電気モーターの基本: モーターの仕組み、主な種類、サイズ 1 の仕方
クイックアンサー
電気モーターとは何ですか?
と 電動モーター はエネルギー変換マシンで、端子で電力を受け取り、シャフトで機械的な力を供給します。タイプに関係なく、すべてのモーターは同じ物理的チェーンに従います – 電気エネルギーは磁場を生成し、その磁場は電流を流す導体に作用し、結果として生じる力はシャフトトルクになります。
コア物理学を 1 行にまとめたもの
電流を流す導体 私は 磁束密度 Bさん 力を体験する F = B・I・L (ローレンツ力)。ロータ上の多くの導体をステータフィールド内に配置すると、正味の接線力がトルクになります。それが全体のトリックであり、他のすべては、ロータが回転するときに力を同じ方向に向け続ける方法を中心に設計されています。
モーターの構造
- ステータ — 固定部品。ACモーターでは、回転磁場を生成する巻線を運びます。PMモーターでは、電磁場はステーターに固定された永久磁石から来ることができます。
- ローター — シャフト上の回転コア。巻線 (誘導かご形または巻線ローター)、永久磁石 (PM/BLDC/PMSM)、または整流子 (ブラシ付き DC) を搭載できます。
- エアギャップ — ステーターとローターの間の小さなクリアランス。フラックスを集中させるには小さいが、ローターを回転させるのに十分な大きさでなければなりません。効率とトルクに強く影響します。
- 整流子とブラシ (ブラシ付きDCのみ) — 回転時にローターの電流方向を反転させる機械式スイッチ。それらは摩耗します。これがブラシレス設計が存在する理由です。
- ベアリングとハウジング —シャフトをサポートし、熱を取り除きます。巻線寿命ではなく、ベアリングの寿命は、ブラシレスモーターの通常の制限です。
電気モーターの仕組み (ステップバイステップ)
- フィールドを活気づけます。 固定子巻線 (または固定磁石) の電流は、エアギャップ全体に磁場を生成します。
- ローテーションを作成します。 ACモーターでは、交流電源は自然に 回転 磁場。DC モーターでは、整流子 (ブラシ付き) または電子コントローラー (ブラシレス) がローターの位置に合わせて磁場を切り替えます。
- トルクを生成します。 この磁場はローター電流またはローター磁石に作用し、ローレンツの法則を介して接線方向の電磁力(トルク)を生成します。
- 機械的な力を提供します。 トルクはローターを回転させます。シャフトパワーはトルクと角速度の積です。
P = T・ωです。 - 維持整流。 スイッチングはロータの角度を追跡する必要があります。ブラシ付きDCは機械的にそれを行いますが、BLDC/PMSMは電子的にそれを行います(センサーまたは逆起電力推定)ため、ブラシレスモーターにはコントローラーが必要です。
ACとDC:違いが実際に存在する場所
供給はほぼ副次的な問題です。決定的な違いは、 通勤の発生方法. AC誘導モーターは整流をまったく必要とせず、ローター電流が誘導されます。ブラシ付きDCモーターは機械的に整流します(摩耗部品)。BLDCモーターは電子的に整流し、電気的にはインバーターを介してDCから給電される同期機です。私たちの BLDC基本ガイド 電子整流の詳細の場合、および ブラシ付きとブラシレス トレードオフのために。
モータータイプの比較
指定子にとって最も有用なビューは、ファミリーのサイドバイサイドです。以下の数値は典型的な範囲であり、ハードリミットではなく、すべての境界に例外が存在します。
| ファミリー | 通勤 | 典型的な効率 | 速度制御 | メンテナンス | 相対コスト | 勝つ場所 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| AC誘導(IM) | なし(誘導ロータ電流) | IE2–IE4 (85–96%) | 良好な制御のためにVFDが必要 | 非常に低い | 低い | ポンプ、ファン、コンベア、コンプレッサ |
| AC同期/PMSM | 電源への同期ロック | IE4–IE5 (95–98%) | VFD, 精密 | 低い | 中-高 | HVAC、高効率ドライブ、EV |
| ブラシレスDC(BLDC) | 電子(ESC/インバーター) | 85–95% | 素晴らしい | 非常に低い | ミディアム | ファン、家電、ロボット、EV |
| ブラシ付きDC | 機械式整流子 | 75–85% | エクセレント(電圧) | 高(ブラシ) | 低い | 低コスト、シンプルなドライブ、スターター |
| ステッパー | 電子ステップシーケンス | 40–70% | 位置(開ループOK) | 低い | ミディアム | CNC、3Dプリンター、ポジショニング |
| ユニバーサル(シリーズ) | 機械式、ACまたはDC | 60–80% | 素晴らしい | ミディアム | 低い | ハンドツール、掃除機 |
同期と非同期 — スリップポイント
で 誘導電動機 ローターは常に回転フィールドよりもわずかに遅くなります。それ スリップ ローター電流を誘導するものであるため、トルクは速度の数パーセントを消費します。あ 同期モーター フィールド周波数に正確にロックされ、ゼロスリップで効率が向上しますが、起動するには支援が必要です。永久磁石バージョン(PMSM、およびそのDC給電のいとことしてのBLDC)は、ロータ損失を完全に除去し、最高のIEクラスに達します。
モーター効率クラスとIEシステム
効率は、機械出力÷電気入力です。損失は、銅(I²R巻線熱)、鉄(コア磁化)、摩擦/風損、および浮遊負荷損失に分割されます。IEC 60034-30シリーズは、 IEコード:
| クラス | 標準的な全負荷効率 (4-極、~5–50 kW) | IE1 に対する相対損失 | 代表的な用途 |
|---|---|---|---|
| IE1 (標準) | 85–91% | ベースライン | レガシー/非規制市場 |
| IE2 (高) | 87–93% | ~15%損失の削減 | 一般産業 |
| IE3 (プレミアム) | 89–95% | ~30%損失の削減 | 米国/EU/中国の規制最低限 |
| IE4(スーパープレミアム) | 91–96% | ~45%損失の削減 | 高稼働時間アプリケーション |
| IE5(ウルトラプレミアム) | 93–98% | ~60%損失の削減 | PM同期、クラス最高 |
ステップアップするたびに、残りの損失がほぼ半分になります。年間数千時間稼働するモーターでは、購入価格ではなく IE クラスが生涯コストを圧倒します。当社の 効率クラスの説明者 より深く、そして私たちの BLDCシリーズ 永久磁石設計によりIE4〜IE5に到達します。
エンジニアリングデータ:フォーミュラ、温度、デューティ
実際に使用する数式
| 数量 | フォーミュラ | ノート |
|---|---|---|
| トルクとスピードによるシャフトパワー | P(kW) = T(N・m) × n(rpm) / 9550 | したがって、T = 9550 · P / n |
| 同期速度 (AC) | Nの(rpm) = 120 × f(Hz) / p | P =極数 |
| 伝票 | s = (nの − n) / nの | 誘導のみ、2–5%(典型) |
| 効率性 | η = Pアウト / Pで | 常に < 1 |
| 機械力 | P = T · ω ; ω = 2πn/60 | Ω (rad/s) |
温度制限 — 実際にモーターを殺すもの
巻線寿命は、~10°Cが持続する過負荷ごとに半分になります。IEC 60034-1は、最大許容巻線温度(周囲40°Cを想定)によって絶縁を分類します。
| 絶縁クラス | あ | エ | Bさん | エフ | Hさん |
|---|---|---|---|---|---|
| 最高巻線温度 (°C) | 105 | 120 | 130 | 155 | 180 |
転がり軸受用、SKFの故障モードデータは、実用的なシェル温度の上限を 95°C 以下の増加で 55°C 周囲温度以上 — 巻線の限界に達するかなり前。通常、絶縁クラスではなく、ベアリングの温度が現場で最初にトリップするものです。モーターが熱くなった場合は、作業をスルーします 一般的なトルクと熱の障害 交換する前に。
デューティ・サイクル (IEC 60034-1)
- S1 — 連続した一定の負荷 (ポンプとファンのデフォルト)。
- S2 — 短時間で、その後クールダウンします。
- S3–S9 — 定義された比率の断続的、周期的、または可変負荷。S3 定格のモーターは、同じ電力で連続使用時に過熱します。
モータータイプ別の最適なアプリケーション
| 応用 | ベストフィットファミリー | なぜ |
|---|---|---|
| 遠心ポンプ、HVACファン、コンベア | AC誘導(IE3+) | 安価で頑丈で、何年も無人で稼働 |
| EVトラクション、ロボティクス、サーボ | BLDC / PMSM | 高効率、精密トルク、再生 |
| 精密位置決め、CNC、3Dプリント | ステッピング/サーボ | オープンループ位置またはタイトなクローズドループ制御 |
| 低コストの家電製品、コードレスツール | ブラシ付きDC /ユニバーサル | シンプルな駆動、低い部品コスト |
| 長寿命でアクセスできないダクト | BLDC(密閉型、センサーレス) | 交換するブラシはありません。を参照してください アプライアンスアプリケーション |
| 低速で高トルクを必要とするコンベア | ギアモーター(任意のファミリー+減速機) | ギアは速度とトルクを交換します。比較 減速機の種類 |
軸方向の長さが狭い場合、減速機を内蔵したパンケーキBLDCが唯一の適合となることが多い フラットBLDCギアモーター そして マイクロギアボックスです。
モーターの選び方:ステップバイステップ
- 荷重を定義します。 出力シャフトでの連続トルクと速度、およびピーク/突入ニーズ(始動トルク、加速)。
- 家族を選びます。 定速ポンプ→誘導、精密可変速→BLDC/PMSM、位置決め→ステッピング/サーボ。
- シャフトパワーを計算します。 使用する
P = T・n/9550、次に伝達効率(ギア、ベルト、カップリング)で割ります。 - 関税とサービス係数を適用します。 断続的または衝撃負荷の負荷には、S定格とサービスファクターが必要です。
- 効率クラスを選択します。 IEが高いほど、実行時間が長くなります。上記のIEの表を参照してください。
- 環境を確認してください。 IP定格、絶縁クラス、周囲/高度ディレーティング、フランジとシャフトの寸法(フランジガイド)を呼び出します。
- ドライブを確認します。 速度を変更する場合は、VFD定格のモーターが必須です。ドライブの標準モーターが過熱します(以下の間違いを参照)。
ステップ 3 に供給する負荷側トルク演算については、 モータートルクの計算方法、そして完全な減速器を含むメソッドの場合、 減速機モーターの選択です。
作業例 — 遠心水ポンプの誘導モーターのサイズ設定
これは、競合他社が省略する種類の計算です。チェーンをたどれば、どのポンプでも再現できます。
| ステップ | 計算 | 結果 |
|---|---|---|
| 与えられた | 流量 Q = 60 m³/h、揚程 H = 18 m、水 (ρ=1000)、ポンプ ηp = 0.72, 16 h/日 S1, 周囲 40°C | — |
| 1.油圧動力 | Pハイド = ρ・g・Q・H / 3.6×106 = 1000・9.81・60・18 / 3.6e6 | 2.94 kW |
| 2。ポンプシャフトのパワー | Pシャフト = 2.94 / 0.72 | 4.09 kW |
| 3。モーター定格 | カップリングを許可 0.98、次の IEC フレームに丸めます | 5.5 kW を選択 |
| 4。入力電力 (IE3) | Pで = 4.09 / 0.90 | 4.54 kW |
| 5。スピード | 2-極、50Hz:nの = 120×50/2 = 3000、伝票 ~3% | ~2900 rpm |
エンジニアリングでよくある間違い
- VFDで標準モーターを動かします。 インバータ電圧の急上昇と余分な鉄損により、巻線の温度が10–20%上昇し、ターンツーターンの絶縁が破壊されます。適切な定格(絶縁クラスF / H、強化)インバーターデューティモーターを使用してください。
- パワーだけでサイジング。 同じkWの2つの負荷は、非常に異なる始動トルクとデューティを必要とする場合があります。常にトルク×速度からスタートし、次にデューティからスタートします。
- デューティサイクルを無視します。 銘板電源で連続運転するS3間欠モーターは、数時間以内に過熱します。
- 購入価格で購入します。 稼働時間が長い場合、IEクラスは2年以内に資本コストを上回ります(ポンプの例を参照してください)。
- サイトの IP / 冷却が間違っています。 ほこりっぽい場所や洗浄場所のファン冷却モーターは早期に故障します。IP54/IP55以上と必要に応じて強制換気に適合します。
- 周囲/高度のディレーティングをスキップします。 ~1000 m または 40°C を超えると、対流が低下し、ディレーティングまたはアップサイズする必要があります。
- BLDCにおけるKvと効率の混同 Kv(rpm/V)は効率を決定しません。モーター定数Kメートル = Kt/√R はそうします。でカバーされています BLDCガイドです。
トラブルシューティング: 問題 → 原因 → 解決策
現場での練習から回収された (「見て、聞いて、嗅いで、触る」方法)、表にアップグレードされました。元のページは、ここでトピックから外れた VFD ボード修理テキストに混ざり合っています。
| 問題点 | 考えられる原因 | ソリューション |
|---|---|---|
| 過熱/サーマルトリップ | 過負荷、換気不良、高周囲温度、シングルフェイジング | 現在の状況と銘板の確認、通気口のクリア、すべての相の確認。 オーバーヒートディープダイブ |
| 大声でハミング、起動なし | シングルフェイジングまたはロックローター | 電源フェーズと接点のテスト。負荷を解放します。 |
| 過度のベアリングノイズ | 潤滑損失、汚染、ベアリングの損傷 | ベアリングに再グリースを塗るか、交換してください。ほこり/湿気を遮断してください |
| 振動 | ミスアライメント、不均衡な負荷、緩い足場 | カップリングの再調整、マウントの締め付け、バランスローター |
| 焦げ臭/煙 | 巻線が短絡、絶縁不良 | 巻線のメガー、交換または巻き戻し、根本原因の発見 |
| 低速/弱トルク | スリップが高すぎる、電圧のたるみ、間違った極 | 供給の確認、ローターバーのチェック、極数の確認 |
| シャフト電流損傷(VFD) | コモンモード電圧、ベアリング絶縁なし | ドライブで絶縁ベアリングまたはシャフト接地を使用してください > ~160 kW |
よくある質問
ACモーターとDCモーターの違いは何ですか?
電源タイプは二次的であり、本当の違いは整流です。DCモーターは、ブラシを使用して機械的に(またはBLDCでは電子的に)電流を切り替えます。AC誘導モーターは、整流子をまったく使用せずにローター電流を誘導しますが、同期モーターとBLDCモーターはローターを電子的に磁界にロックします。BLDCの詳細については、 BLDCの基本です。
IE効率クラスとはどういう意味ですか?
IE1 から IE5 (IEC 60034-30) は、AC モーターの最小全負荷効率を設定します。各ステップは残りの損失を約半分にします: IE3 は一般的な規制最小値であり、IE4 から IE5 はプレミアム/スーパープレミアム、通常は永久磁石設計です。より高いクラスは初期費用が高くなりますが、稼働時間ごとにエネルギーを節約できます。
標準モーターを可変周波数ドライブで動かすことはできますか?
長期間は安全ではありません。インバータのスイッチングにより、電圧スパイクと高調波鉄損が発生し、巻線温度 10–20% と応力絶縁が上昇します。強化絶縁 (クラス F/H) と低速での強制冷却を備えたインバータ デューティ モーターを使用してください。
負荷に合わせてモーターのサイズを設定するにはどうすればよいですか?
出力トルク×速度から始めてシャフトパワー(P = T・n/9550)を取得し、伝達効率で割ってから、デューティサイクルとサービスファクターを適用します。上記の作業ポンプの例は、完全な演算を示しています。 減速機選択ガイド ギアステージを追加します。
モーターがオーバーヒートするのはなぜですか?
ほとんどの過熱は、過負荷、換気不良、周囲温度の高さ、または単相であり、悪いモーターではありません。銘板に対して電流を測定し、冷却経路を空け、何かを交換する前に 3 つの相がすべて存在することを確認します。
誘導電動機のスリップとは何ですか?
スリップは、回転するステーターフィールドとローターの間の小さな速度差です:s =(nの − n) / nの. これはローター電流を誘導するものであるため、スリップの数パーセントは正常であり、必要です。ゼロスリップは、誘導機のトルクがゼロになることを意味します。
ブラシレスとブラシ付き — どちらを選ぶべきですか?
部品コストが最も低く、メンテナンスへのアクセスが簡単なシンプルな電圧制御のためにブラシ付きを選択してください。効率、寿命、低ノイズ、または正確な速度/トルクが必要な場合は、ブラシレス(BLDC/PMSM)を選択してください。で比較する ブラシ付きとブラシレスです。
グリーンスカイを選ぶ理由
- 1つの屋根の下に完全なモーターファミリー。 BLDCの、 ブラシ付きDC、AC誘導、および ギア付きバージョン — したがって、推奨事項はカタログではなく計算に従います。
- システムとしてのモーター+ギアボックス+コントローラー。 一緒に供給および検証されているため、3 つのベンダーがそれぞれ独自の仕様を満たしている場合に発生するインターフェイスの不一致が解消されます。当社のペアリング コントローラー そして 48 V BLDC ドライブです。
- IE4/IE5への効率化 エネルギー節約が迅速に返済される高稼働時間向けの永久磁石設計。
- カスタムシャフト、フランジ、コネクタ、比率。 スルー カスタムモーター開発 そして OEM/ODM プログラム — 通常は、標準部品を強制的に適合させるよりも高速です。
- 英語でのエンジニアリングサポート。 キーワードからではなく、トルク、速度、デューティのデータから仕様を指定します。
関連技術リソース
- ブラシレスDCモーターの範囲と仕様
- ブラシ付きDCモーター — それらがまだ正しい選択である場合
- モーターコントローラーとドライブ
- モータートルクの計算方法
- 産業用モーターの選び方
- モーター効率クラスの説明
- DCギヤードモーターの用途は何ですか
- さまざまなタイプの減速機の比較
- ダイレクトドライブモーターとギアモーター
- BLDCの基本:整流、Kv、サイジング
- すべてのDCモーター技術記事
参考文献と規格
上記の効率数値、絶縁クラス、デューティ定義、および故障モードは、公開された国際規格およびメーカーの技術文書から引き出され、Greensky Powerエンジニアリングチームによって現在のエディションと照らし合わせてレビューされています。
- 国際電気標準会議. IEC 60034-1:2022 — 回転電気機械、部品 1: 定格と性能. https://webstore.iec.ch/en/publication/65446
- 国際電気標準会議. IEC 60034-30-1 — ライン操作 AC モーターの効率クラス (IE コード). https://webstore.iec.ch/publication/91195
- 国際電気標準会議. IEC TS 60034-30-2 — 可変速ACモーターの効率クラス. https://webstore.iec.ch/publication/30830
- 米国規格協会 / NEMA. ANSI/NEMA MG 1 — モーターと発電機. https://webstore.ansi.org/standards/nema/ansinemamg2021
- 全米電気工業会. モーターおよび発電機製品セクション. https://www.nema.org/products/pages/motor-and-generator.aspx
- 米国エネルギー省. 電気モーターの負荷と効率の決定. https://www.energy.gov/sites/prod/files/2014/04/f15/10097517.pdf
- 国際エネルギー機関. 電気モーター — エネルギーシステム、産業. https://www.iea.org/energy-system/industry/electric-motors
- SKFの. ベアリングの故障とその原因. https://www.skf.com/group/support/bearing-failures-and-their-causes
- シーメンスAG. SIMOTICS電気モーター — 技術文書. https://www.siemens.com/global/en/products/drives/electric-motors.html
- IEEEエクスプロア. 永久磁石同期およびブラシレスDCモータードライブ — 技術資料. https://ieeexplore.ieee.org/document/6342334
- マクソンモーターAG. ECモーターテクノロジー — ブラシレスDCドライブの基礎. https://www.maxongroup.com/maxon/view/content/ec-technology
- ファウルハーバー. ドライブテクノロジーノウハウライブラリ. https://www.faulhaber.com/en/know-how/
- 安川県. 技術ダウンロードとアプリケーションノート. https://www.yaskawa.com/downloads/search-index
