ユニバーサルモーター

ユニバーサルモーターは、交流電源でも直流電源でも動作し、ステータとして電磁石を使用して磁場を生成するタイプの電気モーターです。 ^[1]これは整流直列巻線モーターで、ステータの界磁コイルは整流子を介してロータ巻線と直列に接続されています。AC直列モーターと呼ばれることがよくあります。ユニバーサルモーターは構造的にはDC直列モーターと非常に似ていますが、モーターがAC電源で適切に動作できるようにわずかに変更されています。このタイプの電気モーターは、界磁コイルとアーマチュアの両方の電流（および結果として生じる磁場）が電源と同期して交互に（極性が逆）流れるため、ACで適切に動作できます。したがって、結果として生じる機械力は、印加電圧の方向とは無関係に、整流子と界磁コイルの極性によって決まる一貫した回転方向に発生します。^[2]

ユニバーサルモーターは始動トルクが高く、高速で動作し、軽量でコンパクトです。ポータブル電動工具や機器、多くの家庭用電化製品によく使用されています。タップコイルを使用した電気機械的制御や電子制御により、制御が比較的容易です。ただし、整流子には摩耗するブラシが付いているため、連続使用する機器にはあまり適していません。さらに、整流子のせいもあって、ユニバーサルモーターは音響的にも電磁的にも非常に騒音が大きいのが一般的です。^[3]

すべての直巻モーターが交流電流でうまく動作するわけではない。^{[4] [注 1]} 通常の直巻DCモーターをAC電源に接続すると、動作が非常に悪くなる。ユニバーサルモーターは、適切なAC電源動作を可能にするためにいくつかの方法で変更されている。DCモーターに見られる固体ポールピースとは対照的に、通常は補償巻線と積層ポールピースが追加されている。 ^[2]ユニバーサルモーターのアーマチュアには通常、DCモーターよりもはるかに多くのコイルとプレートがあり、したがってコイルあたりの巻線が少なくなる。これによりインダクタンスが低減する。^[5]

これらのタイプのモーターは、AC電源で使用した場合でも、主電源よりもはるかに高い回転周波数で動作することができ、ほとんどの電気モーターの特性は速度とともに向上するため、軽量で強力になります。^[5]ただし、ユニバーサルモーターは通常、比較的効率が低く、小型モーターでは約30％、大型モーターでは最大70～75％です。^[5]

直巻電気モーターは、負荷の増加に応じて速度を落とします。電流が増加し、トルクは電流の二乗に比例して増加します。これは、アーマチュアと界磁巻線の両方に同じ電流が流れるためです。モーターが停止すると、電流は巻線の全抵抗によってのみ制限され、トルクが非常に高くなる可能性があり、巻線が過熱する危険があります。逆起電力は、アーマチュア抵抗がアーマチュアを流れる電流を制限するのに役立ちます。モーターに最初に電力が供給されると、アーマチュアは回転しません。その瞬間、逆起電力はゼロであり、アーマチュア電流を制限する唯一の要因はアーマチュア抵抗です。通常、モーターのアーマチュア抵抗は低いため、電力が供給されるとアーマチュアを流れる電流は非常に大きくなります。したがって、モーターの回転によって逆起電力が増加するまで、電流を制限するためにアーマチュアと直列に追加の抵抗が必要になる場合があります。モーターの回転が増加すると、抵抗は徐々にカットされます。速度-トルク特性は、失速トルクと無負荷速度の間でほぼ完全な直線になります。これは、モータがゆっくりと回転し始めるまで速度が低下し、これらのモータは非常に高い失速トルクを持つため、大きな慣性負荷に適しています。^[6]

速度が上昇すると、ローターのインダクタンスによって理想的な整流点が変化する。小型モーターは通常、固定整流である。大型ユニバーサルモーターの中には回転可能な整流を持つものもあるが、これはまれである。代わりに、大型ユニバーサルモーターは、モーターと直列に、または誘導結合された補償巻線を備え、主磁界軸に対して 90 度の電気角で配置されることが多い。これにより、アーマチュアのリアクタンスが低減し、整流が改善される。^[5]

界磁巻線を電機子巻線と直列に持つことの1つの有用な特性は、速度が上昇すると逆起電力によって界磁巻線の電圧と電流が自然に減少し、高速で界磁が弱まることである。これは、モーターには特定の印加電圧に対する理論上の最高速度がないことを意味する。ユニバーサルモーターは一般に4000～16000  RPMの高速で動作可能であり、20,000  RPMを超えることもある。^[5]対照的に、AC同期モーターとかご形 誘導モーターは、電力線周波数で許可されている速度よりも速くシャフトを回転させることはできない。60 HzのAC電源を使用している国では 、この速度は3600  RPMに制限されている。^[7]

ユニットが大きな機械的負荷なしで動作している場合、過速度（設計制限を超える回転速度で動作）によりモーターが損傷する可能性があります。大型モーターでは、突然の負荷喪失を回避する必要があり、そのような発生の可能性はモーターの保護および制御スキームに組み込まれています。一部の小型アプリケーションでは、シャフトに取り付けられたファンブレードが、モーター速度を安全なレベルに制限するための人工負荷として、またアーマチュアと界磁巻線上に冷却空気を循環させる手段として機能していることがよくあります。ユニバーサルモーターに機械的制限がない場合は、直列巻線DCモーターと同様に、理論上は制御不能な速度になる可能性があります。^[3]

ユニバーサルモーターの利点は、DCモーターによく見られる特性、特に高始動トルクと、高速運転時の非常にコンパクトな設計を備えたモーターにAC電源を使用できることです。^[3]

マイナス面としては、整流子に起因するメンテナンスと寿命の短さの問題、および火花による電磁干渉(EMI) の問題があります。整流子ブラシのメンテナンス費用が比較的高いため、ユニバーサル モーターは、断続的にしか使用されず、始動トルクの要求が高いことが多いフード ミキサーや電動工具などのデバイスに最適です。

もう 1 つのマイナス面は、これらのモーターは、常にほぼきれいな空気が存在する場所でしか使用できないことです。過熱のリスクが大幅に高まるため、完全に密閉されたファン冷却ユニバーサル モーターは実用的ではありませんが、実際に作られたものもあります。このようなモーターは、十分な空気を循環させるために大きなファンが必要になり、モーター自体を冷却するためにより多くのエネルギーを使用する必要があるため、効率が低下します。実用的でない理由は、結果として生じるサイズ、重量、および熱管理の問題ですが、オープン モーターにはこれらの問題はありません。

ユニバーサル モーターは、他のタイプの AC モーターや DC モーターに比べて非常に騒音が大きくなります。

AC で動作するユニバーサル モーターの連続速度制御は、サイリスタ回路を使用することで簡単に実現できます。一方、フィールド コイルの複数のタップは、(不正確な) 段階的な速度制御を提供します。多くの速度を宣伝している家庭用ブレンダーは、多くの場合、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を組み合わせています (これにより、モーターは半波整流された AC で動作します)。

ユニバーサルモーターは直巻です。19世紀後半には分巻が実験的に使用されましたが^[8]、整流の問題で実用的ではありませんでした。この問題を軽減するために、埋め込み抵抗、インダクタンス、逆位相クロスカップリングなどのさまざまな方式が試みられました。分巻を含むユニバーサルモーターは、自己始動性があったため、当時は交流モーターとして好まれていました。^[4]自己始動誘導モーターと自動スターターが利用可能になると、これらがより大きなユニバーサルモーター（1馬力以上）と分巻に取って代わりました。

過去には、反発始動巻線ローターモーターは高い始動トルクを提供したが、複雑さが増した。そのローターはユニバーサルモーターのものと類似していたが、ブラシは互いにのみ接続されていた。変圧器の作用により、ローターに電流が誘導された。界磁極に対するブラシの位置により、界磁極からのローター反発によって始動トルクが発生した。遠心機構は、運転速度に近づくと、すべての整流子バーを接続し、かご型ローターと同等のものを作り出した。また、運転速度の約 80% に近づくと、これらのモーターは誘導モーターとして動作することができる。^[9]

通常の電源ライン周波数で動作するユニバーサル モーターは、 1000 ワット未満の範囲ではあまり見かけません。高速であるため、高速性と軽量性が求められるブレンダー、掃除機、ヘア ドライヤーなどの機器に適しています。また、この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。溶接工が使用する電動工具のもう 1 つの利点は、従来のエンジン駆動式溶接機は純粋な DC 発電機である場合があり、一般的な家庭用 NEMA 5-15 構成であっても、補助電源レセプタクルは DC のままであることです。DC 電源は、一般的な現場の (時代遅れの) 白熱灯や、一部のドリルやグラインダーのユニバーサル モーターには適しています。多くの掃除機や除草機のモーターは10,000 RPMを超え、多くのDremelや類似の小型グラインダーは30,000 RPMを超えます。

ユニバーサル モーターは電子速度制御にも適しており、家庭用洗濯機に最適な選択肢でした。モーターは、アーマチュアに対して界磁巻線を切り替えることで、ドラムを攪拌するために使用できます (正転と逆転の両方)。モーターは、脱水サイクルに必要な高速まで動作させることもできます。今日では、代わりに可変周波数駆動モーターがより一般的に使用されています。

ユニバーサルモーターは、電気鉄道の伝統的な鉄道牽引モーターの基礎にもなりました。この用途では、もともと直流で動作するように設計されたモーターに交流で電力を供給すると、その磁気部品、特に直流では固体（積層されていない）鉄が使用され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。変圧器のコアに使用される積層極片や高透磁率の電気鋼の積層板を使用することで加熱の影響は軽減されますが、20世紀初頭に利用可能な1つの解決策は、モーターを25 Hzおよび16の非常に低周波の交流電源で動作させることでした。 +2 ⁄ 3  Hz動作が一般的です。

燃焼エンジンのスターターは通常、小型で低速で高トルクを発揮する利点を持つユニバーサル モーターです。スターターの中には永久磁石を備えたものもあれば、4 つの極のうちの 1 つに直列巻きコイルではなくシャント コイルを巻いたものもあります。