AC モーターとは何か、その仕組みと電気モーターのトラブルシューティング方法

とは何ですか ACモーター ?

アン ACモーター は、交流 (AC) 電気エネルギーを機械的回転エネルギーに変換する電気モーターです。直流電源を必要とし、通常は電流方向を管理するためにブラシと整流子が必要な DC モーターとは異なり、AC モーターは電力網から供給される正弦波電圧から直接動作するため、世界中の産業、商業、住宅用途で主流のモーター タイプとなっています。

ACモーターの世界的な設置ベースは、 総電力消費量の約 45 ～ 50% 国際エネルギー機関によると、先進国では。これらは、重工業の遠心ポンプ、コンプレッサー、コンベア システムから、日常生活の HVAC ファン、洗濯機、電動工具に至るまで、あらゆるものに動力を供給します。

AC モーターは、ローターの構造と動作原理に基づいて、次の 2 つの主要なファミリーに分かれます。

• 誘導電動機（非同期電動機） — ローターは電源に電気的に接続されていません。ステーターの回転磁界によってローターに電流が誘導されます。世界で最も広く導入されているモータータイプ。
• 同期モーター - ローターはステーターの回転磁界とまったく同じ速度で回転します。同期を維持するには、外部励磁源 (永久磁石、DC 界磁巻線、またはリラクタンス形状) が必要です。

これら 2 つのファミリーには、かご形誘導電動機、巻線型誘導電動機、永久磁石同期電動機 (PMSM)、同期リラクタンス 電動機 (SynRM)、単相誘導電動機などのサブタイプがあり、それぞれが特定の範囲の電力定格、速度要件、デューティ サイクルに適しています。

ACモーターの仕組み:動作原理

AC モーターの動作の基礎は次のとおりです。 ファラデーの電磁誘導の法則 そしてローレンツ力の法則。これらの原理を順番に理解すると、電気エネルギーがどのようにしてシャフトトルクになるのかが説明されます。

ステップ 1 — 回転磁場の作成

三相 AC 電流が固定子巻線 (固定子ボアの周りで互いに物理的に 120° ずれている) を流れると、各巻線は供給周波数 (50 または 60 Hz) で正弦波的に変化する磁界を生成します。これら 3 つの時間的に変位した、空間的に変位した磁場のベクトル和により、 回転磁場 (RMF) ステータボアの周りを同期速度で回転し、次のように計算されます。

Ns = (120 × f) / P

ここで、Ns は同期速度 (RPM)、f は供給周波数 (Hz)、P はステーターの極数です。 50 Hz 電源の 4 極モーターは 1,500 RPM の同期速度で動作します。 60 Hz 電源では、同じモーターの同期速度は 1,800 RPM になります。

ステップ 2 — ローター電流の誘導 (誘導モーター)

誘導電動機では、回転磁場が固定回転子導体を通過し、変圧器の作用により固定回転子導体に起電力 (EMF) が誘導されます。回転子の導体は閉回路 (かご型回転子の鋳造アルミニウム棒、または巻線型回転子モーターの巻線コイル) を形成するため、誘導された EMF によって回転子に電流が流れます。この回転子電流は独自の磁場を生成し、この磁場が固定子の RMF と相互作用して、回転子を磁場の回転方向に加速するトルクを生成します。

ステップ 3 — スリップおよび定常状態の動作

ローターが加速すると、ローターの導体と回転するステーターの磁界との間の相対速度が変化します。 スリップ — 減少します。ローターが同期速度に達した場合、相対運動、誘導起電力、ローター電流は存在せず、したがってトルクも存在しません。したがって、ローターは負荷がかかると常に同期速度をわずかに下回る速度で動作します。 標準的な誘導モーターの全負荷スリップは通常 2 ～ 8% です 、同期速度 1,500 RPM の 4 極 50 Hz モーターは、通常、定格負荷下で 1,380 ～ 1,470 RPM で動作することを意味します。

滑りは負荷とともに増加します。シャフトの機械的負荷が増加すると、ローターは RMF に対して減速し、モーターの破壊トルク制限まで、負荷の要求に合わせてより高いローター電流とより高いトルクが誘導されます。この自己調整動作により、誘導モータは固定速度アプリケーションで外部制御なしで本質的に負荷応答性になります。

同期モーターの動作

同期モーターでは、ローターには永久磁石、または独自の磁場を生成する DC 励磁界磁巻線が搭載されています。このローター磁界は、回転するステーター磁界にロックされ、正確に同期した速度でそれに追従します。つまり、スリップはありません。したがって、同期モーターは次のようなメリットを提供します。 負荷の変動に関係なく正確に一定速度 そのため、高精度ドライブ、VFD を使用した高効率可変速アプリケーション、および産業プラントの力率補正に最適です。

AC モーターの効率クラスとエネルギー規格

AC モーターの効率は、IEC 60034-30-1 規格に基づいて国際的に分類されています。この規格では、IE1 から IE4 までの 4 つの効率レベルが定義されており、IE5 (「ウルトラプレミアム」) は、新たな高効率設計のガイドライン クラスとして導入されています。上位の各 IE クラスは、その下のクラスと比較して電気損失を約 20% 削減します。

• IE1（標準） — エコデザイン規則 2019/1781 に基づき、EU、英国、またはその他の多くの管轄区域では新規設置は許可されなくなりました
• IE2（高効率） — VFD なしで使用する場合、多くの市場でのモーターの最小要件は 0.75 ～ 1,000 kW。今でも世界中で広く設置されている
• IE3 (プレミアム効率) — EU では 0.75 ～ 1,000 kW のモーターに対して 2021 年 7 月からの最低義務化。北米工業調達における標準仕様
• IE4（スーパープレミアム） — 通常、同期リラクタンスまたは PMSM 設計によって実現されます。高デューティサイクルのポンプ、ファン、コンプレッサードライブ向けの仕様が増えています

IE2 と IE3 の効率差は、銘板パーセンテージに基づいてわずかに見えるかもしれません (多くの場合 1 ～ 3 パーセント ポイント) が、モーターの 15 ～ 20 年の耐用年数にわたって大幅なエネルギー コストの節約につながります。年間 6,000 時間稼働する 75 kW モーターの場合、効率が 2% 向上すると約 年間9,000kWh 、通常は産業用電気料金で 2 年以内に効率プレミアムを簡単に回収できます。

電動モーターのトラブルシューティング方法: 体系的な診断アプローチ

効果的 電動モーターのトラブルシューティング 最も単純で低コストのチェックから、より複雑な電気的および機械的テストに移行する、構造化された診断シーケンスに従います。モーターの故障の大部分は、次の 4 つの根本原因カテゴリのいずれかに分類されます。 電源の問題、絶縁劣化、ベアリングの故障、機械的過負荷 。分解する前にカテゴリを正しく特定すると、時間を大幅に節約し、誤診を回避できます。

ステップ1 — まず電源を確認してください

モーター自体を疑う前に、電源を確認してください。負荷がかかった状態で、(パネルではなく) モーター端子での線間電圧を測定します。 電圧不平衡が 1% を超えると、6 ～ 10% の不均衡な電流不平衡が発生します。 、固定子巻線に過剰な熱が発生し、絶縁体の劣化が促進されます。 3 つの相がすべて存在し、ヒューズに損傷がなく、コンタクタが完全に閉じていることを確認します。欠相 (単相) は、モーターがうなり音を立てても始動に失敗したり、再始動時にすぐにトリップしたりする最も一般的な原因です。

ステップ 2 — 銘板 FLA に対する運転電流の測定

3 相すべてのクランプメーター測定では、相互に 5% 以内で、モーターの全負荷アンペア (FLA) 銘板定格内にある平衡電流が示される必要があります。 過電流は、機械的な過負荷、ローターのロック状態、または巻線の故障の発生を示します。 異常な振動や騒音を伴う不足電流は、かご型モーターのローター バーの破損を示している可能性があります。モーターはトルク出力が低下した状態で動作し続けるため、この障害は見落とされがちです。ローター バーの故障は、制御された加速中にモーター電流シグネチャ分析 (MCSA) またはクランプ メーターを使用したローター バー テストによって確認されます。

ステップ 3 — 絶縁抵抗 (メガー) テスト

モーターの電源を切ってロックアウトし、メガオーム計 (メガー) を使用して適切なテスト電圧 (定格 1,000 V 未満のモーターの場合は通常 500 V DC) で各巻線相とアース間の絶縁抵抗 (IR) を測定します。IEEE 43-2013 によると、最小 IR 値は 定格電圧の kV あたり 1 MΩ + 1 MΩ 稼働中のモーターの絶対最小値です。正常なモーターの読み取り値は通常 100 MΩ 以上です。 1 MΩ 未満の値は、重大な湿気の侵入または絶縁破壊を示します。原因が特定され解決されるまで、モーターに再通電しないでください。

さらに詳しい診断画像を表示するには、次の手順を実行します。 偏光指数 (PI) テスト : 10 分間の IR 測定値を 1 分間の IR 測定値で割ります。 2.0 を超える PI は、優れた断熱性を示します。 1.0 未満の場合は、汚染または深刻な劣化が考えられます。 PI テストは、湿った断熱材 (時間が経つと乾燥して改善する) と化学的に劣化した断熱材 (回復しない) を区別するのに特に役立ちます。

ステップ 4 — 巻線抵抗バランステスト

低抵抗オーム計またはマイクロオーム計を使用して、各相ペア間の DC 抵抗を測定します (三相モーターの場合は T1-T2、T2-T3、T1-T3)。測定値は以下の範囲内でバランスをとる必要があります お互い2% 。 1 つの相ペアの抵抗が大幅に低い場合は、巻線が短絡しているか、コイル グループが短絡していることを示します。著しく高い抵抗または開回路は、巻線リード線の断線、コイルの焼け、または端子台の接続の緩みを示します。

ステップ 5 — ベアリングと機械的検査

ベアリングの故障は、誘導電動機の故障全体の約 40 ～ 50% を占めます。 IEEE と EPRI の調査によると、産業サービスの分野で優れています。診断は振動解析から始まります。振動スペクトルで確認できるベアリングの欠陥周波数の特徴 (内輪、外輪、ボールのスピン、またはケージの周波数) によって、致命的な故障の前にベアリングの損傷が確認されます。スペクトル分析ツールがない場合は、接触型加速度計やドライバーから耳に当てて聴診器を当てる技術を利用して、ベアリングの交換が必要となる異常なベアリングノイズ (研削音、きしみ音、断続的な粗さ) を検出できます。

もチェックしてください シャフトの振れとミスアライメント : 1x 運転周波数 (1X) での全体的な振動振幅はアンバランスを示します。 2 倍の強い振動は位置ずれを示します。どちらの状態もベアリングの摩耗を劇的に加速させるため、モーターを稼働状態に戻す前に、精密なレーザー位置合わせと動的バランスによって修正する必要があります。

ステップ 6 — 熱検査

通常動作中のモーターフレーム、端子ボックス、および接続されたケーブルの赤外線サーモグラフィーにより、不均衡な位相、過負荷の巻線、高抵抗接続、または冷却経路の遮断によって引き起こされるホットスポットが明らかになります。モーターのフレーム温度は、定格周囲温度にモーターの絶縁クラスの温度上昇を加えた温度を超えてはなりません。一般的な絶縁クラスとその最大巻線温度は次のとおりです。 クラス B — 130 °C、クラス F — 155 °C、クラス H — 180 °C。 IEC 60085 で使用されるアレニウスの経年劣化モデルによると、これらの制限を超えて継続的に動作すると、温度が 10°C 上昇するごとに絶縁寿命が半減します。

一般的な AC モーターの障害、症状、および考えられる原因

次の障害、症状、原因のマトリックスは、フィールド サービス環境で最も頻繁に発生する AC モーターの問題をカバーしています。

• モーターが始動しない、うなり音がしない — 考えられる原因: 電源の断線、ヒューズ切れまたはブレーカーのトリップ、接触器のオープン、または固定子巻線の破損。まず端子の供給電圧を確認してください。
• モーターがうなり音を立てるが回転しない — 考えられる原因: 単相 (供給相の 1 つが欠落している)、ベアリングの固着または機械的詰まりによるローターのロック、または過度の始動負荷。三相電圧すべてを直ちに測定します。
• モーターは始動しますが、過負荷で繰り返しトリップします — 考えられる原因: 過負荷リレーの設定が低すぎる、被駆動機器からの機械的過負荷、ベアリングの磨耗による摩擦トルクの増加、または供給電圧が低すぎて利用可能なトルクが減少している。
• モーターは通常の動作温度を超えて高温になります — 考えられる原因: 過負荷、電圧の不均衡、換気の遮断、不適切なデューティ サイクル、または絶縁の劣化による誘電損失の増加。
• 過度の振動 — 考えられる原因: ローターのアンバランス (修理またはローターの洗浄後に確認してください)、被駆動機械との位置ずれ、取り付けボルトの緩み、ベアリングの損傷、または運転周波数でのモーターとベースプレート間の共振。
• 異音（ゴリゴリ、鳴き） — 考えられる原因: ベアリングの故障 (振動分析または聴診器で確認)、ローター エンド リングの緩み、エアギャップ内の異物、またはファン ブレードとシュラウドの接触。
• 低メガオーム読み取り値 (<1 MΩ) — 考えられる原因: 湿気の侵入 (90 ～ 110 °C のオーブンで乾燥させて再テスト)、オイルまたは冷却剤による汚染、または巻き戻しが必要な熱劣化した絶縁体。