回転子

回転子（かいてんし、ローター、）は、電動機（モータ）、発電機、または交流発電機（オルタネーター）における電磁システムの回転側の構成要素である。その回転は、巻線と磁界の相互作用によって回転子の軸の周りにトルクが発生することによって生じる。Staff. "Understanding Alternators. What Is an Alternator and How Does It Work." N.p., n.d. Web. 24 November 2014 .

 初期の発明 
電磁的な回転の初期の例は、1826年から27年にかけてイェドリク・アーニョシュによって製作された、電磁石と整流子を備えた最初の回転機械である。Ing Doppelbauer Martin Dr. The Invention of the Electric Motor 1800-1854. 29th Web. November, 2014.: Web. 28th November, 2014.http://www.eti.kit.edu/english/1376.php 電気分野の他の先駆者としては、1832年に交流発電機を製作したイポリット・ピクシーや、同じく1832年に4つのローターコイル、整流子、ブラシを備えた電磁発電機を製作したウィリアム・リッチーなどがいる。開発はすぐに実用的な応用へと進み、1834年にはモーリッツ・フォン・ヤコビが、1秒間に1フィートの速度で10〜12ポンドを持ち上げることができるモータ（機械出力約15ワット）を製作した。1835年にはフランシス・ワトキンスが製作した電気の「玩具」についての記述があり、彼はモータと発電機の可逆性を理解した最初の一人とされている。

 回転子の種類と構造 
誘導（非同期）モータ、発電機、交流発電機（同期機）は、固定子（ステーター）と回転子で構成される電磁システムを持つ。誘導モータの回転子の設計には、かご形と巻線形の2種類がある。発電機や交流発電機では、突極形または円筒形の設計が用いられる。

 かご形回転子 
かご形回転子（）は、積層鋼の鉄心に、外周に沿って軸方向に等間隔に配置された銅またはアルミニウムの導体棒で構成され、両端が端絡環（エンドリング）によって短絡されている。Parekh, Rakesh. 2003. AC Induction Fundamentals 30 November 2014 Web. 29 November 2014.http://ww1.microchip.com/downloads/en/AppNotes/00887a.pdf この単純で堅牢な構造により、ほとんどの用途で好んで使用される。この組み立てには工夫があり、磁気ノイズやスロット高調波を低減し、ロック現象（コギング）を抑えるために、導体棒が傾斜（スキュー）して配置されている。 固定子の内部に収められた際、固定子と回転子の歯の数が同じで、磁石が等間隔に位置すると、両方向の回転に抵抗する力が生じてロックすることがある。 回転子は両端のベアリングによってハウジングに取り付けられ、シャフトの一端が突き出して負荷を接続できるようになっている。一部のモータでは、反負荷側に速度センサーや他の電子制御装置を取り付けるための延長部がある。発生したトルクは、回転子を通じて負荷へと運動を伝える。

特殊かご形（誘導機）
始動時の電流は小さくトルクは大きいことが好ましいことから、始動時の回転子の電気抵抗を大きくするために使用される。
二重かご形 - 回転子電気導体を半径方向に二重に配置したもの。
深溝かご形 - 半径方向に細長い回転子電気導体のもの。

 巻線形回転子 
は、積層鋼板で作られた円筒形の鉄心にスロットがあり、電気角で120度ずつ等間隔に配置された三相巻線のワイヤを収め、「Y」結線（スター結線）で接続されている。Industrical-Electronics. Three-Phase Wound-Rotor Induction Motor. 10 November 2014. Web. 1 December 2014  回転子巻線の端子は、回転子のシャフト上にある3つのスリップリングにブラシを介して引き出される。University of Taxila. Three Induction Motor. 2012. Web. 28 November 2014 http://web.uettaxila.edu.pk/CMS/SP2012/etEMbs/notes%5CThree%20Phase%20Induction%20Motors.pdf  スリップリング上のブラシにより、外部の三相抵抗器を回転子巻線に直列に接続して速度制御を行うことができる。Fathizadeh Masoud, PhD, PE. Induction Motors. n.d. Web. 24 November 2014.  外部抵抗は回転子回路の一部となり、始動時に大きなトルクを発生させる。モータの速度が上がるにつれて、抵抗をゼロまで減らすことができる。

 突極形回転子 
突極形（とっきょくがた）回転子は、星型の積層鋼板の上に構築され、通常は中心から2、3、4、6、あるいは18個以上の「放射状の突起」が突き出している。各突起には銅線が巻かれ、外側を向いた個別の電磁石極を形成する。各突起の内側の端は、回転子の共通の中央本体に磁気的に接地されている。磁極には直流電流が供給されるか、永久磁石によって磁化される。Cardell, J. Principles of Operation Of Synchronous Machine (n.d.). Web.http://www.science.smith.edu/~jcardell/Courses/EGR325/Readings/SynchGenWiley.pdf 三相巻線を持つ電機子は、電圧が誘導される固定子側にある。外部の励磁機または回転子軸に取り付けられたダイオードブリッジからの直流（DC）が磁界を発生させ、回転する界磁巻線を励磁し、同時に交流が電機子巻線を励磁する。Donohoe. SYNCHRONOUS MACHINES.n.d. Web. 30 November 2014. http://www.ece.msstate.edu/~donohoe/ece3614synchronous_machines.pdf

突極の先端は磁極片（ポールシュー）となっており、これは高透磁率の部品で、固定子への磁束分布を均一にするために外面が円筒のセグメント状に成形されている。

 円筒形回転子 
円筒形の回転子（非突極形）は、中実の鋼鉄シャフトで作られ、円筒の外側の長さに沿ってスロットが設けられている。ここには回転子の界磁巻線である積層銅バーが挿入され、ウェッジ（くさび）によって固定される。O&M Consulting Services. Basic AC Electrical Generators. n.d. Web. 2 December 2014.  スロットは巻線から絶縁されており、回転子の端にあるスリップリングで保持される。外部の直流（DC）源が、リングに沿って走るブラシを備えた同心円状のスリップリングに接続される。 ブラシは回転するスリップリングと電気的に接触する。直流電流は、交流を直流に変換する機械軸上の整流器からのブラシレス励磁によっても供給される。

 動作原理 
三相誘導機では、固定子巻線に供給される交流が励磁され、回転磁界を発生させる。Shahl, Suad Ibrahim.Three-phase Induction Machine. n.d. Web. 2 December 2014  この磁束が固定子と回転子の間の空隙に磁界を生成し、電圧を誘導して回転子バーに電流を発生させる。回転子回路は短絡されており、回転子導体に電流が流れる。 回転磁界と電流の作用により力が生じ、モータを始動させるためのトルクが発生する。Shahl, Suad Ibrahim.Three-phase Induction Machine. n.d. Web. 2 December 2014 

交流発電機の回転子は、鉄心の周りに巻かれたワイヤコイルで構成されている。Slemon, Gordon. Encyclopædia Britannica Inc., 17 March 2014. Web. 25 Nov. 2014 回転子の磁気コンポーネントは、導体スロットを特定の形状やサイズに打ち抜くために積層鋼板で作られる。ワイヤコイルに電流が流れると、鉄心の周りに磁界が形成され、これは励磁電流と呼ばれる。 励磁電流の強さが磁界のパワーレベルを制御する。直流（DC）が励磁電流を一方向に流し、ブラシとスリップリングを介してワイヤコイルに供給される。他の磁石と同様に、生成された磁界にはN極とS極がある。回転子が駆動しているモータの通常の時計回り方向は、回転子の設計に組み込まれた磁石と磁界を使用して操作でき、逆方向または反時計回りに回転させることが可能である。

配置・形状
インナーローター
円筒形の回転子の外部に固定子を配置したもので、構造的に無理が無い。小型のものは特に、慣性モーメントが小さく、速度変化・正逆転運転させやすい。一般の大型電動機、小型のものはロボットなどのアクチュエーターとして使用される。
アウターローター
カップ状の回転子の内部に固定子を配置したもので、慣性モーメントが大きく、駆動トルクも大きくできるのでインナーロータとは対照的に定速度性に優れる。定速度性を生かしてDVDの回転部・ビデオテープレコーダーなどのドラム用として用いられる。また、軽量のわりに高トルクなことを生かして、模型飛行機のプロペラの直結駆動用としても用いられるようになってきている。
フラットローター
扁平な回転子と扁平な固定子とを回転軸方向に重ねて配置したもので、薄型の装置用として用いられる。

 回転子の特徴 

 かご形回転子
この回転子は、固定子の回転磁界よりも遅い速度、つまり同期速度未満で回転する。
回転子の「滑り」（スリップ）により、モータトルクに必要な回転子電流の誘導が生じ、トルクは滑りに比例する。
回転子速度が上がると、滑りは減少する。
滑りが大きくなると誘導されるモータ電流が増え、その結果回転子電流が増えて、負荷増大の要求に応じた高いトルクが得られる。
 巻線形回転子
この回転子は一定速度で動作し、始動電流が低い。
回転子回路に外部抵抗を追加することで、始動トルクを増加させることができる。
モータが加速するにつれて外部抵抗を減らすことで、運転効率が向上する。
高いトルクと速度制御が可能である。
直流で励磁する場合は電流の加減により磁力の調整が可能である。
交流で励磁する場合は周波数を変えることで回転速度の制御を行うことが可能である。
誘導機の場合は、巻線に接続する抵抗の大きさを変えることで始動特性を変えることができる。
 突極形回転子
この回転子は通常1500rpm（毎分回転数）以下の速度で動作し、励磁なしでも定格トルクの40%を出すことができる。
大きな直径と短い軸長を持つ。
空隙は不均一である。
回転子の機械的強度は低い。
 円筒形回転子
この回転子は1500〜3600 rpmの速度で動作する。
高い機械的強度を持つ。
空隙は均一である。
直径が小さく軸長が長く、突極形回転子よりも高いトルクを必要とする。
 永久磁石回転子
回転子の損失による温度上昇が無いため、その保護が不要となる。

 回転子の方程式 

 回転子バーの電圧 
回転磁界が回転子バーの上を通過する際、バーに電圧を誘導する。この方程式は、回転子バーに誘導される電圧に適用される。Shahl, Suad Ibrahim.Three-phase Induction Machine. n.d. Web. 2 December 2014 

ここで：
 = 誘導電圧
 = 磁界（磁束密度）
 = 導体の長さ
 = 同期速度
= 導体の速度

 回転子のトルク 
磁界と電流の相互作用によって生じる力により、以下の式で表されるトルクが発生する：

ここで：
 = 力
 = トルク
 = 回転子環の半径
 = 回転子バーの電流

 誘導モータの滑り 
固定子磁界は同期速度  で回転する：

ここで：
 = 周波数
 = 極数

もし  が回転子速度であれば、誘導モータの滑り  は次のように表される：

滑りと同期速度を用いた回転子の機械的速度：

相対的な滑り速度：

 誘導電圧および電流の周波数 

 脚注 

関連項目
電動機
発電機
固定子
電機子
界磁
釣合い良さ

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Category:発電機
Category:回転機械
Category:構造物