誘導電動機単語

ユウドウモーター

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誘導電動機とは、電磁誘導の現象を利用して回転する交流モーターである。英語では"Induct ion Motor"と表記され、その頭文字をとって「IM」とも呼ばれる。

ここでは、かご形回転子の三相誘導モーターを中心に解説する。

概要

鉄道車両の主電動機としてお馴染み。直流モーターでは必須となる摩擦部品(整流子＋ブラシ)が無いため、小型軽量かつ頑丈、高速回転が可能なモーターであり、それらの特長は鉄道車両の高性能化に大きな貢献をもたらした。

直流モーターと違い、回転数は交流電源の周波数に概ね比例する。したがって、鉄道車両のようにあらゆる回転数で使用する用途では、電圧だけでなく周波数の制御が必要、すなわちVVVF制御での駆動が必須である。その技術が確立されていなかった時代には、一定の回転数で使用するモーターとして扱われていた。

なお、回転子の電流をスリップリング(:直流モーターの摩擦部品に似た機構)で取り出して制御するタイプもあるが、今では殆ど使われなくなっている。当然、鉄道車両での採用例も無い。

基本的な構造

アルミや銅など導体の円板に沿って磁石を動かすと、電磁誘導によって円板に渦電流が生じ、渦電流と磁石との相互作用により、円板が磁石と同じ方向に回転する。誘導モーターは、このアラゴーの円板と呼ばれる実験をそのまま回転原理として利用している。

誘導モーターでは、円筒形の固定子コイルに三相交流の電力を送ることで、磁石を動かす代わりに、それと同じような磁束(:回転磁束)を発生させる。回転磁束の回転数(:同期速度)は三相交流電力の周波数に比例し、電圧と周波数の比率(V/f)が一定になるよう制御することで、回転磁束の強さが一定に保たれる。

回転子も単なる導体の円板ではなく、導体棒と短絡環から構成される「かご形導体」に鉄心をはめ込んだ「かご形回転子」である。固定子コイルの回転磁束が導体棒を横切ることで、誘導電流が「かご形導体」を循環する形で流れ、フレミングの左手の法則に基づく電磁力がトルクとして発生する。

「すべり」とは

誘導モーターはその回転原理上、回転速度と同期速度には必ず速度差が生じる。この速度差を「すべり」と言い、以下の式で表される。

すべり＝(同期速度ー回転速度)÷同期速度

"すべり"が+の値であれば電動機として回転し、－の値であれば発電機として回転し減速トルクを発生する。トルクの大きさは"すべり"に比例するため、一定のトルクで加減速を行うには、モーターの回転数に合わせて周波数を制御しなければならない。VVVF制御が必須なのはそのためだ。

なお、"すべり"が過大ではトルクは弱くなり、一方で回転子には大きな誘導電流が流れてしまう。そのため誘導モーターは、誘導電流とトルク双方の大きさが"すべり"に比例する範囲(:鉄道車両では最大でも±3％程度)で使用される。

近年の改良

最近では、材質の改良により発熱を低減させたことで、モーター内部を密閉構造としたタイプが増えている。これらは俗に「全密閉モーター」と呼ばれ、清掃作業の簡略化や回転騒音の低減が期待できることから、鉄道車両でも採用が増えている。

余談だが、小田急4000形など一部の電車で見られる「同じ誘導モーターなのにモーター音が今までの電車と全然違う」現象は、全密閉モーターが採用されたことではなく、モーターの極数の変更が直接の理由である。詳しくは全密閉モーター記事を参照。