電子工作:モーターの基本特性を示す「トルクと出力」についてご紹介

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今回は、モーターの基本特性を示す「トルクと出力」についてご紹介します。
「トルクと出力」について

トルクは、回転運動の「力」の大きさを示す物理量です。物理学での力(単位はニュートンN)は、直線方向に働く作用ですが、これを回転運動と組み合わせたものが「トルク」です。トルクが大きいほど、回転する力が大きいことになります。

トルクは回転する運動について、ある半径の先でどれだけの力が作用するかという形で示します。
「トルクの定義」について
回転部分の径が大きいほど、軽い力で回すことができる

手や足で何かを回すとき、その回転部分の径が大きいほど、軽い力で回すことができます。ツマミ、ダイヤル、ハンドル、自転車のペダルのクランクなどがその実例です。

ネジは、指では軽くしか締められませんが、握りの太いドライバーや長いレンチを使えば強く締めることができます。つまり回転運動は、力を作用させる半径が大きいほど、その回転が強くなるのです。
回転させる力は、半径×力

物理学ではこの回転させる力を、半径×力で表します。
半径が同じ場合、力を強くすれば回転力が強くなるのは当然ですが、同じ力でも半径が大きければ、やはり回転力は強くなります。

これは半径と力を掛けることで説明できます。この回転させる力のことを「トルク」といいます。
トルクの単位について

トルクは、半径1mの先に1Nの力がかかっているときに1N・mという大きさになります。

トルクの正式な表記はN・mですが、かつては力にkgf、gf、半径にcmを使う異なる形式も広く使われていました。この場合「kg・m」「g・cm」という形になります。

1kgの物体が重力により引っ張られる力、つまり1kgの重さを支える力は9.8Nとなります。
例えば1kg・mは9.8N・m、1g・cmは0.000098n・mになります。小さなモーターなどでは「g・cm」がちょうどよい単位になります。
「動力源にはもう1つの重要な仕事率(kW/馬力:ps)」について

モーターやエンジンなどの回転動力の特性として、トルクは重要な値です。動力源にはもう1つ重要な特性があります。それがいわゆる出力、正確には仕事率で、kWや馬力(ps)で示されます。
1秒間の仕事率は、1馬力(ps)/735.5W

出力は1秒間にどれだけの仕事をできるかを示す数値で、ワット(W)で表します。1Wは毎秒1Jのエネルギーを出力できます。エンジンなどの1馬力(ps)は735.5Wとなります。
出力はトルクと回転数に比例する

モーターのような回転動力源の出力はトルクと大きな関係がありますが、これにさらに回転速度が関与します。トルクは回転の強さを示しますが、実際にどれだけの速度で回転しているのかは示していません。

同じトルクであれば、より速く回転しているほうが、大きな出力を生み出しているのは明らかです。トルク「T」で毎秒「n」回転しているときの出力「P」は以下の式で示されます。つまり出力はトルクと回転数に比例します。
P=2×π×n×T
回転速度を変えることができる「プーリー/ギアの切り替え」

モーターやエンジンで車輪を回転させるときなど、回転速度やトルクが使用状況に合わない場合は、歯車やベルトを使って回転速度を変えます。ベルトの場合はプーリーの直径比、歯車の場合は歯数(ギア)の比で回転速度を変えることができます。
ギア比を半分にすればトルクは2倍になる

歯車などを使って回転速度を変換すると、同時に回転のトルクも変化します。例えば20歯と40歯の歯車を使って、モーターの回転速度を半分にして車輪を回転させる場合、車輪の駆動トルクはモーターの軸トルクの2倍になります。

回転数比とトルク比は逆比例する

つまり回転数比とトルク比は逆比例します。高速でトルクが小さいモーターでも、減速することで、車輪を強い力でゆっくり回すことができます。
歯車による減速
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