モーターの効率を向上させるにはどうすればいいですか?
モーターの効率は、抵抗損失、摩擦による機械的損失、コア内の磁気エネルギーの散逸による損失、使用する材料の種類に応じたさまざまな損失など、少量の損失の影響を受けます。モーターの効率を高めるには、モーターの損失を減らす必要があります。ここでは、モーターの効率係数を向上させるために採用できる方法やヒントをいくつか紹介します。
- モーター フレームの機能は、巻線を機械的に保護することです。また、脚に取り付けられたインターフェイスの役割も担っています。モーター フレームは、モーター内部で発生した熱をフレームの表面に伝達し、ファンによって吹き出された空気が放熱を促進するため、熱性能において重要な役割を果たします。これにより、熱損失が減少します。
- もう 1 つの基本的なヒントは、ファン カバーの背面に近い壁の間に最小限の隙間を設けて、空気を取り入れられるようにすることです。モーターの周囲を清潔に保ち、冷却システムの性能を低下させる可能性のある空気の詰まりがないか定期的にチェックしてください。したがって、モーターが低温で動作するほど、寿命が長くなります。
- ステータはモーターの主要部品であり、損失の 60% の原因となるため、損失を減らすにはステータ巻線の質量を大きく保つ必要があります。質量が増加すると抵抗が減少するためです。高効率モーターには、標準効率モデル用に設計されたモーターに比べて 25% 多く銅が含まれています。
- ローター損失も損失の小さな原因であると考えられており、主にモーターのスリップの程度によって引き起こされます。スリップは実際には磁場の速度 (RPM) と、特定の負荷でのローターとシャフトの実際の RPM との差です。その中で、スリップは、負荷がかかっていないモーターの速度から負荷がかかっているモーターの速度を減算し、負荷がかかっているモーターの速度で割ることで得られます。したがって、これらの損失を減らすには、スリップを減らす必要があり、これはローターの導電性を高めることによって行われます。銅は導電性が高いため大量に使用する必要があります。しかし、銅をダイカストするプロセスが最近開発されたため、銅はダイカストする必要があります。
- コアの磁気損失はヒステリシスに由来し、総損失の 20% はコアの渦電流と飽和によって発生します。高品質の材料と品質管理を使用することで、損失を最小限に抑え、効率を向上させることができます。
- ヒステリシスと飽和の影響を減らすために、安価な炭素鋼の代わりに少量のシリコンを含む鋼を積層に使用します。このようにして、コア損失を排除できます。積層厚を減らし、積層長を増やすことで、磁束密度とコア損失を最小限に抑えることができます。
- 使用されるシートまたはラミネート間の適切な絶縁を確保することで、渦電流損失を大幅に最小限に抑えることができます。
- 給油間隔は、モーターの設置定格速度、ベアリングサイズ、グリースの種類、温度上昇によって変わります。したがって、潤滑剤を使用するときは注意してください。同じ要素を使用している場合でも、グリースの種類を混ぜないでください。アプリケーションで他のグリースを使用すると、モーターの性能に直接影響します。
モーターの損失を減らすにはどうすればいいですか?
損失の分布はモーター損失は電力サイズと極数によって異なりますが、損失を減らすためには、さまざまな電力と極の主な損失成分に対する対策に重点を置く必要があります。損失を減らすいくつかの方法は、次のように簡単に説明されています。
- 有効材料を増やし、巻線損失と鉄損を低減
モーターの相似原理によれば、電磁負荷が変化しないで機械的損失を考慮しない場合、モーターの損失はモーターの線形サイズの3乗にほぼ比例し、モーターの入力電力は線形サイズの4乗にほぼ比例します。このことから、効率と有効な材料使用の関係を近似することができます。特定の設置サイズ条件下でより大きなスペースを確保し、より効果的な材料を配置してモーターの効率を向上させるために、ステーターパンチングの外径サイズが重要な要素になります。同じマシンベースの範囲内では、アメリカのモーターはヨーロッパのモーターよりも出力が大きいです。放熱を促進し、温度上昇を抑えるために、アメリカのモーターは一般的に外径の大きいステーターパンチングを使用しますが、ヨーロッパのモーターは、防爆モーターなどの構造派生品が必要であり、巻線端の銅使用量と製造コストを削減するため、一般的に外径の小さいステーターパンチングを使用します。
- より良い磁性材料とプロセス対策を使用して鉄損を低減する
コア材料の磁気特性（透磁率と単位鉄損）は、モーターの効率などの性能に大きな影響を与えます。同時に、コア材料のコストはモーターのコストの大部分を占めています。したがって、適切な磁性材料を選択することが、高効率モーターの設計と製造の鍵となります。高出力モーターでは、鉄損が全損失のかなりの割合を占めるため、コア材料の単位損失値を下げると、モーターの鉄損を減らすのに役立ちます。モーターの設計と製造により、モーターの鉄損は製鉄所が提供する単位鉄損値に基づいて計算された値を大幅に超えるため、設計時に単位鉄損値を1.5〜2倍に増やして、鉄損の増加を考慮するのが一般的です。
鉄損が増加する主な理由は、製鉄所の単位鉄損値はエプスタイン方形円法に従ってストリップ材料サンプルを試験することによって得られるが、材料は打ち抜き、せん断、積層後に大きな応力を受け、損失が増加するためである。また、歯溝の存在によって生じる空隙により、歯高調波磁場がコア表面に無負荷損失を引き起こし、モータ製造後に鉄損が大幅に増加する。したがって、単位鉄損の低い磁性材料を選択することに加えて、積層圧力を制御し、必要なプロセス対策を講じて鉄損を低減する必要もある。価格とプロセス要因を考慮すると、高級シリコン鋼板や0.5mm未満のシリコン鋼板は、高効率モータの製造にはあまり使用されず、低炭素シリコンフリー電磁鋼板または低シリコン冷間圧延シリコン鋼板が一般的に使用されています。一部のヨーロッパの小型モータメーカーは、単位鉄損値が6.5w / kgのシリコンフリー電磁鋼板を使用しています。近年、製鉄所では、平均単位損失が 4.0w/kg の Polycor420 電磁鋼板を発売しており、これは一部の低シリコン鋼板よりもさらに低く、透磁率も高くなっています。
近年、日本は50RMA350グレードの低シリコン冷延鋼板を開発しました。その組成には少量のアルミニウムと希土類金属が添加されており、損失を減らしながら高い透磁率を維持しています。その単位鉄損値は3.12w/kgです。これらはすべて、高効率モーターの生産と推進に優れた材料基盤を提供する可能性があります。
- 換気損失を減らすためにファンのサイズを小さくする
大出力の2極および4極モーターの場合、風摩擦がかなりの割合を占めます。たとえば、90kWの2極モーターの風摩擦は、全損失の約30％に達することがあります。風摩擦は主にファンの消費電力で構成されています。高効率モーターの熱損失は一般に低いため、冷却風量を減らすことができ、したがって換気電力も減らすことができます。換気電力は、ファン直径の4〜5乗にほぼ比例します。したがって、温度上昇を許容する場合は、ファンのサイズを小さくすることで風摩擦を効果的に減らすことができます。また、換気構造の合理的な設計も、換気効率の向上と風摩擦の低減に重要です。テストでは、高効率モーターの高出力2極部分の風摩擦は、通常のモーターと比較して約30％削減できることが示されています。換気損失が大幅に削減され、追加コストもそれほどかからないため、高効率モーターのこの部分では、ファンの設計変更が主な対策の 1 つとなることがよくあります。
- 設計とプロセス対策により迷走損失を削減
非同期モータの漂遊損失は、主にステータとロータのコアと巻線内の磁場の高次高調波によって生成される高周波損失です。負荷漂遊損失を低減するには、Y-Δ直列接続の正弦波巻線またはその他の低調波巻線を使用して各相高調波の振幅を低減し、漂遊損失を低減することができます。実験によると、正弦波巻線を使用すると、漂遊損失を平均で30％以上削減できます。
- ダイカスト工程を改善してローター損失を低減
ローターアルミ鋳造時の圧力、温度、ガス排出経路を制御することで、ローターバー内のガスを減らし、導電性を向上させ、ローターアルミ損失を減らすことができます。近年、米国は銅ローターダイカスト設備とそれに対応するプロセスの開発に成功し、現在小規模な試作を行っています。計算によると、銅ローターをアルミローターに置き換えると、ローター損失を約38％削減できます。
- コンピュータ最適化設計を適用して損失を減らし、効率を向上させる
材料の増加、材料特性の改善、プロセスの改善に加えて、コンピュータ最適化設計を使用して、コストと性能の制約下でさまざまなパラメータを合理的に決定し、効率の最大限向上を実現します。最適化設計を使用すると、モーターの設計時間を大幅に短縮し、モーター設計の品質を向上させることができます。