2 相モーターと 3 相モーター: トルク、配線、効率、コストの比較

2.2 kW のポンプ ドライブが見積に出されましたが、2 つの異なるマシンとして戻ってきました。あるサプライヤーは、部品表で 90 度直角位相巻線セット、整合アンプ、および 4 本の電力導体からなる 2 相パッケージを提案しています。もう 1 つは、既にパネル内に設置されている可変周波数ドライブに直接ボルトで固定する三相誘導モーターを提案しています。両方ともポンプを回転させます。マシンが量産に入ったときに、正しい決定と思われるのは 1 つだけです。

混乱の一部は名前です。 「二相」は、最初は 3 つの異なるものに使用されます。90 度離れた 2 つの巻線を備えた真の二相マシン、基準巻線と制御巻線を備えた二相サーボ モーターまたはステッピング モーター、そして実際には単相誘導モーターの補助巻線です。サプライヤーは 3 つすべてに同じラベルを使用しており、そこから費用のかかる仕様ミスが始まります。

二相モーターと三相モーターの実際の違い

違いは銘板ではなく、巻線にあります。三相ステータには、電気的に 120 度配置された 3 つの同一の巻線が搭載されています。バランスのとれた電流が供給されると、結果として生じる起磁力は一定の大きさを保持し、同期速度で回転します。そのため、負荷がかかっても三相トルクはスムーズに保たれます。真の二相ステータには 90 度ずらして配置された 2 つの巻線があり、両方が平衡電流で駆動されると、一定の回転磁界も生成されます。

したがって、二相が自動的に三相よりも粗くなるわけではありません。粗さは、直交電源がドリフトしてバランスが崩れると発生します。つまり、磁場が楕円形になり、エアギャップ磁束が脈動し、スリップ周波数の 2 倍でトルクがリップルします。コンデンサ ネットワークは 1 つの動作点でのみ 90 度の関係を保持します。そのため、負荷が変化すると 2 相モーターにはサーボ ドライブが必要になります。

ハードウェアにおけるフェーズ数の変化

• 三相 3 線: 3 本の線路導体がモーター負荷を支え、中性点が不要なため、ケーブル、端子、コンタクタが小型化されます。
• 二相 4 線: 4 つの導体と 4 つの端子。同じ電力に対して供給ケーブル内の銅の量は約 25% 増加します。
• 導体あたりの電力: 導体断面積と線間電圧が等しい場合、三相 3 線回路は二相 4 線回路の約 1.2 倍の電力を消費します。
• 始動: 三相モーターは直接オンライン電源で自己始動しますが、二相モーターは直交電源、コンデンサーネットワーク、または電子ドライブを必要とします。

どちらの設計も、積層されたステーターとローターコアという同じ基盤の上にあります。スロット数、スキュー、スタック長、および積層接合方法によって、テストベンチで測定されるトルクリップルが決まり、同じプレスツールがどちらの巻線配置にも使用されます。この重複があるため、初期の設計レビューでは通常、コア仕様がフェーズラベルよりも重要になります。

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二相モーターと三相モーター: 並べて比較

以下の比較では、平衡二相電源と三相電源をそれぞれ説明します。不平衡な 2 相動作では、右側の列のすべての数値が低下します。

隠れたメトリクス: フェーズ数に実際にコストがかかる箇所

ネームプレートの力によって、違いのほとんどが隠蔽されます。以下の 5 つの指数は、三相が 100 に等しい共通のスケールで、同じ定格出力の三相モーターの隣に平衡二相モーターを配置しています。これらは、絶対的な測定値ではなく、典型的な積層および巻線の実践からの相対的なベンチマークです。

ドライブの可用性は、二相が最も多くのグランドを失う部分です。標準的な可変周波数ドライブ、ソフトスターター、およびダイレクトオンラインコンタクターは三相出力を想定しており、二相軸には、定格速度付近でのみ 90 度の関係を維持する整合アンプまたはコンデンサネットワークが必要です。フレームのコンパクト化も同じロジックに従います。三相巻線は固定子の全周に銅を配置するため、巻線が飽和する前に特定のフレームがより多くのトルクを伝達します。

材料グレードは、相数と同じようにこれらの数値を動かします。コア損失、積層の厚さ、およびコーティングの品質によって、両方のトポロジの鉄損が変化します。多くの場合、損失の低い鋼材は、同じフレーム サイズで相変化よりも高い効率を回復します。このガイドでは、材料のトレードオフについて説明します。 珪素鋼コイルの選択 .

積み方は2番目のレバーです。インターロック、接着、溶接されたコアは積層係数と積層間ショートのリスクが異なり、これは余分な渦損失として現れ、敏感な軸では低速で測定可能なトルクリップルとして現れます。リップルが制限要因となる位置決め作業の場合、インターロックされたスタックにより、接着硬化時間を必要とせずに再現可能なビルド高さが得られます。

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各トポロジが引き続き指定される場所

現在、ラミネートプレスとフレーム溶接ラインを通過するものの概略は、次の図のようになります。市場調査ではなく、部品サプライヤーの注文構成として扱います。

2 段階の需要は、サーボ軸、ステッピング ドライブ、光学機器および医療機器、再配線されていない古い制御キャビネットなどの位置決めに集中しています。出力が数キロワットを超えることはほとんどなく、モーターは通常、機械メーカーではなくドライブベンダーによって選択されます。

三相は、連続運転または高出力で動作するあらゆるものに対応します。風力タービン発電機、船舶推進機、および高電圧産業用モーターはすべて三相巻線を使用しており、機械側も同様に相数には無関心です。これらの例のように、適切な冷却経路、取り付けインターフェース、および腐食保護を備えた溶接されたボックス型フレームがいずれの方法でも機械に機能します。 産業用溶接ボックス型モーターベース .

選択ガイド: コミットする前の 5 つのチェック

これらを順番に実行してください。通常、最初の 3 つは、価格が議論に入る前にフェーズ数を決定します。

メンテナンス、コンプライアンス、および長期供給に関する注意事項

フェーズ数によって電気設計は変わりますが、機械の稼働後のメンテナンスとコンプライアンスの義務は主に共有されます。

• 電圧の不均衡: 三相モーターは、逆相電流によってローターが加熱され、ディレーティングが強制されるまで、約 1 ～ 2% の不均衡を許容します。試運転中およびパネル変更後のログの不均衡。
• 絶縁と熱クラス: 特に巻線が熱限界に近づいているコンパクトな 2 相サーボ フレームで、絶縁クラスに対する温度上昇を検証します。
• PWM 下のシャフト電圧: 可変周波数ドライブからのコモンモード電流により、時間の経過とともにベアリングに溝ができる可能性があります。非駆動側の絶縁ベアリング エンド クロージャーは、2 相サーボ モーターと 3 相駆動モーターの両方に対する標準的な解決策です。
• 溶接構造: ISO 3834 などの溶接品質管理システムに基づいて製造されたフレームには、文書化されたプロセス管理が行われます。これは、溶接の完全性と腐食保護が監査される海洋および風力用途にとって重要です。
• 管理システム: ISO 9001 および IATF 16949 の適用範囲により、調達チームは、受け入れられる材料、プロセス パラメーター、および最終検査が文書化されたルートに従っていることがわかります。証明書だけでなく、証明書のスコープも尋ねます。

プロジェクトがどのフェーズカウントに落ち着いても、機械的および磁気的なサプライチェーンはほとんど変わりません。シリコン鋼、積層、積層コア、溶接フレーム、エンド クロージャは、同じプロセス規律で 2 相軸と 3 相ドライブ トレインに機能します。設計レビュー中にこれらの仕様を決定することは、プロトタイプの組み立て中に仕様を発見するよりも常に安価です。