三相誘導電動機が自己始動する理由

工場や作業場にある大きな機械が、何で動いているのか考えたことがあるだろうか。その多くは特殊なモーターを使っている。このモーターは三相誘導モーターと呼ばれている。このモーターで最もクールな点は、自分で始動できることだ。パワーを与えれば、回り始める。これはとても重要なことで、このモーターがよく使われる理由でもある。

この記事では、この自己始動マジックの背後にあるシンプルな理由を見つけることができる。三相電源がどのようにして特別な力を生み出すのか、順を追って説明します。この力によって、外部からの助けを借りずにモーターを回転させることができるのです。エンジニアでなくても理解できます。簡単な言葉と簡単な例を使って、この強力な誘導モーターの仕組みを説明します。

では、三相誘導モーターとは何か？

三相誘導電動機は電動機の一種です。世の中の大きな仕事のメインエンジンと考えてよい。強力で、シンプルで、頼りになる。モータの名前が多くを物語っている。「三相」とは、特殊な電気を使うことを意味する。この電力は3つの別々の電流の流れを持っています。「誘導」とは、磁石の力を利用して、ワイヤーに触れることなく可動部を回転させることを意味する。

このモーターには2つの主要部品がある。最初の部品は ステーター.ステーターはモーターの外側の部分で、動かない。動かない。第2の部分は ローター.ローターは、モーターの内側にある、回転することができる部分である。インダクション・モーターの魔法は、これら2つの部品が互いにどのように作用するかによって起こる。電気と磁石を使って強い動きを作り出し、重いものを回転させるのだ。

なぜ "セルフ・スタート "が重要なのか？

三相誘導モーターの自己始動能力は、その最もよく知られたトリックである。しかし、なぜそれがそれほど重要なのか？巨大な扇風機を始動させるたびに押さなければならないことを考えてみよう。あるいは、重い水ポンプを動かすために手で回さなければならないことを考えてみよう。それはとても大変だし、あまり役に立たないだろう。自動始動モーターはこの問題を解決してくれる。

モーターが自己始動式であるということは、電力を与えるだけでよいということだ。するとモーターは回転を始め、自ら回転力を生み出す。外部から押される必要はない。また、モーターを動かすために外部から派手なスターターツールを使う必要もない。この自己始動機能により、インダクション・モーターは非常に使いやすくなっている。スイッチを入れるだけで動き出す。この手軽さが、このタイプのモーターが多くの機械に使われている大きな理由です。

誘導電動機における固定子とその役割とは？

ステーターは誘導電動機の強さの基盤である。モーターの大きくて丸くて重い外殻である。モーターの電源が入っているときは完全に静止している。ステーターの内側には、ワイヤーのコイルを保持する小さな溝があります。私たちはこれをステーター巻線と呼んでいます。巻線は3種類あります。3相電源の各相に1セットずつあります。

モーターに3相電源を接続すると、電流がこのステーター巻線を通ります。ステーターの仕事は、この電気を強力な磁石のような磁場に変えることだ。しかし、ただの磁界ではありません。三相電力のため、ステーターは非常に特殊な磁界を発生させることができる。この磁場は回転磁場である。この磁場こそが、モーターに始動と回転の力を与える秘密なのです。ステーターは、ローターに触れることなく "プッシュ "する部分なのです。

三相電源はどのようにして回転磁界を作るのか？

ここからが本当の面白さの始まりだ。三相電源は、ただ1つの電気の流れではない。3つの別々の電流の流れ（相）である。この3つの電流の流れは、ちょうど良いタイミングなのだ。強くなったり弱くなったりを繰り返す。これが滑らかなパターンで繰り返される。それは、3人の友達がメリーゴーランドを押すようなものだ。最初の友人が押す。次に2番目の友達が押す。そして3人目の友人が押し、また始まる。彼らの押し方はちょうどいい具合に広がっている。そうすることで、メリーゴーランドは常にスムーズに回転する。

ステーター巻線は円形に配置されている。各巻線は3相のうちの1相に接続される。

いつ フェーズ1 磁場は一方向に発生する。
もう少し後だ、 フェーズ2 最も大きな力を持っている。新しい方向にフィールドを作る。
その少し後だ、 フェーズ3 が最も力を持っている。別の新しい方向にフィールドを作る。

これらのパワーピークが適切な順序で起こるため、総磁場はただ現れては消えるということはない。その代わり、ステーター内部を一定の速度で回転しているように見える。これが 回転磁場.ステーターは3相電源を使ってこの回転する力場を作り出し、ステーターの部品は動く必要がない。この力場の速度には、同期速度という特別な名前がついている。

フェーズ	パワーレベル	磁場の方向
1	高い	上へ
2	上へ行く	右と上
3	低い	右

(これはフィールドの動きを示す簡単なチャートである）

インダクション・モーターにおけるローターの役割とは？

では、2つ目の主要部品であるローターについて説明しよう。ローターはインダクション・モーターの中で本当に回転し、仕事をこなす部分である。最も一般的なローターは「リス・ケージ」ローターと呼ばれる。ペットのハムスター用のケージに少し似ている。両側に固い棒があり、両端をリングでつないでいる。この棒はアルミニウムか銅でできていることが多い。

誘導モーターのローターについて知っておくべき最も重要なことは、外部電源に接続されていないということだ。ローターにはワイヤーが通っていない。ローターはステーターの内側にあり、自由に回転できる。その仕事は、ステーターが作る磁場に反応することだ。ローターは、回転磁界に「騙されて」回転する部分である。ローターには擦れたり、直接ワイヤー接続を必要とする部品がなく、シンプルな設計になっているため、誘導モーターは非常に強く、長持ちするのです。

回転する磁場はどのようにしてローターを動かすのか？

ステーターとローターが互いにどのように働くかを説明しよう。ステーターは強力な回転磁界を発生させる。この磁場はモーター内部で回転し、ローターを通過する。磁界がローターの金属棒を移動すると、「電磁誘導」と呼ばれる科学の法則が働き始める。移動する磁界は電圧を発生させる。この電圧によって、ローターの棒の内側に強い電流が流れる。

さて、ローターには独自の電流が流れている。電流がワイヤーや棒に流れると、それ自体が磁場を作る。つまり、2つの磁場があることになる。ひとつはステーターからの大きく回転する磁界。もうひとつは、新しい電流によって作られるローターの周りの新しい磁場です。そして、この2つの磁場が互いに働きかけます。ステーターの磁場がローターの磁場を押したり引いたりする。この押し引きがローターを回転させるのです。

トルクとは何か、インダクションモーターの始動に役立つのか？

トルクとは回す力、捻る力のことである。工具を使ってネジを締めるとき、トルクを使っていることになる。誘導モーターでは、固定子の磁界と回転子の磁界が連動して、回転子に強い回転力、つまりトルクを発生させます。ステーターからの回転磁界は常に動いています。ローターも一緒に引っ張られる。これは、ロバを歩かせるために棒の上にニンジンを持っているようなものです。

このトルクが誘導モーターに自己始動能力を与えている。三相電源を入れた瞬間、回転磁界が現れる。この磁界はすぐにローターに電流を作ります。この電流が第2の磁界を作り、2つの磁界が一緒に働くことでトルクが発生する。このトルクは、ローターが静止したがっているにもかかわらず、ローターを動かすのに十分なほど強い。発生したトルクによって、ローターは回転し始める。ステーターから回転する界磁に追いつこうとするのだ。これがモーターが自己始動する理由である。

なぜ単相誘導モーターは自分で始動できないのか？

三相誘導モーターがなぜ自己始動するのかは、そうでないモーターを見ると理解しやすい。これが単相誘導モーターです。扇風機や冷蔵庫など、身の回りのものにこのモーターがあります。単相電源は、前後に動く電流の流れが1つしかありません。

モーターの固定子に単相電力を供給しても、回転磁界は発生しない。その代わり、一カ所だけ強くなったり弱くなったりする磁場が発生する。回転はしない。この不安定な磁場は、ローターを押す方向を決めることができない。そのため、ローターはただじっとしていて、ハミングのような音を立てる。始動トルクもない。単相誘導モーターを始動させるには、コンデンサーのような余分な部品が必要だ。この部品は、少しずれた第2の磁界を作るのに役立つ。これにより、ローターが一方向に回転し始めるのに必要な最初の一押しが与えられる。

セルフ・スタートが可能ということは、助けは必要ないということか？

三相誘導モーターが自己始動能力を持つというのは、始動するのに外部から押したり引いたりする必要がないという意味です。手で回す必要はありません。また、始動動作のためだけに余分な電気部品も必要ありません。このモーターが自己始動式なのは、そのシンプルな設計が、3相電源で使用された場合、それだけで始動力を生み出すからです。

モーターに必要なのは適切な電力だけだ。三相電源がその秘密だ。誘導モーターは、動き出すために他の外部ツールを必要としない。三相電流が正しい順序で供給されることで、ステーターに回転磁界が発生する。この磁界が、ローターが回転を始めるために必要な「助け」となる。システム全体がすぐに機能するのだ。

この自己始動式モーターはなぜタフで信頼できるのか？

三相誘導モーターは、自己始動設計も非常にシンプルでタフであるため、大仕事に最適です。ローターには、電力を必要とする特別なワイヤーがない。また、時間の経過とともに摩耗するブラシもない。主な部品は、動かないステーターと、シンプルで頑丈なローターである。壊れる部品はほとんどない。

このシンプルな設計と強力な自己始動能力により、三相誘導モーターはハードな作業に最適です。重いものを動かさなければならないときでも始動できます。ほとんど常に同じ速度で作動します。そして何年も働き、手入れもあまり必要ない。電気につなぐだけで毎回始動できるパワーが、この素晴らしい誘導モーターを世界で最も使われているモーターにしたのです。