1.電気と電動機の基本
 1−1 直流と交流

 1−2 3相交流

 1−3 電力の送電、配電(電力系統)と動力電源系統

2.電動機とその使い方
 2−1 電動機(モータ)はどのように廻り、力(トルク)を出すのか?
     
   →電動機の基本原理と性質
 

 2−2 電動機と負荷機械

 

  2−3 電動機の顔ぶれ

  2−3−1 電動機の種類

 主に使われている電動機は以下の如くに、大きく分けられます

    他励電動機

      直流電動機 DCM

      同期電動機 SM

    自励電動機

      誘導電動機  かご形誘導電動機 SCIM 

                巻線形誘導電動機 WRIM

他励電動機は磁束を作る磁極を負荷電流が流れ、誘起起電力を発生するコイル(電機子コイル)とは別にもつ電動機です。電動機の回転、トルク発生の基本原理を説明した直流電動機は磁極を固定子側に、電機子コイルは回転子に別個に設けられている他励電動機です。

誘導電動機は固定子の3相コイルに接続された3相交流電源から、磁束も負荷電流も与えられる自励電動機です。

次にこれらの電動機の動作、構造、特徴(良いところ、良くないところ)のお話をしましょう。

   

 2−3−2 直流電動機

 直流電動機(DCM−Direct Current Motor)は電動機の回転、トルク発生原理で説明したように、固定子にある磁極から発生する磁束に回転子にある電機子コイルに流れる負荷電流(電機子電流)がフレミングの左手の関係で交わった時、トルクは発生するもので、外部の直流電源より、整流子(コミュテータ)を介して電機子コイルに直流が与えられます。図2.1のコミュテータは180°で+、-が切り替わり、電機子コイルには単相交流を与えておりますが、実際の直流電動機では、もっと頻繁に+、-が切り替わるようになっており、電機子には多相交流が与えられスムーズな回転が出来るようになっております。

          

                     図2.4 直流電動機の構造

 図2.4に直流電動機の構造を示します。回転子には左側に整流子(コミュテータ)があります。図ではいささか見難いですが、たくさんの ブラッシが摺動する導体(セグメント)が、絶縁物を挟んで有り、その一端が電機子コイルに繋がっております。電機子コイルは電機子鉄心の周辺の溝(スロット)に中に入っております。鉄心は磁束をより通しやすい道 で、普通、薄い鉄板を積み重ねています。(積層鉄心)、固定子側には磁極が設けられております。

 直流電動機の良いところ

 1.直流電圧を変えることにより、容易に回転数を変えることが出来ます。

 2.電機子電流(負荷電流)と磁束が機械的に直交しており、負荷状態や回転数にかかわらず、

   フレミングの左手の関係にありますので、負荷が必要なトルクをただちに出すことが出来ます。

 直流電動機の良くないところ  

 1.整流子はブラッシがコミュテータを摺動しますので、コミュテータの面を常に良い状態に保たねば

   なりませんのでメンテナンスに多大な人手がかかります。

 2.整流子の制限により、回転数、製作可能容量に制限があります。

 3.電圧が比較的低く、電流が大きいので、電動機効率が交流電動機に比べ、相対的に低い

 直流電動機が使われているところ

 1.鉄鋼圧延機、製紙抄紙機、各種連続処理ライン(プロセッシングライン)のような精密な回転数の

    制御が必要なもの。

 2.電車のような、加速(減速)を頻繁に行う用途。

   しかし、現在、VVVF(可変電圧、可変周波数電源)とその制御方式の実用化、進歩により、

   交流電動機で同等以上の回転数の制御が可能になりましたので、現在、直流電動機はほとんど

   新製されなくなりました。 

 

 2−3−3  同期電動機

 同期電動機(SM-Synchronous Motor)は直流電動機からコミュテータを省き、直接、3相交流を電機子コイルに与えるもので、その回転、トルク発生原理は直流電動機と全く同じですが、3相交流を用いることで、その特徴、用途は全く変わります。      

              

                      図2.5 同期電動機の原理図

 図2.5に代表的な凸極形同期電動機の輪切りにした構造原理図を示します。直流電動機はコミュテータがあるため、大きな負荷電流が流れる電機子コイルを回転子に設けざるを得ませんでしたが、同期電動機は磁極を回転子に設け、電流の少ない界磁電流をスリップリングとブラシを通して界磁コイルに与えています。(一定速で廻すものは、始動時のみ、スリップリング、ブラッシを使い、所定の速度に達するとブラッシを引き上げ、軸に接続された発電機と整流器で、励磁するブラシレス同期電動機が一般的です。)

 磁極から発生する磁束Φが固定子にある電機子コイルの電機子交流電流iaがスクリーン面の表から裏に流れるタイミングで交われば、図の方向に力Fを生じ、トルクが発生します。凸極形同期電動機は凸形の磁極鉄心の横腹に界磁巻線を巻き、最も効果的に磁束を発生すると共に、磁極と平行の磁束の通り道(磁路)の抵抗が磁極と直角の方向の磁路抵抗と異なりますので、双方の反発トルクも発生します。これをリラクタンストルクと称しますが、これが加わることにより電動機効率はより高くなります。

 外力が加わり、外部から廻され、発生誘起電力が外部電源より大きくなれば、同期発電機として動作します。

また、界磁の調整により、電動機力率1運転、もしくは進み力率で運転出来ます。誘導電動機は原理的に遅れ力率で運転しますので、同期電動機を進み力率で運転し、電源の遅れ無効電力 をキャンセルし、電源の力率を改善することも出来ます。

 同期電動機は電源周波数の回転と電動機回転速度が一致した時のみ電動機としてトルクを発生します。

依って、その回転数n0は 

                                        

となります。n0を同期回転数と称し、電源周波数を1分当りに換算し、P/2→極対数(磁束数)で除したものです。

               

                  図2.6 凸極形同期電動機の構造

 図2.6に凸極形の構造の一例を示します。回転子に凸極形の磁極があり、その横腹に界磁巻線が巻かれております。軸には界磁電流の為のスリップリングがあります。固定子にはやや見難いですが、電機子コイルが設けられております。

 永久磁石同期電動機(PMSM)

 回転子の磁極に永久磁石(PM-Permanent Magnet)を用いたものです。回転、トルク発生原理は通常の同期電動機とほぼ変わりません。 凸極特性を有しますので、リラクタンストルクも発生します。

もちろん、界磁の調整による力率の調整は出来ませんが!

永久磁石の発達により、より大きなものが出来るようになり、電車の駆動電動機としても、適用されるようになりました。

 同期電動機の良いところ

 1.電動機効率は最高です。誘導電動機に対し、電動機力率が高く、コイルに流れる電流が小さくなり、

   電機子コイルの損失も小さくなり、リラクタンストルクもありますので高効率になります。   

 2.このため、誘導電動機に比べ、電動機が小さくなります。

 3.回転数は直流電動機に比べ、格段に高く出来ます。

 4.電動機力率はほぼ1で運転出来ます。このため、電源への負担が軽減出来ます。可変速運転の

   場合、インバータ容量を小さく出来ます。

 5.進み力率で運転出来ますので、電源に誘導電動機などから発生した遅れ無効電力を補償出来ます。

 6.PMSMはブラッシレスですが大型の定速運転のものも、定速運転ではブラッシレス運転が出来ます。

 7.インバータで、電圧/周波数制御を行い可変速運転を行うことが出来ます。電機子コイルと磁極の

   位置を位置検出機(PS)で検出し、磁束と電機子電流の方向をフレミングの左手の関係になった時、

   電機子コイルに電流を流せば、低速時から、所定トルクが発生します。

 8.電源周波数に回転数は絶対比例します。

 同期電動機の良くないところ  

 1.始動が難しい。→3相動力電源に接続し、一定速で運転する用途に使う場合でも、50もしくは60Hz

   では同期運転が出来ません。始動は特別に考慮せねばなりません。

       誘導機始動→回転子を誘導電動機の2次巻線とみなして始動

       低周波始動→始動用インバータで始動。

 2.誘導電動機に比べ高価→誘導電動機に対し、構造的に複雑な為、電動機自体が高価であり、始動用

   機器を必要とするのもコストが高くなります。

 3.可変速を行う場合も、電動機毎にインバータを設ける必要があります。

 4.電動機、その始動装置や可変速運転装置と共に高価になります。

 同期電動機が使われているところ

 1.大容量・超大容量用途→おおよそ、1、000〜1、500kW以上の電動機には同期電動機が通常

   用いられます。一定速運転、可変速運転とも同じ傾向にあります。

    一定速→高炉ブロワ(例70,000kW−本邦最大電動機)、製紙工場、チッパー

          パイプラインのポンプ、ブロワ、コンプレッサ

    可変速→圧延主機

 2.電気時計

 3.PMSM→電気自動車、電車

 

 2−3−4 誘導電動機

  誘導 電動機は固定子に3相コイルを設け、これに3相交流電源をつなぎ、回転子側に誘導作用で、誘起電圧、電流を発生させます。変圧器と同じ作用ですので、固定子側を1次、回転子側を2次と称します。

 誘導電動機にはかご形誘導電動機(SCIM-Squirrel Cage Induction Motor)と巻線形誘導電動機(WRIM−Wound Rotor Induction Motor)があります。 かご形誘導電動機は汎用電動機として量産され、いろいろな用途にたくさん使われておりますが、巻線形誘導電動機は、慣性モーメントが大きく、始動に時間がかかる大型送風機など、特殊な用途に使用されます。原理的にはほぼ同じですので、その回転、トルク発生原理はかご形誘導電動機で説明します。

 かご形誘導電動機

 誘導電動機の回転、トルク発生原理は他の電動機と全く異なるように説明されることも多いようですが、基本的な原理は全く同じです。

               

                      図2.7 かご形誘導電動機の原理図

 図2.7にかご形誘導電動機の輪切りにした構造原理図を示します。固定子の1次巻線には3相交流が与えられ、1次電流i1が流れます。1次電流i1は 主磁束を発生させます。主磁束はΦとともに、これから90°進んだ磁束Φも発生します。回転子が、固定子に与えられている周波数より、少し遅く廻ると、回転子にあるロータバーが 磁束Φをよぎり(横切り)、ロータバーに誘起起電力が発生致します。

                      

                   図2.8 かご形誘導電動機の回転子

 図2.8にかご形誘導電動機の回転子の基本構造を示します。この図の(C)の如く、銅もしくはアルミで出来た棒、ロータバーが円周方向にたくさんあり、この両端が同じく銅もしくはアルミで出来た短絡環(エンドリング)に繋がれております。この形がハツカネズミやりすが廻すかごに似ていますので、かご形と言い、英語では 「りすかご」(Squrrel Cage) typeと言っております。1次が発生させた磁束Φをよぎる(横切る)ことにより、ロータバーに発生した誘起起電力を短絡環で短絡することにより、ロータバーに2次電流i2が流れます。主磁束Φとこの2次電流i2が交わり、図2,7で2次電流i2がスクリーンの表から裏に流れれば、ロータバーの接線方向に力Fが発生し、トルクを発生させます。2次電流i2は直流電動機や同期電動機の電機子電流と同じで、負荷機械の要求に応じて流れる負荷電流です。誘導電動機の場合、ロータバーがΦをよぎる (横切る)回数が多いほど、2次電流i2が大きくなります。従って、負荷が重くなるほど、1次巻線の周波数で与えられる回転数、同期回転数n0、より、回転子の回転数が遅くなります。この回転数の差をすべりとして表します。

            

依って、誘導電動機の回転数

          

で表されます。

                            

                        図2.9 かご形誘導電動機の構造

 回転子は図2.8(C)のロータバーとエンドリングからなる銅またはアルミの「かご」のロータバーが(a)に示される鉄心のみぞ(スロット)に収納され、(b)の如くになります。回転子にコイルは無く、堅固な構造です。

1次コイルは固定子鉄心のスロットに収められております。ブラッシのような摺動部分もなく、保守上、また、耐環境性にも優れております。

 特に、汎用電動機として量産されている0.4〜37kWのものは、ロータはアルミダイキャストで作られますので、安価で、かつ堅牢な電動機 になっています。

すべりs=1、すなわち、静止状態から、3相交流電源を投入し、起動し、定格回転数まで、加速し、運転できるただひとつの電動機です。スイッチを投入するだけで 廻りますので、経済的で、あらゆる用途に幅広く、使われております。

かご形誘導電動機の良いところ

 1.完全ブラッシレスで堅牢な構造。

 2.スイッチで3相動力電源に投入すれば、起動し、定格速度で運転出来ます。

 3.電動機本体も安価。

 4.VVVF(可変電圧・可変周波数電源)により、回転数の制御が出来ます。ベクトル制御を適用すること

   により、高精度の制御が出来ます。

 5.ひとつのVVVFにより、多数台の電動機の回転数を制御出来ます。

 6.直流電動機より高い回転数が可能です。

 かご形誘導電動機の良くないところ  

 1.1次巻線から主磁束を作りますので、遅れの無効電力を電源に与え、力率の低下、電源電圧の降下

   をひき起こします。

 2. 始動時は定格電流の約6倍の遅れ無効電力を発生しますので、大きな容量の電動機では、始動方式

   を検討して、電源電圧低下を許容値以内に収める必要があります。

 3.大きな始動電流は電動機にもストレスを与え、特に、ローターバーの熱疲労による折損に

   つながります。依って、始動回数の制限があり、その回数で電動機の寿命が決まります。

 4.電動機力率が相対的に低く、1次電流も同期電動機より大きく、2次の損失もありますので、

   電動機効率は同期電動機に比べ低い。

 5.VVVF駆動の場合、必要容量が同期電動機に比べ、大きくなる。

 かご形誘導電動機が使われているところ

 1.1、000〜1,500kW以下のあらゆる用途に使われます。

   耐環境性などを考慮し、これ以上の容量でも使われることがあります。

 2.VVVFで回転数制御を行う場合も1、000〜1,500kW以下のあらゆる用途に使われます。

   電車、電気機関車、送風機、ポンプ 、コンプレッサ、圧延補機、プロセスライン、

   ローラテーブル、etc

    ※ 風水力機械の省電力目的の回転数制御

 

 巻線形誘導電動機

 動作原理はかご形と同じですが、2次側(回転子)にかごのかわりに3相巻線を設けたもので、その一端をスリップリングとブラッシを通して外部に引き出し、ここに抵抗器を接続し、この量を調整して、始動電流を抑え、起動する2次抵抗制御を行えるものです。

 また、2次電圧がスリップs=0の場合が0で、sが大きくなるに従い大きくなることを利用して高速範囲のみを経済的に回転数制御が出来る2次電圧制御(セルビュース)にも用いられます。

 負荷電流である2次電流を外部に引き出すため、多数のブラッシがあるため、保守に手がかかり、現在では、あまり、使われなくなりました。

巻線形誘導電動機の良いところ

 1.始動電流を抑えて、慣性モーメントの大きな負荷の起動が出来る。

 2.回転数の高い範囲だけの回転数制御が経済的に可能。(セルビュース)

 巻線形誘導電動機の良くないところ  

 1.ブラッシご多く、メンテの手数がかかる。

 2.かご形に比べ、高価。

巻線形誘導電動機が使われているところ

 1.クレーンなどの頻繁に始動する比較的小さな容量のものにも適用されていたが、現在ではかご形

   誘導電動機のインバータ制御がほとんどになっています。

 2.大型送風機などで、極めて、慣性モーメントが大きく、始動に時間がかかる大容量用途に使用

   されることがあります。大容量電動機では、始動を2次抵抗制御で行い、始動完了後は2次コイルを

   直流励磁する「誘導同期電動機」とすることもあります。

 3.浄水場の大型ポンプ駆動にセルビュース制御をした巻線誘導電動機が伝統的に適用されてきました。

    

   2−4 電動機の使い方

      2−4−1 直流電動機の使い方

     抵抗始動(抵抗制御)

     可変電圧制御ーレオナード

         ワードレオナード

         静止レオナード(水銀整流器)

         サイリスタレオナード

    2−4−2 かご形誘導電動機の使い方
       3相交流動力電源に直接接続して始動、運転をする
       可変電圧可変周波数(VVVF)電源による回転数制御

    2−4−3 巻線形誘導電動機の使い方

        2次抵抗制御

        2次電圧制御

 

(2013-3-18)改訂

(2012-4-25)作成 

 

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