AC モーターと DC モーター: 主な違い、仕組み、選び方

ACモーター そして DCモーター : 核心的な違い

基本的なこと AC電気モーターとDC電気モーターの違い それぞれが機械的な回転に変換するように設計された電流の種類です。 ACモーター 交流 - 固定周波数 (グリッド規格に応じて 50 Hz または 60 Hz) で極性を反転する電源で動作します。 DCモーター 直流で動作し、電圧と電流が一方向に連続的に流れます。電源におけるこの 1 つの違いが、モーターの構造、速度制御方法、メンテナンスの必要性、およびアプリケーションの適合性におけるあらゆる下流側の違いを生み出します。

どちらのタイプのモーターも、同じ基本原理、つまり、磁界内に置かれた電流が流れる導体が電流の方向と磁界の方向の両方に垂直な力を受けるというローレンツ力の法則に従います。ローターを回転させるトルクは、固定コンポーネントと回転コンポーネントの間のギャップに作用するこの力の直接的な結果です。何が違うのか AC および DC 電気モーター 磁場がどのように生成され、どのように維持され、時間の経過とともに磁場がローターの巻線とどのように相互作用するかが重要です。

ACモーターの仕組み

ACモーター ステーターのボアの周囲に配置された分布巻線に交流を供給することにより、ステーター (固定された外側アセンブリ) 内に回転磁界を生成します。三相誘導モーターでは、三相が空間的にも時間的にも 120°離れて配置され、同期速度で連続的に回転する磁界を生成します。この回転磁界は、電磁誘導によってローターの導体に電流を誘導します。次に、誘導電流が独自の磁場を生成し、2 つの磁場の相互作用によってトルクが生成されます。

かご型誘導電動機の回転子 - 最も広く導入されている誘導電動機 ACモーター グローバル — 巻線、ブラシ、外部電気接続は含まれません。ローターバーは導電性エンドリングによって両端で短絡されており、電流は純粋に誘導によってそれらを通って流れます。この構造により、かご型 AC モーターは非常に堅牢になっています。ベアリング以外に磨耗する接触部品がなく、モーターはほこり、湿気、振動の多い環境でも最小限のメンテナンスで何年も連続稼働できます。

同期 AC モータは、関連するものの別個の原理で動作します。つまり、ロータは永久磁石または個別に励起された界磁巻線によって磁化され、回転するステータ磁界と同調してロックされ、負荷に関係なく (プルアウト トルク制限内で) 正確に同期速度で動作します。同期モーターは、繊維機械、製紙工場、精密ポンプ システムなど、正確な速度の一貫性が必要な場所で使用されます。

DCモーターの仕組み

従来の起毛では DCモーター ステータは、永久磁石または DC によって励磁された界磁巻線から定常磁場を生成します。アーマチュアと呼ばれる回転子には、セグメント化された整流子に接続された巻線導体が取り付けられています。カーボンブラシは整流子との滑り電気接触を維持し、ローターが回転するにつれて連続するアーマチュアコイルを通る電流の方向を切り替えます。この機械的整流により、ロータの位置に関係なく、同じ回転方向のトルクを維持する方向に電機子電流が常に流れることが保証されます。

整流子とブラシのインターフェースは、ブラシ付き DC モーターとブラシ付き DC モーターの構造上の決定的な違いです。 ACモーター 。これにより、簡単な速度制御が可能になります。供給電圧を下げるか、電機子電流を下げると、速度が直接低下しますが、メンテナンスの義務が発生します。ブラシは徐々に磨耗してカーボン粉塵が発生するため、定期的な検査と交換が必要になります。高速走行や粉塵の多い環境では、ブラシの摩耗が著しく加速します。メンテナンスへのアクセスが困難な場合や汚染が懸念される用途では、これは決定的な欠点となります。

ブラシレス DC モーター (BLDC) は整流子を完全に排除し、機械的スイッチングを、ホール効果センサーまたは逆起電力検出を通じてローターの位置を監視し、ステーター巻線を流れる電流を順番に切り替える専用コントローラーを介した電子整流に置き換えます。 BLDC モーターは、従来の DC 設計の速度制御の柔軟性と AC 誘導モーターの機械的な単純さを組み合わせており、コンピューターの冷却ファンや電気自動車のトラクション ドライブから産業用サーボ システムやドローンの推進に至るまで、幅広い用途での主要な選択肢となっています。

AC 電気モーターと DC 電気モーター: 並べて比較

以下の表は主な内容をまとめたものです ACモーターとDCモーターの違い 産業および商業の調達決定に最も関連する仕様パラメータ全体にわたって。

速度制御: AC 電動モーターと DC 電動モーターの実際的な違い

速度制御は、 AC電気モーターとDC電気モーターの違い 運用上最も重要になります。ブラシ付き DC モーターでは、速度は電機子電圧に正比例し、界磁磁束に反比例します。単純な加減抵抗器または PWM コントローラーでどちらかの変数を調整すると、滑らかで広範囲の速度変化が得られます。このため、20 世紀のほとんどを通じて、DC モーターが可変速産業用ドライブのデフォルトの選択肢となり、特に圧延機、製紙機械、クレーンホイストなど、負荷がかかった状態で継続的に速度を調整する必要がある用途で使用されてきました。

信頼性が高くコスト効率の高い可変周波数ドライブ (VFD) の出現により、企業の競争上の地位が根本的に変わりました。 ACモーター and DC motors 可変速アプリケーションで。 VFD は、固定周波数の主電源を可変周波数、可変電圧の出力に変換し、AC 誘導モーターがフルトルク制御で広範囲の任意の速度 (通常は定格速度の 10% ～ 120%) で動作できるようにします。最新の VFD は、DC ドライブに匹敵する動的応答を提供するベクトル制御またはダイレクト トルク制御 (DTC) アルゴリズムを実装しており、以前の DC システムが持っていた主要な性能上の利点を排除しています。

実際的な意味 つまり、三相 AC 電源から電力を供給する新しい固定速度または可変速産業設備の場合、VFD を備えた IE3 または IE4 定格の AC 誘導モーターが、ほとんどの場合、経済的および技術的に優れた選択肢となるということです。 DC モーターの残りの本拠地は、バッテリー駆動のモバイル機器 (電源が本質的に DC である場合)、低電源電圧で非常に高い起動トルクを必要とするアプリケーション、および既存の DC インフラストラクチャの改修費用がかかる従来の施設です。

AC モーターと DC モーターの選択: アプリケーション主導の意思決定フレームワーク

単一のモータータイプが普遍的に優れているということはありません。間の正しい選択 AC DC 電気モーター は、アプリケーションの特定の要求、利用可能な電源、メンテナンス環境、および設計耐用年数にわたる総所有コストによって異なります。

次の場合に AC 誘導モーターを選択してください。

• 設置には、標準の単相または三相 AC 主電源が使用されます。
• デューティ サイクルは連続的またはほぼ連続的で、過酷な環境、湿った環境、ほこりの多い環境、または爆発性の環境があります。ブラシレス構造により、ブラシ アーク放電による発火のリスクが排除されます。
• 出力は 50 kW を超え、AC 誘導モーターは同等の DC 設計に比べてコストと効率が大幅に向上します。
• 遠隔地またはアクセスが困難な場所にある HVAC ファン、ポンプ、コンプレッサー、コンベア ドライブなど、最小限のメンテナンス アクセスが可能です。

次の場合にはブラシ付き DC モーターを選択してください。

• アプリケーションはバッテリー駆動の低電圧で、電動工具、小型家電、自動車付属品、趣味のロボットなどです。
• モーターのサイズに比べて非常に高い始動トルクが必要であり、デューティ サイクルは断続的です。
• 制御電子機器の予算は限られており、単純な PWM コントローラーは VFD や BLDC ドライバーよりも大幅に安価です。

次の場合にはブラシレス DC モーターを選択してください。

• 電気自動車、ドローン、医療機器、高精度サーボ システムなどのアプリケーションでは、コンパクトなフォームファクターでの高効率、高出力密度、長寿命が求められます。
• 速度と位置は、広いダイナミックレンジにわたって高精度に制御する必要があります。
• メンテナンスは現実的ではありませんが、信頼性は非常に重要です。ブラシと整流子がないため、DC モーターで最も一般的な故障モードが排除されます。

実際には、間の境界は、 ACモーター and DC motors パワーエレクトロニクスが成熟するにつれて、その概念は大きく曖昧になってきました。高度な三相インバータによって駆動される BLDC モータは、永久磁石同期 AC モータと電気的に区別できません。同じハードウェアは、適用される制御アルゴリズムに応じて、どちらかに分類できます。最終的に重要なのは、完全なモーター駆動システムが、対象アプリケーションに必要なトルク速度特性、効率、信頼性、総所有コストを実現できるかどうかです。