電動モーター

電気モーターは、電気エネルギーを機械エネルギーに変換する機械です。ほとんどの電気モーターは、モーターの磁場と巻線内の電流との相互作用によって動作し、モーターのシャフトにトルクが加わる形で力を生成します。発電機は機械的には電気モーターと同じですが、逆に動作し、機械エネルギーを電気エネルギーに変換します。

電気モーターは、バッテリーや整流器などの直流(DC) 電源、または電力網、インバーター、発電機 などの交流(AC) 電源によって電力を供給されます。

電気モーターは、電源の種類、構造、用途、および動作出力の種類などの考慮事項によって分類できます。モーターは、ブラシ付きまたはブラシレス、単相、二相、三相、軸方向または半径方向の磁束、空冷式または液冷式のいずれかになります。

標準化されたモーターは産業用途に電力を供給します。最大のモーターは船舶の推進、パイプラインの圧縮、揚水発電に使用され、出力は 100メガワットを超えます。

用途には、産業用ファン、送風機、ポンプ、工作機械、家庭用電化製品、電動工具、車両、ディスク ドライブなどがあります。小型モーターは、電気時計に使用されています。トラクション モーターを使用した回生ブレーキなどの特定の用途では、電気モーターを逆に発電機として使用して、熱や摩擦として失われる可能性のあるエネルギーを回収できます。

電気モーターは、外部機構を駆動するための直線力または回転力 (トルク) を生成します。このため、電気モーターはアクチュエーターの一種です。電気モーターは通常、連続回転、またはサイズに比べてかなりの距離にわたる直線移動用に設計されています。ソレノイドも電力を機械的な動きに変換しますが、その距離は限られています。

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者ベンジャミン・フランクリンの実験で説明された単純な静電装置でした。 ^{[2] [3]}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立して発見され、彼がそれを公表したため、現在では彼の名前で知られています。^[4]静電モーターは、必要な高電圧を生成するのが困難であったため、実際の目的には使用されませんでした。

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^[5] 、永久電流の生成が可能になりました。ハンス・クリスチャン・エルステッドは1820年に電流が磁場を作り出し、それが磁石に力を及ぼすことを発見しました。アンドレ・マリー・アンペールが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発生することを説明したアンペールの力の法則を提示するのに数週間しかかかりませんでした。 ^[6]

マイケル・ファラデーは1821年9月3日、王立研究所の地下室で回転運動によるこの効果を初めて実証した。^[7]自由に垂れ下がった電線を水銀プールに浸し、その上に永久磁石を置いた。電線に電流を流すと、電線は磁石の周りを回転し、電流によって電線の周囲に円形に近い磁場が発生することが示された。^[8]ファラデーは発見の結果を季刊科学誌で発表し、論文のコピーとポケットサイズの装置模型を世界中の同僚に送り、彼らも電磁回転現象を目撃できるようにした。^[7]このモーターは物理実験でよく実証されており、塩水の代わりに（有毒な）水銀が使われている。バーローの車輪はファラデーのこの実証を改良した初期のものだったが、これらや同様の単極モーターは世紀の後半まで実用化には至らなかった。

1827年、ハンガリーの 物理学者 アニョス・イェドリクは電磁コイルの実験を始めた。イェドリクは整流子の発明で連続回転の技術的問題を解決した後、初期の装置を「電磁セルフローター」と呼んだ。それらは教育用にのみ使用されたが、1828年にイェドリクは実用的な直流モーターの3つの主要部品である固定子、回転子、整流子を含む最初の装置を実証した。この装置では永久磁石は使用されておらず、固定部品と回転部品の両方の磁場は巻線を流れる電流によってのみ生成された。^{[10] [11] [12] [13] [14] [15] [16]}

最初の整流子 機械を回転させることができる直流電気モーターは、 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^。[17]スタージョンの研究に続いて、整流子型の直流電気モーターがアメリカの発明家とエミリー・ダベンポートによって作られ、 ^[18] 1837年に特許を取得しました。モーターは毎分最大600回転で動作し、工作機械や印刷機に電力を供給しました。 ^[19]一次電池の電力が高かったため、モーターは商業的に成功せず、ダベンポート兄弟は破産しました。数人の発明家がスタージョンに続いて直流モーターを開発しましたが、全員が同じ電池コストの問題に直面しました。当時は電力供給システムがなかったため、これらのモーターの実用的な商業市場は生まれませんでした。 ^[20]

比較的弱い回転往復装置を使った、多かれ少なかれ成功した多くの試みの後、プロイセン/ロシア人のモーリッツ・フォン・ヤコビは、 1834年5月に最初の本物の回転式電気モーターを発明した。それは驚くべき機械的出力を開発した。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。^[21]彼の2番目のモーターは、14人を乗せたボートを広い川を渡らせるのに十分なパワーがあった。1839年から1840年にかけて、他の開発者が同様の、あるいはさらに高い性能のモーターを製作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自己回転装置に使用されているものと同様の原理を使用して、実用的な装置を製作しました。^{[22] [23] [24] [25] [26] [27] [10] [16]}同年、彼は模型の電気自動車を製作しました。 ^[28]

大きな転機となったのは1864年、アントニオ・パチノッティが初めてリング電機子を説明した時だった（当初は直流発電機、つまりダイナモを想定していた）。^[6]これは対称的にまとめられたコイルが閉じて整流子のバーに接続され、ブラシが実質的に変動のない電流を流すという特徴があった。^{[29] [30]}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・シーメンスのいくつかの解決策を採用したゼノーベ・グラムによる開発に続くものだった。

直流機の利点は、電気機械の可逆性の発見から生まれました。これは1867年にシーメンスによって発表され、1869年にパチノッティによって観察されました。^[6]グラムは1873年のウィーン万国博覧会で偶然これを実証しました。彼は2つの直流装置を最大2km離れたところに接続し、一方を発電機として、もう一方をモーターとして使用しました。^[31]

ドラムローターは、 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アーマチュアの代わりとして導入され、機械の効率が向上しました。^[6]翌年、シーメンス・ハルスケ社は積層ローターを導入し、鉄損の低減と誘導電圧の増加を実現しました。1880年、ヨナス・ヴェンストロームはローターに巻線を収納するスロットを設け、さらに効率を高めました。

1886年、フランク・ジュリアン・スプレイグは、最初の実用的な直流モーターを発明しました。これは、変化する負荷の下で比較的一定の速度を維持する、火花を散らさない装置でした。この頃のスプレイグのその他の電気発明は、グリッド配電を大幅に改善し（トーマス・エジソンが雇用されていた間に行われた以前の仕事）、電動モーターからの電力を電力網に戻すことを可能にし、架空線とトロリーポールを介してトロリーに配電し、電気操作用の制御システムを提供しました。これにより、スプレイグは電気モーターを使用して、1887年から1888年に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発明し、1892年に電気エレベーターと制御システムを、そして独立して駆動する中央制御車両を備えた電気地下鉄を発明しました。後者は、1892年にシカゴのサウスサイド高架鉄道によって最初に設置され、そこで「L」として広く知られるようになりました。スプレイグのモーターと関連する発明により、産業用電気モーターへの関心と使用が爆発的に増加しました。許容できる効率の電気モーターの開発は、ローターとステーターの間の空隙の重要性が認識されなかったために数十年遅れました。効率的な設計では、空隙は比較的小さくなります。^{[32] [a]}モーターの原理を説明するために教室で長い間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まったく似ていません。^[34]

電気モーターは産業に革命をもたらした。産業プロセスはもはや、ラインシャフト、ベルト、圧縮空気、油圧による動力伝達に制限されなくなった。代わりに、すべての機械に独自の電源を装備できるようになり、使用時に簡単に制御できるようになり、動力伝達効率が向上した。農業に応用された電気モーターは、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力を排除した。電気モーターの家庭用（洗濯機、食器洗い機、扇風機、エアコン、冷蔵庫など）は、家庭での重労働を軽減し、利便性、快適性、安全性のより高い基準を可能にした。今日、電気モーターは米国で生産される電気エネルギーの半分以上を消費している。^[35]

1824年、フランスの物理学者フランソワ・アラゴは、アラゴ回転と呼ばれる回転磁場の存在を定式化し、1879年にウォルター・ベイリーが手動でスイッチのオン/オフを切り替えることで、事実上最初の原始的な誘導モーターを実証しました。^{[36] [37] [38] [39] 1880}年代には、長距離の高電圧伝送におけるACの利点は、ACではモーター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たため、多くの発明家が実用的なACモーターの開発を試みていました。[40]

最初の交流整流子なし誘導電動機は、 1885年にガリレオ・フェラーリスによって発明されました。フェラーリスは1886年に最初の設計を改良し、より高度な装置を開発しました。^[41] 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ーリスの研究を発表しましたが、その時点で「その原理に基づく装置は、モーターとして商業的に重要ではない」と結論付けました。^{[39] [42] [43]}

ニコラ・テスラは、1887年に誘導電動機を独自に発明し、1888年5月に特許を取得したことでも、産業発展の可能性を予見していました。同年、テスラはAIEEに「交流電動機と変圧器の新システム」という論文を提出し、3種類の特許取得済みの2相4固定子極電動機について説明しました。1つは4極回転子で非自己始動型リラクタンス電動機を形成し、もう1つは巻線回転子で自己始動型誘導電動機を形成し、3つ目は回転子巻線に別途励起直流電源を備えた真の同期電動機です。しかし、テスラが1887年に申請した特許の1つには、短絡巻線回転子誘導電動機についても説明されていました。フェラーリから権利（1,000ドル）をすでに取得していたジョージ・ウェスティングハウスは、すぐにテスラの特許（60,000ドルプラス販売馬力あたり2.5ドル、1897年まで支払われる）を購入し、 ^[41]テスラを雇ってモーターを開発させ、CFスコットにテスラの手助けをさせた。しかし、テスラは1889年に他の追求のために去った。^{[44] [45] [46] [47]}定速交流誘導モーターは路面電車には適さないことが判明したが、^[40]ウェスティングハウスの技術者はそれをうまく改造して、1891年にコロラド州テルライドの鉱山事業に電力を供給することに成功した。 ^{[48] [49] [50]}ウェスティングハウスは1892年に最初の実用的な誘導モーターを実現し、1893年に多相60ヘルツ誘導モーターのラインを開発したが、これらの初期のウェスティングハウスのモーターは巻線ローターを備えた2相モーターであった。BG Lammeは後に回転棒巻き上げローターを開発した。^[44]

三相開発の推進に忠実だったミハイル・ドリヴォ＝ドブロヴォルスキーは、 1889年に始動抵抗器付きのかご型と巻線型の両方の三相誘導電動機を発明し、1890年には三肢変圧器を発明した。AEGとマシーネンファブリーク・エリコンの合意後、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、20馬力のかご型と始動抵抗器付きの100馬力の巻線型という、より大型のモデルを開発した。これらは、実用に適した最初の三相非同期電動機であった。^[41] 1889年以来、ヴェンストロームによって同様の三相機械の開発が開始された。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首尾よく発表された。定格電圧は15kVで、ネッカー川のラウフェン滝から175kmにわたって延びていた。ラウフェン発電所には240kW、86V、40Hzのオルタネーターと昇圧トランスがあり、展示会では降圧トランスが100馬力の三相誘導モーターに電力を供給し、人工の滝を動かしていた。これは元の電源の移転を表している。^[41]三相誘導は現在、ほとんどの商用アプリケーションで使用されている。^{[51] [52]} 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に実用的ではないと主張し、それが彼に三相研究を固執させるきっかけとなった。^[53]

ゼネラル・エレクトリック社は1891年に三相誘導モーターの開発を開始しました。^{[44] 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}かご型ローターと呼ばれることになる棒巻きローター設計の相互ライセンス契約を締結しました。 [ ^44]これらの発明と革新から生まれた誘導モーターの改良により、現在100馬力の誘導モーターは1897年の7.5馬力のモーターと同じ取り付け寸法になっています。^[44]

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％増加すると予想されています。電気モーターは世界の電力の約50％を消費しています。^[54] 1980年代以降、DCモーターの市場シェアはACモーターに取って代わられ、減少しています。^{[55] : 89  [説明が必要]}

電気モーターには、動くローターと動かないステーターの2つの機械部品があります。電気的には、モーターは界磁磁石とアーマチュアの2つの部分で構成されており、1つはローターに取り付けられ、もう1つはステーターに取り付けられています。これらは一緒に磁気回路を形成します。^[56]磁石はアーマチュアを通過する磁場を生成します。これらは電磁石または永久磁石です。通常、界磁磁石はステーター上にあり、アーマチュアはローター上にあります。ただし、これらは逆の場合もあります。

ローターは機械的動力を伝える可動部品です。ローターには通常、電流を流す導体が取り付けられており、ステータの磁場がシャフトを回転させる力を発揮します。^[57]

ステータはローターを取り囲み、通常は電磁石（強磁性鉄心の周りの巻線）または永久磁石のいずれかである界磁磁石を保持します。これらは、ローターアーマチュアを通過する磁場を発生させ、ローター巻線に力を及ぼします。ステータコアは、互いに絶縁された多数の薄い金属シート（ラミネーション）で構成されています。これらのラミネーションは、指定された透磁率、ヒステリシス、および飽和度を持つ電磁鋼板で作られています。ラミネーションにより、固体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が削減されます。商用電源で動作する AC モーターでは、通常、真空中でワニスを含浸させることにより、巻線内のワイヤを固定します。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が摩耗し、早期に故障するのを防ぎます。深井戸水中ポンプ、洗濯機、エアコンなどに使われる樹脂パックモーターは、腐食を防止したり伝導ノイズを低減したりするためにステータをプラスチック樹脂で包み込んでいます。 ^[58]

ステータとローターの間には空隙があり、これによって回転します。空隙の幅はモーターの電気特性に大きな影響を与えます。空隙が大きいと性能が低下するため、通常はできるだけ小さくします。逆に空隙が小さすぎると、ノイズだけでなく摩擦も発生する可能性があります。

アーマチュアは、強磁性コア上の巻線で構成されています。電流がワイヤを通過すると、磁場が力 (ローレンツ力) を及ぼし、ローターが回転します。巻線はコイル状のワイヤで、積層された軟鉄の強磁性コアの周りに巻かれ、電流が通電さ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がある。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る。極面の下の各極の周りには電線が巻かれており、電流が電線を流れると、N極またはS極になる。非突極型（分散磁界型または円形回転子型）モータでは、強磁性コアは滑らかな円筒形で、巻線は円周上のスロットに均等に分散されている。巻線に交流電流を供給すると、コアに極が作られ、連続的に回転する。^[59]くま取り極型モータでは、極の一部に巻線があり、その極の磁場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ある。シャフトが回転すると、回転子巻線の電流の流れを定期的に逆転させる。整流子は、アーマチュア上の複数の金属接触セグメントで構成された円筒形である。カーボンなどの柔らかい導電性材料ででき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る。ブラシは、回転子が回転すると、連続する整流子セグメントと滑り接触し、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方向を反転させるため、回転子に加えられるトルクは常に同じ方向になります。^{[60]この反転がなければ、各回転子巻線のトルクの方向は半回転ごとに反転し、回転子が停止します。整流子モーターは、}ブラシレスモーター、永久磁石モーター、および誘導モーターにほとんど置き換えられました。

モーターシャフトはモーターの外側まで伸びており、そこで負荷を満たします。負荷の力は最も外側のベアリングを超えて作用するため、負荷はオーバーハングしていると言われています。^[61]

ローターはベアリングによって支持されており、ベアリングはシャフトからモーターハウジングに軸方向および半径方向の荷重を伝達することでローターが軸を中心に回転することを可能にします。^[61]

DC モーターには通常、上記のようにスプリット リング整流子を介して電力が供給されます。

AC 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使用して実現できます。固定速度または可変速度制御タイプ、同期または非同期にすることができます。ユニバーサル モーターは、AC または DC のどちらでも動作できます。

DC モーターは、端子に印加される電圧を調整するか、パルス幅変調(PWM) を使用することによって、可変速度で動作させることができます。

固定速度で動作する AC モーターは、通常、グリッドから直接、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ます。

可変速度で動作する AC モーターは、さまざまな電力インバーター、可変周波数ドライブ、または電子整流子技術によって駆動されます。

電子整流子という用語は、通常、自己整流ブラシレス DC モーターおよびスイッチ リラクタンス モーターのアプリケーションに関連付けられます。

電気モーターは、磁気、静電気、圧電性の 3 つの物理的原理のいずれかに基づいて動作します。

磁気モーターでは、ローターとステーターの両方に磁場が形成されます。これら 2 つの磁場の積によって力が生じ、モーター シャフトにトルクが生じます。ローターが回転すると、これらの磁場の 1 つまたは両方が変化します。これは、適切なタイミングで極のオン/オフを切り替えるか、極の強度を変えることによって行われます。

モーターは、DC 電流、AC 電流で動作するように設計できますが、タイプによってはどちらでも動作できるものもあります。

ACモータは非同期型と同期型があります。^[62]同期モータでは、ロータがステータの回転磁界と同じ速度で回転する必要があります。非同期ロータではこの制約が緩和されます。

分数馬力モーターは、定格が約 1 馬力 (0.746 kW) 未満であるか、標準の 1 HP モーターよりも小さいフレーム サイズで製造されています。多くの家庭用および産業用のモーターは、分数馬力クラスに属します。

注:

1.回転はAC電圧の周波数に依存しません。

2.回転は同期速度（モーター-ステーター-フィールド速度）に等しくなります。

3. SCIM では、固定速度運転回転は同期速度からスリップ速度を引いた値に等しくなります。

4.ノンスリップエネルギー回収システムでは、WRIM は通常モーターの始動に使用されますが、負荷速度を変化させるためにも使用できます。

5.可変速運転。

6.誘導モータと同期モータの駆動は通常、6ステップまたは正弦波波形の出力であるのに対し、BLDCモータの駆動は通常、台形電流波形である。しかし、正弦波と台形PMマシンの動作は、基本的な側面では同一である。^[73]

7.可変速運転では、WRIM はスリップエネルギー回収および二重給電誘導機アプリケーションで使用されます。

8.ケージ巻線は短絡されたかご型回転子であり、巻線はスリップリングを介して外部に接続されます。

9.ほとんどが単相ですが、一部三相もあります。

略語:

• BLAC –ブラシレスAC
• BLDC –ブラシレスDC
• BLDM – ブラシレスDCモーター
• EC – 電子整流子
• PM –永久磁石
• IPMSM – 埋め込み型永久磁石同期モータ
• PMSM –永久磁石同期モーター
• SPMSM – 表面磁石同期モーター
• SCIM –かご形 誘導電動機
• SRM –スイッチドリラクタンスモーター
• SyRM –同期リラクタンスモータ
• VFD –可変周波数ドライブ
• WRIM –巻線型誘導モータ
• WRSM –巻線型同期モータ
• LRA – ロックドローターアンペア: 始動状態で最大電圧を印加したときに予想される電流。始動時に瞬時に発生します。
• RLA – 定格負荷アンペア: あらゆる動作条件下でモーターが引き出す最大電流。誤って動作負荷アンペアと呼ばれることが多く、モーターは常にこれらのアンペアを引き出すはずだと誤解されることがあります。
• FLA – 全負荷アンペア: 1976 年に「RLA – 定格負荷アンペア」に変更されました。

ほとんどのDCモータは小型の永久磁石（PM）型です。回転と同期してモータ巻線の電流を逆転させるためのブラシ付き内部機械整流器が含まれています。 ^[74]

整流式 DC モーターには、回転シャフトに取り付けられたアーマチュアに巻かれた回転巻線のセットがあります。シャフトには整流子も取り付けられています。したがって、すべてのブラシ付き DC モーターの巻線には交流が流れています。電流は、整流子に接触する 1 組以上のブラシを流れ、ブラシは回転するアーマチュアに外部電源を接続します。

回転アーマチュアは、積層された磁気的に「柔らかい」 強磁性コアの周りに巻かれた 1 つ以上のワイヤ 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アーマチュアの 1 つの巻線を流れ、アーマチュアを一時的な磁石 (電磁石) にします。生成された磁場は、モーター フレームの一部である PM または別の巻線 (フィールド コイル) によって生成された静止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、ローターが回転するとコイルへの電力を切り替え、極がステーター フィールドの磁極と完全に揃わないようにするため、電力が供給されている限りローターは回転し続けます。

従来の整流子 DC モーターの制限の多くは、ブラシが整流子と接触して摩擦を発生させる必要があることに起因しています。ブラシは、整流子セクション間の絶縁ギャップを横切るとき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、つまりコイル端間で短絡を引き起こす可能性があります。さらに、ローター コイルのインダクタンスにより、回路が開いたときに各コイルの電圧が上昇し、火花が増加します。この火花により、マシンの最高速度が制限されます。火花が速すぎると、整流子が過熱、腐食、または溶解する可能性があるためです。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り、モーターの出力が制限されます。ギャップを横切ると電気ノイズも発生し、火花によりRFIが発生します。ブラシは最終的に摩耗して交換が必要になり、整流子自体も摩耗してメンテナンスまたは交換が必要になります。大型モーターの整流子アセンブリは高価な要素であり、多くの部品の精密な組み立てが必要です。小型モーターでは、整流子は通常、ローターに恒久的に組み込まれているため、整流子を交換するには、通常、ローターも交換する必要があります。

ほとんどの整流子は円筒形ですが、絶縁体上に取り付けられた平らなセグメント化されたディスク状のものもあります。

ブラシが大きいと接触面積が大きくなり、モーターの出力が最大化されます。一方、ブラシが小さいと質量が小さくなり、過度の火花を発生せずにモーターを稼働できる速度が最大化されます。(ブラシが小さいほどコストが低くなります。) ブラシ スプリングを硬くすると、一定質量のブラシをより高速で動作させることができますが、摩擦損失が大きく (効率が低く)、ブラシと整流子の摩耗が加速します。したがって、DC モーターのブラシ設計では、出力、速度、効率/摩耗の間でトレードオフが発生します。

DCマシンは次のように定義されます。^[75]

• アーマチュア回路 – 静止または回転して負荷を支える巻線。
• 界磁回路 – 磁場を生成する巻線のセット。
• 整流: 整流を実現したり、DC を生成したりできる機械的な技術。

ブラシ付き DC モーターには次の 5 つのタイプがあります。

• シャント傷
• 直巻
• 複合（2つの構成）：
  • 累積複合
  • 差別的に複合
• 永久磁石（図示せず）
• 別途励起（図示せず）。

永久磁石 (PM) モーターはステータ フレームに界磁巻線を持たず、代わりに PM が磁場を提供します。アーマチュアと直列の補償巻線は、負荷時の整流を改善するために大型モーターで使用される場合があります。この磁場は固定されており、速度制御のために調整することはできません。PM 磁場 (ステータ) は、界磁巻線の電力消費をなくすために小型モーターで便利です。ほとんどの大型 DC モーターは、ステータ巻線を持つ「ダイナモ」タイプです。歴史的に、PM は分解すると高い磁束を保持することができず、必要な磁束を得るには界磁巻線の方が実用的でした。ただし、大型 PM は高価で、組み立てが危険で困難であるため、大型マシンには巻線磁場が適しています。

全体の重量とサイズを最小限に抑えるために、小型 PM モーターはネオジム製の高エネルギー磁石を使用することがあります。そのほとんどはネオジム鉄ホウ素合金です。高エネルギー PM を備えた電気機械は、磁束密度が高いため、少なくともすべての最適に設計された単一給電同期電気機械および誘導電気機械と競合できます。小型モーターは、図の構造に似ていますが、少なくとも 3 つのローター極 (ローターの位置に関係なく始動を確実にするため) があり、外側のハウジングが湾曲した界磁磁石の外側を磁気的にリンクするスチール チューブである点が異なります。

ブラシ付きDCモーターの問題のいくつかは、BLDC設計で解消されます。このモーターでは、機械的な「回転スイッチ」または整流子が、ローターの位置に同期する外部電子スイッチに置き換えられています。BLDCモーターの効率は通常85％以上で、最大96.5％に達しますが、^[76]ブラシ付きDCモーターの効率は通常75～80％です。

BLDC モーターの特徴的な台形逆起電力(CEMF) 波形は、ステータ巻線が均等に分散されていることと、ローターの永久磁石の配置によって生じます。電子整流 DC モーターまたはインサイドアウト DC モーターとも呼ばれる台形 BLDC モーターのステータ巻線は、単相、二相、または三相にすることができ、巻線に取り付けられたホール効果センサーを使用してローターの位置を検知し、低コストの閉ループ整流子制御を行います。

BLDC モーターは、コンピュータのディスク ドライブやビデオ カセット レコーダーなど、正確な速度制御が必要な場所でよく使用されます。CD、CD-ROM ドライブなどのスピンドル、およびファン、レーザー プリンター、コピー機などのオフィス製品のメカニズムにも使用されます。従来のモーターに比べて、BLDC モーターには次のような利点があります。

• これらのファンは、くま取り極モーターを使用する AC ファンよりも効率が高く、同等の AC ファンよりもはるかに低温で動作します。この低温動作により、ファンのベアリングの寿命が大幅に向上します。
• 整流子がない場合、BLDC モーターの寿命は、整流子のあるブラシ付き DC モーターに比べて大幅に長くなります。整流は電気ノイズや RF ノイズを引き起こす傾向があります。整流子やブラシがない場合、BLDC モーターはオーディオ機器やコンピューターなどの電気的に敏感なデバイスで使用されることがあります。
• 整流を提供する同じホール効果センサーは、閉ループ制御 (サーボ制御) アプリケーションに便利なタコメータ信号を提供できます。ファンでは、タコメータ信号を使用して「ファン OK」信号を導き出すとともに、動作速度のフィードバックを提供できます。
• モーターは内部クロックまたは外部クロックに同期できるため、正確な速度制御が可能です。
• BLDC モーターは火花を発しないため、揮発性の化学物質や燃料のある環境に適しています。火花はオゾンも生成し、換気の悪い建物に蓄積される可能性があります。
• BLDC モーターは通常、コンピューターなどの小型機器に使用され、一般的には熱を除去するファンに使用されます。
• 騒音も少ないので、振動の影響を受ける機器に最適です。

現代の BLDC モーターの電力は、数ワットから数キロワットまでの範囲です。定格が約 100 kW までの大型 BLDC モーターは、電気自動車で使用されています。また、電動模型飛行機にも使用されています。

スイッチ リラクタンス モーター (SRM) にはブラシや永久磁石がなく、ローターには電流がありません。トルクは、ローターの極とステーターの極のわずかなずれから生じます。ローターはステーターの磁場と一直線になり、ステーターの磁場巻線が順次通電されてステーターの磁場が回転します。

界磁巻線によって生成された磁束は、最も磁力の弱い経路をたどり、ステータの通電極に最も近いローター極に磁束を送り、それによってローターのそれらの極を磁化してトルクを生成します。ローターが回転すると、異なる巻線が通電され、ローターの回転が維持されます。

^{SRMはいくつかの家電製品[77]や車両[78]}に使用されています。

整流式、電気的に励起された、直列または並列巻きのモーターは、AC または DC 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、フィールド コイルとアーマチュア コイルの両方の電流 (および結果として生じる磁場) が同期して極性を反転するため、AC で適切に動作し、結果として生じる機械的な力が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し、キロワット未満の用途でよく使用されます。ユニバーサル モーターは、電気鉄道の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、DC で動作するように設計されたモーターに AC 電力を使用すると、磁気部品、特に DC の場合は固体 (非積層) 鉄を使用する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。現在ではほとんど使用されていません。

利点は、特に始動トルクが高く、コンパクトな設計のモーターでは、高速で運転する場合に AC 電源を使用できることです。対照的に、メンテナンスは高く、寿命は短くなります。このようなモーターは、頻繁に使用されず、始動トルクの要求が高いデバイスで使用されます。フィールド 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行われます。多くの速度を宣伝している家庭用ブレンダーは、通常、フィールド 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 (モーターが半波整流 AC で動作する) 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いるため、家庭用洗濯機などのデバイスに選択されます。モーターは、アーマチュアに対してフィールド ワインディングを切り替えることで、ドラムを (正方向と逆方向の両方で) 攪拌できます。

SCIM は電力線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 モーターはそれよりはるかに高速で動作できます。このため、高速性と軽量性が求められるブレンダー、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、モーターの特性が活かせる、ドリル、サンダー、丸鋸、ジグソーなどのポータブル電動工具でもよく使用されます。掃除機や除草機のモーターの多くは10,000 rpmを超え、小型グラインダーは30,000 rpmを超えることもあります。

AC 誘導モーターと同期モーターは、AC 電力網によって固定速度アプリケーションに供給される単相または多相正弦波または準正弦波波形電力、または可変周波数ドライブ(VFD) コントローラーからの可変速度アプリケーションでの動作に最適化されています。

誘導モーターは、変圧器の動作のように、電磁誘導によって回転子に電力が伝達される非同期 AC モーターです。誘導モーターは、固定子 (固定部分) が基本的に変圧器の一次側であり、回転子 (回転部分) が二次側であるため、回転変圧器に似ています。多相誘導モーターは産業界で広く使用されています。

誘導モーターは、かご型誘導モーター(SCIM) と巻線型回転子誘導モーター(WRIM)に分けられます。SCIM には、通常はアルミニウムまたは銅の固体バーで構成された重い巻線があり、回転子の端にあるリングによって電気的に接続されています。バーとリングは全体として、動物の回転運動ケージによく似ています。

この巻線に誘導される電流がローターの磁場を形成します。ローター バーの形状によって、速度とトルクの特性が決まります。低速では、かご型に誘導される電流はほぼライン周波数で、かご型の外側部分に留まる傾向があります。モーターが加速すると、スリップ周波数が低くなり、より多くの電流が内部に到達します。バーの形状を変えてかご型の内部と外部の巻線部分の抵抗を変えることで、可変抵抗がローター回路に効果的に挿入されます。ただし、このようなモーターのほとんどは均一なバーを使用しています。

WRIM では、ローター巻線は絶縁ワイヤを多数回巻いたもので、モーター シャフトのスリップ リングに接続されています。外部抵抗器またはその他の制御装置をローター回路に接続できます。抵抗器を使用すると、かなりの電力を消費しますが、モーターの速度を制御できます。コンバーターはローター回路から給電され、通常は無駄になるスリップ周波数電力をインバーターまたは別のモーター ジェネレーターを介して電力システムに戻すことができます。

WRIM は主に、高慣性負荷または全速度範囲にわたって高い始動トルクを必要とする負荷を始動するために使用されます。二次抵抗またはスリップ リング スターターで使用される抵抗器を正しく選択することで、モーターはゼロ速度から全速度まで比較的低い供給電流で最大トルクを生成できます。

モーターの速度を変更できるのは、ローター回路に接続された抵抗の量によってモーターのトルク曲線が効果的に変更されるためです。抵抗が増加すると、最大トルクの速度が低下します。抵抗が、ゼロ速度で最大トルクが発生するポイントを超えて増加すると、トルクはさらに減少します。

速度とともに増加するトルク曲線を持つ負荷で使用する場合、モーターは、モーターによって発生するトルクが負荷トルクと等しくなる速度で動作します。負荷が減少するとモーターの速度が上がり、負荷が増加するとモーターの速度が下がり、負荷とモーターのトルクが再び等しくなります。この方法で動作させると、スリップ損失が二次抵抗器で分散され、その損失が大きくなる可能性があります。速度調整と純効率は低くなります。

トルク モーターは、ローターの回転がブロックされた状態でも、損傷を受けることなく、停止状態で無期限に動作できます。この動作モードでは、モーターは負荷に一定のトルクをかけます。

一般的な用途は、テープ ドライブの供給リール モーターと巻き取りリール モーターです。この用途では、低電圧で駆動されるこれらのモーターの特性により、キャプスタンがテープをテープ ヘッドに送り込んでいるかどうかに関係なく、テープに一定の軽い張力がかかります。高電圧で駆動される (より高いトルクを発生する) トルク モーターは、ギアやクラッチなどの追加の機構を必要とせずに、早送りと巻き戻しの操作を実現できます。コンピューター ゲームの世界では、トルク モーターはフォース フィードバック ステアリング ホイールに使用されます。

もう一つの一般的な用途は、電子ガバナーを使用して内燃機関のスロットルを制御することです。モーターはリターン スプリングに逆らって動作し、ガバナーの出力に応じてスロットルを動かします。ガバナーは、点火システムまたは磁気ピックアップからの電気パルスをカウントしてエンジン速度を監視し、速度に応じて電流量を微調整します。エンジンが目的の速度よりも遅くなると、電流が増加してトルクが大きくなり、リターン スプリングに逆らってスロットルが開きます。エンジンの回転速度が速すぎると、ガバナーが電流を減らしてリターン スプリングを引き戻し、スロットルを下げます。

同期電動機は AC モーターです。回転子とコイルが磁石を AC と同じ周波数で通過し、駆動するための磁場を生成します。通常の動作状態ではスリップはありません。対照的に、誘導モーターはトルクを生成するためにスリップする必要があります。同期モーターの 1 つのタイプは、誘導モーターに似ていますが、回転子が DC 磁場によって励起される点が異なります。スリップ リングとブラシが電流を回転子に伝導します。回転子の極は互いに接続され、同じ速度で動きます。別のタイプは、低負荷トルク用で、従来のかご形回転子に平面を研磨して個別の極を作ります。さらに、第二次世界大戦前の Hammond 時計や古いHammond オルガン用に作られたものには、回転子の巻線や個別の極がありません。これは自動始動ではありません。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 Hammond 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。

ヒステリシス同期モーターは、通常、1 つの位相に位相シフト コンデンサを備えた (本質的に) 2 相モーターです。誘導モーターのように起動しますが、スリップ率が十分に低下すると、ローター (滑らかな円筒) が一時的に磁化されます。分散された極により、永久磁石同期モーターのように動作します。ローターの素材は、一般的な釘のように磁化したままですが、簡単に消磁できます。動作を開始すると、ローターの極は所定の位置に留まり、ドリフトしません。

低電力同期タイミング モーター (従来の電気時計用モーターなど) には、多極永久磁石外部カップ ローターが備わっており、始動トルクを提供するためにシェーディング コイルが使用されています。テレクロンクロック モーターには、始動トルク用のシェーディング ポールと、個別の 2 極ローターのように機能する 2 スポーク リング ローターが備えられています。

二重給電電気モーターには 2 つの独立した多相巻線セットがあり、これらはエネルギー変換プロセスに有効 (つまり動作) 電力を供給します。少なくとも 1 つの巻線セットは可変速度動作用に電子制御されます。2 つの独立した多相巻線セット (つまりデュアルアーマチュア) は、トポロジの重複なしに 1 つのパッケージで提供される最大のものです。二重給電電気モーターの有効定トルク速度範囲は、特定の励起周波数に対して同期速度の 2 倍です。これは、 1 つの有効巻線セットのみを持つ単一給電電気機械の定トルク速度範囲の 2 倍です。

二重給電モータは小型の電子変換器を可能にするが、回転子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。^[79]

コアレスまたはアイアンレスDCモーターは、特殊な永久磁石DCモーターです。^[74]急加速に最適化されており、ローターは鉄心なしで構築されています。ローターは、巻線を充填したシリンダーの形、またはワイヤーと結合材料のみで構成された自立構造をとることができます。ローターはステーター磁石の内側に収まります。ローター内の磁気的に柔らかい固定シリンダーは、ステーター磁束の戻り経路を提供します。2番目の配置では、ローター巻線バスケットがステーター磁石を囲んでいます。その設計では、ローターはモーターハウジングとして機能する磁気的に柔らかいシリンダー内に収まり、磁束の戻り経路を提供します。

ローターの質量は従来のローターよりはるかに小さいため、はるかに速く加速でき、多くの場合、機械的な時定数は1 ミリ秒未満になります。これは、巻線に (より重い) 銅ではなくアルミニウムが使用されている場合に特に当てはまります。ローターにはヒートシンクとして機能する金属質量がないため、小型モーターでも冷却する必要があります。これらの設計では過熱が問題になることがあります。

携帯電話の振動アラートは、円筒形の永久磁石モーター、または薄い多極ディスク磁場磁石と、2 つの結合されたコアレス コイルを備えた意図的にアンバランスな成形プラスチック ローター構造を持つディスク型タイプによって生成されます。金属ブラシとフラットな整流子が、ローター コイルへの電力を切り替えます。

関連する制限移動アクチュエータにはコアがなく、高磁束の薄い永久磁石の極の間に結合コイルが配置されています。これらは、リジッド ディスク (「ハード ディスク」) ドライブ用の高速ヘッド ポジショナーです。最新の設計はスピーカーの設計とは大きく異なりますが、初期のリジッド ディスク ドライブ ヘッドの一部は直線的に動き、ドライブ構造はスピーカーに非常に似ていたため、依然として漠然と (そして誤って) 「ボイス コイル」構造と呼ばれています。

プリントアーマチュアまたはパンケーキモーターは、高磁束磁石の配列の間を走る円盤状の巻線を持っています。磁石は、軸方向の空隙を形成するように間隔を置いて、ローターに面して円形に配置されています。^[80]この設計は、その平らな形状から、一般にパンケーキモーターとして知られています。

アーマチュア (元々はプリント基板上に形成) は、パンチ加工された銅板から作られ、先端複合材を使用して積層され、薄くて硬いディスクを形成します。アーマチュアには、独立したリング整流子はありません。ブラシはアーマチュアの表面上を直接動くため、設計全体がコンパクトになります。

代替設計として、平らに巻かれた銅線を中央の従来の整流子とともに花びらの形にする方法があります。巻線は通常、電気エポキシ ポッティング システムで安定化されます。これらは、中程度の混合粘度と長いゲル時間を持つ充填エポキシです。収縮率と発熱量が低いのが特長で、通常は UL 1446 で 180 °C (356 °F) のクラス H 定格で絶縁されたポッティング コンパウンドとして認識されています。

鉄なし DC モーターのユニークな利点は、コギング(鉄と磁石の間の引力の変化によって生じるトルクの変動) がないことです。鉄製のローターは積層されていますが、完全に鉄がないため、ローターに寄生渦電流は発生しません。これにより効率が大幅に向上しますが、可変速コントローラーは、電磁誘導が減少するため、より高いスイッチング レート (>40 kHz) または DC を使用する必要があります。

これらのモーターは、磁気テープ ドライブのキャプスタンを駆動するために発明されました。キャプスタンでは、動作速度に達するまでの時間を最短にし、停止距離を最短にすることが極めて重要でした。パンケーキ モーターは、高性能サーボ制御システム、ロボット システム、産業オートメーション、医療機器で広く使用されています。現在ではさまざまな構造が利用できるため、この技術は、高温の軍事用途から低コストのポンプや基本的なサーボまで、さまざまな用途で使用されています。

もう 1 つのアプローチ (マグナック​​ス) は、2 つのローターの間に挟まれた単一のステーターを使用する方法です。このような設計の 1 つでは、ピーク電力が 15 kW/kg、持続電力が約 7.5 kW/kg でした。このヨークレス軸流モーターは磁束経路が短く、磁石を軸から遠ざけることができます。この設計では、巻線のオーバーハングがゼロになり、巻線の 100% がアクティブになります。これは、長方形断面の銅線を使用することで強化されます。モーターは並列に動作するように積み重ねることができます。2 つのローター ディスクがステーター ディスクに等しく反対の力をかけるようにすることで、不安定性が最小限に抑えられます。ローターはシャフト リングを介して互いに直接接続され、磁力が打ち消されます。^[81]

サーボモーターは、位置制御または速度制御フィードバック システム内で使用されるモーターです。サーボモーターは、工作機械、ペン プロッター、その他のプロセス システムなどのアプリケーションで使用されます。サーボ機構で使用することを目的としたモーターは、速度、トルク、および電力について予測可能な特性を備えている必要があります。速度/トルク曲線は重要であり、サーボモーターにとって高い比率です。巻線インダクタンスやローター慣性などの動的応答特性は重要であり、これらの要因によってパフォーマンスが制限されます。大きく強力ですが応答が遅いサーボ ループでは、従来の AC または DC モーターと、位置または速度フィードバックを備えた駆動システムを使用できます。動的応答要件が増加すると、コアレス モーターなどのより特殊なモーター設計が使用されます。AC モーターの優れた電力密度と加速特性により、永久磁石同期、BLDC、誘導、および SRM 駆動アプローチが好まれる傾向があります。^[80]

サーボシステムは、モーターが動作している間、位置フィードバックが継続されるという点で、一部のステッピングモーターアプリケーションとは異なります。ステッピングシステムは本質的にオープンループで動作し、モーターが「ステップを逃さない」ことに依存して短期的な精度を保ちます。フィードバックはモーターシステムの外部にある「ホーム」スイッチや位置エンコーダーなどです。^[82]

ステッピング モーターは、通常、精密な回転を行うために使用されます。永久磁石を含む内部ローター、または突極を持つ磁性的に柔らかいローターは、電子的に切り替えられる外部磁石のセットによって制御されます。ステッピング モーターは、DC 電気モーターと回転ソレノイドの中間と考えることもできます。各コイルが順番に通電されると、ローターは通電された界磁巻線によって生成される磁場と揃います。同期モーターとは異なり、ステッピング モーターは連続的に回転しない場合があります。代わりに、界磁巻線が順番に通電および非通電されるにつれて、ステップ状に移動し、開始して停止し、ある位置から次の位置に進みます。シーケンスに応じて、ローターは前方または後方に回転し、いつでも方向を変えたり、停止したり、加速または減速したりできます。

シンプルなステッピング モーター ドライバーは、界磁巻線に完全に通電するか完全に通電解除して、ローターを限られた数の位置に「コグ」させます。マイクロステップドライバーは、界磁巻線への電力を比例的に制御できるため、ローターをコグ ポイント間で位置決めし、スムーズに回転させることができます。コンピューター制御のステッピング モーターは、特にデジタルサーボ制御システムの一部として、最も汎用性の高い位置決めシステムの 1 つです。

ステッピング モーターは、特定の角度に離散的に回転させることが容易であるため、初期のディスク ドライブでは読み取り/書き込みヘッドの位置決めにステッピング モーターが使用されており、その精度と速度により読み取り/書き込みヘッドを正確に位置決めできました。ドライブ密度が増加するにつれて、精度と速度の制限により、ステッピング モーターはハード ドライブには使用されなくなりました。精度の制限により使用できず、速度の制限により競争力がなくなったためです。そのため、新しいハード ディスク ドライブでは、ボイス コイル ベースのヘッド アクチュエータ システムが使用されています。(この用語「ボイス コイル」は歴史的なもので、コーン型スピーカーの構造を指します。)

ステッピング モーターは、アクティブ要素、プリント ヘッド キャリッジ (インクジェット プリンター)、およびプラテンまたはフィード ローラーを移動するために、コンピューター プリンター、光学スキャナー、デジタル コピー機でよく使用されます。

いわゆるクオーツアナログ腕時計には、最も一般的なステッピング モーターが搭載されています。コイルは 1 つで、消費電力は少なく、永久磁石ローターを備えています。同じ種類のモーターが、電池式のクオーツ時計を駆動します。クロノグラフなどの一部の時計には、複数のステッピング モーターが搭載されています。

ステッピングモータとSRMは、三相交流同期モータと設計上密接に関連しており、可変リラクタンスモータタイプに分類されます。^[83]

リニアモーターとは、本質的には、トルク（回転）を生成する代わりに、長さに沿って直線的な力を生成する ように「展開」された電気モーターです。

リニアモーターは、一般的には誘導モーターまたはステッピングモーターです。リニアモーターは、モーターのない鉄道車両の急速な動きをレールで制御するジェットコースターでよく見られます。また、リニアモーターは、列車が地面の上を「飛ぶ」磁気浮上列車でも使用されます。小規模ではありますが、1978年頃のHP 7225Aペンプロッタは、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軸に沿って動かしていました。^[84]

静電モーターは電荷の吸引と反発に基づいています。通常、静電モーターは従来のコイルベースのモーターのデュアルです。小型モーターは低電圧を使用しますが、通常は高電圧電源が必要です。従来の電気モーターは磁気吸引と反発を使用し、低電圧で高電流を必要とします。1750 年代に、最初の静電モーターはベンジャミン フランクリンとアンドリュー ゴードンによって開発されました。静電モーターは、駆動電圧が 100 ボルト未満で、コイルや鉄心よりも可動式の帯電プレートの方がはるかに製造しやすいマイクロ電気機械システム ( MEMS ) で頻繁に使用されます。生体細胞を動かす分子機械は、多くの場合、リニア静電モーターとロータリー静電モーターに基づいています。^[要出典]

圧電モーターまたはピエゾモーターは、電界が加えられたときの圧電材料の形状変化に基づく電気モーターの一種です。圧電モーターは、材料が音響または超音波振動を生成して直線運動または回転運動を生み出す逆圧電効果を利用します。^[85]あるメカニズムでは、単一平面での伸長を利用して、キャタピラの動きに似た一連の伸張と位置保持を行います。^[86]

電気で動く宇宙船の推進システムは、電気モーター技術を使用して宇宙船を宇宙空間で推進します。ほとんどのシステムは推進剤を電気的に加速して高速化することに基づいていますが、一部のシステムは磁気圏への推進の電気力学的テザー原理に基づいています。^[87]

電気モーターは、2 つの反対の磁場間の力を利用して、電気エネルギーを機械エネルギーに変換します。2 つの磁場のうち少なくとも 1 つは、電流によって発生する磁場を介して電磁石によって生成される必要があります。

磁場に対して垂直な長さの導体内の電流間の力は、ローレンツ力の法則を使用して計算できます。 ${\displaystyle I}$${\displaystyle \ell}$${\displaystyle \mathbf {B} }$

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

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方法はテンソル表記法を使用する。^[98]

電気モーターの出力は次のように表されます。 $${\displaystyle P_{\text{em}}=T\omega =Fv}$$

• ${\displaystyle \omega}$: シャフト角速度、[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/秒]。

ヤードポンド法では、モーターの機械的出力は次のように表される。^[99]

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

非同期モータまたは誘導モータでは、モータ速度とエアギャップ電力^{[説明が必要]}の関係^{[引用が必要]}は次のように表されます。

${\displaystyle P_{\text{エアギャップ}}={\frac {R_{r}}{s}}I_{r}^{2}}$、 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2乗

s – モーターのスリップ^{[説明が必要]}。つまり、同期速度とスリップ速度の差であり、ローターの電流誘導に必要な相対的な動きを提供します。

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、そこに電圧が発生します。この電圧はモーターの供給電圧に逆らう傾向があるため、「逆起電力 (EMF)」と呼ばれます。電圧はモーターの運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間の電圧降下は、ブラシの電圧と等しくなければなりません。これが、DC モーターの速度制御の基本的なメカニズムです。機械的負荷が増加すると、モーターは減速します。その結果、逆起電力が低下し、電源からより多くの電流が引き出されます。この増加した電流により、負荷のバランスをとるための追加のトルクが提供されます。^[100]

交流機械では、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ります。これは、VFDの誘導電動機の厳密な速度制御において特に重要です。^[100]

モーターの損失は主に巻線の抵抗損失、コア損失、ベアリングの機械的損失によるもので、特に冷却ファンが存在する場所では空力損失も発生します。

整流でも損失が発生します。機械式整流子は火花を発し、電子式整流子は熱も放散します。

モーターの効率を計算するには、機械出力を電気入力で割ります。

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

ここで、はエネルギー変換効率、は電気入力電力、は機械出力電力です。 ${\displaystyle \eta}$${\displaystyle P_{\text{e}}}$${\displaystyle P_{\text{m}}}$

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

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

ここで、は入力電圧、は入力電流、は出力トルク、は出力角速度です。最大効率点を解析的に導くことが可能です。通常、それは失速トルクの半分以下の点です。^[要出典]${\displaystyle V}$${\displaystyle I}$${\displaystyle T}$${\displaystyle \omega}$

各国の規制当局は、高効率モーターの製造と使用を奨励する法律を制定している。電気モーターの効率は、くま取り極モーターで約15%～20%、永久磁石モーターで最大98%である^{[101] [102] [103]}。効率は負荷にも依存する。ピーク効率は通常、定格負荷の75%である。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場合に最も効率的である。^[104]効率はモーターのサイズにも依存し、モーターが大きいほど効率が高くなる傾向がある。^[105]一部のモーターは、指定された時間を超えて連続的に動作できない（たとえば、1回の実行につき1時間以上）^[106]。

エリック・レイスウェイト^[107]は、電気モーターの「良さ」を判断するための基準を提案した。^[108]

${\displaystyle G={\frac {\omega }{{\text{抵抗}}\times {\text{磁気抵抗}}}}={\frac {\omega \mu \sigma A_{\text{m}}A_{\text{e}}}{l_{\text{m}}l_{\text{e}}}}}$

どこ：

${\displaystyle G}$は良さの係数です（1を超える係数は効率的である可能性が高いです）

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

${\displaystyle l_{\text{m}},l_{\text{e}}}$磁気回路と電気回路の長さは

${\displaystyle \mu}$コアの透過性

${\displaystyle \omega}$モーターが駆動される角周波数

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ました。ただし、この式は非 PM モーターにのみ直接関係します。

電磁モーターは、相互作用するフィールドのベクトル積からトルクを生じます。トルクを計算するには、エアギャップ内のフィールドに関する知識が必要です。これらが確立されると、トルクはすべての力のベクトルの積分にベクトルの半径を掛けたものになります。巻線に流れる電流がフィールドを生成します。磁性材料を使用するモーターの場合、フィールドは電流に比例しません。

電流とトルクの関係を示す数値は、モーターの選択に役立ちます。モーターの最大トルクは、熱を考慮しない場合、最大電流によって決まります。

与えられたコア飽和制約内で、与えられた有効電流 (トルク電流など)、電圧、極対数、励起周波数 (同期速度など)、および空隙磁束密度に対して最適に設計されている場合、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の深さ (電磁コアの物理的サイズを決定する) を備えた与えられた空隙領域内で、実質的に同じ最大連続シャフトトルク (動作トルクなど) を示します。一部のアプリケーションでは、電気自動車を停止状態から加速するためのバーストなど、最大値を超えるトルクバーストが必要です。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、最大値を超えるトルクバーストの容量は、モーター/発電機のタイプによって大きく異なります。

WRSM や PMSM などの変圧器回路トポロジ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提供することはできません。その時点では、追加の電流を流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、誘導二重給電電気機械、誘導または同期巻線ロータ二重給電 (WRDF) 機械などの変圧器回路トポロジーを備えた電気機械では、変圧器の両側の EMF 誘導有効電流が互いに反対方向になるため、変圧器結合磁気コア磁束密度に何も寄与せず、コア飽和を回避し、トルクバーストを許容します。

誘導または非同期の原理に依存する電気機械は、変圧器回路の 1 つのポートを短絡し、その結果、スリップが増加するにつれて変圧器回路の無効インピーダンスが支配的になり、有効 (つまり、実) 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 バーストが実現可能です。

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（つまり、両方のポートが独立して励起され、短絡ポートがない）を備えた唯一の電気機械です。^[109]デュアルポート変圧器回路トポロジは不安定であることが知られており、限られた電力をロータ巻線セットに伝播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。動作中に同期動作のトルク角度とスリップを瞬時に制御し、同時にロータ巻線セットにブラシレス電力を供給する精密な手段が利用可能であれば、BWRSDF機の有効電流は変圧器回路の無効インピーダンスに依存せず、最大動作トルクを大幅に上回り、他のタイプの電気機械の実際的な能力をはるかに超えるトルクバーストを実現できます。動作トルクの8倍を超えるトルク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、空隙面積の大きさとバックアイアンの深さによって決まります。これらは、アーマチュア巻線セットの定格電力、機械の速度、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ります。ネオジムまたはサマリウムコバルト永久磁石の保磁力が高いにもかかわらず、最適に設計されたアーマチュア巻線セットを備えた電気機械の連続トルク密度は実質的に同じです。連続トルク密度は、冷却方法と、巻線の過熱による破壊または永久磁石の損傷までの許容動作期間に関係します。

他の情報源によると、さまざまな電動機械のトポロジーには異なるトルク密度があると言われています。ある情報源では次のように示されています。^[110]

ここで、表面永久磁石 (SPM) の比トルク密度は 1.0 に正規化されています (ブラシレス AC、180° 電流伝導)。

液冷式モーターのトルク密度は、空冷式モーターのトルク密度の約 4 倍になります。

直流、誘導電動機（IM）、PMSM、SRMを比較した情報源によると、次の通りである。^[111]

別の情報源によると、1MWまでの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。^[112]

連続出力密度は、連続トルク密度と定トルク速度範囲の積によって決まります。電気モーターは最大20kW/kgの密度を達成でき、これは1キログラムあたり20キロワットの出力を意味します。^[113]

音響ノイズと振動は通常、次の 3 つの発生源に分類されます。

• 機械的な原因（例：ベアリングによるもの）
• 空気力学的要因（例：シャフトに取り付けられたファンによるもの）
• 磁気源（例えば、マクスウェル力やステータとローターの構造に作用する磁歪力などの磁力によるもの）

後者の発生源は、電気モーターの「うなり音」の原因となる可能性があり、電磁誘導音響ノイズと呼ばれます。

電気モーターを対象とする主要な設計、製造、テスト規格は次のとおりです。

• アメリカ石油協会: API 541 フォームワウンドかご形誘導モーター – 375 kW (500 馬力) 以上
• アメリカ石油協会: API 546 ブラシレス同期機 – 500 kVA 以上
• アメリカ石油協会: API 547 汎用フォーム巻きかご形誘導モーター - 250 馬力以上
• 電気電子技術者協会：IEEE Std 112 多相誘導モーターおよび発電機の標準試験手順
• 電気電子技術者協会：IEEE Std 115 同期機の試験手順ガイド
• 電気電子技術者協会：石油化学産業向け IEEE Std 841 規格 – 最高効率の過酷な使用に耐える全閉ファン冷却式 (TEFC) かご形誘導モーター – 最大 370 kW (500 Hp)
• 国際電気標準会議：IEC 60034 回転電気機械
• 国際電気標準会議：IEC 60072 回転電気機械の寸法と出力シリーズ
• 全米電気工業会：MG-1 モーターおよび発電機
• アンダーライターズ・ラボラトリーズ：UL 1004 – 電動モーターの規格
• インド規格：IS:12615-2018 – ライン駆動型三相交流モーター（IE CODE）「効率クラスおよび性能仕様」（第 3 版）

• 補償巻線
• 発電機
• 電気自動車用モーター
• 善の要素
• モーターコンデンサ
• モーターコントローラ
• 往復電動モーター
• 回生ブレーキ
• トラクションモーター

• SparkMuseum: 初期の電気モーター
• カールスルーエ工科大学のマーティン・ドッペルバウアーが主催する「電気モーターの発明 1800 年から 1893 年」
• MAS.865 2018 (ほぼ)何でも作れるものを作る方法、さまざまな種類のモーターのスローモーション GIF とオシログラム。