不思議なモーター

質問

低電圧で高速回転するモーターを考えました。
普通モーターを高速回転させるには電圧を高くします。でも、回転しているときコイルの通電をやめます。すると、逆起電力はリセットされます。そしたらコイルに電気を流すと低電圧でも電流は流れ、モーターは加速します。逆起電力が大きくならないうちにコイルの通電をやめ、逆起電力をリセットしたらまた短い時間電気を流します。これで低電圧で高速回転すると思うんですが、何か勘違いはありますか？

回答No.1

toiawasedesuyo · ベストアンサー

５３歳　男性

モータは目的によって、回転数が違います

高速で回すものから止まる位の低速で回すもの

単一１個で２００倍の力になるモータには手の力かないません

乾電池１個なのにもの凄い力になります

高速で回して、何に使うのですか？

制御方法だけ考えても、使い道が無ければ駄目ですよね

お礼

このモーターの不思議なところは低電圧で高速回転が得られることです。電圧が低いということはそれだけ消費電力を少なくできるということです。低電圧でも電流さえ流れていればモーターは加速し続け出力をいくらでも上げられます。なぜ、低電圧でも電流が流れ続けるかといえば逆起電力をリセットしているためです。逆起電力が発生していない瞬間に電圧をかけるため電流が流れるわけです。

回答No.39

kimamaoyaji

高効率、モターで高回転と言ったって、普通のモータは85％位ですが、例えば、ハードデスクのスピンドルモータが交流3相ブラシレスモーターでネオジムボンド磁石仕様95％の効率で10000ｒｐｍと言う高速回転を実現しています、モーター軸もミネベアの精密ベアリングで超低摩擦のモーター軸です。
高効率モーターを考えるなら貴方の言われる複雑な制御の方法で無く、ブラシレスの三相交流モーターを使えば、低圧12Vの直流をインバーターで交流に変換すればサインカーブで電圧が上下する訳ですし、高精度センサー等で逆起電力制御を行っているので逆起電力は皆無に等しいです、三相ですからコイル電流が100％時点で別のコイルに既に電流が流れています、また回生エネルギーは回収される様になっています、から発生する逆起電力を複雑な方法を使って制御するより、逆起電力を発生させない方が効率が良いのは常識ですから、モーターを変えた方が、高効率化が可能なので、近年の家電は3相インバーターモーターを使っているのです。

お礼

＞高精度センサー等で逆起電力制御を行っているので逆起電力は皆無に等しいです

逆起電力の減少制御はすでに行っていたということですか。電力は電圧に電流をかけたものなので電圧を下げることが出来れば消費電力を抑えられ効率100％どころか100％を超えることが出来ます。

交流発電機の話に戻りますが、よく考えてみれば起電力の蓄積ではなくただ単に鉄心にかかる磁界の変化に対応した磁界が鉄心に発生するようにコイルに電圧がかかり電流が流れていたとすれば済む話でした。
磁界が近づけばそれを追い出すように磁界が発生し磁界が遠ざかれば弱くなった分発生する磁界も弱くなる。逆に磁界が鉄心に侵入した状態から遠ざけてやれば磁界を追い出さないような磁界が発生し近づけてやれば戻ってきた磁界の分発生する磁界も弱くなる。この時の磁界の変化は高速で行われているのが条件です。

皆さんもそろそろ納得したのではないでしょうか？そしたら交流発電機が無負荷発電機だとして問題ないでしょうか？

回答No.38

CC_T

ではNo.29の続きを。　
> N極が鉄心に近づいていくと逆起電力が発生します。
> でもこの逆起電力はほぼ一定です。
S-N中間からN極に近づく間は磁束の変化が大きいため、電圧変化が大きい区間が含まれているはずです。

> N極が鉄心に最も近づくあたりで逆起電力は減少し
> 最も近づいた時逆起電力は0になります。
その通りですが、あれ？　最接近時がMAXって言われてましたよね…？　あぁそうか、電流と電圧のピークがずれるって「仮定」を導入したのでしたっけ。とりあえずスルーしましょうか。

> N極が遠ざかる時逆起電力は逆向きになり蓄積された電圧が減少へと転じます。
どこにどんな形でそのエネルギーが蓄積され、また放出されるのでしょう？物理的背景が考えつきません…。
また、電磁誘導において電圧の「蓄積」が普通に起こる物なら、鉄心トランスの1次側と二次側で位相差が出るってことになります。しかし現実は一時側と二次側で位相差はありません。
　http://www.eleki-jack.com/FC/2013/05/lcr6.html
のオシロ画面参照。黄色が一時側電圧、青が二次側電圧で、遅れなしの同位相ですね。
つまり「電圧の蓄積」は現実に反する仮定ではないかと思います。

> 磁力が違うとは、磁力線の角度が変わるためコイルに対して違うということです。
・・中略・・
> 磁力が強く働き、横倒しの角度か大きくなる外側に行くにつれ弱く働くんです。
> No.28の磁力線の図だとそれこそ中心部と端の磁束密度が変わっちゃいますよね。
No.28下図についての説明についてはいかがです？　周縁部から内に入ると磁束（磁力）は横倒しにならないので磁束密度はほとんど変化しないって説明つけてた分ですが。
中央の磁石の上、その隣の磁石の上、そのまた隣あたりでも、倒れた磁束はなく、その上では磁束密度にほとんど差がないはずです。これはNo.32へのツッコミで、「磁石の片面にコイルを当ててリング磁石を回転させれば負荷0で直流発電ができますね」とされている事への回答にもなるはずです。

> 磁束が増える時と減る時で変わるのは電流ではなく起電力であり
・・・中略・・・
> かかる電圧の向きが逆になるわけではないです。
起電力が蓄積できるものなら。それは上に引いた通り現実に反する仮説ですから、「起電力の蓄積」を考えに入れる必要はなさそうです。

ん？　もしやコイルですからリアクタンス成分を考慮しないといけないのか？
電磁誘導にもあてはまるのかなぁ…もしそうなら電圧に対して電流は遅れ位相になるので、蓄圧の考えを導入するまでもなさそうですが・・・

あぁ、
http://www.jeea.or.jp/course/contents/01159/
３図と４図を見る限り、コイルと磁石だけの関係だと関係ないようですね。

～～～

おまけ
http://www.youtube.com/watch?v=m_ldrYd0GG8
磁石を横に動かす実験て、案外晒されてないですね。

～～～

円筒型でN極が上を向いた磁石の上を、磁石よりも直径が一回り大きい鉄心入りコイルが通り抜ける状態を考えてみましょうか。

鉄は磁性体ですからもちろん磁束が「吸い寄せ」られますよね。
このため、N極に近づくと「中央真上」に来る前から既に磁束のほとんどが鉄心を通るようになっています。同じく、真上を通りぬけても同じように磁束のほとんどが鉄心を通っているために、やはり鉄心（コイル）を貫く磁束の変化はごく少なくなります。この結果、起電力がゼロ近傍の区間が伸びるわけで、出力波形と0Vの線の交わり角度が浅くなるでしょう。
急激なプラスからマイナスへの変化が軽減されるはずです。

～～～

ちなみに空芯コイルの前で棒磁石を回転させると、
Ｍ　Ｍ
　Ｗ　Ｗ
のような半波あたり２ピークの波形が見られると思います。オシロがありゃ実験確認してみるのですが・・・。
棒磁石が長いほど、この落ち込みは０Ｖに近づくでしょう。
※コイルが棒磁石の横に位置する時にはやはりコイルを横切る磁束の変化が小さいので、電圧は低くなるはずですから。
コイルをPCのマイク端子に繋いで磁石回してWAVE録音した波形を見ても分かるかな？

NSNSNS…と並べた磁石の上をコイルが移動する場合はギャップが小さいので、より正弦波に近い波形が得られるでしょうね。

～～～
No.35のリンク先、単相、２相、３相、テスラ、同じ赤ライン見ていても位相が違っていて、整合が取れていないような…。
参考にして大丈夫か？
No.34のリンク先も、実験の結果は不動作だったと書いてある。そりゃそうだろうなぁ・・・。
これで発電出来たら

お礼

SN中間からN極に近づく間の逆起電力は完全に一定ではないですが、その区間は大きな逆起電力が発生してることは確かです。交流波形を見てもそれがわかると思います。

最接近時が最大としたのはコイルにかかる蓄積された起電力のことでこれが交流波形の電圧になります。

逆起電力と蓄積は同時におこりますから位相差の意味はよく知りませんし蓄積されると位相差が出来る意味も分かりませんが時間差は起きないと思います。

磁束密度にそもそもかたよりがあっては駄目なんです。この辺は一定だけど隣へ行った途端密度が変わったなんてことはまずありえません。

大きい磁石と小さいコイル、小さい磁石と大きいコイルなどにこだわりますが、それと交流発電機が無負荷発電機なのかとは関係ありませんよね。交流発電機に一様な磁界や磁界が変化しない区間は存在しません。

回答No.37

中村 拓男（@tknakamuri）

>皆さんの理屈からいくと鉄心の中心にN極とS極の境が来た時が最大電圧で
>鉄心に磁石の極が最も近づいた時が電圧0ということでいいんですよね？その根拠は何ですか？

もちろんレンツの法則です。電磁誘導の基本的な法則です。
しかし、N極とS極の境が来た時が最大電圧にするには、かなり厳しい条件が
必要ですよ。一般にはならないでしょう。

>起電力の蓄積の根拠はその考えを取り入れると交流波形をうまく説明できるからです。

独自理論でしょうか？　すでに電磁気学が確立してから100年以上たちますが・・・
なぜ既知の法則で考えようとしないんですか？

＞ここに挙げてる交流発電機のことなら無負荷発電機になります。
>発電しても事実上負荷のないエネルギー0で発電できる発電機ということです。

ということでしたら、いままでの電流が絡んだ話は全てチャラ。時間の無駄でした。
レンツの法則だけで十分です。電流は流れませんから、
自己誘導もなく、吸着も反発も考えずに済みます。コイルが何の抵抗も受けずに
磁石のそばを回るだけです。

レンツの法則は電磁気学の教科書やWikipedia 等を参照してください。

お礼

皆さんの条件の発電の状態と交流波形はおかしな部分はなく合致すると考えてるのでしょうか？特に電圧0v地点の直線的で急激な電圧の変化は納得されてるんでしょうか？少しでも疑問に思ったのなら流してしまうことではないと思うんです。

鉄心に極が最も近づいた時が0vということですが、トランスで言うと一次コイルの磁界が最も強くなった時に二次コイルに発生する電圧が0vということですか？それとこれとは別問題でしたか？
それと極が近づくにつれ電圧が下がるということは流れる電流も減るわけですから反発力も弱くなっていくわけですよね。超電導物質は近づくほど反発力が強くなっていきますがそれとは逆の現象が起きていることになりますがそれも別問題でしたか？

回答No.36

中村 拓男（@tknakamuri）

>起電力の大きさは磁界が大きいほど大きく、また速度が速いほど大きくなります。
>単位時間あたり多くの磁束を横切るほど大きくなります。
>つまり磁石の接近に伴い大きくなっていき最も接近した位置で最大となり離れるにつれて減少していきます。

いわゆるフレミングの法則、あるいはビオサバールの法則ですが、
コイルのような閉じた形の導体に沿って発生した電圧を線積分すると、
一様磁界では 0V になってしまいます。つまり一様磁界でコイルを
回転させずに平行移動しても電圧は発生しません。

なのでこういう場合は
レンツの法則で考えるべきなのです。

レンツの法則は　発生電圧 E = -dΦ/dt (コイルの内部を貫く磁束の総量の時間微分。
磁束は巻き数も勘定に入れる)

です。レンツの法則は、磁束の積分範囲が運動することを考慮して
数学的に処理するとフレミングの法則に変換できます。

レンツの法則からわかるように、磁石がコイル長より十分に大きく、無負荷で、鉄心を持たないなら、
磁石に対してコイルが90度傾いたところで最大電圧になるでしょう。

磁石が小さかったり、鉄心があれば、コイルを貫く磁場はもっと複雑になりますから、
コイルの向きが磁石にもっと近いところにピークができるでしょう。もちろん。無負荷なら
コイルの磁石に対する傾きが0度では電圧は０Vになります。

お礼

導線を横切る磁界と鉄心のないコイルについてはもういいので本題に戻ってください。なのでNo.34のリンク先は突っ込みどころ満載でしたがコメントはしません。

回答No.35

uruz

これで最後にします。
コイルまたは鉄心コイルであろうと一本の導線であろうと動作原理は同じです、コイルをどんどん簡略化していくと一本の導線になるのです。多くのサイトでの説明で一本の導線モデルが使われているのはそのためです。
下記ページは３相交流発電機ですが導線の位置と電磁誘導(起電力)で発生した電流の方向と大きさ関係を解りやすいアニメで表しています。参考にしてください。
以上。

http://www.geocities.jp/hiroyuki0620785/ac/acaltanator3p.htm

お礼

あなたは鉄心コイルの発電原理とコイルだけの発電原理の違いを理解していないと思われます。

回答No.34

uruz

＞直流発電ができますね。本当ですか？

下記ページを参照してください、特に３図移行
モーターのページですが発電機についても書かれています。
モーターも発電機も同じ原理ですから....(実験もされています)
http://www.geocities.jp/motoki_mimori/dc_troidal_motor.html

＞電流の向きが同じなら磁界の向きも同じだから近づく時も遠ざかる時も反発力が働くことを認めることになりますがいいんでしょうか？

いいえ
先の回答に「力は【常に(重要)】回転を妨げる方向に働きます」と書いたとおりです。
導体が磁束横切るとフレミング右手の法則に基づいて電磁誘導(起電力)が発生し導体に電流が流れます(電流か流れるためには閉回路である必要があります)この電流は今度はフレミング左手の法則により導体に力として働きます。この時の力の方向は現在の動きと逆方向になります。
磁石に対して右から接近し左へ遠ざかると仮定します、この時、起電力による力の右方向です、つまり接近を妨げる力です。磁石を通過して遠ざかる時も電流の向きは変わりませんから力の方向も同じで右方向です、つまり磁石のある方向です。

お礼

あなたはコイルではなく導線を横切る磁界で説明しています。が、ここではコイル、特に鉄心を使った鉄心コイルでの説明をお願いします。
書かれてることもリンク先の内容もすべて導線を横切る磁界の説明ですので今問題にしてる交流発電機とは関係ありません。

回答No.33

CC_T

No.32　指摘ありがとうございます。・・・でも。

>　１）について、起電力(電流)は導体が磁束(磁界)横切ることで発生します。
yes。無限長の線１本でもそうですね。ローレンツ力云々とややこしい話になりますけど。

>　２）について、一様な磁界の中を定速度で導体を動かせば一定起電力が連続発生します。
えぇ、１本の導体が磁界の中で動かす場合はそうです。
しかし、コイルの場合、導体は行って帰っての往復系統が存在するため、「導体に働く起電力」は相殺されるのではないですか？　その結果、外部からの働きかけ（磁界の増減）に抵抗しようという働きがコイルに起電力を生む形となるはず。
一様磁界の中でコイルが動く場合は外からの働きかけが無いに等しく、起電力ゼロと考えていますが、そうでないならばコイルの起電力のエネルギーはどこから来るのでしょうか？　また、磁界の中のコイルに通電すると、右ネジの法則に従って磁力が生じ、コイルには進行方向と直角に働く動きを生むことになります。これは運動エネルギーのレベルで話が変わってきませんか？　

>　３）について、磁界の方向は同じなので電流の向きも同じです。
それではコイルに磁石が近づく時と離れる時でコイルに流れる電流の向きが同じってことになりますよね？
レンツの法則が崩れませんか？

どうもコイルの場合と、１本の導体の場合を混同されているように思われます。

～～～～
先の回答に追加入れようかと用意してましたが、私の考え違いなら重ねて失礼になりますので、上の話が確認できるまでやめておきますね。

お礼

No.32さんは導線を横切る磁界についての回答で議題から脱線してしまうのでそれについての回答は控えてください。今問題にしている交流発電機とは関係しませんので。

回答No.32

uruz

質問者さんとCC_Tさん双方が間違えておられるようですね。

No29のCC_Tさんの回答の要約
１）コイルに流れる電流は磁束の増減(変化)で発生する。
２）一様な磁界の中ではコイルに誘導電流は「流れない」。
３）磁束が増えるときと減るときでは電流の流れる向きが変わる』

＞磁束の変化で誘導起電力が起こるのはその通りです。
＞磁界が強くても変化がなければ起きないのもその通りです。

と、質問者さんは同意しています。そのため「起電力の蓄積」という珍説が.....
これについてはNo30さんが指摘していますので割愛します。
CC_Tさんの回答の１）～３）は間違いです。
１）について、起電力(電流)は導体が磁束(磁界)横切ることで発生します。
２）について、一様な磁界の中を定速度で導体を動かせば一定起電力が連続発生します。
３）について、磁界の方向は同じなので電流の向きも同じです。

起電力の大きさは磁界が大きいほど大きく、また速度が速いほど大きくなります。
単位時間あたり多くの磁束を横切るほど大きくなります。
つまり磁石の接近に伴い大きくなっていき最も接近した位置で最大となり離れるにつれて減少していきます。No28の図での波形は上図では山形になり下図では台形となります。

＞変わるのは電流ではなく起電力であり

起電力、電力とは電圧と電流の積であり切り離して考えることはできません。今回の議題ではコイルの流れる電流が重要です。

起電力は磁界の中を導体(コイル、鉄心付きを含む)が横切れば必ず発生します、回路が遮断されているかどうかは関係ありません。遮断していると電流は流れないいので力は発生しませんが電圧は存在します。
電流が流れた場合起電力による力は【常に(重要)】回転を妨げる方向に働きます、加速方向に働くことはありません。

お礼

一様な磁界の中で動かしても起電力が発生するのならリング状の磁石の片面にコイルを当ててリング磁石を回転させれば負荷0で直流発電ができますね。本当ですか？

＞３）磁束が増えるときと減るときでは電流の流れる向きが変わる』
＞３）について、磁界の方向は同じなので電流の向きも同じです。

磁束が増える時と減る時というのは磁石が近づく時と遠ざかる時ですよ。電流の向きが同じなら磁界の向きも同じだから近づく時も遠ざかる時も反発力が働くことを認めることになりますがいいんでしょうか？

回答No.31

中村 拓男（@tknakamuri）

>超電導物質ってありますよね。あれは電気抵抗がゼロってだけで
>それ以外は他の導体と変わらないんです。あれに磁石を近づけて
>やると反発するんですけど、それは自分の中に磁束が入って
>こないように磁界が発生するんですけど、それってほかの
>導体でも同じでコイルを巻いた鉄心でも同じなんです。

超電導では当然 誘導電圧は常に 0V になるわけですが、
こういう状況の解析がお望みなんですか？

何のために？

お礼

超電導物質で言いたかったことは超電導物質でも鉄心コイルでも磁石が近づくと自分の中に磁界を侵入させないように磁界を発生させるわけです。なので、磁石が最も近づいた時が最大の電圧と電流が流れ強い磁界が発生するわけです。その時すぐに磁石を離してやると皆さんが言うには吸引の力が発生して超電導物質も鉄心コイルも一緒にくっついてくるということですが超電導物質を知っている人なら元の位置まで離れることがわかりますよね。なんで元の位置まで離れられるかというとその間反発の力が働いているからです。

誘導起電力が0vで電流を流してる力は何になるんでしょうか。いくら抵抗が0といっても最初に電圧がかからないと電流は流れださないと思うんですが。

回答No.30

中村 拓男（@tknakamuri）

起電力の蓄積というのは
どういう理屈が根拠ですか?
コンデンサならともかく
コイルに関しては聞いたことがないです。
電磁気学での根拠を説明してみて
ください。

それと電流による自己誘導と磁石による誘導を
きちんと分けてを考えないと混乱する
ばかりですよ。

また、高負荷な発電状態とモーターでは
電流の流れが逆向きで発生電圧も
全く異なりますが、ことさら高負荷発電機
にこだわる理由は? 不思議なモーターは
どうなってしまったんですか?

お礼

皆さんの理屈からいくと鉄心の中心にN極とS極の境が来た時が最大電圧で鉄心に磁石の極が最も近づいた時が電圧0ということでいいんですよね？その根拠は何ですか？交流波形と照らし合わせてうまく説明できますか？

起電力の蓄積の根拠はその考えを取り入れると交流波形をうまく説明できるからです。

高負荷発電機とは何でしょうか？ここに挙げてる交流発電機のことなら無負荷発電機になります。発電しても事実上負荷のないエネルギー0で発電できる発電機ということです。厳密には負荷が発生する時と加速される時が交互に行われるため負荷はプラスマイナス０ということです。そして、無負荷発電機にこだわっているのではなく、交流発電機そのものが無負荷発電機なのではないかということです。

不思議なモーターは無負荷発電機の登場によりどうでもよくなりました。今は、交流発電機が無負荷発電機なのかどうかをはっきりさせたいのです。