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インダクションモーターについて

発行：エスオーエル株式会社
https://www.sol-j.co.jp

連載「測定の新常識！？SOLがお伝えするノウハウ！」
2023年11月22日号　VOL.150

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皆さん、こんにちは。
営業技術の張です。

今回はインダクションモーター（誘導電動機）についてお話します。
Werth装置の一部もインダクションモーターを使用している為、
その動作原理や注意事項を紹介します。

インダクションモーターはAC電源とコンデンサーを使用しており、
電磁気の誘導作用により回転力を発生するモーターです。

通常のインダクションモーターは
ローター、ステーター、コイルなどで構成されています。

ブラシ付きのDCモーターとは異なり、
コイル付きのステーターはモーターのケースに取り付けられています。
ローターは単純な回転部品です。

回転する仕組みは、
コイルに電流を流すことによって回転磁界を発生させ、
ローターは電磁誘導によりトルクを発生させて回転します。


回転原理を説明するために、
最も単純な2極2スロットモーターから始めます。

2極は回転ローターがNS2極で、
2スロットはコイル2つということになります。
極座標にすると、0度と180度の所に、
巻き方向が違うコイル2つを設置するイメージです。

単相交流の電流を流すと、
コイルが発生する磁界はNS極とSN極の間で変化を繰り返します。
但し、磁界は0度と180度の2箇所しかないため、
始動できないポジションが存在します。
したがって、最初に少し外力を加えるか、
始動位置を調整する必要があります。

単相電源モーターの場合、主巻線に加えて、
補助巻線を90度と270度の所に追加する必要があります。
主巻線と補助巻線は並列に接続されており、
補助巻線にコンデンサー1個を直列に接続すると、
補助巻線に流れる電流の位相は
主巻線より90度進ませることができます。
言い換えれば、磁界も90度づつ変化しています。

どんなポジションでも、モーターの起動トルクが得られるため、
上記の問題点を改善することができます。


三相電源モーターの場合、
それぞれの電流の位相は既に120度ずつ進んでおり、
電源投入後、最初から位相ずれの回転磁界が発生し、
モーターの起動には問題がありません。

2極ローターをカゴ型の巻き線に置き換えることができ、
これは一般的なインダクションモーターになります。

接続されているコンデンサーは
進相コンデンサーとも呼ばれます。

進相コンデンサーは重要な役割を果たしている為、
その容量を計算してみます。

アンペールの右ねじの法則によって、
コイルから生じた磁場の強さは以下の通りです。

　　H = NI/2r

モーターのステーターに巻いたコイルの本数が一定だと考えると、
磁場は電流に比例しています。

　　交流電圧 v = V0 sin ωt

進相コンデンサーを流れる電流は次の通りです。

　　I = Cdv/dt
　　　= ωC V0 cos ωt

cos ωt = sin(ωt+π/2) の為、

I = ωC V0 sin(ωt+π/2) に変更することができます。

sin(ωt+π/2) は電流位相が
主巻線のωtより90度進んでいることを意味します。

式を変えれば、コンデンサーの容量も計算できます。

　　C = I/ωV0

ここにIはモーターの定格電流、
ωは電圧の回転スピード、V0は最大交流電圧です。

単相200Vの交流（東日本50Hz）で、
モーターの定格電流0.5Aの場合、

　　V0 = 282.8 V
　　ω = 2πf = 314 rad/s

コンデンサーの容量は、約 5.6 uF です。

このコンデンサーが劣化により、
5.6 uF より小さくなった場合、
進相部分は変わらないですが、
Iが低くなり、補助巻線の磁場が弱くなり、
起動トルクが不十分で、
モーターが起動できない可能性があります。

また、容量が大きいコンデンサーを接続すると、
I が大きくて、急激に発熱が大きくなり、
異常振動が発生する可能性があります。

設計する場合、容量係数、使用寿命、安全性など
を考慮する必要がある為、
上記の計算だけでは決められません。
計算することにより、
進相コンデンサーの重要性を理解できれば良いです。


以上、今回は、
インダクションモーターについてお話しました。

それでは、今日はこの辺で。
最後までお付き合い頂き、有難う御座いました。


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張