誘導電動機の原理や特徴について～管工事施工管理技士に必要な知識～

家庭用電気製品のほとんどは誘導電動機の交流モーターを使用しています。
誘導電動機は私たちの生活に必要不可欠なものです。
これから、誘導電動機の原理や特徴・使用例・構造・回転数など詳しく説明していきたいと思います。
管工事施工管理技士にとっては必要な知識です。
試験勉強している人や資格取得を志している人はぜひ参考にしてください。

1. 誘導電動機の原理
2. 誘導電動機の特徴
3. 誘導電動機の使用例や注意点
4. まとめ

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1．誘導電動機の原理

電験3種試験の問題にも出る誘導電動機の原理について説明します。
原理をしっかり把握しておけば、家庭用家電製品の仕組みも理解できるでしょう。
基本原理はもちろん。等価回路についても詳しくお話します。

1‐1．固定子による回転磁界と誘導電流

誘導電動機は交流電動機の代表例です。交流電動機とはいわゆる交流を入力とする電動機を指しています。
電気の交流によってモーターの回転を誘発しているのです。
誘導電動機の原理について簡単に説明すると、固定子がつくる回転磁界と電気伝導体による誘導電流で成り立っています。
電動機や発電機に固定している電機子や界磁が「固定子」です。
固定子は回転磁界を生み出します。生まれた回転磁界によって電気伝導体の回転子に誘導電流が発生するのです。
そして、誘導電流によってすべりに対応した回転トルクが生まれます。
トルクとは、回転軸まわりに発生する力のモーメントです。
回転トルクが発生することでモーターが動きます。

1‐2．回転の基本原理はフレミングの右手の法則

「フレミングの右手の法則」は中学校で習う基本原理です。
基本的に、誘導電動機の基本はフレミングの右手の法則になります。
回転子導体の回転磁界は右まわりになるでしょう。
裏から表に向かう起電力が発生するため、導体に電気が流れることになります。
そして、電流と回転磁界の間に電磁力が生まれるのです。
回転子導体は右方向へ、回転磁界のほうへ引っ張ることになるでしょう。同期電動機と同じく右方向に回転するようになります。
しかし、誘導電動機は回転磁界と回転子の速度差に比例して減少するので同期速度は0です。
一般的に回転速度は同期速度以下になるでしょう。
つまり、導体に電気を流して回転子を電磁力で引っ張り同期速度以下で回転する装置です。

1‐3．等価回路について

ある特定のものに関して、類似している関係にした回路を等価回路といいます。
誘導電動機では「固定子巻線」と「回転子巻線」の関係です。
一般的に誘導電動機の等価回路は変圧器になります。
しかし、誘導電動機の場合は回転子鉄心との間にすき間が生まれるでしょう。
すき間によって磁気抵抗が大きくなります。
よって、励磁磁束を得るために励磁電流が変圧器よりも必要になるでしょう。
変圧器の等価回路と同じでも異なる部分はあるので要チェックです。
誘導電動機のL型等価回路は電圧をさげるほど電流が増えると覚えておいてください。
まさに、誘導電動機の特性といえる部分でしょう。

2．誘導電動機の特徴

2‐1．単相誘導電動機の特徴

電動機といっても種類によって特徴は異なります。
主に、「単相誘導電動機」と「三相誘導電動機」の2つに大きくわけることができるでしょう。
一般的には「単相モーター」「三相モーター」と呼んでいます。
単相誘導電動機の特徴は始動トルクを得るのが難しいことです。
スイッチをいれてもモーターは回転しません。
ほかの方法で回転トルクを与えなければ始動しないのです。
よって、三相誘導電動機よりも使い方が難しいといわれています。
また、始動後は回転した回転子と交流磁界の相互作用によって回転を続けることができるでしょう。
始動トルクが大きいため、始動電流が小さくなるのも特徴の1つです。
単相誘導電動機としては、分相起動型電動機、コンデンサー起動型電動機、くま取り巻線型電動機などが名前にあがっています。

2‐2．三相誘導電動機の特徴

三相誘導電動機の大きな特徴は「三相交流」です。
一般的には簡単に使用できる三相誘導電動機を活用しています。
特別な工夫をしなくても回転磁界を得ることができるメリットを持っているのです。
三相交流による誘導電動機は単純な構造になっているため、スイッチをいれるだけで回転を始めます。
さらに、構造が簡単なので誘導電動機自体が丈夫です。
スリップリング・ブラシなど入っていない構造になっています。
よって、消耗するところはペアリングの部分だけです。メンテナンス費用や初期費用もかかりません。
また、価格が安い、品ぞろえが豊富、メンテナンスが楽などさまざまなメリットがあがっています。
しかし、起動時に突入電流が入る、力率が悪い、速度制御ができないなどのデメリットもあるので使用する前に必ず確認しなければなりません。
誘導電動機を上手に使うためにはデメリット部分も知る必要があります。
ちなみに、三相誘導電動機にはかご形三相誘導電動機、巻線形三相誘導電動機が代表的な種類になるでしょう。

3．誘導電動機の使用例や注意点

3‐1．工場のモーターはほとんどが誘導電動機

誘導電動機は一体どこで使われているのでしょうか。
今ではほとんどの工場が電動誘導機を使用しています。
工場の中には誘導電動機でないものを使っているところもありますが、構造が簡単でメンテナンスが楽な誘導電動機のほうが効率的です。
さらに、誘導電動機は寿命が長いのでいつまでも使い続けることができます。
できるだけコストを抑えたい工場にとってはぴったりの電動機です。
また、工場だけでなく扇風機や洗濯機、エアコン、電子レンジなど家庭用家電製品にも誘導電動機を使用しています。
気づいていない間に生活の中で誘導電動機を使っているのです。

3‐2．誘導電動機を始動する際の注意点

誘導電動機を始動する際、注意点がいくつかあります。
主に使用している三相誘導電動機の注意点をあげていきましょう。
まず1つ目は「電源に悪い影響を与えないかどうか」です。
誘導電動機を始動するとき、始動電流は非常に大きくなります。なんと大きさは定格電流のおよそ5～8倍になるのです。
力率の悪い大きな電流によって変圧変動率が悪化するでしょう。
そして、2つ目は「熱容量が十分な設計になっているかどうか」です。
起動時は回転子導体の抵抗成分による損失が生まれます。
損失に耐えるほどの設計でなければ誘導電動機が働かなくなってしまうでしょう。
最後の3つ目は「始動電流によって受ける電磁力に耐えることができるかどうか」です。固定子巻線が電磁力に耐える設計でなければいけません。
以上の3点に注意して、誘導電動機をうまく使っていきましょう。

4．まとめ

誘導電動機の原理や特徴、使用例、注意点について説明しましたが、いかがでしたでしょうか。誘導電動機にもさまざまな種類があります。
種類によって詳しい原理は異なるでしょう。
しかし、基本原理は同じです。原理や特徴をきちんと把握しておけば上手に使用できます。
工場だけでなく家庭用家電製品など私たちの身のまわりにも誘導電動機が使われているのです。
電験や管工事施工管理技士の試験には出てくる内容なのでわからないところはしっかり確認しておきましょう。
仕事との両立でなかなか勉強できない場合は、充実した教材を使うといいですよ。
DVDやスマートフォンやマンツーマン講義で勉強できる教材もあるのでぜひチェックしてみてください。