P230 節末問題
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1 次の各文は、小形モータについて説明したものである。①～⑭に当てはまるものを下の語群から選べ。
(1) ある小形直流モータは、N極用とS極用の2個のア. 永久磁石、回転子に収められた3個のコイル、3個の整流子片で構成されていた。一般に ① 電機子鉄心 にスロットがあると、駆動トルクが生じる。そこで、希土類系永久磁石の大きな ② 残留磁気 を生かし、溝をなくしてエアギャップにコイルを設け、トルクの脈動の低減をめざしたモータがつくられている。
(2) ブラシレスDCモータは、 ③ 永久磁石 が回転子側に、 ④ 電機子巻線 が固定子側に取りつけられた構造になっており、一般的な直流モータにあるブラシと整流子がない。このため、④ 電機子巻線 の電流を切り換えるために磁極の位置を検出する ⑤ ホール素子 とトランジスタで構成された駆動回路などが用いられる。ブラシレスDCモータは半導体素子の発達とともに発展してきたモータである。
(3) 小形の ⑥ 同期 モータには、永久磁石を回転子の表面に設けた ⑦ SPMSM 、永久磁石を回転子に埋め込んだ ⑧ IPMSM 、回転子に強磁性体の鉄心のみを用い、永久磁石を使用しない同期リラクタンスモータという種類がある。小形直流モータは、電池だけで運転されるものが多いが、⑥ 同期 モータは、円滑な ⑨ 始動 が困難なために制御回路が必要になる。
(4) ステッピングモータは、 ⑩ パルス モータともよばれ、駆動回路に与えられた ⑪ パルス数 に比例する ⑫ 回転角度 だけ回転する。したがって、このモータはパルスを周期的に与えると、そのパルスの ⑬ 周波数 に比例する回転速度で回転する。ステッピングモータには、回転子の特徴によって可変リラクタンス形、永久磁石形、 ⑭ ハイブリッド 形がある。

教科書から
※製作中
ちょっと、待ってね。

演習ノートから
三相同期電動機の原理
1. 原理図について
(1) 三相同期電動機の構造は、三相同期 ① 発電機 と同じである。図(a)において、固定子の三相巻線に ② 三相交流 電流を流すと、図(b)のような ③ 回転磁界 が発生する。
(2) 図(b)で固定子鉄心の磁極を N, Sで表す。図(c)のように回転しているとき、回転子 S 極と N との吸引力、回転子 ④ N 極と ⑤ S との吸引力によって、図(c)では、回転子に時計回りの ⑥ トルク T₁ [N・m] が生じ、負荷のトルク T₂ (逆トルク)とつり合って回転する。
(3) 負荷が軽くなり、トルク T₂ が小さくなると、 ⑥ トルク T₁ も小さくなり、無負荷になれば T₁ , T₂ ともに 0 になり、 ⑦ トルク は発生しない。
(4) 回転子磁極は、電機子電流による ⑧ 回転磁界 と等しい ⑨ 同期速度 で回転し、 ⑩ 負荷 の増減によって、回転子磁極と ⑧ 回転磁界 軸との位置関係 δ が変わる。δ は ⑪ 負荷角 とよばれる。
2. 等価回路について
(1) 図(a)は、三相同期発電機の ① 一相分の等価 を示す ② 回路 図である。この図(a)から E を求めると、
E = rₐIₐ + jxₛIₐ + V
E = ③ V + (rₐ + jxₛ) ④ Iₐ
よって、三相同期発電機の起電力は、供給電圧とインピーダンス降下のベクトル和となる。
(2) 三相同期電動機は構造的に同期発電機と ⑤ 同じ であるから、その ⑥ 一相分 についての ⑦ 等価 回路は、図(b)のようにかける。図(b)から E を求めると、
E = -rₐIₐ - ⑧ jxₛIₐ + V
= V - ( ⑨ rₐ + jxₛ )Iₐ
よって、三相同期電動機の起電力は、供給電圧とインピーダンス降下のベクトル差となる。
3. 電機子反作用について
(1) 図(a)のように、Iₐ [A] と Iₘ [A] をとると、Iₘ = -jIₐ であるから、E [V] に対して ① π/2 rad の位相差をもつ場合のベクトル図は、図(b), (c)となる。
(2) 電機子反作用は、E に対して Iₘ が π/2 rad だけ ② 遅れ 電流の場合には ③ 増磁 作用で図(b)のようになり、Iₘ が π/2 rad だけ ④ 進み 電流の場合には ⑤ 減磁 作用で図(c)のようになる。また、E に対して ⑥ 同相 の電流 Iₘ による作用は、 ⑦ 交差磁化 作用という。図(b), (c)からは Iₐ は反対向きであるから、発電機の電機子反作用は電動機の ⑧ 逆 である。
(3) 図(a)の xₛ は、同期発電機と同じように ⑨ 同期リアクタンス とよぶ。
三相同期電動機の特性
1. 入力について
三相同期電動機では、電機子巻線抵抗 rₐ [Ω] は ① 同期 リアクタンス xₛ [Ω] に比べてひじょうに ② 小さい ので無視すると、1相分の等価回路は図(a)のようになり、そのベクトル図は図(b)で表される。図(b)のように、V [V] と Iₐ [A] の位相差を θ [rad] とすれば、三相同期電動機の1相分の入力 Pᵢ [W] は、Pᵢ = ③ V × ④ Iₐ × cos θ となる。
2. トルクについて
三相同期電動機のトルク T [N・m] は、T = (60/2πnₛ) (3VE/xₛ) sin δ であるから、 ① トルク と ② 負荷角 δ の関係は上図(c)のようになる。負荷のトルク T₂ が ③ 大きく なり、T₁ より大きくなると、 ④ δ はさらに増加し、トルクは減少して電動機はついに ⑤ 脱調 する。このときの最大トルクを ⑥ 脱出トルク という。
3. 乱調について
(1) 負荷の ① トルク が電動機の最大トルクより大きくなると、電動機はついに停止する。これを ② 脱調 という。 ② 脱調 をしない最大トルクを ③ 脱出トルク という。この ③ 脱出トルク は、定格 ④ 電圧 および定格負荷状態における界磁電流のもとで、同期運転中の同期電動機が発生し得る ⑤ 最大 のトルクである。
(2) 同期電動機は、負荷の急変によって ⑥ 負荷角 δ が変化して、負荷角の ⑦ 周期的 な変動が起こる。これを ⑧ 乱調 という。この ⑧ 乱調 の防止には、 ⑨ 制動巻線 を設けたり、 ⑩ はずみ車 を取りつけたりする。
4. 位相特性について
(1) 三相同期電動機が供給電圧 V [V] で、電機子電流 Iₐ [A]、力率1で運転しているときのベクトル図は図(a)のようになる。界磁電流 I を図(a)の状態から大きくすると、図(b)のように E が ① 大きく なり、Iₐ は ② 進み 電流になる。
(2) I を小さくすると、図(c)のように Iₐ は、位相の ③ 遅れ 電流になる。
(3) 電機子電流 Iₐ を ④ 縦軸 に、界磁電流 I を ⑤ 横軸 にとってグラフに表すと、図2のような ⑥ V 曲線となる。図2の破線の左側は ⑦ 遅れ 電流、右側は ⑧ 進み 電流の範囲である。
三相同期電動機の始動とその利用
1. 始動法について
(1) 三相同期電動機は、まず、回転子の磁極面に ① 制動巻線 を施すと、三相誘導電動機のかご形回転子と同じ機能になる。下図で S₂ を 1 側、S₃ を始動側 (ア側) に、さらに S₁ を閉じて、固定子巻線に ② 三相交流 電源を加えることにより、 ③ 三相誘導 電動機と同様の原理で始動する。回転子が ④ 同期速度 に近くなったとき、S₃ を 2 側、S₂ を運転側 (イ側) に切り換える。これを ⑤ 自己 始動法という。
(2) 始動電動機法は、始動用電動機として ⑥ 誘導 電動機や ⑦ 直流 電動機を用いる。まず、直結した三相同期電動機を ⑧ 無負荷 で運転する。加速後に同期電動機の界磁巻線を ⑨ 励磁 し、三相同期 ⑩ 発電機 として運転し、電源に並列に接続したのち、始動用電動機の ⑪ 電源 を遮断して三相同期電動機として運転する。
2. 利用について
右図のように、負荷と ① 並列 に三相同期電動機 MS を接続し ② 無負荷 で運転すると、p.59 図2のようなV曲線が得られ、次のことがわかる。
負荷が誘導性のとき、三相同期電動機の界磁を過励磁として ③ 進相 電流を流し、また、負荷が容量性のとき、励磁を弱めて ④ 遅相 電流を流すことができ、負荷の端子電圧 V を一定にすることができる。このような三相同期電動機を ⑤ 同期調相機 とよぶ。
小形直流モータ
1. 小形直流モータについて
(1) 図1のように、永久磁石形直流モータの電機子鉄心には、有溝鉄心と無溝鉄心がある。有溝鉄心形の電機子の構造は非 ① 常に丈夫 であるが ② コギングトルク (回転むら) が起きやすい。また、無溝鉄心形の ③ 電機子 には鉄心に ④ 溝 がないので、回転むらが全く生じないが、保磁力の強い ⑤ 永久磁石 が必要である。
(2) 電機子に鉄心を用いないモータを ⑥ コアレス DC モータという。電機子巻線には ⑦ カップ 形のほかに、円板状の ⑧ ディスク 形がある。これらは、次のような特性をもっている。① ⑨ 鉄損 がないため慣性モーメントが小さい。②有溝鉄心形で発生する ⑩ コギングトルク (回転むら) が生じない。③ ⑪ 電機子巻線 の自己インダクタンスが小さく ⑫ 整流 がすぐれている。
(3) 永久磁石形直流モータは、 ⑬ ブラシ と ⑭ 整流子 が機械的に接触するため火花による ⑮ 電気ノイズ を発生する欠点がある。この欠点を改善したものが、 ⑯ ブラシレス DC モータである。このモータは ⑰ ホール 素子を使用しているため機械的接触部分がなく、電気雑音が発生しない。
小形交流モータ
1. 同期モータについて
(1) 図1は、永久磁石形同期モータの回転子である。固定子がつくる ① 回転磁界 中に永久磁石を付けた ② 回転子 を入れると、 ③ 回転磁界 に引き付けられて磁石は ④ 同期 速度で回転する。
(2) 図(a)の表面磁石形同期モータは、ネオジムなどの ⑤ 強力な永久 磁石を回転子表面に貼り付けた構造で、 ⑥ 高速 回転すると はがれやすい。図(b)の埋込磁石形同期モータは、永久磁石を ⑦ 鉄心 の回転子の中に埋め込むことで、小形化、 ⑧ 高速回転化 ができ、このモータは、 ⑨ エアコン のコンプレッサモータや ⑩ 電気自動車 に用いられる。
(3) リラクタンスモータは、固定子がつくる ⑪ 回転磁界 の磁極に回転子の ⑫ 突極部 が引き付けられる力により生じる ⑬ リラクタンス トルクを利用して回転する。
(4) 同期リラクタンスモータは、図2のように回転子の電磁鋼板に ⑭ スリット (磁気的異方性) を設けて、磁束の通りやすさの方向性をもたせている。また、磁石を用いないので ⑮ 高温 に強く、 ⑯ 低コスト化 が可能で、コンプレッサなどの動力に利用される。
(5) スイッチトリラクタンスモータは、図3のように固定子と回転子が ⑰ ともに突極構造 である。固定子巻線に流す ⑱ 電流 をスイッチで順に切り換えると、 ⑲ 励磁 になる磁極が移り、突極回転子は回転磁極に引き付けられて ⑳ 回転 する。このモータは、回転子の構造が簡単で強固であるため ㉑ 高速回転 に適する。
2. 非同期モータについて
(1) 交流整流子モータは、直流直巻電動機と同様に、 ① 界磁巻線 が整流子付き電機子と ② 直列 に接続された電動機である。いま、図1(a)の状態から、図1(b)のように電源の ③ 極性 を変えると、界磁極の N と S が ④ 入れ替わ る。しかし、整流子の働きにより電機子電流の ⑤ 向き も変わるので、 ⑥ トルク の向きはそのまま変わらずに、モータは ⑦ 回転 を継続する。
(2) 交流整流子モータは、 ⑧ 始動トルク が大きく、 ⑨ 回転速度 が高速なので、 ⑩ 電気ドリル 、電気かんなく、 ⑪ 掃除機 、小形ミキサなどのモータとして用いられる。 ⑫ 補償巻線 を設けない小容量のものは、交流と直流の両方に使用できるので、 ⑬ ユニバーサル モータまたは ⑭ 単相直巻 モータとよばれる。
3. リニアモータについて
図2に示すように、リニアモータは ⑮ 直線的 な運動をさせる力を与える駆動装置であり、 ⑯ 回転 モータを直線状に ⑰ 展開 した構造になっている。図(b)の一次側に ⑱ 三相交流 電流を流すと、二次側に直線的な ⑲ 推力 が発生する。
電動機の活用
1. 電動機の利用について
(1) 電動機を動力源として使用する場合、選定条件が四つある。
負荷に最も適した ① トルク速度 特性をもっていること。
使用場所の気温や通風に適した ② 冷却 方式のものであること。
使用場所に応じた ③ 保護 , ④ 構造 形式のものであること。
負荷に応じた ⑤ 始動 方式・ ⑥ 制御 方式のものであること。
(2) 電動機選択の経済的条件として ① 設備 費や ② 運転 の費用も考慮し、さらに ③ 効率 が高く、 ④ 保守 や ⑤ 点検 に配慮したものを選ぶなど、細かい検討が必要である。
2. トルク特性について
(1) 負荷の特性は、一般に回転速度に対する ① トルク の変化で表される。 ② 安定 した運転をするためには、この特性に適した電動機を選択する必要がある。右図(a)は、誘導電動機および負荷のトルク―速度特性である。
(2) 誘導電動機は、最大トルク時より回転速度が ① 高い 領域では、図(b)のように回転速度が ② 上昇 すると電動機の ③ トルク が減少する特性をもつ。始動トルク時よりも回転速度が ④ 低い 領域では、図(c)のように負荷トルクが変動すると、電動機が ⑤ 停止 したり回転速度が ⑥ 不安定 になったりするため、 ⑦ 安定 の特性をもつ領域で利用する必要がある。 ⑧ 安定 に運転し続けるためには、図(b)のように電動機のトルクと負荷のトルクが釣り合う点で運転する必要がある。
制御用モータ
1. ステッピングモータについて
(1) ① パルス 電圧で ② 一定の角度 ごとに回転子を回転駆動するモータをステッピングモータ、またはパルスモータという。このモータを回転させるためには ③ 駆動回路 (ドライバ) が必要である。
(2) ステッピングモータの駆動には、 ① パルス 発生回路、 ② ロジックシーケンス 制御回路、 ③ 駆動 回路が必要である。
(3) ステッピングモータは、パルス電圧が送られるたびに、 ① 一定のステップ 角度 [°] を 1 ステップとして回転子が ② 間欠的 に回転する。
ステッピングモータの特徴
① 入力パルス数やパルス周波数を制御することで、 ① 回転角度 や ② 回転速度 が正確にできる。
② 始動時のトルクが最も ③ 大きく 、回転速度の ④ 上昇 にともないトルクが ⑤ 減少 する。
③ 通電中に入力パルスが加わらない状態では、回転子を固定する ⑥ 保持トルク が働く。
④ 低速度の回転では ⑦ 振動 (共振) を生じる。また、パルス周波数を急激に変化させると ⑧ 脱調 することがある。
2. サーボモータについて
(1) 上図において、サーボアンプは ① 指令値 の変化に ② 追従 するようにサーボモータを駆動する装置である。サーボモータには ③ 直流 電圧で動作する直流(DC)サーボモータと、 ④ 交流 電圧で動作する交流(AC)サーボモータに分けられる。
(2) 直流サーボモータでは、 ⑤ ブラシ付き DC モータや ⑥ ブラシレス DC モータが小形・小容量の用途で利用される。交流サーボモータでは、小・中容量のモータには ⑦ 永久磁石同期 モータが、高速度・高出力の用途には ⑧ 誘導 モータが利用される。
(3) 産業界では、 ⑨ パワーエレクトロニクス の進歩によって交流サーボモータの制御技術が向上し、 ⑩ 高効率 で ⑪ 応答性 の高い交流サーボモータが多く利用されている。
(4) サーボモータに求められる性能をあげよ。
① 応答性 がよい。
② 広い 速度範囲 で 安定 した動作をする。
③ 不安定に ならない。
④ 外乱 に強い。