モーター負荷が増大すると電流値が増大するのは？

Question

モーターの負荷と電流値の関係は？
http://oshiete.goo.ne.jp/qa/6607162.html

の質問を立てて回答をいただきました。
そこで、モーターの回転を妨げる方向の負荷が大きくなった場合、電流値は増大するは
仕事の量が増大するというのが、説明のひとつでした。

概念的（たとえば、P=I×V の考え方で、P が増大するためには、Iが増大するからだという説明だと思います。）にはそうだと思うのですが、ミクロ的な電気の基本で考えると腑に落ちません。

それでは、V=I×R の考え方ではどうなるでしょうか？

電圧 V は、変わらないので、電流 I が増大するのは、抵抗 R が減少するからでしょうか？
モーターは、鋼材をコイルで撒いて電磁石を作っています。
その磁力をつかって回転力を作っていると思いますが、コイルに流れる電流が増大するのが、V=I×R の式から腑に落ちません。

説明していただけると、嬉しいです。
よろしくお願いします。

電気は詳しくないので、誤った理解、不足の情報があれば補足・訂正いたします。

sailor · Accepted Answer

オームの法則についてですが、交流回路でコイルやコンデンサーを含む回路の場合、単純に抵抗として考えたのでは成り立ちません。これは交流回路では電流が必ずしも電圧と同じタイミングでは流れないからです。例えば、ひとつのコイルがあるとして、この直流抵抗をテスターで測って、一定の電圧を掛けたときの電流の値を測ったとき、直流では計算どおりになりますが、交流では計算値より少ない電流しか流れません。そして交流の周波数が高くなるほど電流はへっていきます。コイルにはこのような性質があります。従って、コイルを含んだ回路では単純に抵抗としては計算しません。インダクタンスという値を使い、周波数に応じた抵抗値を持つ抵抗として計算します。ある周波数での実際の抵抗値で計算すればオームの法則は成り立ちますが、周波数やコイルの持つインダクタンスによって変化するのでV=I×Rという式は用いません。モーターの場合はこの周波数にあたる部分が回転によってコイルが切り替えられる回数にあたります。

オームの法則が成り立たないという表現はちょっと言葉が足りない感がないでもありませんが、交流回路や、コイルに対してのスイッチングが行われる回路では、単純に直流抵抗で考えても正しい結果は得られません。これをさして言われた言葉であると考えるべきでしょう。

また、コンデンサーを含んだ回路も直流の考えではまったく成り立ちません。コンデンサーは直流電流に対しては、コンデンサーの容量と電流によって決まる時間だけ電流が流れて、それ以降はまったく流れなくなります。従って、これも単純にオームの法則を当てはめることは出来ません。テスターである程度大きな容量のコンデンサーの抵抗値を測って見ると判りますが、つないだ瞬間はほぼ０Ω近くの値を示しますが、時間とともに値が大きくなってしまいますので測ることすら出来ません。コンデンサーはコイルとは逆に周波数が高くなるほど抵抗値が小さくなる性質があります。

電気回路図などを見ると、コイルの値を示す単位としてΩが用いられることはなく　ｍHやμH（ミリヘンリー・マイクロヘンリー）等という単位が用いられていますし、コンデンサーは　μFやｎF（マイクロファラッド・ナノファラッド）等という単位が用いられています。これは電圧と電流の関係に時間という要素が加わり、単純な抵抗のように表すことが出来ないからです。

また、交流回路では位相という問題もかかわってきますが、これは、コイルやコンデンサーなどの素子についてしっかり理解したうえで無いと説明自体に無理がありますので割愛します。

交流回路やコイルやコンデンサーに対してスイッチングを行う回路は直流回路と同じ考え方は出来ないということです。しかし、コイルに発生する逆起電力や電流の遅れ、コンデンサーに発生する電流の進みや、静電容量を加味した数値で計算すればオームの法則と矛盾することはありません。モーターの場合、直流モーターであってもコイルに対するスイッチングが行われるうえに、磁界の中をコイルが動いているという複雑な要素があるため、それらを加味して計算しない限り正しい計算は出来ませんし、交流モーターではコイルに与えられる電流が交流ですので、この時点で直流回路の計算は成り立たない上に、磁気回路の渦電流などの影響も考慮しないと正しい計算結果は得られません。

従って、質問者が行ったV=I×Rとう式ではそれらの要素がまったく考慮されていないので、単純な抵抗のみ回路でしか成り立ちません。

tadys · Answer

No.1です。
オームの法則は直流回路についてのものですが、交流回路に拡張したオームの法則はRLCを含めて成り立ちます。
交流回路では電圧、電流は複素数で表され、抵抗RはインピーダンスZで表されます。
Zも複素数になり、式は V=I×Z となります。

オームの法則が成り立つ回路を「線形回路」と言います。
ダイオードは電圧と電流の関係が比例関係（直線）になりません。
このような回路は「非線形回路」と言います。

現実の世界ではオームの法則が完全に成り立つものは少ないのです。
例えば、手元に4.8Ｖ／0.5Ａの電球が有ります。
オームの法則で抵抗値を計算すると9.6Ωですが、テスターで測ると0.9Ωです。
これは電球のフィラメントの抵抗値がその温度で変化するからです。

komaas88 · Answer

NO.6 です。

＞モーターはRLC回路なのでオームの法則は成り立ちませんよ。

と言っています。それについてはどう思いますか？

そのとおりです。ただ、それは

モーターの回路が巻き線（L：コイル）と、一部はコンデンサ（C）で構成されているということを意味しているということを理解する必要があります。そして直流を停まっているモーターの巻き線に流す場合は最初は抵抗（R）だけを考えればいいということです。

ですから、モーターが回らないときは、巻き線はV=IXR　オームの法則による抵抗を考えるだけでいいです。

回り始めると、モーターのローターの巻き線は固定子の磁石の磁力線を切ること、そしてブラシからの電気が切り替わることで逆起電力（コイルの巻き線に逆方向の電流が発生する）が起き、これが抵抗と同じ役目をするようになるのです。回転数があがるほどこれが大きくなって電流が下がりトルク（回転力）が下がり、無負荷ならやがて一定の回転で安定してまわるようになります。これに負荷を与えて重くし、回転が下がると、逆起電力が小さくなって結果的に電流が増えます。このためにトルクが大きくなり負荷とつりあってそこで再び回転数が安定するということです。

簡単に言えばそういうことになります。コンデンサのことはご質問とは無関係です。

ご参考になれば。

oi7ka4wa5 · Answer

NO3のサイトの交流回路でもオームの法則は成り立つというのは、回路が抵抗回路の場合に交流でもオームの法則が成り立つと言ってるのであり、モーターはRLC回路なのでオームの法則は成り立ちませんよ。

komaas88 · Answer

こういうふうに考えられてはどうでしょうか。
＞V=I×R の考え方

は、モーターが停止しているときのモーターの巻き線に適用できます。
モーターの巻き線は太く、たいした抵抗値ではないので、大きな電流が流れて、そのままでは焼き切れてしまいます。
もちろんおおきな電流が流れるので、凄い磁力が発生して界磁間に大トルクが起こり、回転が始まります。回り始めるとコイルには別の抵抗が回転数に比例して発生して大きくなり、電流が低くなってトルクもさがってきます。
無負荷のままでもどんどん回転があがって回転子の機械的な抵抗とつりあう時点で飽和して安定し、回り続けます。
そこに負荷をかけてやれば、回転が落ち、巻き線抵抗も小さくなって電流が増え、またトルクが増えて、バランスが取れた時点で安定するということになります。

交流モーターも基本的に同様です。交流の周波数に応じた一番巻き線抵抗の高い回転数で安定して回り、負荷を与えれば回転数が下がって抵抗が減り、電流が増えてつりあうということです。

モーターは巻き線が回ることで磁束を発生し、また巻き線を磁束が切って、それ自身の線抵抗（低い）以外に別の抵抗（逆起電力ともいう）が発生するのです。

ご参考になれば。

misawajp · Answer

＃３です　他の回答にも補足されたらいかがですか　？
それとも回答が理解できないのでしょうか

補足に示されたことが理解できれば、各回答（万全では有りませんが）理解できるはずです

最初に指摘したように、中途半端な知識による思い込みが理解の邪魔をしているのです

インダクタンスが判っていないことが如実に示されています、そこを補習してください

xpopo · Answer

今日は、
　モータにはいろんな種類がありますが、一番説明が簡単なのはDCモータなのでDCモータの場合で説明します。皆さんの回答にあるように逆起電力が関係しています。

まず、モータに印加されている電圧をVm、回転数をNm、電機子の抵抗をRa、電機子に流れる電流をIa（永久磁石界磁の場合、Iaはモータの電流となる）、モータの逆起電力定数をKe（Keはモータ固有の定数で一定）とすると、モータ電圧Vmは

Vm　＝　Nm*Ke　+　Ia*Ra　　　　(1)

で表されます。式(1)の右辺の第一項はモータに発生している逆起電力Eaです。Eaは回転数に比例します。
ここで、モータの発生トルクTmはモータのトルク定数をKtとすると、

Tm　＝　Ia*Kt　　　(2)

で表されます。ここでモータの負荷トルクをTL、モータの回転摩擦係数をｆmとすると、

Tm　＝　TL　＋　fm*Nm　　（３）

が成り立ちます。式（３）を変形して、

Nm　＝　(Tm　－　TL）／fm　　　（４）

この式（４）でモータの負荷TLが大きくなるとモータの回転数Nmが小さくなることがわかります。
回転数Mmが小さくなった結果、式（１）の右辺の第一項（逆起電圧Ea=Nm*Ke）が小さくなります。
式（１）からモータ電流Im（Ia)を求めると、

Im　＝　Ia　=　（Vm　－　Nm*Ke）／Ra　　　(5)

と求まります。この式（５）でNmが小さくなればモータ電流Iｍが大きくなることがわかります。

以上から、

モータの負荷の増大　→　回転数の減少　→　逆起電力の減少　→　モータ電流の増加

となることが理解できるかと思います。

misawajp · Answer

知識不足の上に、枝葉末節にとらわれて本質を見失っています

V=I×R　が　そのままあてはめられるのは直流の定常状態の場合だけです　　これで回答の全てです

中途半端な知識と思い込みが理解を妨げていることに気づいてください

sailor · Answer

逆起電力を考えに入れていないからです。
磁界の中を導体が移動すれば、そこには必ず起電力が生じます。これは外部から電流の供給があってもなくても同じように起こります。モーターの場合はこの起電力は回転数にほぼ比例しますので、無負荷で回転させたときに最も大きくなります。この時実際にモーターのコイルに実際に掛かっている電圧はk外部から供給されている電圧－逆起電力によって生じた電圧になりますので単純に外部から供給される電圧のみを見てV=I×Rの式を解いても意味がありません。モーター自体が発生する電圧をV’とすると
V-V’＝I×Rの式は成り立つはずです。モーターの内部抵抗を単純にRと考えていいのはモーターが止まっているときだけです。

この話はモーターに限らずコイルについては他のものでも同様のことが言えます。例えばあるコイルに交流の電圧を掛けたとします。するとそのコイルに流れる電流はテスターなどで測った直流抵抗値で計算した値より小さな値になるはずです。これはなぜでしょうか？

コイルに交流を掛けると周期的にコイルに発生する磁界が変化しますが、この時コイルは磁界の変化を妨げる方向に電流を流そうとする働きがあるからです。電磁石に乾電池をつなぎ電流を流すと直流抵抗に見合った分の電流が流れて磁石になりますが、電池からの電流を切った瞬間に電池から供給されていたのは逆方向の電流が発生（磁界の変化があれば、増加減少にかかわらず発生します）します。これは電磁石が持っていた磁力が電磁石のコイルによって電流に変換されたからおきる現象ですが、同じようなことがモーターの内部では常に起こっているのです。そしてこれによって発生する電力は回転数が高い（磁界の中を導体の移動する速度が高い
）ほど大きくなるので、モーターに負荷が掛かっていない状態で最大になり、従って消費する電力は最低になります。一方、モーターの回転が外力によって完全にとめられた状態ではこの起電力は働かないためモーターのコイルは単純な抵抗とみなすことが出来ます。

以前に寄せた回答で、モーターは発電しながら回っていると書きましたが、理解できましたでしょうか？

tadys · Answer

モーターの構造は発電機と同じになっているので回転していると電圧を発生します。
通常、この動作を逆起電力の発生と呼びます。

逆起電力は外部の電圧に逆らう方向に働きます。
逆起電力をVrで表すとモータの電流は （V - Vr）=  I×R  となります。
負荷が増大すると Vrが減少するのでモータの電流は増大します。
無負荷運転ではVrがVに近い値になるので電流は少ないです。

モーター負荷が増大すると電流値が増大するのは？

オームの法則についてですが、交流回路でコイルやコンデンサーを含む回路の場合、単純に抵抗として考えたのでは成り立ちません。

No.1です。

NO.6 です。

NO3のサイトの交流回路でもオームの法則は成り立つというのは、回路が抵抗回路の場合に交流でもオームの法則が成り立つと言ってるのであり、モーターはRLC回路なのでオームの法則は成り立ちませんよ。

この回答への補足

こういうふうに考えられてはどうでしょうか。

＃３です 他の回答にも補足されたらいかがですか ？

今日は、

知識不足の上に、枝葉末節にとらわれて本質を見失っています

逆起電力を考えに入れていないからです。

モーターの構造は発電機と同じになっているので回転していると電圧を発生します。

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＃３です　他の回答にも補足されたらいかがですか　？