モーターはどのように動作するのでしょうか?

洗濯機のドラムは数キログラムの濡れた洗濯物を運ぶときに 1,400 rpm まで加速し、レンジフードのファンは脂っこい空気の流れに逆らって何年も稼働し、業務用クーラーの送風機は夏の間ずっと休むことなく回転します。 3 つすべてが電気エネルギーを回転に変換する電気モーターであり、3 つすべてが同じ物理法則に従います。モーターがどのように動作するかについての簡単な答えは、磁界内の導体を流れる電流がその導体に力を発生させ、モーターは、この力がシャフトの周りの回転部品を継続的に押すように配置されています。導体はコイルに巻かれ、コイルは鉄心のスロットに配置され、磁場は永久磁石または追加の巻線から発生し、機械的または電子的なタイミング機構がプッシュを常に回転方向に向け続けます。この連鎖が明確になると、すべてのモーター タイプが 1 つのテーマのバリエーションとなり、データシートやサプライヤーの比較がはるかに簡単になります。

中心原理: 電流と磁力は力に等しい

最も単純な形式では、磁界内の電流が流れるワイヤにかかる力は F = B × I × L です。ここで、B は磁束密度、I は電流、L は磁界内の導体の長さです。 1 本のワイヤーはニュートンの数分の一の力を生成しますが、それ自体では役に立ちません。モーターはこれを 3 つの方法で拡大します。1 つは何百回も巻いてコイルを作り、積層鋼芯で磁界を集中させ、2 つの磁性構造間の狭い空隙にこれらの導体を配置します。この導体は磁界が最も強い場所です。

2 つの構造には標準的な名前があります。ステータは固定されており、主磁場を生成します。ローターは内部のベアリング上に設置され、力を受ける導体を運びます。力はローターの導体に横方向に作用するため、トルク (シャフトの周りにねじる力) が発生し、ローターが回転します。

モーターが機能するか、無駄なけいれんが発生するかは、細部の 1 つで決まります。何も切り替えなければ、ローターは磁極がステーターと揃うまで回転し、そこで停止します。したがって、作動するすべてのモーターには、どの巻線に通電するかを常に変更するタイミング機構が組み込まれているため、磁気による押し込みが常にローターよりわずかに先行します。ブラシ付き DC モーターでは、これは整流子によって機械的に行われます。誘導モーターやブラシレスモーターでは、交流そのものまたは電子制御によって行われます。

モーターの内部: 機能する部品

ステータ: 固定フィールドメーカー

ステータには、主磁界を確立する巻線または永久磁石が搭載されています。その鉄心は、薄い絶縁されたシリコンと鋼の積層体 (通常は厚さ 0.35 ～ 0.5 mm) を積み重ねて作られています。固体鋼は渦電流を循環させ、エネルギーを熱として浪費します。ラミネート加工はその損失を劇的にカットします。

ローター：回転する部分

ローターは回転アセンブリです。最も一般的な家庭用設計のかご型誘導回転子は、両端が短絡されたアルミニウムまたは銅の棒を備えた積層鋼の円筒です。永久磁石とブラシ付きのデザインでは、代わりに磁石またはワイヤ巻線が使用されます。ローターはスチールシャフトを介してトルクを伝達します。

エアギャップ、シャフト、ベアリング

固定子と回転子の間には空隙があり、小型家電モーターではわずか 0.3 ～ 1 mm であることがよくあります。力はこのギャップを横切って伝達され、距離とともに急速に弱くなるため、ギャップが大きいとトルクと効率が低下しますが、ギャップが小さいと加工公差が厳しくなり、ベアリングの摩耗に対する余裕が少なくなります。ボールまたはスリーブ ベアリングはシャフトの中心を保持し、その品質が騒音、振動、耐用年数を大きく左右します。

AC誘導モーターの仕組み

固定子巻線に交流を流すと、磁界は単純に脈動するのではなく、空隙の周りを回転します。三相電源の場合、120 度離れた 3 つの巻線がそれ自体で回転磁界を生成します。ほとんどの家庭には単相電力しかないため、家電製品のモーターにはコンデンサを介して供給される補助巻線が追加されています。 2 つの巻線間の位相シフトにより、始動に必要な回転磁界が生成されます。

ローターには電流がまったく供給されません。ステーター磁界がローターバーを通過すると、ローターバー内に電流が誘導され、それらの電流が独自の磁界を生成し、ローターをステーター磁界の後に引きずります。これが、この設計が誘導モーターと呼ばれる理由であり、ローターが完全に追いつくことができない理由です。ローターは磁場よりわずかに遅く動作します。この差はスリップと呼ばれ、通常、全負荷時に 2 ～ 5% です。 50 Hz 電源の 4 極モーターの同期速度は 1,500 rpm で、負荷がかかるとおよそ 1,425 ～ 1,470 rpm で動作します。

2 つの実際的な結果が続きます。まず、速度は主に電源周波数と極数によって設定されます (およそ rpm = 120 × f / 極)。これが、50 Hz 用に構築されたモーターが 60 Hz では約 20% 速く動作する理由です。第 2 に、単相モーターは始動コンデンサに依存しており、モーターがハム音を立てても回転しない最も一般的な原因はコンデンサの故障です。このファミリーは家庭用エアコン、ファン、ポンプ、コンプレッサーで主流を占めており、正確な速度制御よりもシンプルさとコストが重要です。

省エネ1P-1.5Pエアコンモーター YYK-60 1-1.5P壁掛けエアコンおよび小型キャビネットエアコン用の単相ACモーターで、取り付け穴サイズは127x127mmです。単相モーターと始動コンデンサーの説明に続き、コストとシンプルさが重要な家庭用 AC、ファン、コンプレッサーのアプリケーションに適しています。 製品を見る→

DC モーターの仕組み: ブラシ付きモーターとブラシレスモーター

ブラシ付き DC モーターは逆のアプローチをとります。ステーター上の永久磁石が一定の磁界を提供し、セグメント化された整流子を押すカーボン ブラシを通って電流が回転アーマチュアに到達します。整流子は半回転するごとに電機子コイルの電流を逆転させるため、トルクの方向が変わることはありません。構造がシンプルで安価で、速度が電圧に対してほぼ直線的に応答するため、小型ファン、おもちゃ、低コストの工具に適しています。弱点は機械的なもので、ブラシが摩耗し、火花が発生し、電気的ノイズが発生し、寿命が短くなります。

回転するアーマチュアも、電源に対抗して独自の電圧を生成します。この逆起電力は速度に応じて直線的に増加し、自然調速機として機能します。負荷がローターの速度を低下させると、逆起電力が低下し、より多くの電流が流れ、トルクが自動的に回復します。

ブラシの摩耗に対する最新の解決策は、ブラシレス DC (BLDC) モーターです。磁石がローターに移動し、巻線がステーターに留まり、電子コントローラーが整流子を置き換え、ホール センサーまたは逆起電力自体に基づいて相巻線間の電流を切り替えます。滑り接触がないため、効率と寿命が向上し、騒音が減少し、正確な速度制御がほぼ無料で実現します。ダイレクトドライブ洗濯機は最も明確な例です。モーターはドラムシャフトにまっすぐに取り付けられており、インバーター制御の BLDC モーターは、重くてアンバランスな負荷に対して低速で高トルクを供給します。ブラシ付き設計からブラシレス設計に移行する場合は、DC ブラシレス モーターを使用する際の注意事項に関するメモで説明しているように、駆動と保護の詳細が十分に異なるため、注意が必要です。

ダイレクトドライブインバーター洗濯機モーター ドラム軸に直接取り付けるブラシレスインバーターモーターを採用し、ベルトを不要にしました。記事で説明されているように、BLDC ダイレクト ドライブ設計は、重くアンバランスな洗濯物に対して低速で高トルクを提供すると同時に、動作音も静かで長持ちします。 製品を見る→

トルク、速度、効率: 数値の見方

トルクはシャフトが伝達するねじり力であり、ニュートンメートル単位で測定されます。始動トルクはコンプレッサーとブレンダーの負荷にとって重要ですが、定格トルクはモーターが過熱することなく連続的に供給できるトルクを定義します。機械的出力はトルクと回転速度の積に等しいため、同じワット数を高速で低トルクとしてパッケージ化することも、その逆をパッケージ化することもできます。この関係を負荷に適合させることがモーター選択の中心となります。銘板に記載されているワット数は電気入力であることに注意してください。機械的出力は小さくなり、その違いは効率です。

効率は、多くの購入者が予想するよりもモーターファミリー間で大きく異なります。

上記の値は、小型家電クラスのモーターの中間点を示しています。実際の数値はサイズとデザインの品質によって異なります。家族間の差は、何千もの稼働時間にわたる実際の金額と実際の熱量に相当するため、見積もりを比較する場合は、データシートで次の項目を確認してください。

1. 定格電圧と周波数 - 220 ～ 240 V/50 Hz または 110 ～ 120 V/60 Hz など、目的の市場に適合していることを確認します。
2. 定格電力とデューティ サイクル - S1 連続定格は短時間デューティとは根本的に異なり、定格が小さすぎると過熱の原因となります。
3. 無負荷時の数値だけでなく、定格負荷時の速度とトルクも測定します。
4. 絶縁クラス - クラス B 巻線は 130°C、クラス F は 155°C に耐えます。
5. dB(A) 単位の騒音レベル。ファン、レンジフード、室内ユニットにとって重要です。
6. ベアリングの種類 - ボールベアリングは長寿命と高荷重を実現し、スリーブベアリングは低コストで静かな水平取り付けを実現します。

換気、冷却、乾燥装置ごとに空気の流れを変える必要がある場合、可変周波数設計により、単一の固定速度ではなく、1 つのモーターでさまざまな動作点をカバーできます。

周波数可変速度小型ブロワモーター YYK-60 換気および冷却装置に約 30% ～ 100% の無段階速度調整を提供するコンパクトな可変周波数ブロワー モーター。可変周波数設計により、単一の固定速度ではなく、1 つのモーターでさまざまな動作点をカバーできるという記事の要点と一致します。 製品を見る→

エネルギーの行き先: 損失、熱、寿命

すべてのモーターは入力電力の一部を無駄にしており、それがどこに行くかを知ることで、サプライヤー間の品質の違いのほとんどが説明されます。銅損は巻線の抵抗によって発生し、電流の二乗に比例するため、線が細いか巻数が少なすぎるとすぐに問題が発生します。鉄損は交流磁化と渦電流によってスチールコアで発生するため、積層の厚さとスチールグレードが重要になります。摩擦と風損はベアリングと空気抵抗から発生します。代表的な小型家電モーターの定格負荷では、入力エネルギーの約 75 パーセントが実際にシャフトに到達します。

暑さは寿命の大敵です。巻線絶縁体は温度許容差によって等級分けされており、クラス B は 130°C、クラス F は 155°C に耐えます。経験則として、継続的な過熱が 10°C ごとに、絶縁体の寿命はおよそ半分になります。ベアリングはもう 1 つの制限コンポーネントです。汚染されたグリースや規格外のグリースは、最初に異音として現れ、その後焼き付きとして現れます。潜在的なサプライヤーを監査する場合は、温度上昇試験レポートを求め、どのベアリング グレードが単にリストされているだけでなく、実際に取り付けられているかを確認してください。

適切なモーターファミリーの選択

物理的性質が明確になると、選択は負荷、利用可能な供給、予想寿命の間でマッチングすることになります。家電製品および照明器具の購入者に最も関連性の高い 3 つのファミリーを次のように比較します。

よくある質問

モーターが 1 つの位置で停止せずに回転し続けるのはなぜですか?

磁力の方向が変化し続けるからです。整流子または電子コントローラーは巻線に順番に再通電し、誘導モーターでは固定子の磁界自体が回転するため、回転子は静的な磁界と一致するのではなく、常に進行する磁界を追いかけます。

逆起電力とは正確には何ですか?

これは、回転モーターが電源に逆らって自身の巻線に生成する電圧です。速度に応じて上昇し、電流を自然に制限し、ブラシレスシステムではセンサーレス制御のためのフリースピードセンサーとしても機能します。

単相モーターがうなり音を立てて始動しないのはなぜですか?

主巻線だけでは回転磁界を生成できないため、磁界が脈動している間、ローターは動かないままになります。通常の原因は次のとおりです。

• 始動または運転コンデンサの故障
• ベアリングの焼き付きまたは摩耗
• 補助巻線の開回路

まずコンデンサをテストすると、ほとんどの場合が解決します。

60 Hz の電源で 50 Hz のモーターを動作させることはできますか?

注意してください。速度は周波数とともに約 20% 増加し、トルクはわずかに変化し、冷却条件も同様に変化します。モーターが明示的に二重周波数定格である場合、または可変周波数ドライブが使用されている場合を除き、製品を別の市場に出荷する前にメーカーに変更を確認してください。

家電製品のモーターの寿命はどのくらいですか?

よく作られた誘導モーターは通常、家庭で 10 年以上使用され、ブラシレス設計は多くの場合、家電製品自体よりも長持ちします。ブラシ付きモーターは例外で、ブラシの寿命は通常 1,000 ～ 5,000 動作時間です。

結局のところ、モーターは、電流、磁場、力を回転させ続けるタイミング方法など、さまざまな方法で表現された 1 つのアイデアです。どのファミリが負荷に適しているのか、またデータシートのどの数値が実際にパフォーマンスを予測しているのかを理解することで、ほとんどの調達ミスを防ぐことができます。エアコン、空気冷却器、洗濯機、送風機、その他の家庭用機器用のモーターとポンプのメーカーとして、当社のエンジニアリング チームは、バイヤーがトルク、騒音、効率の要件を特定の用途に適合させるのを定期的に支援します。新製品用のモーターを指定する場合は、詳細についてご相談ください。