かご型ローター

かご型ロータは、一般的なかご型誘導モータの回転部分です。表面にアルミニウムまたは銅の導体が埋め込まれた鋼板積層の円筒で構成されています。動作中、回転しないステータ巻線は交流電源に接続され、ステータ内の交流電流によって回転磁界が生成されます。ロータ巻線には、ステータ磁界によって誘導された電流が流れます。これは変圧器と同様ですが、ロータの電流はステータ磁界の回転速度から物理的な回転速度を引いた値で変化します。ステータ内の磁界とロータ内の電流の相互作用によって、ロータにトルクが発生します。

ローターのバーの形状を調整することで、モーターの速度-トルク特性を変更し、たとえば始動電流を最小限に抑えたり、低速トルクを最大化したりすることができます。

かご型誘導モーターは、1 キロワット (1.3 馬力) 未満から数十メガワット (数万馬力) まで、業界で広く普及しています。これらはシンプルで頑丈、自動始動式で、電源周波数と固定子巻線の極数によって設定される軽負荷から全負荷まで、ほぼ一定の速度を維持します。業界で一般的に使用されるモーターは、通常、メーカー間で互換性のあるIECまたはNEMA標準のフレーム サイズです。これにより、これらのモーターの適用と交換が簡単になります。

ガリレオ・フェラーリスは、 1885年に2相固定子巻線と固体銅の円筒形電機子を備えた誘導機について説明しました。1888年にニコラ・テスラは、短絡銅回転子巻線と2相固定子巻線を備えた2相誘導モーターの特許を取得しました。この設計の開発は商業的に重要になりました。1889年にミハイル・ドリヴォ・ドブロボルスキーは巻線回転子誘導モーターを開発し、その後まもなくケージ型回転子巻線を開発しました。19世紀末までに、誘導モーターは成長を続ける交流配電システムに広く適用されました。^[1]

モーターの回転子の形状は、シャフトに取り付けられた円筒形です。内部には、溝にセットされた縦方向の導電性バー（通常はアルミニウムまたは銅製）が含まれており、両端は短絡リングで接続されてケージのような形状を形成しています。このリングとバーの巻線がリスケージに似ていることから、この名前が付けられました。

ローターのソリッドコアは、電気鋼板の積層で作られています。図は、使用されている多くの積層セットの1つを示しています。ローター積層のスロット数は、対応するステーター積層の数よりも多く、始動時にローターとステーターの歯が磁気的に噛み合うのを防ぐため、ロータースロットの数はステータースロットの数の非整数倍である必要があります。^[2]

ローターバーは銅製またはアルミニウム製です。小型モーターの一般的な構造では、積層後にダイカストアルミニウムをローターに流し込みます。大型モーターでは、エンドリングに溶接またはろう付けされたアルミニウムまたは銅のバーが使用されています。かご型巻線で発生する電圧は非常に低く、電流は非常に高いため、バーとローター鋼の間に意図的な絶縁層は存在しません。^[3]

誘導モーターの固定子の界磁巻線は、回転子を通して回転磁界を発生させます。この磁界と回転子の相対運動により、導電棒に電流が発生します。次に、導体の縦方向の電流がモーターの磁界と反応して、回転子に直交する接線方向に作用する力を生み出し、シャフトを回転させるトルクを生み出します。実際、回転子は磁界とともに運ばれますが、回転速度はわずかに遅くなります。速度の差はスリップと呼ばれ、負荷とともに増加します。

導体は、ローターの長さに沿ってわずかに斜めになっていることが多く、これにより、常にローター バーの同じ部分が各ステーター スロットの下になるようにすることで、ステーターの磁極片との相互作用により、特定の速度で発生する可能性のあるノイズを減らし、トルクの変動を平滑化します。ローター バーがステーター磁極と平行になっていると、各バーがステーターのギャップを通過するたびに、モーターのトルクが低下し、その後回復します。

写真に示す積層構造では、ステータに 36 本のバーがあり、ローターに 40 本のバーがあります。36と 40 の最大公約数は 4 であるため、ステータとローターのバーは一度に 4 本しか整列できず、これによってもトルク変動が低減されます。

ローターのバーの数によって、誘導電流がステーター コイルにどの程度フィードバックされるか、つまりステーター コイルを流れる電流が決まります。フィードバックが最も少ない構造では、素数のローター バーを使用します。

鉄心は、ローター導体を通して磁場を運ぶ役割を果たします。ローター内の磁場は時間とともに変化するため、鉄心は変圧器の鉄心と同様の構造を採用して、鉄心のエネルギー損失を減らします。鉄心は、ワニス絶縁体で分離された薄い積層体で作られており、鉄心内を循環する渦電流を減らします。素材は、炭素含有量は少ないがシリコン含有量が多い鉄で、抵抗率は純鉄の数倍であるため、渦電流損失がさらに減り、保磁力が低いためヒステリシス損失が減ります。

幅広いサイズにわたる単相モーターと三相モーターの両方に、同じ基本設計が使用されています。三相用ローターは、設計分類に合わせてバーの深さと形状が異なります。一般に、厚いバーはEMFに対する抵抗が低いため、低スリップでトルクが良好で効率的です。スリップが増加すると、表皮効果により有効深さが減少し、抵抗が増加し、効率は低下しますが、トルクは維持されます。

誘導モーターの速度トルク特性は、ローターバーの形状と深さによって変えることができます。停止状態では、回転磁界がローターバーを高速で通過し、ローターバーにライン周波数の電流を誘導します。表皮効果により、誘導電流は巻線の外側の端を流れる傾向があります。モーターが加速すると、滑り周波数が低下し、誘導電流は巻線のより深いところに流れます。ローターバーのプロファイルをテーパー状にして深さによって抵抗を変えるか、高インピーダンスと低インピーダンスのローターを並列に組み合わせた二重かご型構造にすることで、停止時および同期速度付近でより多くのまたはより少ないトルクを生成するようにモーターを配置できます。^[3]

ケージ ローターの仕組みを説明するために、単相モーターのステーターと銅管 (ローターとして) を使用します。ステーターに適切な AC 電力が供給されると、ステーター内で交流磁場が回転します。銅管をステーター内に挿入すると、パイプ内に誘導電流が発生し、この電流によってパイプ内に独自の磁場が生成されます。ステーターの回転磁場と銅管ローターの誘導磁場の相互作用により、トルクが生成され、回転が起こります。

同期モーターには、モーターの始動トルクを増大させ、同期速度まで加速する時間を短縮するために使用されるかご型巻線がローターに埋め込まれている場合があります。同期機のかご型巻線は、通常、同様の定格の誘導機のものよりも小さくなります。ローターが固定子の回転磁界と同じ速度で回転している場合、かご型巻線に電流は誘導されず、巻線は同期モーターの定常状態での動作にそれ以上影響を与えません。

一部の機械では、かご形巻線が負荷やシステムの外乱に対する減衰効果を発揮し、この役割からアモルティサー巻線と呼ばれることもあります。大型機械では、アモルティサーバーは個々の極面にのみ設置され、極間は相互接続されていません。かご形巻線は連続運転による熱を放散できるほど大きくないため、大型同期機械には、機械が供給電圧と同期しなくなったことを検出するための保護リレーが設置されていることがよくあります。 ^[4]

3 相かご形誘導モーターは、発電機としても使用できます。このモーターが機能するには、モーターにリアクタンス負荷がかかり、グリッド電源またはコンデンサの配列に接続されて励起電流を供給する必要があります。モーターをモーターではなく発電機として機能させるには、ローターをステーターの同期速度よりも速く回転させる必要があります。これにより、モーターは残留磁気を蓄積した後に電力を生成します。

ウィキメディア・コモンズには、かご型モータに関連するメディアがあります。

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