【最新】モータ技術を学べるおすすめ本 、参考書(独学勉強法)
身近に使われているモーター
周囲を見渡すと、エアコン、冷蔵庫、電気洗濯機、またはパソコン、電気・電子機器の冷却ファン，スマートフォンなどの振動モータに至るまで身近にはモーターがたくさんあります。今回は、モーターについての資格や仕事、または趣味としてモーターを知りたい方向けにモーターを学ぶおすすめ書籍を紹介します。
マンガでわかるモーター
はじめに
私たちのまわりにはモーターがたくさんあります。モーターだらけといってもいいでしょう。エアコンや掃除機など、普段の生活で使う家電製品の多くはモーターによって動いています。街では電車やエレベーターがモーターで動いています。また、普段の生活に必要なガスや水道もモーターを使ったポンプやコンプレッサーを使って送られてくるのですモーターなしでは私たちの生活は成り立たないのです。
最近では世界中のモーターの約7割が日系メーカーによって作られているという話もあります。日本はモーター王国なのです。日本のモーターの技術が世界をリードしているのです。
モーターの数が増えてきて、モーターの原理や使い方を理解したいと思う人も増えてきました。技術の専門家ではない人からは、モーターの本は難しくてわからないという話もよく聞きます。何で難しいのでしょうか。モーターは電流と磁気を使って回ります。電流も磁気もどちらも目に見えないのです。目に見えないものは言葉で説明しても、式で説明しても、やはりなかなかイメージがわきません。見えないのです。モーターの原理や仕組みをわかりやすく説明するのは文章でもなく、式でもなく、絵なのです。絵だけでなく 絵を使って説明できるマンガなのです。本書ではマンガを利用してモーターの原理を説明します。そして、現在よく使われる、直流モーター、ブラシレスモーター、誘導モーター、同期モーターについて原理や使い方を解説します。
モーターを扱う学問は電気機器と呼ばれます。電気機器の教科書は電気系の学生にとっても難しいことだらけの教科書です。本書は教科書で説明しているモーターの本質を、マンガにすることで電気系以外の人にもわかってもらおうと意図したものです。
マンガ本の出版はまさに「ものづくり」です。原作をシナリオに加工し、作画し、最後に原稿を編集して、やっと印刷の段階になるのです。それぞれの担当の人々が持ち場をきちんとやらないとマンガという「もの」の出来が悪くなるのです。この本はそのように多くの人が力を合わせて「作った」本です。読んだら、モーターが好きになってください。モーターフェチまで行かなくてもいいですから。
2014年5月
森本雅之
目次
プロローグ 聞いてってよ、モーターのスゴさ!
第1章 いろいろなモーター
1.1 モーターはどこに使われているか
1.2 よく使われているモーター
1.3 モーターが進化している
フォローアップ
●21世紀のモーター
● モーターの分類
第2章 モーターとはどんなものか
2.1 モーターとは
2.2 モーターの構造
2.3 モーターが回る原理
2.4 発電機とモーター
2.5 トルクとは
フォローアップ
●磁界とは
●モーターはなぜ回るか
●トルクの計算
第3章 直流モーター
3.1 直流モーターの原理
3.2 直流モーターの構造
3.3 直流モーターの回転を変える
フォローアップ
● 直流モーターがなぜ回るか
● トルク定数と起電力定数
● 直流モーターの等価回路と制御方法
第4章 ブラシレスモーター
4.1 ブラシとは
4.2 ブラシレスモーターの原理
4.3 ブラシレスモーターの構造
フォローアップ
●ブラシの働き
●ブラシレスモーターがなぜ回るか
●スイッチによるブラシの置き換え
● ブラシレスモーターのセンサー
column ブラシレスモーターという名称
第5章 同期モーター
5.1 交流電流
5.2 回転する磁界
5. 3同期モーターの原理
フォローアップ
● 交流電流とは
● 交流電流と回転する磁界
● 同期モーターがなぜ回るのか
● 同期モーターの構造
column インダクタンス
第6章 誘導モーター
6.1 誘導モーターの原理
6.2 誘導モーターの構造
6.3誘導モーターの特性
フォローアップ
●なぜ誘導モーターが回るのか
●誘導モーターの構成
●誘導モーターの性能
column インピーダンス。
付録その他のモーター
・ステッピングモーター
・SR モーター
・リニアモーター
索引
プロローグ
聞いてってよ、 モーターのスゴさ!
トコトンやさしいモータの本 (B&Tブックス―今日からモノ知りシリーズ)
はじめに
モータが発明されたのは今から200年ほど前のことですが、それ以来、今日まで 実に多くの科学者や技術者によってさまざまな改良が重ねられ、今日の高性能モータ へと発展してきました。
その間、電車を走らせたり、工場の機械設備を動かしたり、あるいは便利な電化製 品を次々と生み出し、私たちの生活に繁栄とうるおいを与えてくれています。
毎日の生活をふり返ってみると、朝はモータ式の目覚まし時計で起き、エアコンの 効いた快適な室内で朝の身支度をする。このとき、電気カミソリやヘアドライヤーの 世話になる。朝食は冷蔵庫から取り出した食品を、電子レンジで暖め、ガスコンロを 使えば換気扇を回す。そしてCDなどを聞きながら新聞を読む、出掛けに多少の時間 があれば、洗濯機や掃除機を使うこともある。
それから出勤ですが、通勤には電車、バス、マイカーを使う、駅につけば自動改札 機を通り、それから会社に着けば、エレベータでオフィスへ…そこにはFAXや、コ ピー機、その他の情報機器が、あふれています…。
このように今の世の中、モータはありとあらゆるところで幅広く活躍し、私たちの 生活を支えてくれています。このように身近で大切なモータですが、その種類、原理動作となると意外と知らないことが多いものです。そこでできるだけ多くの方々にわかっ て頂けるよう、モータの入門書を企画してみました。
ところで一口にモータといっても、その種類は非常に多く、技術的にもかなり複雑で難 解なところもあります。そのため、本書ではそのすべてを取り上げることはできません。 したがって、ここでは比較的身近な製品や、原理動作に的を絞り、図や写真を加え、やさ しく解説してみました。
また、数式はできるだけ避け、難解な用語には説明を加え、一般の方々に何とかモータ のことを理解して頂けるよう、筆者流の説明を展開しました。
このため、多少厳密さを欠く部分もありますが、総じてモータの特徴や、動作原理、用 途などがわかるように配慮されています。以上が本書の主な内容ですが、これを機会に、 できるだけ多くの方々にモータについて興味を持っていただければ筆者として望外の幸せ です。
なお、本書の執筆に際して、多くの方々の文献、および関係資料を参考にさせていただ いたことを、ここに厚く御礼申し上げます。また本書の出版に際し、何かと、ご配慮いた だいた日刊工業新聞社の鷲野和弘氏をはじめ関係各位に、心から感謝します。
2002年4月1日
谷腰欣司
目次
第1章 モータとはどういうものか
1 モータとは何だろう
2 モータは誰が発明したのか?
3 いろいろに分類する
4 電気の磁気作用でまわる
5 縁の下の力もち
6 文化生活のバロメータ
第2章 モータのしくみを見る
7 まわるしくみ
8 フレミングの左手の法則で回る
9 最も簡単なモータをつくる
10 直流モータと交流モータを覚えよう
11 三つの顔を持つオトコ (オンナ)
12 発電機としても使える
13 大きさは外観とは無関係
14 直巻モータと分巻モータ
第3章 モータ塾に入門する
15 発生トルクと電流
16 トルクを測る
17 回転数はどうやって測るか
18 嫌われ者の渦電流
19 DCモータの基本特性
20 効率がよいDCモータ
21 DCモータを交流で回す
22 モータ用マグネット
23 超電導を応用する
24 鉄芯を使わないコアレスモータ
25 ブラシレスモータとは
第4章 いろいろなモータ
26 上手なモータの選び方
27 DCモータの構造
28 ユニバーサルモータとは
29 交流で使うインダクションモータ
30 インダクションモータは誰が発明したか
31 くま取りモータ
32 ステッピングモータとは
33 いろいろなステッピングモータ
34 シンクロナスモータ
35 ギヤードモータ
36 ディスク形プリントモータ
37 ガウチワ型モータ
38 静電フィルムモータ(クーロン力モータ)
39 回転しないモータもある
40 太陽光で回り続ける
41 超音波モータ
第5章 自由に回す
42 モータの制御技術にはどんなものがあるのか
43 モータのダイレクト・ドライブとは
44 サーボモータとは
45 モータの種類と回路の組合せ
46 モータの回転数はどうやって変えるのか
47 フィードバック制御でモータの回転数を安定化する
48 エンコーダ付モータ
49 モータは暑さに弱い.
50 性能のよい空気軸受
51 回転音がしない磁気軸受
第6章 暮らしの中のモータ
52 リニア・モータカー
53 電気自動車はエコロジーか
54 高級車にはたくさんモータが使われている
55 エアコン用モータとは
56 時計にもモータが使われている
57 携帯電話にマイクロモータが使われている
58 フロッピーディスク・ドライブ用モータ
第7章 モータに関する雑学
59 モータはどこまで小さくなるか
60 モータの永久機関は可能か
61 モータが知性をもつとどうなるか
62 マグネットの磁力は使っても減らない?
63 走磁性細菌はマイクロ列車か?
64 イギリスの馬はフランスの馬より力が強い
65 プランジャーとスピーカはモータの親戚
66 君はモータ無しの生活ができるか?
●モータ用語の豆辞典その1
●モータ用語の豆辞典その2:
【コラム】
●50Hzと60Hzではモータの性能が違う
●インバータとは
●CDプレーヤにはたくさんモータが使われている
●ファンモータ
●ちょっと変わったモータたち
●磁石に吸引される液体もある
参考文献
「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。
これだけ!モータ (これだけ!シリーズ)
注意
(1) 本書は著者が独自に調査した結果を出版したものです。
(2) 本書は内容について万全を期して作成いたしましたが、万一ご不審な点や誤り、記載漏れなどお気付きの点がありましたら、出版元まで書面にてご連絡ください。
(3) 本書の内容に関して運用した結果の影響については、上記(2)項にかかわらず責任を負いかねます。
あらかじめご了承ください。
(4) 本書の全部または一部について、出版元から文書による承諾を得ずに複製することは禁じられています。
(5) 本書に記載されているホームページのアドレスなどは、予告なく変更されることがあります。
(6) 商標
本書に記載されている会社名、商品名などは一般に各社の商標または登録商標です。
はじめに
『モータ』を取り巻く環境は、この半世紀の間に大きな変化があり ました。1つは半導体技術の向上によって、電気エネルギーの開閉 が半導体によって可能になったことです。もう1つは、制御回路と してマイクロコンピュータが登場したことです。さらに、強力な磁 石(希土類永久磁石)が開発されたことも大きな変化です。
このような『モータ』を取り巻く環境の変化は、『モータ』の利用形 態を大きく変えました。それは、『モータ』が単純な動力源としての みならず、“動作に表現を伴う”ことができる動力源として利用でき るようになったことです。
その結果、動いていることを感じさせないエレベータや、人間と 同じように歩くロボットが誕生し、自動車に『モータ』が利用される ようになりました。
そこで、本書では『モータ』のしくみ”や“制御技術”について、入 門書として活用していただくために、初歩的な事項についてはその つど丁寧に解説を加え、イラストを眺めていくだけでも、『モータ』 のしくみ”が見えてくるような本を目指しました。
そして、既に電気や機械関係の業務に携わっている方々や、これ からロボットや自動装置について研究開発しようとしている方々に とっても実用書として活用して頂けるものと思います。
本書が『夢の実現』につながることを期待します。
2015年3月 井出萬盛
もくじ
はじめに
第1章 モータの基礎知識
1-1 モータとは
1-2 モータの種類
1-3 社会におけるモータの利用
1-4 トルクとは
1-5 回転速度と出力
1-6 小形直流モータの特性
1-7 モータに使われる材料
第2章 電流と磁界について
2-1 磁石と磁界について
2-2 直流とその特徴
2-3 電流がつくる磁界
2-4 コイルに流れる不思議な電流
2-5 コイルに働く不思議な力
2-6 方形コイルに働く力
2-7 フレミングの法則
2-8 磁界の中で受ける力
第3章 直流モータについて
3-1 直流モータの基本構造
3-2 永久磁石を使った直流モータのしくみ
3-3 電機子コイルの巻き方
3-4 直流モータの性質
3-5 電機子反作用
3-6 コイルの発熱
3-7 直流モータに発生するトルク
3-8 電磁石を使った直流モータのしくみ
3-9 直巻モータのしくみと特性
3-10 分巻モータのしくみと特性
3-11 大形直流モータの始動
3-12 大形直流モータの回転制御
3-13 電圧で回転制御する方法
3-14 直巻モータの逆回転
第4章 交流回路の特徴
4-1 磁石を使った交流発電
4-2 単相交流の性質と使い方
4-3 コイルの自己インダクタンス
4-4 コイルと交流回路
4-5 電気エネルギーの力率と効率
4-6 うず電流の発生と弊害
4-7 交流モータを回転させる三相交流
4-8 三相交流による回転磁界
第5章 誘導モータと同期モータ
5-1 三相誘導モータのしくみと特徴
5-2 三相誘導モータの基本構造
5-3 同期速度とすべり
5-4 三相誘導モータの取り扱い
5-5 三相誘導モータの回転制御
5-6 単相誘導モータのしくみと特徴
5-7 単相誘導モータの種類
5-8 同期モータのしくみと特徴
5-9 同期モータの性質
5-10 同期モータの取り扱い
第6章 特殊なモータについて
6-1 スロットレスモータとコアレスモータ
6-2 リラクタンスモータとヒステリシスモータ
6-3 超音波モータ
6-4 交流で動くリニアモータ
6-5 リニア誘導モータとリニア同期モータ
6-6 直流で動くリニアモータ
6-7 交流整流子モータのしくみと特徴
6-8 超伝導材料とその応用
第7章 モータと半導体制御
7-1 制御技術について
7-2 モータ制御に使われるセンサ
7-3 半導体制御について
7-4 半導体電力制御回路
7-5 モータへの半導体制御の導入
7-6 ブラシレスモータ
7-7 ステッピングモータ
7-8 サーボモーター
7-9 マイクロコンピュータによる制御
第8章 調べればわかるモータのこと
8-1 扇風機や換気扇を調べてみよう
8-2 洗濯機を調べてみよう
8-3 エアコンや冷蔵庫を調べてみよう
8-4 電車に使用されているモータ(地下鉄や路面電車)
8-5 電気自動車とモータ
8-6 新しい交通システムとモータ
8-7 ロボットに使用されているサーボモータ
8-8 エレベータやエスカレータに使用されているモータ
8-9 ケーブルカーやロープウェイに使用されているモータ
8-10 工具に使用されているモータ
8-11 遊園地で使用されているモータ
8-12 パソコンやビデオカメラに使用されているモータ
8-13 その他の家電製品を調べてみよう
第9章 作ればもっとわかるモータのこと
9-1 風力発電機を作ろう
9-2 エンコーダを作ろう
9-3 モータドライブ回路の製作
9-4 ライントレースロボットの製作
9-5 コイルを作ってみよう
9-6 3値波形の三相交流電源の製作..
9-7 リニアコイルの製作と移動磁界の実験
索引
絵とき モータ基礎のきそ (Mechatronics Series)
はじめに
家電製品や自動車には、数多くのモータが使用され、快適な操 作環境や居住環境をつくり出しています。とくに最近の自動車に は、50 個から 150 個のモータが使用されており、新製品が発売さ れるたびにモータの数が増加しているようです。モータはスイッ チのオン・オフだけで制御されるだけでなく、電子回路を使って、 回転速度やトルクが細かく制御され、省エネルギーや低騒音・低 振動を実現しています。
また、新しい半導体デバイスの出現やマイクロコンピュータの 高機能化、高速化が実現し、従来困難だった制御が、比較的に簡 易に実現できるようになり、より省エネルギーで、より高性能な 製品を作り出しています。さらに、制御回路は、小型化が進み、 製品全体の小型・高性能化を加速しています。
新しい技術として、スマートフォンを使って、自動車や家電製 品の運転状況を確認したり、設定を変更する手法の研究開発が行 われています。すでにスマートフォンを使って電気自動車の充電 を行ったり、家の中のエアコンを制御して温度管理を外出先から 行うことができるスマートハウスの実証実験も始まっています。
本書は、これからより多く使用されると思われるさまざまなモ ータについて、構造やモータを回転するために制御手法や制御原 理、モータを自在に使うための電子制御手法、モータに供給する 電力を制御するインバータ回路や制御を行うための電子回路、マ イクロコンピュータを利用した制御手法などについてわかりやす く解説します。
本書の執筆では、モータや駆動回路、制御システムについて、 できるだけ実用的な回路を用いて詳細がわかるように解説を行い ました。このために、少し難しい内容になったかもしれません。しかし、読者の方々が必要と思われるさまざまな情報が得られる のではないかと期待しています。本書がモータを利用しようとい ている方、モータについて概要を知りたい方など、新製品を創出 するための一助になれば幸いです。
本書の発行は、2年前の予定でしたが、執筆する時間がとれず、 延びのびになり、関係者の皆さまに大変ご迷惑をおかけしました。
日刊工業新聞社出版局書籍編集部の奥村功部長、エム編集事務 所の飯嶋光雄様には、辛抱強く原稿をお待ちいただき、大変感謝 しております。本書の出版に当たり日刊工業新聞社の関係者の皆 さまに厚く御礼申し上げます。
2012年3月 高橋久
目次
はじめに
第1章 モータを知る
1-1 モータとは
1-2 なぜ回転するのか
1-3 モータの種類と特徴
第2章 永久磁石およびステータとロータ構造
2-1 磁石とは
2-2 構成
2-3 結線
第3章 モータの種類と特性
3-1 ブラシ付 DCモータ
3-2 電磁石界磁 DCモータ
3-3 永久磁石同期モータ
3-4 スイッチドリラクタンスモータ(SRモータ)
3-5 ステッピングモータ
3-6 超音波モーター
第4章 モータを回す
4-1 モータを駆動する電子回路
4-2 正転、逆転をする回路
4-3 ブラシ付 DC モータ
4-4 単相交流モータ
4-5 交流モータの駆動
4-6 ブラシレス DC モータ
4-7 永久磁石同期モータの正弦波駆動
4-8 ステッピングモータの駆動
4-9 励磁法と駆動回路
4-10 マイクロステップ駆動
第5章 特性を計測する
5-1 ブラシ付 DCモーター
5-2 永久磁石同期モータ
第6章 モータを制御する
6-1 制御方式
6-2 リニア駆動とPWM駆動
6-3 PWM制御
6-4 ブラシ付 DCモータの速度制御
第7章 永久磁石同期モータの制御
7-1 スカラー制御
7-2 ベクトル制御
コラム
1 カメラにも使用されている超音波モータ
2 モータの特性を表す定数
3 小形モータとは
4 フレミングの「左手の法則」
5 磁石の用語
6 モータの回転方向
7 コンバータとインバータ
8 粘性制動トルクとクーロン摩擦トルク
9 変数の表現
10 トルクむらと回転むら、コギングトルクとは
11 起動トルクとは
12 モータには巻線抵抗が必要
13 レゾルバ
14 ホールセンサ
15 エンコーダ
16 トランジスタと MOS FET
17 電流の計算
18 電気的時定数と機械的時定数
19 センサレス制御へ
20 新しい半導体
21 全デジタル制御へ
資料:単位系
索引
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
