ガンプラのために学ぶフレミングの法則

秋月電子でワイヤレスLEDを見つけたのをきっかけに、早速点灯実験をしたのですが、ワイヤレス給電ユニットとワイヤレスLEDとの距離は20mm弱と、少々物足りない結果になりました。

ガンプラのワイヤレスLEDによる電飾:お試し実験
電子部品で有名な秋葉原の秋月電子通商でワイヤレス給電ユニットとワイヤレスLEDをみつけ、ガンプラの電飾に使えないかと思い早速購入しました。ワイヤレス給電については分からないことが多いのですが、ワイヤレスLEDの点灯実験結果をまとめています。

何とかできなないものかと、どうしてワイヤレスでLEDを点灯させることができるのか調べ始め、トランス(変圧器)と同じ原理、電磁誘導を利用しているのだろうというところまでは何とか分かりました。

これとは別に、ワイヤレス給電についても調べ始めたのですが、ワイヤレス給電ユニットの駆動周波数(60kHz)までは何とか分かったような気がしますが、給電コイルからの距離を離そうとすると、よく分からないことがまだまだあります。

例えば、

  • 受電側の共振回路させる?
  • 送信側の共振回路が必要?
  • スマホのワイヤレス充電規格(Qi)は電磁誘導かな?

この様にワイヤレス給電については、まだまだ知識不足の段階ですが、ファラデーの電磁誘導などを復習しているうちに、「フレミングの法則」についても自分の頭の整理を兼ねて振り返ってみます。

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フレミングの法則

「フレミングの法則」は、モーターなどに利用される「フレミングの左手の法則」と、ダイナモなどの発電機に利用されている「フレミングの右手の法則」とがあります。

まずは、これらの法則について説明します。

フレミングの左手の法則:モーター

それでは、「フレミングの左手の法則」から説明します。

まずは、下図を見てください。

フレミングの左手の法則

フレミングの左手の法則

図1 フレミングの左手の法則

上図において、磁石のN極からS極に磁力が発生している空間(磁界)で、電流を図の奥側から手前方向に流すと、電流の流れている導線に上方向の力が発生します。

この時、磁界の向きと電流の向きとは直角に交わります。

これを「フレミングの左手の法則」といいます。

上図の左手の図は、「フレミングの左手の法則」を、左手に当てはめて表しています。

はかせ
はかせ

学生の頃、モーターは左手、発電機は右手と暗記した覚えがあります。

フレミングの右手の法則:発電機(ダイナモ)

続いて、「フレミングの右手の法則」について説明します。

図1とよく似た図ですが、こちらで説明します。

フレミングの右手の法則

フレミングの右手の法則

図2 フレミングの右手の法則

上図において、磁石のN極からS極に磁力が発生している空間(磁界)で、上方向に力を加えると、図の奥側から手前方向に電流が流れます。

この時、磁界の向きと電流の向きとは直角に交わります。

これを「フレミングの右手の法則」といいます。

上図の右手の図は、「フレミングの右手の法則」を、左手に当てはめて表しています。

モーターが回る原理:フレミングの左手の法則

「フレミングの左手の法則」を使って、モーターが回る原理について説明します。

上述の「フレミングの法則」の説明では、磁界の中の導線について説明しました。

ここでは、下図の様に導線を巻いたコイルを使って説明します。

モータ(コイル)が回る仕組み

モータ(コイル)が回る仕組み

図3 モータ(コイル)が回る仕組み

上図において、図の左から右方向に磁力が発生している空間(磁界)の中にコイルを置きます。(ここでは、分かりやすくするため、コイルの巻き数を少なくしています。)

次に、図の奥側から手前方向(図の赤矢印方法)に電流を流します。

すると、「フレミングの左手の法則」通り、コイルには次のような力が働きます。

  • コイルの左側では上方向の力が発生します。
  • コイルの右側では下方向の力が発生します。

つまり、コイルには、右回りに回転する力が発生します。

なお、回転を続けるには、半回転(180°)毎電流の向きを変える必要がありますが、上図の様なコイルモーター(クリップモーターとも呼ばれます)の場合、エナメル線を巻いてコイルを作成し、コイルの両端に出てくる部分の一方だけエナメル線の被膜(エナメル)をはがすことにより、

  • 半回転(0°~180°)は、電流により回転する
  • 次の半回転(180°~360°)は、電流を流さない(流れない)

ようにすることで連続して回転するようにしています。

なお、実際のモーターでは、整流子とよばれる部品をつけて、コイルが半回転するごとに電流の向きを変えて、力の向きを一方向に保ち同じ方向に回り続けるようにしています。

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発電機(ダイナモ)の原理:フレミング右手の法則

モータは、電流を流すことで回ります。

発電機は、コイルを回すことで電流を発生させいます。

図3のモータのコイルを回すと、電流が発生するということです。

コイルを回すのではなく、磁石を動かすことでも同様に電流が発生します。

そして、発電の際の関係を表しているのが、「フレミングの右手の法則」になります。

今の自転車のライトはLEDが多いのかもしれませんが、LEDライトではなく、ダイナモ(発電機)を使ってライトを点灯させる自転車もあります。

通常、ダイナモを前輪に接触させ、自転車に乗る(前輪を回す)とライトが点灯します。

ダイナモを使うとペダルがかなり重くなり、スピードが遅いと暗く、頑張ってペダルを踏みスピードが出てくると明るくなります。

はかせ
はかせ

私は、夜は自転車にほとんど乗らないので、価格の安いダイナモ式の自転車を購入しました。

まとめ

ワイヤレスLEDの仕組み、ワイヤレス給電について調べていくうちに、「フレミングの法則」について振り返りました。

ここでは、以下の項目について説明しました。

  • フレミングの左手の法則:モーター
  • フレミングの右手の法則:発電機(ダイナモ)
  • モーターが回る原理:フレミングの左手の法則
  • 発電機(ダイナモ)の原理:フレミング右手の法則
はかせ

振動制御を学んだおかげで、モデリングと制御系設計、実験・計測、CAEと幅広く学び、出会いとチャンスにも恵まれ工学博士になりました。
CAEが珍しくない今だからこそ、実験やリアルなモノづくりの体験がより重要になっていると考えています。

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