誘導電動機について教えて下さい

私は誘導電動機に興味あり、渦電流とフレミング左手の法則がどのように関連あるか、不思議に思っていました。
電気のことは詳しくありませんが、いろいろな本を見ていると、誘導電動機の原理は”アラゴの円板”または、”フレミングの左手の法則”と書かれており、
どちらなのか見当つきません。
著名な方の本ですので、もちろんどちらも正しいと思います。

実際のカゴ型誘導電動機では回転子導体端を短絡したような形状です。

フレミング左手の法則では、回転子の導体には渦電流発生と述べていませんし、
導体に流れる電流で、力が発生して回転子が回転すると書かれています。
導体には渦電流が流れるのでしょうか？

実際のカゴ型誘導電動機ではフレミング法則で言われているような、銅線のような導体ではなく、
銅バーやアルミバーで作られており、電動機容量によりますが、導体の厚さは１センチから5センチ
ぐらいです。
導体が線のようであればフレミング法則も納得できますが、厚い導体では誘導電流にもよると
思いますが、渦電流も発生するのではないかと思います。
初心者ですいませんが、どなたかお教え願います。

No.8 回答者： Teleskope 回答日時： 2005/01/06 04:08

　

　
１．
>>　誘導電動機では回転子導体が固定子の回転磁界を"切る”ということですね。 <<

　誘導機ばかりではなく、同期モーターの起動時のローター電流の説明です。これを書いたのは、

>>　私の疑問は、なぜ起動中、主ローターコイルにプラスマイナス両方向の電流が流れるのでしょうか？ローターコイルに両方向に電流が流れてしまっては、カゴ型誘導電動機のローター導体のように１方向（短絡環でループする電流）であればトルク発生方向が同じでローター回転方向が決まりますが、ローターに交互電流が流れれば、発生するトルク方向も変わり、ローターが回転しないように思えますが..<<

　これの説明のつもりです。誘導電動機のローター導体の電流は１方向ではなく交流です。　No2の絵（≒No1補足の図）で、起動直後でローターがほとんど停止してる状態を想像してください。　界磁は電源周波数で回るので NもSもあの図の場所にじっとしておらず 時間がたてば上下入れ替わりもします。そのときローター電流が同じ方向のままではトルクが逆向きに生じてしまうので矛盾します。電流は界磁の変化によって誘起されるのだから磁界が反転すれば電流も反転するんです。
　「ローター電流は一定方向」という説明は、界磁と一緒に回って見ている表現です。しかしそれはローター巻線を次々に渡り歩いてる見かけの姿です、個々のローター巻線に流れてる実際の電流は、Nが追い越すときと Sが追い越すときで 逆向きです。



２．
　それから "切る”必要はありません、（No1でも書きましたがここは理工系のサイトなので少し厳密に答えます。初心者向けの本と食い違うかも知れませんが。）磁界が増減や反転をしてくれれば十分なのです。（時間的な変化ですね。トランスも同じ原理です。）　モーターは、増減や反転の原因が　スリップという相互運動です、その運動の方向との関係が「フレミングの右手や左手の暗記法」です。磁界が導体を直接切らなくてもこの「暗記法」で方向関係が分かるという便利なものです。便利ゆえ、根本原理でもないのに長く使われ続けてる理由でしょう。右ネジの法則というやつと同類です。（もし電流や電圧の向きを知らなくて良いなら この暗記法は用無しです。）



３．
　この辺をうまく要約してある、有名どころの本を紹介します。とても古い本ですが名著です。随筆集。数式や高度な予備知識は不要です。
『 新物理の散歩道　第三集 』
出版：中央公論社　初版：1978年　定価：千円　著者：ロゲルギスト
著者は日本人のペンネームです。これの「モーターはなぜまわる」の項が後々役に立つと思います。
　ですが現在 出版元が在庫ゼロのようです。方々の図書館にあると思いますので最寄りの図書館から取り寄せてでもご覧下さい。　私も最初、薦められて読みました。最初はどうってこと無かったですが、モーターや電磁気の理解が進むほど「なるほど。いわゆるカナメを押さえてあるのだ」と思わされました。

　そのほか、鉄が磁界に引かれるという現象を 図的に押さえておけば、界磁とローターの鉄の力の分布を具体的にイメージすることができます。これもかなり応用がききます。

http://oshiete1.goo.ne.jp/kotaeru.php3?q=892193& …
URLが変わってます。
　　 http://miyasan.serio.jp/series4/densi0225.html#f …
　　 http://miyasan.serio.jp/series4/densi0225.html#C …


http://oshiete1.goo.ne.jp/kotaeru.php3?q=1109560 …
　
　

No.7 回答者： foobar 回答日時： 2005/01/01 22:11

かご型誘導機の回転子でも、一本の導体と、その反対側の導体をつないだ、ひとつの回路に着目すると、その回路には、交流電流が流れています。

誘導機(交流励磁同期機もですが）では、回転子にすべり周波数の交流電流が流れることで、固定子の作る磁束に対応した(固定子の作る回転磁界と同じ速度で回転する)磁極が回転子上にできて、トルクが発生しています。

(固定子の作る磁界は、一次周波数w1で回転する磁界です。(すべり周波数の交流の)回転子電流の作る磁界は回転子の上を滑り周波数で移動する回転磁界になります。回転子が(一次周波数-すべり周波数=軸速度)で回転していますので、回転子上を滑り周波数で回転する磁界を、外側から見ると結局一次周波数で回転していることになります。)

と、同期機界磁巻き線にすべり周波数で流れる交流電流は、かご型誘導機の回転子に流れる交流電流と同様な働きをします。(ちょうど、巻き線型誘導機のような（といっても、均一な巻き線じゃない点が違いますが）状況になります）。
で、同期機界磁巻き線に流れるすべり周波数の交流電流は、固定子の磁極が適度な場所に来たときに、回転を加速するように発生し、固定し磁極の位置がずれると消滅、を繰り返し、(脈動はあるものの）一定方向に加速するトルクを発生します。

No.6 回答者： Teleskope 回答日時： 2004/12/31 01:13

　

　
>>　言葉では上手く説明できませんが、このような現象を判りたいと懸命です。 <<

　ご説明を拝見しました。すらすらと読めて、おっしゃってる事が 一読で伝わってきます、文章力をお持ちなのと、対象物の理解がかなりお有りのように感じました。早速ですが；
　スリップがゼロでない状態では何故 ローター回路の電流が交流なのか？ですね。
まず、回転磁界をだしてる界磁を 固定磁石だと思って下さい。馬蹄形のような固定磁石が一定回転数で回ってる姿です。
そして ローターは回転が それより遅から 磁石のN極S極に ひっきりなしに追い越されます。（あなたがクルマで走ってる、積荷はコイル、隣の車線を トラックがひっきりなしに追い越して行く、トラックの積荷は永久磁石、 NとSが交互に追い越して行く、こんな光景です。）
　理科の実験で コイルに磁石を出し入れすると 電圧が発生する、電圧の極性±は 近づける時と遠ざかる時で反対である、あれと同じです。

　誘導モーターのローターの電流もこれと全く同じで、交流電流です。肝心なのは、界磁が追い越して行く光景をイメージすることです。Nが追い越した後には Sが追い越す。だから誘起される電圧は Nの時とSの時で反対です。
　
　

この回答へのお礼

Teleskopeさん、
またまたご親切に教えていただいて有難うございました。誘導電動機では回転子導体が固定子の回転磁界を
"切る”ということですね。
詳しくご説明頂き有難うございました。

お礼日時：2004/12/31 09:34

No.5 回答者： foobar 回答日時： 2004/12/30 20:47

＃３への補足に関する補足

説明を受けられた同期電動機は、ちょっと特殊(？)なタイプのように思います。(スリップリングを使わずに、トランスの二次側+整流器をローターに載せたタイプ　もしくは　界磁発電機を直結して界磁発電機の電機子を回転子上の整流器を介して主機界磁電流を供給するタイプ　のような気がします。）

通常の同期機では、
・界磁巻き線には常時直流を流します
・停止状態から同期速度付近までは、同期機のダンパ巻き線(振動を防止するために、回転子に巻かれた短絡巻き線）に流れる誘導電流で、誘導機として加速する。
・同期速度付近になると、界磁巻き線によるトルク（すべり周波数で正負に振動している）の脈動周波数が低くなり、あるところで、同期速度に引き込まれる。
という起動プロセス（ダンパ始動)をとることが多いかと。

(＃３補足に書かれてる文章からすると、説明を受けられた電動機では、始動付近では界磁極に張られた鉄板が回転子導体として作用し、次に（サイリスタ＋ダイオード整流器で短絡された）界磁巻き線が回転子巻き線として動作する誘導機として加速して、最後にサイリスタをOFFしてダイオード整流器で界磁電流を供給する同期機運転に移行するような、、、）

この回答への補足

foobarさん、有難うございます。
ご指摘のように、私が見た同期電動機は、ブラシレス同期電動機です。主ローターの後ろにエキサイター回転子が直結され、エキサイター回転子はエキサイター固定子から励磁されます。エキサイターローターには3相ダイオードブリッジとサイリスターが互いに逆向きに取り付けてあります。

１）主ローター各極頭頂には鉄板が貼り付けてあり、
同期速度まで、うず電流を発生させ、誘導電動機として起動する。
２）同時に各極にある銅版を積み重ねたローターコイルにも固定子からの誘導磁界により、電流が発生する
これは誘導電動機と同じと思います。
３）各ローターコイルは直列接続され、サイリスターがP/N極短絡、ダイオードもサイリスターとはアノード・カソードの向きは違いますが、P/N極に短絡接続されている。
３）ダイオードは３相ブリッジで、３相エキサイター回転子コイルに接続。
４）同期速度でエキサイター固定子は直流励磁装置で励磁される。

同期速度に達しますと、直流励磁装置でエキサイターに励磁電流が流れ、ローターコイルに直流電流を流して同期速度になる。
つたない説明ですがお判りと思います。

私の疑問は、なぜ起動中（s=1から同期速度近辺）まで
主ローターコイルにプラス、マイナス両方向の電流が流れるのでしょうか？
ローターコイルにプラス、マイナス両方向に電流が流れてしまっては、カゴ型誘導電動機のローター導体のように１方向（短絡環でループする電流）であれば
トルク発生方向が同じでローター回転方向が決まりますが、上で説明した同期電動機ではS=1から同期速度前まで、ローターに交互の電流が流れて、発生するトルク方向も変わり、ローターが回転しないように思えますが..

度々の質問で申し訳ありませんが、宜しくお願いします。





　



　

補足日時：2004/12/30 23:20

No.4 回答者： foobar 回答日時： 2004/12/30 16:15

実際に使われてる誘導機について、、

ローターに使われてる導線は太いバー状になっていますが、そのバー内での渦電流、誘導で流れる＃２さん回答にある電流と比べるほど大きくありません。
その理由は、磁束の大半は鉄心を通り、導体を通過するものは少ない、ことによります。
（ついでに、回転子導体もそれほど強い磁束中に置かれてるわけじゃないので、フレミングの法則で説明するのも本当は問題があります。)

で、エイヤッと大雑把に、回転子全体をひとつの導体(といっても、異方性があるのですが）とみなして、全体に磁石を多いかぶせて回してる、と見てしまえば、
アルミ導体-短絡環-反対の導体-短絡環-　と流れてる電流は渦電流みたいなものですから、アラゴの円盤的な説明でも良いということになります。

この回答へのお礼

ご親切に説明いただき、感謝します。
又、教えてください

お礼日時：2004/12/30 20:08

No.3 回答者： Teleskope 回答日時： 2004/12/30 15:00

　

　
　アラゴーの円盤は あれ自身が誘導モーターの一種です。あれが原理なのではなく、あれも 現在のモーターも 同じ原理で動いてる、その程度の意味です。

>>　フレミング左手の法則では、回転子の導体には渦電流発生と述べていませんし <<

　ですね、
(1)磁から電が発生する現象は「フレミングの右手の暗記法」になります。
親指から順に ＶＢＥ。親指Ｖは（磁界を基準に）導体が動く方向、Bは磁界の方向、Ｅは発生する電圧の方向です。

(2)この電圧によって電流が流れて、

(3)その電流と大元の磁界との力関係が「フレミングの左手の暗記法」です。

(1),(2),(3)の三段階です。


>>　モーター断面図で、右側のS極したにある回転子導体に流れる電流が飛び出して、左側のN極下にある導体に流れ込む理解でよろしいでしょうか？ <<

　です。画面の裏でつながって輪になってると考えてください。

>>　その場合、N極直下の導体には回転磁界の磁束による誘導電流は発生しないでしょうか。 <<

　してます。どちらの極でも同じに発生してます。構造をきっちり対称的に作ってありますから発生は等しく起きます。



横断面

　　　｜　　　N 　 　 ｜
　　　└─────┘
　　　┏→━→━→┓　電流が時計回りとすれば
　　　↑　　　　　　　↓　　ここの電磁力は
　　　┃　　　　　　　┃　　画面に入り込み向き
┌--╂---------╂─┐
└--╂---------╂─┘回転軸
　　　┃　　　　　　　┃
　　　↑　　　　　　　↓
　　　┗←━←━←┛　こちらの電磁力は
　　　┌─────┐　画面から飛び出し向き
　　　｜　　　S 　 　 │
　
　

この回答への補足

皆様のアドバイスにより、よくわかりました。
有難うございます。

質問ついでに同期電動機について不明なところあります。
凸極型同期電動機（ブラシレス）を見たことありますが、ローター登頂部は厚い鉄の板になっており（タイプにより珪素合板）、ローターコイルは厚い鉄の板の下に薄い銅版を積み重ね、それらの銅板は直列に接続されて、
他の極と直列に接続されて（ローター中心がくりぬかれて軸端近くで回転整流器（ダイオード、サイリスター)接続されています。
メーカの話によると、起動時は極頂鉄板にうず電流発生し、そのうず電流で誘導電動機として起動、同期速度に成ったら界磁コイルに直流電流を流して同期速度を保つそうです。
誘導電動機として動作しているゼロ速度から同期速度近辺までは、ローターのコイルに交互の電流が流れると説明され、界磁＋側の時はダイオード（３相ブリッジ）をとうして回路に直流電流が流れ、界磁－側の時はダイオードと逆方向に接続されたサイリスターに直流電流がながれる。　同期速度近辺ではスリップが減少し、だんだん界磁－側には電流が流れなくなり、同期速度では界磁＋側だけに電流が流れて同期速度になるとの事。
凸極型同期電動機は同期速度前にはローター回路に流れる電流は説明のように交互に流れるのでしょうか？
言葉では上手く説明できませんが、このような現象を判りたいと懸命です。
たびたびの質問ですいませんが、よろしくお教え願います。　ps. gooを使用するのは昨日が初めてで、非礼あると思います。お詫びいたします。

補足日時：2004/12/30 17:41

No.2 回答者： ruto 回答日時： 2004/12/30 09:25

大雑把に考えると、

　誘導電動機の固定子に交流電流を流すと、磁束が発生し、それに直角に導体（回転子）を置く、直流の場合は導体を動かさないと導体に電圧が発生しませんが、交流の場合は、磁束が変化するので導体に電圧が発生します。
　次に導体の両端を短絡すると導体に電流が流れ磁束が発生します。固定子の磁束と導体の磁束が引き合ったり反発して回転すると考えればどうですか。
　導体が厚い導体なのは流れる電流は大きいからです。このタイプはかご型と呼ばれています。
　なお、大型の電動機では回転子が巻線型もあります、この場合は起動時抵抗を入れて起動電流を抑えます。起動完了後２次側を短絡します。

この回答へのお礼

RUTOさん、
ご親切にアドバイス有難うございました。
電動機の原理は複雑ですね。
ますます深みにはまりました。
また、宜しくお願いします。

お礼日時：2004/12/30 13:13

No.1 回答者： Teleskope 回答日時： 2004/12/30 01:42

　

　
　フレミングの法則は、厳密に言えば「ニュートンの法則」のような法則ではありません。「フレミングの暗記法」だと覚えた方が適切です。力と磁界と電流の「向きを暗記する方法」です。私は「ＦＢＩ はサウスポー」と覚えました。ｗ
親指から順に：Ｆは力、Ｂは磁界、Ｉは電流です。
　アラゴーの円盤は歴史的に最初に「磁界による金属板の回転」を発見した実験のことです。これも回転の原理を説明してるものではありません。

　どちらも原理を説明してるのではありません。（ここは理工系のサイトなので厳密に答えます。初心者向けの本と食い違うかも知れませんが。）
では原理は？誰が？と、自分で探すことはとても面白いことですので、あえて書きません。お探しになって疑問や確認をしたい事をこのサイトでどんどん質問を重ねればいいと思います。



２．うずでんりゅう。
電流はすべてみなウズを巻いてます。大きいか小さいかの違いです。家庭用の電気も電柱の変圧トランスとの間をグルグル回ってます。

モーターの断面図。

　　│　N極　│　　　　　│　S極　│
　　└───┘　　　　　└───┘

　　┌────┐　　　　┌─────┐
　　　　導体　　　　　　　　　　　導体

　　　　　↑　　　　　　　　　こっちの導体では
　　この中で　　　　　　　　画面から飛び出て
小さくクルクル往復　　　　左の導体で画面に
してしまうウズ電流は　　　流れ込む、このよ
モーターを回す力には　　うな大きなウズ電流
なりません。ここで　　　　がモーターを回す力
「フレミングの左指」　　　になります。
を使えば理由が分か　　その電流だけに都合
ります。往と復とで　　　が良い形の通り道が
打ち消し合ってしま　　　カゴ状の棒です。
うんですね。　　　　　　　

　
　

この回答への補足

Teleskopeさん、
アドバイス有難うございます。
アカデミックな回答で、私にはまだ理解できません
申し訳ありません。

教えて頂いたモーター断面図で、右側のS極したにある
回転子導体に流れる電流が飛び出して、左側のN極下に
ある導体に流れ込む理解でよろしいでしょうか？
その場合、N極直下の導体には回転磁界の磁束による
誘導電流は発生しないでしょうか。

例えば２極の誘導電動機では、S極が上にあり、N極が
180度下にあると思います（回転磁界ですから360度回りますけど）。
その場合もご説明と同様にS極下にある導体で発生したうず電流が180度したのN極直下の導体に流れ込むのでしょうか。その場合、ローター短絡環を経由するのでしょうか？


初心者向け電動機参考書には、２極誘導電動機、N極直下の導体にもうず電流発生し、180度真上の導体にも同時にうず電流発生すると書かれていました。　しかし、参考書（２－３冊）を見比べましたが、導体に流れる電流方向は書かれておらず、すぐに回転磁界、等価回路の説明になってしまいます。
|____S_____|
-->>--->------>-- 　左図は２極機のつもりです。
||=============| |　=は導体、|は短絡環、
|| | |　-->は導体に流れるうず電流
|| | |　のつもりです（笑）。
||=============| |
-<-----<----<----
|~~~~N~~~~~|
アドバイスいただければ幸いです。

補足日時：2004/12/30 13:54