電動モーターの仕組み: 選択、計算、トラブルシューティング

AC 電気モーターの仕組み

AC 電気モーターは、電磁誘導を通じて交流電気エネルギーを機械的回転に変換します。動作原理は 2 つのコアコンポーネントに依存しています。 ステーター (巻かれた銅コイルの固定外側アセンブリ) および ローター (回転内側シャフトアセンブリ)。 AC電圧が固定子巻線に印加されると、回転磁界が生成されます。ローターは、かご、巻線ローター、永久磁石アセンブリのいずれであっても、この回転磁界に反応して引っ張られて動き始めます。

誘導モーター (最も一般的な AC タイプ) では、回転するステーター磁界により、ファラデーの電磁誘導の法則によりローター導体に電流が誘導されます。この誘導電流によって独自の磁場が生成され、ステーターの磁場と相互作用してトルクが生成されます。ローターはステーターの回転磁界に完全に追いつくことはありません。この速度の差を呼びます。 スリップ 、通常は同期速度の 2 ～ 5%。この滑りが誘導電流を維持し、したがってトルクを維持します。正確に同期速度になると、誘導が停止し、トルクがゼロになります。

同期速度 (回転数) は、供給周波数と磁極の数によって決まります。 N = (120 × f) ÷ P ここで、f は Hz 単位の周波数、P は極の数です。 60 Hz 電源の 4 極モーターは 1,800 RPM の同期速度で動作します。一般的なスリップの場合、実際のシャフト速度は約 1,725 ～ 1,760 RPM になります。

三相モーターの仕組み

三相モーターは産業用途の主力製品です。これらは単相モーターと同じ誘導原理で動作しますが、重要な利点があります。つまり、時間的に 120° オフセットされた 3 つの個別の AC 電圧が、ステーター ボアの周りに対称的に配置された 3 組のステーター巻線に供給されます。これにより、 自然に回転する磁場 補助的な始動コンポーネントが一切ないため、電力が投入された瞬間から 3 相が本質的にスムーズな自己始動回転を生成します。

その結果、モーターは負荷時に確実に始動し、非常に低いトルクリップルで動作し (三相波形の合計はほぼ一定になります)、同等の単相設計よりも高い効率と電力密度を実現します。三相モーターが大まかに占める 産業用電力消費量全体の 70% その主な理由は、信頼性、効率 (通常、IE3/IE4 効率クラスの全負荷で 90 ～ 97%)、および可変周波数ドライブ (VFD) による簡単な速度制御の組み合わせによるものです。

三相かご形誘導電動機にはブラシや整流子がなく、ローターとベアリング以外の可動部品は最小限です。そのため、よく整備された設備では、主要な保守間隔の間に 20,000 ～ 40,000 時間稼働します。

ブラシレスモーターの仕組み

ブラシレス DC モーター (BLDC) は、従来の DC モーターの機械式整流子とカーボン ブラシ アセンブリを電子整流に置き換えます。ローターには永久磁石が搭載されています。ステータには巻線が巻かれています。ホール効果センサーまたは逆起電力センシングを使用してローターの位置を検出するコントローラーは、電流を適切なステーター相に順番に切り替えて、永久磁石ローターが従う回転電磁場を維持します。ブラシと整流子の物理的な接触がないため、ブラシレス モーターはブラシのスパークを発生させず、発熱も少なく、ブラシの交換も必要ありません。これらは 85 ～ 95% の効率を達成し、サーボ ドライブ、EV トラクション システム、HVAC コンプレッサー、および速度制御の精度と長い耐用年数が必要とされる高精度オートメーションの標準となっています。

モーターのトルク、馬力、効率の計算方法

トルク計算

モーター トルク (T) はシャフトが伝達する回転力で、ニュートン メートル (Nm) またはポンド フィート (ポンド・フィート) で測定されます。トルク、パワー、速度の関係は次のとおりです。

T (Nm) = P (ワット) ÷ ω (rad/s) — または同等 — T (Nm) = (9,550 × P in kW) ÷ N (RPM)

例: 1,450 RPM で動作する 7.5 kW モーターは、T = (9,550 × 7.5) ÷ 1,450 = を生成します。 49.4Nm シャフトトルクのこと。インペリアル単位: T (ポンド・フィート) = (5,252 × HP) ÷ RPM。 1,750 RPM で 10 HP モーターは T = (5,252 × 10) ÷ 1,750 = を実現します。 30ポンド・フィート .

馬力の計算

電気モーターの出力馬力は、測定されたシャフトのトルクと速度から計算できます。 HP = (T ポンド・フィート × RPM) ÷ 5,252 。電気入力からの出力 HP = (V × I × PF × η × 1.732 (三相の場合) ÷ 746)。ここで、V は線間電圧、I は線間電流、PF は力率、η は効率です。係数 1.732 (√3) は、線量と相量の間の三相関係を説明します。

効率計算

電気モーターの効率 (η) は、電気入力電力に対する機械出力電力の比です。 η (%) = (出力電力 ÷ 入力電力) × 100 。実際: パワーアナライザーで入力パワー (W) とシャフト出力パワー (トルク × 角速度) を測定します。分ける。モーターの損失には、銅損 (巻線の I²R 加熱)、鉄損 (コアの渦電流とヒステリシス)、機械的損失 (ベアリングの摩擦、風損)、漂遊負荷損失が含まれます。定格負荷を大幅に下回る状態 (たとえば、定格容量の 30 ～ 40%) で動作するモーターは、有効出力部分が縮小する一方で固定鉄損と機械損失が一定のままであるため、効率が低下して動作します。

モーターの方向を反転する方法

三相モーターの逆転

三相誘導モーターを逆転させるのは簡単です。 3 つの電源位相リードのうちの任意の 2 つを交換します 端子箱またはモータースターターに。 2 つの相を交換すると、相順序が逆転し (たとえば、A-B-C から A-C-B へ)、ステーターの回転磁界の方向が逆転し、したがってローターの回転方向も逆転します。これは、L3 を変更しないまま L1 と L2 を転置するか、その他の 2 フェーズ スワップによって実行できます。モーターを内部的に変更する必要はありません。モータースターター回路の逆転コンタクターは、交互の相交換接点セットに通電することでこれを自動化します。

単相モーターを逆回転させる方法

単相モーターは、電源リード線を交換するだけでは逆転できません。逆転するための固有の位相回転がありません。方向は、主巻線と始動 (補助) 巻線の相対的な極性によって決まります。単相モーターを逆回転させるには、 主巻線または開始巻線の接続を逆にしますが、両方を逆にすることはできません 。実際には、ほとんどの単相モーターには、この目的のために特別に端子台に引き出された始動巻線リードがあり、コンデンサースタートおよびコンデンサーランタイプでは T5/T8 とラベルが付けられています。交換する前に、モーターの配線図 (通常は銘板カバーまたは端子ボックス カバーの内側に印刷されています) を参照して、正しいリード線を特定してください。モーターの動作中に方向を反転すると、始動コンデンサと始動スイッチが損傷します。方向を変える前に必ずモーターを完全に停止してください。

DC モーターをテストする方法

DC モーターをテストすることにより、モーターが稼働を停止するか巻き戻しに送られる前に、巻線、絶縁、ブラシ、または整流子に問題があるかどうかを系統的に特定できます。デジタル マルチメーター (DMM) を使用し、絶縁テストには DC 500 V または 1,000 V 定格の絶縁抵抗計 (メガー) を使用します。

巻線抵抗試験

すべての電源を外し、コンデンサを放電します。 DMM を使用してアーマチュア端子間の抵抗を測定します。測定値をモーターの銘板または設計仕様と比較してください。 開回路 (抵抗が無限大) は、巻線の破損またはブラシの浮きを示します。 ;抵抗が非常に低い (ゼロに近い) 場合は、ターンが短絡していることを示します。連続して測定した場合、抵抗の読み取り値はすべての整流子セグメントにわたって一貫している必要があります。セグメントの読み取り値が著しく高いか低い場合は、局所的な障害を示唆しています。

絶縁抵抗試験

500Vまたは1,000Vメガーを使用して、各巻線とモータフレーム（アース）間の絶縁抵抗を測定します。 動作電圧 1 kV あたり最低 1 MΩ がベースラインの許容基準です。 (IEEE 43 規格); 1 MΩ 未満の値は、使用中に地絡につながる湿気による汚染、絶縁破壊、または巻線の損傷を示します。新しいモーターの測定値は通常 100 MΩ 以上です。稼働中のモーターの測定値が 5 MΩ 未満の場合は、モーターを動作に戻す前に調査する必要があります。

ブラシと整流子の検査

ブラシの長さを目視検査し（元の長さの半分またはメーカーの最小長よりも摩耗した場合は交換します）、ブラシ ホルダーが拘束されずに自由に動かせることを確認します。整流子の表面は滑らかで均一な色である必要があります (暗く均一な緑青は正常です。孔食、焼け、または不均一な摩耗パターンは、アーマチュア セグメントの短絡または不適切なブラシ グレードからのアーク発生を示します)。スプリング ゲージを使用してブラシのスプリング圧力を測定します。圧力が低いとアーク放電が発生し、摩耗が促進されます。過度の圧力は整流子の摩耗を引き起こします。

電動モーターのトラブルシューティング方法

体系的なトラブルシューティングは、故障症状のロジックに従い、モーターが何をしているか (またはしていないか) を特定し、最も可能性の高い原因を確認しやすい順に解決します。

モーターが始動しない

• モーター端子の供給電圧を確認します。電圧が低いと (銘板の 90% 未満)、十分な始動トルクが得られません。負荷時の電圧降下は現場でよく見られる問題です。
• ヒューズ、ブレーカー、過負荷リレーのトリップ状態を確認してください。過電流の原因を特定した後でのみリセットしてください。
• 単相モーターでは、始動コンデンサの故障が一般的な原因です。モーターはうなり音を立てますが、回転しません。コンデンサ対応のDMMを使用して静電容量をテストします。
• 駆動負荷に機械的な結合がないか確認します。負荷を切り離し、通電する前にシャフトを手で回転させてみます。

モーターは動作するが過負荷でトリップする

• クランプメータで全相の運転電流を測定します。銘板の全負荷アンペア数 (FLA) と比較します。通常の負荷で FLA を 10 ～ 15% 上回る過電流は、モーターがアプリケーションに対して小さすぎることを示唆しています。
• 相の不均衡を確認します。相間の電圧不均衡が 2% を超えると、電流の不均衡が約 6 ～ 10 倍に増加し、巻線に急速に過負荷がかかります。
• 過負荷リレーの設定がモーターの実際の FLA およびサービスファクターと一致していることを確認します。

過度の振動や騒音

• ベアリングが故障すると、特徴的な甲高い鳴き声やゴロゴロ音が発生し、速度が上がるにつれて増加します。赤外線温度計でベアリング温度を確認します。90°C (194°F) を超えて稼働しているベアリングは故障に近づいています。
• ローターの不均衡により、1 倍の動作周波数で振動が発生します。カップリングの位置ずれにより、通常、1 倍および 2 倍の動作周波数で振動が発生します。
• 取り付けボルトが緩んでいたり、足が柔らかい (取り付け面が平らでない) と、あらゆる振動の兆候が増幅されるため、診断を進める前に修正する必要があります。

過剰な熱はモーター故障の主な原因です

巻線絶縁体の熱劣化は、モーター故障の最大の原因です 、産業調査ではすべてのモーター故障の推定 30 ～ 40% を占めています。広く引用されている電気絶縁に関するアレニウス則では、次のように述べられています。 断熱材の定格温度クラスより 10℃上昇するごとに、その動作寿命は半減します 。クラス F 絶縁モーター (定格 155°C) を 165°C で一貫して動作させると、その温度制限内で動作させるモーターの寿命の半分になります。

モーターの過剰な発熱の原因には、サービスファクターを超える過負荷、冷却空気の流れの遮断または制限 (フィンの汚れ、吸気口の閉塞、モーターエンクロージャ領域の不十分な換気)、高い周囲温度、1 つまたは複数の相で電流上昇を引き起こす電圧不均衡、モーターの熱定格を超える 1 時間あたりの頻繁な起動、および機械的摩擦を増加させるベアリングの故障が含まれます。サーミスタまたは RTD 巻線温度センサーが装備されたモーターは、熱損傷が蓄積する前にシャットダウンを引き起こす可能性があります。重要なモーターに温度保護を後付けすることは、コスト効率の高い信頼性対策となります。

メンテナンス方法として、モーター フレーム上の赤外線温度計を代用として使用して動作中の巻線温度を測定し、周囲で補正されたモーターの温度上昇定格と比較します。通常の負荷条件下で熱限界値またはそれに近い温度で常に動作しているモーターは、故障が発生する前に、冷却の制限、不適切なサイズ設定、または供給品質の問題がないか調査する必要があります。

モーターの選び方

モーターの選択は、複数の変数を含むプロセスです。最も一般的な近道である馬力のみを選択すると、通常、サイズが大きすぎるモーター、負荷プロファイルとの適合性が不十分なモーター、または制御システムと互換性のないモーターが生成されます。次の基準を順番に検討してください。

1. 負荷タイプとデューティ サイクルを定義します。

一定のトルク負荷 (コンベヤ、容積式ポンプ、ミキサー) には、全速度範囲にわたって定格トルクを供給するモーターが必要です。可変トルク負荷 (遠心ポンプ、ファン、ブロワー) は 3 乗の法則に従います。速度が低下すると電力需要が急激に低下するため、大幅なエネルギー節約の可能性を備えた優れた VFD 候補となります。断続的な負荷のアプリケーション (クレーン、プレス、コンプレッサー) では、早期の絶縁劣化を起こさずに熱サイクルに対応できる適切な負荷クラス定格 (IEC 60034-1 による S1 ～ S9) のモーターが必要です。

2. 必要なトルクと速度を決定する

動作速度での負荷のトルク要件を計算します (上記のトルク公式を参照)。始動トルク、機械的損失、アプリケーションの変動に対して 10 ～ 25% の安全マージンを追加します。運転速度における定格トルクがこの値以上となるモータを選定してください。複数の標準フレーム サイズによるオーバーサイジングは避けてください。オーバーサイズのモーターは低い力率で動作し、効率が低下し、資本コストが無駄になります。

3. アプリケーションに応じたモータータイプを選択します

• 三相交流誘導 — 産業用固定速度または VFD 制御アプリケーションの第一選択肢。堅牢でメンテナンスが少なく、IE3/IE4 効率クラスで広く利用可能です。
• 単相交流誘導 — 三相電源が利用できない用途向け。始動トルク要件に応じて、コンデンサスタート、コンデンサラン、PSC の各バリエーションが用意されています。
• ブラシレスDC（BLDC） — 可変速度の高精度アプリケーション、サーボ システム、または最小限のメンテナンスで長い耐用年数が重要な場合。
• DCシャント/複合巻線 — 変動する負荷の下での細かい速度調整が必要で、DC 電源が利用できる場合。ブラシのメンテナンスのため、新しい設置ではあまり一般的ではありません。
• 防爆（防爆）モーター — 可燃性ガス、粉塵、または蒸気の環境では、ATEX または UL/CSA 認定のエンクロージャが必要です。ゾーンおよびグループの分類は、危険区域の指定と一致する必要があります。

4. エンクロージャと絶縁クラスの指定

エンクロージャの選択は動作環境によって決まります。 TEFC (全閉ファン冷却、IP55) は、ほとんどの産業用屋外および粉塵の多い屋内用途の標準です。 ODP (オープン防滴、IP23) は、清潔で乾燥した屋内環境に適しており、高い周囲温度でより優れた冷却を提供します。湿った環境または洗い流される環境では、IP66 または IP67 定格が必要です。絶縁クラス — F (155°C) は、ほとんどの産業用モーターの標準です。クラス H (180°C) は、高周囲環境または耐久性の高いサイクリング用途向けに指定されています。

5. 取り付け、フレーム、電源電圧を確認してください

IEC または NEMA のフレーム サイズと取り付け配置 (フット マウント B3、フランジ マウント B5、または組み合わせ B35) の互換性を確認します。銘板の電圧と周波数が利用可能な電源と一致していることを確認し、可変周波数ドライブを使用する場合はモーターが VFD 定格 (インバータデューティ) であることを確認してください。インバータデューティ絶縁のない VFD で動作する標準モータでは、電圧スパイクのストレスにより巻線の劣化が加速します。