永久磁石同期モータの逆起電力
1. 逆起電力はどのように生成されるのでしょうか?
逆起電力の発生は分かりやすい。原理は導体が磁力線を切断することです。導体と磁力線の間に相対的な動きがある限り、磁場が静止して導体がそれを切断することも、導体が静止して磁場が移動することもあります。
永久磁石同期モータでは、コイルはステータ（導体）に固定され、永久磁石はロータ（磁場）に固定されています。ロータが回転すると、ロータ上の永久磁石によって発生する磁場が回転し、ステータ上のコイルによって切断されます。これにより、コイルに逆起電力が発生します。なぜ逆起電力と呼ばれるのでしょうか？その名の通り、逆起電力Eの方向は端子電圧Uの方向と逆方向です（図1参照）。
図1
2.逆起電力と端子電圧の関係は何ですか?
図1から、負荷時の逆起電力と端子電圧の関係は次のようになります。
逆起電力試験は、通常、無負荷、無電流、回転速度1000rpmで実施されます。通常、1000rpmの値は、逆起電力係数＝平均逆起電力値／回転速度と定義されます。逆起電力係数は、モータの重要なパラメータです。ここで注意すべき点は、負荷時の逆起電力は、速度が安定する前は常に変化していることです。式（1）から、負荷時の逆起電力は端子電圧よりも小さいことがわかります。逆起電力が端子電圧より大きい場合、発電機となり、外部に電圧を出力します。実際の作業では抵抗と電流が小さいため、逆起電力の値は端子電圧とほぼ等しく、端子電圧の定格値によって制限されます。
3. 逆起電力の物理的意味
逆起電力が存在しなかったらどうなるでしょうか？式（1）から、逆起電力がなければ、モータ全体が純粋な抵抗器と等価となり、大量の熱を発生する装置となり、モータの電気エネルギーから機械エネルギーへの変換に反することがわかります。電気エネルギー変換式では、
,UItは入力電気エネルギー、例えばバッテリー、モーター、変圧器への入力電気エネルギーです。I2Rtは各回路の熱損失エネルギーで、熱損失エネルギーの一種であり、小さいほど良いです。入力電気エネルギーと熱損失電気エネルギーの差は、逆起電力に対応する有用なエネルギーです。
つまり、逆起電力は有用なエネルギーを生み出すために利用され、熱損失と反比例関係にあります。熱損失エネルギーが大きいほど、達成可能な有用エネルギーは小さくなります。客観的に言えば、逆起電力は回路内で電気エネルギーを消費しますが、「損失」ではありません。逆起電力に相当する電気エネルギーは、モーターの機械エネルギーやバッテリーの化学エネルギーなど、電気機器の有用なエネルギーに変換されます。
このことから、逆起電力の大きさは、電気機器が総入力エネルギーを有用なエネルギーに変換する能力を意味し、電気機器の変換能力のレベルを反映していることがわかります。
4. 逆起電力の大きさは何に依存しますか?
逆起電力の計算式は次のとおりです。
E はコイルの起電力、ψ は磁束、f は周波数、N は巻数、Φ は磁束です。
上記の式に基づいて、逆起電力の大きさに影響を与えるいくつかの要因を皆さんも推測できると思います。以下に、その概要をまとめた記事を掲載します。
(1) 逆起電力は磁束の変化率に等しい。速度が速いほど変化率が大きくなり、逆起電力も大きくなる。
（2）磁束自体は、巻数と一巻あたりの磁束の積に等しい。したがって、巻数が多いほど磁束は大きくなり、逆起電力も大きくなる。
（３）ターン数は、スターデルタ結線、スロットあたりのターン数、相数、歯数、並列分岐数、全ピッチ巻線か短ピッチ巻線かなどの巻線方式に関係します。
（4）一回転磁束は起磁力を磁気抵抗で割ったものに等しい。したがって、起磁力が大きいほど、磁束方向の磁気抵抗は小さくなり、逆起電力は大きくなる。
（5）磁気抵抗はエアギャップと極・スロット間の調整に関係しています。エアギャップが大きいほど磁気抵抗は大きくなり、逆起電力は小さくなります。極・スロット間の調整はより複雑であり、専門的な解析が必要です。
（6）起磁力は磁石の残留磁気と磁石の有効面積に関係しています。残留磁気が大きいほど、逆起電力は大きくなります。有効面積は磁石の磁化方向、大きさ、配置に関係しており、具体的な分析が必要です。
（7）残留磁気は温度に関係しており、温度が高いほど逆起電力は小さくなります。
要約すると、逆起電力に影響を及ぼす要因には、回転速度、スロットあたりの回転数、相数、並列分岐数、フルピッチとショートピッチ、モーターの磁気回路、エアギャップの長さ、極スロットのマッチング、磁性鋼の残留磁気、磁性鋼の配置とサイズ、磁性鋼の磁化方向、温度などがあります。
5. モーター設計において逆起電力の大きさをどのように選択すればよいですか?
モータ設計において、逆起電力Eは非常に重要です。逆起電力が適切に設計されていれば（適切なサイズ、波形歪みが低い）、モータは優れた性能を発揮します。逆起電力はモータにいくつかの大きな影響を与えます。
1. 逆起電力の大きさによってモーターの弱磁点が決まり、弱磁点によってモーター効率マップの分布が決まります。
2. 逆起電力波形の歪み率は、モーターのリップルトルクとモーター運転時のトルク出力の滑らかさに影響します。
3. 逆起電力の大きさはモーターのトルク係数を直接決定し、逆起電力係数はトルク係数に比例します。
このことから、モーターの設計における次のような矛盾が分かります。
a. 逆起電力が大きい場合、モータは低速動作領域でコントローラの制限電流で高いトルクを維持できますが、高速ではトルクを出力できず、期待する速度に達することさえできません。
b. 逆起電力が小さい場合、モーターは高速領域での出力能力を維持しますが、低速では同じコントローラー電流でトルクを達成できません。
6. 逆起電力が永久磁石モーターに及ぼすプラスの影響。
逆起電力の存在は永久磁石モータの動作にとって非常に重要です。逆起電力はモータにいくつかの利点と特別な機能をもたらします。
a. 省エネ
永久磁石モーターによって生成される逆起電力はモーターの電流を低減し、それによって電力損失を減らし、エネルギー損失を減らし、省エネの目的を達成することができます。
b. トルクを上げる
逆起電力は電源電圧と逆位相です。モータの回転速度が上昇すると、逆起電力も増加します。逆電圧によってモータ巻線のインダクタンスが低下し、電流が増加します。これにより、モータはより大きなトルクを発生し、モータの電力性能を向上させることができます。
c. 逆減速
永久磁石モーターは電力を失った後も、逆起電力の存在により磁束を生成し続け、ローターを回転させ続けることができます。これにより、逆起電力逆速度の効果が形成され、工作機械やその他の装置などの一部の用途で非常に役立ちます。
つまり、逆起電力は永久磁石モータに不可欠な要素であり、永久磁石モータに多くの利点をもたらし、モータの設計と製造において非常に重要な役割を果たします。逆起電力の大きさと波形は、永久磁石モータの設計、製造プロセス、使用条件などの要因に依存し、モータの性能と安定性に重要な影響を及ぼします。
安徽明騰永久磁石電気機械設備有限公司（https://www.mingtengmotor.com/）は永久磁石同期モーターの専門メーカーです。当社のテクニカルセンターは40名以上の研究開発スタッフを擁し、設計、プロセス、試験の3つの部門に分かれ、永久磁石同期モーターの研究開発、設計、プロセス革新を専門としています。専門的な設計ソフトウェアと自社開発の永久磁石モーター専用設計プログラムを活用し、モーターの設計・製造プロセスにおいて、ユーザーの実際のニーズと具体的な動作条件に基づき、逆起電力の大きさと波形を綿密に検討することで、モーターの性能と安定性を確保し、モーターのエネルギー効率を向上させます。
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投稿日時: 2024年8月20日