電磁誘導モーターと AC モーター: 仕組み

電気モーターは工学史上最も重要な発明の 1 つであり、そのほとんどを動作させる原理である電磁誘導は、ほぼ 2 世紀前に確立されました。現在、同じ原理が産業用コンプレッサーから電動自転車に至るまで、あらゆるものに動力を供給しています。 AC モーターとは何か、電磁誘導によってどのように駆動されるのか、そしてその技術が現代の電気モビリティで使用されるブラシレス モーターにどのように進化したかを理解すると、エンジニアリングの最も耐久性と適応性のあるアイデアの 1 つについて全体像が得られます。

ACモーターとは何ですか?

AC モーターは、交流 (AC) 電気エネルギーを機械的回転エネルギーに変換する電気モーターです。一方向に流れる電流で動作する直流 (DC) モータとは異なり、AC モータは、地域の電力網の周波数に応じて、通常は 1 秒あたり 50 回または 60 回、方向を定期的に反転する電流で動作します。

すべての AC モーターは 2 つの主要な機械部品で構成されています。の ステーター 固定の外側アセンブリであり、積層鋼鉄コアに巻かれた電磁石コイルのリングから形成されます。 AC 電力が固定子巻線を流れると、磁界が生成されます。の ローター は、ステーターの円筒形キャビティ内に配置された回転内部アセンブリです。ステーターの磁界とローター間の相互作用 (モーターの種類に応じて、電磁誘導、永久磁石、または外部励磁によって実現) によって、出力シャフトを駆動するトルクが生成されます。

AC モーターは、誘導 (非同期) モーターと同期モーターという 2 つの基本的な動作カテゴリに分類されます。誘導モーターは産業用および商業用アプリケーション全体ではるかに一般的なタイプであり、世界中で使用されているモーターの圧倒的多数を占めています。

電磁誘導の原理

電磁誘導は、ローターに電気的に接続せずに誘導モーターがトルクを生成する方法の基礎です。 1831 年にマイケル ファラデーによって確立された原理は、導体を通過する変化する磁場がその導体に電流を誘導すると述べています。この誘導電流により、独自の磁場が生成されます。

誘導モーターでは、ステーターの AC 電源巻線が磁場を生成し、ステーター ボアの周囲で連続的に回転します。この回転磁界はローター導体を通過し、ファラデーの法則によってローター導体に電流が誘導されます。この誘導電流により、ローター内に二次磁界が発生します。レンツの法則により、この二次磁界は、それを生じさせた変化に対抗します。つまり、ローターをステーター磁界と同じ方向に回転させることで、回転するステーター磁界と静止ローターの間の相対運動を排除しようとします。

その結果、ステーターとローターの間に物理的な電気的接続がなくても、ローターは回転磁界に従って回転します。ローター側にブラシ、スリップ リング、整流子はなく、エネルギー伝達は完全にエア ギャップを横切る磁界の変化によって行われます。これが、ブラシ型モーターに比べて誘導モーターが機械的にシンプルで堅牢で長寿命である理由です。ローターに摩耗する接触部品がありません。

回転磁場の作り方

回転磁界は、AC モーター内で電磁誘導を引き起こす重要なメカニズムであり、三相 AC 電力の緊急特性です。三相システムでは、3 つの個別の AC 電圧が 3 組の固定子巻線に同時に供給され、各巻線ペアは固定子ボアの周りで他の巻線から物理的に 120 度オフセットされます。また、3 つの電圧は電気的に 120 度オフセットされています。つまり、各サイクルの異なる瞬間にピーク値に達します。

各相がピークに達すると、その相によって付勢された電磁石が最も強くなり、固定子の有効磁場がその極のセットに向かって引き寄せられます。サイクルが進行し、次のフェーズがピークに達すると、磁場は次の極のセット、つまりステーターの周りで 120 度にシフトします。円周上に等間隔に配置され、順番にピークを迎える 3 組の電磁石の最終的な効果は、供給周波数と固定子巻線の磁極の数によって決まる速度で固定子の周りを滑らかに回転するように見える磁場です。

この同期速度は 1 分あたりの回転数で表され、次の式で求められます。 Ns = (120 × f) / P ここで、f は Hz 単位の電源周波数、P は極数です。 50 Hz 電源の 2 極モーターは 3,000 RPM の同期速度で回転します。同じ電源の 4 極モーターは 1,500 RPM で回転します。単相モーターも回転磁界を生成できますが、単相電源だけでは回転磁界ではなく脈動磁界を生成するため、補助始動巻線またはコンデンサが必要です。

リスカゴのローターとスリップ

AC 誘導モーターの最も一般的なローター構造は、かご型ローターです。この名前は、小動物が使用する運動用回し車に似ていることから名付けられました。これは、積層鉄心のスロットに埋め込まれた一連のアルミニウムまたは銅の導体バーで構成されており、バーの両端は導電性エンドリングによって短絡されています。巻線も絶縁も外部電気接続もありません。ローターは機械的に製造が簡単で、通常の動作条件下では事実上破壊されません。

ステーターからの回転磁場がこれらの導体バーを横切ると、バーを通ってエンド リングの周囲に流れる電流が誘導されます。これらの循環電流はローターの磁界を生成し、この磁界がステーターの磁界と相互作用してトルクを生成します。誘導電流、つまりトルクは、ステーター磁界がローターバーを横切る速度に依存します。ロータがステータの回転磁界とまったく同じ速度 (同期速度) に達すると、相対運動、磁界切断、誘導電流、トルクは発生しません。したがって、ローターは常に同期速度よりわずかに遅く動作します。

この速度差を次のように呼びます。 スリップ 、同期速度のパーセンテージとして表されます。無負荷時の滑りは非常に小さく、通常は 0.5% ～ 1% です。最大定格負荷では、モーターの設計に応じて、スリップが約 3% ～ 8% に増加します。スリップは欠陥ではありません。これは、誘導電動機がトルクを生成するために必要なメカニズムです。滑りがなければ電磁誘導はなく、電磁誘導がなければトルクもありません。

誘導モーター vs 同期モーター

同期モーターは、AC モーター設計のもう 1 つの主要分野を表します。誘導電動機の回転子は完全に電磁誘導電流によって駆動されますが、同期電動機の回転子には永久磁石または個別に励起された電磁石が装備されており、回転子を回転する固定子の磁界の速度に正確にロックし、滑りはゼロです。

同期モーターは、クロック、信号発生器、高精度位置決めドライブなど、負荷変動に関係なく正確な一定速度が必要な場合に使用されます。誘導モーターは、その低コスト、高い堅牢性、三相構成での自己始動機能により、一般的な産業用および商業用アプリケーションで主流を占めています。

単相誘導モーターと三相誘導モーター

三相誘導モーターは自己始動式です。三相電源は自然に回転磁場を生成し、電力が投入されるとすぐにかご型ローターにトルクの誘導を開始します。これらはより効率的で、より高い力率を生み出し、小型ポンプから数メガワットのドライブまで、事実上すべての産業用モーター用途で使用されています。

単相誘導モーターには根本的な課題があります。単相 AC 電源は回転磁場ではなく、脈動磁場を生成します。脈動磁界は回転を維持できますが、回転を開始することはできません。モーターには優先回転方向がなく、停止時の正味始動トルクはゼロです。いくつかの設計戦略がこれに対処し、それぞれが異なるモーターのバリエーションを生み出します。

AC 誘導からブラシレス DC へ: 現代の進化

ブラシレス DC (BLDC) モーターは、現在電動自転車、電動スクーター、ドローン、電気自動車補助ドライブで主流のモーター タイプですが、従来の意味での AC 誘導モーターではありません。 BLDC モーターは、電磁的に誘導されたローター電流に依存するのではなく、ローター上の永久磁石とステーター内の電子制御された電流スイッチングを使用して回転を生成します。この点では、誘導モーターよりも同期モーターによく似ています。

AC モーターの原理との関係はステーターにあります。BLDC モーターのステーターは、巻線を通る DC 電流の正確なタイミングでのスイッチングによって回転磁界を生成します。これは、三相 AC が正弦波電流の変化によって達成する効果と機能的に同等です。モーター コントローラーは、ローター位置フィードバック (ホール効果センサーまたは逆起電力検出から) を使用して、従来の DC モーターのブラシを置き換える電子整流を実行し、回転サイクルの各瞬間に正しい固定子巻線に電力を供給します。

その結果、永久磁石同期モーターの同期動作および高効率と、バッテリー駆動のアプリケーションに要求される制御性およびコンパクト性を組み合わせたモーターが誕生しました。 BLDC モーターは、従来の DC モーターの耐用年数を制限するブラシの摩耗を排除し、幅広い速度範囲で効率的に動作し、コンパクトなパッケージで高いトルク密度を生成するため、現代の電動モビリティのエンジニアリング基盤となっています。

最新の電動モビリティにおけるアプリケーション

19 世紀に開発された電磁誘導と回転磁場の原理は、現代のブラシレス永久磁石の形ではあるものの、今日の電動自転車や小型電気自動車に動力を供給するモーターに直接具体化されています。 2 つの異なるモーター構成がこの市場を支配しており、それぞれが異なるライディング スタイルや要件に適した異なる性能特性を備えています。

ハブモーター モーターはフロントまたはリアのホイールハブに直接組み込まれ、ステーターは車軸に固定され、ローターはホイールを駆動する外殻を形成します。固定ステーター巻線と回転する永久磁石ローターの間の電磁相互作用により、モーターとホイールの間に機械的な動力伝達チェーンが存在せず、ホイールが直接回転します。このシンプルさにより、ハブ モーターはメンテナンスが容易で、静かになります。 ハブモーター for electric bicycles and light electric vehicles 取り付けが簡単でメンテナンスの手間がかからないことが優先される、通勤、貨物、レジャー用途に適しています。

ミッドドライブモーター モーターを自転車のボトムブラケットに配置し、ホイールを直接駆動するのではなく、クランクとチェーンを駆動します。この配置により、ライダーは自転車の既存のギア システムを使用してモーター トルクを増大させることができ、丘陵地でのミッドドライブ システムの効率が大幅に向上し、変動負荷条件によりよく適合します。 ミッドドライブモーター for high-performance electric bikes マウンテン電動自転車、カーゴバイク、パフォーマンスコミューターアプリケーションに求められるトルクと地形の多様性を提供します。

どちらの構成でも、適合するモーター コントローラーがなければモーターは効果的に動作できません。コントローラーは機械式ブラシに代わる電子整流を実行し、ローター位置フィードバックに基づいてステーター巻線への電流供給を管理し、ライダーの入力 (スロットル、ペダルアシストレベル) を正確なトルク出力に変換します。 ハブおよびミッドドライブ システム用のブラシレス DC モーター コントローラー 特定のモーター巻線構成、電圧範囲、通信プロトコルに適合するように設計されています。完全な駆動システムを構築するエンジニアやインテグレータにとって、 コントローラーとモーターのペアリングガイド 特定の車両プラットフォームとパフォーマンス目標に合わせて互換性のあるコントローラーとモーターの組み合わせを選択するために必要な仕様一致フレームワークを提供します。