モーターとは何ですか?またその仕組みは何ですか?種類と原理

モーターとは何か: コアの定義

モーターは、エネルギーの 1 つの形式を機械的運動、特に回転運動または直線運動に変換する装置です。最も広い意味では、この用語は内燃機関、油圧モーター、空気圧アクチュエーターを含みますが、現代の工学や日常の使用法では、「モーター」はほとんどの場合、モーターを指します。 電気モーター : 磁場の相互作用を通じて電気エネルギーを機械的仕事に変換する機械。

電気モーターは、世界の主要な機械原動機です。これらは、ポンプ、コンプレッサー、ファン、コンベア ベルト、工作機械、電気自動車、家庭用電化製品、およびほぼすべての自動化産業機器を駆動します。 電気モーターは世界の電力消費量の約 45 ～ 50% を占めると推定されています この数字は、モーターが現代の産業および家庭生活をいかに完全に支えているかを反映しています。モーターとは何か、そしてモーターがどのように機能するかを理解することは、エンジニアリング、製造、または建設サービスに従事する人にとって基礎的な知識です。

あらゆる電気モーターの背後にある物理原理

すべての電気モーターは、種類、サイズ、定格電力に関係なく、次の 1 つの基本的な物理原理に基づいて動作します。 磁場内に置かれた電流が流れる導体は機械的な力を受けます。 。これは、電流が流れる導体にかかる力は、電流の大きさ、磁界の強さ、磁界内の導体の長さに比例するというローレンツ力の法則で説明されます。

実際のモーターでは、この原理が制御された形状で継続的に適用され、持続的な回転が生成されます。導体は回転部品 (ローター) 上のコイル内に配置され、固定部品 (ステーター) の永久磁石または電磁石によって生成される磁場に囲まれています。電流がローター導体を流れると、ローレンツ力がローター導体を接線方向、つまり電流の方向と磁界の方向の両方に対して直角に押し、モーターの回転軸の周りにトルクを生成します。

モーター設計の課題は、ローターが回転するときにこのトルクを継続的に維持することです。ローターの回転中に導体の電流の方向が固定された場合、力の方向は半回転後に逆転し、ローターは減速して開始位置に戻ります。すべてのモーター設計は、この問題を異なる方法で解決します。そして、それらの異なるソリューションは、業界全体で使用される個別のモーター タイプを定義します。

電動モーターの主要部品

モーターの設計は多種多様ですが、事実上すべての電気モーターは同じ基本的な構造コンポーネントを共有しています。

• ステーター: モーターの固定された外部構造。ロータが動作する磁界を生成する界磁巻線または永久磁石が含まれています。 交流 誘導モーターでは、固定子巻線も回転子を駆動する回転磁界を生成します。
• ローター（アーマチュア）： 回転する内部コンポーネント。固定子の磁界と相互作用してトルクを生成する導体または永久磁石を搭載しています。ローターは、機械出力を被駆動負荷に伝達する中心シャフトに取り付けられています。
• シャフト： ロータの中心を通る鋼鉄のロッドで、ポンプ インペラ、ファン ブレード、ギアボックス、ホイール、その他の負荷などの被駆動機械に回転機械動力を伝達します。
• ベアリング: ローター シャフトをサポートし、ステーター内の摩擦を最小限に抑えて回転できるようにします。ボールベアリングはほとんどの用途に標準装備されています。スリーブベアリングは小型低負荷モーターに使用されます。ローラー ベアリングとテーパー ベアリングは、重工業用モーターの高いアキシアル荷重に対応します。
• ハウジング (フレーム、エンクロージャ): ステーターを支持するアウター ケーシングは、内部コンポーネントを環境から保護し、ほとんどのモーターでは外面のフィンを通じて熱を放散します。エンクロージャの定格 (IP 定格) は、塵や水の侵入に対する保護レベルを定義します。
• 整流子とブラシ (直流 モーターのみ): 連続トルクを維持するためにローター巻線の電流方向を反転するスイッチング機構。 交流 およびブラシレス モーターの設計には存在せず、整流機能は電源波形または電子コントローラーによって電気的に処理されます。

モーターの仕組み: ステップバイステップ

1. 電気エネルギーが供給される モーターのタイプに応じて、直流 (DC) または交流 (AC) としてモーター端子に接続されます。
2. 固定子巻線に電流が流れる (または一部の設計ではローター巻線)、磁界を生成します。永久磁石モーターでは、電気励起がなくてもステーター磁界が常に存在します。
3. 回転子の導体または磁石は固定子の磁場と相互作用します。 ローレンツ力は、電流が流れるローター導体に作用するか、磁気吸引力と磁気反発力がローターとステーターの磁石の間に作用し、ローターに接線力 (トルク) を生成します。
4. ローターが加速して作動速度に達すると、 この時点で、駆動トルクは負荷トルク (摩擦、慣性、被駆動機械の機械抵抗) と等しくなります。この平衡状態では、モーターは安定した速度で動作します。
5. 整流機構により連続トルクを維持 ローターが回転すると。 DC ブラシ付きモーターでは、整流子は正確な回転位置でローター巻線の電流を反転させます。 AC モーターでは、交流供給電流が自然に反転し、ローターが追従する回転磁界を生成します。ブラシレス DC モーターおよび同期モーターでは、電子コントローラーがステーター巻線に流れる電流を順番に切り替えて、トルクを生成する磁界の向きを維持します。
6. 機械動力は出力軸に伝達され、 トルクと回転速度の積として定義されます (電力 = トルク × 角速度)。モーターの効率、つまり電気入力電力に対する機械出力電力の比率は、電気エネルギーのどれだけが有効に変換されるか、巻線やコアで熱として失われるかによって決まります。

主なモータの種類と動作原理

主要なモーター性能パラメータ

モーターを指定または評価する場合、次のパラメーターによってその性能エンベロープが定義されます。

• 定格出力 (kW または hp): モーターがその熱定格を超えることなく提供できる連続的な機械出力。モーターを常に定格出力を超えて動作させると、巻線の絶縁劣化が生じ、耐用年数が短くなります。
• 定格回転数 (RPM): モーターが定格出力を発揮する回転速度。 AC 誘導モーターの同期速度は、電源周波数と極数によって決まります。50 Hz 電源の 4 極モーターは、負荷がかかった状態で約 1,450 ～ 1,480 RPM で動作します (同期速度 1,500 RPM からスリップを差し引いた値)。
• トルク(Nm): モーターが生み出す回転力。始動トルク (ロックロータートルク) は、速度ゼロで利用可能なトルクであり、動きを開始するために大きな力を必要とする負荷にとって重要です。全負荷トルクは、定格速度および定格出力でのトルクです。
• 効率 (%): 機械的出力電力と電気的入力電力の比。最新のプレミアム効率 (IE3 および IE4) AC 誘導モーターが達成する 93 ～ 97% の効率 全負荷時。古い標準モーターは 85 ～ 90% で動作する場合があります。この違いは、モーターの 15 ～ 20 年の耐用年数にわたって、運用コストに大きな影響を及ぼします。
• デューティサイクル: モーターの定格が連続動作 (S1)、短時間デューティ (S2)、または断続的周期デューティ (S3 ～ S9) のいずれであるかを定義します。断続的デューティに定格されたモーターは、全負荷で連続運転すると急速に過熱します。