誘導モーターと同期モーター: エンジニア向けに主な違いを説明

動作原理: スリップは境界線です

どちらのタイプのモーターも、ステーター内に回転磁界を生成する AC 機械です。違いは、ローターがその場にどのように反応するかにあります。

誘導電動機では、固定子の磁界によって回転子の導体に電流が誘導されます。誘導電流を維持するには、ローターは磁場よりもわずかに遅く動作する必要があります。この速度差をスリップといいます。一般的な全負荷スリップは 1% ～ 5% です。これが、ポンプまたはファンを駆動する誘導モーターの速度が負荷に応じてわずかに変化する理由です。

同期モーターでは、ローターは永久磁化されるか、電磁的に励起されるか、あるいはリラクタンス極が組み込まれます。ローターが回転フィールドと同じ速度に達すると、ローターはロックされ、正確に同期した速度で回転します。 Ns = 120f/p , where f is supply frequency and p is the number of poles.モーターの引き抜きトルク制限内では、負荷に関係なくスリップはゼロです。

構築と起動動作

ステーターは両方のマシンで似ています。スロット付き積層板、銅またはアルミニウムの巻線、およびファン、水、または空対水熱交換器による冷却用に設計されたフレームです。ローターは設計が分岐する部分です。

誘導回転子は、エンドリングによって短絡されたバーが埋め込まれた電磁鋼板の積層体、またはスリップ リングを介して外部抵抗器に接続された巻線回転子です。磁石や別個の励起源はありません。この構造により、ステータ界磁が回転するとすぐに誘導ロータ電流によってトルクが発生するため、モータは重負荷に対して自然に始動することができます。

同期ロータは、励磁機によって界磁巻線が供給される円筒形のロータ、積層突極ロータ、または永久磁石ロータです。通常、スムースローター巻線界磁同期機は、単独で停止状態から始動することはできません。 the rotating stator field at 50 Hz or 60 Hz is too fast for the rotor to follow.実際の設計では、ライン始動用にダンパー巻線を追加するか、ローターをほぼゼロの速度から加速するために可変周波数ドライブが必要です。

この開始時の違いは、制御キャビネットと機械ドライブラインに直接的な影響を及ぼします。多くの場合、誘導モーターはスターターまたはソフトスターターのみを使用してラインに直接接続できます。 A line-started synchronous motor needs excitation control and a damper bar circuit; VFD から供給される同期モーターには、永久磁石マシンの位置フィードバックが必要です。したがって、エンジニアはモーターの銘板だけでなく、駆動システム全体の価格を決定します。

直接のパフォーマンス比較

隠れたパフォーマンス指標と効率

最初の比較表は見出しの違いを示していますが、多くの場合、スリップ損失、プルアウト トルク、ローターの温度感度、無効電力の消費、ステーターとローター コアの品質など、データシートにはない数値によって選択が決まります。

最新の同期モーターは、全負荷時に、同じフレームの誘導モーターに比べて効率が約 2 ～ 3 ポイント向上します。誘導回転子の損失は滑りによって低下するため、部分負荷ではギャップが広がりますが、励磁電流は一定のままです。以下の単純な棒グラフは、中型産業用ドライブの代表的な全負荷効率の比較を示しています。

効率だけでは必ずしも価格プレミアムが正当化されるわけではありません。同期モータは、年間運転時間が長く、負荷が安定しており、プラントが先行無効電力を使用して力率ペナルティを軽減できる場合には、より良い投資となります。負荷の変動が大きいアプリケーションでは、より単純な誘導モーターの方が、初期コストが低くなり、保守が容易になり、ほぼ同じ年間エネルギーコストを生み出す可能性があります。

それほど明らかではない制限もあります。 A permanent-magnet synchronous rotor can demagnetize if the motor is forced to run above its rated temperature for long periods.巻線界磁同期ロータには励磁制御が必要であり、突然の短絡により非常に高い機械的ストレスが発生する可能性があります。誘導ローターには永久磁石もスリップリング励磁もないため、過負荷をより適切に処理できますが、高トルクの始動を繰り返すとローターバーが破損する可能性があります。

鉄損も隠れた変数です。どちらのモータータイプも、低損失の電磁鋼板とエアギャップの厳密な制御に依存しています。これがモーターメーカーが評価する理由です レーザーTIG溶接積層コアアセンブリ プロトタイプの検証中: 積層方法、積層の厚さ、バリの高さは、渦電流損失とノイズに直接影響します。詳細については、こちらをご覧ください。 電気モーターにおけるステーターとローターの役割 or inspect モーターコアの製造能力 サプライヤーを承認する前に。

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業界アプリケーションの配布

一般的な製造業では、ポンプ、ファン、コンベア、工作機械には絶対速度ロックが必要ないため、依然として誘導モーターが設置ベースの大半を占めています。同期機は、速度精度、高トルク、または力率補正が重要な場合に使用されます。

The distribution shifts when the application is above several megawatts.大型コンプレッサートレイン、ボールミル、一部の船舶推進システムでは、10 年間にわたる効率の向上が初期価格の差を小さくしてしまうため、同期モーターが使用されています。

選定とトータルコストガイド

Use a short decision path rather than a general rule. The right motor fits the load profile, the electrical system, and the maintenance team.

When the motor is part of a manufactured product, the core supplier decision matters as much as the motor type.うまく設計された AC モーターのステーターとローター コアのアセンブリ 特に VFD と組み合わせるモーターの場合、鉄損が減少し、トルクの一貫性が向上します。

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メンテナンス、コンプライアンス、およびコア品質

Maintenance strategies differ because the failure modes are different.誘導モーターの故障のほとんどは、ベアリング、巻線絶縁、またはローター バーです。 A synchronous motor adds excitation failures, brush wear in older designs, and magnet-related issues in permanent-magnet rotors.ブラシ付き同期モーターの場合は、スリップリングとブラシの定期的な検査をスケジュールしてください。 PM マシンの場合は、磁石の欠けや減磁を避けるため、厳密なローター取り扱い手順に従ってください。

コンプライアンスの観点から、産業用購入者は通常、VFD を使用する場合の IEC 60034 または NEMA MG1 のパフォーマンス、IE3/IE4 効率クラス、および高調波制限を検証します。モーターの再構築業者や OEM 製造業者も、ステーターとローターの積層スタックの一貫した材料証明書、寸法検査、トレーサビリティを必要としています。

コアの品質は表面的なものではありません。積層の厚さ、バリの高さ、アニーリングの品質、および接合方法はすべて、コア損失、ビルドファクター、および振動に影響を与えます。そのため、多くのモーターエンジニアは次のように指定しています。 高級無方向性珪素鋼 プロトタイプの構築と生産の実行に。制御された電磁鋼グレード、レーザーまたは溶接コアの製造、およびサンプル検証を備えたサプライヤーは、プロトタイプと連続生産の両方の段階で開発サイクルを短縮できます。

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最終チェックのために、関連する規格に従って測定された効率が記載されたモーター データシート、力率と滑りの試験証明書、およびコア サプライヤーの検査報告書の 3 つの文書を用意しておきます。これらの文書は、信頼性の高いドライブ システムと、紙の上では優れているように見えても生産現場でのパフォーマンスが不十分なドライブ システムを区別します。

誘導モーターと同期モーターの決定は、どちらの技術が新しいかということではありません。それは、プロセスに必要なもの、つまり滑り耐性、正確な速度、力率、始動トルク、長期的なエネルギーコストに関するものです。最終購入する前に、モーターを負荷に合わせてシステムのコストを確認し、磁気コアの品質を確認してください。