同期モーター

同期電動機は、定常状態では^[1]シャフトの回転が供給電流の周波数と同期し、回転周期が交流サイクルの整数倍になる交流電動機です。同期電動機は、モータのステータとして電磁石を使用し、電流の振動に合わせて回転する磁場を生成します。永久磁石または電磁石を備えたロータは、ステータの磁場と同じ速度で回転し、その結果、同期した第 2 の回転磁場を生成します。同期電動機は、ロータとステータの両方に独立して励起される多相交流電磁石を使用する場合、二重給電と^{呼ばれます。 [2]}

同期モーターと誘導モーターは、最も広く使用されている AC モーターです。同期モーターは、ローターの磁場を生成するために誘導に依存しないため、ライン周波数に固定された速度で回転します。誘導モーターにはスリップが必要です。ローターに電流を誘導するには、ローターが AC 交流よりもわずかに遅い周波数で回転する必要があります。

小型同期モーターは、同期時計、家電製品のタイマー、テープレコーダー、精密サーボ機構などのタイミングアプリケーションで使用されます。これらのアプリケーションでは、モーターは正確な速度で動作する必要があります。精度は電力線周波数に依存し、大規模な相互接続グリッドシステムでは電力線周波数が慎重に制御されます。

同期モーターは、自励式、小数馬力^[3]から工業用サイズ^[1]まであります。小数馬力の範囲では、ほとんどの同期モーターは正確な一定速度を提供するために使用されます。これらの機械は、アナログ電気時計、タイマー、および関連デバイスでよく使用されます。

典型的な産業用サイズでは、同期モータは交流エネルギーを仕事に変換する効率的な手段を提供します（より大きなサイズでは95％を超える電気効率が標準です）^{[4]そして、それは進み}力率または1の力率で動作することができ、それによって力率補正を提供します。^{[引用が必要]}

同期モーターは同期発電機も含む同期機械のカテゴリに分類されます。発電機の動作は、界磁極が「原動機の前進運動によって生じる空隙磁束より先に駆動される」場合に発生します。モーターの動作は、界磁極が「軸負荷の減速トルクによって生じる空隙磁束より後ろに引きずられる」場合に発生します。^[1]

同期モータには、回転子の磁化方法によって非励磁型と直流励磁型の2つの主要なタイプがあります。^[5]

非励磁モータでは、ローターは鋼鉄で作られています。ローターはステーターの回転磁界に合わせて回転するため、ほぼ一定の磁界が通っています。ステーターの外部磁界がローターを磁化し、回転に必要な磁極を誘導します。ローターはコバルト鋼などの高保持力鋼で作られています。これらは永久磁石、磁気抵抗、ヒステリシス設計で製造されています。^[6]

永久磁石同期モータ（PMSM）は、ローターに埋め込まれた永久磁石を使用して一定の磁場を生成します。ステーターは、交流電源に接続された巻線を持ち、回転磁場を生成します（非同期モータの場合と同様）。同期速度では、ローターの極は回転磁場に固定されます。PMSMはブラシレスDCモータに似ています。ネオジム磁石が最も一般的ですが、ネオジム磁石の価格が急激に変動したため、フェライト磁石の研究が始まりました。^[7]フェライト磁石の固有の特性により、これらの機械の磁気回路は磁束を集中させる必要があり、通常はスポーク型ローターが使用されます。^[8]フェライト磁石を使用する機械は、ネオジム機械と比較して、電力密度とトルク密度が低くなります。^[8]

PMSMは2000年からギアレスエレベーターモーターとして使用されています。^[9]

ほとんどのPMSMは、始動するために可変周波数ドライブを必要とする。 ^{[10] [11] [12] [13] [14]}ただし、始動のためにローターにかごを組み込んだものもあり、これらはライン始動または自己始動として知られている。^{[15]これらは通常、誘導モーターの高効率な代替品として使用されますが（スリップがないため）、同期速度に到達し、システムが始動中の}トルクリップルに耐えられるようにする必要があります。

PMSMは通常、直接トルク制御^[16]とフィールド指向制御^[17]を使用して制御されます。

リラクタンス モーターは、突出した（突出した）歯付き極を持つ頑丈な鋳鋼製ローターを備えています。通常、ローターの数はステーターの極の数よりも少なく、トルクリップルを最小限に抑え、すべての極が同時に一列に並ぶ（トルクを生成できない位置）のを防ぎます。^{[3] [18]}磁気回路の空隙のサイズ、つまりリラクタンスは、極がステーターの（回転する）磁場と一列に並ぶときに最小になり、極間の角度とともに大きくなります。これにより、ローターをステーター磁場の最も近い極と一列に並べるトルクが発生します。同期速度では、ローターは回転するステーター磁場に「固定」されます。これではモーターを始動できないため、ローター極には通常、同期速度以下のトルクを提供するためにかご型巻線が埋め込まれています。したがって、機械は誘導モーターとして始動し、同期速度に近づくとローターが「引き込まれ」、ステーター磁場に固定されます。^[19]

リラクタンス モーターの設計定格は、数馬力 (数ワット) から約22 kWまでの範囲です。小型リラクタンス モーターはトルクが低く、通常は計測機器の用途に使用されます。中程度のトルクで数馬力のモーターは、歯付きローターを備えたかご型構造を採用しています。周波数調整可能な電源と併用すると、駆動システム内のすべてのモーターがまったく同じ速度で動作できます。電源周波数によってモーターの動作速度が決まります。

ヒステリシスモーターは、高保磁力の磁気的に「硬い」コバルト鋼で鋳造された、頑丈で滑らかな円筒形のローターを備えています。 ^[18]この材料はヒステリシス ループが広く(高保磁力)、つまり、特定の方向に磁化されると、磁化を反転させるには高い磁場が必要になります。回転するステータ磁場により、ローターの各小容積は反転磁場を経験します。ヒステリシスのため、磁化の位相は印加磁場の位相より遅れます。したがって、ローターに誘導される磁場の軸は、ステータ磁場の軸より一定の角度 δ 遅れ、ローターがステータ磁場に「追いつこう」とするときにトルクが発生します。ローターが同期速度を下回っている限り、ローターの各粒子は「スリップ」周波数で反転磁場を経験し、ヒステリシス ループの周りを回転するため、ローター磁場が遅れてトルクが発生します。ローターは 2 極の低磁気抵抗バー構造です。^[18]ローターが同期速度に近づき、スリップがゼロになると、ローターは磁化されてステーター磁場と一致し、ローターは回転するステーター磁場に「ロック」されます。

ヒステリシス モーターの主な利点は、遅れ角 δ が速度に依存しないため、始動から同期速度まで一定のトルクを発生することです。したがって、このモーターは自己始動型であり、始動に誘導巻線を必要としませんが、多くの設計では、始動時に追加のトルクを提供するために、ローターにかご型の導電性巻線構造が組み込まれています。^{[引用が必要]}

ヒステリシス モーターは、主にサーボモーターやタイミング モーターとして、1 分の 1 未満の馬力定格で製造されています。リラクタンス タイプよりも高価ですが、ヒステリシス モーターは正確な一定速度が求められる場合に使用されます。^{[引用が必要]}

通常、大型サイズ（約 1 馬力または 1 キロワット以上）で製造されるこれらのモーターは、ローターを励起（磁化）するために直流（DC）を必要とします。これは、スリップ リングを通じて最も簡単に供給されます。

ブラシレスAC誘導整流器も使用可能である。^[20]

電力は、別の電源から供給することも、モーター シャフトに直接接続された発電機から供給することもできます。

永久磁石同期モータとリラクタンスモータを動作させるには制御システム（VFDまたはサーボドライブ）が必要です。

同期機には多数の制御方法があり、電動機の構造や範囲に応じて選択されます。

制御方法は以下のように分けられる: ^{[21] [22]}

• スカラー制御
  • V/f制御
• ベクター制御
  • フィールド指向制御
  • 直接トルク制御、VCの変種
  • フィードバック線形化
  • 受動性に基づく制御

PMSMはオープンループ制御でも動作することができ、^[23]これは始動時に使用され、位置検知動作を可能にすることもあります。^[24]

同期モータの同期速度は次のように表される: [ 25 ^] RPM
で表すと:

${\displaystyle N_{s}=60{\frac {f}{P}}=120{\frac {f}{p}}}$

rad·s ⁻¹では次のようになります。

${\displaystyle \omega _{s}=2\pi {\frac {f}{P}}=4\pi {\frac {f}{p}}}$

どこ：

• ${\displaystyle f}$は交流供給電流の周波数（Hz）である。
• ${\displaystyle p}$は磁極の数であり、
• ${\displaystyle P}$は極対の数（まれに、整流面の数）です。${\displaystyle P=p/2}$

単相4 極 (2 極対) 同期モーターは、50 Hz の AC 電源周波数で動作しています。極対数は 2 なので、同期速度は次のようになります。

${\displaystyle N_{s}=60\;{\frac {\text{rpm}}{\text{Hz}}}\times {\frac {50{\text{Hz}}}{2}}=1500\,\,{\text{rpm}}}$

3相12 極 (6 極対) 同期モーターは、AC 電源周波数 60 Hz で動作しています。極対数は 6 なので、同期速度は次のようになります。

${\displaystyle N_{s}=60\;{\frac {\text{rpm}}{\text{Hz}}}\times {\frac {60{\text{Hz}}}{6}}=600\,\,{\text{rpm}}}$

磁極の数は、相あたりのコイル グループの数に等しくなります。3 相モーターの相あたりのコイル グループの数を決定するには、コイルの数を数え、相の数 (3) で割ります。コイルはステータ コアの複数のスロットにまたがっている場合があり、数えるのが面倒です。3 相モーターの場合、合計 12 個のコイル グループを数えると、磁極は 4 つあります。12 極の 3 相マシンの場合、コイルは 36 個あります。ローターの磁極の数は、ステータの磁極の数に等しくなります。 ${\displaystyle p}$

電気モーターの主な構成要素は、固定子と回転子です。^[26]同期モーターと誘導モーターの固定子は構造が似ています。^[27]同期モーターの構造は、同期オルタネーターの構造に似ています。^{[28]固定子フレームにはラッパープレートが含まれています（}巻線回転子同期二重給電電気機械を除く）。円周リブとキーバーがラッパープレートに取り付けられています。機械の重量を支えるために、フレームマウントとフッティングが必要です。^[29]同期固定子巻線は3相巻線で構成されています。3相電源が供給され、回転子にはDC電源が供給されます。

DC励起モータには、励起電源に接続するためのブラシとスリップリングが必要です。^[30]界磁巻線はブラシレス励起器で励起できます。^[31]円筒形の円形ローター（非突極ローターとも呼ばれます）は、最大6極まで使用されます。

一部の機械や多数の極が必要な場合には突極型ロータが使用される。^{[32] [33]}

ほとんどの同期モーターの構造では、固定アーマチュアと回転界磁巻線が使用されています。このタイプの構造は、使用されるアーマチュアが回転タイプである DC モータータイプよりも優れています。

電気モーターは、ステーターとローターの磁場の相互作用により電力を生成します。同期モーターでは、ステーターは3相電流を運び、3相回転磁束（したがって回転磁界）を生成します。ローターは最終的に回転磁界にロックインし、それとともに回転します。ローター磁界が回転磁界にロックインすると、モーターは同期していると言われます。単相（または単相から派生した2相）ステーターも可能ですが、この場合、回転方向は定義されておらず、起動装置によって阻止されない限り、マシンはどちらの方向でも起動できます。^[34]

モーターが作動すると、モーターの速度は供給周波数のみに依存します。モーターの負荷が破壊負荷を超えて増加すると、モーターは同期を失い、ローターは回転磁界に追従しなくなります。

同期が崩れるとモーターはトルクを発生できないため、実際の同期モーターには、動作を安定させ始動を容易にするために、アモルティサー巻線と呼ばれる部分的または完全なかご型ダンパーが備わっています。

この巻線は同等の誘導電動機の巻線よりも小さく、長時間運転すると過熱する可能性があり、また回転子励磁巻線に大きな滑り周波数電圧が誘導されるため、同期電動機保護装置はこの状態を感知し、電源を遮断します（脱調保護）。^[34]

同期モータは、ある大きさを超えると、自己始動できなくなります。この特性はローターの慣性によるもので、ステーターの磁場の回転に瞬時に追従することができません。同期モータは停止時に固有の平均トルクを生成しないため、補助機構なしでは同期速度まで加速できません。^[3]

商用電源で動作する大型モーターには、加速に十分なトルクを提供し、モーターの速度振動を減衰させる役割も果たすかご型誘導巻線が含まれています。^[3]ローターが同期速度に近づくと、界磁巻線が励起され、モーターが同期状態になります。非常に大型のモーター システムには、負荷がかかる前に無負荷の同期機を加速する「ポニー」モーターが含まれている場合があります。^{[35] [36]}電子制御モーターは、固定子電流の周波数を変更することで、ゼロ速度から加速できます。^[37]

小型同期モーターは、通常、電源ライン周波数を使用してギア機構を正しい速度で作動させる、ライン電源の電気機械式時計やタイマーに使用されます。このような小型同期モーターは、ローターの慣性モーメントとその機械的負荷が十分に小さい場合、補助なしで始動できます。モーターは、リラクタンストルクの加速半サイクル中にスリップ速度から同期速度まで加速します。^{[3]電気壁掛け時計などの} 単相同期モーターは、くま取りポール型とは異なり、どちらの方向にも自由に回転できます。

コストは始動装置にとって重要なパラメータである。^[38]回転子励起は、この問題を解決する可能性のある方法である。^[39]さらに、大型同期機の始動方法には、始動時に回転子極の極性反転を繰り返すことが含まれる。^[40]

同期モータの励磁を変えることで、遅れ力率、進み力率、および力率1で動作させることができます。力率が1である励磁を通常励磁電圧と呼びます。^[41]この励磁での電流の大きさは最小です。^[41]通常励磁よりも高い励磁電圧は過励磁電圧と呼ばれ、通常励磁よりも低い励磁電圧は不足励磁と呼ばれます。^[41]モータが過剰励磁されると、逆起電力はモータ端子電圧よりも大きくなります。これにより、電機子反作用による消磁効果が発生します。^[42]

同期機のV曲線は、電機子電流を界磁電流の関数として示しています。界磁電流が増加すると、電機子電流は最初は減少し、次に最小値に達し、その後増加します。最小点は、力率が1になる点でもあります。^[43]

力率を選択的に制御するこの能力は、モーターが接続されている電力システムの力率補正に利用できます。ある程度の規模の電力システムのほとんどは正味の力率が遅れているため、過剰励磁された同期モーターが存在すると、システムの正味の力率が 1 に近づき、効率が向上します。このような力率補正は通常、機械的な作業を行うためにシステム内にすでに存在するモーターの副作用ですが、力率補正を行うためだけに、機械的な負荷なしでモーターを動作させることもできます。工場などの大規模な産業プラントでは、同期モーターと他の遅れ負荷との相互作用が、プラントの電気設計で明示的に考慮される場合があります。^{[引用が必要]}

${\displaystyle \mathbf {T} =\mathbf {T} _{\text{max}}\sin(\delta )}$

どこ、

${\displaystyle \mathbf {T} }$トルクは

${\displaystyle \delta}$トルク角度は

${\displaystyle \mathbf {T} _{\text{max}}}$最大トルク

ここ、

${\displaystyle \mathbf {T} _{\text{max}}={\frac {{\mathbf {3} }{\mathbf {V} }{\mathbf {E} }}{{\mathbf {X_{s}} }{\omega _{s}}}}}$

負荷がかかると、トルク角が増加します。= 90°のとき、トルクは最大になります。さらに負荷がかかると、モーターのトルクが負荷トルクよりも小さくなるため、モーターは同期を失います。^{[44] [45]}同期を失うことなくモーターに適用できる最大負荷トルクは、同期モーターの定常安定限界と呼ばれます。^[44]${\displaystyle \delta}$${\displaystyle \delta}$

同期モーターは、正確な速度や位置の制御を必要とするアプリケーションで特に役立ちます。

• 速度はモーターの動作範囲内での負荷とは無関係です。
• オープンループ制御（例：ステッピングモーター）を使用すると、速度と位置を正確に制御できます。
• 低電力アプリケーションには、高精度が要求される位置決めマシンやロボットアクチュエータなどがあります。
• ステータとローターの両方の巻線に DC 電流が印加されると、それらの位置が保持されます。
• 同期モーターで駆動されるクロックは、原理的には電源のライン周波数と同じくらい正確です。(数時間にわたって小さな周波数ドリフトが発生しますが、グリッド オペレータは後でライン周波数を積極的に調整して補正し、モーター駆動クロックの精度を維持します。ユーティリティ周波数 § 安定性を参照してください。)
• レコードプレーヤーターンテーブル
• 低速アプリケーション（ボールミルなど）での効率が向上します。

• 交流モータ § 多相同期モータ
• ステッピングモーター（同期型または非同期型）
• 同期ブラシレス巻線ロータ二重給電電動機

• クロックドライブ
• 二重給電式電動機
• 短絡比（同期発電機）

• ジョーダン、HE（2013）。エネルギー効率の高い電動モーターとその応用。Springer US。ISBN 978-1-4899-1465-1. 2023年9月1日閲覧。
• Finch, John W.; Giaouris, Damian (2008). 「制御された AC 電気ドライブ」(PDF) . IEEE Transactions on Industrial Electronics . 55 (2). 米国電気電子技術者協会 (IEEE): 481–491. doi :10.1109/tie.2007.911209. ISSN  0278-0046.
• Acarnley, PP; Watson, JF (2006). 「ブラシレス永久磁石機械の位置センサーレス動作のレビュー」(PDF) . IEEE Transactions on Industrial Electronics . 53 (2). Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE): 352–362. doi :10.1109/tie.2006.870868. ISSN  0278-0046.
• Buja, GS; Kazmierkowski, MP (2004). 「PWM インバータ給電式 AC モーターの直接トルク制御 - 調査」. IEEE Transactions on Industrial Electronics . 51 (4). 米国電気電子学会 (IEEE): 744–757. doi :10.1109/tie.2004.831717. ISSN  0278-0046.

ウィキメディア・コモンズには、同期モーターに関連するメディアがあります。

• 同期モーターのアニメーション