁石 くんとは一卵性双生児のような間柄。 ゆくゆくは地上のすべての動力にな りたいと思っている。
