電気のしくみ(暮らしと現場)

モーターの仕組みとは?なぜ回るのか、直流と交流の違いを図解|計算ツール付き

モーターの仕組みを表すアイキャッチ。N極とS極の磁石のあいだのコイルに電流を流すと回る

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お悩み
こんなふうに思っていませんか?
  • モーターはなぜ電気で回るのか、仕組みがわからない
  • フレミングの左手の法則を、どう使うのかピンとこない
  • 直流モーターと交流モーターの違いを知りたい
この記事でわかること
  • モーターが回るたった1つの原理(電磁力)
  • 回り続けるための整流子と、交流モーターの回転磁界
  • モーターの種類と身近な使われ方
  • 電磁力と回転速度がわかる計算ツール
結論|まず30秒でわかる答え

モーターの仕組みは、磁石がつくる磁界の中でコイルに電流を流すと、導線に力(電磁力 F=BIL)がはたらくことを使って回る、というものです。力の向きはフレミングの左手の法則で決まります。直流モーターは、整流子とブラシが半回転ごとに電流の向きを切りかえて回り続け、交流モーターは、交流で「回転する磁界」をつくり、その磁界に回転子を引っぱらせて回します。

モーターの仕組みを表すアイキャッチ。N極とS極の磁石のあいだのコイルに電流を流すと回る
磁石のあいだのコイルに電流を流して回るモーター

モーターが回るたった1つの原理|磁石+電流=力

磁石のN極とS極のあいだに置いた導線に電流を流すと、導線が横向きに押されます。この力を電磁力といい、モーターはこの力で回ります。

扇風機・洗濯機・冷蔵庫・掃除機・パソコンのファン・電気自動車など、「回るもの」が入っている機械には、ほとんどモーター(電動機)が入っています。どれも、磁界と電流から生まれる力を回転に変えています。

電磁力の公式

F = B × I × L

F:力[N] B:磁束密度[T] I:電流[A] L:磁界の中にある導線の長さ[m](磁界と電流が直角のとき)

力の向きはフレミングの左手の法則

左手の指向き
中指電流(+から−へ)
人差し指磁界(NからSへ)
親指力(導線が動く向き)

3本の指をたがいに直角に開き、中指から順に「電・磁・力」と唱えると覚えやすくなります。

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フレミングの左手の法則:中指が電流、人差し指が磁界、親指が力

なぜ回り続ける?整流子という仕掛け(直流モーター)

コイルが半回転すると力の向きが逆になって止まってしまうので、整流子が半回転ごとに電流の向きを切りかえ、いつも同じ向きに回るようにしています。

整流子は、半分に割れた金属の輪です。コイルが半回転するたびにブラシとふれる面が入れかわり、コイルに流れる電流の向きが自動で逆になります。ブランコを、いつも正しいタイミングで後ろから押してあげるようなものです。

部品役割
永久磁石(固定子)磁界をつくる。動かない
コイル(回転子)電流が流れ、力を受けて回る
整流子半回転ごとに電流の向きを切りかえる
ブラシ回る整流子に電流を送る接点。こすれてすり減る

流れは「①磁石が磁界をつくる → ②コイルに電流を流す → ③電磁力でコイルが回る → ④整流子が電流を切りかえる」のくり返しです。

整流子のしくみの図。半分に割れた金属の輪とブラシが、半回転ごとにコイルの電流の向きを切りかえ、ブランコを正しい向きに押すように回り続ける
整流子とブラシが半回転ごとに電流の向きを切りかえる

交流モーターの仕組み|磁界そのものを回す

交流モーターは整流子を使わず、まわりのコイルに時間をずらして交流を流し、磁界そのものを回転させます(回転磁界)。回転子はその磁界に引っぱられて回ります。

テーブルの上の金属の皿の下で、磁石をぐるぐる回すと、皿もつられて回り始めます。交流モーターでいちばん多い誘導電動機は、この「磁石を回す」ことを電気でやっています。三相交流(120°ずつずれた3つの交流)を、120°ずつ離して置いた3組のコイルに流すと、磁界の向きがなめらかに回ります。

回転磁界の速さ(同期速度)

Ns = 120 × f ÷ p[min⁻¹]

f:周波数[Hz] p:極数。誘導電動機は、これより少し遅く回る(滑り)。

モーターの計算ツール

① 電磁力 F=BIL
② 交流モーターの回転の速さ

入力すると、その場で計算し直します。入力した数字は画面の中で計算するだけで、どこにも送信されません。

はじめの例では、導線1本の力は0.05Nですが、100巻きのコイルにすると5Nになります。モーターがコイルを何重にも巻くのは、このためです。50Hzの4極の誘導電動機の同期速度は1,500min⁻¹(60Hzなら1,800min⁻¹)で、実際は滑りの分だけ少し遅く回ります。

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交流モーターの回転磁界の図。皿の下で磁石を回すと皿もつられて回るように、120°ずつ置いた3組のコイルに三相交流を流すと磁界が回り、回転子が引っぱられる
三相交流で回転磁界をつくる交流モーター

モーターの種類と身近な使われ方

種類電流の切りかえ方特徴使われる例
ブラシ付きDCモーター整流子とブラシしくみが簡単で安い。ブラシがすり減るおもちゃ、電動歯ブラシ
ブラシレスDCモーター電子回路(インバータ)効率がよく長持ち。速さを細かく変えられるドローン、パソコンのファン、エアコン
誘導電動機(ACモーター)回転磁界(整流子なし)じょうぶで安い。そのままでは速さが周波数で決まる工場のポンプやファン、換気扇
同期電動機回転磁界(磁石の回転子)同期速度ぴったりで回る電気自動車(永久磁石同期モーター)

誘導電動機の速さは周波数で決まるので、昔は細かく変えるのが苦手でした。今はインバータで周波数そのものを変えて、速さを自由に変えるのがふつうです。

モーターと発電機は「逆向き」の関係

モーターは「電流→力(回転)」、発電機は「回転→電流」です。同じしくみを逆向きに使っていて、モーターの力の向きはフレミングの左手、発電機で生まれる電流の向きはフレミングの右手の法則で考えます。電気自動車がブレーキのときにモーターを発電機として使い、電気を電池に戻す(回生ブレーキ)のも、この関係を使っています。

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モーターの種類の図。ブラシ付きDCモーターは簡単で安い、ブラシレスDCモーターは長持ちで細かく制御できる、誘導電動機はじょうぶで安い、同期電動機は同期速度で回る
ブラシ付き・ブラシレス・誘導・同期の4つのモーター

モーターでよくある間違い

よくある間違い正しい考え方
モーターの向きは右手の法則で考えるモーター(力)は左手、発電機(電流)は右手
磁石が回っているから回る直流モーターは電流の切りかえ、交流モーターは磁界の回転で回る
交流モーターにも整流子がある誘導電動機には整流子もブラシもない
誘導電動機は同期速度で回る滑りの分だけ少し遅く回る。同期速度で回るのは同期電動機
モーターのよくある間違いの図。力は左手で発電は右手、誘導電動機には整流子がない、誘導電動機は滑りの分だけ同期速度より遅い、力はF=B×I×Lで決まる
モーターで起きやすい4つの間違い

よくある質問

Q. モーターの仕組みを簡単にいうと?

A. 磁石の磁界の中でコイルに電流を流すと力が生まれ、その力でコイルが回る、というしくみです。

Q. フレミングの左手の法則とは?

A. 左手の中指を電流、人差し指を磁界に向けると、親指が力の向きになる、という覚え方です。

Q. 整流子の役割は?

A. 半回転ごとにコイルの電流の向きを切りかえ、直流モーターがいつも同じ向きに回り続けるようにします。

Q. 直流モーターと交流モーターの違いは?

A. 直流モーターは整流子で電流を切りかえて回し、交流モーターは回転する磁界をつくって回転子を引っぱります。

Q. ブラシレスモーターとは?

A. 整流子とブラシのかわりに電子回路で電流を切りかえるモーターです。すり減る部品がなく長持ちします。

Q. モーターの力を強くするには?

A. F=BILなので、磁石を強くする、電流を大きくする、コイルの巻き数や長さを増やす、のどれかです。

まとめ
  • モーターは、磁界の中の電流にはたらく電磁力(F=BIL)で回る
  • 力の向きはフレミングの左手の法則(中指=電流、人差し指=磁界、親指=力)
  • 直流モーターは整流子とブラシで、半回転ごとに電流を切りかえる
  • 交流モーターは回転磁界で回る。速さはNs=120f/p
  • モーターと発電機は逆向きの関係(左手と右手)
モーターの仕組みのまとめの図。電磁力F=BILで回る、向きはフレミングの左手、直流モーターは整流子、交流モーターは回転磁界
モーターの要点:F=BILで回る
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家電の仕組みシリーズ|全13記事

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家電の仕組みがぜんぶわかるロードマップ

シリーズ全12記事を「電磁誘導」「熱の移動」「電気化学」の3原理で体系化。どこから読めばいいか迷ったらまずこちらへ。

STAGE 1:動かす家電(モーターの世界)
▶ モーターはなぜ回る?

洗濯機・扇風機・換気扇…家電のほぼすべてに入っているモーターの原理を、磁石と電流の押し合いで解説。

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消費電力1200Wの正体。電熱線で熱を作る最もシンプルな家電。ジュール熱の入門に最適。

▶ 電子レンジはなぜ食べ物だけ温まる?

「お皿は冷たいのに食べ物だけ熱い」謎を解明。マイクロ波が水分子を振動させる仕組みを解説。

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電磁誘導で鍋の中に渦電流を発生させて加熱する仕組み。STAGE1のモーターと同じ原理の応用例。

▶ 冷蔵庫が冷える仕組み

冷蔵庫は「冷やす」のではなく「庫内の熱を庫外へ運ぶ」装置。気化熱とコンプレッサーの働きを図解。

▶ エアコンはなぜ暖房もできる?

冷蔵庫の応用版。冷媒の流れを逆転させるだけで「冷房と暖房を1台で切替」できる仕組み。

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▶ LEDはなぜ省エネ?

白熱電球・蛍光灯・LEDで電気代が10倍違う理由。半導体(pn接合)が直接光を出す原理を解説。

▶ 蛍光灯からLEDへの交換ガイド

2027年問題への対応ガイド。「工事不要」と「工事必要」のLEDの違いを解説。設備担当者必読。

STAGE 4:電気を貯める家電
▶ 電池はなぜ電気を出せる?

電池は「貯蔵タンク」ではなく「化学反応プラント」。乾電池とリチウムイオン電池の違い、スマホのバッテリーが劣化する理由も解説。

▶ EVはなぜ電気で走れる?

モーター×バッテリーの集大成。回生ブレーキで「ブレーキが発電機になる」仕組みも図解。

STAGE 5:充電・電力伝送の最新技術
▶ USB Type-CとUSB PDの違い

同じ端子なのに充電速度が違う理由。機器同士が「何Vで送るか」を電気的に交渉する仕組み。

▶ ワイヤレス充電(Qi)の仕組み

「置くだけ」の裏にある電磁誘導。STAGE1〜4の知識が集約されるシリーズの総決算記事。

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メーカーで電気設計と品質保証に携わってきた経験をもとに執筆しています。むずかしい専門用語をできるだけ使わず、はじめて学ぶ人がつまずかないように、図とたとえで説明することを大切にしています。

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