電気工学実験の電動機の原理について

質問

先日大学の実験でモータの実験をしたのですが、指導書の指示でモータに何も仕事をさせていない状態でのモータの端子間の電圧値と、仕事をさせた状態のモータの端子間の電圧値を測定したところ、仕事をさせている状態の電圧値のほうが高くなってしまいました。
Ｖ＝Ｂｌｖから考えてもありえない気がします、、、実験に失敗してしまったのでしょうか？

回答No.4

noname#60878

モータは単純な抵抗負荷ではありません。
モータの構造や設計方針によって、特性はずいぶん違います。(無負荷時にモーターの回転数が一定値で安定するのはなぜか考えたことありますか。けっこう難しいです。模型用の永久磁石使ったモーターなんか不思議な動作してますよ。)

モーターの１回転の中で、電流は大きく変化します。通常の直流モータでは極の切り替えがあり、この時に電流は断続します。
モータは、電磁石つまりコイルです。これに鉄芯が入っています。電流が変動・断続するとどうなると思いますか？　電流と電圧の変化を位相的に比べてみてください。交流におけるエネルギーはちょっとやっかいです。

モーターの１回転の中で、トルクの変動があります。回転部分には質量があり、慣性が存在します。つまり、１回転の中で、電流が慣性に対して仕事をしている区間と慣性が仕事をする(No2の方が書かれている「制動」)区間があるはずです。
実験で「仕事をさせる」ための負荷のかけかたはどういう方法を使いましたか？　その際、仕事の有無で慣性の違いはありませんか？　もし、慣性が変ってしまうなら、慣性を変えずに負荷を変えるしくみを考えて実験してみましょう。

使用している電源は、どのような物ですか？　普通に学生実験に使用するのは電子的に流し出しを安定させるタイプだと思います。負荷変動時の安定は？　吸い込み側のインピーダンスはどうですか？　吸い込み能力の高い電源を使用するとどうなりますか？　あるいは、モータと並列に純抵抗負荷を入れて見掛け上のインピーダンスを下げるとどうなりますか？　逆に、直列抵抗を入れて、インピーダンスを上げてみるとか。

実験する際の電圧を変えて、回転数とこの現象のあらわれ方に何か関係があるか見てみましょう。共振のように、特定の回転数で顕著にあらわれるかもしれません。

測定時には、電圧・電流を、どこでどのように測定しましたか。電圧といっても、尖頭値か実効値かで違いがあります。変化する量を測るにはシンクロスコープが有効です。
上記、いろいろ仮説を出しましたが、条件を変えながらシンクロスコープで波形や位相を観察してみると、どれがどのように働いているか判ると思います。これら以外に原因゛あるかもしれません。回磁の中の磁束が測れるとおもしろいデータが得られるでしょう。

教科書は一面でしかありません。理論から想定される結果と実際の実験が一致するはずなどありません。障害要因を除いて理想実験を構築するのが理学的な手法ならば、この違いを追求して、そのスキマを埋めるのが工学的な実験手法です。正直、私が学生実験でこの課題に出会ってたら、ずいぶん楽しめたのになあ。

回答No.3

angkor_h

「モータの端子間の電圧値」とは電源電圧ですか?
電源電圧だとしたら、それは普遍の筈です。
電源は(理想的には)内部抵抗が0なので、ショートとかの過大電流が流れない限り変化しません。

回答No.2

mukaiyama

＞仕事をさせている状態の電圧値のほうが高く…

測定方法などに間違いがないのであれば、そのモーターは「制動」という仕事を
しているのです。モーターが発電機になっているということです。
電車や電気機関車が、スピードを落とすとき、運動エネルギーを電気エネルギー
に変えて、ブレーキとするのです。

これを「電気ブレーキ」といい、「発電ブレーキ」と「回生ブレーキ」の 2種が
あります。
このうち発電ブレーキは、車両に積んだ抵抗器で電気エネルギーを熱エネルギー
に変えるだけなので、モーターの端子電圧はいくらでもよいわけです。

一方、回生ブレーキとは、架線を通じて、他の力行中の車両に送ったり、変電所
から商用電源に送り返したりします。これをするためには、制動時のモーターの
端子電圧は、力行時に比べて高くなければなりません。

回生ブレーキは、直流電動機の時代から、東急や京阪、阪急など一部の私鉄で用
いられているだけでしたが、交流電動機の時代になったいまは、JRはじめ私鉄各
社に広く普及しています。

回答No.1

foobar

ご質問の文章だけでは、条件が不十分なんですが、

「回転数を一定にして負荷トルクをかけたときとかけない時で比較すると、トルクをかけた時のほうが電圧が高かった」
ということでしょうか？
その際、どのようにして、回転数を一定にしたのでしょうか？
そのあたりの実験条件を書かれないと、適切なアドバイスがえられないように思います。