Introduction 未来の生活のキー・デバイス「モータ」

Introduction 社会ではたらく回路技術！

未来の生活の
キー・デバイス 「モータ」
宮村 智也 Tomoya Miyamura
そもそも「モータ」とは● マジメな定義はモータ＝電動じゃない
モータという言葉から，何を思い浮かべるでしょうか？多くの読者は，電力から機械的な動力を生み出す
電気モータを思い浮かべるのではないでしょうか．
モータは英単語 Motor の日本語表記といえます．改
めて Motor を英和辞典で調べてみると，「（自動車などの）（特に電動の）モータ，発動機，原動機，（英やや古/略式）自動車」とあります．
どうやら Motor というのは，電気モータだけを指す
言葉ではなさそうです．Motor を何らかのエネルギー源から機械的な動力を生み出す装置一般を指す言葉と捉えると，Motor は「原動機」と訳すのがよりしっく
りくる，というのが筆者の感想です．

本稿では，電気エネルギーから機械的な動力を生む
モータのことをあえて教科書風に「電動機」と呼んでみることにします．
● そもそもの意味「原動機」って何？
「原動機」という言葉を国語辞典で調べてみると，「自然界に存在するエネルギーを，機械的エネルギーに変換する機器の総称」とあります．電力が自然界に存在するエネルギーだといえるのかと言われると，さまざ
ま意見があるかもしれませんが，雷
（＝電気）
も自然界
に存在するエネルギーと思えば，電動機も原動機の 1
つだといえるでしょう．
原動機の種類は実に多く存在します．主な原動機の一覧を表 1 に示します．
18 世紀半ばから始まった産業革命以前からある原動機として代表的なものに，風車と水車があります．

見本
図1

Motor
（原動機）
のおかげで生活はより便利で豊かになった

5005-01001印

Introduction1̲4C.indd 5

2023/12/18 10:16

Introduction
表1

モータ本来の意味「原動機」は幅広い

主な原動機を列挙してまとめた

大分類

小分類

種類

説

他励電動機
分巻電動機

直流電動機

直巻電動機
複巻電動機

直流電源に接続するだけで回転する電動機．回転子に巻かれた巻線に流れる電流の方向を，整流子とブラシで機械的に切り替えることで回転する．トルクの素となる界磁束をどう発生させるかで各種あり，それぞれ特性も異なる．小型の直流機は界磁に永久磁石を用いており，家庭用品で広く採用されている

誘導電動機

固定子に設けた巻線に交流を加え，回転子に設けた巻線（または導体）に電磁誘導作用でエネルギーを伝えて回転する電動機．電動機としては最も構造を簡単にできるため，一
般産業用から家庭用まで，あらゆるところで用いられている

同期電動機

回転子に電磁石または永久磁石を配置し，これに三相交流で発生させた回転磁界を作用させることで回転する電動機．高性能磁石の実用化とマイコン，パワエレ技術の発展により近年さまざまな分野で採用されるようになってきた．ブラシレス DC モータも構造
は同期電動機そのもの

レシプロ・エンジン

容積型の内燃機関で，燃焼室に導入した燃料ガスを燃焼させ，燃焼ガスの膨張圧力でピストンを往復（reciprocating）させる．ピストンの往復運動はクランク機構で回転運動に変換する．自動車，船舶の原動機として広く採用されている

電動機
交流電動機

内燃機関

明

ロータリ・エンジン 容積型の内燃機関で，回転機構による容積変化を利用して燃焼ガス圧力を回転運動に変（バンケル・エンジン） 換する
ガス・タービン

速度型の内燃機関で，圧縮機で圧縮した空気に燃料を噴射し燃焼させることで高温高圧のガスを発生させ，このガスでタービンを回転させて動力を得る．ヘリコプタや発電用の原動機として採用例が多い

蒸気エンジン

容積型の外燃機関で，ボイラで発生させた高圧の水蒸気をシリンダに導き，水蒸気の圧力でピストンを往復させる．代表的な採用例に蒸気機関車がある

蒸気タービン

速度型の外燃機関で，高温高圧の水蒸気をノズルまたは固定羽根を通して噴出・膨張，あるいは方向変化させて高速の蒸気流をつくり，これを軸に取り付けた羽根に噴き付けて軸を回転させることで動力を得る．各種汽力発電用の原動機として採用されている

スターリング・エンジン

容積型の外燃機関で，シリンダ内のガスを外部から加熱・冷却し，シリンダ内のガス体積を変化させることで動力を得る

熱機関

外燃機関

風車

風力を利用して羽根車を回し，動力を得る．近年，再生可能エネルギー利用として発電用に盛んに用いられている．一部の地方では揚水，脱穀，製粉などの動力源としても利用されている水車

運動・圧力・位置エネルギーなどの形で水がもっているエネルギーを，羽根車の回転により動力に変換する．人類が開発した最も古い原動機とされる．現代では水力発電用原動機として広く用いられている

空圧モータ

圧縮空気の力で回転する原動機．火花が発生する心配がないので，可燃性ガスや粉塵爆
発雰囲気の場所や高温，高湿でも使用することができる．各種の工具，鉱山の坑内機械などの動力源として広く使われている

油圧モータ

油圧ポンプなどから得た圧力の高い油を得て回転する原動機．電動機より出力密度の高い原動機を得やすい．工作機械，建設機械，土木機械，特装車，農業機械，漁業機械など，さまざまな場所で使われている

流体機械

産業革命は蒸気機関の実用化によって進展したわけですが，蒸気機関やその後登場した各種の内燃機関も原
動機の仲間です．
原動機は，人類の社会生活をより便利に，より豊かにする文字どおり「原動力」として機能し，発展してきたことはだれの目にも明らかでしょう（図 1）．

に採用されてきたのかについて，事例をいくつか紹介
します．

見本

なぜモータ＝電動機になったか● 一番身近でたくさん使われているから
なぜ「モータ＝電動機」というイメージをもつようになったのでしょうか．それは，われわれの生活で一番身近で「一番たくさん使われている原動機が電動機である」から，だと筆者は考えます．
ここでは各時代ごとに電動機がどのような電気機器

01印● 近年…白物も黒物も家電は電動機入り
その後，さまざまな種類の家電製品が続々と発売されましたが，家庭生活の省力化や自動化を目的とする

No.1656005-010● 昔…家事の自動化「三種の神器」に電動機
戦後の日本社会で「三種の神器」と呼ばれ，今ではどの家庭にもある家電製品に，冷蔵庫，洗濯機，テレ
ビがあります．このうち，冷蔵庫には冷凍機の駆動用に，縦型洗濯機には洗濯槽に水流を発生させるパルセータ（洗濯槽の底にある回転翼）の駆動用に，それぞれ電動機を使っています．冷凍機の模式図を図 2 に，洗濯機の構造例を図 3 に示します．

Introduction1̲4C.indd 6

2023/12/18 10:16

Introduction 未来の生活のキー・デバイス「モータ」
キャピラリ・チューブを出た冷媒はエバポレータ内で膨張・気化し，エバポレー
タ表面の熱を奪う
冷凍室

気化ガス

エバポレータ

高温高圧
ガス
常温低圧
ガス
図2

放熱

吸熱

キャピラリ・
チューブ
流路を0.7〜2mm程度に
絞る銅管

ピス
トン

洗濯槽
コンデンサ

吸熱

コンプレッサで圧縮された冷媒は発熱する．コンデンサでこの熱を大気中に放熱すると，冷媒は気体から液体になる

パルセータ

コンプレッサ（気化した冷媒を圧縮する）
電動機（コンプレッサを駆動する）

電動機

冷蔵庫やエアコンで使用される冷凍機の模式図（1）

熱輸送に用いるガス（冷媒という）を圧縮するコンプレッサに電動機を用いるものが家庭用では多く使用されている．ビル空調用などの大型エアコンでは，コンプレッサの駆動に都市ガスを燃料とした内燃機関を用いるものもあるプーリ

ここにモータ

ベルト
図3

減速機

縦型洗濯機の構造例（2）

洗濯槽内に水流を発生させるパルセータを駆動するための動力源に交流電動機が使われている

ここにモータ図4

クラウド経由でカーテンを開閉する装置（3）スマートフォンやスマート・スピーカからクラウド経由でカーテンを開閉できる．また，スケジュールを設定することで，決まった時間に自動的にカーテンを開閉することもできる家電製品には，ほぼ電動機が内蔵されています．
今でこそ音響機器は音声記録媒体に半導体メモリやクラウド・ストレージを使用するのがあたりまえとな
りましたが，磁気テープや各種の円盤（アナログ・レ
コードや CD など）が音声記録媒体として主流だった時代には，テープ走行やディスク回転用に数多くの電動機が使用されていました．

見本● 現代…IoT 機器等のリモート操作に電動機
最近は，スマート・ホーム用の機器として，カーテンを自動的に開閉する装置（図 4）や既存の玄関錠にとりつけて施錠を遠隔操作できるようにするスマート・ロック（図 5），人の手で操作する既存の各種スイッチ
やボタンをクラウド経由で操作するための機器（図 6）

図5

玄関錠の開閉をスマート化するスマート・ロックの例（4）既存の玄関錠にとりつけて使用する．スマートフォンと連携させて錠に近づくだけで開錠させる，遠隔で開錠/施錠の確認ができる，既存の玄関錠をオート・ロック化するなどの機能があるが発売されるようになりました．このような IoT 機器にも電動機が内蔵されたものが増えています．

これからもモータ＝電動機な理由「使用する電動機の数は文化生活水準のバロメータである」などと何かで読んだことがあります．
現状，人手に頼っていることを省力化・自動化しようと思ったら，身の回りを見ただけでも「原動機の第7005-01001印

Introduction1̲4C.indd 7

2023/12/18 10:16

Appendix 1 本書で紹介するモータ

第1部

フルカラー保存版 モータ大図鑑

大図鑑

Appendix 1

本書で紹介するモータ

電気目線

見城 尚志 Takashi Kenjo

動作モード

●

モータの等価電気回路

●

体格と形状

●

モータを逆回転させる方法

直流（DC）モータ
ブラシ付きモータ（第1章）
電磁石方式
永久磁石方式
ブラシレスDCモータ（第2章）
交流（AC）モータ（第3章）
誘導モータ
かご形誘導モータ
渦電流モータ
巻き線型誘導モータ
同期モータ
ヒステリシス・モータ
リラクタンス・モータ
スイッチト・リラクタンス（SR）モータ
巻き線界磁式同期（EES）モータ
ステッピング・モータ（第4章）
VR型（可変リラクタンス型）
PM型（永久磁石型）
HB型（ハイブリッド型）

主に
位置決め用

本書で扱うモータの分類

見本

位置を制御する

エンドプレート ステータ 位置センサ・ユニット
（固定子）

理論・物理

超音波モータ（第5章）
図2

永久磁石レス

●

モータ

駆動回路

一定速度の回転を必要とする場所に使われるモータ
は，かつては交流電源 AC100 V などの 50 Hz/60 Hz を基準に動くものでしたが，現在では「ブラシレス DC
モータ」と呼ばれる直流電源で駆動するモータが主流になっています．図 1 は産業用ロボットなどで位置決め制御に応用されている例です．
本特集では，AC か DC かといった電源の違いや，速度制御なのか位置制御なのかといった違いのことを考えて，図 2 のようにモータを分類します．制御にそぐわないモータなど，この図に載っていない種類のモータもあります．また，通常の分類では超音波モータ
は特別扱いするかもしれません．これは巻き線を使わないモータであり，電磁力ではなく摩擦力を使うモータだからです．
第 1 部は，図 2 の分類に従って進めます．加えて第2 部では，モータ全般に関することや，視点を変えた論点として，以下の項目についても解説します．

移動対象

回転が直線移動に変わる

図1

ボールねじのシャフト

ベアリング

ギヤ＆歯車

サポータ

ロータ
（回転子）

位置決め制御に応用されるモータの例

製造工場の自動化（factory automation，FA）に使われる単軸アクチュエータの一例．移動対象をリード・スクリュ（送りねじ）で駆動して所定の位置に止める．ボールねじを回転させるために，モータの回転部分（回転子，ロータ）とスクリュを直結している．ロータは円筒状の永久磁石で，ロータを包みこむようなステータ（固定子）をエンドプレートにねじ止めする．エンドプレートには軸受け（ベアリング）
がある

13

013

02印

第1部App1̲4C.indd 13

2023/12/16 11:58

第1章

ブラシ付き DC モータ図鑑
DC モータの動作原理 見城 尚志

Takashi Kenjo

一番身近なモータは，電池で動く玩具などに使われている写真 1 のようなモータでしょう．直流モータあるいは DC モータと呼ばれるモータです．DC はdirect current（直流）の省略語です．ブラシレス DC
モータと区別するためブラシ付き DC モータとも呼ばれます．このモータを例に動作原理を説明します．
● 多くのモータは磁石どうしの間や，磁石と鉄の間に働く力を使っている
図 1 のように，2 枚の永久磁石を左右の手に持って近づけていくと，力の作用を体験できます．互いに引き付ける配置［図 1（a）］と反発しあう配置［図 1（b）］があります．このように，磁気は力学的な力を発生します．これをうまく使うのがモータです．
一方が鉄片のときには，図 2 のように永久磁石の向きにかかわらず引力になります．
● モータに使われている磁石は力の有無や向きを切り替えられる電磁石
図 3 のように，銅線などを巻いたもの（巻き線，コイル）に電流を流すと，磁気が発生します．これを電磁石と呼びます．

N

S

N

N

N

S

図1

14

（1）電磁石は永久磁石のかわりに使える（2）図 1 において，2 個の永久磁石のうちの 1 個を電磁石に置き換えると，電流の向きによって引力になる場合と斥力になる場合を切り替えられる（3）図 2 の永久磁石を電磁石に置き換えると，巻き線と鉄片の組み合わせで引力を発生できる

S

N

（a）引力

玩具用ブラシ付き DC モータ

見本
S

S

写真 1

N

引力

S

鉄片

せき

（b）斥力

2 つの永久磁石の間に働く力

図2

No.165永久磁石と鉄片の間に働く力

鉄片
N

電流

コイル
S
図3

電磁石

第1章 ブラシ付きDCモータ図鑑
プランジャ（Plunger），鉄でできている

ベース（Base）大図鑑

巻き線（Winding）

ばね
写真 2 電磁石と鉄片を組み合わせて往復の動きを作る部品…ソレノイド▶連続動作のメカニズム
図 6 に，連続運転のようすを示します．永久磁石と電磁石の組み合わせを使って力を発生させ，電流を切り替えて回転を連続させます．永久磁石と電磁石をう
まく組み合わせて使うと，引力と斥力を制御してモータになるわけです．
ブラシ付き DC モータは，電源電圧の極性を逆にすることで回転方向を切り替えられます．

整流子

いる整流子を経由して，C 点に＋，B 点に－が供給され，巻き線に電流が流れます．

永久磁石レスライザ（巻き線の始点，終点）

駆動回路● 回転が連続するように電磁石を切り替える仕組みをもたせることでモータになる
モータの原理で大事なことは，連続運転（回転が続くこと）が可能なメカニズムの創出です．
写真 1 に示した玩具用 DC モータに使われている回転運動を実現するしくみを図 5 に示します．
▶回転のしくみモータの中には図 5（a）のような回転子（ロータ）があります．この回転子には，図 5（b）のような巻き線
が 3 つあります．モータに収めたときの断面図が図 5（c）で，このときは図 5（d）のような接続になっていま
す．電源 V s はブラシに接続され，ブラシと接触して

図 4 巻き線に電流を流すと鉄片が引き込まれるのがソレノイド
の動作原理

電気目線

▶電磁石の ON/OFF を使う例…ソレノイド
写真 2 のソレノイドは，巻き線と鉄片の組み合わせで，図 4 に示すような仕掛けになっています．電流のON/OFF により往復運動が可能です．しかし，このメカニズムでは，持続的な回転運動はできません．

スイッチ

ライザは整流子の片端からとび出ている
電機子鉄心の歯（a）回転する部分（ロータ）ライザ
赤コイルの終わりが青コイルの始めに接続

見本
永久磁石

C

U

電流

B

理論・物理

鉄心のスロット（溝）ハウジング（ヨーク）

ギヤ＆歯車

ブラシ（刷子）

ブラシはハウジング側に固定されている

W

V

整流子

巻き始め

巻き終わり

（b）コイルの巻き線
図5VS（c）巻き線と整流子，ブラシの接続関係

A（d）シンプル化したロータ

玩具用ブラシ付き DC モータの構造

15

2

第 部

第2部

第6章

電気目線！ 回路のためのモータ基礎知識

電気目線！ 回路のためのモータ基礎知識

プロにはこう見えている…電動機/発電機/制動機/回生発電制御の理解に必須！
モータの動作モード

見城 尚志 Takashi Kenjo
モータは電動機として作動したり，発電機として作動したりします．これらを動作モードと呼びます（電動機モード，発電機モード）．
プロフェショナルなレベルでモータを使いこなすためには，電磁モータの 4 つの動作モードを理解する必要があります．モータを駆動し制御する電気回路と電子回路の設計に携わるときにも，大事な知識です．

メータであるK （逆起電力係数）が計測できます．
E

モータの 4 つの動作モード
写真 1 の結合で，A の端子に電圧がかかって回っているとき，●

A と C は電動機として作動し（＝運転され）ている

B は発電機として作動し（＝運転され）ていると言えます．
「①電動機モード」と「②発電機モード」です．
実は，これ以外に 2 つの運転モードがあるのです．
「③制動機モード」と「④回生発電モード（回生制動モード）」です．発電機モードを除く 3 つのモードは，模型でも本物でもモータが自動車を動かしている状態で語るのが適切です（図 1）．
●● 3 つのモータを接続するだけ
写真 1 は，動作モード確認用の実験装置です．ミニ四駆によく使われる模型用の 3 個の DC モータ（A，B，C）を，機械的および電気的に接続しています．
DC 電源からは 2 本のリード線が出ています．絶縁被覆を取り除いた先端を端子と呼ぶことにします．A
の端子に乾電池で電圧を印加すると，モータとして回ります．A と B は機械的にシャフトで結合しています．
つまり，B は A によって回されて発電機として動作します．B と C は電気的に結合されています．つまり，B によって発電された電力で C はモータとして回転します．
● 無負荷運転とはどんなことかA と B の機械的結合を解除した状態が，A にとっては無負荷状態です．つまり空回りです．
B と C の電気的な結合を解除した状態が，B にとっての無負荷状態です．無負荷運転から最も重要なパラ
電池あるいは電源電圧を印加してモータ
として駆動

A

B

この結線を
解くと B は C
無負荷状態
になる

3 個のマシン（電動機）をモータ，発電機，モータとして接続

Ia
Ra

V

Ia

M

起動トルク

Ra

V

E ＝K Eω

ω＞ω0M

E ＝K Eω

無負荷速度
ω0

ω＜0

0

制動機モードモータが逆転を受ける状態

電動機モード
順方向回転

Ia

Ra

V

回転速度ω

M

回生制動モード
モータが外力によって無負荷速度ω0より速く駆動される．EVが坂を下る
場合にこのモード
E ＝K Eω になる可能性がある

0＜ω＜ω0図 1 モータは負荷によって回り方（回転速度）が異なり 3 つの動作モードに分けられる（一定電圧での 3 つの動作モード）．これに発電機としての動作を合わせて 4 モード

No.1655003印

DC モータの 2 個の端子に電池を接続するとロータが回ります．この状態は無負荷運転
（空回り）
です．モ

見本

発電機として駆動

写真 1 同じモータが回転したりブレーキになったり発電機になったり…
「動作モード」を簡単な実験で確かめられる

050-052● 特に重要！ 仕事をしているときの 3 つのモード

トルク

動作モード実験装置を作ってみた

第2部6章.indd 50

2023/12/18 14:18

第6章
第6章
制御の理解に必須制御の理解に必須！ ！モータの動作モード
出力
効率

V1

大図鑑

電流

V2

重力に打ち勝って
電動機動作
トルク

印加電圧を下げると重力負荷に負けて制
動機モードになる（a）2つのモード
トルク（a）横軸を速度にとって電流，トルク，出力（動力）および効率を計算した特性グラフ

電動機P1

V1
制動機P2

出力

V2

効率
電流

電気目線

速度

CCW

0

電動P3

CW
回生制動P4N

速度

トルクの重要な特徴です．この 3 モードと，先に述べた②発電機モードを入れて 4 モードとします．

下がりの直線であることが永久磁石を使う DC モータ● 誘導モータと同期モータの場合
図 4 はかご形誘導モータに，この 3 モードの考え方

見本，横軸ものです．T −N 特性とは，縦軸をトルク（T ）を速度（N ）として描くグラフです．T −N 特性が右肩

ギヤ＆歯車● DC モータの場合
どのモードであれ，永久磁石を使う DC モータが回っていれば必ず発電作用をしています．これが DC モ
ータの大きな利点です．この発電は回生発電と呼ばれ，発電機の動作とは少し異なります．発電作用をしていることと発電機であることは同じではありません．
モータが電動機（motoring machine）として使われるのは，回転速度とトルクがどちらも正の領域です．
この速度領域で，トルクのほかに電流，入力，出力，そして効率を表す特性が図 2（a）です．業界によっては横軸をトルクにして，そのほかの量を縦軸として表します図 2（b）．これらの特性図は印加電圧を一定にしています．
DC モータをある速度で運転しているときに，電圧を変えると運転モードがどのようになるのかを示すのが図 3 です．小型 DC モータは，通常（0 から無負荷速度まで）の電動機モードで使用されるのですが，ときにはこのように動作点が回生発電モードに入ろうとすることがあります．
しかし，これは原則であって，実際にはさまざまな状況で，どのような現象がモータの運転中に起きるかを基本に立ちかえって考える必要があります．

理論・物理ータとしての仕事をしていません．
次に，モータのシャフトを指で回すと 2 つの端子間に電圧が発生します．その電圧を別のモータを使って計測して，回転速度との関係を調べることがあります．
これは発電機としての無負荷運転です．
そして，モータとして運転してシャフトの回転で仕事をする場合を考えます．モータのシャフトに取り付けたものを負荷（load）と呼びます．負荷の状況によって回り方が異なり，次の 3 つのモードに分けられます．
▶①電動機モード（motoring mode）
速度が 0 から無負荷速度までの範囲▶③制動機モード（brake mode）
負荷がモータとは反対方向に回ろうとする作用が強く，モータが負けている状態．モータは外力に対するブレーキとして作用しているとも解釈できます．
▶④回生発電モード（regenerative brake mode）
負荷がモータよりも速く回転しようとして，無負荷速度以上で回っている状態．このように，速度が正でトルクが負の領域は発電機として機能します．
このとき，電流は逆流します．
図 1 は，この 3 モードを T −N 特性として説明する

図2

永久磁石レスDC モータのT −N 特性（a）とN −T 特性（b）

駆動電圧と逆に電流が流れる
回生発電モードに注意（b）横軸をトルクにとって速度，電流，出力（動力）および効率を計算した特性グラフ

駆動回路（b）動作点の移動
図 3 電圧を下げることによって電動機モードから制動機モードに入る場合と回生制動モードに入る場合

51

050-052

03印

第2部6章.indd 51

2023/12/18 14:18

3

第 部

第3部

第9章

モータ駆動回路入門

モータ駆動回路入門

登龍門！ 知れば知るほど奥深い

モータ駆動の基礎知識
見城 尚志 Takashi Kenjo
モータの駆動（運転）や制御を論じる手始めとして，
DC モータの ON/OFF，反転（逆転ともいう）から説明を始めます．
DC モータの駆動回路にはアナログ方式とディジタル方式があります．ここでいうディジタルとは，
1（ON）と 0（OFF）の 繰 り 返 し に よ る 時 間 の 制
御・調整を指します．今日の主流はディジタル方式
です．

DC モータの駆動● 最も簡単なアナログ方式…エミッタ・フォロワ回路
アナログ方式の DC モータ駆動で最も簡単なのが，
図 1 に示す，エミッタ・フォロワとして知られる回路です．これはモータを 1 方向にだけ回す場合の原理的な基本回路です．接合型トランジスタ（別名バイポーラ型）
を使います．
● ディジタル方式の主流…PWM 制御
図 2 に示すのが，今日のディジタル方式の主流であるパルス幅変調（Pulse Width Modulation，PWM）制御の原理です．図 2（a）に示すように IGBT
（Insulated
Gate Bipolar Transistor），あるいは MOSFET（MetalOxide Semiconductor Field Effect Transistor）にスイッチング信号（ディジタル信号）を入力することで DC
モータを制御します．
スイッチング信号が ON のときは，モータのコイルに電流が流れて DC モータが回ります［図 2（b）］．一方，
OFF のときはモータの端子間に接続したダイオードに電流が流れます［図 2（c）］．この電流はモータの巻き線のインダクタンスにより発生した循環電流になります．スイッチ S が IGBT や MOSFET のような半導ONのときの電流路

制御信号 i

OFFのときの電流路＝ Eω
ここには iが印加されるとする

S

S

DCモータ
図1

見本

単方向エミッタ・フォロワ回路

エミッタの電圧は入力信号電圧v i にほぼ等しく，これがモータにかかる導通時のダイオード
電圧は理想的にはほぼ0V．スイッチSが半導体素子のとき，，このダイオードが破損から保護するSS（b）スイッチONで
電圧 Sを印加
図2（a）IGBT回路（あるいはMOSFET回路が使われる）（スイッチONの時間）

on

S

平均電圧

（スイッチOFFの時間）

oﬀ

巻き線インダクタンス
による循環電流スイッチがOFFのときはダイオードの順方向電圧 F の大きさだけマイナスになるが，理想としては0電圧（c） スイッチOFFで電圧は0V（d）モータの2端子間のPWM電圧波形

PWM による DC モータの駆動

V S と 0 電圧が繰り返される

No.16568068-073

14印

第3部9章.indd 68

2023/12/18 16:29

第9章 モータ駆動の基礎知識

M（a）スイッチS1とS4をONしたときを正転とする

D2

S3

S1

S1

M
S4

M
S4

（b）（a）からスイッチをすべてOFFすると，電流はD2とD3を通じて電源へ回生する

M
S4

D2

S2

（c）（a）からS1だけOFFすると短絡制動になる（d）スイッチS2とS3をONすると逆転する．制動に使うこともある

電気目線

図4

D3

S1

ブリッジ回路の使い方（Appendix 5 から再掲）

体素子のとき，ダイオードが素子を破損から保護しま
す．
図2（d）にモータの 2 端子間の PWM 電圧波形を示し
ます．スイッチが OFF のとき，導通時のダイオードの電圧は理想的にはほぼ 0 V ですが，順方向電圧 V F

B

M

D2

S2

D4
S4

図 3 DC モータの正転/逆転に使う H 型ブリッジ
回路（Appendix 5 から再掲）

4 個のスイッチング素子の使い方によって 1 個の DC モ
ータの回転をさまざまに制御できる．2 組備えると 2 相ステッピング・モータにも使えるアームと呼ぶSA

3 相インバータによる制御

BC（a）3相インバータ回路
A

B

C

理論・物理

見本

（b）出力電圧波形

図5

理想的な 3 相インバータ

周波数と振幅を自由自在に発生できる電子回路．バイポー
ラ型トランジスタであれば連続的な正弦波ができるが素子内での発熱が大きい．MOSFET や IGBT を用いた PWM 駆
動により理想に近づけたいのが現在の技術である．ただし，高い周波数によって電流は滑らかになるが，回路巻き線やリード線からの電磁ノイズと漏れ電流が発生しやすくなる
ので，対策が同時に必要になる● 電源は商用の 3 相交流かバッテリを使う
誘導モータや同期モータをインバータで運転するときには，商用の 3 相交流を整流して直流電源を作り，それを図 5 のような 3 相ブリッジ回路で，再度 3 相交流に直します．インバータの 3 端子から出力されるのは周波数と電圧を自在に調整した 3 相電圧 V A，V B，

ギヤ＆歯車● インバータで 3 相正弦波を発生させる
図 5 に示すような上下段（カスケード）を 3 アーム備
え る 回 路 は，3 相 ブ リ ッ ジ あ る い は イ ン バ ー タ（inverter）と呼ばれます．正式には 3 相インバータです．
筆者は，インバータとは inverse converter（逆変換器）の短縮語であると解釈しています．交流を直流にするのが順変換であり，整流とも呼ばれます（DC モータの分野では，整流は commutation であり，整流子とブラシの機能のことを指す）．そして，直流を交流にするのが逆変換，という理解です．
ディジタル回路の分野では H と L を反転する論
理回路をインバータと呼びます．分野によって用語の意味が違うので，慣れるのに時間を要するかもしれま
せん．
ここでは，「インバータとは直流（DC）から 3 相交流を得る電子回路である」と解釈します．
3 相インバータ回路はブラシレス DC モータや誘導モータ（交流モータ）の制御に使われます．

A

C

D3

永久磁石レス● モータの反転駆動ができる H ブリッジ回路
モータの反転をできるようにしたのが図 3 に示す H
ブリッジ回路です．ブリッジ回路の使い方を図 4 に示します．H ブリッジ回路は交流モータやステッピン
グ・モータも駆動できます．
H ブリッジ回路は，図 5 の 3 相インバータ回路のうち 2 相分を使って作ることができます．

D1

駆動回路

の大きさだけマイナスになります．
なお，この制御回路でもモータの反転はできません．

S3

S1

VS

大図鑑

S1

69

068-073

14印

第3部9章.indd 69

2023/12/18 16:29

4

第 部

第4部

進化の方向…永久磁石なしモータの実際

進化の方向…永久磁石なしモータの実際

第14章 複雑な磁路の解析には有限要素法

注目モータの研究…永久磁石が不要な同期リラクタンス・モータ
鈴木 憲吏 Kenji Suzuki

同 期 リ ラ ク タ ン ス・ モ ー タ（ 以 降 SynRM，Synchronous Reluctance Motor）とは，永久磁石や巻き線界磁の電磁石を使用せず，強磁性体の鉄心に突極を設けた回転子と，3 相巻き線を分布巻きに施した固定子で構成された 3 相交流モータです．

同期リラクタンス・モータの使いどころ＆注目の背景● 永久磁石を使わないので省資源！ 効率は最高97.1 ％近年，モータを取りまく環境は，効率に関する法規
制：国際規格 IEC 60034−30 に基づき IE3 や IE4，IE5といった効率値で規制されています．同期リラクタン
ス・モータ（以下 SynRM）は，既設モータなどの置き換えとして注目されています．
東芝三菱電機産業システム（1）では，一番効率が良い IE5 に準拠した SynRM が製品化されています．高効率・高トルクかつ永久磁石レスによる高い省資源性の特性を備え，レア・アースの供給課題もクリアされています．
東芝三菱電機産業システムから公開されている損失
比較のグラフを図 1 に示します．誘導モータ（IM）より約 40 ％損失が低減しています．また，SynRM は，
従来誘導モータが採用されていたアプリケーションへの置き換えが可能な場合に，効率が 97.1 ％に改善され省エネ化に大きく貢献します（1）．
120

60
40
20
0

図1

28印

損失
58％

IE3
IM

IE5
SynRM

効率比較

● 回転子と固定子の構造
写真 1 は，SynRM の全体と固定子や回転子の外観です．写真 1（b），写真 1（c）のように回転子は，磁石を用いずに突極となるような特殊な形状をしており，同じ形状の溝が4つの塊になっています．
この溝（空隙）があることで磁束が流れにくくなり突極を形成し，4極モータとなります．
また，回転子の突極鉄心を回転磁界の磁力線が通るため，渦電流により鉄損が生じることから，一般には鉄損を軽減するために回転子鉄心を積層にしています．
写真 1（d）は，固定子と巻き線の外観で，3 相巻き線を分布巻きで施しています．この固定子も回転子と同じ極数で構成します．
● 駆動原理動作原理は，回転磁界の作る磁力線が突極の鉄心を通る際に生じる磁気抵抗（リラクタンス）の変化に起因するトルクで回転します．ここで，磁気抵抗とは磁力線の通りにくさを意味します．

回転磁界とは初めに，動作に関わる回転磁界から説明します．
図 2 に 3 相交流と回転磁界を示します．3 相巻き線に 120°ずつ位相のずれた 3 相交流電圧を印加すると，巻き線には 3 相交流の電流が流れます．3 相電流のう
ち高いほうのコイルに N 極，低いほうに S 極が発生します．正弦波状に印加されることで各コイルから発生

No.165

114

114-121

永久磁石を使わない同期リラク
タンス・モータの構造と原理

見本

損失
100％

80

自動車の駆動用モータへの採用も実証実験や研究がされています．

▲

損失［％］

100

● 鉄道用主電動機や電気自動車の駆動用モータへの採用に向けた実証実験も行われている
この特性を生かして，東京メトロと三菱電機は共同
で鉄道用主電動機に SynRM を搭載した車両の実証試
験が行われ，従来のモータに比べ 2 ％以上効率が改善されたことが報告されています（2）．その他にも電気第4部14章.indd 114

2023/12/18 15:16

第14章 注目モータの研究…永久磁石が不要な同期リラクタンス
・モータ

大図鑑
電気目線

固定子

回転子
（a）SynRM の外観（b）SynRM の分解写真

駆動回路

ステータ・
コア

空隙
（フラックス・バリア）

永久磁石レス（d）SynRMの固定子（c）SynRMの回転子（上から）
写真 1

巻き線

永久磁石が不要と注目の同期リラクタンス・モータ SynRM

構造は，磁石のない強磁性体で構成した回転子と 3 相巻き線を分布巻きに施した固定子となる．
（c）から同じ形状の溝の塊が 4 つあるので，
この回転子は 4 極となり，この溝が空隙（空気の隙間，フラックス・バリア）となる．また，（d）の固定子は分布巻きで構成された 4 極と
なる

励磁電流

ia

ib

a

t2

（θ, t ）
φ

b

φb
c

t4

t5

t6

見本

t7

t

ギヤ＆歯車

φa
φc

t3

：回転磁界（時間で回転している）
φa , φb , φc ：各コイルの起磁力
図2

回転磁界の原理

理論・物理

t1

ic

3 相交流電流を巻き線に励磁することで，励磁の大きさに応じた磁界が形成される．正弦波交流のため，時間で励磁電流は変化し，磁界はその変化に応じ回転する．これが回転磁界

115114-12128印

第4部14章.indd 115

2023/12/18 15:16

第6部
第6部

必ずモータとワンセットで検討する相方

保存版

ギヤと歯車の基礎知識
土方 規実雄 Kimio Hijikata

歯車による動力の伝達
歯車注 1 は，回転や動力の伝達を目的に用いられる機械要素の 1 つです．信頼性の高さから，さまざ
まな機械に用いられています．歯車を用いることで自動車の変速機のように回転速度やトルクを変換して動力を伝達したり，機械式の時計やプリンタのよ
うに精度の高い回転角度を伝達したりできます．本
稿では，おもに動力の伝達に用いられる歯車について説明します．

速・大トルクの用途に用いたい場合，大きな体積が必要になります．大きな体積は，設計の自由度の低下や重量の増加，効率の低下を招きます．一方で，自動車が一定の巡航速度で走行する場合は大きなトルクは必要とされませんが，高い回転速度が要求されます．
エンジンやモータは適切な回転速度で運転した際に最も効率が高くなり，回転速度が低すぎても高すぎても効率が低下する特性があります．

歯車が必要な理由● 機械を小型・高効率化できるエンジンやモータと歯車を組み合わせることで，効率の高い回転速度でエンジンやモータを動かしつつ，
負荷に合わせた回転速度やトルクに変換可能になります．体格の小さなモータでも大きなトルクを発生できるようになれば，省スペースによって設計の自由度が増し，軽量化できます．

● 回転速度とトルクへの要求
自動車の始動時など，大きなトルクを低い回転速度で発生する必要がある場合が数多くあります．
駆動に用いられるエンジンやモータなどのトルクは，
体格（体積）におおよそ比例します．歯車を用いずに低歯車1
歯数：Z 1＝10
ピッチ円直径：d 1＝30 mm

歯車の働き

歯車2

見本

図 1 のように，2 つの歯車がかみ合っている場合を考えます．このような歯車の組を歯車対と呼びます．
それぞれの歯車の歯数と直径は以下の通りとします．
●

d1

●

d2

●

注1

歯数：Z 2＝20
ピッチ円直径：d 2＝60 mm
図1

歯車をかみ合わせれば回転速度やトルクを変換できる

かみ合っている 2 つの歯車の組を歯車対という

25-2印

●

歯車 2 の歯数：Z 2＝20

歯車 1 のピッチ円直径：d 1＝30 mm
歯車 2 のピッチ円直径：d 2＝60 mm

JIS（ 日本産業規格）では歯車を「歯を順次かみ合わせることによって，運動をほかに伝える，または運動をほかから受け取るように設計された歯を設けた部品」と定義している（3）．歯車の英語表記は gear で，JIS ではカタカナ表記時に「ギヤ」を使用している．日本語では「ギヤ」以外に「ギア」，「ギヤー」と表記されることがある．歯車に関連する規格には，JIS のほか，ISO（国際標準化機構）規格や JGMA
（日本歯車工業会）規格などがある．

No.165202

202-213

歯車 1 の歯数：Z 1＝10

第6部.indd 202

2023/12/18 16:00

保存版
ここで，ピッチ円直径は，歯車の回転軸を中心として 2 つの歯車の回転軸を結ぶ直線上で歯と歯が接触する点を通る円の直径で，歯数と比例関係にあります．
● 回転速度の変換
小さい歯車 1 を駆動側，大きい歯車 2 を被駆動側とします．歯車 1 を時計回りに 1 回転すると，歯車はお互いに 10 歯分回転するため，歯車 2 は反時計回りに
1/2 回転します．回転方向が駆動側と被駆動側で逆になっている点に注意してください．
このとき，それぞれの歯車の回転角度は歯数の比，

Z 2/Z 1 =20/10=2 （1）によって決まります．単位時間あたりの回転角度である角速度についても同様の関係が成り立ちます．小さい歯車を角速度ω1 で回転させたとき，大きい歯車の角速度ω2 は以下のように表されます．

Z2
ω2 =ω1 = iω1 （2）Z1歯数の比 i ＝Z 2/Z 1 は速度伝達比と呼ばれています．
駆動側の歯数 Z 1 と被駆動側の歯数 Z 2 の組み合わせによって，任意の速度伝達比を得ることができます．
● トルクの変換歯車でエネルギーの損失が生じない理想的な場合を考えると，駆動側から入力される動力 P 1 と被駆動側から出力される動力 P 2 は等しくなります．駆動側のトルクをT 1，被駆動側のトルクをT 2 とすると，

T 1 ω1=T 2 ω2 

（3）

ギヤ＆歯車

となります．したがって，

Z1
1
T1 = T1 （4）Z2iとなり，被駆動側のトルクT 2 は速度伝達比i に反比例します．図 1 の歯数の組み合わせの場合，駆動側に対して被駆動側のトルクは 2 倍になります．
歯車による動力伝達については文献（1）の第 6 章に
詳細な解説があります．
T2 =歯車対の効率
実際には歯車のかみ合わせの部分の摩擦や潤滑油の粘性摩擦によるエネルギーの損失が生じます．このたは式（4）め，被駆動側の歯車から取り出せるトルクT 2’
で示したT 2 より小さくなります．
失った分のエネルギーはおもに熱に変化します．また，歯車を摩耗させる仕事としても消費されます．
歯車の効率ηは入力された動力に対する出力された動力の比を百分率で表し，次のようになります．

P2
T2
×100 =
i ×100 % 
（5）
P1
T1
十分に潤滑されて摩擦係数μ＝0.05 程度注 2 の場合，
効率は 98 ％以上といわれています．しかし，歯車対の効率は材質や潤滑の方法，精度などによって大きく変わるので注意が必要です．
η=

注2 摩 擦係数μ＝0.05 はスキーと氷雪間の摩擦係数よりちょっと小さい値．

歯車で動力や回転を伝えるしくみ
一般的に用いられる歯車の大部分には，その優れた特徴からインボリュート歯車が用いられています．

見本● 大部分の歯車が採用する歯形…インボリュート曲線
動力や回転を正確に伝えるために，多くの歯車の歯形にはインボリュート曲線が採用されています．
インボリュート曲線とは，図 2 のように，円筒（基礎円）に巻き付けた糸を緩まないように引っ張ったま
ま展開していったときに糸の先端が描く軌跡です．ピンと張った糸は基礎円の接線になっています．このとき，糸の先端が描く軌跡は常に糸に対して直角になります．したがって，インボリュート曲線上の点における法線は，同時に基礎円の接線になっています．

ギヤ＆歯車● インボリュート歯車の動作
インボリュート曲線の一部を歯形に利用した歯車をインボリュート歯車といいます．
図 3 のように，2 つのインボリュート歯車の歯が接触点 C で接触している状態を考えます．このとき，それぞれの歯のインボリュート曲線は接触点 C において共通の接線・法線をもちます．この法線は，2 つのインボリュート曲線の基礎円の共通の接線でもあります．
この共通の接線は作用線と呼ばれます．
次に，左側の歯車を時計回りに少し回し回転させた場合を考えます．右側の歯車は反時計回りに回転します．このとき，接触点 C は先ほどと同じ作用線上を移動します．さらに歯車が回転しても，この関係は保たれます．
このことは，2 つのインボリュート歯車の歯のかみ
203202-21325-2印

第6部.indd 203

2023/12/18 16:00

このPDFは，CQ出版社発売の「トランジスタ技術SPECIAL No.165」の一部見本です．
内容・購入方法などにつきましては以下のホームページをご覧下さい．
内容
購入方法

http://shop.cqpub.co.jp/hanbai/books/MSP/MSP202401.html
https://www.cqpub.co.jp/order.htm

見本