モーターは、引き合うだけで回り続ける？｜整流子と電流を切り替えるタイミング

磁石と電磁石が引き合うからモーターが回る。ここまで説明できても、もう一つ考えたいことがあります。引き合って向かい合ったら、そこで止まらないのでしょうか。回り始める理由と、回り続けるための工夫は、分けて考える必要があります。

今回扱うのは、永久磁石とコイルを使うブラシ付き直流モーターです。すべての種類のモーターが同じ部品を持つわけではありません。乾電池で動く模型を入口に、回転するコイルの向きに合わせて電流が切り替わることを見ていきます。

引き合う位置へ来たあとが問題

回転できる電磁石を、別の磁石のそばに置いた場面を想像します。異なる極どうしが向かい合うように回る力を受けても、そのまま同じ磁極の組み合わせを保てば、いつまでも一方向へ回す仕組みにはなりません。行き過ぎたあとには、元の向きへ戻そうとする力を受けることがあります。

回転を続けるには、角度が変わったところで力の働き方も変える必要があります。「磁石が強ければ解決する」という問題ではありません。強さだけを増しても、戻そうとする働きがなくなるとは限らないからです。どの位置で、どちら向きに回そうとしているかを追います。

ブラシ付き直流モーターには、回転する側の整流子と、それに接触するブラシがあります。コイルが回ると、ブラシが接する整流子の部分が入れ替わり、コイルを流れる電流の向きが切り替わります。それに合わせて電磁石としての極も変わり、同じ回転方向へ進む働きを得られます。

ここで、乾電池そのものを半回転ごとに人がつなぎ直しているわけではありません。外側の電源の接続は同じまま、回転する部品の接触関係が変わります。電源から見た配線と、コイルの巻き線を流れる向きの区別が大切です。コイルが紙の裏へ回り込む図では、手前側だけを見て判断しないでください。

二極模型の時間順の図。端Aの位置の移動と、電流の反転による極の変化は別のこと。配線図や工作手順ではない。

二極の単純な模型なら、半回転して両端の位置が入れ替わるころに、電流の向きも切り替わると考えられます。電磁石の同じ端にはAという印を付けておきます。Aの場所は移動しますが、Aという名前は移しません。電流の切り替えによって、Aの極はNからS、またはSからNへ変わります。

実際の小型モーターには、回転を滑らかにしたり、回り始めやすくしたりするため、複数のコイルを使うものがあります。二極の図で分かった規則を、どんな製品の接点数にもそのまま当てはめることはできません。問題が二極の模型なのか、別の構造なのかを図で確認しましょう。

ある二極の模型で、コイルの端Aは最初N極でした。半回転したところで、整流子によってコイルを流れる電流の向きが逆になりました。巻き方は変わっていません。端Aは何極になりますか。「Aが反対側へ動いたから」という説明だけでよいかも答えてください。

答え・解説： 端AはS極になります。巻き方が同じで電流の向きが逆になるため、電磁石の極が逆になるからです。単に端Aが反対側へ移動しただけなら、そのこと自体で極が変わるわけではありません。位置の入れ替わりと、電流による極の変化を分けて説明します。

計算用の二極模型が、一秒間に4回転しています。半回転ごとに一度、電流の向きが切り替わるものとします。切り替えは一秒間に何回ですか。また、隣り合う切り替えの時間間隔は何秒ですか。回転速度は一定とします。

答え・解説： 一回転に二度切り替わるので、一秒間では4×2＝8回です。間隔は1÷8＝0.125秒です。4回転を4回の切り替えとしてしまうと、半回転ごとという条件を見落とします。これは仕組みを数えるための模型で、実際のモーターの速度を示した値ではありません。

簡単な工作では、コイルの軸のエナメルを一部だけ削り、回転中に電流が流れる時間と流れない時間を作る方式もあります。その場合は、電流を逆向きに切り替える整流子の説明とは違います。電流が流れない間も、すでに動いているコイルが回り進むことを利用します。

どちらも回転に合わせて電気の流れ方を変えていますが、「逆向きにする」と「一時的に止める」は別の操作です。工作の図を見たら、金属が接して通電する部分と、絶縁されて通電しない部分を追います。名前がモーターだから同じ暗記文で答えるのではなく、図に示された接点から説明を組み立てます。

モーターが回るときには、電源から供給される電気エネルギーが、回転などの運動へ変わります。磁石がそこにあるだけで、無制限に仕事を取り出せるわけではありません。また、供給したエネルギーがすべて役立つ回転になるわけでもなく、発熱なども起こります。

最初の問いに戻ると、引き合う力の説明だけでは、連続した回転の説明が不足していました。コイルの位置、流れる電流、極の変化を順番に書くと、途中の一こまだけでなく動き全体を追えます。動く道具の問題では、止めた写真を一枚覚えるより、次の位置へ進んだときに何が切り替わるかを確認することが大切です。