業界は電気モーターの効率向上に注力

エネルギーを機械的な運動に変換する中核部品である電気モーターは、現代の産業用途において不可欠な動力源として機能しています。この記事では、モーターの基礎、エネルギー変換の原理、損失メカニズム、および効率最適化戦略について包括的に分析します。

広義には、モーターは運動を生成できるあらゆる動力ユニット（原動機）を表します。具体的には、電気モーターは電気エネルギーを動力源として利用します。より正確には、電気モーターは、電気から運動エネルギーまたは電気から機械エネルギーへの変換プロセスを通じて、電気エネルギーを機械エネルギーに変換します。

エネルギー変換中、電気入力電力は機械出力電力に変換され、必然的に熱としてエネルギーが消費されます。この消費されたエネルギーがモーターの「損失」を構成します。

日本では、電力消費の60％以上がモーターの運転に直接関係しています。世界的に見ても、この割合は依然として重要です。したがって、低損失で高効率のモーターを設計し、実装することは、持続可能な開発にとって環境的および経済的に大きな意味を持ちます。

入力電力、機械出力電力、および損失の関係は、次の基本方程式に従います。

入力電力 = 機械出力電力 + 損失

すべての項は測定単位としてワット（W）を使用します。コンポーネントの計算は次のとおりです。

• 入力電力 [W] = 電圧 [V] × 電流 [A]
• 機械出力電力 [W] = 回転速度 [rad/s] × トルク [Nm]

モーター効率はパーセンテージで表され、機械出力電力と電気入力電力の比率を表します。

効率 [%] = (機械出力電力 [W] / 入力電力 [W]) × 100%

効率を高めるには、エネルギー損失を最小限に抑え、入力電力の有用な機械的仕事への変換率を最大化する必要があります。

モーターの損失は、主に銅損と鉄損に起因し、機械的摩擦損失を超えています。

• 銅損: 巻線抵抗を流れる電流によるジュール熱であり、電流の2乗に比例します。削減戦略には、より太い導体を使用するか、巻線構成を最適化することが含まれます。
• 鉄損: 磁気コアにおけるヒステリシス損失と渦電流損失で構成され、磁束密度と周波数に依存します。解決策としては、低損失コア材料と積層コア構造を使用することが挙げられます。

モーター効率を向上させるための主なアプローチには、次のものがあります。

• 設計の最適化: 磁気回路設計、巻線分布、およびエアギャップの改善
• 高度な材料: 低損失コア材料と高導電率巻線
• 可変周波数ドライブ: 実際の負荷要件へのモーター速度のマッチング
• 永久磁石同期モーター（PMSM）: 誘導モーターのより高効率な代替品
• インテリジェント制御: ベクトル制御および直接トルク制御アルゴリズム
• 回生ブレーキ: ブレーキサイクル中のエネルギー回収

世界的な効率基準には、次のものがあります。

• IEC 60034-30-1（IE1からIE4の効率クラス）
• NEMA Premium認証
• 中国の義務的なモーター効率基準

産業用ポンプの改修: ある化学プラントでは、標準モーターをIE3効率ユニットに交換し、可変速制御を実装することで、20％以上の省エネを達成しました。

エレベーターシステムのアップグレード: ある高層ビルでは、永久磁石モーターの設置と回生ブレーキ技術により、エレベーターのエネルギー消費量を30％削減しました。

モーター技術は、次のように進化し続けています。

• 高度な材料と制御システムによる高効率化
• コンパクトな用途向けの高出力密度化
• スマートモニタリングと予測保全機能
• 環境に配慮した製造プロセス

産業の電化が進むにつれて、モーター効率の向上は、省エネルギーと環境保護のためにますます重要になります。材料、設計、制御システムにおける継続的な技術革新を通じて、次世代のモーターは、地球規模の持続可能性目標の達成において重要な役割を果たすでしょう。