モータの運転特性とDCモータの制御装置の製作
モータは電気エネルギーを運動エネルギーに変換でき、その性質を利用して様々な用途で使われている。
特に、使用電力が大きいモータの損失を減らし、エネルギー変換効率を向上させることは重要である。
テストベンチ

静岡県立科学技術高等学校2年
佐藤天馬
指導メンター 静岡大学工学部電気電子工学科教授 野口敏彦(季彦)本研究の目的
１ DCモータの角速度と誘導起電力の関係、入力電流とトルクの関係、トルク電圧計 測定器

測定用ＤＣ
モータ

入力電流と角速度について調べる
２ チョッパ回路(DCモータの制御装置)を製作する
３ ACモータを組み込んだテスト
ベンチを製作する

４ ACモータにかける交流電源の周波数と角速度の関係、角速度と誘導起電力の関係、誘導電流とトルクの関係を調べる

回転数計
負荷ＤＣ 外部発電機
抵抗器

１(１)測定用DCモータの角速度ωと負荷DC発電機で発生した電圧V1の関係を調べる実験
入力電圧V0を制御し、測定用DCモータの角速度ωと負荷DC発電機で発生する誘導起電力V1との関係を調べる。

dt

電圧0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24
角速度 0 20.9 41.9 62.8 83.5 105 126 156 168 188 209 231 251
誘導起電力 0 1.59 3.05 4.72 6.03 8.08 9.57 11.2 12.5 14.2 16.4 17.2 19

測定用DCモータ

I1

I0rr

V2 R

V0V1

ω

V1

25

20
誘導起電力V１(V) Wb   BT  S m 2  cos dV V    N
  NBS   N
1

負荷DC発電機150.075

10500

100
200
角速度ω(rad/s)

300

１(2)測定用DCモータに流れる電流Ⅰ0の大きさと発生するトルクの大きさTの関係を調べる実験
負荷DC発電機

入力電圧V0の大きさを24Vとして負荷DC発電機につなぐ外部抵抗器Rの大きさを変えたときの、入力電流Ⅰ0とトルクTの関係を調べる。
0.7

電圧 24v
抵抗 ∞Ω 20Ω 16Ω 12Ω 10Ω 8Ω 4Ω 8/3Ω2Ω 1.6Ω
電流 0 2.27 2.52 2.9 3.2 3.63 5.44 6.91 8 8.89
トルク 0 0.13 0.15 0.18 0.2 0.24 0.37 0.48 0.56 0.62

I1

I0rr

V2 R

V0V1

ω

V1

0.60.5

トルクTaT N  m  F N  m 2  b2
 I 0 A BS  I 0 N

測定用DCモータ

0.4

0.075

0.30.20.100246

入力電流Ⅰ0810

１(３) 測定用DCモータに流れる電流Ⅰ0の大きさと角速度ωの関係を調べる実験
負荷DC発電機測定用DCモータ
I0I1
入力電圧V0を一定にし、負荷DC発r電機につなぐ外部抵抗器Rの大きさをV2 R変えたときの、入力電流Ⅰ0の大きさ

V0V1と角速度ωについて調べる。

電圧 4v
抵抗 ０Ω 1.6Ω 2Ω 8/3Ω 4Ω 8Ω 10Ω 12Ω 16Ω 20Ω
電流 3.16 1.65 1.51 1.34 1.19 0.97 0.93 0.9 0.82 0.8
回転数 209 317 315 324 346 351 358 354 365 362
角速度 21.9 33.2 33 33.9 36.2 36.7 37.5 37.1 38.2 37.9
V21.62 1.78 1.83 2.07 2.38 2.48 2.54 2.48 2.62

ω

V1350
30024V

角速度ω(rad/s)

V0  rI0＋NV0  rI 0V0rI0 NN
Nr

250
20V
20016V

15012V
8V

1004V

5000246入力電流Ⅰ0(A)810

２ チョッパ回路(ＤＣモータの制御装置)とは
ＤＣモータの角速度は入力電圧の大きさによって制御することが可能であるので、入力電圧の平均値を変えることができるチョッパ回路を製作した。
チョッパ回路とは、トラン24V

ジスタを用いて電圧のかかる時間とかからない時間をつくり、その割合によって、平均電圧の大きさを変えることの0Vできる回路である。

平均電圧 Ton Toff

Tons
 24VTons  Toff s２ チョッパ回路(ＤＣモータの制御装置)の製作
制御回路
コンパレータ

主回路とドライブ回路
トランジスタ

可変抵抗

OPアンプ

フォトカプラ

可変抵抗

主回路

C4

ドライブ回路D

制御回路
三角波発振回路R1R3R2R5R13C2C3R4R10R7VR1R9R8VR2SGR6C1ダイオード

R11R12R14ＡＣモータの運転特性を調べる実験
電圧計・電流計

実験の目的
・ACモータにかける
交流電源の周波数と角速度の関係、角速度と誘導起電力の関係、誘導電流とトルクの関係をそれぞれ調べる

負荷ＤＣ発電機

測定用ＡＣモータ 外部抵抗器
インバータ
交流電源の周波数を変えることが出来る。

３ACモータを組み込んだテストベンチの設計・製作実験を行うために、CADソフト「Solidworks」を用いてモータのテストベンチを設計し、完成した部品を組み立てた。テス
トベンチの片側に400W級のDCモータを取り付け、もう片方にACモータを取り付けた。
負荷DC発電機測定用ACモータ

I1

I0rr

V2 R

V0V1

ω

V1

負荷ＤＣ発電機測定用
ＡＣモータ

４(1)交流電源の周波数ｆと測定用ACモータの角速度ωの関係を調べる実験
n rps 磁極の数f Hz   22n f 
磁極の数2f  2 
磁極の数インバータを使用して交流電源の周波数ｆを変化させたときの、周波数ｆと測定用ACモータの角速度ωとの関係を調べた。
180ｎ:1秒あたりのモータの回転数 160
負荷DC発電機140

測定用ACモータ

I0rr

V2 R120
角速度ω

I11008060V0V1ω

V14020002040
周波数ｆ60４(２)測定用ACモータの角速度ωと負荷DC発電機で発生した電圧V1の関係を調べる実験

V1  N

インバータを使用して交流電源の周波数ｆを変化させたときの、測定用ACモータの角速度ωと負荷DC発電機で発生す負荷DC発電機

測定用ACモータ

I1I0rrV2 R200

誘導起電力V1る電圧V1の関係を調べた。

250

150
0.87

10050V0V1ω

V100100

角速度ω

200４(３) 負荷DC発電機に流れる誘導電流Ⅰ1の大きさと測定用ACモータのトルクTの大きさの関係を調べる実験

T  I1 N

交流電源の周波数ｆを変化させたときの、誘導電流Ⅰ1の大きさと測定用

32.5ACモータのトルクTの関係を調べた。
測定用ACモータ

I1I0

トルクT

負荷DC発電機

21.5
10.87rr

V2 R

0.5V0V1

ω

V1

000.5

1
誘導電流Ⅰ01.52参考文献
• CQ出版

小型DCモータの基礎・応用• CQ出版

電子回路の工作テクニック• CQ出版

OPアンプの歴史と回路技術の基礎知識

謝辞
本研究をご指導いただいた静岡大学工学部電気電子工学科野口先生ありがとうございました。
また、このような研究及び発表の機会を提供していただ
いた日本科学協会の関係者の皆様、本当にありがとうございました。