最新版 モータ技術のすべてがわかる本 (史上最強カラー図解)
モータとは 〜前書きにかえて~
私たちの生活はモータに支えられているといっても過言ではない。掃除機や洗濯機のよ うな家電製品をはじめAV機器やパソコンにもモータは使われている。外出すれば、電車 やハイブリッド自動車、エレベータやエスカレータもモータで動かされている。さまざまな物 資を製造する工場でもモータは使われるし、物流システムでもモータは活用されている。モー タそのものが私たちの目の前に姿を現すことは少ないが、現代社会にとってモータは不可 欠なものである。実際に日本の電力使用量の半分以上がモータで消費されており、省エ ネ、CO2削減技術として今も盛んに研究開発が行われている。
ひと口にモータというが、実はさまざまな種類がある。モータというと多くの人がイメージ するのは、電気を利用して回転運動を生み出すものだ。子供の頃に模型用のモータを 分解したことがある人もいるだろうし、中学校でも回転原理を習っている。そもそもモータと は、何らかのエネルギーを運動エネルギーに変換する装置といえる。電動モータであれ ば、電気エネルギーを運動エネルギーに変換する装置だ。この場合のモータを日本語で は電動機といい、逆に運動エネルギーを電気エネルギーに変換する装置を発電機という が、実は電動機も発電機も構造は同じである。電力を生み出す発電所では火力、水力、 原子力を利用して発電機を回転させて電気を作っているし、普及しつつある電気自動車 は電動機で車を進め、減速時には電動機を発電機として使うことで運動エネルギーを電 気エネルギーに変換してバッテリに蓄えている。
また、このように回転運動するモータだけがモータではない。次世代高速鉄道として開 発が進むリニアモータカーはよく知られているが、このリニアモータとは直線的な運動を生 み出すものだ。従来、モータに直線的な動きが求められる場合は、回転運動を歯車など で直線運動にかえていたが、リニアモータは直接的に直線運動を生み出すことができる。 パソコンのプリンタや自動ドアなど、身近な場所でもすでにリニアモータが使われている。
さらに、電動モータは電気と磁気の働きを利用して運動を生み出しているが、磁気を利 用せずに運動を生み出すモータも古くから使われている。例えばデジタルカメラのピント合 わせやズームに使われている超音波モータは、磁気をまったく利用していない。
このように、モータにはさまざまな種類のものがあるが、もっとも活躍しているものは、電 気と磁気の働きを利用して回転運動を生み出す電動モータだ。本書では、こうした回転 形の電動モータを中心に、基本的な回転原理に始まり、その構造や制御の方法につい て初歩から説明してある。モータを学ぼうとしている人、仕事でモータを扱うようになった人、 モータに興味のある人にとって、役立つ入門書になることを願っている。
赤津観
CONTENTS
第1部◆モータを知るための基礎知識
第1章■電気と磁気の基礎知識
■電気の基礎
オームの法則/ジュール熱と電力/直流と交流
■磁気
磁気/磁力線と磁束密度/磁界強度と透磁率
■コイルと電磁石
電磁石/コイルの巻数と磁力/コイルの巻線
■磁気回路と磁力線
磁気回路/磁力線の性質 フレミングの法則
電磁力/電磁誘導作用
■電磁誘導作用
誘導起電力と誘導電流/渦電流/自己誘導作用/相互誘導作用
■ヒステリシス現象と磁性材料
ヒステリシス現象/磁性材料/積層鉄心/永久磁石
■抵抗、コンデンサ、コイル
受動素子と能動素子/抵抗器/コンデンサ/コイル
■電力制御用半導体素子
スイッチング作用と整流作用/ダイオード/サイリスタ/パワートランジスタ
■整流回路と平滑回路
AC/DCコンバータ/整流回路/平滑回路
第2章■モータの基礎知識
■分類
さまざまなモータ/電源と回転原理による分類/構造による分類/出力による分類
■性能などの用語
運転/構成要素/トルク/回転速度/出力と入力/効率と力率/損失/時定数と慣性モーメント/定格
column 超音波モータ
第2部◆直流で働くモータ
第1章■直流モータ
■種類と基本構造
直流モータの種類/直流整流子モータの基本構造
■回転原理
電磁力による回転原理の説明/磁気の吸引力と反発力による回転原理の説明/整流子とブラシによる転流
第2章■直流整流子毛
■電磁力とトルク
電磁力によるトルク
■トルク変動
トルクリップル/コギングトルク
■原理モデルと実用モデル
2スロットモータの問題点/デッドポイントの解消/トルク変動の低減
■界磁の種類と極数
永久磁石形と巻線形/極数/2極機と4極機
■逆起電力
直流整流子発電機/逆起電力
■基本特性
トルク特性/速度特性
■整流子とブラシの弱点
整流子とブラシのさまざまな問題
■電機子反作用
電機子電流が界磁磁束に与える影響/偏磁作用と減磁作用/電気的中性軸の移動/電機子反作用対策
■電機子
電機子コイルの巻き方と磁極/集中巻/分布巻
■スロット
スロット数と巻き方/スロット数と極数/直溝と斜溝
■電機子コイルと鉄心
乱巻コイルと型巻コイル/電機子鉄心
■整流子とブラシ
整流子/ブラシ
■固定子
界磁を行う永久磁石と電磁石/界磁磁石/界磁コイル
■電機子と整流子
分布巻2極電機子の重ね巻/分布巻4極電機子の重ね巻と波巻/集中巻の重ね巻
第3章■巻線形直流整流子モータ
■種類
巻線形直流整流子モータの現状/直巻、分巻、複巻、他励
■特性
巻線形直流整流子モータの基本特性/直流直巻モータの特性/直流分巻モータの特性/直流複巻モータの特性/直流他励モータの特性
■始動法
始動電流/抵抗始動法
■回転速度制御
回転速度を変化させる方法/抵抗制御法/界磁制御法/電圧制御法
■双方向駆動と制動
双方向駆動/電気的制動
第4章■永久磁石形直流整流子モータ
■特性
制御しやすい特性のモータ
■制御
各種制御法
第5章■その他の直流整流子モータ
■スロットレスモータ
電機子鉄心にスロットがない直流整流子モータ
■コアレスモータ
電機子コイルに鉄心のない直流整流子モータ/ラジアルギャップ形コアレスモータ/アキシャルギャップ形コアレスモータ
第6章■ブラシレスモータ
■回転原理
電子的に転流を行う永久磁石形直流モータ/磁気の吸引力と反発力によるトルク/ホール素子と駆動回路/ブラシレスモータと同期モータ/ブラシレスモータの特性と特徴
■種類と特徴
ブラシレスモータの種類/インナーロータ形ブラシレスモータ/アウターロータ形ブラシレスモータ/アキシャルギャップ形ブラシレスモータ
■極数、相数と駆動方法
回転子の極数/固定子の相数とコイル数/コイルの巻き方と駆動方法
■駆動波形とセンサレス駆動
駆動波形/センサレス駆動
第7章■交直両用モータ
■単相直巻整流子モータ
交流で使われる整流子形モータ/単相直巻整流子モーター
column モータの減速機構
第3部◆交流で働くモータ
第1章■交流モータ
■種類と基本構造
交流モータの種類/交流モータの基本構造
■三相回転磁界
三相交流が作り出す回転磁界/極数/同期速度/デルタ結線とスター結線
■二相回転磁界
単相交流を工夫して作り出す回転磁界
第2章■三相誘導モータ
■回転原理
アラゴの円板/三相誘導モータの回転原理
■すべりと特性
すべり/トルク特性/その他の特性と特徴
■回転子
三相誘導モータの種類/かご形回転子/特殊かご形回転子/巻線形回転子
■固定子
固定子コイル/全節巻と短節巻/2極機と4極機
■始動法
始動電流と始動法/スターデルタ始動法(Y-A始動法)/リアクトル始動法&一次抵抗始動法/コンドルファ始動法(始動補償器始動法)
■回転速度制御
回転速度を変化させる方法/一次電圧制御法/極数変換法/周波数制御法/二次抵抗制御法
■双方向駆動と制動
双方向駆動/電気的制動
第3章■単相誘導モータ
■回転原理と種類
単相誘導モータの回転原理/単相誘導モータの種類
■分相始動形単相誘導モータ
リアクタンスを利用して回転磁界を作る
■コンデンサモータ
コンデンサを利用して回転磁界を作る/コンテンサ始動形単相誘導モータ/コンデンサ運転形単相誘導モータ/コンデンサ始動コンデンサ転形単相誘導モータ/リバーシブルモータ
■くま取りコイル形単相誘導モータ
誘導電流を利用して回転磁界を作る
第4章■同期モータ
■回転原理と種類
同期モータの回転原理/同期モータの種類と現状
■負荷角とトルク
負荷角/脱出トルク/同期引入トルク
■始動と制御
始動法/回転速度制御/双方向駆動と制動
■巻線形同期モータ
コイルが回転子の同期モータ/固定子と極数/回転子と始動/位相特性
■リラクタンス形同期モータ
リラクタンストルク/リラクタンス形同期モータの種類と現状
■永久磁石形同期モータ
永久磁石が回転子の同期モータ/位相特性/ブラシレスACモータ
■その他の同期モータ
ヒステリシス形同期モータ/インダクタ形同期モータ
column モータの軸受
第4部◆半導体制御とサーボモータ
第1章■直流モータの半導体制御
■直流チョッパ制御
スイッチングによる電圧制御/基本駆動回路チョッパ制御とインダクタンス/降圧チョッパと昇圧チョッパ
■PWM制御とPAM制御
PWM制御/PAM制御
■交流入力直流出力電源
AC/DCコンバータ/静止レオナード方式
第2章■交流モータの半導体制御
■インバータ
スイッチングで交流を作り出す
■矩形波出力と疑似サイン波出力
矩形波出力/擬似サイン波出力
■ベクトル制御
電流を成分に分けて考える制御
■サイリスタ位相角制御
サイリスタによる交流電圧制御
■マトリックスコンバータ
交流を直接交流に変換する可変電圧可変周波数制御
第3章■制御とサーボモータ
■制御システム
オープンループ制御とクローズドループ制御
フィードバック制御とシーケンス制御/サーボ制御
■サーボモータ
きめ細かい制御に特化したモーター
■センサ
センサの種類/タコジェネレータ/レゾルバ/ロータリエンコーダ/ホール素子
■制御の実際
モータの制御/電圧比例制御/F/V制御/PLL制御
第5部◆駆動回路で動かされるモータ
■ステッピングモータ
■回転原理と種類
ステッピングモータの動作方法と種類/ステッピングモータの基本回転原理
■特性と特徴
ステッピングモータの特性/ステッピングモータの特徴
■永久磁石形ステッピングモータ
回転子が永久磁石のステッピングモータ/クローポール形ステッピングモーター
■可変リラクタンス形ステッピングモータ
回転子が突極鉄心のステッピングモータ/歯車状鉄心形ステッピングモータ/スイッチトリラクタンスモータ
■ハイブリッド形ステッピングモータ
PM形とVR形が複合されたステッピングモータ
■励磁方法
1相励磁と2相励磁/1-2相励磁/マイクロステップ駆動
column モータのブレーキ
第6部◆直線運動を生み出すモータ
■リニアモータ
■種類と特徴
リニアモータの種類/リニアモータの特徴
■リニア交流モーター
移動磁界/リニア誘導モータ/リニア同期モータ
■リニア直流モータ
電機子稼働形リニア直流モータ/磁石可動形リニア直流モータ/コイル可動形リニア直流モータ
■リニアパルスモータ
リニアパルスモータの種類/永久磁石形リニアパルスモータ/可変リラクタンス形リニアパルスモータ/ハイブリット形リニアパルスモータ
第7部◆モータの身近な活用例
第1章■交通
■電気鉄道
電車と電気機関車/鉄輪式リニアモータカー浮上式リニアモータカー
■自動車
自動車用モータ/電気自動車/ハイブリッド自動車
第2章■家電製品
■家電製品
家庭生活を支えているモータ
