【EVモーター】同期電動機の種類と回転原理を詳しく学ぼう【界磁とは？永久磁石とは？リラクタンスとは？】

EV推進、身近なものの電動化等、電動機の重要性がますます増していっています。そこで、電動機の種類から動作原理まで、数式をなるべく用いずに分かりやすく解説してみました。その他「電験機械科目に関する解説記事」・「電験に合格するコツ」・「電験にオススメの書籍」等、電験三種を受験する上でのお役立ち記事も書いておりますので、ぜひご覧ください。

誘導電動機と同期電動機は「交流電動機」に分類されます。交流電動機は、先ほど説明した直流電動機とは異なり、交流電源により駆動される電動機です。誘導電動機をさらに分類すると「単相誘導電動機」と「三相誘導電動機」になりますが、一般的に誘導電動機というと、三相誘導電動機、さらに言うと「三相かご形誘導電動機」のことを指すことが多いです。したがってこの記事では、三相かご形誘導電動機について解説していきます。三相かご形誘導電動機は下のイラストのような外観をしています。

これパワポで作成したんです！凄いでしょ！！

三相誘導電動機は「三相交流電源」を接続することによって駆動する電動機ですが、この三相交流電動機の駆動の理解に欠かせないのが「回転磁界」の存在です。この回転磁界の理解につまづく方が非常に多いように思います。後ほどしっかり解説していきますので、まずは構造を見ていきましょう。

かご形誘導電動機の回転子は＜画像8＞のようなアルミで作られたかご状の導体が、鉄心に組付けられたものになります。誘導電動機の用途同期電動機

同期電動機は、後ほど解説する「回転磁界」と同じ回転速度で回転する、すなわち同期して回転するので「同期電動機」という名前がついています。

回転磁界って何だろう？

三相交流とは？時間的に流れる方向が変わらない電流。また，方向と同時に大きさも変化しない電流時間の経過とともに周期的に向きや大きさが変化する電流次に、三相交流の定義を見てみましょう。三つの電圧または電流の振幅が等しく，各電圧間の位相差がそれぞれ120度ずつである交流。回転磁界が生じる仕組み

矢印の角度は厳密ではありませんが、合成磁界の推移を見て取れます。今回の場合は時計回りに回転していることが分かります。これが「回転磁界」たる所以となります。回転磁界の回転速度は電動機の極数と周波数で決まります。極数は電動機の構造上変わらないので、変えることが出来るのは周波数のみとなり、周波数が一定であれば、回転磁界の回転速度（以下同期速度という）は一定となります。

”誘導”電動機と”同期”電動機は何が違うのか？

回転メカニズムの違い

固定子に三相交流電源を接続すると回転磁界が生じる。
回転磁界が「かご形回転子（導体）」を横切る。
かご形回転子に電圧が誘導され、電流が流れる。
回転磁界と回転子に流れる電流との相互作用で回転トルクが発生する。

以上のように、誘導電動機は、回転子を貫く磁束が変化する（回転磁界が回転子を横切る）ことで電圧が誘導され電流が流れトルクを生じます。したがって、回転磁界の回転速度が回転子の回転速度より早くなければなりません。したがって回転子の回転速度は、回転磁界の回転速度（同期速度）よりも遅くなります。また、

固定子に三相交流電源を接続すると回転磁界が生じる。
回転磁界と回転子の磁石との間に吸引力が働き、回転トルクが生じる。

吸引力というのは、 S・N同士が引き付けあう力のことを言います。この力を利用し回転するのが同期電動機なので、回転磁界の回転速度と回転子の回転速度は等しくなります。

発電機として使用するには…?

＜画像21＞の「すべりートルク曲線」は、誘導機のすべり（横軸）とトルク（縦軸）の関係を示したグラフになります。すべり$s$が１の時が始動時、すべり$s$が０のときが、回転子の回転速度と回転磁界の回転速度と同じになったときになります。なので右の発電の領域は、回転子の回転速度が回転磁界の回転速度よりも早くなった領域ということになります。つまり、固定子による回転磁界が生じている中で、外部から回転子に力を与え、同期速度よりも早くすれば誘導発電機になります。

永久磁石式同期電動機とは何だろう？

永久磁石式同期電動機の仕組み永久磁石式同期電動機の特徴

回転子に永久磁石を用いるので界磁損失が無い。
埋込磁石同期電動機の場合、マグネットトルク（磁気吸引力によるトルク）とリラクタンストルク（後述）を利用することが出来る。
表面磁石同期電動機の場合、永久磁石が回転子表面にあるため磁束密度を有効利用できる反面、高速回転では磁石が割れたり脱落するおそれがある。

巻線界磁式同期電動機とは何だろう？

巻線界磁式同期電動機の仕組み巻線界磁式同期電動機の特徴

界磁電流を調節することで、界磁磁束の調整が可能となる。
界磁電流による損失（界磁損失）が生じる。
永久磁石を用いないので、レアアースレスとなり材料供給リスクが低下する。

どんな車種に使われているのだろう？

リラクタンスモーターって何だろう？

リラクタンスモーターの仕組み

リラクタンスモーターは、その名の通り「リラクタンストルク」を利用した電動機になります。先ほど解説した「永久磁石式同期電動機」の埋込磁石同期電動機は、マグネットトルク＋リラクタンストルクでしたが、この電動機は「リラクタンストルク」のみで回転する電動機です。

リラクタンストルクとはなんだろう？リラクタンスモーターの特徴

高速回転に適する
永久磁石を用いないのでレアアースレスとなり、安価に作れる。
振動騒音が大きい
低速回転時に回転力の変動が大きい

終わりに

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