エアコンプレッサー業界におけるエアコンプレッサーモーターの応用

エアコンプレッサーモーターの選定：負荷・起動・デューティ

コンプレッサ用モーターの解説は、圧縮空気を使う業界の話になりがちです。しかしモーター選定に必要なのは、圧縮機本体が要求するトルク、電磁接触器が入った直後の起動条件、そして年間で部分負荷運転に費やす時間です。

コンプレッサは「業界」ではなく「負荷」

コンプレッサを「使う業界」で分類すると、モーターの供給側が必要とする情報が見えなくなります。同じエア工具（たとえば釘打ち機）を動かす2台でも、要求される出力はまったく違うことがあります。モーター選定を左右するのは、圧縮機の形式と運転パターンが決めるデューティ特性です。

モーター選定に効く負荷特性は3つあります。圧縮トルクは圧力比で変わるため、同じモーターでも10bar では8bar より吐出流量が減ります。吐出圧力が一定なら軸動力と質量流量はほぼ比例するので、コンプレッサ負荷をファン負荷と同じように扱って駆動装置を選ぶのは適切ではありません。起動条件も同じくらい重要です。電磁接触器が入った直後、モーターと圧縮機はどちらも定常状態からは程遠い状態にあります。

圧縮機の要求条件とモーターのデータを突き合わせてください。定格出力・回転数・電流はある1点の動作点を表すもので、圧縮機はその点以外で長時間運転することがあります。トルク―回転数平面を使うと関係が見えます。モーターはトルク曲線を出し、負荷はトルク曲線を要求し、運転点は2本の曲線が交わるところで決まります。

4つの圧縮機形式と、それぞれのモーターの役割

圧縮機の形式は、モーターの回転数、取付方式、起動負荷、そして最初に壊れる部品を変えます。要求が形式ごとに違うので、モーターがそのまま互換ということはありません。

レシプロ：フライホイールがモーターを変える

ベルト駆動のレシプロ圧縮機は、モーターとクランクシャフトの間にフライホイールを置きます。フライホイールは単動シリンダのトルク脈動を均し、エネルギーを蓄えます。アンローダがヘッドを空にすれば、モーターの起動負荷はピストン単体から想像されるよりも無負荷起動に近くなります。

ベルト張力はモーター前軸受にラジアル荷重をかけます。過大な張力は小型機の軸受早期破損の一因になり、最初の兆候は異音、次いで焼付きで、モーターのせいにされることがあります。張力が適正でも軸受はベルト荷重を受けます。そのためコンプレッサ専用モーターは、同じフレームの汎用モーターより前軸受を大きくしていることがあります。

スクリュ：フランジがインターフェース

スクリュ圧縮機は通常、ベルハウジングを介してモーターと圧縮機本体を接続します。この構造ではフランジとシャフトが嵌合の要で、IEC の B5 または B35、NEMA の C フェースが各市場で一般的です。インロー径とボルトピッチ円はフレームサイズで決まります。出力も回転数も合っている足付きモーターでも、ベルハウジングに付かないことがあります。アダプタはコストと芯出しの手間を増やすので、正しいモーターを手配するのと比べて判断してください。

2極モーターなら圧縮機本体はモーター回転数で回り、50Hz で約2900rpm、60Hz で約3500rpm です。大型機では4極モーターとタイミングギヤで必要なロータ回転数を得る場合があります。これらの構成は固定回転数で、流量は本体の押しのけ容積で決まります。可変速駆動にすると要求が変わり、それは後述します。

スクロール：静かで、熱に弱い

スクロール圧縮機は低騒音とオイルフリー空気を理由に選ばれることが多い形式です。小型パッケージはタンク搭載の2極モーターで連続運転するのが一般的です。スクロールセットは往復動質量が小さいため起動は比較的穏やかで、圧力に応じて発停する機種もあります。アンロード運転をしない機種では、この発停がそのままデューティになります。

レシーバが小さいスクロール圧縮機は、1時間に20〜30回発停することがあります。起動のたびに巻線に熱ストレスがかかり、短サイクルはモーター早期故障の一因になります。レシーバを大きくするか最低運転時間タイマを入れれば発停は減ります。モーターを大きくしても制御の問題は解決しません。

遠心式：容積式ではなく流体機械

遠心圧縮機は容積式ではなく流体機械です。容積式は一定体積の気体を閉じ込めて圧縮しますが、遠心式はインペラで気体に速度を与え、ディフューザで速度を圧力に変えます。負荷曲線が違います。本稿では遠心式を、入口案内羽根を閉じて起動し、ブローオフ弁でアンロードする機械として扱います。

おおむね100kW を超えると、増速ギヤボックスを介して2極モーターを原動機とする構成が一般的です。最新世代ではドライブと高速永久磁石モーターを使い、ギヤボックスを持たない構成もあります。この形式でブラシレス機が誘導電動機と直接競合するのは、まさにこの領域です。比較の論点は他と同じで、BLDC か誘導機かはデューティと生産量で決まり、万能の勝者はいません。

kW はどこへ消えるか：比動力の内訳

モーターを選ぶ前に、必要な軸動力を計算してください。以下の例は、吸込空気20℃・海面高度、吐出1.05m³/min（自由空気）・ゲージ圧8bar の圧縮機を使います。吸込圧力は絶対圧1bar、吐出圧力は絶対圧9bar なので、圧力比は9です。

理想等温動力は、圧力×体積流量×圧力比の自然対数です。SI 単位では 100000Pa × 0.0175m³/s × ln9 となり、3.85kW になります。これが理論的な下限で、完全に冷却され摩擦のない機械が必要とする動力です。実際の圧縮は断熱に近く、空気の比熱比を使った断熱式では5.35kW になります。両者の比 3.85/5.35 は72%で、これがこの圧縮過程の等エントロピ効率です。

入札用には、最後の行が使いやすい比較軸になります。定格圧力での入力比動力（kW/(m³/min)）です。流量だけ、圧力だけ、あるいは入力動力のない圧力だけでは、機械の比較になりません。モーターはそれに見合う軸トルクを出す必要があり、2900rpm では7.28kW が24.0N·m に相当します。その動力の裏にあるトルクも参照してください。

モーター効率を上げると実際に何が買えるか

効率クラスは比べやすい指標ですが、比動力を動かすのは本体・カップリング・モーターの3者です。以下の例はモーター軸動力を7.5kW に固定し、1つずつ条件を変えたものです。

この例では、本体効率を0.70から0.78へ上げるとエネルギー消費が約10%減り、モーターを IE3 から IE4 にしても2%弱の改善です。年間4000時間運転、0.12EUR/kWh とすると、削減額はそれぞれ約425EUR と約71EUR になります。どちらも投資する価値はありますが、この計算では本体側の効果が大きくなります。

とはいえ効率クラスが任意になるわけではありません。これは選択ではなく法的な下限です。EU 規則2019/1781は、EU 市場に投入される0.75〜1000kW の三相誘導電動機に IE3 以上を要求し、75〜200kW の帯では2023年7月以降 IE4 を要求しています。欧州でモーターを調達するコンプレッサメーカーは、明確な適用除外がない限り対象製品を買っています。除外は狭い範囲です。クラスの境界そのものはモーター効率クラスで解説しています。

制約になるのは運転時ではなく起動時

コンプレッサは何ヶ月も問題なく運転した後、保守の直後に起動しなくなることがあります。原因はモーターの故障ではなく、機械の状態である場合があります。電磁接触器が入った最初の数秒間、モーターは定格電流の数倍を引き、有効トルクと要求トルクは定常値と異なります。

ソフトスタータは起動電流を抑えますが、それは同時に得られるトルクを下げます。誘導電動機のトルクは電圧の2乗にほぼ比例します。この例では電流を定格の6.5倍から3倍へ落とすと、直入れトルクの約5分の1しか残りません。アンロード状態のコンプレッサなら足りても、ヘッドに8bar が残った状態では足りません。

アンロード起動の原則

大型のコンプレッサは、圧力のかかっていない状態で起動するよう設計されています。レシプロはヘッドアンローダで最初の数行程を逃がし、スクリュは吸込弁を閉じて起動前にセパレータをブローダウンします。これらの仕組みは、レシーバ圧力を本体から切り離す逆止弁と、電磁弁やダイヤフラムが正しく動作することにも依存しています。

アンローダや逆止弁が故障すると、モーターは圧力に抗して起動することになります。加速できずに拘束電流を流し続け、過負荷が2〜5秒でトリップすることがあります。3回続けて試せば、クラスF の巻線は永久損傷に至る温度まで上がり得ます。その後モーターが回ったとしても同じです。電気部品を交換する前に、ヘッドに圧力が残っていないか、停止時にブローダウンが起きていたかを確認してください。

モーターを大きくすることは、逆止弁の漏れを直す代わりにはなりません。押し切ってしまえば故障を隠すだけで、圧縮機本体とカップリングには設計以上の起動トルクがかかります。壊れているのは逆止弁で、モーターの何分の一かの部品です。モーターのサイズを変える前に、逆止弁を点検・修理してください。

ロード／アンロードか、可変速か

固定速スクリュ圧縮機は、圧力が設定帯を動く間に吸込弁を開閉して吐出量を調整します。アンロード中もモーターは回り続けるので、部分負荷のエネルギーは「全負荷動力×負荷率」に「残りの時間のアンロード動力」を足したものになります。給油式スクリュでは、ロータと油系統が動き続けるため、アンロード動力は全負荷動力の20〜35%程度が典型です。

ファンやポンプの相似則は、吐出圧力を一定に保つコンプレッサにはそのまま当てはまりません。この場合、比圧縮仕事はあまり変わらず質量流量が落ちるので、動力は回転数の3乗ではなく流量にほぼ比例して下がると考えるのが妥当です。削減率を試算するときは、需要が半分になったら87%減るという仮定を置かず、その圧縮機の運転プロファイルを使ってください。

最悪の1週間に合わせて選定されたプラントに典型的な、平均需要50%という条件では、この例ではドライブによって約1kW、年間4000時間で3880kWh・466EUR の削減になります。これは IE4 への変更で見込める効果の約6倍です。ただしこの比較は需要プロファイルと前提条件に依存します。

VSD コンプレッサのモーターは標準モーターではない

ドライブを追加すると、モーターの運転条件が変わります。深い絞り込みでは、巻線絶縁、軸電流のリスク、冷却の3点を確認してください。この3点が満たされない場合、生じる故障は製作不良のように見えます。

巻線絶縁

PWM ドライブは正弦波ではなく電圧パルスの列を出力します。立ち上がりが速く、長いモーターケーブルでは反射波が重なり、モーター端子の電圧ストレスが増します。本稿の400V の例では、パルスが1100V 近くに達すると試算しています。IEC 60034-18-41はタイプI 絶縁システムを、IEC 60034-18-42はタイプII 絶縁システムを扱います。ケーブルが長い場合は、dv/dt フィルタや出力リアクトルと組み合わせたタイプII 絶縁が必要になることがあります。ドライブとモーターの組み合わせとして確認してください。

ドライブで使うなら、モーターの絶縁システムを仕様に明記してください。直入れで問題ないモーターが、ドライブの電圧ストレス要件を満たすとは限りません。絶縁の試験方法は電動機の試験規格で解説しています。

軸電流

高速スイッチングはコモンモード電圧を生み、容量結合で回転子に伝わります。軸受放電電流は軌道面を侵食し、フルーティング、異音、軸受故障につながります。対策としては片側または両側の絶縁軸受、シャフトアースリングなどがあります。一般にフレームサイズ90程度より大きい機種で検討され、小型機では対策なしで使われることも多い項目です。適切な設計はモーターとドライブシステムの組み合わせで決まります。

低速時の冷却

全閉外扇形（TEFC）モーターはシャフト直結のファンで冷却します。回転数が半分になれば、ファン則により風量は約半分、静圧は約4分の1になります。モーターが半分の速度で全トルクを出せる定格であっても、冷却が減っているため過熱することがあります。深い絞り込みでは、IEC 60034-6で IC 416 と呼ばれる他力通風が必要になる場合があります。

もう1つ、モーターではなくドライブ側で決める事項があります。コンプレッサは定トルク負荷なので、ドライブは定トルク定格で選ばなければなりません。前面に最も大きく印字されていることの多い可変トルク定格で選ぶと、この用途では容量不足になります。両者の違いはVFD モーターと一般モーターの違いに、制御の挙動そのものは可変速モーターの仕組みにまとめています。

40℃、1000m、そして高温のコンテナ

モーターの定格は、規定の使用条件を前提にしています。IEC 60034-1は周囲温度40℃、標高1000m を基準条件としています。高温のコンプレッサ室や高標高の現場では減定格が必要になり、それが正しく選定したはずのモーターのサーマルトリップを説明することがあります。

温度

コンプレッサは、部屋が換気されていたり熱がダクトで排出されていない限り、周囲にかなりの熱を放出します。本稿では、換気のないコンテナや小さな機械室で45〜50℃が珍しくないと述べています。TEFC の目安として40℃を超える1Kあたり出力約1%の減定格を挙げており、46℃なら約6%の減定格になります。実際の現場条件はモーター メーカーのデータで確認してください。

クラスF 絶縁でクラスB 温度上昇に抑えた設計は、熱的な余裕を持てます。ここでは約25K と見積もっています。この組み合わせを仕様に明記し、実際の設計をサプライヤに確認してください。高温現場での余裕は定格全体の熱設計で決まり、夏場のサーマルトリップを減らす助けになる場合があります。

標高

標高2000m では、空気密度は海面の約4分の3になります。同じ体積を送るファンは質量流量が減り、冷却能力が下がります。本稿では TEFC の目安として1000m を超える100m あたり約1%の減定格を挙げていますが、優先すべきはメーカーの減定格表です。高標高では圧縮機本体の質量流量も減りますが、これはモーターの冷却低下とは別の話です。

最後の行が、よくある不満の正体です。同じモデルなのに A 国では調子が良く B 国では悪い、しかし故障は見つからない。46℃・2000m での7.5kW モーターの実効出力は約6.4kW で、本体が必要とする7.28kW を下回ります。機械は不良ではありません。温帯の海面高度で仕様を決め、それを別の場所に据え付けただけです。

フランジ、シャフト、カップリング

電気的な定格に関心が集まりがちですが、取付とシャフトの違いが交換不可を生みます。スクリュ圧縮機では、フランジのインローとシャフトが主要な嵌合寸法です。

IEC のフランジ取付は、フランジのみが B5、足＋フランジが B35 で、インロー径とボルトピッチ円はフレームサイズで決まります。NEMA の相当品は C フェース系で、小型フレームが56C、小型コンプレッサに現れるサイズが143TC や145TC です。出力・回転数・電圧が同一の足付き B3 モーターはベルハウジングに付きませんし、合わせるためのアダプタ板は芯出し公差とコストを追加し、それは通常モーター価格差を上回ります。

シャフト端もカップリングと合う必要があります。可撓性カップリングは限られた角度・平行の偏心を吸収しますが、軸方向の予圧は吸収しません。組立時にモーターを圧縮機本体の軸受側へ押し込むと、両方の軸受が予圧され、振動の原因になります。2900rpm では1回転1回の振動が約48Hz になり、音として聞こえる前に配管の振動として感じられることがあります。

機械側でもう2点、同じ文脈で確認すべきことがあります。回転数は互換ではありません。4極1450rpm のモーターは、プーリ比やギヤ比を変えずに2極2900rpm の代替にはならず、極数と回転数の関係はモーターの極数にまとめています。そしてベルト駆動機ではモーター軸受がベルト荷重を受けるため、銘板の数字がすべて一致していても、前軸受がオリジナルより細い交換モーターは早期に壊れます。

計算例：8bar で7.5kW

ここまでの要素を、上で使った機械に当てはめます。1.05m³/min（自由空気）・ゲージ圧8bar、給油式スクリュ、直結、夏に46℃まで上がる機械室、年4000時間運転、平均需要は55%前後という条件です。

実際の現場条件で実効出力を確認してください。46℃・海面高度では、この例の試算で約7.05kW が使えるのに対し要求は7.28kW なので、定格出力では計算上の要求を満たしません。機械室が50℃に達するなら余裕はさらに足りません。9kW モーターへ上げるか、機械室をダクト換気するか。想定運転条件と比べて判断してください。

これが小型レシプロ機であれば、同じ論理でも答えは変わります。4極、ベルト駆動、足付き、前軸受を強化し、発停を前提としたサービスファクタを取る。それはコンプレッサ用のデューティを付けた汎用モーターであり、そのカテゴリの境界条件は汎用モーターにまとめています。可搬式の12V・24V パッケージはさらに別で、永久磁石 DC モーターを中心に構成されます。

仕様決定でよくある6つの誤り

6番目は地域差があります。NEMA モーターはサービスファクタ1.15で販売されることが多く、これは規定の過負荷を許容するものです。その許容は、何年も115%で運転してよいという許可証ではありません。絶縁は温度で劣化し、温度は負荷に追随します。軸動力を正しく計算して1.0で選定したモーターは、限界で連続運転し続けたモーターより長持ちします。

見積依頼で伝えるべき項目

次の8項目を伝えると、サプライヤは見積を組みやすくなります。情報が欠けると追加のやり取りが発生し、前提が未解決のまま残ります。

1. 自由空気吐出量と吐出圧力。どちらも単独では意味を持たないので、両方を示してください。
2. 圧縮機形式と駆動方式。スクリュかレシプロか、直結かベルトか、増速しているなら本体回転数。
3. 軸動力は計算値で、表示値の転記ではなく。前提とした等エントロピ効率も添えてください。
4. 起動方式。直入れ、スターデルタ、ソフトスタータ、ドライブのいずれか、および負荷起動の可能性。
5. 1時間あたりの起動回数と年間運転時間。この2つで熱的なデューティが決まります。
6. 現場の周囲温度と標高。平均ではなく最悪条件で。減定格は最も厳しい1時間で決まります。
7. 取付とシャフト。フランジ呼称、インロー径、シャフト径とキー、カップリング形式。
8. 効率クラスと必要な認証。投入市場が要求するものを、ラベルではなく規格名で示してください。

特に注意すべきは2点です。軸動力は銘板値を転記せず計算すること、そして負荷起動が起こり得るかを確定させること。この2つは発注前に容量不足や起動問題を見つけます。スキッド上の他の被駆動機にも同じ考え方を適用してください。ポンプ用モーターの解説も参考になります。

参考文献

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