モーターとは何か、主な構成部品、種類、動作原理まで、電動モーターの基本をPower Motorが紹介します。中国のモーターメーカーへのご相談にもお役立てください。
モーターは文字どおり、私たちの暮らしを動かしています。家電製品からエレベーター、自動車まで、身の回りの至る所で使われています。小さな扇風機でも電動スクーターでも、モーターは機器の心臓部です。
これほど広く使われている一方、モーターには誤解されがちな面もあります。選択肢が多く、どれを選べばよいか迷うことも少なくありません。
そこで、電動モーターを理解するうえで必要な基礎知識をまとめました。構成部品から各種モーターの違いまで、押さえておきたい内容を紹介します。
関心のある項目からお読みください。今後公開する関連ガイドもご参照いただけます。
基礎知識
モーターとは？
モーター、またはエンジンとは、ある形のエネルギーを機械エネルギーへ変換して運動を生み出す機械です。いわゆる熱機関では、さまざまな熱力学的過程を利用して、熱を機械エネルギーへ変換します。
言い換えれば、モーターは入力と出力のある仕組みとして捉えられます。広い意味では、さまざまなエネルギー源を入力し、必要な形へ変換します。電動モーターは電気エネルギーを機械的な動きに、空気圧モーターは圧縮空気を動きに変えます。エンジンは燃料の燃焼を利用し、ぜんまい式玩具の機構は弾性エネルギーを利用します。
電動モーターとは？
電動モーターは、電気を利用して電気エネルギーを機械エネルギーへ変換するモーターです。
電動モーターでは、入力が電気エネルギー、出力が機械エネルギーになります。ただし、変換は完全ではなく、入力の一部は熱に変わり、動力にはなりません。この無駄になるエネルギーを「損失」と呼びます。
メーカーの課題は、損失の少ないモーターを設計し、効率を高めるとともに環境への影響を抑えることです。
モーターの効率に関わる損失は、すべての量をワットで表すと、次の式で示せます。
入力電力＝機械出力＋損失
電動モーターの入力電力と機械出力は、具体的には次のように求めます。
入力電力（W）＝電圧（V）×電流（A）
機械出力（W）＝回転速度（rad/s）×回転力（N.m）
モーター効率は、入力電力に対する機械出力の割合を百分率で表したものです。
モーター効率＝出力／入力×100%
モーター効率は、技術的な計算や使い勝手だけの問題ではありません。効率の向上は、世界的なエネルギー問題にも大きく関わります。世界のエネルギー消費の半分近くをモーターが占めると推定されています。Power Motorはこの課題を重視しています。効率向上に向けた設計については、こちらをご覧ください。
電動モーターの構成部品
電動モーターはいくつもの部品で構成され、その配置はモーターの種類によって異なります。多くの電動モーターに共通する主な部品は次のとおりです。
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ローター
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ステーター
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軸受
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巻線
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整流子
モーターの分類を詳しく見ていくと、ローターとステーターという名称が繰り返し登場します。まず、モーターの中心となるこの二つの部品から説明します。
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ステーター＝機械の固定部分
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ローター＝モーターの回転部分
ローターとは？
ローターはモーターの回転部分で、ローター鉄心とローター巻線から構成されます。ローター鉄心、導体棒、二つのエンドリングという三つの部分を持ちます。ローター巻線を直流電源で励磁し、軸を回して機械的な動力を取り出します。
ローターが回転できるよう、ステーターとの間には空隙が必要です。その幅はモーターの電気特性に大きく影響します。空隙が広いと性能が大きく低下するため、狭い空隙が望まれます。ただし、狭すぎると騒音や損失に加え、機械的な問題を招くことがあります。
ステーターとは？
ステーターはモーターの固定部分で、主な役割は回転磁界の生成です。ステーター鉄心、導線、フレームの三つの部分で構成されます。
ステーター鉄心は、ステーターの三相巻線を支持・保護します。通常、界磁用の磁石を備え、永久磁石、または強磁性の鉄心に導線を巻いた電磁石を用います。
ここで生じる磁界はローターの電機子を通り、巻線に力を与えます。ローター鉄心は通常、互いに絶縁された多数の薄い金属板を重ねた「積層鉄心」で、エネルギー損失を抑えます。
電動モーターの軸受とは？
ローターは軸受によって支持され、その軸を中心に回転します。軸受はモーターハウジングに支えられています。モーター軸は軸受を通って外部へ伸び、その先で負荷を駆動します。
電動モーターの巻線とは？
巻線はコイル状に配置した導線で、通常は積層した軟鉄の磁心に巻き付けられます。電流が流れると磁極を形成します。
電動モーターの磁極構成は、基本的に突極型と非突極型に分かれます。突極型では、磁極面の下で磁極に巻いた巻線が磁界を生みます。非突極型では、磁極面のスロットに巻線を分散して配置します。くま取りモーターでは、磁極の一部を囲む巻線によって、その部分の磁界の位相を遅らせます。
整流子とは？
整流子はモーターに電流を供給する回転式の電気スイッチです。互いに、また軸からも絶縁された複数の金属製リング片で円筒を構成します。多くのDCモーターや一部のACモーターでは、この機構で入力電流を切り替えます。
電動モーターの種類
電動モーターにはどのような種類があるか？
電動モーターはACモーターとDCモーターに大別され、それぞれさらに細かく分類されます。
AC、DCのどちらも、ほぼあらゆる業界の工程や設備に用いられています。ACモーターの代表的な産業用途は次のとおりです。
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家電製品
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コンプレッサーの駆動装置・システム
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コンベヤーシステム
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ファン・空調機器
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油圧ポンプ・灌漑ポンプ
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輸送機器
DCモーターの代表的な産業用途は次のとおりです。
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加工・生産設備
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掃除機、エレベーター、ミシンなど、一定の動力を必要とする機械
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倉庫の仕分け設備
交流（AC）と直流（DC）とは？
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DC：一定方向に流れる電流
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AC：断続的に変化する電流
直流とは、常に一つの一定方向へ流れる電気です。直流の電圧は変化せず、極性も一定です。電池、燃料電池、太陽電池は一般に直流を発生します。明確なプラス側とマイナス側があり、直流によって一定の電圧を継続的に生み出します。
交流とは、電圧と電流が時間とともに変化する電気です。電子の自然な流れによって、電流は正と負の間で向きを変えます。交流は壁のコンセントから供給される標準的な電気です。例えば、コンセントで携帯電話を充電するときには、交流から電池を充電します。
交流電力と直流電力の違い
交流は波のように変化することから、直流に対する利点を持ちます。この波状の動きにより、直流より遠くへ電力を送れます。建物のコンセントの多くは交流を供給します。照明や家電など多くの機器が交流を利用する一方、直流への変換を必要とする機器もあります。
ACモーターとは？
ACモーターは交流から動力を生み、商用交流電源の電力を使って回転します。扱いやすく、用途に合わせた特性の設定が可能です。
ACモーターの速度は周波数を変えて制御します。通常、FDCとも呼ばれる可変周波数駆動制御を用います。動作上、ローターの回転と電流の周波数を同期させる必要があるため、ACモーターの速度は一定に保たれます。
ACモーターは産業界で最も広く使われるモーターです。主な利点は次のとおりです。
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構造が簡単
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起動時の消費が少なく、経済的
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一般に価格が低い
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保守の負担が少ない
ACモーターは、連続した動きが必要で、速度の切り替えが少ない用途に適しています。ミキサー、掃除機、ドライヤー、ポンプ、ファンなどの家電に適したモーターです。
DCモーターとは？
DCモーターは、電池、直流電源、AC-DCコンバーターなどの直流電源で動きます。直流から電気エネルギーを受け取り、機械的な回転に変換します。
DCモーターは電流によって生じる磁界を利用し、出力軸に固定されたローターを動かします。出力トルクと速度は、電気的な入力とモーターの設計の両方で決まります。
DCモーターは家電だけでなく、医療・ヘルスケアや自動車などの産業用途にも広く見られます。ドライヤーのように速度精度が重要な機器や、ロボット、工作機械のように位置精度が重要な機器など、高い精度が求められる動的用途に適しています。一方、大きな出力を必要とする用途にはあまり適していません。
ブラシと整流子を備えるため、保守の負担が増し、速度が低く、寿命も短くなります。DCモーターでは、電機子巻線の電流を変えて速度を制御します。
それでもDCモーターには、次のような利点があります。
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高精度で応答が速い
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始動トルクが大きい
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起動、停止、加速、逆転を素早く行える
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電源電圧を変えて速度を制御できる
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電池駆動の移動機器にも取り付けやすい
ACモーターとDCモーターの主な違い
両者の主な違いは、電源と速度にあります。
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電源：ACモーターは単相または三相の交流、DCモーターは電池などからの直流を使用します。
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速度：ACモーターはDCモーターより高速で動作する傾向があります。その理由の一つとして、ACモーターでは内部の電流を変えて速度を制御することが挙げられます。一方、DCモーターでは通常、周波数変換器を用いて周波数を変え、速度を制御します。
ブラシレスDCモーターとブラシ付きDCモーターの違い
ブラシ付きDCモーターは以前広く使われていましたが、多くの用途でブラシレス型に置き換わってきました。ブラシレスDCモーターは、高効率、制御のしやすさ、長寿命で知られています。連続運転する機器や、日常的に使う機器によく採用されます。
ブラシ付きDCモーターの産業用途での使用は比較的少なく、家電や医療、自動車分野でより多く使われます。小出力の用途では、同等の使い方でも保守の負担が少ないACモーターが選ばれます。
DCモーターは部品の交換費用が高いことが課題です。そのため、ACモーターと一体型のモーターコントローラーを組み合わせるメーカーもあります。ACモーターと周波数インバーターの組み合わせは、速度変更が必要な多くの用途で費用対効果の高い方法となっています。Power Motorは2001年から専門的に取り組んでいます。
電動モーターの仕組み
電動モーターはどのように動くか？
電気技術者やこの分野で長年働いている方なら、モーターの動作はよくご存じでしょう。初めて学ぶ方や復習したい方に向けて、分かりやすく説明します。
まずモーターに電源を接続します。電池や電線を通じてステーターへ電気を供給します。導線でできたステーター内部のコイルは、鉄心を挟んで向かい合う位置に配置され、磁石として働きます。
電源からモーターへ電気が供給されると、コイルが回転磁界を生み、ローター外側の導体棒を引き連れるように動かします。このローターの回転が、駆動したい機器の歯車を回す機械エネルギーになります。
技術的には、電流が流れる導体の周囲に磁界が生じることが原理の基礎となります。その導体を磁界に対して垂直に置くと、力を受けます。
導体を二つの磁石の間に置き、電池や電源につなぎます。電池をオンにすると導体に電流が流れ、N極からS極へ磁界が生じます。導体には下向きと上向きの力が働き、この力によって電気エネルギーが機械エネルギーへ変わります。
電動モーターの動作原理
二つの棒磁石を、少し間隔を空けて磁極が向かい合うように置きます。短い導線で輪を作り、その輪が磁石の影響を受ける範囲に収まるよう、磁石の間へ配置します。
最後に輪の両端を電池の端子や電源に接続します。この簡単な回路に電気が流れると、輪が動きます。磁石の磁界と、導体を流れる電流が生む磁界が相互に作用するためです。
輪自体が磁石となるため、一方の側は磁石のN極に、もう一方はS極に引かれます。この仕組みが輪を連続的に回転させます。電動モーターはこの原理で電力を機械的な動力に変えます。
DCモーターの動作原理
DCモーターは、通常、電池などの電源につないだ導線から供給される直流（DC）で動きます。
DCモーターでは、磁石とその磁界が固定され、外側の静止部分であるステーターを構成します。電流の流れるコイルは、回転部分であるローターになります。永久磁石のステーターが磁界を生み、ローターのコイルに電力を供給します。ステーターの永久磁界と、ローターが一時的に生む磁界の相互作用によって、モーターが回転します。