2015年9月15日火曜日

ワクワク電気の実験教室 「透明モーター」

今回は小型直流(DC)モーターを分解し、中の様子がわかるようにして回転させてみましょう。
通常、1.5Vの乾電池1個では点灯しないLEDも点滅しながら回転します。


小型 DCモーターはホームセンターや模型Shop等で販売されていますが
こでは100Shopで販売されている、
「ミニハンディー扇風機」から取り出したものを使ってみましょう。

「ミニハンディー扇風機」を分解すると、このようになっています。
  
さらにモーターのキャップを外すと、ローターが出てきます。
電池から送られてきた電流はブラシから整流子を経由して、コイルに流れ、磁化されます。

磁化されたコアとケースに貼り付けられた永久磁石が反発又は吸引をして
ローターが回転する仕組みです。
永久磁石は2個ですが、コイルは3スロットのコアに巻かれ3極になっています。

3つのコイルのうち、上のコイルは常にN極に、
下のコイルは常にS極になるように、
ローターの回転に伴ってコイルに流れる電流の方向が変化しています。 

例えばAの状態では、①のコイルはN極に磁化されているので永久磁石のS極に引き寄せられます。 ②のコイルは永久磁石と反発、③のコイルは引き寄せられ、時計回りの方向に回転します。

ローターを整流子側から見ると、
3つのコイルそれぞれの間に コイルの巻きはじめと巻き終わりを接続した電極があります。
この3つの電極のうちのいずれか2つにLEDを接続します。

LEDは足を12cm程度に切ってから、
逆向きの並列接続(青色LEDの長い足には赤色LEDの短い足を接続)にして
電極にハンダ付けします。

LEDの足は接触しないようにします。

モーターはブラシから整流子に電流が送られますが、
ここではブラシの代わりに鉄くぎを整流子に接触させて電流を送ります。
鉄くぎの土台は、アイスクリーム棒2枚に2つずつ穴を開けて作りましょう。
ドリルで穴を開けるとうまくいきます。(ドリル刃2.5mm程度)
穴の間隔は1枚は20mm、もう1枚は17mm程度です。

この板にくぎを通しますが、その前に
くぎの先端を酢で拭いてから使うと、酸化被膜が取れて整流子に電流を送りやすくなります。

穴幅間隔の大きい方の板を下にして、鉄くぎを挿入します。

これを電池ケース、スイッチ(扇風機に付いていたもの)と直列にハンダ付けします。

スイッチは端子が3つありますが、
導線の1本は真ん中に、もう1本は左右どちらかの端子に接続します。

(写真はオフ状態で、スイッチを左へスライドさせるとオンになります。)

木片(3cm×4cm×1.5cm)4辺にフラット型のミニステーをネジ止めします。
長さ12mm 太さ2.6mm 程度の木ネジ又はタッピングネジでしっかりと固定しておきましょう。



不要になったシャープペンシルから芯を入れる細いパイプを取り出します。

ステーの穴に芯パイプを通して、モーターシャフト(整流子側)に差し込みます。
 もう一方のシャフトは後方のステー穴に通します。

両脇のステーに磁石を貼り付けます。
 一方はN極、もう一方はS極がコアに向くように貼り付けます。
 小さいネオジム磁石は100Shopで販売されています。


⑨で作ったクギの先端を整流子に接触させます。
 くぎと整流子はピッタリ接触しないと電気を送ることが出来ません。
しかし押さえ過ぎても回らないので、軽く接触するように上側のアイス棒をスライドさせて調整しましょう。

LEDが回転しやすいようにくぎは少し斜めにしています。

位置調整が出来たら、くぎの頭部分を接着剤で木片にしっかりと固定しましょう。

木片の裏側に、すべり止めシートを貼っておくと、安定しやすくなります。

これで完成!
スイッチを入れると、モーターが回転。
コイルに接続したLEDも点滅します。

video
ビデオが表示できない場合はYoutubeでご覧ください。


LEDは乾電池1個では点灯しないのでは?
LEDは順方向電圧が一番低い赤色でも、2V前後ですから
乾電池1個では点灯しません。
今回はLEDを接続したコイルに流れる電流が切れるときに、
大きな誘導起電力を発生するためにLEDが点滅するのです。

赤色と青色の光ってる位置が違います。
上で見たように、モーターが回転するためには、
一定の場所で電流の流れる方向が変わります。
そのため、誘導起電力も正・負の両方向に発生し、その位置が異なります。
例えば赤色に対して順方向電圧の場合、青色に対しては逆方向電圧となり、
赤色は点灯し青色は点灯しないのです。
逆に青色に対して順方向電圧の場合、赤色に対しては逆方向電圧となり、
青色は点灯し赤色は点灯せず、赤色と青色の光る位置が違うのです。

LED1個だけ接続して実験してもいいの?
もし、LEDを逆方向の並列接続にしない状態だと、
LEDには大きな逆方向電圧がかかってしまい、
LEDは点灯しないだけでなく、徐々に破壊されてしまいます。
LED1個だけでやるときには、ダイオードを並列に接続しておく方法もあります。


(Flashで作成しているため、スマホや携帯で見れない場合があります。)


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