同期モーターの説明: 動作原理、種類、用途

同期電動機: 概要

同期電動機 は、より一般的な誘導 (非同期) モーター設計で発生するように、ローターがステーターによって生成される回転磁界とまったく同じ速度で回転する、つまり「同期」する AC モーターです。 ローター自体が磁化されているため、この正確な速度マッチングが実現されます。 永久磁石、外部励磁界磁巻線、または別の磁化方法のいずれかを介して、固定子の回転磁界と同期してロックし、正確に同期して回転します。

ローター速度は AC 電源周波数とモーターの極数に直接関係しているため、同期モーターは、誘導モーターの速度のように負荷の変化によってドリフトすることのない、高精度で安定した速度制御を実現します。この特性が、生の電力供給と同じくらい正確で一貫した速度が重要であるアプリケーションでの使用を推進します。

同期モーターの動作原理

AC 電源によって通電されるステーター巻線は、供給周波数とステーターの極数によって決まる速度でモーターの周囲を一周する回転磁場を生成します。 ローター自身の磁場が、この回転するステーターの磁場にロックされます。 、基本的に磁気吸引力によって「引きずられる」ため、ローターはステーター磁界自体と正確に同じ回転速度で回転します。この速度は同期速度と呼ばれ、モーターがそのロックを維持する能力の範囲内にある限り、負荷に関係なく一定のままです。

ロータはステータの回転磁界をロックするために独自の磁界を必要とするため、同期モータ (自己始動永久磁石設計以外) では通常、外部始動方法が必要です。これは、静止した磁化ロータが、誘導モータの誘導電流ロータのように回転磁界に対して自然に始動トルクを生成しないためです。

同期モーターの種類

永久磁石同期モーター (PMSM)

PMSM 設計では、高強度永久磁石 (通常はネオジムなどの希土類磁石) をロータに直接埋め込むか表面実装するため、ロータ巻線、スリップ リング、または巻線ロータ同期モータに必要な外部励磁電源が不要になります。 この設計により効率が大幅に向上します ロータ巻線の抵抗損失がなく、励磁電力も必要ないため、巻線ロータの設計に依存するスリップ リングとブラシ アセンブリを取り除くことでメンテナンスの必要性も軽減されます。

PMSM は、特にこの効率性と信頼性の利点により、高効率の産業用および電気自動車のアプリケーションにおいて主流の同期モータ タイプとなっていますが、PMSM の設計と調達においては、コストと、場合によっては希土類磁石材料の供給可能性が依然として実際的な考慮事項となります。

AC同期モーターの基礎

同期メカニズムは特に AC 電源によって生成される回転磁界にローター速度をロックすることに依存しているため、すべての同期モーターは定義上 AC モーターです。 同期速度はAC電源周波数とモーターの極数から直接計算されます。 — 固定周波数 AC 電源に接続されたモーターは、完全にこの関係によって決まる固定速度で動作します。これが、同期モーターを定速アプリケーションで使用するための基礎であり、可変速同期モーター アプリケーションがモーターの供給周波数を変更するために可変周波数ドライブを必要とする理由でもあります。

同期モーターのアプリケーション

• 産業用プロセス機器 負荷変動に関係なく、正確で一定の速度が必要 - コンプレッサー、大型ポンプ、プロセスラインドライブ
• 力率補正 産業用電気システムにおいて、無効電力を供給するために過励磁された同期モーター (同期コンデンサー) を使用する
• 電気自動車とハイブリッドドライブトレイン、 PMSM 設計により高効率と正確なトルク制御が実現します。
• ロボット工学と精密モーション制御、 正確で予測可能な速度と位置応答が重要な場合
• 時計、タイマー、計測器 歴史的には、同期モーターの供給周波数と回転速度の間の固定関係に依存していました。
• 大規模発電用途、 同期機は系統周波数に関連付けられた発電機としても機能します。

産業用同期モーター

産業施設は、特に、負荷に依存しない速度安定性が製品の品質やプロセスの一貫性に直接影響を与えるアプリケーションで同期モーターを好んでいます。正確に固定された速度で稼働する製紙工場のドライブや大型コンプレッサーは、誘導モーターが示すような負荷時の微妙な速度変動を回避します。これは、正確な速度制御に敏感なプロセスにとって非常に重要な問題となる可能性があります。 大型同期モーターも、特に力率改善機能を目的として頻繁に使用されます。 過励磁された同期電動機は電気システムに先行無効電力を供給することができるため、施設内の他の場所で大きな誘導電動機負荷が頻繁に生み出す遅れ力率を相殺し、機械負荷を駆動すると同時に施設全体の力率も向上させるという二重の利点をもたらします。

高効率電動モーターと省エネモーター技術

同期モータ、特に PMSM 設計は、誘導モータの動作に固有の回転子抵抗損失 (スリップ損失) を排除するため、高効率モータ技術の最前線に位置しています。誘導モータの回転子電流は、固定子磁界速度と回転子速度の差によって誘導され、その誘導電流は本質的に抵抗熱損失を生成しますが、同期モータの独立して磁化された回転子は完全に回避します。 この効率の利点は部分負荷条件でさらに顕著になります ここで、PMSM 設計は多くの場合、誘導モーターよりも高い効率を維持しますが、誘導モーターの効率は通常、最大定格負荷未満で動作すると大幅に低下します。

多くの地域での規制効率基準により、以前は誘導電動機が主流であったアプリケーションでの同期電動機技術の採用が加速しています。これは、ますます厳しくなる効率要件を満たすことが、誘導電動機単独の設計を段階的に改善するよりも PMSM 設計を使用した方が簡単な場合が多いためです。

定速モーターの用途

定速動作は、同期モータの最も特徴的な実用特性の 1 つです。誘導モータのスリップのように負荷によってドリフトするのではなく、ローター速度が供給周波数に直接ロックされるため、同期モータは、プルアウト点に至るまでの全負荷範囲にわたって真に一定の速度を実現します。 そのため、速度の一貫性が出力品質に直接影響するアプリケーションにとっては自然な選択となります。 繊維加工、印刷機、特定の工作機械スピンドル用途などでは、負荷の変化によるわずかな速度変動でも最終製品にばらつきが生じる可能性があります。

同期モーターの利点

• 負荷に依存しない正確な速度制御: 速度は負荷に関係なく、プルアウトトルク制限まで供給周波数に固定されます。
• 特に PMSM 設計での高効率: 誘導電動機に特有の回転子の抵抗損失を回避します
• 力率補正 capability: 過励磁された同期モーターは電気システムに無効電力を供給する可能性があります
• 部分負荷時の強力なパフォーマンス: PMSM 設計は、多くの場合、負荷が軽減された条件下で誘導モーターよりも優れた効率を維持します。
• PMSM 設計におけるメンテナンスの削減: ローター巻線、スリップリング、ブラシの摩耗やメンテナンスが不要

これらの利点には、アプリケーションの要件と比較検討する価値のあるトレードオフが伴います。同期モーター (自己始動タイプを除く) は、一般に、単純な誘導モーターよりも複雑な始動構成または可変周波数駆動制御を必要とし、PMSM 設計では永久磁石の含有量により初期材料コストが高くなります。つまり、効率と精度の利点により、問題の特定のアプリケーションに対する追加投資を正当化する必要があります。