2014年1月24日金曜日

【フリエネ】 ボールベアリングモーターが回るっていう謎 (その2)

どうしてクルクルと回るのかよくわからない「ボールベアリングモーター」.
↓なんで回るんだろう? ボールベアリングの断面はこんな感じになっています.
↓ベアリングの玉ひとつを拡大して、玉が時計方向①に転がるとします.金属シャフトには画面のあっち側へ向かって電流②が流れていて、磁界③を生じているとします.もしも玉の表面に偏西風みたいな方向の円環電流④が流れているとしたら、玉は①の方向へ回転します.なぜなら、偏西風電流が金属シャフト電流と引き合ったり反発したり⑤するから.なので、ベアリングの玉の表面に偏西風電流が発生するようなモデルがあるかどうかです.
↓これはベアリングの玉の北極点の近傍を拡大した図です.電流①は南極点から入って北極点へ抜けて出て行きます.玉は②の方向へ転がるとしますと、玉の表面に住んでいるベアリング星人にとっては、電流が噴出する座標が③の方向へ移動するように見えます.渦電流とは異なりますが似た現象として、④の座標では電流が少し残り、⑤の座標では逆向き電流が生じると考えると、⑥の方向すなわちころがり方向へ微弱な電流が流れます.しかし、偏西風電流ではありません.渦電流的な電磁作用かと思ったのですが、それでは説明できなさそうで、撤退します! フリエネの諸先輩方、抗って申し訳ありませんでした!
↓元々このベアリングモーターの原理は、ファラデーの単極誘導”だろう”と言われていて、ネットをうろついていたら単極誘導モーターについて面白いページを見つけました.   http://sysplan.nams.kyushu-u.ac.jp/gen/hobby/elec/Motor/UniMotor.html
このビデオを見ると、え~っ、一体何に対してこのモーターは回転してるのォと思うんじゃないかと.
↓固定子と回転子の反作用で回転子が回るのがフツーのモーターの概念ですけど、この単極誘導モーターには固定子が存在しません.単極誘導モーターは、電流経路の円盤と磁石が接着されています.下図の磁束と電流のベクトルをフレミングの左手の法則にあてはめると、○のところが画面手前に動くと予想されます.
固定子がないとはなんつうオカルトな奴だと一瞬思いますが、ビデオをよーく見ると円盤電流は9時の方向(ブラシの位置)へ抜けるベクトルとして固定されています.ゆえに、固定された電流が回転する磁界を斬りまくるという関係で電磁誘導はフツーに成立してるんです.作用反作用に依らないUFOの推進原理かと思ったら甘いです.
ボールベアリングモーターが単極誘導モーターの一種だとして、どういう対応なのか?
外周へ向けた電流
ボールベアリングを外周方向へ流れる電流が、単極誘導モーターの電流に対応する.これには異論無さそうに思う.
長手方向の磁束
磁石はどこにもない.弱いけど着磁している金属シャフトが磁石だろうか? 違う気がする.なぜなら、初動を与えないと回転しない性質がボールベアリングモーターにあるから.ゆえに回転することで長手方向に磁界が発生するメカニズムがあると考えるのが妥当だろう.
ボールが転がって回転するということは、電荷がグルグルと回ることと等価(下図)だと考えて良かろう.つまり疑似円環電流がそこに生じる.疑似円環電流の中心には、磁束が生じる.これが長手方向の磁束なのではないだろうか?
以上の考察から、ボールベアリングモーターを効率よく回してやるには、
 1) 金属シャフトの長さは関係ない
 2) 金属シャフトやベアリングが磁性材料である必要はないが、金属シャフトがモロに棒磁石だと面白いことになりそうだ
 3) 金属シャフトは細い方が良さそう
 4) ベアリングは平べったい(円盤型)が良いだろう
 5) 大きな玉と小さな玉とどっちがいいか? 疑似円環電流が速くて大径なのがいいので、大径さを採って大玉がいいかな?
 6) 玉は多い方がいいか? 多いと電流が分散し、少ないと集中するだけなので、関係ないと思う

追記2018.11.14:単極誘導モーターが回る理由について
↓磁石の前に水平に四角い導線を置き電流を流します.導線は上向きの力を受けてピクッと動くと思います.ファラデーの左手の法則ってこれでよかったんじゃないかな?
↓四角い導線の代わりに、単極誘導モーターの回転円盤をポコッと置きます.軸からブラシへ電流を流します.電流は概ね最短経路を流れると仮定すると軸→ブラシへの直線的電流経路が生じます.この電流経路は上図の四角い導線と同じだと考えると円盤を回転させる力となります.
単極誘導モーターについてわたしはこのように考えている次第です.

かしこ

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21 件のコメント:

  1. ソニーOB:佐藤2014年1月24日 17:39

    なかなか難しいですね。調べてみると、この現象を取り上げているHPって多いんですね、びっくりしました。
    ところで、ここ数年前から思う事なのですが電気通信主任技術者と工事担当者試験のテキストや問題集って減ってしまいましたよね。本屋にあるのもなんとなくこれが売れたらもう終わり状態って感じで。これから受ける人ってどうすれば良いのでしょうね。

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    1. そう、いっぱいあるんです、ゆえにフリエネ好きもいっぱいいるんです(笑)

      その資格の教材市場が収縮中とは知りませんでした.そんなことあるんですね.どうしてでしょう? もしかしてユーキャンの陰謀だったりして、、、

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    2. ソニーOB:佐藤2014年1月24日 17:54

      ユーキャンでは電気通信系は無いですね。電験3種と2種電気工事士は開講しているけど。
      こういう通信教育で不思議なのは、仮に危険物取扱者試験の教育で添削5回って何を添削するんだ!って事です。記述式や論文形式の問題ならわかりますが・・・
      高校の時には進研ゼミでしたがほとんど提出したことなかったです。

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    3. ソニーOB:佐藤2014年1月24日 17:56

      そうそう言い忘れていました。
      無線の試験勉強で結局は血尿にならなかったです。

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    4. わたしは進研ゼミに興味がないのですが、以前子供がやっていて、赤字で添削されたのが郵送されます.その添削の文字の美しさったら感動的でした.そこにだけ感心しました.

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    5. すぐに血尿になるひとっているんですよね.すぐに歯が痛くなる人もいます.あとすぐに胃が痛くなる人と、腰が痛くなる人.わたしはストレスが身体反応に出る定番ってあるかというと、ないかも.ストレス関係なく、アトピーとか喘息とか鼻炎とかでアレルギー祭りってことならありますが.

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  2. ソニーOB:佐藤2014年1月24日 18:11

    私も基本的には体に変調はないですねぇ。
    ところでHPのタイトルのフォントを大きくしました?
    近々では知的財産管理検定3級を受験の予定です。まだ受験申請してないけど。
    TOEICは3月期を受けようかその次にしようか迷っているところです。
    5月はまた測量士補の試験を受けようと国土地理院(東北支部)に行って受験案内をもらってきました。今度は取れると思うけど。

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    1. フォントサイズはいじってませんが、google systemが勝手にやったのかも

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    2. わたしは、3月26日に、ガス配管工事の講習を受けたいと申し込みました.受理されたかどうかはたぶん3月にならないとわかりません.

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  3. 「単極誘導モーターには固定子が存在しません」 は上手く解析されています。

    ところで、ABSの7φ棒を入手して、ホットガンで押し出そうとしますと10%成功しました。
    ガンは前に買った百均160℃の分です。
    結果は十分軟化して(流動点までは今ひとつ)幾ら押しても先から出てきませんでした。
    思い切って引っこ抜くと先端が段付きの変な格好になっています。
    他のを付ける必要があったので普通のグルーに戻し使っていますと、所々に、ABSが浮かんだ状態で出てきます。

    もう一個新しく買って(こちらは165℃と書いてありますが実力はないみたい)中を覗いてみますとグルーの通り道が7mmで一番奥に長さ17mm太さ5φのスプリング、5φのスチールボール、な打差4mm6φに4φの穴が開いたストップバルブが打ち込んであって、一旦出たら逆流しないようになっていました。

    はじめの時出そうで出なかったのは、このバルブが悪さをしていました。
    6φのドリルで揉んでやると、これらは外れて出てきて、後ろから先端の穴が見えます。

    7φのヒーター穴に対し6φの穴が段付きになっているせいか、温度が少し低いのか、今度の分はあまりできが良くなく、165℃と書いてあっても軟化度が弱いようです。
    ABSロッドを引き出してみますと、先太りに成って少し軟化していますが、先端のところが最後の21mmが進めず押し出せません。

    ポジスタヒータは前の分は真鍮カートリッジにアラミドフィルムでくるんで入れ、かしめてあり、今度の分は同じくアラミドフィルムでくるんで、薄い鉄板で押さえ円筒に引っかけて、鉄板を押す簡単なバネ方式です。

    今度はヒーターを半田鏝用なんぞに換えてやればよいと思うんですが、温調付きでないと焦げてしまうので、此も面倒です。

    7.5mmグルーが使えて200℃位まで上げられるのはご存じ有りませんでしょうか?

    3Dプリンタ代わりに ABS肉盛り器に出来たらと考えています。

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    1. ABSをホットガンで溶かして押し出そうと思うこと自体が面白いです.
      ABSって硬質なので溶ける場面をあまり想像できませんが.

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    2. 豆腐より柔らかくなります。

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    3. http://www.toray.jp/plastics/products/toyolac/technical/tec_001.html
      此によるとシリンダー温度は220~240℃位のようです。
      (ABSと言っても配合で種類があるようです、アクリル、ブタジエンゴム、スチロールの混合体)AS樹脂というのは結構硬いのですが、弾力が少なく衝撃に弱いようです。

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  4. ベアリングモーターに関するコメントの記述がないのは残念です。

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  6. 平坂久門様、
    ベアリングモーターについての興味部会記事を読ませていただいています。今も研究なさってらっしゃいますか。実は、当方でも、2年ほど前から調査研究してきました。それで、わたくしの調査の現状をお伝えいたします。時間がありましたら、下記ユーチューブとブログを見ていただけるなら幸いです。

    https://www.youtube.com/watch?v=-IhGpjgka9o
    http://yitkmg.seesaa.net/article/442864415.html

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  7. ここをお借りして、短くわたくしの見解をお伝えいたします。
     固定のアウターレースは磁性体である必要はありません。しかし、ボールとインナーレースは強磁性体である必要があります。
     回転原理は、ボールの中心とインナーレースの接点の間で、また、インナーレースの接点付近で生じる、回転に伴う磁気ヒステリシスによる、残留磁束が電流と作用して先の回転方向にローレンツ力によるものです。
     回転のカギは、ある導体の円柱を均一に流れる電流による磁束の分布は、円柱の中心はゼロであるということです。しかし、剛球の場合は、電流を流したあとに初動回転させると、電流の中心はゼロではなく、残留磁化した磁束が残ります。この磁束と電流の相互作用は常に初動回転させた方向へのローレンツ力となり、剛球の回転とるくを発生させます。同じことは、インナーレースにも生じます。

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    1. ビデオを拝見しました.ボールベアリングの接点近傍における、残留磁束vs電流磁束の増強作用による推進力と理解しました.筋の通っていない部分は見当たらないように思いました.
      わたしはベアリングモーター全体のマクロな作用を考察しましたが、熊谷さんのミクロな事象が解なのかもしれませんね.

      低電圧大電流な電動機としてベアリングモーターに面白い応用があればいいなと思いつつ...

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    2. >ゆえに、固定された電流が回転する磁界を斬りまくるという関係で電磁誘導はフツーに成立してるんです.

      ここについて詳しく知りたいです。
      単極モータの反作用は回路全体に働くという論文や、反作用は静電場に角運動量(電磁波)として保存されるという論文を見つけました。
      結局単極モータの反作用はどこに働くのでしょうか?
      単極モータはそもそもローレンツ力ではないというサイトもありました、、

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    3. 記事のほうにわたしの仮説を書きました.わたしはあまり難しく考えていないんですね.では.

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