巻線ローター誘導モーター：高トルクと可変速度の秘密

私は非常に長い間、電気モーターを扱ってきた。大きなモーター、小さなモーター、そして非常に特殊な仕事をするモーターを見てきた。私が見てきた中で最も興味深いモーターのひとつは、巻線ローター誘導モーターです。これは非常に働き者だ。どうして大きなクレーンがあんなにスムーズに重いものを持ち上げることができるのか、と自問したことがあるとしたら、それはこの特別なモーターができることを見ているのかもしれない。

この記事は、この強力なタイプのモーターについて学びたいあなたのためのものです。巻線ローターモーターとは何か、どのように機能するのかを見ていきます。また、一般的なリス・ケージ・モーターと大きく異なる理由も見ていきます。簡単な言葉で説明します。読み終えると、なぜこのモーターが最も困難な作業に適しているのかがよくわかるでしょう。

ワインド・ローター・モーターとは？

簡単な事実から始めよう。巻線ローター・モーターは特殊なタイプの誘導モーターです。スリップリングモーターと呼ばれることもあります。他の電気モーターと同じように、磁石と電気を使ってものを動かします。モーターの主な仕事は、電力を動く力に変えることです。このモーターはこの仕事を非常にうまくこなしてくれる。

巻線ローター」という名前が、その最も重要なことを物語っている。ローターとは、モーターが回転する部分である。このモーターでは、ローターには巻線が巻かれている。これらのワイヤーは巻線と呼ばれる。これらは単なる金属の棒ではない。絶縁巻線である。ステーターと呼ばれるモーターの動かない部分の巻線とよく似ている。

ローターに巻かれたこの特別な巻線が、パワーの鍵なのだ。これは誘導モーターの一種で、ローターの巻線がモーター外部のものとリンクしている。このリンクによって、モーターが作動している間に、モーターの働き方を変えることができるのです。この外部制御が、巻線ローター誘導モーターをユニークで強力な機械にしているのです。この単純な部品ひとつが、いかに大きな違いを生み出すかを見ていきましょう。

誘導モーターとリスケージ・モーターとの違いは？

モーターと言えば、多くの人は通常のリスケージ誘導モーターを思い浮かべるだろう。これは世界で最も使われているタイプのACモーターだ。シンプルでコストもかからず、頼りになる。リスケージ」という名前は、そのローターに由来する。ローターは小動物の檻のように見える。両端が接合された一組の金属棒でできている。

巻線ローター誘導モーターは同じではない。単純なリス・ケージ式ローターではない。その代わり、ローターはより細かく、巻線がある。リス・ケージ・モーターと比較した場合、これは非常に重要な違いです。単純なリス・ケージ・モーターは、「セット・イット・アンド・フェザー・イット」タイプの機械です。電源を入れると、その速度と回転力はほとんど決まっています。1つの速度で1つのタスクをうまくこなします。

一方、巻線ローター・モーターは変化することができる。ローター巻線に接続することができる。つまり、モーターの性能をいつでも変えることができるのです。このため、モーターはより細かくなり、コストも高くなります。しかし、仕事によっては、変更できることがちょうど必要なのです。リスケージ・モーターは、ギアが1つしかない車のようなものです。巻線ローター・モーターは、すべてのギアを変えられる車のようなものです。

巻線ロータ誘導モータにおけるスリップリングの役割とは？

では、回転するローターとの接続はどうすればいいのか？そこで使われるのがスリップリングとブラシだ。1分間に1,000回も回転しているものにワイヤーを接続しようとすることを考えてみよう。絡まって大変なことになる！スリップリングは、この問題に対するスマートな答えで す。スリップリングは金属製のリングです。スリップリングは金属製のリングで、モータの回転ロッドの上にあり ますが、リングとロッドの間を電気が通ることはありません。

ローター巻線はこのスリップリングに接続されている。ローターが回転すると、リングも一緒に回転する。ブラシと呼ばれる動かないカーボ ンブロックの一部がリングに接触する。電気は回転するローター巻線からスリップリングを通り、ブラシに移動する。そして、外側にあるコントロールボックスに送られる。これでローター回路に部品を追加できる。

これが、巻線ローター誘導モーターの仕組みの鍵である。ブラシとスリップリングがなければ、ロータに接続することはできません。ローター回路の抵抗を変える方法がないのです。この部分は単純に聞こえますが、このタイプのモーターを特別なものにしています。これによって、パワーを自在にコントロールできるのだ。このモーターはスマートな設計の好例である。

巻線ローター・モーターの回転数を制御するには？

このモーターの最大の特徴は、スピードをコントロールできることだ。速度制御は、先ほど説明したスリップリングに接続されている。外側の抵抗器をブラシを通してローター回路に接続することができます。これにより、モータの動作を変えることができます。抵抗器とは、電気を流れにくくする部品です。

ローター回路に抵抗を加えると、モーターの動き方が変わる。ローターの抵抗を増やすと、モーターの回転が遅くなる。抵抗を増やせば増やすほど、モーターの回転は遅くなる。これによって速度をコントロールする方法が得られる。この抵抗は、モーターの回転数をスムーズに変化させるのに役立ちます。これは、非常に慎重な動きを必要とする仕事に最適です。

ローターの抵抗を変えることは、モーターの速度とトルクを管理する簡単で良い方法です。モーターは最速の速度だけでなく、一定の速度で動作させることができます。速度を変える必要がある仕事には最適です。巻線ローターモーターの速度を管理できるという事実が、工場での大きな仕事に役立っています。このモーターは本当に働き者です。

なぜこのモーターは始動トルクが高いのか？

トルクとは、何かを回転させるねじれの力である。モーターを始動するとき、物事を動かすには大きな始動トルクが必要です。重い負荷がかかっている場合は特にそうです。通常のリスケージ誘導モーターは、始動トルクを稼ぐために電気系統から非常に大きな電力を引き出します。これは、運転時に使用する電力の6倍から8倍にもなります！

巻線ローター誘導モーターは、非常に賢い方法でこの問題を解決している。高い始動トルクを得るために、ローター回路に多くの抵抗を加えます。そのために外側の抵抗を使います。これには2つの素晴らしい効果がある。まず、モーターが必要とする始動電流を大幅に下げることができます。これは電気系統にとってはるかに良いことです。始動電流の量は、リスケージ・モーターよりもはるかに少なくなります。電流が下がるのは大きな助けになる。

第二に、この追加されたローター抵抗は、モーターを最も始動力が得られるように変化させる。モーター内の磁界間の接続が良くなるため、トルクが高くなる。そのため、パワーを大きく引っ張ることなく、大きな始動力を得ることができる。モーターが速く動くようになったら、ゆっくりと抵抗を取り除いていきます。これによって、モーターは最高速度でよく動くようになる。これにより、強力な始動と良好な走行という両方の長所を得ることができるのです。

特殊ローターモーターはどこで使われているのか？

巻線ローター・モーターは一般家庭では見かけません。これは大きな仕事用のヘビーデューティー・モーターです。巻線ローターモーターは、高い始動トルクと速度制御能力を必要とする仕事に使用されます。非常に重いものをスムーズかつ安全に動かすのに最適です。

この強力なローター・モーターをよく見かける場所をいくつか紹介しよう：

• クレーンとホイスト 巨大な箱や鉄骨を持ち上げるには、非常に重い負荷でも始動できるモーターが必要です。クレーンにはスムーズな制御が必要で、巻線ローター・モーターがそれを可能にします。クレーンのホイストはこのタイプのモーターを使用しています。
• エレベーター エレベーターは非常にスムーズな始動と停止を必要とする。このモーターはそのスムーズな始動を可能にします。
• クラッシャー、ミル、グラインダー： これらの機械は、材料で一杯のときに始動するために大きな力を必要とする。巻線ロータ誘導モータは、このような機械を始動させるのに必要なトルクを発生させることができます。
• ポンプとファン： 大型ポンプ・システムの中には、液体の流量を制御するために回転数を変えられる必要があるものがあります。このタイプのモーターはそのような場合に有効です。
• パンチプレスと鋏： これらの機械は、作業サイクルのために高いトルクを必要とする。

高負荷でモーターを始動する必要がある場合は、巻線ローターモーターが最適です。また、負荷のかかるモーターの回転数を制御する必要がある場合も、このモーターが適しています。タフな仕事にはタフなモーターです。

内部を見てみよう主な部品は？

巻線ローター・モーターを分解すると、いくつかの主要部品が見える。これは誘導モーターの一種である。従って、いくつかの部品はリス・ケージ・モーターに似ているが、ローターは大きく異なっている。

1. ステーター： これはモーターの外側の動かない部分である。独自の巻線を持っている。ステーターに交流電力を送ると、磁界が回転します。これはほとんどすべての誘導モーターに共通です。
2. 巻きローター： これがモーターの中心。回転する部分です。単純なリス・ケージ式ローターとは異なる。これはステーターと同じように絶縁巻線がセットになっている。
3. スリップリングとブラシ： 前述したように、これらの部品は回転するローターとの電気的なつながりを作っている。ローター巻線の端は、スリップリングに接合されています。ブラシは動かず、リングに触れてローターから動力を動かします。
4. 外部抵抗バンク： これはモーター自体の内部にはないが、モーターが動作するために非常に重要である。これは大きな抵抗器の箱である。ブラシを通してローターに接続することができる。こうしてモーターは速度と力をコントロールすることができる。この変更可能な抵抗が鍵なのだ。

これらすべての部品が一体となって、完全な巻線ローター誘導システムを構成している。モーターは単純な誘導機械です。しかし、特殊なローターとスリップリングにより、驚くべき能力を発揮します。

代わりにリスケージ・モーターを使うことはできますか？

この質問はよく受ける。リス・ケージ・モーターはシンプルでコストも低い。メンテナンスも少なくて済む。では、なぜいつも使わないのでしょうか？答えは、仕事によって違うからです。多くの作業において、リスケージ誘導モータは完璧なツールです。ファンを常に同じ回転数で動かすモータが必要な場合は、リスケージ誘導モータが最適です。

しかし、重さ10トンのものを持ち上げる必要があるとしたらどうだろう？通常のリス・ケージ・モーターは、始動するために大量の電力を引き出そうとするでしょう。そのため、電源が切れたり、電気系統を痛めたりする可能性がある。重量を持ち上げるのに十分な始動トルクさえ出せないかもしれない。モーターは仕事をすることができないかもしれない。

そこで巻線ローター・モーターが威力を発揮する。この種の作業のために作られています。動いていないときには非常に高いトルクを発生させることができ、使用する電流量も少ない。つまり、電気系統に負担をかけずに重い荷物を動かし始めることができるのです。ですから、どちらか一方を使えばよいというわけではありません。作業に適したモーターを選ぶ必要があります。高い始動トルクとスムーズな始動が必要な場合は、多くの場合、巻線ロータモータが唯一の選択肢となります。

可変周波数ドライブ（VFD）とは？より良い選択か？

モーター制御の世界では、物事は常に変化しています。今日、私たちは可変周波数ドライブ（VFD）と呼ばれる素晴らしい新しいツールを手に入れました。VFDは、通常のリス・ケージ・モーターの回転数を変えることができる電子ボックスです。これは、モーターに送る電気の周波数を変えることで実現します。

VFDは現在よく使われている。VFDのおかげで、従来は詳細な巻線ローター・モーターが必要だった仕事を、安価でシンプルなリス・ケージ・モーターでこなせるようになった。VFDを使えば、普通の誘導モーターでも素晴らしい速度制御ができる。高い始動トルクを出すこともできる。多くの新しいプロジェクトでは、巻線ローター・モーターの代わりにVFDとリス・ケージ・モーターを選ぶかもしれない。

しかし、巻線ローターモーターはまだ必要とされている。巻線ローターモーターは非常にタフで、厳しい場所でも働くことができます。非常に高出力の仕事では、巻線ローターモーターの方が、大規模で詳細なVFDシステムよりも、まだお得であったり、信頼性が高かったりします。また、すでにあるシステムの古いモーターを交換する場合は、別の巻線ローターモーターを使うのが最も簡単な場合が多い。新しい可変周波数ドライブによって状況は変わりましたが、タフな古い巻線ローターモーターが不要になったわけではありません。

知っておくべき主な長所と短所は？

最後に、良い点と悪い点を見てみよう。他の道具と同じように、巻線ロータ誘導モータにも良い点と悪い点があります。必要なものに適したモーターかどうかを決める前に、その両方を知ることが重要です。

メリット（長所）：

• 高い始動トルク： 非常に重い荷物でもスタートできる。これが最大の特徴だ。
• 低始動電流： 始動時に電気系統に大きな負担をかけない。
• スムーズなスタート スピードはゆっくりスムーズに上げることができる。ケアが必要な荷物に最適です。
• 可変スピード： 走行速度は、ローターの抵抗を変えることで制御できる。

欠点（短所）：

• 費用はもっとかかる： これらのモーターは、リス・ケージ・モーターよりも細部まで作りこまれており、製造コストも高い。
• もっと手入れが必要だ： スリップリングとブラシが摩耗する。点検と交換が必要です。
• より多くの電力を浪費する： 一部の電力は熱に変わり、外側の抵抗で失われる。これは低速走行時に最も多く発生する。
• 大きなサイズ： 同じ出力のリス・ケージ・モーターよりも大きく重いことが多い。

これらの点を知れば、なぜこのモーターが特別な仕事のための特別な道具なのかがわかるだろう。すべての作業に使えるわけではないが、その特別な強みが必要なときには、他のモーターでは対応できないだろう。

覚えておくべきこと

巻線ロータ誘導電動機についてご理解いただけたでしょうか。巻線ロータ誘導電動機は、電動機の世界では非常に興味深い機械です。覚えておくべき最も重要なことは以下の通りです：

• 巻線ローター・モーターは、ローターにワイヤー巻線を施した特殊な誘導モーターである。
• スリップリングとブラシを使ってローターを外側の回路に接続する。
• ローターに抵抗を加えることで、モーターの回転数を制御することができます。また、低い始動電流で非常に高い始動トルクを得ることができます。
• これらのローター・モーターは、クレーン、ホイスト、ミルなどの重作業に最適です。
• 一般的なリス・ケージ・モーターに比べ、より細かく、よりコストがかかり、より多くのメンテナンスが必要となる。
• 新しいVFDは通常のモーターと同じような能力を発揮できるようになったが、巻線ローター・モーターは今でもタフな仕事に使われている。