単相電動モーター: AC および DC の原理、配線、トルク、トラブルシューティング

の動作原理 ACモーター

AC モーターは、電磁誘導を使用して交流電気エネルギーを機械的回転に変換します。中心となる原理は単純です。交流が固定子巻線を流れると、供給周波数と極対の数によって決定される速度で回転する磁界が生成されます。これは、磁界と呼ばれます。 同期速度 。 2 極ステータを備えた 50 Hz システムでは、同期速度は 3,000 RPM です。 60 Hz では 3,600 RPM です。極が 4 つある場合、両方の数値はそれに応じて半分になります。

で 誘導電動機 — 最も一般的な AC モーター タイプ — ローターは電源に電気的に接続されていません。代わりに、回転磁場がローターの導体全体に広がり、ファラデーの電磁誘導の法則によって電圧が誘導されます。この誘導電圧により、ローターの導体に電流が流れます。これらの回転子電流は独自の磁場を生成し、この磁場が固定子の磁場と相互作用して、回転子を回転方向に引っ張るトルクを生成します。ローターは同期速度に決して追いつきません。この差を呼びます。 スリップ 、通常は全負荷で 2 ～ 8% です。これは、誘導電流とトルクを維持するためにローターが磁力線を切断し続ける必要があるためです。スリップがないということは、誘導、電流、トルクがないことを意味します。

で 同期モーター 、ローターは個別に励起され、回転フィールドにロックされ、スリップゼロで正確に同期速度で動作します。同期モーターは、発電機、大型産業用ドライブ、一部のサーボ アプリケーションなど、正確な一定速度が必要な場所で使用されます。

ACモーターの構成部品:各部品とその機能

AC モーターの内部アーキテクチャを理解することは、選択、トラブルシューティング、メンテナンスに不可欠です。主要コンポーネントは誘導電動機のタイプ全体で一貫していますが、構造の詳細は単相設計と三相設計で異なります。

ステータ

ステーターは、固定された外側アセンブリです。これは、渦電流損失を最小限に抑えるために薄いシート (0.35 ～ 0.65 mm) を積み重ねて接着した積層シリコン鋼コアで構成されており、銅巻線を収容するために内側のボアにスロットが開けられています。巻線は、通電時に定義された数の磁極を生成するように配置されています。ステータ フレームは通常、鋳鉄またはダイカスト アルミニウムであり、機械的なハウジングを提供し、熱放散経路として機能します。

ローター

ローターは、シャフトに取り付けられた回転する内部アセンブリです。かご形誘導電動機 (これまでで最も一般的な設計) では、回転子は、スロット内に鋳造アルミニウムまたは銅のバーを備えた積層コアで構成され、両端がエンド リングによって短絡されています。名前の由来はリスの回し車に似ていることから。外部接続は必要ありません。巻線型ローターモーターでは、絶縁された銅巻線がスリップリングを介して外部抵抗に接続され、始動トルクと速度の調整が可能になります。

ベアリング

深溝ボールベアリングは、駆動側エンドシールドと非駆動側エンドシールドの両方でシャフトを半径方向と軸方向に支持します。ベアリングの品質と潤滑間隔は、モーターの耐用年数を決定する主な要因です。汚れ、位置ずれ、または潤滑剤の枯渇によるベアリングの早期故障は、およその原因となります。 すべてのモーター故障の 40 ～ 50% 産業サービスにおいて。

エンドシールドとシャフト

エンド シールド (エンド ベル) は両端でモーター フレームを閉じ、ベアリングを収容し、TEFC (全閉ファン冷却) モーターでは内部ファン バッフルをサポートします。出力シャフトは、カップリング、プーリー、または直接フランジ接続を介して駆動負荷にトルクを伝達します。シャフトの材質は通常中炭素鋼です。ステンレススチールシャフトは食品グレードまたは腐食性環境向けに指定されています。

冷却ファンと端子箱

非駆動側シャフトに取り付けられた外部ファンは、TEFC モーターのフレーム外側の冷却フィン全体に空気を吸い込みます。端子ボックスは、電源接続、および単相モーターの場合はコンデンサ端子に耐候性の筐体を提供します。端子箱は侵入保護 (IP) クラスによって評価されます。IP55 は一般産業用途の標準です。洗浄環境向けの IP65 以上。

単相電気モーター: 始動に助けが必要な理由

単相誘導モーターには根本的な問題があります。単相電源では、 脈動する 回転磁場ではなく磁場。脈動磁場は、互いに打ち消し合う 2 つの等しく反対の回転磁場に数学的に分解でき、正味始動トルクがゼロになります。モーターには停止時の優先回転方向がなく、単独で始動することはありません。

(いずれかの方向に) 回転すると、2 つの逆回転磁界成分のうちの 1 つが支配的になり、モーターは加速して動作し続けます。課題はもっぱら起動時です。すべての単相モーター設計は、原理的には同じ方法でこれを解決します。固定子内に空間的に配置された 2 番目の巻線を作成し、その巻線に主巻線に対して位相をずらした電流を流し、2 つの電流を合わせて始動トルクを生成するのに十分な二相回転磁界の近似値を生成します。これらの方法は、位相シフトを実現する方法が異なります。

単相誘導電動機の配線とコンデンサの接続

コンデンサースタートモーター

で capacitor-start motor, an electrolytic start capacitor is wired in series with the auxiliary (start) winding. The capacitor shifts the auxiliary winding current approximately 80–90° ahead of the main winding current in phase — close to the 90° ideal for maximum starting torque. Starting torques of 全負荷トルクの 200 ～ 350% 達成可能です。モーターが同期速度の約 75% に達すると、遠心スイッチが始動巻線とコンデンサを回路から切り離します。モーターは自立しているため、主巻線だけで動作するだけで十分です。

コンデンサ始動単相モーターの標準配線: 主巻線はライン (L) と中性点 (N) の間に直接接続されます。始動巻線は主巻線と並列に接続されますが、始動巻線分岐では始動コンデンサが直列に接続されます。遠心スイッチは始動巻線 (コンデンサーの後) と直列に配置され、走行速度に達すると回路を開きます。

永久分割コンデンサ (PSC) モーター: 動作の説明

永久分割コンデンサーモーターは、 シングルランコンデンサ 始動時と通常走行時の両方で継続的にサーキットに留まります。遠心スイッチや始動コンデンサーはありません。実行コンデンサは補助巻線と直列に配線されており、常に通電状態にあり、単相電源を継続的に 2 相に分割して弱い回転磁界を維持します。

トレードオフとして、始動トルクが低下します (通常、全負荷トルクの 30 ～ 60% のみです)。これは、運転コンデンサが始動性能ではなく運転効率に合わせてサイズ設定されているためです。したがって、PSC モーターは次のような用途に適しています。 低始動トルクの用途: ファン、ブロワー、小型ポンプ、エアハンドラー 、被駆動負荷が動き始めるのに最小限のトルクが必要な場合。その代わりに、PSC モーターはスムーズで静かな動作、遠心スイッチの故障がなく、他の単相タイプよりも優れた力率、およびより高い運転効率を実現します。これらは、HVAC ファン コイル ユニットや住宅用炉ブロワーで主流のモーター タイプです。

4 線単相接続とコンデンサを備えた PSC モーターの配線: 2 つの端子が主巻線 (M1、M2 - 通常は茶色と青色) に接続されます。 2 つの端子は補助巻線 (A1、A2 - 通常は赤と黒) に接続されます。実行コンデンサは、1 つの主巻線端子と 1 つの補助端子 (通常は M2 と A1) の間に接続されます。ラインとニュートラルはそれぞれ M1 と M2 に接続します。正確な配線は、モーターの銘板にあるメーカーの端子図によって異なります。接続する前に、必ず銘板と照らし合わせて確認してください。

コンデンサースタート、コンデンサーランモーター

この設計では、大きな電解スタート コンデンサと小さなフィルム実行コンデンサの両方を使用します。始動コンデンサは高い始動トルクを提供します。運転速度に達すると遠心スイッチが切断され、補助巻線と直列の運転コンデンサのみが残ります。強力な始動トルクと効率的な走行性能という両方の利点を実現します。コンプレッサー、高圧洗浄機など、高い起動トルクと連続使用効率が求められる負荷に使用されます。

単相モーターの回転方向の変更方法

単相誘導電動機の逆転は次のように行われます。 電源に対して主巻線または補助巻線の接続を交換します (両方ではありません)。 。両方の巻線を同時に交換しても、位相関係は変化せず、回転は逆転しません。

実際には、補助巻線のリード線は流れる電流が少なく、接続が容易であるため、最も一般的に交換されます。標準の 4 線配置の PSC モーターの場合:

• 前方回転: 主巻線 M1→L、M2→N; M2とA1の間のコンデンサ。 A2→N
• 逆回転: A1 と A2 を交換します — M2 と A2 の間のコンデンサ。 A1→N

コンデンサ始動モーターの場合も同じ原理が適用され、始動巻線のリードのみを逆にします。多くの単相モーターは工場で特定の回転方向に設定されており、始動巻線のリード線が内部で接続されています。このような場合、逆転はモーターを開いて内部で再接続することによってのみ可能です。あるいは、まったく逆転できない場合もあります。可逆性を想定する前に、必ず銘板または配線図を確認してください。

三相モーターの場合、反転ははるかに簡単です。3 つの電源相接続 (L1、L2、L3) のいずれか 2 つを交換します。 L1 と L2 を入れ替えると、回転磁界の順序が逆転し、ローターの方向が即座に逆転します。

ファンモーターが過熱するとどうなるか

ファン モーター (通常は PSC 設計) は、冷却が駆動するファンを通る空気流に依存しているため、特に過熱に対して脆弱です。空気の流れが制限されたり、適切な換気が行われずに暑い環境でモーターが動作したりすると、予測可能な有害な結果が続きます。

ほとんどのモーターの最初の保護ラインは サーマル過負荷保護装置 — 固定子巻線に埋め込まれた、または固定子巻線に取り付けられたバイメタル ストリップまたは PTC サーミスタ。巻線温度がトリップしきい値 (クラス B 絶縁の場合は通常 130 ～ 150°C) を超えると、プロテクターが回路を開いてモーターを停止します。自動リセットタイプはモーターが冷えると再起動します。手動リセットタイプでは、意図的な介入が必要です。このプロテクタを介した熱サイクル (モーターの発熱、トリップ、冷却、再起動) の繰り返しは、それ自体が破壊的です。サイクルごとに巻線の絶縁体とコンデンサーに熱ストレスがかかります。

サーマルプロテクタが存在しないか、バイパスされているか、または時間内にトリップしなかった場合、損傷はさらに拡大します。

• 巻線の絶縁劣化: モーターの絶縁クラス定格 (クラス A: 105 °C、クラス B: 130 °C、クラス F: 155 °C、クラス H: 180 °C) により、最大巻線温度が定義されます。定格クラス温度を超えて動作を続けると、絶縁劣化が指数関数的に加速します。アレニウスの経験則によれば、 定格温度を10℃上回ると絶縁寿命が半減する 。 20 年使用したモーターは、適度な過熱が発生すると 5 年使用できます。
• コンデンサの故障: 電解スタートコンデンサとフィルムランコンデンサは両方とも、継続的に熱にさらされると劣化します。電解コンデンサは、電解液が蒸発すると静電容量が減少します。ケーシングが膨らんだり、破裂したりする可能性があります。 PSC モーターの運転コンデンサが故障すると、モーターは相分割補助磁界を失い、主巻線に過剰な電流が流れ、破壊的なフィードバック ループでさらに過熱します。
• ベアリンググリースの内訳： ほとんどのモーターベアリングは、120 ～ 150°C の定格グリースで工場で潤滑されています。このしきい値を超えると、グリースが酸化および炭化し、潤滑性が急速に失われます。その結果、ベアリングの摩耗が加速し、摩擦が増加し、さらなる発熱が発生し、最終的にはベアリングの焼き付きが発生します。
• 巻線の短絡または地絡: 絶縁が完全に破壊されると、ターン間または巻線とフレーム間の短絡が発生し、上流の保護装置が障害を迅速に解消しない場合、高い障害電流が発生し、アーク損傷の可能性が生じ、火災の危険が生じます。

定期的な赤外線温度測定、電流監視、または振動分析を通じて過熱を早期に特定することは、故障したモーターを交換して故障後に根本原因を診断するよりもはるかに安価です。

DCモーターの動作原理

DC モーターは、AC 誘導モーターとは根本的に異なる原理で動作します。 AC モーターが電磁誘導を使用してローター電流を誘導するのに対し、DC モーターは直接電気接続を通じてステーター界磁とローター (アーマチュア) の両方に直流電流を印加します。

動作原理は、 ローレンツ力の法則 : 磁界内の電流が流れる導体は、電流の方向と磁界の方向の両方に垂直な力を受けます。 DC モーターでは、ステーターが (永久磁石または界磁巻線を介して) 定常磁界を生成します。ブラシと整流子を介して電機子巻線に供給される直流電流により、各電機子導体にローレンツ力が発生します。すべての導体にかかるこれらの力の合計により、アーマチュアに回転トルクが発生します。

の 整流子 は、アーマチュアの回転時に一貫したトルクの方向を維持するために、適切な瞬間にアーマチュア導体を通る電流の流れを反転させるコンポーネントです。これは、シャフトに取り付けられたセグメント化された円筒形のコンタクトであり、カーボン ブラシがそれに押し付けられます。アーマチュアが回転すると、連続する整流子セグメントがブラシと接触し、各導体の電流が常にステータ磁界に対して正しい方向に流れ、同じ回転方向のトルクが生成されます。転流がなければ、導体はローレンツ力の方向が逆転する位置に到達し、正味トルクは平均してゼロになります。

ブラシレス DC モーター (BLDC) では、回転子上の永久磁石を使用して、固定巻線に電流を流すコントローラーによって整流が電子的に実行されます。これにより、モーター制御電子機器が必要になる代わりに、ブラシと整流子の磨耗がなくなります。

DC モーターのトルク: 計算式と重要な関係

の torque produced by a DC motor is directly proportional to the armature current and the magnetic field strength. The fundamental torque equation is:

T = K × Φ × I _a

ここで、T はトルク (N・m)、K はモーター定数 (電機子巻線の形状、極数、および導体の数によって決まります)、Φ は極あたりの磁束 (Wb)、I は次のようになります。 _a は電機子電流 (A) です。モーター定数 K は、(PZA) / (2πA) と表記されることもあります。ここで、P は極の数、Z は電機子導体の総数、A は電機子巻線の並列パスの数です。

この式から、いくつかの重要な実際的な関係が導き出されます。

• で shunt DC motor 、界磁磁束 Φ は本質的に一定です (界磁巻線が電源電圧の両端に直接接続されている)。したがって、トルクは電機子電流にのみ正比例し、電機子電流が 2 倍になるとトルクも 2 倍になります。速度は主に逆起電力によって制御され、負荷が変動しても比較的安定した状態を保つため、シャント モーターは旋盤やコンベアなどの定速アプリケーションに適しています。
• で series DC motor 、界磁巻線には電機子と同じ電流が流れます。低速高負荷時はΦもIも _a 大きく、同相 — トルクは電流の 2 乗にほぼ比例し、 非常に高い始動トルク 。このため、直列モーターは牽引用途 (電気機関車、スターターモーター) に最適です。危険: 無負荷では、電機子電流の上昇を制限するものが何もないため、速度は際限なく増加します。直列モーターは決して無負荷で運転してはなりません。
• トルクと速度のトレードオフ: 特定の電力入力に対して、トルクと速度は反比例の関係にあります。P = T × ω、ここで、ω は角速度 (rad/s) です。同じシャフト出力で低速で高トルク、または高速で低トルクを生成するモーターは、同じ効率点で動作します。どの組み合わせが必要かはアプリケーションによって決定されます。

低トルク、高速モーター: 設計の特徴と用途

低トルク、高速モーターは、トルク出力の低下を許容しながら、シャフトの回転速度を最大化するように設計されています。このプロファイルは、高トルク モーター設計とは大幅に異なる特定の設計選択によって実現されます。

AC 誘導モーターでは、より高い同期速度に必要な極ペアが少なくなります。2 極モーターは 3,000 RPM (50 Hz) または 3,600 RPM (60 Hz) で動作しますが、4 極モーターは 1,500 / 1,800 RPM で動作します。標準の同期速度を超えて速度を高めるには、基本周波数を超える可変周波数ドライブ (VFD) 動作が必要です。周波数が定格を超えて上昇すると、モーターは磁束弱化領域で動作します。 トルク容量は周波数の増加に比例して減少します 、速度は上昇し続けます。これは機械の基本的な制限です。定電圧では、ベース速度を超えると磁束が弱くなり、トルク容量が低下します。

DC および BLDC モーターでは、高速設計では次のものが使用されます。

• 低い電機子インダクタンスにより、高い転流周波数での急速な電流変化が可能
• より高い磁束密度を備えた強力な永久磁石 (NdFeB) により、大きなアーマチュア寸法を必要とせずに高速での逆起電力を維持します
• 高 RPM での振動を防ぐためのローターの高精度バランス — アンバランス力は回転速度の 2 乗に比例するため、30,000 RPM では 3,000 RPM よりもバランス許容誤差が 10 倍重要になります。
• 高い DN 値 (ボア直径 mm × 回転数 RPM) に対応した特殊ベアリング (アンギュラ コンタクトまたはセラミック ハイブリッド)

用途には、歯科用ハンドピース (400,000 RPM)、CNC スピンドル (20,000 ～ 60,000 RPM)、遠心ブロワー、ターボ分子真空ポンプ、高速研削スピンドルなどがあります。これらの速度では、駆動ツールまたはインペラが有効な負荷を提供します。トルク要件は控えめですが、正確な速度を維持し、振れを最小限に抑えることが重要です。

電動モーターの電流の流れを逆にするもの

の answer depends on the motor type — and the question has different meanings in AC and DC contexts.

で DCモーター 、個々の電機子導体を流れる電流の方向は、 整流子 and brush assembly 。アーマチュアが回転すると、各整流子セグメントがブラシ接点の下を順番に通過します。導体が中性面 (磁界が接線力を及ぼさない位置) を横切ると、ブラシの接触が 1 つの整流子セグメントから次の整流子セグメントに移動し、その導体に流れる電流の方向が逆転します。この機械的なスイッチング動作は、1 回転につき何度も発生し、磁場の極性が交互に切り替わることにより、導体の物理的な回転にもかかわらず、一方向のトルクを維持します。カーボン ブラシは、バネ張力の下で回転する整流子を押し付けます。ブラシと整流子の接触抵抗とブラシの材質 (銅カーボン、エレクトログラファイト、または銀グラファイトのグレード) は、整流の品質とブラシの寿命に影響します。

で AC誘導モーター 、電源電圧自体が交流であるため、固定子巻線の電流は電源周波数 (1 秒あたり 50 回または 60 回) で自然に反転します。機械的な切り替えは必要ありません。ローター電流が誘導され、スリップに比例して自己反転します。 AC誘導モーターには整流子がありません。

で ブラシレス DC (BLDC) モーター 、整流子の機能は、電子速度コントローラー (ESC) またはモーター ドライブによって実行され、パワー トランジスタ (通常は MOSFET または IGBT) を使用して、ホール効果センサーまたは逆起電力検出からのローター位置フィードバックに基づいて正しいシーケンスで各ステーター相を流れる電流を切り替えます。コントローラーは適切なローター角度で各巻線ペアの電流の方向を反転し、整流子の動作を機械的に再現しますが、磨耗やアーク発生がなく、プレミアム設計では 95% 以上の効率を実現します。