扇風機の固定子を用いた発電実験器の開発
櫻井 勇良
*The development of the power generation experiment vessel using the stator of the electric fan
Yuryo SAKURAI
Abstract:
The power generation experiment vessel using the stator of the induction motor used in electric fan was developed. In the stator of the induction motor, it was considered that multiple coils for making the rotating magnetic field were divided for rotating magnetic field and power generation. The power generation phenomenon by the magnet was able to be confirmed as a result of using the spherical magnet instead of the rotor in order to generate electricity. It was possible to obtain the power generation experiment vessel with both of part of the motor and part of the generator.
KEY WORDS: Generator, Spherical magnet, Stator, Electromotive force 要旨: 扇風機に使われている誘導電動機の固定子を使った発電実験器を開発した．誘導電動機の固定子には回転磁界を作 るための複数のコイルを回転磁界用と発電用に分けることを考えた．発電させるために，回転子の代わりに球形磁石 を用いた結果、磁石による発電現象が確認できた．電動機の部分と発電機の部分の両方を有する発電実験器を得るこ とができた． キーワード：自己誘導、逆起電力、電圧波形
１．はじめに
筆者は，高校１年生を対象にした授業を期間限定 で時々行っている．授業では，廃棄になった各種の 電気製品を使った分解実習を行っている．この実習 を行う目的は，普段何気なく使っている電気製品の 構造や動作原理などへの興味関心を持ってもらうお よび電気製品を分解するという貴重な経験を通して， 何かを感じるあるいは何かに気づいてもらいたいた めである．この授業を通して，生徒にいろいろ気づ いてもらうことを願いながら行っているが，実は， 筆者自身もいろいろ気づかされているのが実情であ る．本稿で述べる内容は，その一つである． 扇風機の分解実習を行っていたある日の授業中に， 生徒の様子を見ながら「固定子には，移動磁界を作 るために複数のコイルが装着してある．この移動磁 による電磁誘導作用により，固定子の中空に存在す る回転子が回る仕組みになっている．では，回転子 の代わりに球形磁石を置いたらどうなるだろうか． 回転磁界によって球形磁石が回らないだろうか．も し球形磁石が回れば，コイルが近くにあるのだから 発電が起きるはずである．実現すれば，演示用の実 験器として使えるかもしれない」ということを考え ていた．そんなことを考えていたら，どうしても確 かめたくなった． そこで，授業終了後，検証のための準備に取り掛 かった．種々の予備実験・本実験を経た結果，予想 *湘南工科大学 工学部 電気電子工学科 准教授していたことを確認することができた．本稿では， その概要について述べる． 球形磁石は，アルミ管中で磁石を落下させる実験1， 2）やガウスの加速度実験3）などに用いられる．筆者 は，通常，棒状の磁石が用いられる発電原理実験器 の磁石として球形磁石を用いたものを試作した経験 がある4）．発電機に用いられている例は，筆者が知る 限りでは見たことがなく，文献調査の結果でもその ような報告例を見つけることができなかった．
2. 実験方法と結果
2.1 予備実験 図1(a)の左側の状態の固定子と球形磁石を用いて 予備実験を行った結果，図1(a)の左側の状態では，球 形磁石と鉄心の吸着力が強いため，球形磁石は動か なかった．つまり，球形磁石を回すためには，球形 磁石と鉄心の間に何かを入れて，両者の吸着力を弱 める必要があることがわかった．そこで，試行錯誤 した結果，固定子の内径と同程度の透明な管を装着 し，その中に球形磁石を入れて，管の厚みを変えな がら入力電圧を調整すれば，球形磁石が固定子内を 勢いよく回転することがわかった．また，球形磁石 を回転させるためには，固定子に装着してある全て のコイル，すなわち三本の導線を全て使わなくても 良いこともわかった．つまり，三本の導線を球形磁 石に回転運動を与えるためのものとその運動を使っ て発電させるものとに分けて使えることがわかった． 以上の予備実験により，予想していたことが実現 できることがわかったので本格的に実験を行った． 2.2 固定子のコイルの様子 図1(a)に誘導電動機の固定子を示す．図の左側は， 通常の状態であり，右側は，コイルの状態を調べる ために鉄心（外径：80 mm，内径：40 mm，高さ：50 mm）を取り除いたものである．実は，固定子からコ イルを傷つけないように注意しながら鉄心を取り除 くのは，結構大変であり，多くの努力を要した．コ イルの直径が0.1 mm と細く，樹脂で固められている ので，分離する際，油断しているとすぐに切れてし まい，成功するまでに数台使ってしまった． コイル（直径：0.1 mm）は全部で 8 個あり，図 1(b) に示すように二層になっている．固定子の内側に4 個，そのコイルの外側に4 個，それぞれ配置してあ る．外側の4 個は，内側に配置したコイル同士の隙 間付近に1 個ずつ囲むように配置されていた． 次に，コイルの接続状態を調べた．図1（a）の 状態のコイルを丁寧にほぐして広げた様子を図2 （a）に示す．この状態でコイル同士の接続を調べ た結果，同図(b)のようになっており，コイルから 出ている赤の導線には⑦⑧⑤⑥のコイルが，白の導 線には③④①②のコイルがつながっていた．赤の導 線につながっていた最後のコイル⑥と白の導線の 終端につながっていたコイル②は，ともに黒の導線 につながっていた．これらの三本の線は，回転子の 速度を可変させるために必要な回転磁界の大きさ を変えるためにある．回転磁界の大きさは，スイッ チの切り替えによって制御される電流の大きさに 依存する． 図1 誘導電動機の固定子図2 固定子のコイル結線図および磁界の形成の 概観図 最後に，コイルの巻き方について述べる．コイル の接続状態を調べた時，巻方についても調べた．巻 き方を調べた理由は，回転磁界の極性を知るためで ある．通常，交流磁界を形成するが，極性を調べる のが目的なので直流電流を用いた．その結果，図2(c) のようになっているのがわかった．図中では，コイ ルを真正面から見た時，時計方向の巻方の場合をS 極，反時計方向の巻方をN 極と示してある．なお， 赤，白，黒の導線間につながれているコイルの合成 インダクタンス（H）を測定した結果，赤－黒間で は約0.16 H，赤－白間では約 0.4 H，白－黒間では 約0.24 H であった． 2.3 球形磁石の回転実験 図3 に実験器の外観を示す．球形磁石（ネオジム， 直径Φ：10 mm，磁束密度 B：491 mT）を回転させ るために鉄心の内径と同等の外径を持つアクリル 管（外径：40 mm，内径：36 mm，長さ：65 mm） を取り付けた．また，球形磁石の落下防止のために アクリル管の底にゴムの栓で蓋をした．コイルには 3 本（赤，白，黒）の線がつながっていたので，3 種類の組み合わせを入力として用い，それに交流電 流計（～5 A）と電圧調整器（～100 V）を接続した． 球形磁石は，図3(a)のように始めからアクリル管 の中に入れておいても良いし，ある一定以上の電流 を流した状態にした後に入れても良い．前者の場合 は，電流の増加に伴い球形磁石は，昇圧とともに細 かな振動を表し，ある値になると回転し始まる． 時々，その場で細かな振動運動を示すものの回転し ない場合もある．その時は，外部からの助力が必要 になる． 一方，後者の場合は，入れた瞬間に球形磁石は， アクリル管の内壁に沿って回転運動を行なう．通常 の誘導電動機は，一定の方向に回るように工夫され ているが，この場合，何も施していないので，球形 磁石の回転方向は無方向性であり，助力を与えた場 合は，与えた方向に回る．助力を与えない場合ある いは外から入れた場合は，どちらに回るかその時の 条件に依存する． 球形磁石は，電圧を30～40 V （0.25～0.3 A）印 可すると動き始まるが，回転が始まった後は，電圧 を7 V（0.03 A）程度まで減らしても回転運動が維 持できるのがわかった．そこで，回転数を測定する ために，回転している球形磁石にLED ストロボを 照射し，回転数を測定した結果，毎分約640 回転で あった．回転後，電圧を増加させると，球形磁石の 回転数は変化しないが，回転の軌道状態が円運動か ら上下の動きが加わった複雑な動きとなり，アクリ
ル管から飛び出すこともあった．球形磁石の回転運 動周波数が変化しなかったのは，回転磁界の周波数 が一定だったためであり，回転運動の仕方が変わっ たのは，回転磁界の磁力との相互作用の大きさが変 わったためであると考えられる． 三本線の内2 本を用いて回転の有無を調べた結果， 全ての組み合わせにおいて回転することが確認で きた．しかし，すべて同じ状態ではなく，特にはじ めからアクリルの管の中に入れておいた場合に顕 著であった．外力無しで簡単に回転したのが赤－黒 間に電圧を印加した時であり，残りの二つの場合は， 球形磁石がその場で小刻みに振動するものの回転 運動する様子は見られず，回転運動させるには外力 が必要であった． 2.4 球形磁石の発電実験 2.2 の実験で球形磁石が回転するのが確認できたの で，次は発電について検討を行った．2.3 では，三本 線のどの組み合わせでも球形磁石を回転させること ができたが，球形磁石の回転運動に伴う誘導起電力 を検出するためのコイルを確保しなければならない． そこで，図2(b)を見ながら組み合わせを検討した結 果，図2(b)を見ればわかるように，球形磁石が固定子 内で回転運動した場合，白－黒間のコイルが球形磁 石の近くにあり，インダクタンス（約0.24H）が赤－ 黒間のインダクタンス（約0.16H）よりも大きかった ので発電用（誘導起電力の検出部）とし，赤－黒間 を入力用とすることにした． 赤－白間を入力に用いた場合，ほかの部分が誘導 起電力の検出部として機能しなかった，逆に赤－白 間を誘導起電力の検出部に用いた場合，ほかの部分 が入力として機能しなかったので用いなかった． 図3 に実験装置の概観および実験回路を示す．測 定例を図4 に示す．図 4 の結果は，球形磁石が 11 Hz で回転した場合の結果である．検出される発電波形 は，球形磁石の回転運動に起因すると考えられるが， 入力用のコイルとの電磁誘導作用の影響も考えら れるので検証する． 発電用の白－黒間のコイル（③，④，①，②，⑥） は，全部で4 個あるので，球形磁石が固定子内を 1 回転すると発電が4 回起きる．したがって，球形磁 石が11 Hz で回転した図 4 についてみると，発電回 数は44 回となる（その周期は約 23 ms（1/44 s）と なる）．図4 では，周期が 20～22 ms となり，計算 値（約22 ms）に類似するのがわかった． 次に，図3(c)に示す回路を用いて負荷特性を測定 した． 図3 実験装置の概観図 まず，2.2 の手順で球形磁石を回転運動させ，運 動が安定してから入力電圧を約15.5 V，入力電流を 約0.1 A に固定した．そして，負荷抵抗器を調整し ながら，端子間電圧V0，抵抗器の端子間電圧 V， 負荷電流I を測定し，負荷抵抗 R は V と I を用いて 算出した．
-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 0 10 20 30 40 50 時間t(ms) 図4 電圧波形観測例 0 10 20 30 40 0 1 2 3 4 5 6 0 0.5 1 1.5 2 負荷抵抗R(kΩ） 図5 負荷特性 負荷特性には，ポイントになる二つの特性がある． 一つ目は，負荷側から測定した内部抵抗である．二 つ目は，負荷抵抗値が内部抵抗値と同等の時に供給 される電力が最大になる．これらを確かめるために 抵抗器で消費される電力P を求めた． 図5 に負荷抵抗 R に対する V0，I，P を示す．V0 とI は，R の増加に対して対称的な変化を示した．P は，負荷抵抗値が白－黒間から測定した内部抵抗 （約172.2 Ω）とほぼ同値（約 175 Ω）で最大となり， 先に述べた二つ目のポイントを確認することがで きた． ところで，この実験器は，二つのコイルを球形磁 石に回転運動を与えるためのもの（赤－黒間のコイ ル）と発電用（白－黒間のコイル）に分けて用いて いるのでコイルの相互作用が発電に影響している 可能性がある．つまり，赤－黒間のコイルによる白 －黒間のコイルへの電磁誘導の影響が考えられる ので，その影響について調べた．以下にその結果を 述べる． 球形磁石を使わない状態における電圧値の測定 および電圧波形を測定した．まず，電圧波形につい て述べる．入力電圧が40～50V までは，両波形は同 相であった．しかし，それ以上の電圧を供給した場 合，位相差が現れ，約100V の場合は，180 度の位 相差が現れた（白－黒間が遅れる）． 次に電圧について述べる．入力電圧が40～50V ま では，約14ｍV であり，100V では約 40ｍV であっ た．なお，図4 の実験では入力電圧が約 15.5V であ ったので，この電圧における球形磁石がないときの 白－黒間の電圧の大きさおよび電圧の位相差を調 べた結果，電圧の大きさは数ｍV であり，位相は同 相であった． 以上の結果と図４における結果を比べると赤－ 黒間のコイルの白－黒間コイルへの影響は，少なか ったといえる．つまり，図4 の白―黒間の電圧波形 の生成は，球形磁石が主要因であると判断できる．
