3相誘導電動機の究極ガイド：構造と動作原理

三相誘導モーターは、今日の世界で多くの力仕事をこなしています。この強力な誘導モーターは、さまざまな場所で見かけることができる。とても大きな工場の機械にも入っている。また、水を供給するポンプにも使われています。この記事は、誘導モーターを理解するための簡単なガイドです。3相誘導モーターがどのように作られ、どのように機能するのか、簡単な手順で説明します。読み終わる頃には、この偉大な電気モーターがどのように機能するのかがわかるでしょう。また、なぜこれほどまでに使用されているのかもわかるでしょう。

何が3相誘導モーターを動かすのか？

3相誘導モーターはACモーターの一種である。このモーターでは、電磁誘導を利用してローター部分に電力を供給する。これは変圧器が使用するのと同じ主な考え方である。そのため、人々はこの誘導モーターを "回転変圧器 "と呼ぶことがある。重要なことは、動く部分、つまりローターに直接つながるワイヤがないということだ。

このタイプのモーターが有名なのは、シンプルで丈夫に作られているからだ。他のモーターにはあるブラシと呼ばれる部品がない。このため、手入れや修理の必要があまりありません。また、これらの誘導モーターは自動で始動します。単相誘導モーターと比較すると、これは大きなプラスです。3相誘導モータは、非常にシンプルで頼りになるため、工場で見かける最も一般的なタイプの交流モータです。この相誘導モーターの主な仕事は、三相の電気を運動に変えることです。

誘導モーター内部の2つの大きな部品とは？

すべての相誘導モーターには2つの主要部品がある。これらの部品を理解すれば、モータ全体がどのように動作するかを理解することができます。誘導モータは2つの重要な部分から構成されています：

1. ステーター：モーターの中で静止している部分。全く動かない。三相交流電源に接続すると磁界が発生します。ステーターは、ワイヤーのコイルを保持する鉄のフレームです。このコイル群を巻線と呼ぶ。
2. ローター：モーターの回転部分。ステーターの内側にある。ローターには独自の金属棒またはワイヤーがある。ステーターの磁場がローターのバーを通過すると、その内部に電流が流れる。この電流が独自の磁場を作る。これがローターを押し、回転させる。これが誘導モーターの背後にある魔法なのです。

ステーターとローターの間には非常に小さな空間がある。この空間がエアギャップである。エアギャップは、モーターがよりよく動作するように、できるだけ小さく作られています。これら2つの主要な部品がどのように組み合わされるかによって、すべての誘導モーターがシャフトを回転させ、仕事を成し遂げることができるのです。

三相誘導電動機の固定子はどのように組み立てられているか？

三相誘導電動機のステーターは、かなり入念に作られている。中空のチューブのような形をしており、高品質の薄い鋼板でできている。これらの薄い鋼板は、重ねてプレスされている。薄い鋼板を使うことで、無駄になるエネルギーの量を減らすことができる。ステーターの内側にはスロットと呼ばれる切れ目がある。ステーター巻線はこのスロットに入れられる。巻線は、電気が漏れないように特殊なコーティングが施された銅線でできている。

この巻線は、1つの大きなループ状のワイヤーではない。実際には3つの異なる巻線である。各巻線は三相交流電源の1相分です。巻線は特定のパターンでスロットに挿入されます。互いに120度離れている。この三相巻線に三相交流電源を接続すると、特殊な磁界が発生する。この磁場が、すべての誘導モーターが機能するための鍵となる。ステーターは決まった極数で巻かれている。極数はモーターの回転数を設定するのに役立ちます。モーターはこの非常に重要な部分で構成されています。

リスケージ型ローターとは何か？

よく見かけるローターは、リス・ケージ型ローターだ。その形からこの名前がついた。小動物の走る車輪のような形をしている。この ローターは積み重ねられたコアから作られている。薄い鋼板。外面にスロットがある。このローターにはワイヤー巻線がない。その代わり、銅またはアルミニウムの太い棒を使用する。これらの棒はローターのスロットに入れられる。

すべてのバーは両端で結合されている。それらはエンドリングと呼ばれる太い金属リングで接続されている。これが完全な電気経路を作る。銅のバーとエンドリングがケージのように見えるので、リス・ケージと呼ばれるようになりました。この設計は非常にタフで複雑ではない。壊れたり摩耗したりするブラシやスリップリング部品がありません。リスケージ誘導モータは、非常に頑丈な構造をしています。そのため、信頼できる機械となり、製造コストも高くありません。これが、10台中9台以上の誘導モータがこの種のロータを使用している理由です。三相誘導モータのロータは、ほとんどの場合このリスケージ型である。

ローターには種類がある？巻線ローターについて話そう

そう、ローターにはもう一つ種類がある。巻きローターとかスリップリングモーターと呼ばれるものだ。このタイプのローターは、リスケージ式とは異なります。巻線ローターには、ステーターの巻線と同じように、完全な3相巻線があります。ソリッドバーは使用しません。巻線は被覆銅線でできており、ローターのスロットに配置される。これが、巻線ローターと呼ばれる理由です。

このローター巻線の両端は、リスケージのように互いに接続されていない。その代わり、シャフト上にある3つの特別な金属製リングに配線されています。これらはスリップリングと呼ばれる。ブラシと呼ばれる小さなカーボンブロックが、このスリップリングに押し付けられます。これにより、ロータ回路に抵抗器のような外部部品を接続することができます。抵抗を追加することで、モータがどのように動作す るかをより制御できるようになります。たとえば、リス トケージモータよりも強力な始動トルクが得られます。スリップリング誘導モータは、始動に大きなパワーを必要とする作業に使用されます。この巻線モータは、製造が難しく、コストも高くなります。

電磁誘導の主な考え方は、これらの誘導モーターをどのように動かしているのか？

すべての誘導モーターの動作原理は、電磁誘導と呼ばれる科学の法則に由来する。この法則によると、磁界の中をワイヤー（導体）を動かすと、ワイヤーに電圧（起電力）が発生する、つまり誘導される。磁場が動いていても、ワイヤーが止まっていても同じことが起こる。重要なのは、一方が他方と比べて動いていることである。これを相対運動という。

3相誘導モーターでは、固定子巻線が磁界を作って回転する。この回転磁界は、ローターの金属バーを通過して移動する。ローター・バーはすべてつながっており、電気が一巡する。誘導起電力によって電流が流れる。この電流はローター・バーに流れる。これで、電流が流れた導体（ローター）が（ステーターからの）磁場の中にあることになる。これにより、ローターには回転力（トルク）が発生する。このトルクがローターを回転させる力となる。ステーターからの電磁誘導を利用するだけで、ステーターからローターへ電力が供給される。

回転磁場とは何か？

回転磁界は、三相誘導モーターをうまく機能させる秘密である。優れた三相電源を固定子巻線に接続すると、クールなことが起こる。3つの巻線はそれぞれ独自の磁場を作ります。この磁場は、交流電力が変化するにつれて強くなったり弱くなったりする。しかし、巻線は互いに120度の間隔で配置されているため、それぞれの磁界が加算されて1つの大きな磁界を作る。

この新しい複合磁場は、一箇所に留まることはない。ステーターの周りを一定の速度で回転する。この速度を同期速度と呼びます。同期速度は、交流電源のサイクル速度（周波数）とステーターの極数の2つによって決まります。この回転磁界がローターの導体を通り過ぎ、すべてを始動させる。この磁界がなければ、相誘導モーターは自力で始動することはできない。ステーターの磁界は回転しなければならない。

インダクションモーターの「スリップ」とは？

誘導モーターのローターは、ステーターの回転磁界よりも常に少し遅く回転します。界磁の同期速度とローターの実際の回転速度の差がスリップと呼ばれるものです。通常、スリップはパーセンテージで表されます。もしローターが磁場と全く同じ速度（同期速度）で回転すれば、磁場はローターを通り過ぎることはありません。

両者の間に動きがなければ、磁界はローターの導体を切り裂くことはない。つまり、起電力は発生せず、ローターに電流は流れない。電流がなければトルクもない。トルクがなければ、ローターは減速してしまう。つまり、モーターが動くためには、ローターは磁界よりも遅く回転しなければならない。これがトルクを発生させる唯一の方法である。誘導モーターが非同期モーター（同期していないという意味）と呼ばれることがあるのもこのためです。スリップの量は、モーターに負荷をかけると大きくなります。通常の誘導モーターは、最も頑張ったときに3%から5%のスリップを起こすことがあります。

三相誘導電動機の正しい接続方法とは？

ほとんどの3相誘導モーターには、6つの接続点があるボックスがある。これらのポイントは、ステータ内の3つの巻線の端です。接続には主に2つの方法がある：スター型（ワイ型とも呼ばれる）とデルタ型です。どのように接続するかによって、モーターの動作が変わります。

• スター結線（Y）：この接続では、3つの巻線の一端を1点で接続します。次に、3相電源を他の3つの端に接続します。モータの始動にこの接続を使用することが多い。各巻線の電圧を下げます。これにより、始動電流が低くなり、建物の電力系統にとってより良いものとなります。しかし、始動トルクも小さくなります。
• デルタ接続（Δ）：この接続では、巻線を端と端で接続します。これにより三角形の形になります。そして、巻線が接する3点に3相電力を接続します。デルタ接続では、すべての巻線が電力線から全電圧を得ます。これにより、始動トルクが大きくなりますが、始動電流も大きくなります。多くの大型誘導モータは、特別な "スターデルタスタータ "を使用します。このスタータはスター結線で始動し、モータが速度に乗った後にデルタ結線に切り替わります。

デメリットはあるか？3相誘導モーターの欠点.

三相誘導モーターは素晴らしい機械ですが、完璧ではありません。知っておくべき弱点もいくつかあります。ここでは、3相誘導の主な欠点を紹介する。

• 軽負荷時の力率の悪さ: 誘導モーターの力率は、あまり仕事をせずに運転しているときにはあまり良くありません。力率が低いと電力会社にとって不都合である。
• 速度制御が難しい：通常のリスケージ誘導モーターの速度を変えるのは簡単ではない。その速度は、電力の周波数と非常に密接な関係があります。三相誘導の優れた速度制御には、特殊で高価なギア（可変周波数ドライブのような）が必要です。
• 低い始動力（リスケージ型の場合）：他の種類のモータ（DCモータやスリップリングモータなど）と比較すると、通常のリスケージ誘導モータは始動トルクがあまり強くありません。つまり、非常に重い負荷で始動しなければならない仕事には適していません。
• 高い始動電流：相誘導モーターが最初に始動するとき、大量の電気を引き込みます。これは通常の運転電流の5倍から7倍になることが多い。このため、送電線の電圧が低下し、照明が一瞬暗くなることがあります。

このような問題があったとしても、信頼性が高く、コストがかからないというインダクションモーターの長所により、多くの仕事でインダクションモーターが最良の選択肢となっている。

覚えておくべきこと

• 誘導モーターは電磁誘導の考え方を利用している。回転するローターに直接接続するワイヤーはない。
• 2つの主要部品は、静止するステーターと回転するローターである。
• ステーターは、三相電力に接続されると回転磁界を作る。
• ローターの最も一般的な種類は、リス・ケージ式ローターである。シンプルで強度が高く、コストもそれほどかからないため、非常に多く使われている。
• 巻線ローターはスリップリングモーターとも呼ばれ、始動トルクが非常に強く、制御性も高い。しかし、より複雑でコストもかかります。
• スリップとは、ステーターの界磁とローターの速度差のことです。トルクを発生させるにはスリップが必要です。
• 誘導モーターはスター型（Y型）またはデルタ型（Δ型）で接続できます。これにより始動電流とトルクが変わります。