産業オートメーションモーター知識入門書

電気モーターは、回転磁界内に配置されたローターで構成されています。この回転磁界の影響により、ロータは回転トルクを得て回転します。非同期モーターは、数ワットから数万キロワットまでの広い電力範囲で動作し、さまざまな機械装置や家庭用電化製品に電力を供給します。
電気モーター（一般的に「モーター」と呼ばれます）は、電磁誘導の原理に基づいて電気エネルギーを変換または伝達する電磁装置です。主な機能は駆動トルクを発生することであり、電気製品や各種機械装置の動力源となります。
発電機の主な機能は、電気エネルギーを機械エネルギーに変換することです。

 

 

電気モーターは主に、磁界を生成するための電磁石巻線または分散固定子巻線、回転電機子または回転子、およびその他の付属品で構成されます。固定子巻線によって生成される回転磁場の影響を受けて、電流は電機子のかごのアルミニウム フレームを通って流れます。-この電流は磁界と相互作用し、アーマチュアを回転させます。

 

 

 

 

ステータ (固定部) ステータ コア: モータの磁気回路の構成要素であり、その上に固定子巻線が取り付けられています。固定子巻線: モーターの電気回路。三相交流が流れて回転磁界を生成します。-フレーム：ステーターコアと前後エンドカバーを固定してローターを支持し、保護、放熱などの役割を果たします。

 

ローター（回転部分）
ローターコア: モーターの磁気回路の一部として機能し、スロット内にローター巻線を収容します。
ローター巻線: ステーターの回転磁界を切り裂いて誘導起電力と電流を生成し、モーターの回転を駆動する電磁トルクを生成します。

【モーター原理アニメーション】
永久磁石モーター ▼

DCモーター ▼

量子磁気モーター ▼

単相誘導電動機- ▼

ステッピングモーターの動作原理 ▼

バランスモーター ▼

電流の発生原理 ▼

三相ステータ ▼

小型電動機 ▼

モーター断面-セクション ▼

電動モーター ▼

DCモーター▼

可変周波数モーターと従来のモーターの修理の違い

可変周波数モーターの修理方法は、基本的には従来のモーターと同じです。ただし、可変周波数電源の固有の特性により、可変周波数モーター巻線の絶縁要件は従来のモーターよりも厳しくなります。絶縁状態を改善するには、次の措置を講じる必要があります。

1. 高周波パルスや部分放電に耐えるというモーターの要件を満たす、優れた耐コロナ性を備えた電磁ワイヤを選択してください。-

通常は、ポリエステルイミド/ポリアミドイミド複合エナメル線またはコロナ耐性電磁線が使用されます。{0}

2. 巻線とスロット挿入の構造技術。

可変周波数モーターの巻線、スロット挿入、結束工程では厳密な管理が不可欠です。巻線時およびスロット挿入時の導体の損傷を防ぐために特に注意を払う必要があります。スロットの挿入では、スロット絶縁、相絶縁、層間絶縁が適切に配置されていることを確認する必要があります。{2}}-相絶縁には、絶縁ワニスが浸透しやすい材料を使用する必要があります。コイルエンドは、一体のユニットを確実に形成するために、結合および固定によって補強する必要があります。

モーターのスロット底部、相間、層間、コイルの巻き始め・巻き終わりの絶縁を強化することで、モーターの絶縁耐力を向上させます。

3. 主断熱材にはギャップのない断熱材を使用する必要があります。-

可変周波数モーターの絶縁構造内の空隙は、コロナ放電の主な原因です。絶縁構造全体に空隙がないようにするには、国家規格 GB/TZ1707-2008「可変周波数速度制御用の三相非同期モーターの絶縁仕様」に従って、使用する含浸ワニスは揮発分が 10% 未満の F クラスの無溶剤ワニス以上でなければならず、VPI プロセスを使用する必要があります。 雇用されなければなりません。このプロセスにより、断熱構造全体の機械的強度も向上します。

4. インバーター、ケーブル、モーター間の適切なマッチングを確保し、モーターと電源間のケーブルの長さを制限します。

電力線のインピーダンス不整合により、インバータとモータ間のケーブルが長くなるにつれてモータ端の過電圧振幅が増大し、部分放電が発生しやすくなります。したがって、可変周波数電源の特性と実際の要件に基づいて、接続ケーブルの長さを可能な限り短くして、モーター端の過電圧振幅と部分放電の量を減らし、モーターの寿命を延ばす必要があります。可変周波数モーター用の電源ケーブルは通常、3P+3N/E シリーズの対称導体可変周波数ケーブルとも呼ばれる特殊なケーブルを使用します。これは、元の 3+1 構成が 1 本の中性線を 3 つの別々の導体に分割することを意味します。

ステッピングモーター

 

図 1.1 は、2 つの巻線を備えた 2- 相ステッピング モーターの動作原理を示しています。 1 つの巻線が通電されると、その固定子の磁極が磁場を生成し、この磁場が回転子をこの極と揃えるように引き付けます。状態 A`A→B`B→`AA→`BB を循環する制御パルス-の下で巻線が順番に通電されると、モーターは時計回りに回転します。 A`A→`BB→`AA→B`Bの順に通電すると、モーターは反時計回りに回転します。各制御パルスは通電方向を変更し、モーターを 1 ステップ (90 度) 動かします。 4 つのパルスで 1 回転が完了します。パルス周波数が高いほど、モーターの回転が速くなります。
ステッピング モーターの出力トルクは、モーターの実効体積、コイルの巻数、磁束、電流に比例します。したがって、有効容積が大きくなり、コイルの巻数が増え、ステータとロータの間の空隙が小さくなると、トルクが大きくなり、その逆も同様です。

図. 1二相ステッピング モーターの回路図-

図. 2 ステッピングモーター機構の構造図

ステッピング モーターの構造は、ローター (ローター コア、永久磁石、シャフト、ボール ベアリング)、ステーター (巻線、ステーター コア)、および前後のエンド キャップで構成されます。最も一般的な 2 相ハイブリッド ステッピング モーターは、8 個の大きな歯と 40 個の小さな歯を持つステーターを備え、ローターには 50 個の小さな歯があります。三相モーターのステーターには 9 個の大きな歯と 45 個の小さな歯があり、ローターにも 50 個の小さな歯があります。

ステッピング モーターの相数は、モーター内のコイル グループの数を指します。一般的に使用されるタイプには、2 相、3 相、3 相、4 相、および 5 相のステッピング モーターがあります。-相数が異なるとステップ角も異なります。通常、2 つの - 相モーターのステップ角は 0.9 度 /1.8 度、3 つの - 相モーターのステップ角は 0.75 度 /1.5 度、5 つの - 相モーターのステップ角は 0.36 度 /0.72 度です。マイクロステッピング ドライバーがなければ、ユーザーは主に、必要なステップ角仕様を満たすために、異なる位相数のステッピング モーターを選択します。マイクロステッピング ドライバーを使用する場合、「位相カウント」は無関係になります。ユーザーはドライバーのマイクロステップ解像度を調整するだけでステップ角度を変更できます。

二-相四-線、四-相五-線、または四-相六-線ステッピング モーターのいずれであっても、内部構造は一貫しています。 4 線構成、5 線構成、6 線構成の区別は、A と ~A のペア、または B と B~ のペアが共通端子 (COM) 接続を共有しているかどうかによって異なります。 A グループと B グループの両方に独自の専用 COM 端子がある場合、モーターは 6 線式になります。- A と B の共通端子が一緒に接続されている場合、5 線になります-。

したがって、ステッピング モーターの配線構成を決定するには、A グループと B グループを分離し、マルチメーターでテストするだけです。

4 線式:-4 線構成には共通（COM）ワイヤがないため、A グループと B グループは完全に絶縁されており、互いに非導電性です。-したがって、マルチメーターでテストすると、1 つのグループは導通を示さなくなります。

5 本の-ワイヤー:5 線構成では、A グループと B グループの共通端子が相互に接続されます。マルチメーターでテストするときに、1 つのワイヤが他のワイヤと同様の抵抗値を示す場合、そのワイヤは共通端子です。 5 線式ステッピング モーターを駆動する場合、共通端子を接続しなくてもモーターは動作します。

6 本のワイヤ:-AグループとBグループのコモン端子は接続されていません。同様に、マルチメーターを使用して抵抗を測定する場合、1 本のワイヤが他の 2 本のワイヤと同じ抵抗を示した場合、そのワイヤは COM 端子であり、他の 2 本のワイヤはグループを形成します。 4 相 6 線ステッピング モーターを駆動する場合、2 つの共通の com 端子を接続せずにモーターを駆動することもできます。

ステッピング モーター関連の概念:

相数: N 磁極と S 磁極の異なるペアを生成する励磁コイルのペアの数。一般的にはmで表されます。

パルス数:1 つの磁場サイクルを完了するために必要なパルスまたは導電状態の数。n で示されます。あるいは、モーターが 1 ピッチ角回転するのに必要なパルス数を指します。たとえば、4- 相モーターの場合は次のようになります。

ステップ角度:1パルス信号に対応するモータロータの角変位をθで表します。 θ=360 度 / (ローター歯数 J × 動作ビート数)。ローター歯数 50 個の従来の 2- または 4- 相モーターの場合: 4- 相動作では、ステップ角は θ=360 度 /(50*4)=1.8 度 (一般にフルステップと呼ばれます) です。 8 - 位相動作では、ステップ角は θ=360 度 /(50*8)=0.9 度 (一般にハーフステップと呼ばれます) です。

保持トルク:通電されていないときのモーター ローターの固有のロック トルク（磁界の歯形高調波と機械的誤差によって引き起こされます）{0}}。

静的トルク:モーターが定格静電気力を下回っているが回転していないときのモーターシャフトのロックトルク。このトルクはモータのサイズ（幾何学的寸法）を評価する基準となり、駆動電圧や電源には依存しません。

ステッピングモータードライブ:ステッピング モーターを駆動するには、基本的にモーターの A グループと B グループに連続パルスを交互に印加してモーターを動作させる必要があります。

失敗したステップ:モーター動作中に実行される実際のステップ数は、理論上のステップ数と一致しません。

例：二相ステッピング モーターと五相ステッピング モーターの違い-

ステッピング モーターは主に相数によって分類され、現在の市場では 2 相ステッピング モーターと 5 相ステッピング モーターが最も広く採用されています。{0}}ほとんどの 2- 相ステッピング モーターは 1 回転あたり最大 400 の等しいステップに細分化できますが、5- 相のモーターは 1000 の等しいステップに細分化できます。その結果、5 - 相ステッピング モーターは優れた性能特性を示し、加速/減速時間が短縮され、動的慣性が低くなります。

二相ステッピング モーターと五相ステッピング モーターの違いの比較:{0}:

1. 制御精度の違い

通常、2 相ハイブリッド ステッピング モーターのステップ角は 3.6 度または 1.8 度ですが、5 相ハイブリッド ステッピング モーターのステップ角は通常 0.72 度または 0.36 度です。-一部の高性能ステッピング モーターは、さらに小さいステップ角を提供します。たとえば、Sitong Company が低速ワイヤ切断機用に製造したステッピング モーターのステップ角は 0.09 度です。-ドイツの Berger Lahr が製造する 3- 相ハイブリッド ステッピング モーターは、DIP スイッチを介してステップ角を 1.8 度、0.9 度、0.72 度、0.36 度、0.18 度、0.09 度、0.072 度、または 0.036 度に設定でき、2- 相と 2 相の両方と互換性があります。五相ハイブリッドステッパー- モーターのステップ角。

ACサーボモータの制御精度はロータリーエンコーダによって確保されています。パナソニックのフルデジタル AC サーボ モータを例にとると、標準 2500 ライン エンコーダを備えたモータの場合、ドライバに内部実装された直交周波数変換技術により、パルス相当値は 360 度/10000=0.036 度になります。 17 ビット エンコーダを備えたモーターの場合、ドライブは 1 回転あたり 2¹⁷=131,072 パルスを受信し、その結果、パルス分解能は 360 度 / 1 パルスあたり 131,072 パルス=0.002746 度になります。

2. 異なる低周波特性-

ステッピング モーターは、低速では低周波振動が発生しやすくなります。{0}振動周波数は負荷条件とドライバーの性能によって異なりますが、一般的にはモーターの無負荷始動周波数の半分であると考えられています-。この低周波振動は、ステッピング モーターの動作原理に固有のものであり、通常の機械の動作に非常に悪影響を及ぼします。ステッピング モーターが低速で動作する場合は、モーターにダンパーを追加したり、ドライバーでマイクロステッピング技術を使用したりするなど、低周波振動を軽減するために制振技術を採用する必要があります。{6}}

ACサーボモーターは非常にスムーズに動作し、低速でも振動がありません。 AC サーボ システムには、機械的剛性の不足を補うために共振抑制機能が組み込まれています。さらに、システムの内部周波数解析機能 (FFT) が機械的な共振点を検出し、システムのチューニングを容易にします。

3. 異なるトルク-周波数特性

ステッピング モーターは、速度が増加すると出力トルクが減少し、高速になると急激に低下します。したがって、最大動作速度は通常 300 ～ 600 RPM に制限されます。 AC サーボ モーターは一定のトルク出力を提供し、定格速度範囲 (通常 2000 または 3000 RPM) 内で定格トルクを維持します。定格速度を超えると、定出力に移行します。

4. さまざまな過負荷機能

ステッピング モーターには通常、過負荷能力がありません。 AC サーボ モーターは強力な過負荷能力を備えています。パナソニックの AC サーボ システムを例に挙げると、速度過負荷とトルク過負荷の両方の機能を備えています。最大トルクは定格トルクの3倍に達し、起動時の慣性負荷の慣性トルクに負けません。ステッピング モーターにはこの過負荷能力がありません。始動時の慣性トルクを克服するために、多くの場合、仕様時により大きなトルクのモーターが選択されます。しかし、通常の運転時にはこのような高トルクは不要であり、無駄なトルクが発生します。

5. 異なる運用パフォーマンス

ステッピング モーターは開ループ制御を採用しています。-始動周波数が高すぎる場合や負荷が過剰である場合、ステップ損失や失速が発生する可能性があります。停止時の速度が高すぎるとオーバーシュートが発生する可能性があります。したがって、制御精度を確保するには加減速度を適切に管理する必要があります。 AC サーボ ドライブ システムは閉ループ制御を採用しています。-ドライバーはモーター エンコーダーからのフィードバック信号を直接サンプリングし、内部位置および速度ループを形成します。この設計は通常、ステッピング モーターによく見られるステップ損失やオーバーシュートの問題を回避し、より信頼性の高い制御パフォーマンスを実現します。

6. 異速度応答性能

ステッピング モーターは、静止状態から動作速度 (通常は数百 RPM) まで加速するのに 200 ～ 400 ミリ秒かかります。 ACサーボシステムは優れた加速性能を発揮します。たとえば、Panasonic MSMA 400W AC サーボ モーターは、静止状態からわずか数ミリ秒で定格速度 3000 RPM まで加速するため、迅速な起動{6}}制御を必要とするアプリケーションに適しています。

要約すると、AC サーボ システムは、多くの性能面でステッピング モーターよりも優れています。ただし、ステッピング モーターは、それほど要求の厳しいアプリケーションのアクチュエーターとして依然として一般的に使用されています。したがって、制御システムの設計時には、制御要件やコストなどの要素を総合的に評価して、適切なモータを選択する必要があります。