直流電動機の原理や種類とは?メリット・デメリットについて知ろう!

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「直流電動機」は携帯電話や玩具類、電気鉄道、エレベーターなどさまざまな場所で使用しています。
私たちの生活においても身近な電動機と言えるでしょう。
電験3種試験問題にも出てくる直流電動機について詳しく説明します。
直流電動機の原理や種類、使用用途、特徴など一緒にチェックしていきましょう。
電験3種試験のために勉強している方は、ぜひ参考にしてください。

  1. 直流電動機の原理
  2. 直流電動機の種類
  3. 直流電動機の用途とメリット・デメリット
  4. まとめ

1.直流電動機の原理

直流を入力とする電動機が「直流電動機」です。
そもそも電動機は、電気エネルギーを力学エネルギーに変換する機器になります。
電動機の1種である直流電動機の原理について説明していきましょう。

1-1.発生したトルクで回転する

電動機の基本的な原理は「トルクを発生して回転する」ことです。
電動機にもさまざまな種類はありますが、すべてにおいて基本的な原理は同じになります。
中でも直流電動機の原理はとてもシンプルです。
直流電動機は「フレミング左手の法則」を利用しています。
磁石のS極とN極の間に電線の輪をつくってみてください。
輪に電流を流すとフレミング左手の法則によって電線に力が加わります。
そして、加わった力によって電線の輪は時計方向に回転し始めるのです。
輪の曲がりかどで電流の向きが変わります。よって、回転が継続する仕組みです。
ちなみに、トルクの発生はフレミング左手の法則で負荷電流が交わったときになります。

1-2.電流の向きを変える整流子とブラシ

直流電動機を動かすには回転を継続しなければなりません。
回転の継続は「電流の向き」が大きく関係しています。
電流の向きを変えるのは整流子とブラシの機構がポイントです。
整流子はパイプを半分に割った金属片になります。
そとにある直流電源によって整流子をとおって電機子コイルに直流を与える仕組みです。
つまり、整流子にブラシを押し当てることで電線の輪と一緒に摩擦しながら回転することになります。
ただし、力の向きが内側になるため、90℃回転したところで止まりやすくなるのです。止まってしまえば回転が継続できません。
よって、直流電動機では電線の輪を120℃ずつずらして配置しています。
電線の輪であるコイルを120℃ずつずらすことで、スムーズに回転できるのです。

1-3.直流電動機の極数・並列回路数

電気が流れる構造は、極数・並列回路数によって異なります。
学生のころ、理科の実験でコイルの並列・直列について学んだことを思い出してください。
極数や並列の数によって電気の流れ方が違います。
たとえば、直流電動機に大きい電流を供給するとき、並列回路数をなるべく増やさなければなりません。
逆に、高電圧を供給するときは並列回路数をできるだけ最小にします。
そして、より多くの導体を直列に接続するのです。
また、並列回路数を最大にするときはコイルを重ね巻にします。重ね巻にすることでブラシとの接触点を増やすことができるのです。
逆に、並列回路数をなるべく増やしたくないときは巻き方を波巻にします。
以上のように、並列回路数と極数の具合によっては巻き方が異なるでしょう。

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