エンジニアリングの洞察 — モーター システム
静かなトレードオフ
単相モーターの
すべてのモーター設計は、シンプルさとパフォーマンスの間の交渉です。単相誘導モーターはアクセスのしやすさで優れていますが、回転磁界のリップルなしで起動するためには、トルク、効率、サイズ、長期信頼性を犠牲にする必要があります。
直接的な答え
の核となる欠点は、 単相誘導電動機 三相誘導電動機と比べて構造上、単独で回転磁界を発生することができません。その他のすべての弱点 (始動トルクの低下、効率の低下、振動の増加、出力の厳しい上限) は、モーターを始動させるためだけにエンジニアが追加しなければならない補助ハードウェアに遡ります。
実際には、単相モーターは一般に 5 HP (3.7 kW) 未満の負荷に限定されます。通常、全負荷効率で動作します 5 ～ 15 パーセントポイント低下 同等の三相設計よりも始動トルクが低くなり、三相モーターの場合は 150 ～ 300% であるのに対し、始動トルクは全負荷トルクの 100 ～ 175% に抑えられます。
単相モーターは三相電力と競合できます。同じレースに出場することはありません。その回転フィールドは組み込まれたものではなく借用されたものです。
始動トルクと補助巻線の問題
三相電源は、3 つの巻線が電気角で 120 度離れて配置されているため、電力が供給された瞬間に回転磁界を生成します。単相電源だけではこれを行うことはできません。その磁界は単に 1 つの軸に沿って脈動するだけで、ローターは停止時に正味の始動トルクがゼロのままになります。それを補うために、メーカーは二次巻線、コンデンサ、または影付きの極を追加して、動作するのに十分な長さの二次フィールドを偽装します。
- 分相モーター — 始動トルクは全負荷の 100 ～ 175% 付近ですが、始動電流が高く、始動が長引くと過熱する傾向があります。
- コンデンサースタートモーター — 一般的な故障点である遠心スイッチを犠牲にして、全負荷の最大 300 ～ 400% までの強力な始動トルクを実現します。
- 影付き極モーター — 最もシンプルで安価ですが、始動トルクは全負荷のわずか 25 ～ 50% に低下することが多く、ファンまたは軽量ポンプにのみ適しています。
三相モーターではこれは必要ありません。それらの磁界は巻線の形状に固有であり、コンデンサ、巻線の開始、または最終的に摩耗するスイッチを使用せずに、一貫した始動トルクを提供します。
効率と力率を並べて表示
磁場はスムーズに回転するのではなく脈動するため、発生するトルクは電気サイクルごとに不均一になります。そして、その不均一性と始動巻線の抵抗損失が、効率の数値に直接現れます。
| モーターの種類 | パワー | 効率 | パワー Factor |
|---|---|---|---|
| 単相誘導 | 1HP | 60～68% | 0.55～0.75 |
| 三相誘導 | 1HP | 75～82% | 0.80～0.90 |
| 単相誘導 | 3馬力 | 70～75% | 0.65～0.80 |
| 三相誘導 | 3馬力 | 85～88% | 0.85～0.92 |
力率が低いということは、 単相モーター 供給される同じ有効電力に対してより多くの無効電流が消費され、ライン損失が増加し、商用設定では力率に基づいて請求されるため、接続されている負荷が同一であってもコストが上昇します。
振動・騒音・トルクリップル
脈動磁界は電気サイクルごとに 2 回変動するトルクを生成します。60 Hz ではリップル、120 Hz ではリップルが発生し、可聴ハム音や機械振動として表面化します。三相モーターは、磁界が滑らかに回転するため、サイクル全体にわたってトルクをほぼ一定に保ちます。
CNC 送りドライブ、ロボット工学、実験器具などの精密機器では、トルク脈動によって測定可能な位置決め誤差が生じる可能性があるため、一般に単相モーターは避けられます。
A 単相ギアモーター 軽量マテリアルハンドリング装置で使用される場合、多くの場合、被駆動機構に伝わる振動を制御するために、ゴム絶縁マウントまたは追加のブレーシングが必要になります。
単相モーターがスケールアップしない理由
およそ 5 HP を超えると、界磁脈動の問題を克服するために必要なコンポーネント (より大きなコンデンサ、より重い始動巻線、より堅牢なスイッチ) が、供給される電力に比べて不釣り合いに大きくなり、高価になり、信頼性が低くなります。また、大型の単相モーターは始動時に住宅回路に電圧のちらつきを引き起こすため、電力会社は特定の負荷を超える単相サービスを制限しています。
単相モーター
三相モーターにはそのような天井はありません。始動トルクは補助コンポーネントではなく巻線の形状から得られるため、設計は数分の一馬力から数千馬力まで効率的に拡張できます。これが、ほぼすべての大型工業用ポンプ、コンプレッサー、コンベア ドライブが三相電力で動作する理由です。
サイズ、重量、馬力あたりのコスト
同じ馬力定格の場合、単相モーターは通常、より大きくて重くなります。始動巻線用の余分な銅に加えて、コンデンサー ハウジングまたはスイッチ アセンブリ用のスペースがあり、モーターが速度に達すると、これらはいずれも回転トルクに寄与しません。
| 属性 | 単相（2馬力） | 三相(2馬力) |
|---|---|---|
| フレームサイズ | NEMA 145T ～ 182T | NEMA 145T |
| 重量 | 30～40ポンド | 22～28ポンド |
| 相対コスト | ベースライン | 多くの場合 10 ～ 20% 低くなる |
皮肉なことに、三相モーターはよりシンプルで軽量であるにもかかわらず、多くの場合、 馬力あたりの価格が安くなる 同じ定格の単相モーターよりも、製造量が増え、必要なコンポーネントが少なくなるため、コストが削減されます。
信頼性: コンポーネントを弱いリンクとして開始する
始動トルクの問題を解決するために追加されたすべての部品は、潜在的な故障点になります。始動コンデンサは熱により劣化します。単相モーターがうなり音を立てても始動しない最も一般的な原因は、コンデンサーの劣化です。遠心スイッチが固着します。陰極リングは熱サイクル下で亀裂が入ります。
コンデンサの故障は、単相モーターのサービスコールの大部分を占めています。これらのコンポーネントが完全に欠如している三相モーターは、主にベアリングの摩耗または絶縁破壊によって故障します。この問題は両方のタイプに共通していますが、追加の始動ハードウェアによって悪化することはありません。
単相ギアモーターが依然として意味をなす場合
これらの欠点にもかかわらず、単相ギアモーターは、三相電源が利用できない低電力、低デューティサイクルのアプリケーション、つまり住宅作業場、小規模小売機器、通常の単相電源で動作する軽量包装ラインなどにおいて、依然として実用的な選択肢です。
施設に三相電力がすでに存在する場合、およそ 1 馬力を超える場合は、ほとんどの場合、三相誘導モーターがより良い技術的選択肢となります。単相サービスのみが利用可能で、負荷が適度な場合は、コンデンサ起動またはコンデンサ実行設計が健全でコスト効率の高いソリューションとなります。
小型の単相モーターに取り付けられたギアボックスには、独自の考慮事項が追加されます。モーターはすでに低減されたトルクで始動するため、オーガー ドライブや高負荷のコンベア ローラーなどの高摩擦負荷に対して適切な離脱トルクを確保するために、減速比を慎重に選択する必要があります。このマージンを小さくすることは、もともと三相ドライブトレインを中心に設計された負荷に対して単相ギア モーターが指定されている場合によくある間違いです。
要約すると
単相誘導モーターは、性能と引き換えにアクセスしやすさを実現します。通常の単相主電源で動作させると、始動トルクの低下、効率の低下、力率の低下、振動の増加、実用的な出力上限が 5 馬力近くになること、フレーム サイズが大きくなり、機械的故障が発生しやすくなります。三相電力が利用可能であり、負荷が馬力の何分の一を超える場合でも、三相電力がより効率的で、よりスムーズで、より信頼性の高い選択肢となります。そうでない場合でも、慎重に選択された単相モーター (控えめなサイズで、堅牢な始動機構を備えたもの) が、依然として最も実用的な方法です。
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