誘導電動機は、電気エネルギーを機械エネルギーに変換するAC電気機械です。誘導電動機は、基本的な家電製品から重工業まで、さまざまな用途で広く使用されています。この機械には数えきれないほど多くの用途があり、世界で生成される電力のほぼ30％が誘導電動機自体によって消費されることを知っていると、規模を想像することができます。この驚くべき機械は偉大な科学者ニコラ・テスラによって発明され、この発明は人類の文明の進路を永久に変えました。
ここでは、日常生活で見られる単相および三相誘導モーターのいくつかのアプリケーションを紹介します。
単相誘導モーターのアプリケーション：
- 家の扇風機
- 掘削機
- パンプス
- グラインダー
- おもちゃ
- 掃除機
- 排気ファン
- コンプレッサーと電気かみそり
三相誘導電動機の用途：
- 小規模、中規模、大規模の産業。
- リフト
- クレーン
- 旋盤の運転
- 油抽出ミル
- ロボットアーム
- コンベヤーベルトシステム
- 重い粉砕機
誘導電動機は、相対的な機能と電気定格を持つ多くのサイズ&形で来ます。それらは数センチメートルから数メートルのサイズまで変化し、0.5Hpから10000Hpまでの電力定格を持っています。ユーザーは自分の要求を満たすためにモデルの海から最も適切なものを選択することができます。
モーターの基礎とその動作については、前の記事ですでに説明しました。ここでは、誘導電動機の構造と動作について詳しく説明します。
誘導電動機の動作原理
誘導電動機の動作原理を理解するために、最初に図に示すような簡単なセットアップを考えてみましょう。
ここに、
- 同じサイズの2つの鉄またはフェライトコアが取られ、離れた場所で空中に吊るされます。
- 図に示すように、エナメル銅線を上部コアに巻いてから下部の1つと2つの端を片側に巻きます。
- ここでのコアは、動作中にコイルによって生成された磁束を運び、集中させるための媒体として機能します。
さて、銅の両端に交流電圧源を接続すると、次のようになります。
ACの正のサイクル中：
ここで、前半のサイクル中に、ポイント「A」の正の電圧は徐々にゼロから最大になり、その後ゼロに戻ります。この期間中、巻線に流れる電流は次のように表すことができます。
ここに、
- AC電源の正のサイクル中、両方の巻線の電流はゼロから最大に徐々に増加し、その後、最大からゼロに徐々に戻ります。これは、オームの法則によれば、導体の電流は端子電圧に正比例するためです。これについては、以前の記事で何度も説明しました。
- 巻線は、両方の巻線の電流が同じ方向に流れるように巻かれています。図に同じことが示されています。
ここで、先に進む前に以前に研究したレンツの法則と呼ばれる法則を思い出してみましょう。レンツの法則によれば、「 電流を運ぶ導体は、その表面の周りに満たされた磁気を生成します」、
上記の例でこの法則を適用すると、両方のコイルの各ループによって磁場が生成されます。コイル全体で発生する磁束を足すとかなりの値になります。この磁束全体は、コイルがコア本体に巻かれているときに鉄のコアに現れます。
便宜上、両端の鉄心に集中する磁束線を引くと、次のようになります。
ここでは、磁力線が鉄心に集中し、エアギャップを通過する様子を見ることができます。
この磁束強度は、両方の鉄体に巻かれたコイルに流れる電流に正比例します。したがって、正の半サイクル中に、磁束はゼロから最大になり、次に最大からゼロにトーンダウンします。正のサイクルが完了すると、エアギャップでの電界強度もゼロに達し、その後、負のサイクルになります。
ACの負のサイクル中：
正弦波電圧のこの負のサイクル中に、ポイント「B」の正の電圧は徐々にゼロから最大になり、その後ゼロに戻ります。いつものように、この電圧のために電流が流れ、下の図の巻線にこの電流が流れる方向を見ることができます。
電流は電圧に直線的に比例するため、両方の巻線での電流の大きさは、ゼロから最大に徐々に増加し、その後、最大からゼロに減少します。
レンツの法則を考慮すると、正のサイクルで調べた場合と同様に、電流が流れるため、コイルの周りに磁場が発生します。この電界は、図に示すようにフェライトコアの中心に集中します。磁束強度は両方の鉄体に巻かれたコイルに流れる電流に正比例するため、この磁束もゼロから最大になり、電流の大きさに応じて最大からゼロにトーンダウンします。これは正のサイクルに似ていますが、違いがあり、それが磁力線の方向です。この磁束方向の違いは、図で確認できます。
彼の負のサイクルの後、正のサイクルが続き、別の負のサイクルが続き、AC正弦波電圧が除去されるまでそのように続きます。そして、この交換可能な電圧サイクルのために、鉄心の中心の磁場は大きさと方向の両方で変化し続けます。
結論として、この設定を使用すると、
- 鉄心の中心に磁場集中領域を開発しました。
- エアギャップでの磁場強度は、大きさと方向の両方で変化し続けます。
- フィールドは、AC正弦波電圧波形に従います。
電磁誘導のファラデーの法則
これまで説明してきたこの設定は、電磁誘導のファラデーの法則を実現するのに最適です。これは、絶えず変化する磁場が電磁誘導の最も基本的かつ重要な要件であるためです。
誘導電動機はファラデーの電磁誘導の法則の原理に基づいて動作するため、ここでこの法則を研究しています。
電磁誘導の現象を調べるために、以下の設定を考えてみましょう。
- 導体を取り、両端を短絡した正方形に成形します。
- セットアップの軸として機能する導体の正方形の中心に金属棒が固定されています。
- これで、導体の正方形は軸に沿って自由に回転でき、ローターと呼ばれます。
- 回転子はエアギャップの中央に配置されているため、導体ループは回転子コイルによって生成される最大の磁場を経験できます。
ファラデーの電磁誘導の法則によれば、「 変化する磁場が金属導体を切断すると、EMFまたは電圧が導体に誘導される」 ことがわかっています。
ここで、この法則を適用して、誘導モーターの動作を理解しましょう。
- この電磁誘導の法則によれば、EMFは、発生する磁場の変化により、中央に配置された回転子導体に誘導されるはずです。
- この誘導起電力と導体が短絡しているため、図に示すようにループ全体に電流が流れます。
- ここに誘導電動機の動作の鍵があります。レンツの法則によれば、電流が流れる導体がその周りに磁場を生成し、その強度は電流の大きさに比例することがわかっています。
- 法則は普遍的であるため、電磁誘導のために電流がローターを流れるため、ローターの導体ループも磁場を生成する必要があります。
- 固定子巻線と鉄心のセットアップによって生成される磁場を主磁束または固定子磁束と呼ぶ場合。次に、回転子の導体ループによって生成された磁場を回転子磁束と呼ぶことができます。
- メイン磁束とローター磁束の間の相互作用のために、力がローターによって経験されます。この力は、ローターの位置を調整することにより、ローターへのEMF誘導に対抗しようとします。したがって、この時点でシャフト位置の動きが発生します。
- これで、交流電圧のために磁場が変化し続け、力も停止することなくローターの位置を継続的に調整し続けます。
- したがって、交流電圧のためにローターは回転し続け、それによって、シャフトまたはローターの軸に機械的出力があります。
これで、ローターへの電磁誘導により、シャフトに機械的出力がどのように発生するかがわかりました。したがって、このセットアップに付けられた名前は誘導モーターと呼ばれます。
これまで説明してきたのは誘導電動機の動作原理ですが、理論と実用の両方が異なることを忘れないでください。また、誘導電動機の動作には、以下で説明する追加のセットアップが必要です。
単相誘導電動機
単相AC電源で動作する誘導モーターは、単相誘導モーターと呼ばれます。
家庭で利用できる電力線は240V / 50Hz AC単相電力線であり、家庭で日常生活で使用している誘導電動機は単相誘導電動機と呼ばれています。
単相誘導電動機の動作原理をよりよく理解するために、単相誘導電動機の構造を調べてみましょう。
ここに、
- 図に示すように、複数の導体を取り、自由に回転するシャフトに取り付けます。
- また、すべての導体の端を金属リングで短絡し、それによって以前に研究した複数の導体ループを作成します。
- このローターのセットアップは、よく見るとかご形のように見えるため、かご形誘導電動機と呼ばれます。ここでは、かご形回転子の3D構造を見てみましょう。
- 完全な鉄片と見なされていた固定子は、実際には薄い鉄板を積み重ねたものです。それらは非常に緊密に押し付けられており、文字通りそれらの間に空気はありません。鉄損を減らすために電源トランスの場合に圧延鉄板を使用するのと同じ理由で、単一の鉄片の代わりに鉄板のスタックを使用します。スタッキング方式を採用することで、性能を同じに保ちながら電力損失を大幅に削減します。
このセットアップの動作は、誘導モーターの動作原理を説明するために使用されるセットアップと同様です。
- まず、AC電圧を供給します。この電圧のため、電流は上部セグメントと下部セグメントの両方に巻かれた固定子巻線に流れます。
- 電流により、上巻線と下巻線の両方に磁界が発生します。
- 鉄板の大部分は、コイルによって生成された磁場を運ぶためのコア媒体として機能します。
- 鉄心によって運ばれるこの交流磁場は、意図的な構造設計のために中央のエアギャップに集中します。
- ここで、ローターがこのエアギャップに配置されているため、ローターに固定されている短絡した導体もこの交番磁界を経験します。
- 界磁のため、電流が回転子の導体に誘導されます。
- 電流が回転子導体を通過しているため、回転子の周囲にも磁場が発生します。
- 生成された回転子磁場と固定子磁場の間の相互作用により、力が回転子によって経験されます。
- この力はローターを軸に沿って動かし、それによって回転運動をします。
- 電圧は正弦波電圧を連続的に変化させているため、ローターもその軸に沿って連続的に回転し続けます。これにより、与えられた単相入力電圧に対して連続的な機械的出力が得られます。
単相モーターに電力が供給された後、ローターは自動的に回転すると仮定しましたが、そうではありません。単相誘導電動機によって生成される磁界は交流磁界であり、回転磁界ではないためです。したがって、モーターの始動時に、下部コイルと上部コイルのためにローターが受ける力は同じ大きさで方向が反対になるため、ローターはその位置にロックされます。したがって、最初は、ローターが受ける正味の力はゼロです。これを回避するために、誘導モーターに補助巻線を使用して、自動始動モーターにします。この補助巻線は、始動時にローターを動かすために必要なフィールドを提供します。この場合の例は、私たちが日常生活で目にする扇風機です。これはコンデンサーの始動であり、コンデンサーと直列に接続された補助巻線を備えた誘導モーターを実行します。
三相誘導電動機
三相交流電力で動作する誘導電動機を三相誘導電動機と呼びます。通常、三相誘導電動機は産業で使用されており、家庭用アプリケーションには適していません。
産業で利用可能な電力線は400V / 50Hzです。三相4線AC電力であり、産業でこの供給に使用される誘導モーターは、三相誘導モーターと呼ばれます。
三相誘導電動機の動作原理をよりよく理解するために、三相誘導電動機の構造を調べてみましょう。
ここに、
- 図に示すように、フェーズAの巻線は、上部セグメントから始まり、下部セグメントが続きます。
- 相の両端は、一方の巻線を三相電源のA相電源に接続し、もう一方の端を同じ三相4線電源の中性点に接続します。これが可能なのは、三相4線電源では、最初の3本の線が3本の線間電圧を運び、4本目の線が中性であるためです。
- 他の2相巻線はA相と同じパターンに従います。B相巻線の両端では、一方が三相電源のB相電力線に接続され、もう一方の端が同じ3相の中性点に接続されます。三相電源。
- 回転子の構造はかご形に似ており、単相誘導電動機で使用されているのと同じタイプの回転子です。
ここで、固定子の三相巻線に電力を供給すると、電流は3つの巻線すべてに流れ始めます。この電流の流れのために、磁場がコイルによって生成され、この磁場は、積層コアによって提供されるより少ない磁気抵抗率の経路を通って流れます。ここでは、モーターの構造は、コアによって運ばれる磁場がローターが配置されている中央のエアギャップに集中するように設計されています。したがって、中心ギャップでコアによって集中される磁場は、ローターの導体に影響を与え、それによってそれらに電流を誘導します。
導体電流が存在する場合、ローターは、任意の時点でステーター磁場と相互作用する磁場も生成します。そして、この相互作用のために、ローターはモーターの回転につながる力を経験します。
ここで、固定子によって生成される磁場は、単相モーターで説明した交流タイプとは異なり、三相電力のために回転タイプです。そして、この回転磁界のために、最初のプッシュがなくても、ローターはそれ自体で回転を開始します。これにより、三相モーターは自動始動タイプになり、このタイプのモーターには補助巻線は必要ありません。