電動機の原理

電気モーターは、電力を機械的な力に変換する電気機械変換器(電気機械)である。 従来の電気モータでは、相互に引力と反発力が働く電流伝導導体コイル磁界を生成する。 したがって、電気モータは、モータ電力を電力に変換する、非常に類似して構築された発電機の対応物である。 電気モーターは通常、回転運動を生成しますが、組み立てられた並進運動(リニアアクチュエーター)にも使用できます。 電気モーターは、多くの機器、機械および車両を駆動するために使用されます。

動作原理
電気モーターは、電気エネルギーを機械エネルギーに変換する装置です。 電気モータにおけるこのエネルギー変換の手段は、磁場である。 電気モータには様々なタイプがあり、それぞれのタイプは、モータの力またはトルクを引き起こす電気的流れおよび磁気的流れの相互作用を決定する構造を有する異なる構成要素を有する。

基本的な原理は、電場と磁場の点電荷qの相互作用によって力がどのように引き起こされるかを記述するものであり、ローレンツの法則である:

ここで:
q:定時の電荷
E:電場
v:粒子速度
B:磁界密度

純粋に電場の場合には、方程式の表現は以下のようになる。

この場合の力は、電荷qと電場Eによってのみ決定される。例えば誘導機のステータのコイルまたはロータのような、電気的流れを起点とする導体に沿って作用するクーロン力であるDCモータの

純粋な磁場の場合:

力は、電荷、磁場密度Bおよび荷重vの速度によって決定される。この力は、磁場および荷重の速度の方向に対して垂直である。 通常は動きが多いので、電荷密度Fv(単位体積あたりの力)の観点から式を書き換えると便利です。

製品へ  電流密度J(アンペア/平方メートル)として知られている。

結果として生じる表現は、電流と磁場との相互作用によって生成される力を表す。

これは、力が電気モーターなどの電気機械システムでどのように発生するかを説明する基本原理です。 しかし、電気モータの各タイプの完全な説明は、その構成要素およびその構成に依存する。

リニアモータ
リニアモータは、本質的に、トルク(回転)を生成する代わりに、その長さに沿って直線力を生成するように、「アンロール」された任意の電気モータである。

リニアモータは、最も一般的に誘導モータまたはステッピングモータです。 リニアモータは、モータレスレールカーの急速な動きがレールによって制御される多くのローラーコースターで一般的に見られます。 列車が地上を「飛ぶ」磁気浮上列車にも使用されています。 より小さなスケールでは、1978年代のHP 7225Aペンプロッターは、X軸とY軸に沿ってペンを動かすために2つのリニアステッピングモーターを使用しました。

電磁気

力とトルク
世界の電気モータの大部分の基本的な目的は、ステータとロータとの間のエアギャップ内の相対運動を電磁的に誘導して、有用なトルクまたは線形力を生成することである。

ローレンツ力の法則によれば、巻線導体の力は、

またはより一般的には、任意の幾何学的形状を有する導体を取り扱うことができる。

モータの力を計算する最も一般的なアプローチはテンソルを使用します。


rpmが軸速度であり、Tがトルクである場合、モータの機械的出力Pemは、

フットポンドで表されたTを持つ英国単位では、
 (馬力)、そして、

SI単位で、毎秒ラジアンで表されるシャフトの角速度を表し、Tはニュートン単位で表され、
 (ワット)。

リニアモータの場合、毎秒メートルで表されるニュートンおよび速度で表した力Fを用いて、

 (ワット)。

非同期または誘導モータでは、モータ速度とエアギャップ電力との間の関係は、以下によって与えられる表皮効果を無視しています。
 、どこで

Rr – 回転子抵抗
r 2 – ロータに誘導される電流の2
s – モータースリップ; ロータ内の電流誘導に必要な相対運動を提供する同期速度と滑り速度との間の差である。

戻るemf
直流モータまたはユニバーサルモータの電機子巻線は磁場を通って移動するので、それらに電圧が誘起される。 この電圧はモータの電源電圧に逆らう傾向があり、逆起電力(emf)と呼ばれます。電圧はモータの走行速度に比例します。 モータの逆起電力と巻線の内部抵抗とブラシ間の電圧降下は、ブラシの電圧と等しくなければなりません。 これは、DCモータの速度調整の基本的なメカニズムを提供します。 機械的負荷が増加すると、モータは減速します。 より低いバックEMFが得られ、より多くの電流が電源から引き出される。 この増加した電流は、新たな負荷のバランスをとるための付加的なトルクを提供する。
ACマシンでは、マシン内の逆起電力源を考慮することが有用な場合があります。 一例として、これは、VFD上の誘導モータの速度制御が特に重要である。

損失
モータの損失は、主に、巻線の抵抗損失、ベアリングのコア損失および機械損失、および空冷ファンが存在する場合の空力損失が原因です。

転流、機械的整流器のスパーク、電子整流子の損失も発生し、熱も消散します。

効率
モータの効率を計算するために、機械的出力電力を電気入力電力で除算します。
 、

どこで  エネルギー変換効率であり、  電気入力パワー、  機械的出力電力:

どこで  入力電圧、  は入力電流、Tは出力トルク、  出力角速度である。 最大効率の点を分析的に導出することが可能である。 これは、典型的にストールトルクの1/2未満である。

多くの国の様々な規制当局は、高効率電気モータの製造および使用を促進する法律を導入し、実施している。

優良因子
Eric Laithwaiteは、電動機の「良さ」を判断する基準を提案しました。 

場所:
 優良要因です(1を超える要素は効率的です)
 磁気回路と電気回路の断面積
 磁気回路と電気回路の長さ
 コアの透磁率である。
 モータが駆動される角周波数です。

これから、彼は最も効率的なモーターが比較的大きな磁極を持つ可能性が高いことを示しました。しかし、方程式は非PMモータに直接関係するだけである。

パフォーマンスパラメータ

モータータイプのトルク能力
すべての電磁モーターは、ここで言及されたタイプを含み、相互作用するフィールドのベクトル積からトルクを導出する。 トルクを計算するには、エアギャップ内の磁界を知る必要があります。 これらがFEAまたは他のツールを使用する数学的解析によって確立されると、トルクは、力の全てのベクトルの積分に各ベクトルの半径を掛けたものとして計算され得る。 巻線に流れる電流は磁界を生成し、磁性材料を用いたモータの場合、磁界は電流に線形に比例しない。 これは計算を困難にしますが、コンピュータは必要な多くの計算を行うことができます。

これが行われると、電流をトルクに関連付ける図を、モータ選択のための有用なパラメータとして使用することができる。 モータの最大トルクは最大電流に依存しますが、通常は熱的な考慮が優先されるまで使用可能です。

所与のコア飽和制約内で、所定の有効電流(すなわちトルク電流)、電圧、極対数、励磁周波数(すなわち同期速度)、および空隙磁束密度に対して最適に設計された場合、またはジェネレータは、電磁コアの物理的サイズを決定する巻線スロットおよびバックアイアン深さを備えた所与のエアギャップ領域内で、実質的に同じ最大連続シャフトトルク(すなわち、作動トルク)を呈する。電気自動車を停止状態から加速させるために、トルクの短いバーストなど、最大作動トルクを超えるトルクのバーストが必要な用途もあります。 常に磁気コアの飽和または安全な動作温度の上昇と低下によって制限されるため、最大動作トルクを超えるトルクバーストの容量は、電動機または発電機のカテゴリによって大きく異なります。

トルクの破裂のための能力は、弱体化能力と混同してはいけません。 磁場弱化は、電気機械が設計された励振周波数を超えて動作することを可能にする。 磁界が弱くなるのは、印加電圧を上げることによって最高速度に到達できない場合に行われる。 これは、電流制御フィールドを備えたモーターにのみ適用されるため、永久磁石モーターでは実現できません。

WRSMまたはPMSMのような変圧器回路トポロジを持たない電気機械は、磁心を飽和させずに無駄に電流を増加させることなく最大設計トルクより高いトルクのバーストを実現することができない。 さらに、最大作動トルク定格を超えるトルクの破裂が試みられた場合、PMSMの永久磁石アセンブリは修復不可能な損傷を受ける可能性がある。

誘導機、誘導二重給電機、誘導または同期巻線二重給電(WRDF)機械などの変圧器回路トポロジを有する電気機械は、非常に高いトルクの破裂を示す。その理由は、変圧器の結合側は互いに反対向きであり、そうでなければコア飽和につながるトランス結合磁気コア磁束密度には何も寄与しない。

誘導または非同期の原理に依存する電気機械は、変圧器回路の1つのポートを短絡し、その結果、変圧器回路の無効インピーダンスは、スリップが増加するにつれて支配的になり、能動(すなわち実数)電流の大きさを制限する。 それでも、最大設計トルクの2〜3倍のトルクのバーストが実現可能である。

ブラシレス巻線同期二重給電(BWRSDF)機械は、真に二重ポートトランス回路トポロジー(すなわち、両方のポートが短絡ポートなしで独立して励磁される)を備えた唯一の電気機械である。 デュアルポートトランス回路トポロジーは不安定であることが知られており、限定された電力をロータ巻線セットに伝搬させるために多相スリップリングブラシアセンブリが必要である。 モータ巻線または発電中に同期動作のためにトルク角度およびすべりを瞬時に制御する精密手段が利用可能であり、同時にロータ巻線セットにブラシレス電力を供給する場合、BWRSDF機械の有効電流は変圧器回路の無効インピーダンスとは無関係であり、最大作動トルクよりも著しく高く、他のタイプの電気機械の実用能力をはるかに超えるトルクのバーストが実現可能である。 操作トルクの8倍を超えるトルクバーストが計算されています。

連続トルク密度
従来の電気機械の連続トルク密度は、電機子巻線セットの電力定格、機械の速度、および達成可能な空力によって決定されるエアギャップ領域およびバックアイアン深さのサイズによって決定される。コア飽和前のギャップ磁束密度。 ネオジムまたはサマリウムコバルトの永久磁石の高い保磁力にもかかわらず、連続的なトルク密度は、最適に設計された電機子巻線セットを有する電気機械の間で実質的に同じである。 連続トルク密度は、巻線の過熱または永久磁石の損傷による破壊前の冷却方法および許容動作時間に関する。

他の情報源によれば、様々な電子機械トポロジーは異なるトルク密度を有すると述べられている。1つの情報源は以下を示します:

電気機械式 比トルク密度(Nm / kg)
SPM – ブラシレスAC、180°通電 1.0
SPM – ブラシレスAC、120°通電 0.9-1.15
IM、非同期機 0.7-1.0
IPM、インテリア永久磁石機械 0.6-0.8
VRM、二重顕著リラクタンス機械 0.7-1.0

SPMブラシレスAC、180°通電、SPMはサーフェスパーマネントマグネットマシンで1.0に規格化されています。

液体冷却された電動機の場合、トルク密度は空気冷却の電動機に比べて約4倍大きい。

直流(DC)、誘導モータ(IM)、永久磁石同期モータ(PMSM)およびスイッチドリラクタンスモータ(SRM)を比較したソースは、

特性 DC IM PMSM SRM
トルク密度 3 3.5 5 4
電力密度 3 4 5 3.5

もう1つの情報源によれば、最大1MWの永久磁石同期機は、誘導機よりもトルク密度がかなり高いという。

連続電力密度
連続出力密度は、連続トルク密度と電気機械の一定トルク速度範囲の積によって決定される。

特殊磁気モーター

ロータリー

アイアンレスまたはコアレスロータモータ
上述のモータの原理の何も、ロータの鉄(鋼)部分が実際に回転することを必要としない。 回転子の軟磁性材料を円筒形にすると、(ヒステリシスの影響を除いて)トルクは電磁石の巻線にのみ作用する。 この事実を利用して、永久磁石DCモータの特殊な形態のコアレスまたはアイロンレスDCモータがあります。 急速な加速に最適化されたこれらのモータは、鉄心なしで構成されたロータを備えています。 回転子は、巻線充填シリンダ、または磁石ワイヤと結合材料のみを含む自己支持構造体の形態とすることができる。 回転子は、固定子磁石の内側に嵌合することができる。 ロータ内部の磁気的に柔らかい固定シリンダは、ステータ磁束の戻り経路を提供する。 第2の構成は、ステータ磁石を取り囲むロータ巻線バスケットを有する。 この設計では、ロータは、モータのハウジングとして機能することができる磁気的に柔らかいシリンダの内部に嵌まり、同様に磁束の戻り経路を提供する。

ロータは、鋼の積層体上の銅の巻線から形成された従来のロータよりも重量(質量)がはるかに軽いので、ロータを一層迅速に加速することができ、1ms以下の機械的時定数を達成することが多い。 巻線がより重い銅ではなくアルミニウムを使用する場合、これは特に当てはまります。 しかし、ローターにはヒートシンクとして作用する金属の塊がないため、小さなコアレスモーターでも強制空気で冷却する必要があります。 過熱は、コアレスDCモータ設計の問題となる可能性があります。 Motor-CADなどの最新のソフトウェアは、設計段階の間にモータの熱効率を向上させるのに役立ちます。

これらのタイプの中には、ディスクロータタイプがあります。詳細については、次のセクションで説明します。

携帯電話の振動アラートは、小さな円筒形の永久磁石磁場タイプによって生成されることがありますが、薄い多極円盤磁場磁石と、2つの結合されたコアレスコイルを備えた意図的にアンバランスな成形プラスチック回転子構造を有する円板タイプもあります。 金属ブラシとフラットな整流子がロータコイルに電力を供給します。

関連する制限された移動アクチュエータは、コア及び高磁束薄永久磁石の極の間に配置されたボンドコイルを有さない。 これらは、リジッドディスク(「ハードディスク」)ドライブ用の高速ヘッドポジショナーです。 現代のデザインはスピーカーのデザインとはかなり異なりますが、以前のリジッド・ディスク・ドライブ・ヘッドが直線的に動いていて、ドライブ・ストラクチャーが非常に似ていたため、ボイス・コイル・ストラクチャーとも言われていますラウドスピーカーのものです。

パンケーキまたは軸ロータモーター
印刷されたアーマチュアまたはパンケーキモータは、高磁束磁石のアレイ間を走る円板状の巻線を有する。 磁石は、軸方向の空隙を形成するために、その間に空間を有するロータに面する円形に配置される。 このデザインは、フラットなプロファイルのためパンケーキモーターとして一般に知られています。 この技術は、ServoDiscなど、創業以来多くのブランド名を持っています。

プリントされたアーマチュアモーター内のプリントされたアーマチュア(元々プリント回路基板上に形成されている)は、薄い剛性ディスクを形成するために先進の複合材料を用いて一緒にラミネートされたパンチされた銅シートから作られる。 印刷されたアーマチュアは、別個のリング整流子を持たないという点で、ブラシ付きモータの世界では独特の構造をしています。 ブラシはアーマチュア表面上を直接走り、全体の設計を非常にコンパクトにします。

代替的な製造方法は、中心の従来の整流子を有するフラットな銅線を花と花弁の形で使用することである。 巻線は、典型的には電気エポキシポッティングシステムで安定化される。 これらは中程度の混合粘度および長いゲル時間を有する充填されたエポキシである。 それらは低収縮と低発熱によって特徴づけられ、UL 1446は180℃、クラスH定格で絶縁されたポッティングコンパウンドとして認識されています。

アイロンレスDCモータのユニークな利点は、コギング(鉄と磁石の間の吸引力の変化によって生じるトルク変動)がないことです。 鉄ロータが積層されているが、寄生渦電流は完全に鉄がないのでロータに形成することはできない。 これは効率を大幅に改善する可能性があるが、可変速度コントローラは、電磁誘導の減少のために、より高いスイッチング速度(> 40kHz)またはDCを使用しなければならない。

これらのモーターは当初、磁気テープドライブのキャプスタンを駆動するために発明されました。パンケーキモーターは、高性能サーボ制御システム、ロボットシステム、産業オートメーション、および医療機器に広く使用されています。 現在利用可能な様々な構造のため、この技術は、高温軍事ポンプから低コストポンプおよび基本サーボへの応用に使用されている。

別のアプローチ(Magnax)は、2つのロータ間に挟まれた単一のステータを使用することである。そのような設計の1つは、ピーク電力15kW / kg、持続電力約7.5kW / kgを生成した。 このヨークレスアキシャル磁束モーターは、より短い磁束経路を提供し、マグネットを軸から遠ざけます。 この設計により、巻線オーバーハングがゼロになります。 巻線の100%がアクティブです。 これは、矩形断面の銅線の使用により強化される。 モータは、並列に動作するように積み重ねることができます。 不安定性は、2つのロータディスクが等しいおよび反対の力をステータディスクに確実に加えることによって最小化される。 ロータはシャフトリングを介して互いに直接接続され、磁力を相殺する。

マグナック​​スモーターのサイズは、直径が15-5.4メートル(5.9 in-17 ft 8.6 in)です。

サーボモーター
サーボモータはモーターであり、非常にしばしば完全なモジュールとして販売され、位置制御または速度制御フィードバック制御システム内で使用される。 サーボモータは、工作機械、ペンプロッタ、および他のプロセスシステムなどのアプリケーションで使用されます。 サーボ機構での使用を意図したモータは、速度、トルク、および動力について十分に文書化された特性を備えていなければならない。 速度対トルク曲線は非常に重要であり、サーボモータの比率が高い。 巻線インダクタンスやロータの慣性などの動的応答特性も重要です。 これらの要因は、サーボ機構ループの全体的な性能を制限する。 大きく、強力ではあるが応答速度の遅いサーボループは、従来のACまたはDCモータと、モータの位置または速度フィードバックを備えた駆動システムを使用することがあります。 動的応答要件が増加するにつれて、コアレスモータなどのより特殊なモータ設計が使用される。 ACモータの優れた電力密度と加速特性は、DCモータと比較して、永久磁石同期、BLDC、誘導、およびSRM駆動アプリケーションに適しています。

サーボシステムは、モータが動作している間、位置フィードバックが連続的であるという点で、いくつかのステッパモータ用途とは異なる。 ステッパシステムは本質的に開ループで動作し、「ホーム」スイッチや位置エンコーダなどのフィードバックはモーターシステムの外部にあるため、短期間の精度のために「ステップを逃す」ことはありません。 例えば、典型的なドットマトリクスコンピュータプリンタが起動すると、そのコントローラはプリントヘッドステッパモータドライブを左端の限界まで動かし、位置センサがホームポジションを定めてステッピングを停止する。 電源がオンである限り、プリンタのマイクロプロセッサの双方向カウンタはプリントヘッドの位置を追跡します。

ステッパーモーター
ステッパーモーターは精密回転が必要な場合によく使用されるモーターの一種です。 ステッピングモータでは、永久磁石を含む内部ロータまたは突極を有する磁気的に軟らかいロータが、電子的に切り替えられる一組の外部磁石によって制御される。 ステッピングモータは、DC電気モータとロータリーソレノイドとの間の交差部と考えることもできる。 各コイルが順番に励磁されると、ロータは、励磁された界磁巻線によって生成された磁場と整列する。 同期電動機とは異なり、その適用上、ステッピングモータは連続的に回転しないことがある。 その代わりに、「ステップ」 – スタートし、次に素早くもう一度停止します。フィールド巻線に通電して順番に電源を切ると、ある位置から次の位置まで素早く停止します。 シーケンスに応じて、ローターは前後に回転し、方向を変えたり、停止したり、スピードアップしたり、任意の時間に任意に減速することがあります。

単純なステッパモータドライバは、界磁巻線全体を完全に励磁または非励磁し、ロータを限られた数の位置に「コグ」させる。 より洗練された運転者は界磁巻線への電力を比例的に制御することができ、回転子がコギングポイント間に位置することができ、それによって非常にスムーズに回転する。 この操作モードは、しばしばマイクロステッピングと呼ばれます。 コンピュータで制御されるステッパモータは、特にデジタルサーボ制御システムの一部であるとき、最も汎用性の高い位置決めシステムの1つです。

ステッパーモーターは、容易に離散的なステップで特定の角度に回転することができ、ステッパーモーターは、コンピューターフロッピーディスクドライブの読み取り/書き込みヘッドの位置決めに使用されます。 それらは、ギガバイト時代前のコンピュータディスクドライブでも同じ目的で使用されていました。ハードディスクドライブの読み書きヘッドの正しい位置付けに適していました。ドライブ密度が高まるにつれて、ステッパーモーターの精度とスピードの限界により、ハードドライブでは時代遅れとなりました。精度の限界により使用できなくなってしまい、速度制限が競争力を失ってしまい、新しいハードディスクドライブではボイスコイルベースのヘッドアクチュエータシステムを使用していました。 (ボイスコイルとは、歴史的なもので、一般的な(コーン型)スピーカーの構造を指しています。この構造はしばらくヘッドの位置決めに使用されていました。ボイスコイルのように、現代のアクチュエータコイル導体(磁石ワイヤ)は、磁力線に対して垂直に動く。

ステッパモータは、光学走査素子、プリントヘッドキャリッジ(ドットマトリックスおよびインクジェットプリンタの)、およびプラテンまたはフィードローラを移動させるために、コンピュータプリンタ、光学スキャナおよびデジタル複写機でしばしば使用されている。 同様に、多くのコンピュータプロッタ(1990年代初頭から大判インクジェットとレーザープリンタに置き換えられて以来)は、ペンとプラテンの移動にロータリーステッピングモータを使用していました。 ここでの代表的な代替案は、リニアステッパモーターまたは閉ループアナログ制御システムを備えたサーボモーターのいずれかでした。

いわゆる石英アナログの腕時計には、最も一般的なステッピングモータが含まれています。 それらは1つのコイルを有し、ほとんど電力を消費せず、永久磁石回転子を有する。 同じ種類のモーターがバッテリ駆動のクォーツ時計を駆動します。 クロノグラフなどの時計の中には、複数のステッピングモーターを搭載しているものがあります。

3相AC同期モータ、ステッピングモータ、SRMには、可変リラクタンスモータタイプに分類されています。 ステッパーモーターは、コンピュータープリンター、光学スキャナー、ルーター、プラズマカッター、CNC旋盤などのコンピュータ数値制御(CNC)マシンでよく使われていました。

非磁性モーター
静電気モーターは、電荷の引力と反発力に基づいています。 通常、静電モーターは従来のコイルベースのモーターの2つです。 非常に小型のモーターはより低い電圧を使用しますが、通常は高電圧電源が必要です。 従来の電気モーターは磁気引力および反発を使用し、低電圧では高電流を必要とする。 1750年代、最初の静電モーターはBenjamin FranklinとAndrew Gordonによって開発されました。 今日、静電モーターは、駆動電圧が100ボルト未満である微小電気機械システム(MEMS)において頻繁に使用され、移動した帯電プレートはコイルや鉄心よりもはるかに容易である。 また、生細胞を動かす分子機械は、しばしば、線形および回転静電モーターに基づいている。

圧電モータまたは圧電モータは、電界が印加されたときの圧電材料の形状の変化に基づく電気モータの一種である。 圧電モータは、逆圧電効果を利用して、材料が音響振動または超音波振動を生成して線形または回転運動を生成する。 1つのメカニズムでは、キャタピラーの移動方法と同様に、1つの平面内の伸びを使用して、一連の伸びと位置の保持が行われます。

電動宇宙船推進システムは、宇宙空間を推進するために電気モータ技術を使用し、ほとんどのシステムは推進剤を高速で電気推進することに基づいており、いくつかのシステムは磁気圏への推進の電気力学的テザー原理に基づいている。