同期モーターと非同期モーター

同期モーターと非同期モーター

決定的な違いは、ステーターの回転磁界に対するローター速度です。 同期モーター のローターはその磁界とまったく同じ速度で回転しますが、非同期 (誘導) モーターのローターは常にわずかに遅く回転します。これをスリップと呼びます。 この滑りは、誘導電動機の動作に実際に必要です。なぜなら、ローターと回転磁界との間の相対運動が、そもそもトルクを発生させるローター電流を誘導するものだからです。滑りのない誘導電動機は、まったくトルクを発生させません。

同期モータは、ロータが誘導電流に依存するのではなく、（永久磁石または界磁巻線からの）独自の磁場を運ぶため、この依存性を回避します。これにより、ロータはステータ磁界に永久に遅れるのではなく、固定子磁界にロックして正確な同期を維持することができます。

同期モータセレクションガイド

• アプリケーションが本当に負荷に依存しない一定の速度を必要としていることを確認する — 速度精度が重要でない場合は、誘導モーターがよりシンプルで低コストのソリューションを提供する可能性があります。
• 開始要件を評価する — ほとんどの同期モーター (自己始動 PMSM タイプを除く) には始動方法または VFD 制御が必要です
• 効率性のメリットと初期費用を比較検討し、 特に、磁石材料によりコストが増加するものの、効率が向上する PMSM 設計の場合
• トルク要件がモーターの引き抜きトルク制限内に収まっていることを確認します アプリケーションの全動作範囲にわたって
• 力率補正値を考慮する 施設のより広範な電気システムが同期電動機の無効電力供給機能から恩恵を受ける場合

同期モーターの選び方

アプリケーションに適した特定の同期モータの選択は、他のモータ選択プロセスと同様に、必要なトルク、速度、定格出力を負荷に適合させることから始まりますが、アプリケーションに最適な特定の同期モータのタイプにもさらに注意を払う必要があります。 PMSM 設計は、効率とコンパクトなサイズを優先するほとんどの最新のアプリケーションに適合します。 一方、巻線ロータ同期モータは、励磁制御システムの複雑さの追加が、設備の規模と力率制御のための調整可能な励磁の値によって正当化される非常に大規模な産業用途に依然として関連しています。

同期モーターの効率比較

同期モーター、特に PMSM 設計は、一般に、ほとんどの動作範囲にわたって効率において誘導モーターよりも優れていますが、そのギャップは一般に部分負荷で最も顕著になります。この条件では、実際のアプリケーションの多くは、最大定格負荷で継続的に動作するのではなく、かなりの動作時間を費やします。 この効率上の利点は、ローターのスリップ損失を排除することで生まれます。 、トルクを生成するために必要な誘導電流の直接の結果として誘導モーターのローターで発生する抵抗加熱であり、同期モーターの独立して磁化されたローターには単純に存在しない損失メカニズムです。

同期モータのトルク特性

同期モーターのトルクと速度の関係は、誘導モーターとは根本的に異なります。スリップの変化に応じてトルクが速度とともに連続的に変化するのではなく、同期モーターは、同期速度を維持するために必要なトルクを、最大 (プルアウト) トルク制限まで生成します。 その制限を超えると、誘導モーターのようにモーターは徐々に減速しません。 — 同期が完全に失われ、停止します。つまり、同期モーターのアプリケーションは、この突然の故障モードを回避するために、予想される最大負荷トルクを上回る十分なトルクマージンを持ったサイズにする必要があります。

このトルク動作は、多くの誘導電動機とは異なり、同期モーターが一般に静止負荷に対して自己始動しないことも意味します。これは、固定ローターの磁界が、急速に回転するステーター磁界に対して有意な平均トルクを生成しないためです。ほとんどの同期モーターのアプリケーションでは、界磁に関与する前にローターを同期速度に近づける始動方法か、供給周波数をゼロから徐々に上昇させる可変周波数ドライブのいずれかが必要です。

同期モーター速度制御

同期モーターの速度は供給周波数に直接関係しているため、速度を調整するには周波数を調整する必要があり、これがまさに可変周波数ドライブ (VFD) の機能です。 VFD 制御の同期モーターは、正確な速度制御と同期動作の効率上の利点の両方を実現します。 この組み合わせは、最新の産業用駆動システムや電気自動車のパワートレインでますます一般的になっており、正確な速度/トルク制御と高効率の両方が同時に必要とされます。

永久磁石モーターと誘導モーター

PMSM は現在のほとんどの議論で誘導モータと比較されている主要な現代の同期モータ設計であるため、この比較は、より広範な同期と非同期の比較とほぼ同じ内容をカバーしています。 PMSM の利点は効率、電力密度、正確な制御を中心としています 一方、初期コストの低さ、機械的な簡素さ、追加の制御電子機器を必要としない自己始動機能が、特定のアプリケーションに対して PMSM が提供する効率向上よりも重要な場合には、誘導モーターが依然として好まれています。

高効率モータの選定

高効率モーターを選択するには、単一の効率パーセンテージの数値だけでなく、その効率がモーターの実際に予想される動作範囲全体でどのように維持されるかを考慮する必要があります。これは、多くのアプリケーションがデューティ サイクルの重要な部分で最大定格負荷をはるかに下回って動作するためです。 100% 負荷時だけでなく、全負荷範囲にわたる効率を確認します。 単一の全負荷効率定格のみに依存するよりも、実際のエネルギー消費とコスト削減の可能性をより正確に把握できます。

電動モーターの性能比較

産業機器向けモーターの選定

産業機器のモーターの選択は通常、全動作範囲にわたる負荷のトルクと速度のプロファイルを定義することから始まり、次にどのモーター技術が効率、制御の複雑さ、予算の制約とともにそれらの要件に最もよく適合するかを評価します。 安定した予測可能な負荷があり、正確な速度制御が必要ないアプリケーション 多くの場合、標準的な誘導モータでうまく機能しますが、正確な速度調整、高効率、または動的トルク制御を必要とするアプリケーションでは、VFD 制御と組み合わせた同期 (特に PMSM) 設計がますます好まれています。

電動モーターを選択する際に考慮すべき要素

• 必要なトルクと速度 開始条件とピーク条件を含む全動作範囲にわたって
• 効率要件、 全負荷時と典型的な部分負荷動作条件の両方で
• 速度制御のニーズ — 固定速度、可変速度、または正確な位置/動作制御
• 始動要件と利用可能な制御電子機器 (ダイレクトオンライン、VFD、またはその他の起動方法)
• 総所有コスト、 設備の耐用年数にわたる予想されるエネルギー節約およびメンテナンス要件と、前払いのモーターおよび制御コストのバランスを取る