ACモーターの紹介

米国でエジソンがDC配電システムを導入した後、より経済的なACシステムへの段階的な移行が始まりました。照明はDCでもACでも同様に機能しました。

電気エネルギーの伝送は、交流でより低い損失でより長い距離をカバーしました。しかし、モーターは交流の問題でした。当初、ACモーターはDCモーターのように構成されていましたが、磁場の変化により多くの問題が発生しました。

AC電動機ファミリー図

Charles P. Steinmetzは、鉄製アーマチュアのヒステリシス損失の調査により、これらの問題の解決に貢献しました。ニコラ・テスラは、水や蒸気ではなく回転磁場によって回転する回転タービンを視覚化したときに、まったく新しいタイプのモーターを思い描いていました。

彼の新しいタイプのモーターであるAC誘導モーターは、今日まで業界の主力製品です。その頑丈さとシンプルさにより、長寿命、高信頼性、低メンテナンスが実現します。

それでも、DCの種類と同様に、小さなブラシ付きACモーターは、小さなテスラ誘導モーターと一緒に小さな電化製品で存続します。 1馬力（750 W）を超えると、テスラモーターが最高の地位を占めます。

最新のソリッドステート電子回路は、ブラシレスDCモーターを駆動します DC電源から生成されたAC波形を使用します。ブラシレスDCモーター、実際にはACモーターは、多くのアプリケーションで従来のブラシ付きDCモーターに取って代わりつつあります。そして、ステッピングモーター 、モーターのデジタルバージョンは、ソリッドステート回路によって生成された交流方形波によって駆動されます。

上の図は、この章で説明するACモーターの家系図を示しています。

クルーズ船やその他の大型船は、減速ギア付きドライブシャフトを大型の数メガワットの発電機とモーターに置き換えます。これは、長年にわたって小規模のディーゼル電気機関車に当てはまりました。

運動系レベルの図

システムレベルでは（上の図）、モーターは電位差と電流の流れの観点から電気エネルギーを取り込み、それを機械的仕事に変換します。残念ながら、電気モーターは100％効率的ではありません。モーター巻線のI2R損失（銅損とも呼ばれる）により、電気エネルギーの一部が熱に失われます。これは別の形式のエネルギーです。

熱は、この変換の望ましくない副産物です。モーターから取り外す必要があり、寿命に悪影響を与える可能性があります。したがって、1つの目標は、モーター効率を最大化し、熱損失を減らすことです。 ACモーターには、DCモーターでは発生しない損失、つまりヒステリシスと渦電流もあります。

ヒステリシスと渦電流

ACモーターの初期の設計者は、交流磁気に特有の損失に起因する問題に遭遇しました。これらの問題は、DCモーターをAC動作に適合させるときに発生しました。今日、DCモーターに類似しているACモーターはほとんどありませんが、あらゆるタイプのACモーターを適切に設計するには、これらの問題を解決する必要がありました。

ACモーターのローターコアとステーターコアはどちらも、絶縁されたラミネーションのスタックで構成されています。ラミネーションは、最終的な形に積み重ねてボルトで固定する前に、絶縁ワニスでコーティングされています。 渦電流 潜在的な導電性ループをより小さな損失の少ないセグメントに分割することにより、最小化されます。 （下の図）

電流ループは、短絡したトランスの2次巻線のように見えます。薄い孤立したラミネーションは、これらのループを壊します。また、ラミネーションに使用される合金にシリコン（半導体）を追加すると、電気抵抗が増加し、渦電流の大きさが減少します。

鉄心の渦電流

ラミネーションがシリコン合金の方向性鋼でできている場合、ヒステリシス 損失は​​最小限に抑えられます。磁気ヒステリシスは、磁力と比較して磁場強度に遅れをとっています。軟鉄の釘がソレノイドによって一時的に磁化される場合、ソレノイドがオフになると釘が磁場を失うことが予想されます。ただし、少量の残留磁化 、B _R 、ヒステリシスが残っているため（下の図）。

交流はエネルギーを消費する必要があります、-H _C 、強制力 、コアをゼロに戻す前にこの残留磁化を克服することで、反対方向は言うまでもありません。

ACの極性が反転するたびにヒステリシス損失が発生します。損失は​​、B-H曲線のヒステリシスループで囲まれた面積に比例します。 「軟質」鉄合金は、「硬質」高炭素鋼合金よりも損失が少なくなります。粒子または結晶構造を優先的に配向するために圧延されたシリコン粒子配向鋼、4％シリコンは、さらに低い損失を示します。

低損失合金と高損失合金のヒステリシス曲線

スタインメッツのヒステリシスの法則が鉄心損失を予測できるようになると、設計どおりに機能するACモーターを設計することが可能になりました。これは、実際に建設された後は崩壊しない橋を事前に設計できることに似ていました。

渦電流とヒステリシスに関するこの知識は、DCの対応するものと同様のAC整流子モーターの構築に最初に適用されました。今日、これはACモーターのマイナーなカテゴリーにすぎません。他の人は、DCキンとほとんど似ていない新しいタイプのACモーターを発明しました。