電動モーター

ローターは機械的な動力を伝達する可動部分です。ローターには通常、電流を流す導体があり、ステーターの磁場が導体に力を及ぼしてシャフトを回転させます。^{[ 2 ]}

ステータはロータを囲み、通常は電磁石（強磁性鉄芯の周りに巻かれたワイヤ）または永久磁石である界磁磁石を保持します。これらはロータ電機子を通過する磁場を生成し、ロータ巻線に力を及ぼします。ステータコアは、積層板と呼ばれる互いに絶縁された多数の薄い金属板で構成されています。これらの積層板は、特定の透磁率、ヒステリシス、および飽和を持つ電磁鋼板で作られています。積層板は、ソリッドコアを使用した場合に流れる誘導循環渦電流によって生じる損失を低減します。主電源駆動の交流モータでは、通常、巻線内のワイヤを真空中でワニスを含浸させることによって固定します。これにより、巻線内のワイヤが互いに振動してワイヤの絶縁体を摩耗させ、早期故障を引き起こすのを防ぎます。深井戸用水中ポンプ、洗濯機、エアコンなどに使用される樹脂封入モーターは、腐食防止や伝導ノイズ低減のためにステータをプラスチック樹脂で封入している。 ^{[ 3 ]}

ステータとローターの間の空気ギャップによって、ローターは回転します。このギャップの幅は、モーターの電気的特性に大きな影響を与えます。ギャップが大きいと性能が低下するため、一般的にはできるだけ小さく設計されます。逆に、ギャップが小さすぎると、摩擦による騒音が発生する場合があります。

電機子は、強磁性体コアに巻かれた導線で構成されています。導線に電流が流れると、磁場が導線に力（ローレンツ力）を及ぼし、回転子を回転させます。巻線は、積層された軟鉄製の強磁性体コアに巻き付けられたコイル状の導線で、電流が流れると磁極を形成します。

電気機械には、突極型と非突極型の構成があります。突極型モータでは、回転子と固定子の強磁性コアに、互いに向き合う極と呼ばれる突起があります。各極の極面の下にはワイヤが巻かれており、ワイヤに電流が流れると、極は北極または南極になります。非突極型（分布磁界または円形回転子）モータでは、強磁性コアは滑らかな円筒で、巻線は円周のスロットに均等に分布しています。巻線に交流電流を供給すると、コアに極が生成され、それが連続的に回転します。^{[ 4 ]}シェードポールモータでは、極の一部に巻線があり、その極の磁界の位相を遅らせます。

整流子は、回転子に電流を供給する回転式電気スイッチです。シャフトが回転すると、回転子巻線の電流の流れを周期的に反転させます。整流子は、電機子上の複数の金属接点セグメントで構成された円筒形です。カーボンなどの柔らかい導電性材料で作られたブラシと呼ばれる2つ以上の電気接点が整流子に押し付けられます。回転子が回転すると、ブラシは整流子セグメントと連続して摺動接触し、回転子に電流を供給します。回転子の巻線は整流子セグメントに接続されています。整流子は、半回転（180°）ごとに回転子巻線の電流の方向を反転させるため、回転子に加わるトルクは常に同じ方向になります。 ^{[ 5 ]}この反転がないと、各回転子巻線のトルクの方向が半回転ごとに反転し、回転子が停止します。整流モーターは、ブラシレスモーター、永久磁石モーター、誘導モーターにほぼ置き換えられています。

モーターシャフトはモーターの外側に伸びており、そこで負荷を支えている。負荷の力が最外側のベアリングを超えて作用するため、負荷は片持ち状態にあると言われる。^{[ 6 ]}

ローターはベアリングによって支持されており、ベアリングは軸からモーターハウジングへ軸方向および半径方向の荷重の力を伝達することで、ローターがその軸を中心に回転することを可能にする。^{[ 6 ]}

現代の電磁モーターが登場する以前は、静電気力で動作する実験的なモーターが研究されていました。最初の電気モーターは、1740年代^{[ 8 ] [ 9 ]}と 1750年代^{[ 10 ]}にスコットランドの修道士アンドリュー・ゴードンとアメリカの実験家ベンジャミン・フランクリンが行った実験で記述された単純な静電装置でした。その背後にある理論的原理であるクーロンの法則は、1771 年にヘンリー・キャベンディッシュによって発見されましたが、公表されませんでした。この法則は、1785 年にシャルル＝オーギュスタン・ド・クーロンによって独自に発見され、公表されたため、現在では彼の名前で知られています。^{[ 11 ]}必要な高電圧を生成するのが困難であったため、静電モーターは実用的な目的で使用されることはありませんでした。

1799年にアレッサンドロ・ボルタが電気化学電池を発明したことで^{[ 12 ]、}持続的な電流の生成が可能になった。 1820年にハンス・クリスチャン・エルステッドは、電流が磁場を生成し、それが磁石に力を及ぼすことを発見した。アンドレ＝マリー・アンペールはわずか数週間で電磁相互作用の最初の定式化を開発し、電流と磁場の相互作用によって機械的な力が生じることを記述したアンペールの法則を発表した^{[ 13 ] 。}

マイケル・ファラデーは、 1821年9月3日に王立研究所の地下室で回転運動による効果の最初の実証を行った。^{[ 14 ]}吊り下げられたワイヤーを水銀のプールに浸し、その上に永久磁石（PM）を置いた。ワイヤーに電流を流すと、ワイヤーは磁石の周りを回転し、電流がワイヤーの周囲に密な円形の磁場を発生させることを示した。^{[ 15 ]}ファラデーは発見の結果をQuarterly Journal of Scienceに発表し、論文のコピーとポケットサイズの装置の模型を世界中の同僚に送り、電磁回転の現象を彼らも目撃できるようにした。^{[ 14 ]}このモーターは、物理実験でよく実演され、（有毒な）水銀の代わりに塩水が使用される。バーロウの車輪は、このファラデーの実証​​を初期に改良したものであったが、これらや同様の単極モーターは、世紀末まで実用化には適さなかった。

1827年、ハンガリーの物理学者アーニョシュ・イェドリクは電磁コイルの実験を開始した。イェドリクは整流子の発明により連続回転の技術的問題を解決した後、初期の装置を「電磁式自転子」と呼んだ。これらは教育目的でのみ使用されたが、1828年にイェドリクは実用的な直流モーターの3つの主要コンポーネント、すなわち固定子、回転子、整流子を含む最初の装置を実証した。この装置は永久磁石を使用しておらず、固定部品と回転部品の両方の磁場は、巻線を流れる電流のみによって生成された。^{[ 17 ] [ 18 ] [ 19 ] [ 20 ] [ 21 ] [ 22 ] [ 23 ]}

最初の整流子機械を回転させることができる直流電動機は、 1832 年にイギリスの科学者ウィリアム・スタージョンによって発明されました。 ^{[ 24 ]}スタージョンの研究に続いて、アメリカの発明家トーマス・ダベンポートとエミリー・ダベンポートが整流子型の直流電動機を製作し、 ^{[ 25 ]} 1837 年に特許を取得しました。この電動機は毎分 600 回転まで回転し、工作機械や印刷機を動かしました。 ^{[ 26 ]}一次電池のコストが高かったため、この電動機は商業的に成功せず、ダベンポート夫妻は破産しました。スタージョンに続いて何人かの発明家が直流電動機の開発に取り組みましたが、皆同じ電池コストの問題に直面しました。当時、電力配給システムがなかったため、これらの電動機の実用的な商業市場は出現しませんでした。 ^{[ 27 ]}

比較的弱い回転装置や往復装置で多かれ少なかれ成功した多くの試みの後、ドイツ系ロシア人のモーリッツ・フォン・ヤコビは1834年5月に初めて実用的な回転式電気モーターを開発した。これは驚異的な機械的出力を出した。彼のモーターは世界記録を樹立し、ヤコビは4年後の1838年9月にそれを更新した。^{[ 28 ]}彼の2番目のモーターは、14人を乗せた電気ボートを広い川を渡らせるのに十分なパワーを持っていた。また、1839年から1840年にかけて、他の開発者も同様の、そしてさらに高い性能を持つモーターを製造することに成功した。

1827年から1828年にかけて、ジェドリックは電磁式自転器と同様の原理を用いて実用的な仕事ができる装置を製作した。^{[ 29 ] [ 30 ] [ 31 ] [ 32 ] [ 33 ] [ 34 ] [ 17 ] [ 23 ]}同年、彼は電気自動車の模型も製作した。 ^{[ 35 ]}

大きな転換点は1864年に訪れ、アントニオ・パチノッティが初めてリングアーマチュアについて記述しました（ただし、最初は直流発電機、つまりダイナモで考案されました）。^{[ 13 ]}これは、対称的に配置されたコイルが閉じられ、整流子のバーに接続されており、そのブラシが実質的に変動しない電流を供給します。^{[ 36 ] [ 37 ]}商業的に成功した最初の直流モーターは、1871年にパチノッティの設計を改良し、ヴェルナー・ジーメンスのいくつかの解決策を採用したゼノーブ・グラムによる開発に続きました。

直流機の利点は、1867年にシーメンスが発表し、1869年にパチノッティが観察した電気機械の可逆性の発見からもたらされた。^{[ 13 ]}グラムは、 1873年のウィーン万国博覧会の際に、2台の直流装置を最大2km離れた場所に接続し 、一方を発電機、もう一方をモーターとして使用した際に、偶然にもそれを実証した。^{[ 38 ]}

ドラム型回転子は、 1872年にシーメンス・ハルスケ社のフリードリヒ・フォン・ヘフナー＝アルテネックによってパチノッティのリング型電機子に取って代わるものとして導入され、機械の効率が向上した。^{[ 13 ]}積層型回転子は翌年シーメンス・ハルスケ社によって導入され、鉄損の低減と誘導電圧の増加が実現した。1880年には、ヨナス・ヴェンストロームが回転子に巻線を収容するためのスロットを設け、効率をさらに向上させた。

1886年、フランク・ジュリアン・スプラグは、実用的な直流モーターを初めて発明しました。これは、負荷が変動しても比較的一定の速度を維持できる、火花を発しない装置でした。この頃のスプラグの他の電気関連の発明は、送電網の配電を大幅に改善し（トーマス・エジソンの下で働いていた頃の研究）、電動機からの電力を送電網に戻すことを可能にし、架線とトロリーポールを介してトロリーに電力を供給し、電気運転の制御システムを提供しました。これにより、スプラグは電動機を使って、1887年から1888年にかけてバージニア州リッチモンドで最初の電気トロリーシステムを、1892年には電気エレベーターと制御システムを、そして独立して動力が供給され中央制御される車両を備えた電気地下鉄を発明することができました。後者は1892年にシカゴのサウスサイド高架鉄道によって初めて設置され、そこで「L」として広く知られるようになりました。スプラグのモーターと関連する発明は、産業界における電動機への関心と利用の爆発的な増加につながりました。許容できる効率の電動機の開発は、回転子と固定子の間のエアギャップの極めて重要な点を認識できなかったために、数十年遅れた。効率的な設計では、エアギャップは比較的小さい。 ^{[ 39 ] [ a ]}教室でモーターの原理を説明するために長年使用されてきたセントルイスモーターは、同じ理由で非効率的であり、現代のモーターとは全く似ていない。^{[ 41 ]}

電気モーターは産業に革命をもたらしました。産業プロセスは、もは​​やラインシャフト、ベルト、圧縮空気、または油圧を使用した動力伝達によって制限されることはなくなりました。代わりに、すべての機械に独自の動力源を装備することができ、使用場所で簡単に制御でき、動力伝達効率が向上しました。農業で電気モーターを使用すると、穀物の取り扱いや水の汲み上げなどの作業から人間や動物の筋肉力が不要になりました。家庭用（洗濯機、食器洗い機、扇風機、エアコン、冷蔵庫など）での電気モーターの使用は、家庭での重労働を軽減し、より高い水準の利便性、快適性、安全性を可能にしました。今日、電気モーターは米国で生産される電力の半分以上を消費しています。^{[ 42 ]}

1824年、フランスの物理学者フランソワ・アラゴは回転磁場の存在を定式化し、アラゴの回転と名付けました。ウォルター・ベイリーは1879年に手動でスイッチをオンオフすることで、事実上最初の原始的な誘導電動機として実証しました。^{[ 43 ] [ 44 ] [ 45 ] [ 46 ]} 1880年代には、多くの発明家が実用的な交流電動機の開発に取り組んでいました。^{[ 47 ]}なぜなら、長距離高電圧送電における交流の利点は、交流で電動機を動作させることができないという欠点によって相殺されていたからです。

最初の交流整流子なし誘導電動機は、 1885年にガリレオ・フェラリスによって発明されました。フェラリスは、1886年にさらに高度な装置を製作することで、最初の設計を改良することができました。^{[ 48 ]} 1888年、トリノ王立科学アカデミーは、モーターの動作の基礎を詳述したフェラリスの研究を発表しましたが、当時、「その原理に基づく装置は、モーターとして商業的に重要なものにはなり得ない」と結論付けました。^{[ 46 ] [ 49 ] [ 50 ]}

産業発展の可能性を構想したのはニコラ・テスラで、彼は1887年に独自に誘導電動機を発明し、1888年5月に特許を取得した。同年、テスラはAIEEに論文「交流電動機と変圧器の新システム」を発表し、特許を取得した3種類の2相4極固定子電動機について説明した。1つは4極回転子を備えた非自己始動リラクタンス電動機、もう1つは巻線回転子を備えた自己始動誘導電動機、そして3つ目は回転子巻線に別励磁直流電源を備えた真の同期電動機である。しかし、テスラが1887年に出願した特許の1つには、短絡巻線回転子誘導電動機についても記載されていた。フェラーリから既に権利を取得していたジョージ・ウェスティングハウス（1,000米ドル）は、すぐにテスラの特許を購入し（60,000米ドル＋販売馬力1馬力あたり2.50米ドル、1897年まで支払い）、^{[ 48 ]}テスラを雇ってモーターを開発させ、C.F.スコットをテスラの支援に任命した。しかし、テスラは1889年に他の事業に転身した。^{[ 51 ] [ 52 ] [ 53 ] [ 54 ]}定速交流誘導電動機は路面電車には適さないことが判明したが、^{[ 47 ]}ウェスティングハウスの技術者は1891年にコロラド州テルライドの鉱山事業の動力源としてこれをうまく応用した。^{[ 55 ] [ 56 ] [ 57 ]}ウェスティングハウスは1892年に最初の実用的な誘導電動機を実現し、1893年には多相60ヘルツ誘導電動機のシリーズを開発したが、これらの初期のウェスティングハウスの電動機は巻線ローターを備えた2相電動機であった。BGラムは後に回転棒巻線ローターを開発した。^{[ 51 ]}

三相開発の推進に尽力したミハイル・ドリヴォ＝ドブロヴォルスキーは、1889年にかご形回転子型と始動レオスタット付き巻線回転子型の両方の三相誘導電動機を発明し、1890年には三脚変圧器を発明した。AEGとMaschinenfabrik Oerlikonとの合意後、ドリヴォ＝ドブロヴォルスキーとチャールズ・ユージン・ランスロット・ブラウンは、より大型のモデル、すなわち20馬力のかご形電動機と始動レオスタット付き100馬力巻線回転子型電動機を開発した。これらは、実用運転に適した最初の三相非同期電動機であった。^{[ 48 ]} 1889年以来、ウェンストロームは三相機械の同様の開発を開始した。1891年のフランクフルト国際電気技術博覧会では、最初の長距離三相システムが成功裏に発表された。定格電圧は 15 kV で、 ネッカー川のラウフェン滝から 175 km にわたって伸びていた。ラウフェン発電所には 240  kW 86 V 40  Hz の交流発電機と昇圧変圧器が含まれていたが、展示会では降圧変圧器が 100 hp の三相誘導電動機に電力を供給し、人工滝を駆動して元の電源の移送を表していた。^{[ 48 ]}三相誘導は現在、商業用途の大部分で使用されている。^{[ 58 ] [ 59 ]}ミハイル・ドリヴォ＝ドブロヴォルスキーは、テスラのモーターは二相脈動のため実用的ではないと主張し、それが彼が三相の研究を続ける動機となった。^{[ 60 ]}

ゼネラル・エレクトリック社は1891年に三相誘導電動機の開発を開始した。^{[ 51 ]} 1896年までに、ゼネラル・エレクトリック社とウェスティングハウス社は、後にリスかご型回転子と呼ばれる棒巻き回転子設計の相互ライセンス契約を締結した。^{[ 51 ]}これらの発明と革新から派生した誘導電動機の改良により、現在100馬力の誘導電動機は、1897年の7.5馬力の電動機と同じ取り付け寸法になっている。^{[ 51 ]}

2022年には、電気モーターの販売台数は8億台と推定され、年間10%増加した。電気モーターは世界の電力の約50%を消費している。^{[ 61 ]} 1980年代以降、直流モーターの市場シェアは交流モーターに取って代わられ、減少している。^{[ 62 ] : 89}

直流モータは通常、上述のように分割リング整流子を介して給電される。

交流モーターの整流は、スリップリング整流子または外部整流のいずれかを用いて行うことができます。制御方式は固定速度制御または可変速度制御が可能で、同期式または非同期式を選択できます。ユニバーサルモーターは交流または直流のどちらでも動作します。

DCモーターは、端子に印加する電圧を調整したり、パルス幅変調（PWM）を使用したりすることで、可変速度で動作させることができます。

一定速度で運転される交流モーターは、一般的に電力網から直接、またはモーターソフトスターターを介して電力が供給される。

可変速で動作する交流モーターは、様々なパワーインバーター、可変周波数駆動装置、または電子整流子技術によって駆動される。

電子整流子という用語は、通常、自己整流式ブラシレスDCモータやスイッチトリラクタンスモータの用途に関連付けられています。

ほとんどの直流モーターは小型の永久磁石（PM）型です。回転に合わせてモーター巻線の電流を反転させるためのブラシ付き内部機械整流機構を備えています。 ^{[ 75 ]}

電気励磁式直流モーター

整流式直流モータは、回転軸に取り付けられた電機子に巻かれた回転巻線を備えています。この軸には整流子も取り付けられています。したがって、ブラシ付き直流モータの巻線には交流電流が流れています。電流は整流子に接触する1組または複数組のブラシを介して流れ、ブラシは外部電源を回転する電機子に接続します。

回転する電機子は、積層された磁気的に「軟磁性」の強磁性体コアに巻かれた1つまたは複数のコイルで構成されています。ブラシからの電流は整流子と電機子の1つの巻線を流れ、電機子を一時的な磁石（電磁石）にします。生成された磁場は、永久磁石またはモータフレームの一部である別の巻線（界磁コイル）によって生成される固定磁場と相互作用します。2つの磁場間の力によってシャフトが回転します。整流子は、回転子が回転するにつれてコイルへの電力を切り替え、磁極が固定子の磁極と完全に一致しないようにすることで、電力が供給されている限り回転子が回転し続けます。

従来の整流子式直流モーターの多くの制約は、ブラシが整流子との接触を維持するために摩擦が生じることに起因します。ブラシは整流子セクション間の絶縁ギャップを通過する際に火花を発生させます。整流子の設計によっては、ブラシが隣接するセクション間、ひいてはコイルの端との間を短絡させる可能性があります。さらに、ローターコイルのインダクタンスにより、各コイルの回路が開くと電圧が上昇し、火花が増加します。この火花はモーターの最大速度を制限します。火花が速すぎると、整流子が過熱、摩耗、あるいは溶融する恐れがあるからです。ブラシの単位面積あたりの電流密度と抵抗率の組み合わせによって、モーターの出力が制限されます。ギャップを通過する際にも電気ノイズが発生し、火花は無線周波数干渉（RFI）を発生させます。ブラシは最終的に摩耗して交換が必要となり、整流子自体も摩耗やメンテナンス、あるいは交換の対象となります。大型モーターの整流子アセンブリは高価な部品であり、多くの部品を精密に組み立てる必要があります。小型モーターの場合、整流子は通常ローターに一体化されているため、整流子を交換するにはローター全体を交換する必要があるのが一般的です。

ほとんどの整流子は円筒形だが、中には絶縁体の上に取り付けられた平らな分割円盤状のものもある。

大型ブラシは接触面積が広く、モーターの出力を最大化しますが、小型ブラシは質量が小さいため、過剰な火花を発生させることなくモーターを回転できる速度を最大化できます。（小型ブラシはコストが低いという利点があります。）より硬いブラシスプリングを使用すると、摩擦損失（効率の低下）が大きくなり、ブラシと整流子の摩耗が加速するにもかかわらず、同じ質量のブラシをより高速で動作させることができます。したがって、DCモーターのブラシ設計には、出力、速度、効率／摩耗の間のトレードオフが伴います。

DCマシンは次のように定義されます。^{[ 76 ]}

• 電機子回路 – 静止または回転する負荷を支える巻線。
• 磁場回路 – 磁場を発生させる巻線の集合。
• 整流：整流を実現する、または直流を生成するための機械的技術。

ブラシ付きDCモーターには以下の5種類があります。

• シャント巻
• 直列巻線
• 化合物（2つの配置）：
  • 累積複利
  • 異なる配合
• 永久磁石（図示せず）
• 別々に励起された（図示せず）。

整流式で電気的に励磁される直巻または並列巻の電動機は、交流電源と直流電源のどちらでも動作するように設計できるため、ユニバーサルモーターと呼ばれます。ユニバーサルモーターは、界磁コイルと電機子コイルの両方の電流（およびそれによって生じる磁場）が同期して極性を反転するため、交流電源でも良好に動作し、結果として生じる機械的な力は一定の回転方向に発生します。

ユニバーサルモーターは、通常の電力線周波数で動作するため、キロワット以下の用途でよく使用されます。ユニバーサルモーターは、電気鉄道における従来の鉄道牽引モーターの基礎を形成しました。この用途では、直流で動作するように設計されたモーターに交流電源を使用すると、磁気部品、特に直流では固体（積層されていない）鉄を使用していたモーター界磁極片の渦電流加熱により効率が低下します。現在では、ユニバーサルモーターはほとんど使用されていません。

利点としては、特に始動トルクが高くコンパクトな設計のモーターに、高速運転時に交流電源を使用できる点が挙げられます。一方、メンテナンスの手間が増え、寿命が短くなります。このようなモーターは、使用頻度が低く、始動トルクの要求が高い機器に使用されます。界磁コイルの複数のタップにより、（不正確な）段階的な速度制御が可能になります。多くの速度を謳う家庭用ミキサーは、通常、界磁コイルと複数のタップ、およびモーターと直列に挿入できるダイオード（これによりモーターは半波整流交流で動作します）を組み合わせています。ユニバーサルモーターは電子速度制御にも適しており、そのため家庭用洗濯機などの機器に選ばれています。モーターは、電機子に対して界磁巻線を切り替えることで、ドラムを（正逆両方向に）攪拌することができます。

SCIMは電源周波数で許容される速度よりも速くシャフトを回転させることはできませんが、ユニバーサルモーターははるかに高速で回転できます。そのため、高速かつ軽量であることが求められるミキサー、掃除機、ヘアドライヤーなどの家電製品に適しています。また、ドリル、サンダー、丸ノコ、ジグソーなどの携帯用電動工具にも広く使用されており、これらの用途ではモーターの特性が活かされます。多くの掃除機や草刈り機のモーターは10,000rpmを超え、小型グラインダーでは30,000rpmを超えるものもあります。

誘導電動機は、変圧器の作用と同様に、電磁誘導によって回転子に電力が伝達される非同期交流電動機です。誘導電動機は回転変圧器に似ており、固定子（静止部分）は変圧器の一次側、回転子（回転部分）は二次側に相当します。多相誘導電動機は産業界で広く使用されています。

同期電動機は交流電動機です。回転子には、交流と同じ周波数で磁石を通過するコイルが取り付けられており、回転子を駆動するための磁場を生成します。通常の運転条件下では滑りは発生しません。これに対し、誘導電動機はトルクを発生させるために滑りが必要です。同期電動機の一種は、回転子が直流磁場によって励磁される点を除けば、誘導電動機に似ています。スリップリングとブラシが回転子に電流を流します。回転子の極は互いに接続され、同じ速度で回転します。低負荷トルク用の別のタイプでは、従来のかご形回転子に平面を研磨して個別の極を形成します。さらに別のタイプは、第二次世界大戦前のハモンド社の時計や古いハモンドオルガンに使用されていたもので、回転子の巻線や個別の極がありません。これは自動始動しません。時計は背面の小さなノブで手動で始動する必要がありますが、古いハモンドオルガンには、バネ仕掛けの手動スイッチで接続された補助始動モーターがありました。

ヒステリシス同期電動機は、一般的に（基本的に）2相電動機で、1相に位相シフトコンデンサを備えています。始動時は誘導電動機と同様ですが、滑り率が十分に低下すると、回転子（滑らかな円筒）が一時的に磁化されます。磁極が分布しているため、永久磁石同期電動機のように動作します。回転子の材質は、一般的な釘のように磁化されたままですが、比較的容易に脱磁できます。一度回転が始まると、回転子の磁極は所定の位置に留まり、ドリフトしません。

低出力同期式タイミングモーター（従来型の電気時計などに用いられるもの）は、多極永久磁石外部カップローターを備え、始動トルクを得るためにシェーディングコイルを使用する。テレクロン社の時計用モーターは、始動トルクのためにシェーディングポールを採用し、独立した2極ローターのように機能する2本スポークのリングローターを備えている。

二重給電式電動機は、2つの独立した多相巻線セットを備えており、これらがエネルギー変換プロセスに有効電力（すなわち、動作電力）を供給します。少なくとも一方の巻線セットは、可変速運転のために電子的に制御されます。2つの独立した多相巻線セット（すなわち、二重電機子）は、トポロジーの重複なしに単一パッケージで提供できる最大数です。二重給電式電動機は、所定の励磁周波数に対して同期速度の2倍の有効定トルク速度範囲を有します。これは、有効な巻線セットが1つしかない単給電式電動機の定トルク速度範囲の2倍です。

二重給電モータは電子コンバータを小型化できるが、ロータ巻線とスリップリングのコストがパワーエレクトロニクス部品の節約分を相殺する可能性がある。同期速度制限付近での速度制御には困難が伴う。^{[ 80 ]}

リニアモーターとは、基本的に、トルク（回転）を発生させる代わりに、その長さに沿って直線的な力を発生させるように「展開」された電気モーターのことである。

リニアモーターは、誘導モーターまたはステッピングモーターとして最も一般的に知られています。リニアモーターは、モーターのないレールカーの高速な動きがレールによって制御されるジェットコースターによく使用されています。また、列車が地面の上を「飛ぶ」ように走る磁気浮上式鉄道にも使用されています。より小規模な例としては、1978 年頃の HP 7225A ペンプロッターは、2 つのリニアステッピングモーターを使用してペンを X 軸と Y 軸に沿って移動させていました。^{[ 86 ]}

電動機は、互いに逆向きの2つの磁場間の力によって電気エネルギーを機械エネルギーに変換する。2つの磁場のうち少なくとも一方は、電流によって生じる磁場を介して電磁石によって生成される必要がある。

電流間の力${\displaystyle I}$長さの導体において${\displaystyle \ell }$磁場に垂直な${\displaystyle \mathbf {B} }$ローレンツ力法則を用いて計算できる。

$\displaystyle \mathbf {F} =I\ell \times \mathbf {B} }$

注：Xはベクトル外積を表します。

モーターの力を計算する最も一般的なアプローチはテンソル表記法を使用する。^{[ 100 ]}

電動機の出力電力は次のように表されます。$${\displaystyle P_{\text{em}}=T\omega =Fv}$$どこ：

• ${\displaystyle \omega }$: 軸角速度[ラジアン/秒]
• ${\displaystyle T}$トルク（ニュートンメートル）
• ${\displaystyle F}$: 力、[ニュートン]
• ${\displaystyle v}$: 速度、[メートル毎秒]。

帝国単位では、モーターの機械的出力は次のように表されます。^{[ 101 ]}

${\displaystyle P_{\text{em}}={\frac {\omega _{\text{rpm}}T}{5252}}}$（馬力）

どこ：

• ${\displaystyle \omega _{\text{rpm}}}$軸角速度[rpm ]
• ${\displaystyle T}$トルク、[フィートポンド]。

非同期電動機または誘導電動機において、電動機の回転速度とエアギャップ電力の関係は、次式で表されます。

${\displaystyle P_{\text{airgap}}={\frac {R_{r}}{s}}I_{r}^{2}}$、 どこ

R _r – ローター抵抗

I _r ² – ローターに誘導される電流の二乗

s – モータのスリップ。つまり、同期速度とスリップ速度の差であり、ロータに電流を誘導するために必要な相対運動を提供する。

直流モーターまたはユニバーサルモーターの電機子巻線が磁場を通過すると、巻線に電圧が発生します。この電圧はモーターの電源電圧に逆らう傾向があるため、「逆起電力（EMF）」と呼ばれます。この電圧はモーターの回転速度に比例します。モーターの逆起電力と巻線の内部抵抗およびブラシの両端の電圧降下は、ブラシの電圧と等しくなければなりません。これが直流モーターの速度調整の基本的なメカニズムです。機械的負荷が増加すると、モーターは減速し、逆起電力が低下し、電源からより多くの電流が引き込まれます。この増加した電流により、負荷をバランスさせるための追加のトルクが発生します。^{[ 102 ]}

交流機では、機械内部の逆起電力源を考慮することが有用な場合がある。これは、VFD 上の誘導電動機の精密な速度制御において特に重要となる。^{[ 102 ]}

モータの損失は主に巻線の抵抗損失、鉄損、ベアリングの機械的損失によるものであり、特に冷却ファンが設置されている場合は空気力学的損失も発生する。

整流時にも損失が発生する。機械式整流子は火花を散らし、電子式整流子は熱を放散する。

モーターの効率を計算するには、機械的出力電力を電気的入力電力で割ります。

$\displaystyle \eta ={\frac {P_{\text{m}}}{P_{\text{e}}}}}$、

どこ${\displaystyle \eta }$エネルギー変換効率は、${\displaystyle P_{\text{e}}}$は電気入力電力であり、${\displaystyle P_{\text{m}}}$機械出力電力：

${\displaystyle P_{\text{e}}=IV}$

${\displaystyle P_{\text{m}}=T\omega }$

どこ${\displaystyle V}$は入力電圧です。${\displaystyle I}$入力電流は、${\displaystyle T}$は出力トルクであり、${\displaystyle \omega }$は出力角速度です。最大効率となる点は解析的に導出できます。通常、それは失速トルクの1/2未満です。

各国の規制当局は、高効率モーターの製造と使用を促進する法律を制定しています。電気モーターの効率は、シェーデッドポールモーターで約 15%～20%、永久磁石モーターで最大 98% まであります^{[ 103 ] [ 104 ] [ 105 ]}。効率は負荷にも依存します。通常、最大効率は定格負荷の 75% です。したがって、（例として）10 HP モーターは、7.5 HP を必要とする負荷を駆動するときに最も効率的です。^{[ 106 ]}効率はモーターのサイズにも依存し、大型モーターの方が効率が高い傾向があります。^{[ 107 ]}一部のモーターは、指定された期間を超えて連続運転できません (たとえば、1 回の運転で 1 時間以上) ^{[ 108 ]。}

エリック・レイスウェイト^{[ 109 ]}は、電気モーターの「良さ」を判断するための指標を提案した。^{[ 110 ]}

${\displaystyle G={\frac {\omega }{{\text{抵抗}}\times {\text{リラクタンス}}}}={\frac {\omega \mu \sigma A_{\text{m}}A_{\text{e}}}{l_{\text{m}}l_{\text{e}}}}}$

どこ：

${\displaystyle G}$は良さの指標です（1より大きい値は効率的である可能性が高い）。

${\displaystyle A_{\text{m}},A_{\text{e}}}$磁気回路と電気回路の断面積

${\displaystyle l_{\text{m}},l_{\text{e}}}$は磁気回路と電気回路の長さです。

${\displaystyle \mu }$コアの透過率

${\displaystyle \omega }$は、モーターが駆動される角周波数です。

このことから、最も効率的なモーターは比較的大きな磁極を持つ可能性が高いことが示された。ただし、この式は永久磁石モーター以外のモーターにのみ直接適用される。

電磁モーターは、相互作用する磁場のベクトル積からトルクを得ます。トルクを計算するには、エアギャップ内の磁場に関する知識が必要です。これらの磁場が分かれば、トルクはすべての力ベクトルの積分にベクトルの半径を乗じた値となります。巻線に流れる電流が磁場を生成します。磁性材料を使用するモーターの場合、磁場は電流に比例しません。

電流とトルクの関係を示す図は、モーターの選定に役立つ。熱的な要因を考慮しない場合、モーターの最大トルクは最大電流に依存する。

所定のコア飽和制約内で最適に設計され、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、すべてのカテゴリの電気モーター/発電機は、巻線スロットとバックアイアン深さによって電磁コアの物理的サイズが決まる所定の空隙領域内で、ほぼ同じ最大連続軸トルク（すなわち動作トルク）を示します。一部のアプリケーションでは、電気自動車を静止状態から加速させるバーストなど、最大トルクを超えるバーストトルクが必要になります。常に磁気コア飽和または安全な動作温度上昇と電圧によって制限されるため、最大トルクを超えるバーストトルクの容量は、モーター/発電機の種類によって大きく異なります。

WRSMやPMSMのような変圧器回路構成を持たない電気機械は、磁気コアを飽和させずにトルクバーストを発生させることはできません。飽和状態になると、電流を追加してもトルクは増加しません。さらに、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ります。

誘導機、誘導二重給電機、誘導または同期巻線回転子二重給電（WRDF）機など、変圧器回路トポロジーを持つ電気機械は、変圧器の両側の起電力によって誘起される有効電流が互いに逆向きになるため、変圧器に結合した磁束密度に寄与せず、コアの飽和を回避できるため、トルクバーストを許容します。

誘導または非同期原理に基づく電気機械は、変圧器回路の一方の端子を短絡させるため、スリップが増加するにつれて変圧器回路のリアクタンスが支配的になり、有効電流（すなわち実効電流）の大きさが制限されます。最大設計トルクの2～3倍のトルクバーストを実現できます。

ブラシレス巻線ロータ同期二重給電（BWRSDF）機は、真のデュアルポート変圧器回路トポロジー（つまり、両方のポートが独立して励磁され、ポートが短絡されない）を備えた唯一の電気機械です。^{[ 111 ]}デュアルポート変圧器回路トポロジーは不安定であることが知られており、ロータ巻線セットに限定された電力を伝達す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す。ロータ巻線セットにブラシレス電力を供給しながら、同期運転中にトルク角とスリップを瞬時に制御できる精密な手段があれば、BWRSDF機の有効電流は変圧器回路のリアクタンスに依存せず、最大動作トルクを大幅に上回り、他のどのタイプの電気機械の実用的な能力をもはるかに超えるトルクのバーストが実現可能になります。動作トルクの8倍を超えるトルクのバーストが計算されています。

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定格出力、機械の回転速度、およびコア飽和前に達成可能な空隙磁束密度によって決まる空隙面積とバックアイアンの深さによって決まります。ネオジム磁石やサマリウムコバルト磁石は保磁力が高いにもかかわらず、最適に設計された電機子巻線セットを備えた電気機械では、連続トルク密度はほぼ同じです。連続トルク密度は、冷却方法と、巻線の過熱や永久磁石の損傷による破壊までの許容運転期間に関係します。

他の情報源によると、さまざまな電気機械トポロジーはトルク密度が異なるとのことです。ある情報源では、次のことが示されています。^{[ 112 ]}

ここで、表面永久磁石（SPM）ブラシレス交流、180°電流伝導の場合、比トルク密度は1.0に正規化されます。

液冷式モーターのトルク密度は、空冷式モーターに比べて約4倍大きい。

直流、誘導電動機（IM）、PMSM、SRMを比較した資料によると、次のことが示されています。^{[ 113 ]}

別の情報源によると、最大 1 MW の PMSM は誘導機よりもかなり高いトルク密度を持っているとのことです。^{[ 114 ]}

連続電力密度は、連続トルク密度と定トルク速度範囲の積によって決定されます。電気モーターは最大20  kW/kgの密度を達成できます。これは、1キログラムあたり20キロワットの出力電力を意味します。^{[ 115 ]}