動画講義で学習する！モーターの基本無料講座
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モーターは動力として
使われるものですが、モーターには
いろいろな種類があります。
機械、設備の動力として電動機(モーター)は
なくてはならない電気機器です。
その電動機(モーター)の中でも
三相誘導電動機(三相モーター)は最も
使用されている電動機(モーター)に
なります。
三相誘導電動機(三相モーター)は名称に
あるとおり電源として三相交流を使う
電動機(モーター)です。
ですので、一般家庭では使われることは
ありませんが工場では必ずといっていいほど
使われています。
あなたが産業機械、設備を扱う仕事を
しているなら、意識していないだけで
必ず1度は使っているはずです。
電気の資格でいうと
電気工事、電気主任技術者の資格試験
でも三相誘導電動機(三相モーター)に
関する問題は出題されます。
それだけよく使い重要な電動機(モーター)
だということです。
このサイトでは三相誘導電動機(三相モーター)
について、種類や構造、回転の仕組み、始動法、学習方法など
多方面にわたり概要を解説します。
1.三相誘導電動機(三相モーター)の種類
2.三相誘導電動機(三相モーター)の構造
3.三相誘導電動機(三相モーター)の回転原理
4.三相誘導電動機(三相モーター)を逆回転させる方法
5.三相誘導電動機(三相モーター)の始動方法
6.三相誘導電動機(三相モーター)の速度制御
7.三相誘導電動機(三相モーター)のトップランナー制度
8.三相誘導電動機(三相モーター)の勉強方法
9.まとめ
1.三相誘導電動機(三相モーター)の種類
三相誘導電動機(三相モーター)には
2種類あります。
それはかご型三相誘導電動機と
巻線型三相誘導電動機です。
このサイトではかご型三相誘導電動機に
ついての説明を主とし巻線形三相誘導電動機に
ついては多くを省かせてください。
理由はこのサイトの筆者は
仕事実務で何度も三相誘導電動機(三相モーター)を
扱ってきていますが、扱う(故障修理する)
三相誘導電動機(三相モーター)は
かご型三相誘導電動機であり
巻線型三相誘導電動機は扱うことが
ないからです。
それと三相誘導電動機(三相モーター)で
使用されるのは圧倒的に
かご型三相誘導電動機であり
巻線型三相誘導電動機は現代では
ほとんど使われません。
ですので、このサイトを閲覧する方も
巻線型三相誘導電動機を扱う方は
少ないので困ることはないと思います。
巻線型三相誘導電動機は後述する
部品である回転子(ローター)が
かご型三相誘導電動機と違います。
それによりかご型三相誘導電動機より
始動特性や速度制御性に優れた使い方
ができます。
ですので、かご型三相誘導電動機よりも
重宝されそうなものですが
インバータという三相誘導電動機(三相モーター)
の速度制御することができる電子機器が
広く使われるようになったこともあり
その地位を奪われたということもあります。
そして電動機(モーター)は使用すると
部品が摩耗するのでメンテナンスが必要
なのですが、巻線型三相誘導電動機は
かご型三相誘導電動機よりもメンテナンスが
必要な部品が多く使いずらいということも
あります。
巻線型三相誘導電動機について
勉強したい場合は、第三種電気主任技術者の
資格試験にも出題されますので
その参考書を読んでみればいいと思います。
2.三相誘導電動機(三相モーター)の構造
かご型三相誘導電動機(以後、三相誘導電動機)
の構造について説明していきます。
三相誘導電動機の分解
この右写真はある三相誘導電動機を
分解した写真です。
この写真で分解した部品を元に
部品の名称や役割等を説明していきます。
固定子(ステータ)
固定子(ステータ)
まずはこの右写真の部品です。
これは固定子もしくはステータと呼ばれる
部品です。
固定子(ステータ)は、コイル、固定子鉄心、
固定子わくで構成されています。
この右写真のように、固定子わくに
固定子鉄心とコイルが収まっています。
この右イラストのように
固定子鉄心の
スロットと呼ばれる溝へ
コイルを収めています。
固定子わくは、この後で説明するブラケット
を組み、右写真のようにこの後説明する
回転子(ステータ)を中に収めその重量を
支えます。
そして、固定子わくをボルトで固定して
取り付けます。
三相誘導電動機の起動時
起動方法によっては三相誘導電動機
本体の衝撃が走ります。
その衝撃は固定子わくが受けるわけです。
この固定子わくは三相誘導電動機
の力、保護の中心的な役割をすることに
なります。
固定子(ステータ)の電気的役割は
磁気を発生させることです。
後で説明しますが、そのために固定子鉄心に
コイルをおさめているのです。
回転子(ロータ)
回転子(ステータ)
右写真は回転子もしくはロータと呼ばれる
部品です。
この回転子(ロータ)が回転することで
その回転力が動力となって負荷を動かします。
かご型導体この回転子(ロータ)を分解すると
この右イラストのような部品がでてきます。
この部品はかご型導体といわれます。
このことからかご型三相誘導電動機と
いう名称がついているのです。
ベアリング
右写真は軸受部品で
ベアリングと
呼ばれます。
ベアリングは、
右写真のように
回転子(ロータ)に嵌めて使います。
このベアリングの役目ですが、
「軸受」という
文字通りを軸を受ける役目をします。
回転子(ロータ)は
固定子(ステータ)におさめるわけですが
このままだと回転子(ロータ)と固定子(ステータ)
は接触しているのでスムーズに回転することが
できません。
そこで軸を受ける部品を加えることで
回転子(ロータ)を固定子(ステータ)から
浮かして接触しないようにするのです。
ブラケット
その回転子(ロータ)を
浮かすための
部品が右写真のブラケットです。
ブラケットは、組み立てた三相誘導電動機
では右写真の位置にある部品です。
このブラケットには右写真で示したように
勘合部があります。
この勘合部はベアリングがピッタリと嵌る
サイズになっていて、ここにベアリングを
右写真のように嵌めます。
最終的には右写真のように組み立てられます。
ブラケットは固定子わくにボルトで組まれます。
回転子(ロータ)とブラケットは組まれています。
ですので、ブラケットと固定子わくを組んで
しまうと回転できないように感じますが、
実際は回転できています。
それは、ベアリングの内輪は回転できる
からです。
外輪はブラケットの勘合部としっかりと
嵌りあっていますが内輪は回転できるので
ブラケットと組み立てられた状態でも
スムーズに回転できるのです。
これについてはベアリングの内輪が
回転する映像を見た方がいいと
思うので、次をクリックして確認してください。
端子箱
次に固定子わくについた右写真の部分は
端子箱です。
端子箱を開くと中は右写真のようになっています。
端子箱はの中の端子は
固定子(ステータ)の
コイルと接続されています。
この端子に三相電源を入力して
三相誘導電動機は使用します。
冷却ファンとファンカバー
右写真は
冷却ファンとファンカバーです。
冷却ファンを組み立てると右写真の位置にきます。
冷却ファンは回転子(ロータ)が
回転すると一緒に回転します。
そしてその風で三相誘導電動機
を冷却します。
この三相誘導電動機(三相モーター)は
全閉外扇式と呼ばれる
三相誘導電動機(三相モーター)になります。
その名前のとおり
固定子(ステータ)の中は全て閉じられて
おり、外にファン(扇)がついていますね。
ちなみに、全閉外扇式の三相誘導電動機
の中でも標準品、防水や
防爆等の種類があり用途によって使い分けます。
3.三相誘導電動機(三相モーター)の回転原理
三相誘導電動機がなぜ回転
するのか、その原理・仕組みについて説明していきます。
アラゴの円板
三相誘導電動機の回転原理を
説明する時には必ずといっていいほど
アラゴの円板の回転現象の説明がでてきます。
アラゴの円板とは、そういった名前の
円板があるのではなく、
右写真のようにアルミ製の円板の上で
磁石を回転させるとそれに追従して円板が
回転することをアラゴという人が発見したので
円板を使った回転現象の説明自体を
アラゴの円板という名称で呼んでいるだけです。
磁石にアルミはつきません。
しかし、アルミの円板の上で磁石を回転
させるとそれについて円板も回転するのです。
次の映像でそれを確認してください。
映像ではアルミの円板は
なぜか回転していました。
三相誘導電動機の回転は
アラゴの円板と同じ理由で回転します。
ですので、
まずはアラゴの円板がなぜ回転したのかを
説明することにします。
フレミングの左手の法則
アラゴの円板の回転はフレミングの左手の
法則で説明できます。
フレミングの左手の法則は
磁界の向き、電流の向き、力の向きの
相互関係を示す法則でした。
電流が流れる導体が磁界の中にあると
その導体に電磁力が発生して
動きます。
この電磁力が回転する力です。
磁石を導電体に近ずけたり遠ざけたりと
磁界を変化させると導電体に電流が発生します。
例えば、この右イラストのように
板状の導電体の上で磁石を動かすと
渦を巻く電流が流れます。
これを渦電流といいます。
アラゴの円板にあてはめると
右イラストのように磁石を回転させて
移動させるということは、元々磁石が
あった地点は磁石が遠ざかることになります。
そして、磁石が移動した地点は、
磁石が近ずいてきたことになります。
それぞれに磁界が変化したので
それぞれに渦電流が流れます。
磁界の変化の方向で流れる電流の
向きは違いますが、渦電流ですので
同じ向きになる部分があります。
それが電流の向きになります。
磁石により磁界は元々ありますので
渦電流が発生することで
フレミングの左手の法則の
電流と磁界が発生したことになります。
磁界はＮ極からＳ極の向きです。
それをフレミングの左手の法則
にあてはめると 電磁力の向きが
わかります。
右イラストのように
電磁力の向きは磁石が移動する
方向になります。
磁石が移動することで渦電流が発生するので
磁石が止まると回転も止まります。
そして、円板の回転の方が遅くなります。
これがアラゴの円板が電気も通じず
触りもせずに回転できる理由です。
三相誘導電動機にあてはめる
では、三相誘導電動機
で考えてみましょう。
アラゴの円板のアルミ製の円板は
回転子(ロータ)に、磁石は固定子(ステータ)
になります。
円板=回転子(ロータ)というのは
なんとなく分かると思います。
「2.三相誘導電動機(三相モーター)の構造」
で回転子を分解するとかご型導体がある
と説明しましたが
その導体に渦電流が流れます。
固定子が磁石というのは分かりずらいかも
しれません。
「2.三相誘導電動機(三相モーター)の構造」で
固定子わくには固定子鉄心がおさまっていて
そのスロットという溝にコイルをおさめている
といいました。
そして、端子箱の中の端子はコイルと
接続されておりそこに三相交流電源を接続します。
つまり、鉄心に巻いたコイルに電気を
通じるのです。
これは電磁石と同じですよね?
これで固定子内の磁石のできあがりです。
これが固定子＝磁石の理由です。
アラゴの円板では手で磁石を回転させましたが
固定子(ステータ)は回転しません。
にも関わらず回転するのは固定子内に発生した
磁界は回転するのです。
そのあたりは、三相誘導電動機が
回転する仕組みのミソとなる部分ですので
掘り下げて説明します。
コイルを3つ巻いた三相誘導電動機
で考えます。
(*複数巻いても端子にでるのは3本か6本)
正面から見ると右イラストのような
感じになります。
ねずみ色が固定子わくで黄色がコイルだと
考えて下さい。
3本のコイルで6個コイルの端があるのは
巻き始めと巻き終わりを示しています。
立体的に見ると右イラストのようなイメージで
考えてください。
A,B,Cの3本のコイルがあり
A1,B1,C1が巻き始め、A2,B2,C2が巻き終わり
だと考えください。
右イラストのような向きで
コイルに
電流を流したとします。
ちなみに、
正面から見たコイルで
●と×がありますが
あれは電流の
向きを示します。
●は画面の奥から手前方向へ電流が流れる
×は手前から画面から奥へ電流が流れることを
示します。
三相誘導電動機の参考書をみると
よくこの書き方で電流の向きをあらわして
います。
覚え方ですが、弓矢を連想してください。
●は弓矢の先端と考えて矢が向かってくる方向
つまり画面の奥から手前へ向かう方向です。
×は弓矢の羽と考えて矢が向かっていく方向
つまり画面の手前から奥へ向かう方向です。
それで電流が流れると
右ねじの法則に従い
右イラストのように磁界が発生します。
三相交流は交流電源ですので
時間と共に電流の方向が変わります。
ですので先のイラストとは
別の方向
右イラストのようにもなります。
では、磁界の向きを三相交流、
3つの
コイルで考えいきます。
右イラストは三相交流の波形で
T0,T1,T2,T3,T4の時間の各ポイントで
磁界を考えていきます。
T0のポイントでの電流の方向、磁界の
向きは右イラストのようになります。
Aの波形は+方向ですので
コイルの巻はじめA1は画面手前から奥へ
電流が流れます。
ですので右ねじの法則により
このような磁界の向きになります。
A2の巻き終わりは逆に画面の奥から手前へ
電流が流れます。
ですので磁界の向きも逆方向になります。
同じようにBとCを考えると
このイラストのようになります。
6つの磁界ができたわけですが
方向には統一性があります。
磁界を合成してみると
右イラストのような磁界となります。
磁界の方向はN極からS極ですので
正面から見て右がN極、左がS極となります。
では、同じようにT1～T4までを考えます。
すると上イラストのようになります。
T0からT4の時間の変化とともに
合成した磁界が回転していっています。
もしT5があれば一回転することは
想像できると思います。
このように三相誘導電動機では
磁界が回転するのです。
この回転する磁界を回転磁界といいます。
なぜ回転するか、
ここから先は既に説明したアラゴの円板と
同じ理由です。
回転磁界によって回転子(ロータ)に渦電流が流れ
フレミングの左手の法則に従い
回転磁界の回転方向と同じ方向へ
回転子(ロータ)=モーターが回転するのです。
これが三相誘導電動機の
回転原理・仕組みです。
ここでは、フレミングの左手の法則や
右ねじの法則等の説明は割愛しました。
このブログでは、それも含めもっと
多くのことを解説した講座もあります。
学習したい方は以下をクリックして
みてください。
4.三相誘導電動機(三相モーター)を逆回転させる方法
三相誘導電動機の回転方向を
変えるのは非常に簡単です。
三相誘導電動機は3つのコイル端と
三相交流を接続して回転させます。
その接続を右イラストのように一対変えるだけで
逆回転させることができます。
簡単ですので電気屋さん
以外でも
知っている人は多いです。
これを相順を変えるといいます。
事実として相順を変えると逆回転はするのですが
しっかりと考えて納得したい場合は
「3.三相誘導電動機(三相モーター)の回転原理」
を参考にして
A相、B相、C相のどれか接続を変えてみて
磁界の回転方法が変わるかを確認して
みてください。
5.三相誘導電動機(三相モーター)の始動方法
三相誘導電動機の始動法は
いくつかあります。
その概要を紹介しておきます。
直入れ始動
三相交流とコイル端子をそのまま接続する
始動法です。
スターデルタ始動
三相誘導電動機は始動時に
始動電流といって定格電流の何倍もの
電流が流れます。
定格電流とは、その三相誘導電動機に
流していい最大電流であり
その値を超える電流は流し続けると
故障します。
始動電流は電圧降下などを起こし
他の電源へ悪影響を及ぼすことがあります。
それを緩和するために
スターデルタ始動を使います。
コイルの結線には
スター結線とデルタ結線があります。
スターデルタ始動は始動時の数秒間だけ
スター結線で動作させ、その後は
デルタ結線で動作させる始動法です。
スター結線にするとトルク(回転する力)が
1/3になりますが電流値も1/3になります。
ですので電流値を抑えることができます。
そのままトルクが1/3ではいけないので
電流も3倍になりますがデルタ結線に
変えるのです。
接続は外部にコイルの両端をだして
外部で機械接点等を使ってコイル同士を
つなげます。（接続します。）
外部で接続するため、写真のように
3つのコイルの両端で6本の口出線が
出ています。
6本の口出線昔は機械的に手動で切り替えていましたが
今は電気制御で自動的に切り替えるのが
主流となっています。
電気制御では、電磁接触器や電子タイマーを
使って自分で作成できますが
下写真のように、スターデルタ始動器として
完成品を購入して使う場合もあります。
スターデルタ始動器：富士電機カタログより(電磁接触器については
以下のページを参考ください。
→電磁接触器とは、電磁開閉器とは何か)
インバーター始動
右写真のような電子機器をインバーターといいます。
インバーター始動はインバーターから
三相誘導電動機へ
電気を通じて始動する方法です。
インバーターでは、
突入電流を抑えることもできます。
ですのでインバータを使えば
スターデルタ始動は必要ありません。
インバーターは設定によって
いろいろな使い方をすることができます。
ですので使う目的は様々ですが
大半の目的は回転速度(回転数)を変えるためです。
インバータについては
以下のサイトでも
解説していますので
ご参考ください。
6.三相誘導電動機(三相モーター)の速度制御
三相誘導電動機は駆動する
負荷によっては回転速度を変えて使いたい
ことが多々あります。
三相誘導電動機の速度は極数を変えたり
周波数を変えることで変更します。
極数を変えるとは
「3.三相誘導電動機(三相モーター)の回転原理」
で回転磁界について説明しましたが
あそこではN極、S極が1つずつでした。
ですので2極になります。
コイルの数を増やすことでこの極数は
変わります。
そして極数が増えると回転数は遅くなります。
2極、4極、6極・・・とありますが
一般に4極がよく使われます。
現代ではこの極数を変えて回転数を
変えるよりも周波数を変えて回転数を
変える方法が主流となっています。
周波数が高くなると回転数は上がり
低くなると回転数は下がります。
「3.三相誘導電動機(三相モーター)の回転原理」
では三相交流1周期で一回転しました。
もし周波数が速くなり同じ時間で2周期
となると回転数は2倍になりますよね。
この周波数を変える機器がインバーターです。
極数で回転数を変える場合は
回転数は極数毎に固定されてしまい
後から回転数を変えることはできません。
(完成品のコイル数の変更はできませんから)
インバーターを使えば後からでも
リニアに変更できます。
あと少し遅くしたいとかそういった細かい
調整もできるのです。
このインバーターが一般的に使われるように
なったことで、堅牢でメンテナンス性もいい
三相誘導電動機が直流電動機など
他の電動機と置きかわる様になったのです。
同じ三相誘導電動機でも
かご型三相誘導電動機の方が
巻線型三相誘導電動機よりも
圧倒的に使われるようになったのです。
7.三相誘導電動機(三相モーター)の
トップランナー制度
三相誘導電動機(三相モーター)は
日本の消費電力量の約55%を占める
ぐらい電力を消費することから
2015年の4月から
トップランナー制度が導入されました。
これは今まで使っていた標準タイプ
ではなく、高効率タイプのものしか
新たに使えないように規制するものです。
高効率にすることで消費電力量を
減らそうという試みですね。
そのことから、メーカーは高効率タイプの
三相誘導電動機しか販売しません。
ただ、全てのタイプ、容量の三相誘導電動機
が対象ではありません。
その対象については以下の
日本電機工業会のサイトを参考と
してください。
高効率タイプの方が値段は高いですが
取付寸法等は同じですので取付には
困ることはなさそうです。
（一部端子箱の大きさが違い
狭い設置場所で交換できないと
いう話を聞いたことはあります。)
電気特性的には
始動電流が増加するので今設置している
ブレーカーの容量を再検討しなければ
いけない事例もでています。
（筆者の身近では今の所ないです。)
8.三相誘導電動機(三相モーター)の勉強方法
三相誘導電動機の理論に
ついて勉強したい場合は、本屋にいけば
大学の授業で使うような参考書は
何冊か置いてあります。
参考書のタイトルに三相誘導電動機
が入っていなくても、誘導電動機とか
電気機器という名前が入ったタイトルの本ならば
その中で三相誘導電動機に
ついても解説していることが多いです。
また、三相誘導電動機は
電気主任技術者の資格試験でも
出題されます。
ですので電気主任技術者の資格対策本
を使う方法もあります。
三相誘導電動機の設計に
関する本は最近では見なくなりました。
筆者は設計に関する参考書を持っていますが
かなり古いですね。(昭和30年代とか)
同じく故障修理に関する本も本屋では
見ることはありませんね。
筆者は故障修理に関する参考書も
持っていますがこれもかなり古いです。
(参考書が200円で購入できる時代です)
実習も含めた保全的なことが勉強したい
場合は、たまに 大手保全会社が
講習会を開催しているのを
見ることはあります。
(筆者は参加したことはありませんが)
三相誘導電動機について
更に細かく基礎を学習して
機械・設備の三相誘導電動機が絡む
故障対応法を勉強したい場合は
当方にて学習教材も販売していますので
以下をクリックしてご確認ください。
三相誘導電動機は保全でいうと
電気系の機械保全の分野です。
このブログで、電気系機械保全に
必須のスキルや学習法を
紹介しておりますので
以下をクリックしてご確認ください。
9.最後に
このサイトで紹介したことが
三相誘導電動機の全てでは
ありませんが、概要を多少でも知ることが
できたのではあれば幸いです。
三相誘導電動機は
産業現場で機械、設備を扱う方は
必ず関わることになります。
昔のように手動で機械を動かす時代では
ないからです。
回転物であり巻き込まれると大けがを
することになります。
センサー等で制御する機械で、
センサーが故障したと思って
手を突っ込んだら
突然動作しはじめることも
ないとはいえません。
（これで大けがをした人もいます。）
安全だけには気をつけて
扱うようにしてください。
長く読んでいただきありがとう
ございました。
