モーターの効率を向上させ、損失を減らす6つの方法
モータの損失分布は電源の大きさや極数によって異なるため、損失を低減するには電源や極数ごとに主な損失成分を重点的に対策する必要があります。損失を軽減するいくつかの方法を以下に簡単に説明します。 モーターの相似原理によれば、電磁負荷が変化せず、機械的損失が考慮されない場合、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約線形サイズの 4 乗に比例します。これから、効率と有効な材料使用量の関係を概算することができます。設置寸法条件下でより大きなスペースを確保し、より有効な材料を配置してモータの効率を向上させるためには、ステータパンチングの外径寸法が重要な要素となります。同じマシンベースの範囲内では、アメリカのモーターの出力はヨーロッパのモーターよりも優れています。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な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の必要性と、温度上昇を抑えるため、一般的に小さな外径のステーターパンチングを使用します。巻き終わりに使用される銅の量と製造コスト。 2. 鉄損を低減するために、より優れた磁性材料とプロセス対策を使用する コア材料の磁気特性（透磁率や単位鉄損）は、モータの効率などの性能に大きな影響を与えます。同時に、コア材料のコストがモーターのコストの主要部分を占めます。したがって、適切な磁性材料の選択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、鉄損が総損失のかなりの部分を占めます。したがって、コア材質の単位損失値を下げることがモータの鉄損低減につながります。モーターの設計および製造により、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ます。そのため、鉄損増加分を考慮して単位鉄損値を1.5～2倍程度大きくして設計するのが一般的です。 鉄損増加の主な理由は、製鉄所の単位鉄損値がエプスタイン正方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ためである。しかし、材料は打ち抜き、せん断、積層後に大きな応力を受けるため、損失が増加します。さらに、ティーススロットの存在により空隙が生じ、ティース高調波磁場によってコア表面に無負荷損失が発生します。これらはモータ製造後の鉄損の大幅な増加につながります。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、積層圧力の管理や鉄損を低減するためのプロセス対策も必要となります。高級珪素鋼板や0.5mm以下の珪素鋼板は、価格やプロセスの観点から高効率モーターの生産にはあまり使用されていません。一般的には低炭素シリコンフリー電磁鋼板や低シリコン冷延珪素鋼板が使用されます。欧州の小型モーターの一部のメーカーは、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、製鉄所は平均単位損失が 4.0w/kg で、一部の低シリコン鋼板よりもさらに低い Polycor420 電磁鋼板を発売しました。この材料は透磁率も高くなります。 近年、日本では、組成に少量のアルミニウムと希土類金属を添加し、高透磁率を維持しながら損失を低減した50RMA350グレードの低ケイ素冷延鋼板を開発しました。単位鉄損値は3.12w/kgです。これらは、高効率モーターの生産と推進に優れた実質的な基盤を提供する可能性があります。 より大きな出力の 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 2 極モーターの風摩擦は、総損失の約 30% に達する可能性があります。風摩擦は主にファンによって消費される電力で構成されます。高効率モーターは一般に熱損失が少ないため、冷却風量を低減でき、換気動力も低減できます。送風能力はファン径の4～5乗にほぼ比例します。したがって、温度上昇が許せば、ファンのサイズを小さくすることで風摩擦を効果的に低減できます。さらに、換気効率を向上させ、風摩擦を軽減するには、換気構造の合理的な設計も重要です。高効率モータの高出力2極部は、一般モータに比べて風摩擦を約30％低減できることが試験により確認されています。換気損失が大幅に低減され、追加コストがそれほどかからないため、ファン設計の変更は、高効率モーターのこの部分に対して行われる主な対策の 1 つとなることがよくあります。 非同期モーターの漂遊損失は主に、磁界の高次高調波によって引き起こされるステーター、ローター コアおよび巻線の高周波損失によって引き起こされます。負荷の浮遊損失を低減するには、Y-Δ直列接続の正弦波巻線などの低高調波巻線を使用することで各相高調波の振幅を小さくし、浮遊損失を低減できます。テストの結果、正弦波巻線を使用すると漂遊損失を平均 30% 以上削減できることがわかりました。 5. ダイカストプロセスを改善してローターのロスを低減 ローターのアルミニウム鋳造プロセス中の圧力、温度、ガス排出経路を制御することにより、ローターバー内のガスを減らすことができ、それによって導電性が向上し、ローターのアルミニウムの消費量が削減されます。近年、米国は銅ローターダイカスト装置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る。計算によると、銅ローターをアルミニウムローターに置き換えると、ローター損失を約 38% 削減できることがわかりました。 6. コンピュータの最適化設計を適用して損失を削減し、効率を向上させます。 材料の増加、材料の性能の向上、プロセスの改善に加えて、コストや性能などの制約の下で、コンピュータによる最適化設計を使用してさまざまなパラメータを合理的に決定し、最大限の効率の向上を実現します。最適化設計を活用することで、モータ設計時間を大幅に短縮し、モータ設計の品質を向上させることができます。
投稿日時: 2024 年 8 月 12 日 