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.29

CC_T

> 磁束密度ならNo27の図の線状なら同じになると思います。ただし磁力が違います。
?磁束密度が同じで、磁力が違う？
なにを言わんとされているのか？　磁力すなわち磁束密度ではないと？？？
単位面積当たりの磁束が多いほど磁力が強いわけで、磁束密度が同じなら磁力も同じ。
http://www.geocities.jp/hiroyuki0620785/k2jiki/force.htm
勘違いしてたかと思って意味を調べなおしちゃったよ。

>　中心からずれた瞬間から磁力線外向きになり端へ行くほど
>　横倒しになっていきますからコイルに対しては磁力が弱くなります。
・・・隣に同じ極があるのに、なぜ横倒しになるんですか？
先の２つの回答でそれを説明したつもりなんですけど。先の回答の下図が納得できない？

>　ただ、それを知って何を言いたいのかよく分からないというか
>　交流発電機とあまり関係ないような。
・・・磁石の上をコイルが横切ったとして、磁石の中心真上にきたときにコイルに流れる誘導起電力は『ゼロ』であるということ。磁石の中心真上を過ぎたらコイルを流れる電流の向きが逆転するってこと。ずっとそれを説明しているつもりなんですけどねぇ。
・・・ほんと、力が抜けますわ。

ともかく、『(1)電磁誘導によりコイルに流れる電流は、コイル(鉄心でも良いけど）を通過する磁束（磁力でも一緒だ）が増えるか減るかという「変化」によって生じるものであり、(2)いくら磁界が強かろうと一様な磁界の中ではコイルに誘導電流は「流れない」。そして(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』

以上３点でもってあなたの説は否定されます。

お礼

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。

一番外側の磁力線は外向きに横倒しになっていますよね。それは、内側の磁力線が押してるからなんですが、その磁力線もさらに内側の磁力線に押されてるわけです。中心から外側へ向かうほど磁力線の横倒しになる角度は大きくなるわけです。
つまりコイルに対しては横倒しの角度が浅い中心部分がもっとも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。

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。ただ、コイルのかかる電圧はそうはならないんです。これには起電力の蓄積という考えを入れてやる必要がありますが、それについてはNo.26のお礼欄に書いてありますので見てください。
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、起電力の蓄積によるなどして既に存在してる電圧に対しては足すか引くかする作用として働くだけなので必ずしもコイルにかかる電圧の向きが逆になるわけではないです。

回答No.28

CC_T

No.27 補

>　まず、図の磁力線が間違ってますが、
磁力線を描いたものではありません。磁力密度の等しいポイントを結んだ線（等高線のようなもの）です。１本の線の上では、どの位置でみても磁力線の密度（磁界強度）が変わらない事を表しているのです。
文中で添付図の説明に「等高線」という趣旨をちゃんと書いてますよね？

> 磁力線は放射線状に広がっていき面でみると周囲に行くほど磁力線は
> 横倒しになっていくんです。磁力線はお互いから離れようとするので。
はい、ではその磁石を並べると、磁力線はどういう状態になるでしょうか？まさか扇形の磁力線が重ねあわされて強化されるとでも？
同じ磁石の中でも「お互いから離れようとする」磁力線が、隣り合う磁石同士だと互いを無視するなんてわけがない。ならどうなるか。１つだと横倒しになっていた部分の磁力線が、並べると隣同士反発して、「立ち上がってくる」んですねー。

だから、たくさん並べた磁石集合体で見ると、周縁部以外は磁力線が「立った状態」になって個々の磁石の端の方と真ん中の方で磁力線の密度は同等になる。

> なので、磁石の中心部分が最も磁力は強いです。
Non。
中央部が磁力MAXではなく、周縁部から内に入ると「ほとんど変わらない」のです。
これは１個の磁石であっても、磁石集合であっても、スケールが違うだけで同じ事。だって１個の磁石も小さな磁石の集合と同じなんですから。フラクタクル図形のようなものです。

あぁ、そういや磁石に鉄粉を近づけても同じような観察ができますね。小学校でやりませんでした？
磁石を並べた上に紙を置いて、未使用使い捨てカイロから取り出した鉄粉でも振りかけてみるといいでしょう。

お礼

磁束密度ならNo27の図の線状なら同じになると思います。ただし磁力が違います。中心からずれた瞬間から磁力線外向きになり端へ行くほど横倒しになっていきますからコイルに対しては磁力が弱くなります。

ただ、それを知って何を言いたいのかよく分からないというか交流発電機とあまり関係ないような。

回答No.27

CC_T

No.22 補

さてと。
小さな磁石でも、集めると見かけ上１つの大きな磁石としてふるまうのはご存知ですよね？
複数を重ねたり、並べたりすると磁力がUPするってのは分かりやすいですよね？　ね？
集めるほどに磁力が強くなる。これは決して相乗計算ではなく、２個集めれば力が２倍、５個集めたら力が５倍って感じの「足し算の関係」です。
逆に磁石を砕くと、１つ1つの破片にN極S極が現れてそれぞれが小さな磁石になる。つまり、磁石は小さな磁石の集合に置き換えて考えることが出来るのです。

さぁ、それでは先の図の「大きな磁石」を、「小さな磁石を並べて敷き詰めたもの」に置き換えてみてください。
1mの円内に、直径１ミリの円筒磁石を並べて敷き詰めたもの。
トータルとしての磁力は、大きな磁石と一緒。なんなら大きな磁石をそこまで砕いたと思ってもいい。
それでも中央の1点の磁力が一番強くなる（磁束密度が高い）と主張されるのであれば、そのエネルギーがどこから来るのか考えてみてください。勿論、バラバラの時の総エネルギーと集めたときの総エネルギーに過不足があってはエネルギー保存則が破れて、夢の永久機関が見えてきますよ？

磁石の磁束密度の「等高線」を描いたら、だいたい添付図のような感じ。
磁石を並べると隣り合う極同士で反発がある分、全体としては遠くまで磁力が及ぶようになるでしょうが、各磁石表面の磁束密度は、個々の磁石のそれを上回る事はありえません。磁石を重ねれば表面の磁束は増しますが、同極を並べた場合は磁石表面の磁束密度は変化しないのです。増える理由も減る理由も無いのです。
ですから、円形に並べた磁石では、恐らく縁から磁石数個分も内に寄れば、表面の磁束密度はほぼ一定になり、そこから内側にいくら寄って行っても、磁束密度はほとんど変化しないのです。

> コイルは入ろうとする磁束を外に追い出そうとしますから磁束が増えればその分
> 磁界を強くしますから電流が多く流れるわけです。
その通りです。ここで大事なのは「その分磁界を強くする」ってところ。

鉄心入りでもいいですけど、コイルに流れる電流は、「（鉄心を）通過する磁束の『増減』に呼応して」変化するという事です。静止した磁石の上のコイルには電流が流れないのは、動かないと磁束密度が「変化」しないから。同じように、一様な磁束密度の中でコイルがいくら早く動いても、コイルに電流は流れないのですね。

さて、ここまでくれば先のあなたのコメント
> 図のコイルなら電流が最大になるのは４，５です。
が否であることは説明できませんか？
電流が最大となるのは磁束密度の変化が一番大きい2,７で、磁束密度の変化がほとんどない4,5ではほぼゼロ。しかも２と７では電流の向きが反対なんです。２では磁束密度が増し、７では磁束密度が減じるのですから。

お礼

大きな磁石でも小さな磁石でも磁力線の形は同じです。まず、図の磁力線が間違ってますが、磁力線は放射線状に広がっていき面でみると周囲に行くほど磁力線は横倒しになっていくんです。磁力線はお互いから離れようとするので。なので、磁石の中心部分が最も磁力は強いです。

回答No.26

unagi-pie

＞近づく時と遠ざかる時では逆起電力の方向が逆向きなるのは正しいんですが、
＞既に存在していた電圧に対してはそこから足すか引くかする作用として働くんです。

それなら「起電力をリセット」したら離れて行く時は
吸引力になるので「反発しつづけ」ませんね。
自分で言ってることを否定するんですか？

あと、反発力が継続したとしても、回転子は有限距離内で回転するだけですから
最遠位置より離れる事がないので「回転力が継続して与えられる」ことはありませんが。

めんどくさいので実際に動くものを作ったらどうです？

お礼

起電力をリセット（回路遮断）するのはモーターについてで交流発電機の場合はしません。

皆さんの言ってることを解釈すると、最大電圧は鉄心コイルの中央にN極とS極の境が来た時ということですね。電圧0は鉄心の中央に磁石の極が一番近づいた時ですね。でも、交流波形と照らし合わせてみるとちょっと不自然な気がします。特に電圧0v付近の急激な電圧の変化。

そこで、鉄心コイルに磁石の極が最も近づいた時が最大電圧で鉄心コイルの中央にN極S極の境が来た時が電圧0とするとうまく説明できるんです。
それには電圧の蓄積という概念を入れてやる必要があります。

まず、鉄心の中央にNとSの境がある状態から回転を始めます。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。ここで電圧の蓄積という考えを入れてやり、一定の逆起電力が蓄積されていくことでコイルにかかる電圧は上昇していきます。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。交流の波形を見ても山の頂上あたりで電圧の上昇が穏やかになり蓄積していく逆起電力が急激に減少しているのが見て取れます。そして、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。少し離れると逆起電力は安定しながら大きな逆起電力を発生させます。交流波形の0v付近の急激な下降もそれでうまく説明できます。

これが交流の真実だと思うんですがどうでしょうか？

回答No.25

unagi-pie

No.24です。

No.24＞違います。外力により磁界が減少する時は減少しないように働きます。
No.24＞つまり起電力により磁界を補おうとします。反発でなく吸着です。

と書きましたがよく見たら No.14 で既に説明されてました。

No.14＞『磁石には反発の力がかかり』というのが考え違いされている部分だと思います。
No.14＞コイルと磁石が近づく時には、コイルを遠ざけようという力を発生する方向に
No.14＞電流が流れ、コイルと磁石が離れていく時には、コイルを引き留めようという力を
No.14＞発生する方向に電流が流れる、それが逆起電力です。

つまり遠ざかる時は引き止める方向、であり「反発ばかり」ではありません。

お礼

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。で、超電導物質に磁石近づけると反発しますが遠ざけるときって吸引しますか？反発したままですよね。さらに遠ざけると吸引したりもしますが。つまり、遠ざけるときは必ず吸引ばかりではないんです。

ちなみに超電導物質を吸引させて落ちないようにするには物質の中に磁束を侵入させてやる必要があるんですけどそれには強く磁石を押し当てることでわずかに侵入させることができるので離しても一定距離を保ったままくっついてくるんです。

回答No.24

unagi-pie

＞磁界は減少していきますが、磁界が反転するわけではないのでこの時も反発の力がかかります。

違います。外力により磁界が減少する時は減少しないように働きます。
つまり起電力により磁界を補おうとします。反発でなく吸着です。

小中学生の実験にある、コイル中に磁石を挿入する時に電圧を生じますが、
磁石を抜くときには逆方向の電圧を生じる、というのがこれです。

磁界が減少する時は補う方向に、つまり離れつつある回転子を吸着する方向に働きます。
反発しつづけるという主張は間違いです。

＞コイルに近づく時と遠ざかる時は同じ反発の力を受けますから
だから、まちがいです。

＞電圧０でなぜ最大の電流が流れるんですか？
抵抗性負荷しか考えてないと理解できないでしょうね。

あと、揚げ足とりに感じられるかもしれませんが。
「電流は電圧プラスからマイナスに向かって流れるはず」のような補足があったかと思いますが
「乾電池内ではマイナスからプラス方向に電流を流してる」のをお忘れなく。

お礼

逆起電力とは流れる電流のことではなく発生する電圧のことです。近づく時がプラスの電圧なら遠ざかる時はマイナスの電圧。
で、大事なことに気が付きました。それは、逆起電力は上乗せされていくということです。
コイルに近づいていく時時間を細かく区切って発生する逆起電力だけを見れば時間当たりに発生する逆起電力はどの区間でもほとんど変わらす、最も近づく瞬間にかけて逆起電力が減少していき最も近づいた時逆起電力０になる。しかし大事なのは逆起電力は上乗せされているということです。時間あたりに発生していた起電力を足し合わせた電圧が最も近づいた時のコイルに発生してる電圧になっているということです。その状態から磁石が遠ざかっていくと逆起電力はマイナスになりますが、すでに発生してる電圧から引く形になり電圧方向が逆になるのではなく減少していくということです。

近づく時と遠ざかる時では逆起電力の方向が逆向きなるのは正しいんですが、既に存在していた電圧に対してはそこから足すか引くかする作用として働くんです。

回答No.23

中村 拓男（@tknakamuri）

>このコイルに磁石が近づいてきたとします。すると鉄心に磁束が侵入してきます。
>すると侵入しようとする磁束を追い出そうとコイルに起電力が発生して電流が流れ
>磁束を追い出す磁界が鉄心に発生します。この時反発の力が生まれます。

??? なんで発電機の話にすり替わってるの？

無負荷の逆起電力を上回る電圧をかけて、モータを止めてしまう電流をねじ伏せて
動かすのがモータですよね？

というわけでもう一度考え直しましょう。

お礼

モーターで逆起電力がどうなるかは今は問題にしていません。
今は交流発電機で負荷がかかるかが問題なんです。

回答No.22

CC_T

最後って言ったのに、私の中のツッコミの虫が許してくれない（－－；

あなたはコイルが磁石に近づくほど、発電量が大きくなるものと思い込んでいる。
それが間違いなんだと繰り返し言ってもイメージできない模様。

では、速度ゼロの瞬間がない、等速運動を例にして説明しましょう。
直径20cmの磁石を置いて、表面から１cmの高さを直径１センチのコイルが等速で通過する場合、さぁ、どの地点がコイルに流れる電流が最大になるでしょうか？
じっくり考えてみてください。
通過高度が10センチだったら、あるいは1mmだったらどうなりますか？

あなたの理論ではどうなるか知りませんが、現実には(3)～(6)ではコイルを通過する磁束はほとんど変化しないので、電圧・電流は高度に関係なくゼロかその近傍です。

これは磁石とコイルの関係を逆にしたらもっと良くわかる。
大きなコイルの上を小さな磁石が横切って行く。コイルの真ん中に磁石が来た時が電流値最大ですか？　違いますよね。
コイルが十分に大きければ、あるいは磁石が十分に小さければ、最初に磁石がコイル線の上を越える瞬間と、反対側でコイル線の上を磁石が通過する瞬間が最大になるはずです。そのとき、コイルにはどちら向きの電流が流れますか？
右手の３本指とにらめっこして考えて下さい。
そのまま磁石を大きくしていくと、どうなりますか？

「それは極端な例でしょ？」なんて言って目をそらさないで。原理・理屈は同じ事であり、電磁誘導という物理の基礎として、全部同じ土台の上の話。
歪んだ基礎の上に応用を積み上げることはできません。

>　コイルが回転してる動画見ましたが波形が意味不明です。
下波形はコイルを流れる電流。もちろん電圧も同様の波形です。
上はコイルの回転角度です。ｙ軸にφって描いてますよね。φやθは角度を表す記号として使うのが通例です。

> 動画とは発電原理が異なります。
『発電原理』は全部一緒。磁石とコイルを使っている限り、全部電磁誘導の効果でしかない。

以上。

お礼

図のコイルなら電流が最大になるのは４，５です。高度が１０cmと１mmだったら１mmの方が多く流れます。それは、コイルの中を通る磁束が増えるからです。コイルは入ろうとする磁束を外に追い出そうとしますから磁束が増えればその分磁界を強くしますから電流が多く流れるわけです。
ただ、これはコイルの線を通過する磁束は考えてませんので鉄心にコイルを巻いた場合と考えてください。

それと鉄心を使わないコイルでの説明は避けてください。鉄心を使ったコイルなら鉄心を通る磁束だけを考えればよくコイルを横切る磁束まで考える必要がなくなりますから、そのほうが実用的な発電機にも近いですし。

回答No.21

中村 拓男（@tknakamuri）

>コイルに磁石が近づく時は電圧は
>上昇してるのがわかると思います。
>そして最も近づいた時が最大になります。

レンツの法則から明らかなんですよ。
発生する起電力は磁束の時間微分に
比例するので、磁束ピーク時は０V。

コイルとメーターと棒磁石で簡単に
検証できます。

お礼

まず、発電機の構造は鉄心にコイルを巻いた構造を考えてください。このコイル巻鉄心がどういうふるまいをするか考えてください。このコイルに磁石が近づいてきたとします。すると鉄心に磁束が侵入してきます。すると侵入しようとする磁束を追い出そうとコイルに起電力が発生して電流が流れ磁束を追い出す磁界が鉄心に発生します。この時反発の力が生まれます。最も近づく磁束ピーク時はそれだけ磁力が強いので鉄心に発生する磁力もピークに達します。つまり、逆起電力がピークに達するわけです。この状態ですぐに磁石を遠ざけてやれば鉄心に侵入しようとする磁束が減っていくことで鉄心の磁力も減少していきます。磁界は減少していきますが、磁界が反転するわけではないのでこの時も反発の力がかかります。
なので、磁石にかかる力はプラスマイナス０ということになります。

辞書に載ってることをただ言うのでなくて実際自分の力で考えてみることが大切です。

回答No.20

CC_T

No.19　再々々々・・もうラスト。

>　そして最も近づいた時が最大になります。
だから違いますって。ピークではなく、最接近の瞬間が「コイル電圧ゼロ」です。
参考リンクも一切見ていないですね？　そうでなければそんな結論は出ないはず。
私も文字数けちって十分な説明なんてしてられませんから、ぜひリンクをたどって見てください。

あなたはU字磁石の中のコイルの回転でイメージしていますか？　棒磁石とコイルの往復運動の形で見てますか？
どっちも本当は同じなんですけど、Ｕ字の中のコイルでは「最接近」に相当するのはコイル芯巻きが磁束と平行になった時（コイルが寝たとき：コイルを貫通する磁束が最大）で、このときのコイルに流れる電流はゼロです。コイルが立った時（N,S各極にコイルの両端がそれぞれ近づき、コイルを貫通する磁束が最少になっているとき）、コイルに流れる電流が最大になります。
http://www.youtube.com/watch?v=wchiNm1CgC4&list=PLAzUpbJnGiwspqmsuemzKmQ5hZkTxcFCU

後学のためにレンツの法則について動画中心で分かりやすい実験内容になっているものを紹介しておきますね。
http://www.youtube.com/watch?v=X5qwlx0K67g
実験としては中学生以下向けまで分かりやすいですが…。

リンクが辿れない環境でご覧になっているのなら、図書館に行って物理の本でお調べ下さい。
キーワードは既に出ています。

それでは、私からは以上とさせていただきます。

お礼

リンク見てみましたが、まずコイルに磁石が近づく時は反発の力がかかり、遠ざかる時は吸引の力がかかるのは間違いではないんですが、肝心な部分を見落としています。それは、遠ざかる時吸引の力が働くのは磁石が静止し、コイルに起電力が発生していない状態で遠ざけた場合です。静止状態を作らず連続的に近づけたり遠ざけたりすると異なる現象が起きます。近づけた時逆起電力が発生して電流が流れ反発力が働きますがここで静止状態を作るとコイルの抵抗によってすぐに電圧は０になってしまいます。ところが静止状態を作らずすぐに遠ざけると電圧は発生したままでそこから逆起電力により電圧が降下し始めるわけですが電圧の向きが逆になるわけではないので電流の向きは変わらずに反発力が働いたままになります。

コイルが回転してる動画見ましたが波形が意味不明です。下の波形はコイルを流れる電流だと思いますが上の波形が何を意味してるのか分かりません。コイルに発生してる電圧であれば電流と同じ波形になるはずです。電圧０でなぜ最大の電流が流れるんですか？電流を流してる力は何なんですか？

ちなみにイメージしてたのは鉄心にコイルを巻いた実用的な発電機を想像してました。動画とは発電原理が異なります。