ACモーター技術の基礎と進歩

トーマス・エジソンが米国全土に直流配電網を敷設した後、照明性能が直流と同等であることから、業界はよりコスト効率の良い交流システムへと移行していきました。

交流は長距離送電において損失が少なく優れていました。しかし、直流モーターの設計を交流用に適用しようとした初期の試みは、時間変化する磁場によって引き起こされる困難に直面しました。

AC電動機ファミリー図

チャールズ・P・スタインメッツは鉄製電機子のヒステリシス損失を定量化することでこれらの課題に取り組み、ニコラ・テスラは蒸気や水ではなく回転磁場によって駆動される、最初の真の交流駆動モーターであるタービンを考案しました。

テスラの交流誘導モーターは、その堅牢性、シンプルさ、長寿命、最小限のメンテナンスで業界の主力となっています。

ブラシ付き交流モーターは直流モーターと同様に小型家電製品で使用され続けていますが、1馬力（約750W）以上の用途ではテスラ誘導モーターが主流です。

現在、固体素子エレクトロニクスによって直流が交流波形に変換され、ブラシレスDCモーター（本質的には交流モーター）を駆動することで、多くの場面で従来のブラシ付き設計が置き換えられています。同様に、ステッピングモーターは電子制御によって生成される交流矩形波によって駆動されるデジタル派生品です。

上記の図は、本章で説明されている交流モーターファミリーの進化を示しています。

大型客船やディーゼル電気機関車などの大型船舶では、ギアードドライブシャフトの代わりに大容量のマルチメガワット発電機とモーターが長年使用されてきました。

モーターシステムレベル図

システムレベルでは、モーターは電圧と電流によって供給される電気エネルギーを機械的仕事に変換します。電気モーターは100%の効率に達することはなく、入力電力の一部が巻線におけるI²R（銅）損失として熱に変換されるため、非効率が生じます。

この熱は効果的に除去する必要があります。過度な熱蓄積はモーター寿命を縮める可能性があるため、効率の最適化、すなわち熱損失の最小化が最重要課題となります。交流モーターはまた、直流機器にはないヒステリシス損失や渦電流損失といった固有の損失にも対処しなければなりません。

ヒステリシスと渦電流

初期の交流モーター設計者は、直流モーターの概念を交流に適用した際に顕在化する、交流磁場固有の損失に苦労しました。現代の交流モーターは直流モーターとは大きく異なりますが、これらの課題を解決することはその開発に不可欠でした。

交流モーターの鉄心（ロータとステータの両方）は、ワニスで絶縁された薄い鋼板の積層で構成されています。この構造により導電ループが遮断され、渦電流が抑制されます（図参照）。

これらの薄い絶縁積層は、分離されたトランスの二次巻線ターンに似ており、大きな渦電流を防ぎます。合金にシリコンを添加することで抵抗率がさらに高まり、渦電流の大きさが減少します。

鉄心内の渦電流

シリコン配向性鋼板積層を使用することで、ヒステリシス損失をさらに低減できます。磁気ヒステリシスは、磁界強度と印加磁化力の間の遅れとして現れ、軟鉄心を非通電状態にしても残留磁化B_Rが持続します（下図参照）。

交流サイクルが反転すると、磁界はこの残留磁化を克服するために保磁力H_Cを消費し、鉄心を消磁または逆方向に磁化できるようになります。

ヒステリシス損失は交流極性反転のたびに発生し、B-Hヒステリシスループの面積に比例します。軟鉄合金は硬質高炭素鋼よりも損失が少なく、結晶粒を配向させて圧延したシリコン配向性鋼板（約4% Si）が最も損失が少なくなります。

低損失および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法則により、鉄心損失を正確に予測できるようになり、エンジニアは事前に荷重試験を済ませた橋のように、確実に性能期待を満たす交流モーターを設計できるようになりました。

渦電流とヒステリシスに関する知見を得た初期の設計者たちは、まず直流機器に似た交流整流子モーターを作りました。今日ではこのような設計はニッチな用途に限られ、誘導、同期、ブラシレスなどのほとんどの交流モーターは直流モーターとは大きく異なっています。