2) 実際に回転するモーター

ここでは、回転電機の具体的な方法として、三相交流とコイルを用いて回転磁界を生成する方法を紹介します。
（三相交流とは、位相間隔120°の交流信号です）

• 上記①の状態の合成磁場は、下図①に相当します。
• 上記②の状態の合成磁場は下図の②に相当します。
• 上記③の状態の合成磁場は下図③に相当します。

前述したように、コアに巻かれるコイルは３相に分割されており、Ｕ相コイル、Ｖ相コイル、Ｗ相コイルが１２０°間隔で配置されている。電圧が高いコイルはN極を発生し、電圧が低いコイルはS極を発生します。
各相は正弦波状に変化するため、各コイルが発生する極性（N極、S極）や磁界（磁力）が変化します。
この時、N極を作るコイルに注目して、U相コイル→V相コイル→W相コイル→U相コイルと順番に変えて回転させます。

小型モーターの構造

以下の図は、ステッピング モーター、ブラシ付き直流 (DC) モーター、ブラシレス直流 (DC) モーターの 3 つのモーターの一般的な構造と比較を示しています。これらのモーターの基本コンポーネントは主にコイル、磁石、ローターです。また、タイプの違いによりコイル固定式とマグネット固定式に分かれます。

以下は、図例に関連する構造の説明です。もっと細かい構造は他にもあるかもしれませんので、この記事で説明する構造は大きな枠組みの中でのものであることをご理解ください。

ここで、ステッピングモーターのコイルは外側に固定されており、磁石は内側で回転します。

ここで、ブラシ付き DC モーターの磁石は外側に固定されており、コイルは内側で回転します。ブラシと整流子は、コイルに電力を供給し、電流の方向を変える役割を果たします。

ここで、ブラシレスモーターのコイルは外側に固定されており、内側で磁石が回転します。

モーターの種類が異なるため、基本的な部品は同じでも構造が異なります。具体的な内容については、各項目で詳しく説明します。

ブラシ付きモーター

ブラシ付きモーターの構造

以下は、模型でよく使われるブラシ付き DC モーターの外観と、一般的な 2 極 (磁石 2 個) 3 スロット (コイル 3 個) タイプのモーターの分解図です。モーターを分解して磁石を取り出した経験がある人も多いのではないでしょうか。

ブラシ付き DC モーターの永久磁石が固定されており、ブラシ付き DC モーターのコイルが内側の中心の周りを回転できることがわかります。固定側を「ステーター」、回転側を「ローター」と呼びます。

以下に構造概念を表す構造模式図を示します。

回転する中心軸の周囲に整流子（電流を切り替えるための金属板を曲げたもの）が3つあります。整流子同士の接触を避けるため、整流子は120°（360°÷3個）の間隔で配置されています。シャフトが回転すると整流子も回転します。

１つの整流子は一方のコイルエンドと他方のコイルエンドに接続されており、３つの整流子と３つのコイルが回路網として全体（リング）を形成している。

2 つのブラシは整流子と接触するように 0° と 180° に固定されています。ブラシには外部直流電源が接続されており、ブラシ→整流子→コイル→ブラシの経路で電流が流れます。

ブラシ付きモーターの回転原理

①初期状態から反時計回りに回転させる

コイルAが上にあり、電源をブラシに接続し、左を(+)、右を(-)とします。左側のブラシから整流子を通ってコイルAに大電流が流れます。コイルAの上部（外側）がS極になる構造です。

コイルAの電流の1/2が左側のブラシからコイルBとコイルCにコイルAとは逆方向に流れるため、コイルBとコイルCの外側は弱いN極になります（図中の少し小さい文字で示しています）。形） 。

これらのコイル内に生成される磁場と、磁石の反発効果と引力効果により、コイルには反時計回りの回転力がかかります。

②さらに反時計回りに回す

次に、コイルＡを反時計回りに３０°回転させた状態で、右側のブラシが２つの整流子に接触しているとする。

コイルAの電流は左ブラシから右ブラシへと流れ続け、コイルの外側はS極を維持します。

コイルBにはコイルAと同じ電流が流れ、コイルBの外側が強いN極になります。

コイルＣの両端はブラシにより短絡されているため、電流は流れず、磁界は発生しない。

この場合でも反時計回りの力が加わります。

③から④まで、上のコイルは左への力を受け続け、下のコイルは右への力を受け続け、反時計回りに回転し続けます。

コイルを30°ごとに③、④に回転させたとき、コイルが中心横軸より上にあるとき、コイルの外側がS極となり、コイルが水平軸の中心より上に位置するとき、コイルの外側がS極になります。コイルが下に来るとN極となり、この動作を繰り返します。

言い換えれば、上部コイルは繰り返し左方向に強制され、下部コイルは繰り返し右方向に強制されます (どちらも反時計回りの方向)。これにより、ローターは常に反時計回りに回転し続けます。

反対側の左 (-) と右 (+) のブラシに電源を接続すると、コイル内に反対の磁場が生成され、コイルにかかる力も逆方向 (時計回り) になります。

さらに、電源がオフになると、ブラシ付きモーターのローターは回転を維持するための磁界が存在しないため、回転を停止します。

三相全波ブラシレスモーター

三相全波ブラシレスモーターの外観と構造

ブラシレスモーターの外観と構造の一例を下図に示します。

左側は、光ディスク再生装置で光ディスクを回転させるために使用されるスピンドル モーターの例です。三相×3合計9コイル。右はFDD装置用のスピンドルモーターの例で、コイル数は3相×4の合計12個です。コイルは基板上に固定され、鉄心に巻かれます。

コイルの右側にある円盤状の部分が永久磁石ローターです。外周は永久磁石で、コイルの中心部にロータのシャフトが挿入されてコイル部分を覆い、永久磁石がコイルの外周を取り囲んでいます。

三相全波ブラシレスモーターの内部構造図とコイル結線等価回路

次に内部構造の模式図とコイル接続の等価回路の模式図です。

この内部図は、非常に単純な 2 極 (磁石 2 個) 3 スロット (コイル 3 個) モーターの例です。極数とスロット数が同じブラシ付きモーターの構造に似ていますが、コイル側は固定されており、磁石は回転できます。もちろんブラシはありません。

この場合、コイルをY結線し、半導体素子を用いてコイルに電流を流し、回転する磁石の位置に応じて電流の流入と流出を制御します。この例では、ホール素子を使用して磁石の位置を検出します。コイル間にホール素子を配置し、発生した電圧を磁場の強さから検出して位置情報として利用します。先ほどのFDDスピンドルモーターの画像では、コイルとコイルの間に位置検出用のホール素子（コイルの上）があることもわかります。

ホール素子はよく知られた磁気センサーです。磁界の大きさは電圧の大きさに変換でき、磁界の方向は正または負で表すことができます。以下はホール効果を示す模式図です。

ホール素子は「電流Iが流れると、_{H が半導体を流れ、磁束 B が電流、電圧 V と直角に通過します。H}電流と磁界に垂直な方向に発生アメリカの物理学者エドウィン・ハーバート・ホール(Edwin Herbert Hall)はこの現象を発見し、「ホール効果」と名付けました。結果として生じる電圧 V_Hは以下の式で表されます。

V_H= (K_H/ d)・私_H・B ※K_H：ホール係数、d：磁束侵入面の厚さ

式が示すように、電流が大きくなるほど、電圧も高くなります。この機能はローター（磁石）の位置を検出するためによく使用されます。

三相全波ブラシレスモーターの回転原理

ブラシレスモーターの回転原理を以下の①～⑥の手順で説明します。理解を容易にするために、ここでは永久磁石を円から長方形に簡略化しています。

①

三相コイルのうち、コイル1は時計の12時方向、コイル2は時計の4時方向、コイル3は時計の4時方向に固定されているものとします。時計の8時の方向。2極永久磁石のN極を左側、S極を右側にして回転させることができます。

コイル１に電流Ｉｏを流し、コイルの外側にＳ極磁界を発生させる。コイル2とコイル3からIo/2の電流を流し、コイルの外側にN極磁界を発生させます。

コイル2とコイル3の磁界をベクトル化すると、1つのコイルに電流Ioを流したときに発生する磁界の0.5倍、加算すると1.5倍となるN極の磁界が下向きに発生します。コイル1の磁場に。これにより、永久磁石に対して 90 度の角度で合成磁界が生成され、最大トルクが生成され、永久磁石は時計回りに回転します。

回転位置に応じてコイル2の電流が減少し、コイル3の電流が増加すると、合成磁界も時計回りに回転し、永久磁石も回転し続けます。

②

３０°回転した状態では、コイル１に電流Ｉｏが流れ、コイル２の電流がゼロとなり、コイル３から電流Ｉｏが流れる。

コイル１の外側がＳ極となり、コイル３の外側がＮ極となる。ベクトルを組み合わせると、結果として生じる磁界は、電流 Io がコイルを通過するときに生成される磁界の √3 (≒ 1.72) 倍になります。これにより、永久磁石の磁場に対して 90 度の角度で合成磁場が生成され、時計回りに回転します。

回転位置に応じてコイル1の流入電流Ioが減少し、コイル2の流入電流がゼロから増加し、コイル3の流出電流がIoまで増加すると、合成磁界も時計回りに回転します。そして永久磁石も回転し続けます。

※各相電流を正弦波とすると、ここでの電流値は Io × sin(π⁄3)=Io × √3⁄2 となります。 磁界のベクトル合成により、総磁界サイズは ( √ 3⁄2)²× 2 = 1.5 倍。各相電流が正弦波の場合、永久磁石の位置に関係なく、ベクトル合成磁界の大きさはコイルによって発生する磁界の 1.5 倍となり、磁界は相対的に 90°の角度になります。永久磁石の磁場に影響します。

③

３０°回転し続けた状態では、コイル１に電流Ｉｏ／２が流れ、コイル２に電流Ｉｏ／２が流れ、コイル３から電流Ｉｏが流出する。

コイル１の外側がＳ極となり、コイル２の外側もＳ極となり、コイル３の外側がＮ極となる。ベクトルを合成すると、コイルに電流 Io を流したときに発生する磁界の 1.5 倍の磁界が生じます（同①）。ここでも、合成磁界は永久磁石の磁界に対して 90°の角度で発生し、時計回りに回転します。

④～⑥

①～③と同様に回転させます。

このように、コイルに流す電流を永久磁石の位置に応じて順番に連続的に切り替えると、永久磁石は一定方向に回転します。同様に、電流の流れを逆にして、結果として生じる磁界を逆にすると、磁界は反時計回りに回転します。

下図は上記①～⑥の各ステップにおける各コイルの電流を連続して示したものです。上記の導入により、電流変化と回転の関係を理解できるはずです。

ステッピングモーター

ステッピングモーターは、パルス信号に同期して回転角度や速度を正確に制御できるモーターです。ステッピングモーターは「パルスモーター」とも呼ばれます。ステッピングモーターは、位置センサーを使用せず、オープンループ制御のみで正確な位置決めを実現できるため、位置決めが必要な機器に広く使用されています。

ステッピングモーター（二相バイポーラ）の構造

以下の図は左からステッピングモーターの外観例、内部構造の模式図、構造概念の模式図です。

外観例では、HB(Hybrid)タイプとPM(Permanent Magnet)タイプのステッピングモータの外観を示します。中段の構造図にはHBタイプとPMタイプの構造も示しております。

ステッピングモーターはコイルを固定し、永久磁石が回転する構造です。右のステッピングモーターの内部構造の概念図は、2相（2組）のコイルを使用したPMモーターの例です。ステッピングモーターの基本構造例では、コイルが外側、永久磁石が内側に配置されています。コイルは2相のほか、さらに相数を増やした3相、5相タイプもあります。

一部のステッピング モーターは他の異なる構造を持っていますが、動作原理の紹介を容易にするために、この記事ではステッピング モーターの基本構造を示します。この記事を通して、ステッピングモーターは基本的に固定コイルと回転永久磁石の構造を採用していることを理解していただければと思います。

ステッピングモーターの基本動作原理（単相励磁）

次の図は、ステッピング モーターの基本的な動作原理を紹介するために使用されます。上記二相バイポーラコイルの各相（コイル群）の励磁例です。この図の前提は、状態が①から④に変化するということです。コイルはそれぞれコイル 1 とコイル 2 で構成されます。また、電流矢印は電流の流れ方向を示します。

①

• 電流はコイル１の左側から流入し、コイル１の右側から流出する。
• コイル 2 には電流を流さないでください。
• このとき、左コイル１の内側がＮ、右コイル１の内側がＳとなります。
• そのため、真ん中の永久磁石はコイル1の磁界に引き寄せられ、左S、右Nの状態となり停止します。

  ②

• コイル１の電流が停止され、コイル２の上側から電流が流れ込み、コイル２の下側から電流が流出する。
• 上側コイル２の内側がＮとなり、下側コイル２の内側がＳとなる。
• 永久磁石は磁界に引き寄せられ、時計回りに90°回転すると止まります。

  ③

• コイル２の電流が止まり、コイル１の右側から電流が流れ込み、コイル１の左側から電流が流れ出す。
• 左側のコイル1の内側がS、右側のコイル1の内側がNになります。
• 永久磁石はその磁界に引き寄せられ、時計回りにさらに 90°回転すると止まります。

  ④

• コイル１の電流が停止され、コイル２の下側から電流が流れ込み、コイル２の上側から電流が流出する。
• 上側コイル２の内側がＳとなり、下側コイル２の内側がＮとなる。
• 永久磁石はその磁界に引き寄せられ、時計回りにさらに 90°回転すると止まります。