実は奥深い「モーター」の世界

回転体に電流を流す方法とは

電車の屋根についているパンタグラフを見たことがあるでしょう。パンタグラフとそれが接する架線は、動いているものと静止しているものとがこすれながら通電する機構です。
同様の機構がモーター（電動機）や発電機にも使われています。モーターは導体に電流を流して電磁石にし、それを回転させて動力を得るもので、発電機はモーターと反対で、導体を回転させて電気を得るものです。回転体に直接配線を接続すれば絡まってしまうため、回転体にリング状の導体の「スリップリング」を取り付けて、そこに「ブラシ」を押し当て、互いがすり合って電流が流れる仕組みが使われています。ブラシは主に黒鉛で作られているため摩耗しやすく、特に発電所や工場などの大きな発電機は交換にコストがかかります。そこで、ブラシの寿命を延ばすための研究が行われています。

ブラシとスリップリングの謎

ブラシとスリップリングは古くから使われている機構ですが、ブラシとスリップリングが接触する面は見えないため、そこで起こっている現象はいまだによくわかっていません。また、ブラシの摩耗は湿度や回転数、気温、振動などさまざまな要因に影響を受けるため、コンピュータでのシミュレーションは困難です。そのため、実際にいろいろな条件で回転させて摩耗量を調べる実験を行います。収集したデータを検証、解析し、接触面での現象を予測してブラシの原理を解明し、摩耗しにくいブラシの開発へとつなげます。

スリップリングの材質も検証

スリップリングについても材質ごとの特性が調べられています。従来は銅が使われていましたが、銅は鋳造過程で気泡が入ってしまい、それが重さのバランスを損なう原因となっていました。近年使用されている鋼鉄のスリップリングは圧延で製造されるので気泡が入らず、安価という利点もあります。ただし鋼鉄は、銀や銅などの貴金属とは摩耗や通電などの特性が全く異なるため、その特性を解明するための研究が進められています。

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帝京大学理工学部機械・精密システム工学科助教福田直紀先生

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電気工学、電気機械工学、メカトロニクス

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メッセージ

実験系の研究は、手間や時間がかかり地味ではありますが、手がかかる分だけやりがいがあります。特に、徐々に蓄積されていったデータが重なって何かが見える瞬間は、何物にも代えがたいものです。また地道な努力で得られたデータは信ぴょう性が高く、時代を超えて生き残り得るものです。実際、50年前の文献が今も通用しています。地道にこつこつ努力ができる人は、この分野に向いています。一点を長く見つめて努力すればよい成果につながるので、興味を持ったらぜひチャレンジしてみてください。

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帝京大学宇都宮キャンパスは栃木県宇都宮市の北西部の高台にあるキャンパスで、理工学部の4学科（機械・精密システム工学科、航空宇宙工学科、情報電子工学科、バイオサイエンス学科）をはじめとして、医療技術学部柔道整復学科、経済学部地域経済学科が開設され現在は文系・医療系・理工系を擁するミニ総合キャンパスとなっております。それぞれの学問領域で交流を図りながら各分野のスペシャリストとして、将来、さまざまな分野の核として、地域に貢献できる人材を育成します。