【面白動画：How does an Electric Motor work? (DC Motor)】電動機の仕組みは？(DCモーター)

If you look around your house,
you will see many devices that have electric motors,
such as kids’ toys, table fans,
toothbrushes, hairdryers, and this electric cutting knife.
But how does the electric motor work?
You turn it on and somehow it starts rotating.
Why is that?
In this video, we’ll cover the basics of electricity
and magnets and then put it all together
to understand how the motor works.
(buzzing)
(clanging)
This video is sponsored by Brilliant.
Let’s start with something called a circuit.
You have a battery, some wires
and a device that uses electricity,
such as a light bulb.
Electricity flows through the circuit.
But as soon as there is a break in the wire,
the electricity stops flowing
and the light bulb goes off.
The path must be complete for the circuit to work.
This is best down through the use of a switch.
Electricity is flowing down the wire.
This is called conventional flow.
If we take the battery out and flip it,
then the current will flow the other way.
The light bulb will still work in either case
but there are some devices
that will work differently depending
on which way the current flows.
Okay, so that’s the basics of a circuit.
Now let’s come over here.
This is a magnet.
It has a north pole and a south pole.
And it likes to attract other metal objects
like these paperclips.
If you bring another magnet towards it,
opposite poles attract,
and the same poles repel.
The magnets don’t have to be in this shape,
for example, some magnets might be more flat, like this.
You can think of this magnet as always on,
it’s always working, you can’t really turn it off.
That’s why it’s sometimes called a permanent magnet.
It’s made up of any smaller magnet domains
that are lined up in the same direction
but later, I’ll show you a type of magnet
where this not always the case.
Let’s take one of our permanent magnets
and drill a hole in the center
and put it on something that will allow it to spin.
Now, bring another magnet towards it.
Our spinning magnet will immediately line up
until opposite poles are right next to each other.
Now switch out the side magnet.
The same poles repel and opposite poles attract.
If we keep switching out these side magnets,
then our spinning magnet will just keep spinning.
This concept of the spinning magnet is really important.
We’ll come back to it in a moment.
Here’s a metal bolt which is not a magnet.
It’s made up of magnetic domains
but they’re pointing in random directions.
Now let’s take a wire,
wrap it around several times and then create a circuit.
The current through wires forces the magnetic domains
to line up.
That means we’ve just made a magnet,
or more specifically, an electromagnet.
It can do the same things that a permanent magnet can.
It can pick up pieces of metal
and it has a north and a south pole,
which will attract or repel other magnets.
But the electromagnet is special
in the sense that it can be turned on or off,
just like the light bulb.
You can’t do that with a permanent magnet.
Now watch what happens when we flip the battery.
The electric current was flowing this way
but now it flows the other way.
This will cause the poles on our magnet to switch places.
North will become south
and south will become north.
This is called reversing the polarity of an electromagnet.
Instead of flipping the battery,
an easier way to do this
is to just switch the wires.
You should be aware that the electromagnet
will get very hot if it’s on for a while,
just a caution in case this video inspires
any science projects.
Let’s come back to our spinning magnet.
This time we’ll replace the spinning magnet
with our electromagnet.
As soon as we connect the wires,
the magnet turns on and it lines up
with the side magnet.
Now, in reality, connecting these wires
would prevent the bolt from spinning freely
but what’s important here
is the concept of the spinning electromagnet.
Now let’s switch the wires to reverse the poles
on the electromagnet.
The same poles repel and opposite poles attract.
Now, reverse the polarity again.
Same poles repel and opposite poles attract.
If we keep switching the polarity,
our electromagnet will just keep spinning.
To make this strong,
let’s bring in another permanent magnet on the side.
Notice how this side has the south pole
towards the center and this side
has the north pole towards the center.
The side magnets work together
to spin the one in the middle.
This right here shows the very basics
of an electric motor
but we need to make a few improvements.
The two side magnets can be replaced
with stronger curved magnets.
And instead of a bolt with wires,
we’re gonna use a metal loop.
This is called the armature.
Connect our wires and we have a circuit again.
This time, you can think of the electromagnet
as flat like this with the south pole pointing up.
Now the armature will spin
until opposite poles are lined up.
We can keep it spinning
by switching the wires just like we did before.
But this is a lot of work to sit here
and manually switch these wires.
We need to add something
to the armature called a commutator.
It’s a ring with gaps in the opposite sides.
The commutator will spin along with the armature.
Now we connect the circuit with two brushes on the side.
These brushes will slide along
as the commutator spins.
And they are spring loaded
so that they always maintain contact.
The current flows from the wire
through the brush, the commutator ring,
the armature loop and back through the other side.
Now we have our electromagnet and the armature spins.
As we come around this time,
the brushes will switch contact
to the other side of the commutator ring.
And remember, there’s two brushes
so this is happening on both sides.
Before the switch,
the current in the armature is flowing this way.
After the brushes switch sides,
current will flow the other way.
This means the electromagnet switches polarity,
which will cause the armature to keep spinning.
This commutator ring does the same thing
as switching the wires like we were doing before
but this time, it does it all on its own.
It will continue to spin
as long as we’re connected to a battery.
Disconnect the battery, no more electromagnet
and the spinning stops.
Now, so far, we’ve only used one loop on the armature.
This will cause our motor to have an irregular speed
and in fact, we could get stuck in this position
with the brushes halfway between commutator segments.
What we can do is split the commutator ring
and then add another loop,
so first, the brushes are in contact
with these commutator segments,
which turns on this selector magnet,
which causes it to start spinning.
Once we get to here,
the brushes switch contact
to the next pair of commutator segments,
which means this loop turns off
and the next loop turns on.
Now, this electromagnet wants to spin.
The brushes switch contact
and the next loop turns on.
This keeps happening as our motor spins.
It’s almost like the loops
will take turns being an electromagnet.
Some electric motors will add many loops to the armature.
This ensures that there will be a continuous spinning motion
on the motor.
This spinning force on the armature is called a torque.
Stronger torque means a faster spin.
There are some things we can do to improve the torque
of the motor.
Electromagnets are stronger when there are more wires.
This is true when we wrap more wires
around the metal bolt
and it’s also true when each of our armature loops
are made of many wires.
The motor will have stronger electromagnets,
which means it will spin faster.
If you look at some pictures
of real electric motors,
you can see lots of wires wrapped around
and yes, this is the same reason.
More wires wrapped around means stronger electromagnets.
Another way to make this stronger
is to use more electricity.
Let’s learn a few more terms here.
The part that doesn’t move is called the stator.
In this case, it’s the two permanent magnets on the side.
These fit inside the edges of the motor case.
The armature in the middle is also called a rotor.
Remember, this is the part that spins.
The axle goes through the middle here
and then sticks out the back of the motor.
What I’ve shown you in this video
is called a DC motor.
If you have a device that moves
and is powered by a battery,
there’s a good chance there’s DC motor in it.
Other types of electric motors
will work a little differently than what I’ve shown here.
No matter the type of motor,
most of them will produce some type
of spinning motion.
Once it’s spinning,
we can use this to make different devices move.
In this case, a kids’ toy.
Or even a fan that cools your room.
The spinning of the motor
can be converted to other types of movement,
such as the side-to-side motion that we see in this fan.
Or how about this electric cutting knife?
Each blade is going back and force.
It all starts with the spinning of the motor
to turn a gear,
which then pushes these two pieces back and forth.
So hopefully this video has made a few light bulbs go off
in your brain.
If you like learning new things,
head on over to Brilliant.
This is a problem-solving website
and app that focuses specifically on math and science.
The idea here is that you learn by doing.
Pick a topic, it starts with the basics
but gradually gets more complex as you go.
For me, I’ve enjoyed how you can see
these concepts visually,
like the area of a circle.
You get to see why the equation works.
The best way to learn is to do it yourself.
Master the concepts by solving fun
and interactive problems and look at that,
they’ve even got a course on electricity and magnetism.
You can learn more about the concepts you’ve seen
in this video.

家の中を見渡してみると
家の中を見渡すと、電動モーターを搭載した機器がたくさんあります。
子供のおもちゃ、扇風機、歯ブラシ、ドライヤー
そして、この電動カッターナイフもそうです。
でも、モーターってどうやって動くの？
スイッチを入れると、なぜか回転しますよね。
どうしてでしょう？
このビデオでは、電気と磁石の基本を説明してから
電気と磁石の基礎を説明し、それをまとめて
モーターの仕組みを理解していきましょう。
(ブーン)
（音が鳴る）
このビデオはBrilliant社のスポンサーです。
まず、回路というものから始めましょう。
電池と電線があります。
電気を使う装置があります。
電球のような電気を使う装置があります。
電気は回路の中を流れます。
しかし、電線に切れ目が入った途端に
電気が流れなくなり
電球が消えてしまいます。
回路が機能するためには、経路が完全でなければなりません。
そのためには、スイッチを使うのが効果的です。
電気は電線を流れています。
これをコンベンショナルフローといいます。
電池を取り出してスイッチを入れると、電流は逆に流れます。
電流は反対方向に流れます。
どちらにしても電球は動きます。
電球はどちらでも動きますが、機器によっては
どちらに電流が流れるかで、動作が異なる機器が
どちらに電流が流れるかで動作が変わる機器もあります。
さて、以上が回路の基本的な説明です。
では、こちらに来てみましょう。
これは磁石です。
北極と南極があります。
磁石は他の金属物を引き寄せます。
このクリップのようにね。
別の磁石を近づけると
反対の極が引き寄せられ
同じ極は反発します。
磁石はこのような形である必要はありません。
例えば、このように平らな形の磁石もあります。
この磁石は、常にオンになっていると考えることができます。
この磁石は常にオンになっていると考えることができ、常に働いていて、実際にオフにすることはできません。
そのため、永久磁石と呼ばれることもあります。
この磁石は、同じ方向に並んだ小さな磁石のドメインが
同じ方向に並んでいる
しかし、後でご紹介するのは、そうではないタイプの磁石です。
これは常にそうではありません。
永久磁石の一つを取って
中央に穴を開けて
そして、それを回転できるものの上に置いてみましょう。
そして、もう1つの磁石をそこに近づけます。
回転している磁石は、すぐに並んで
反対の磁極が隣り合うまで。
今度は横の磁石を入れ替えてみましょう。
同じ極は反発し、反対の極は引き寄せます。
この横の磁石をどんどん入れ替えていくと
回転する磁石は、ひたすら回転し続けます。
この「回る磁石」という概念はとても重要です。
この概念はとても重要です。
ここにあるのは、磁石ではない金属のボルトです。
これは磁区で構成されています。
しかし、それらはランダムな方向を向いています。
次に、ワイヤーを手に取りましょう。
それを何回か巻いて、回路を作ります。
電線に電流を流すと、磁区が一直線に並ぶようになります。
並びます。
つまり、磁石ができたのです。
もっと言えば、電磁石です。
永久磁石と同じことができます。
金属の破片を拾うことができます。
北極と南極があります。
他の磁石と引き合ったり、反発したりします。
しかし、電磁石は特別です。
電磁石は、電球と同じように、スイッチを入れたり切ったりすることができるという点で特別です。
しかし、電磁石の特徴は、電球のようにオン・オフができることです。
永久磁石ではできないことです。
さて、電池を反転させるとどうなるか。
電流はこちらに流れていましたが
逆に流れるようになります。
そうすると、磁石の極が入れ替わります。
北が南になり
南が北になります。
これを電磁石の極性を反転させるといいます。
電池を反転させるのではなく
もっと簡単な方法は
配線を入れ替えればよいのです。
気をつけなければならないのは、電磁石が高温になることです。
電磁石の温度が非常に高くなることに注意してください。
このビデオを見て科学的なプロジェクトに興味を持った方のために
注意してください。
それでは、回転する磁石に戻りましょう。
今回は、回転する磁石を電磁石に置き換えてみましょう。
電磁石に置き換えてみましょう。
ワイヤーを接続するとすぐに
磁石の電源が入り、側面の磁石と並ぶようになります。
側の磁石と並びます。
さて、実際にこの線をつなぐと
ボルトが自由に回らなくなってしまいます。
しかし、ここで重要なのは
ここで重要なのは、回転する電磁石の概念です。
では、電線を入れ替えて電磁石の極を逆にしてみましょう。
電磁石の極を逆にしてみましょう。
同じ極は反発し、反対の極は引き付けます。
今度は、また極を逆にしてみましょう。
同じ極は反発し、反対の極は引き合います。
このまま極性を入れ替えても
このままでは電磁石は回転し続けるだけです。
これを強くするために
強くするために、横にもう1つ永久磁石を持ってきましょう。
こちら側は南極が中心に向かっていることに注目してください。
こちら側は南極を中心に、こちら側は北極を中心に
は北極が中心に向かっています。
側面の磁石が連動して
真ん中の磁石を回転させます。
これは、電気モーターの基本中の基本です。
電気モーターの基本を示しています。
しかし、もう少し改良する必要があります。
側面の2つの磁石は、より強力な曲面磁石に置き換えることができます。
より強力な曲面磁石に交換します。
また、ワイヤー付きのボルトの代わりに
金属製の輪っかを使うことにします。
これをアーマチュアと呼びます。
ワイヤーを接続すれば、再び回路ができあがります。
今回の電磁石は、このように平らで、南極が上を向いていると考えていいでしょう。
今回の電磁石は、このように平らで、南極が上を向いていると思ってください。
さて、電機子は反対の極が並ぶまで
反対の極が揃うまで
先ほどと同じように配線を入れ替えれば、回転し続けることができます。
先ほどと同じようにワイヤーを交換することで、回転を維持することができます。
しかし、ここに座って手動でワイヤーを切り替えるのは大変な作業です。
手動で切り替えるのは大変です。
そこで、電機子に
アーマチュアに「整流子」と呼ばれるものを加える必要があります。
コミュテータとは、対向する面に隙間のあるリングのことです。
この整流子がアーマチュアと一緒に回転します。
次に、側面にある2つのブラシで回路を接続します。
このブラシは、整流子の回転に合わせて
コミュテータの回転に合わせて
ブラシにはバネがついていて
常に接触しているようになっています。
電流は、ワイヤーから
ブラシ、コミュテータリング、アーマチュアループを経て
電機子のループを通り、反対側に戻ってきます。
これで電磁石ができあがり、アーマチュアが回転します。
今回、このように回ってくると
ブラシは整流器の反対側に接触します。
コミュテータリングの反対側に接触します。
ブラシは2本あります。
これは両側で起こります。
スイッチが入る前。
電機子の電流はこのように流れています。
ブラシが切り替わった後は
電流は反対側に流れます。
つまり、電磁石の極性が切り替わります。
電機子が回転し続けることになります。
この整流子リングは、先ほどの配線の切り替えと同じように
先ほどの配線の切り替えと同じですが
今回は自分でやっています。
回転し続けます。
バッテリーに接続されている限り、回転し続けます。
バッテリーを外すと、電磁石がなくなり
そして回転が止まります。
さて、ここまではアーマチュアに1つのループしか使っていませんでした。
これでは、モーターの速度が不規則になり
実際には、この状態ではブラシが途中までしか通らないので
実際、ブラシが整流子の中間にある状態で、この位置に留まってしまうことがあります。
そこで、整流子のリングを分割して
を分割し、さらにループを追加します。
そうすれば、まずブラシが整流子セグメントに接触して
この整流子セグメントにブラシを接触させます。
そうすると、このセレクターマグネットがオンになります。
そうすると、セレクターマグネットがオンになり、回転し始めます。
ここまで来ると
ブラシが次の整流子セグメントに接触して
次の整流子セグメントのペアに接触します。
つまり、このループがオフになり
次のループがオンになります。
さて、この電磁石が回転したいとします。
ブラシの接点が切り替わり
そして次のループがオンになります。
このようにして、モーターは回転していきます。
まるで、ループが
電磁石としての役割を交代で果たしているようなものです。
電気モーターの中には、電機子にたくさんのループを付け加えるものがあります。
これにより、モーターの回転が継続的に行われるようになります。
モーターの回転を持続させることができます。
この電機子の回転する力をトルクといいます。
トルクが強ければ速い回転が得られます。
モーターのトルクを向上させるためには、いくつかの工夫が必要です。
モーターのトルクを向上させるためには、いくつかの工夫が必要です。
電磁石は、線の数が多いほど強くなります。
これは、金属製のボルトに、より多くのワイヤーを巻いて
金属のボルトに巻き付けて
また、電機子のループにもたくさんの線が使われていると、より強くなります。
また、電機子のループもたくさんの線でできています。
モーターの電磁石は強くなります。
モーターの電磁石が強くなるので、回転が速くなります。
本物のモーターの写真を見ると
実際の電気モーターの写真を見ると
たくさんのワイヤーが巻かれているのが見えますが
そう、これも同じ理由なのです。
電線がたくさん巻かれているということは、それだけ電磁石が強いということです。
これを強くするもう一つの方法は
電気をたくさん使うことです。
ここで少し用語を覚えておきましょう。
動かない部分を「ステーター」と呼びます。
ここでは、側面にある2つの永久磁石のことを指しています。
これがモーターのケースの縁に収まっています。
真ん中のアーマチュアは、ローターとも呼ばれます。
これが回転する部分であることを覚えておいてください。
車軸は、この真ん中を通って
モーターの後ろ側に突き出ています。
今回のビデオでご紹介したのは
DCモーターと呼ばれています。
電池で動く装置がある場合
電池で動くものがあれば
DCモーターが使われている可能性があります。
他の種類の電気モーター
は、ここで紹介したものとは少し仕組みが異なります。
どのタイプのモーターであっても
モーターの種類に関わらず、ほとんどのモーターは何らかの形で
回転することができます。
回転していると
これを使って、いろいろな装置を動かすことができます。
この場合は、子供のおもちゃです。
あるいは、部屋を冷やす扇風機でもよい。
モーターが回転することで
他の動きに変換することができます。
例えば、この扇風機のように、左右に動くこともできます。
また、この電動カッターナイフはどうでしょう。
それぞれの刃が戻ったり、力を加えたりしています。
すべてはモーターの回転から始まります。
モーターを回転させ、ギアを回して
そして、この2つの部品を前後に押すのです。
このビデオを見て、あなたの頭の中にいくつかの電球が浮かんだことでしょう。
頭の中でいくつかの電球が点灯したことでしょう。
新しいことを学ぶのが好きな方は
Brilliantに行ってみてください。
問題解決のためのウェブサイト
アプリで、特に数学と科学に焦点を当てています。
ここでは、「やってみることで学ぶ」という考え方をしています。
トピックを選ぶと、基本的なことから始まります。
徐々に複雑になっていきます。
私の場合は、これらの概念を視覚的に見ることができるのが楽しいですね。
私にとっては、これらの概念を視覚的に見ることができるのが楽しいです。
例えば、円の面積。
なぜ、その方程式が成り立つのかを知ることができます。
学ぶには、自分でやってみるのが一番です。
楽しくインタラクティブな問題を解くことでコンセプトをマスターし
見てください。
電気と磁気のコースもあるんですよ。
このビデオでは、今まで見てきた概念について、より詳しく学ぶことができます。
このビデオでご覧になったコンセプトについて詳しく知ることができます。