電磁石の紹介
公開日時:
2021-11-09
物事を異なる角度から分析すると、異なる性質と特性を見つけることができる。以下では、電磁石を比較的完全に記述するために、できるだけ多くの角度から分析する。
物事を異なる角度から分析すると、異なる性質と特性を見つけることができる。以下では、電磁石を比較的完全に記述するために、できるだけ多くの角度から分析する。
エネルギーの観点から見ると、電磁石はトランスデューサです。電気エネルギーを機械エネルギーに変換する装置です。これも電磁石の本質的な特徴です。
機械的な観点から見ると、電磁石も機械的な動作を提供する動力源の一つです。それでは、電磁石以外の機械動力源にはどのようなものがあるか見ていきましょう。例えば、モーター、空気圧システム、油圧システム（実際、空気圧や油圧も最終的にはポンプが動力を供給し、その動力は最終的にモーターによって提供されます）、エンジン（自動車、航空機、宇宙船のエンジンはすべて化学エネルギーを機械エネルギーに変換するものです）。ここから分かるのは、人類が利用できる機械的な動力源は限られており、使用環境や使用場所によってその選択肢も制約を受けているということです。産業用や民生用で最も広く使用されているのはモーターであり、これは電気エネルギーの利用と伝送が比較的容易であるためです。人類はほとんどのエネルギー源を電気エネルギーに変換して利用しています。しかし、どのタイプのモーターも出力する動力は回転運動であり、直線運動が求められる場合には変換機構が必要になります。これにより、システム全体の機械効率が大きく低下することになります。機械的な伝達を用いるため、最終的に得られる直線運動の速度や周波数を高めることが難しく、モーターや変換機構自体の構造もそれほどシンプルではありません。そのため、電磁石は直線運動の距離がそれほど長くなく、速度や周波数に一定の要求がある場面において、他の手段では代替できない独自の優位性を持っています。
電気的な観点から見ると、電磁石は大きなインダクタンスを持つ負荷素子の一つです。直流電磁石であれ交流電磁石であれ、いずれもコイルと鉄心から構成されており、この構造がそのインダクタンス特性を決定しています。コイルの巻数が多く、鉄心が太いほど、インダクタンスは大きくなり、エネルギーの蓄積量も増え、出力力も大きくなります。その一方で、動作応答時間が長くなり、交流電磁石の場合、電圧と電流の位相差が大きくなり、動作の安定性が低下します。交流電磁石においては、鉄心内に渦電流が発生し、鉄損が大きくなるため、鉄心は板状に積み重ねて作られ、渦電流を抑制しています。これが、交流電磁石の外観が四角形である理由です。直流電磁石の場合、通電時には電流が徐々に定格電流に達しますが、これが動作応答時間の原因です。電源を切った瞬間、インダクタンスは逆方向に放電し、逆起電圧が発生します。これにより、スイッチ接点や電源に逆方向の衝撃が加わります。直流電力が大きい、または頻繁に動作する場合には、フライバックダイオードや逆電流吸収保護素子を追加する必要があります。
制御の観点から見ると、電磁石は状態制御素子です。電磁石の構造がシンプルであるため、電磁石の動作中において出力力、位置、速度の制御は困難です。たとえ閉ループでリアルタイム制御を行っても、制御効果は必ずしも満足のいくものではありません。それに対して、電磁石は状態への反応が非常に明確であり、到達位置と戻り位置は、繰り返し動作を行ってもほとんど変化しません。
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