電気モーター

電気モーター
産業用電気モーター
業界	様々な
応用	エネルギー変換
コンポーネント	ローター、ステーター、エアギャップ、アーマチュア、整流子、シャフト、ベアリング
発明家	マイケル・ファラデー
発明された	1821

電気モーターは、電気エネルギーを機械エネルギーに変換する機械です。ほとんどの電気モーターは、モーターの磁場と巻線に流れる電流との相互作用によってラプラス力を発生させ、モーターのシャフトにトルクとして作用します。発電機は電気モーターと機械的には同一ですが、逆の動作をし、機械エネルギーを電気エネルギーに変換します。

電気モーターは、バッテリーや整流器などの直流（DC）電源、または送電網、インバータ、発電機などの交流（AC）電源によって駆動されます。電気モーターは、電源の種類、構造、用途、運動出力の種類などによって分類されることもあります。ブラシ付きまたはブラシレス、単相、二相、三相、軸方向磁束またはラジアル磁束、空冷または液冷のいずれかを選択できます。

標準化された電気モーターは、産業用途に電力を供給します。最大のものは、船舶推進、パイプライン圧縮、揚水発電などに使用され、出力は100メガワットを超えます。その他の用途としては、産業用ファン、ブロワー、ポンプ、工作機械、家庭用電化製品、電動工具、車両、ディスクドライブなどがあります。小型モーターは、電気時計に使用されていることがあります。トラクションモーターによる回生ブレーキなどの特定の用途では、電気モーターを逆回転させて発電機として使用し、熱や摩擦によって失われる可能性のあるエネルギーを回収することができます。

電気モーターは、外部機構を駆動するための直線力または回転力（トルク）を生成します。そのため、アクチュエーターの一種です。一般的には、連続回転、または本体の大きさに比べてかなりの距離にわたる直線運動用に設計されています。ソレノイドも電力を機械的な運動に変換しますが、その距離は限られています。

コンポーネント

ローター（左）とステーター（右）

電気モーターは、回転するローターと動かないステーターという2つの機械部品から構成されています。電気的には、モーターは界磁磁石とアーマチュアという2つの部品で構成され、一方はローターに、もう一方はステーターに取り付けられています。これらは磁気回路を形成します。^{[ 1 ]}磁石はアーマチュアを通過する磁場を発生させます。アーマチュアは電磁石または永久磁石のいずれかです。界磁磁石は通常ステーターに、アーマチュアはローターに配置されますが、逆の配置になることもあります。

突極型ローター

ローター

ローターは機械的動力を伝える可動部品です。ローターには通常、電流を流す導体が取り付けられており、ステーターの磁界が導体に力を及ぼしてシャフトを回転させます。^{[ 2 ]}

ステーター

ステータはローターを取り囲み、通常は電磁石(強磁性の鉄心に巻かれた電機子) または永久磁石のいずれかである界磁磁石を保持しています。これにより、ローターアーマチュアを通過する磁場が生成され、ローター巻線に力が加わります。 ステータコアは、互いに絶縁された多数の薄い金属シート (ラミネーション) で構成されています。これらのラミネーションは、特定の透磁率、ヒステリシス、および飽和度を持つ電磁鋼板で作られています。ラミネーションにより、固体コアを使用した場合に流れる誘導循環渦電流によって生じる損失が低減します。 商用電源で動作する AC モーターでは、通常、真空状態でワニスを含浸させることにより、巻線内の電線を固定します。これにより、巻線内の電線が互いに振動して電線の絶縁体が摩耗し、早期に故障するのを防ぎます。深井戸水中ポンプ、洗濯機、エアコンなどに使われる樹脂パックモータは、腐食を防止したり伝導ノイズを低減したりするためにステータをプラスチック樹脂で覆っています。 ^{[ 3 ]}

ギャップ

ステーターとローターの間には空隙があり、これによって回転します。空隙の幅はモーターの電気的特性に大きな影響を与えます。空隙が大きすぎると性能が低下するため、通常は可能な限り小さくします。逆に、空隙が小さすぎると、騒音だけでなく摩擦も発生する可能性があります。

アーマチュア

アーマチュアは、強磁性コアに巻かれた電線で構成されています。電流が電線に流れると、磁場によって力（ローレンツ力）が電線に作用し、ローターが回転します。巻線はコイル状の電線で、積層された軟鉄製の強磁性コアに巻き付けられており、通電時に磁極を形成します。

電気機械には突極型と非突極型がある。突極型モータでは、回転子と固定子の強磁性コアには、互いに向き合う極と呼ばれる突起がある。各極の周囲には極面の下に電線が巻かれており、電流が流れるとN極またはS極になる。非突極型（分布磁界型または円形回転子型）モータでは、強磁性コアは滑らかな円筒形で、巻線は円周上のスロットに均等に分布している。巻線に交流電流を供給すると、コアに極が生成され、それらは連続的に回転する。^{[ 4 ]}くま取り磁極型モータでは、極の一部に巻線が巻かれており、その極の磁場の位相を遅らせている。

整流子

掃除機用ユニバーサルモーターの整流子。部品： （A）整流子、（B）ブラシ

整流子は回転子に電流を供給する回転式電気スイッチである。シャフトが回転すると、回転子巻線の電流の流れを周期的に反転させる。整流子は、アーマチュア上の複数の金属接触セグメントからなる円筒形で構成される。カーボンなどの柔らかい導電性材料でできたブラシと呼ばれる2つ以上の電気接点が整流子に押し付けられる。回転子が回転すると、ブラシは次々に整流子セグメントと滑り接触し、回転子に電流を供給します。回転子の巻線は整流子セグメントに接続されている。整流子は半回転 (180°) ごとに回転子巻線の電流方向を反転させるため、回転子に加えられるトルクは常に同じ方向になる。^{[ 5 ]}この反転がなければ、各回転子巻線のトルクの方向は半回転ごとに反転し、回転子が停止する。整流子モーターは、ブラシレスモーター、永久磁石モーター、および誘導モーターにほとんど置き換えられている。

軸

モータシャフトはモータの外側まで伸びており、そこで負荷を受け止めます。負荷の力は最外側のベアリングを超えて作用するため、負荷はオーバーハングしていると言われています。^{[ 6 ]}

ベアリング

ローターはベアリングによって支持されており、ベアリングはシャフトからモータハウジングに軸方向および半径方向の荷重を伝達することで、ローターが軸を中心に回転することを可能にする。^{[ 6 ]}

歴史

初期のモーター

ファラデーの電磁気実験、1821年、電気エネルギーが運動に変換されることを初めて実証した^{[ 7 ]}

現代の電磁モーターが登場する以前は、静電気力で動作する実験的なモーターが研究されていました。最初の電気モーターは、1740年代^{[ 8 ] [ 9 ]}と1750年代^{[ 10 ]}にスコットランドの修道士アンドリュー・ゴードンとアメリカの実験者ベンジャミン・フランクリンの実験で説明された単純な静電装置でした。その背後にある理論的原理であるクーロンの法則は、1771年にヘンリー・キャベンディッシュによって発見されましたが、公表されていませんでした。この法則は、1785年にシャルル・オーギュスタン・ド・クーロンによって独立に発見され、彼がそれを公表したため、現在では彼の名前で知られています。^{[ 11 ]}必要な高電圧を生成するのが困難だったため、静電モーターは実用化されることはありませんでした。

1799年、アレッサンドロ・ボルタによる電気化学電池の発明^{[ 12 ]}により、永久電流の生成が可能になりました。ハンス・クリスチャン・エルステッドは1820年、電流が磁場を発生させ、それが磁石に力を及ぼすことを発見しました。アンドレ＝マリー・アンペールはわずか数週間で電磁相互作用の最初の定式化を考案し、電流と磁場の相互作用によって機械的な力が生じることを記述したアンペールの力の法則を提示しました^{[ 13 ] 。}

マイケル・ファラデーは1821年9月3日、王立研究所の地下室で回転運動によるこの効果を初めて実証した。^{[ 14 ]}自由に垂れ下がった導線を水銀プールに浸し、その上に永久磁石（PM）を置いた。導線に電流を流すと、導線は磁石の周りを回転し、電流によって導線の周囲に円形に近い磁場が発生することが示された。^{[ 15 ]}ファラデーは発見の結果を季刊科学誌「Quarterly Journal of Science」で発表し、論文のコピーとポケットサイズの装置模型を世界中の同僚に送り、彼らも電磁回転の現象を目撃できるようにした。^{[ 14 ]}このモーターは物理実験でよく実証されており、（有毒な）水銀の代わりに塩水が使われている。バーローの車輪は、このファラデーの実証​​を改良した初期のものだったが、これらや類似の単極モーターは19世紀後半まで実用化には適していなかった。

イェドリクの「電磁式セルフローター」、1827年（ブダペスト応用美術館）。この歴史的なモーターは今日でも完璧に機能している。^{[ 16 ]}

1842年にジェームズ・ジュールからケルビンに贈られた電気モーター。ハンテリアン博物館、グラスゴー

1827年、ハンガリーの物理学者アニョス・イェドリクは電磁コイルの実験を始めました。イェドリクは整流子の発明によって連続回転の技術的問題を解決した後、初期の装置を「電磁自己回転子」と呼びました。当初は教育用にのみ使用されていましたが、1828年にイェドリクは実用的な直流モーターの3つの主要部品、すなわち固定子、回転子、整流子を備えた最初の装置を実証しました。この装置は永久磁石を使用しておらず、固定部と回転部の磁場は巻線を流れる電流によってのみ生成されました。^{[ 17 ] [ 18 ] [ 19 ] [ 20 ] [ 21 ] [ 22 ] [ 23 ]}

DCモーター

最初の整流子機械を回転させることができる直流電気モーターは、 1832年にイギリスの科学者ウィリアム・スタージョンによって発明されました。 ^{[ 24 ]}スタージョンの研究に続いて、整流子型の直流電気モーターがアメリカの発明家トーマス・ダベンポートとエミリー・ダベンポートによって作られ、 ^{[ 25 ]}彼は1837年に特許を取得しました。モーターは1分間に最大600回転で動作し、工作機械や印刷機に電力を供給しました。 ^{[ 26 ]}一次電池の高コストのため、モーターは商業的に成功せず、ダベンポートは破産しました。何人かの発明家がスタージョンに続いて直流モーターの開発を行いましたが、全員が同じ電池コストの問題に直面しました。当時は電力供給システムが利用できなかったため、これらのモーターの実用的な商業市場は現れませんでした。 ^{[ 27 ]}

比較的弱い回転・往復運動装置を用いた、多かれ少なかれ成功した数々の試みを経て、ドイツ系ロシア人のモーリッツ・フォン・ヤコビは、 1834年5月に最初の実用回転電動機を発明しました。この電動機は驚異的な出力を誇りました。彼の電動機は世界記録を樹立し、ヤコビは4年後の1838年9月に記録を更新しました。^{[ 28 ]}彼の2番目の電動機は、14人を乗せた電動ボートを広い川を渡らせるのに十分な出力でした。1839年から1840年にかけて、他の開発者たちも同等、あるいはそれ以上の性能を持つ電動機の開発に成功しました。

1827年から1828年にかけて、ジェドリックは彼の電磁自己回転子に使用されているものと同様の原理を使用して、実用的な作業が可能な装置を製作しました。^{[ 29 ] [ 30 ] [ 31 ] [ 32 ] [ 33 ] [ 34 ] [ 17 ] [ 23 ]}彼は同年、模型の電気自動車を製作しました。 ^{[ 35 ]}

大きな転機となったのは1864年、アントニオ・パチノッティが初めてリング電機子（当初は直流発電機、すなわちダイナモを想定して考案されたもの）を説明した時だった。^{[ 13 ]}これは対称的にまとめられたコイルが閉じて整流子のバーに接続され、そのブラシが実質的に変動のない電流を流すという特徴があった。^{[ 36 ] [ 37 ]}商業的に成功した最初の直流モーターは、1871年にパチノッティの設計を改良し、ヴェルナー・シーメンスの解決策をいくつか採用したゼノーベ・グラムによる開発に続くものだった。

直流機の利点は、電気機械の可逆性の発見から生まれた。これは1867年にシーメンスによって発表され、1869年にパチノッティによって観察された。^{[ 13 ]}グラムは1873年のウィーン万国博覧会で偶然これを実証した。彼は2つの直流装置を最大2km離れたところに接続し、1つを発電機として、もう1つをモーターとして使用した。^{[ 38 ]}

ドラム型回転子は、1872年にシーメンス・ハルスケ社のフリードリヒ・フォン・ヘフナー＝アルテネックによって、パチノッティのリング電機子に代わる構造として1872年に導入され、機械の効率を向上させました。 ^{[ 13 ]}翌年、シーメンス・ハルスケ社は積層型回転子を導入し、鉄損の低減と誘導電圧の増加を実現しました。1880年には、ヨナス・ヴェンストロームが巻線を収納するためのスロットを回転子に設け、効率をさらに向上させました。

1886年、フランク・ジュリアン・スプレーグは、最初の実用的な直流電動機を発明しました。これは、火花を散らさず、負荷変動下でも比較的一定の速度を維持できる装置でした。この頃のスプレーグの他の電気発明は、電力網の配電網を大幅に改善し（トーマス・エジソンが在籍していた時代に行われた先行研究）、電動機からの電力を電力網に送電できるようにし、架線とトロリー柱を介してトロリーに配電し、電気運転用の制御システムを提供しました。これにより、スプレーグは電気モーターを用いて、1887年から1888年にかけてバージニア州リッチモンドで最初の電気トロリーシステムを、1892年には電気エレベーターと制御システムを、そして独立電源の中央制御車両を備えた電気地下鉄を発明しました。後者は1892年にシカゴのサウスサイド高架鉄道によって初めて設置され、「L」の愛称で広く知られるようになりました。スプレーグのモーターと関連する発明は、産業用電気モーターへの関心と利用の爆発的な増加につながりました。許容できる効率を持つ電気モーターの開発は、ローターとステーターの間の空隙の重要性が認識されなかったために数十年遅れました。効率的な設計では、空隙は比較的小さくなっています。 ^{[ 39 ] [ a ]}モーターの原理を説明するために教室で長年使用されてきたセントルイスモーターは、同じ理由で非効率であり、現代のモーターとは全く異なる外観をしています。^{[ 41 ]}

電気モーターは産業に革命をもたらしました。産業プロセスは、もは​​やラインシャフト、ベルト、圧縮空気、油圧を用いた動力伝達に制限されなくなりました。すべての機械が独自の動力源を装備できるようになり、使用現場での容易な制御が可能になり、動力伝達効率も向上しました。農業分野における電気モーターの応用は、穀物処理や揚水といった作業から人間や動物の筋力を排除しました。家庭用（洗濯機、食器洗い機、扇風機、エアコン、冷蔵庫など）における電気モーターの活用は、家庭での重労働を軽減し、利便性、快適性、安全性の向上を可能にしました。今日、電気モーターは米国で生産される電力の半分以上を消費しています。^{[ 42 ]}

ACモーター

1824年、フランスの物理学者フランソワ・アラゴは、回転磁場の存在を定式化し、アラゴ回転と名付けました。1879年、ウォルター・ベイリーは、手動でスイッチをオン/オフすることで、事実上最初の原始的な誘導モーターを実証しました。^{[ 43 ] [ 44 ] [ 45 ] [ 46 ]} 1880年代には、多くの発明家が実用的なACモーターの開発を試みていました。 ^{[ 47 ]} ACは長距離の高電圧送電に優れていますが、モーターをACで動作させることができないという欠点があります。

最初の交流整流子なし誘導電動機は、 1885年にガリレオ・フェラリスによって発明されました。フェラリスは1886年に最初の設計を改良し、より高度な装置を開発しました。^{[ 48 ]} 1888年、トリノ王立科学アカデミーは、フェラリスのモータ動作の基礎を詳述した研究を発表しましたが、その時点で「その原理に基づく装置は、モータとして商業的に重要なものではない」と結論付けました。^{[ 46 ] [ 49 ] [ 50 ]}

ニコラ・テスラは1887年に誘導電動機を独自に発明し、1888年5月に特許を取得したことでも産業発展の可能性を予見していた。同年、テスラはAIEEに論文「交流電動機と変圧器の新システム」を発表し、3種類の特許取得済みの2相4固定子極電動機について説明した。1つは4極回転子で非自己始動型リラクタンス電動機を形成し、もう1つは巻線回転子で自己始動型誘導電動機を形成し、3つ目は回転子巻線に他励式の直流電源を供給する真の同期電動機である。しかし、テスラが1887年に出願した特許の1つには、短絡巻線回転子誘導電動機についても記述されていた。ジョージ・ウェスティングハウスは、フェラーリからすでに権利（1,000ドル）を取得していたが、すぐにテスラの特許（60,000ドル＋販売馬力あたり2.50ドル、1897年まで支払われた）を購入し、^{[ 48 ]}テスラを雇ってモーターを開発させ、C.F.スコットにテスラの支援を依頼した。しかし、テスラは1889年に他の研究を始めました。^{[ 51 ] [ 52 ] [ 53 ] [ 54 ]}定速交流誘導電動機は路面電車には適さないことが判明しましたが、^{[ 47 ]}ウェスティングハウス社の技術者はそれを改造し、1891年にコロラド州テルライドの鉱山に電力を供給することに成功しました。^{[ 55 ] [ 56 ] [ 57 ]}ウェスティングハウス社は1892年に最初の実用的な誘導電動機を完成させ、1893年には60ヘルツの多相誘導電動機を開発しましたが、これらの初期のウェスティングハウス社の電動機は巻線ローターを備えた2相電動機でした。BGラムは後に回転棒巻線ローターを開発しました。^{[ 51 ]}

三相開発の推進に断固たる姿勢を貫いたミハイル・ドリヴォ・ドブロヴォルスキーは、1889年に始動抵抗器付きのかご型と巻線型の両方の三相誘導電動機を発明し、1890年には三肢変圧器を発明した。AEGとマシーネンファブリーク・エルリコンの協定後、ドリヴォ・ドブロヴォルスキーとチャールズ・ユージン・ランスロット・ブラウンは、20馬力のかご型と始動抵抗器付きの100馬力巻線型という、より大型のモデルを開発した。これらは、実用に耐える最初の三相非同期電動機であった。^{[ 48 ]} 1889年以来、ヴェンストロームによって三相機械の同様の開発が開始された。1891年のフランクフルト国際電気技術博覧会では、最初の長距離三相システムが無事に発表された。定格電圧は15 kVで、ネッカー川のラウフェン滝から175 kmにわたって延びていた。ラウフェン発電所には240 kW、86 V、40 Hzの交流発電機と昇圧変圧器が設置されていたが、博覧会では降圧変圧器から100馬力の三相誘導電動機に電力が供給され、人工滝が稼働していた。これは、元の電源の移行を象徴している。^{[ 48 ]}三相誘導は現在、ほとんどの商用アプリケーションで使用されている。^{[ 58 ] [ 59 ]}ミハイル・ドリヴォ＝ドブロヴォルスキーは、テスラの電動機は二相脈動のために実用的ではないと主張し、それが彼を三相研究に固執させた。^{[ 60 ]}

ゼネラル・エレクトリック社は1891年に三相誘導電動機の開発を開始しました。^{[ 51 ]} 1896年までに、ゼネラル・エレクトリック社とウェスティングハウス社は、後にかご形回転子と呼ばれることになる棒巻線回転子の設計に関する相互ライセンス契約を締結しました。^{[ 51 ]}これらの発明と革新から生まれた誘導電動機の改良により、現在では100馬力の誘導電動機の取り付け寸法は、1897年の7.5馬力の電動機と同じになっています。^{[ 51 ]}

21世紀

2022年には電気モーターの販売台数は8億台に達すると推定され、年間10%の増加が見込まれています。電気モーターは世界の電力の約50%を消費しています。^{[ 61 ]} 1980年代以降、DCモーターの市場シェアはACモーターに取って代わられ、低下しています。^{[ 62 ] : 89}

入力

電源

DC モーターには通常、前述のようにスプリット リング整流子を通じて電力が供給されます。

ACモーターの整流は、スリップリング整流子または外部整流子のいずれかを用いて実現できます。固定速度制御または可変速度制御が可能で、同期または非同期のいずれの方式でも動作します。ユニバーサルモーターは、 ACまたはDCのどちらでも動作可能です。

コントロール

DC モーターは、端子に印加される電圧を調整するか、パルス幅変調(PWM) を使用することで、可変速度で動作させることができます。

固定速度で動作する AC モーターは、通常、電力網から直接、またはモーター ソフト スターターを介して電力を供給されます。

可変速度で動作する AC モーターには、さまざまな電力インバータ、可変周波数ドライブ、または電子整流子技術によって電力が供給されます。

電子整流子という用語は、通常、自己整流型ブラシレス DC モーターおよびスイッチ リラクタンス モーターのアプリケーションに関連付けられます。

種類

電気モーターは、磁気、静電気、圧電性の3 つの物理的原理のいずれかに基づいて動作します。

磁気モータでは、ローターとステーターの両方に磁場が形成されます。これら2つの磁場の積が力となり、モータシャフトにトルクが生じます。ローターの回転に伴い、これらの磁場の一方または両方が変化します。これは、適切なタイミングで磁極のオン/オフを切り替えるか、磁極の強さを変えることで実現されます。

モーターは、DC 電流、AC 電流で動作するように設計できますが、タイプによってはどちらでも動作できるものもあります。

ACモータは非同期式と同期式のいずれかである。^{[ 63 ]}同期モータでは、ロータはステータの回転磁界と同じ速度で回転する必要がある。非同期ロータではこの制約が緩和される。

分数馬力モーターは、定格出力が約1馬力（0.746kW）未満であるか、標準的な1馬力モーターよりも小さいフレームサイズで製造されています。家庭用および産業用のモーターの多くは、分数馬力クラスに属します。

モータ整流の種類^{[ 64 ] [ 65 ] [ 66 ] [ 67 ] [ 68 ] [ 69 ] [ 70 ]}

自己整流			外部整流
機械式整流子		電子整流子[ 70 ] [ b ]	非同期	同期^2
AC [ 72 ] [ c ]	DC	AC ^5、6^​​	AC ^6
ユニバーサル（交流整流子シリーズ[ 69 ]または交流/直流[ 68 ]）^1 反発	電気的に 興奮した： 別々に興奮する シリーズ シャント 化合物 首相	PMローター: BLDC 強磁性ローター: SRM	三相: SCIM ^3、8^​​ WRIM ^4、7、8^​​​​ 二相 （コンデンサー） 単相: 補助巻線（分相：抵抗始動またはコンデンサ始動） シェーデッドポール 非対称ステーター	WRSM、PMSM、BLAC: [ 70 ] IPMSM SPMSM サイRM ヒステリシス ハイブリッド： SyRM-PMハイブリッド ヒステリシス・リラクタンス ステッパー
シンプルな電子機器	整流器、 リニアトランジスタまたはDCチョッパ	より精巧に エレクトロニクス	最も精巧な 電子機器（VFD）（提供されている場合）

注:

1.回転はAC電圧の周波数に依存しません。

2.回転は同期速度（モーター-ステーター-フィールド速度）に等しくなります。

3. SCIM では、固定速度運転回転は同期速度からスリップ速度を減じた値になります。

4.ノンスリップエネルギー回収システムでは、WRIM は通常モーターの始動に使用されますが、負荷速度を変化させるためにも使用できます。

5.可変速運転。

6.誘導電動機および同期電動機駆動は通常、6段波形または正弦波波形出力ですが、BLDC電動機駆動は通常、台形電流波形を使用します。ただし、正弦波および台形PMモータの動作は、基本的な側面では同一です。^{[ 74 ]}

7.可変速運転では、WRIM はスリップエネルギー回収および二重給電誘導機アプリケーションで使用されます。

8.ケージ巻線は短絡されたかご型回転子であり、巻線はスリップリングを介して外部に接続されます。

9.ほとんどが単相ですが、一部三相もあります。

略語:

• BLAC –ブラシレスAC
• BLDC –ブラシレスDC
• BLDM – ブラシレスDCモーター
• EC – 電子整流子
• PM –永久磁石
• IPMSM – 埋め込み型永久磁石同期モータ
• PMSM –永久磁石同期モーター
• SPMSM – 表面磁石同期モータ
• SCIM –かご形誘導電動機
• SRM –スイッチドリラクタンスモータ
• SyRM –同期リラクタンスモータ
• VFD –可変周波数ドライブ
• WRIM –巻線型誘導電動機
• WRSM –巻線型同期モータ
• LRA – ロックドローターアンペア：始動条件において最大電圧を印加した際に予想される電流。始動時に瞬時に発生します。
• RLA – 定格負荷アンペア：あらゆる動作条件下でモーターが引き出せる最大電流。しばしば「動作負荷アンペア」と誤って呼ばれ、モーターは常にこのアンペアを消費するはずだと誤解してしまうことがあります。
• FLA – 全負荷アンペア: 1976 年に「RLA – 定格負荷アンペア」に変更されました。

自己整流モータ

ブラシ付きDCモーター

ほとんどのDCモータは小型の永久磁石（PM）型です。モータの回転に合わせて巻線の電流を反転させるブラシ付き内部機械式整流器を備えています。 ^{[ 75 ]}

電気励起DCモーター

2 極ローターと PM ステーターを備えたブラシ付き電気モーターの動作。(「N」と「S」は磁石の内面の極性を示します。外面は反対の極性を持ちます。)

整流子付きDCモーターは、回転軸に取り付けられたアーマチュアに巻かれた回転巻線を備えています。回転軸には整流子も取り付けられています。したがって、ブラシ付きDCモーターでは、巻線に交流電流が流れます。電流は整流子に接触する1対以上のブラシに流れ、ブラシは回転するアーマチュアに外部電源を接続します。

回転アーマチュアは、積層された磁気的に「柔らかい」強磁性コアに巻かれた1つまたは複数のワイヤコイルで構成されています。ブラシからの電流は整流子とアーマチュアの1つの巻線を流れ、アーマチュアを一時的な磁石（電磁石）として機能させます。生成された磁場は、永久磁石（PM）またはモータフレームの一部である別の巻線（界磁コイル）によって生成された静止磁場と相互作用します。2つの磁場間の力によってシャフトが回転します。整流子は、ローターの回転に合わせてコイルへの電力供給を切り替え、コイルの磁極がステーター界磁の磁極と完全に一致することを防ぎます。そのため、電力が供給されている限り、ローターは回転し続けます。

従来の整流子 DC モーターの制約の多くは、ブラシが整流子と接触し続ける必要があり、摩擦が生じることに起因します。ブラシは、整流子セクション間の絶縁ギャップを横切る際に火花を発生させます。整流子の設計によっては、ブラシが隣接するセクション間、ひいてはコイル端間で短絡を起こす可能性があります。さらに、ローター コイルのインダクタンスにより、回路が開いたときに各コイルの電圧が上昇し、火花が増加します。この火花によって機械の最高速度が制限されます。火花が速すぎると整流子が過熱、腐食、さらには溶解する恐れがあるからです。ブラシの単位面積あたりの電流密度は、ブラシの抵抗と相まって、モーターの出力を制限します。ギャップを横切ることで電気ノイズも発生し、火花によってRFIが発生します。ブラシは最終的には摩耗して交換が必要になり、整流子自体も摩耗してメンテナンスまたは交換が必要になります。大型モーターの整流子アセンブリは高価な要素であり、多くの部品を精密に組み立てる必要があります。小型モーターでは、整流子は通常、ローターに恒久的に組み込まれているため、整流子を交換するには、通常、ローターも交換する必要があります。

ほとんどの整流子は円筒形ですが、中には絶縁体上に取り付けられた平らなセグメント化されたディスク状のものもあります。

大型ブラシは接触面積を大きくすることでモーター出力を最大化します。一方、小型ブラシは質量が小さいため、過度の火花を発生することなくモーターを最大速度で動作させることができます。（小型ブラシは低コストであるため、好ましいです。）ブラシスプリングを硬くすることで、同じ質量のブラシでも高速動作が可能になりますが、摩擦損失（効率低下）が大きくなり、ブラシと整流子の摩耗が加速します。したがって、DCモーターのブラシ設計では、出力、速度、効率／摩耗の間でトレードオフが必要になります。

DCマシンは次のように定義されます。^{[ 76 ]}

• アーマチュア回路 – 静止または回転して負荷を支える巻線。
• 界磁回路 – 磁場を生成する巻線のセット。
• 整流: 整流を実現したり、DC を導出したりできる機械的な技術。

A: シャント B: 直列 C: 複合 f = フィールドコイル

ブラシ付き DC モーターには次の 5 つのタイプがあります。

• シャント創
• 直巻
• 複合（2つの構成）:
  • 累積複利
  • 差別的に複合された
• 永久磁石（図示せず）
• 別途励磁します（図示せず）。

永久磁石

永久磁石（PM）モータは、ステータフレームに界磁巻線を持たず、代わりにPMによって磁界を発生させます。大型モータでは、負荷時の整流を改善するために、アーマチュアと直列に補償巻線を配置することがあります。この磁界は固定されており、速度制御のために調整することはできません。PM磁界（ステータ）は、小型モータにおいて界磁巻線の電力消費を削減するのに便利です。大型DCモータのほとんどは、ステータ巻線を持つ「ダイナモ」型です。歴史的に、PMは分解すると高い磁束を保持することができず、必要な磁束を得るには界磁巻線の方が実用的でした。しかし、大型PMはコストが高く、危険で組み立ても困難です。そのため、大型機械では巻線式磁界が有利です。

全体の重量とサイズを最小限に抑えるため、小型PMモータではネオジム製の高エネルギー磁石が使用されることがあります。そのほとんどはネオジム・鉄・ホウ素合金です。高エネルギーPMモータは磁束密度が高いため、最適設計された単電源同期電動機および誘導電動機と少なくとも同等の性能を発揮します。小型モータは図の構造に似ていますが、少なくとも3つのロータ極（ロータの位置に関係なく確実に始動するため）を備え、外側のハウジングは湾曲した界磁磁石の外側を磁気的に連結する鋼管になっています。

電子整流子（EC）

ブラシレスDC

ブラシ付きDCモーターの問題の一部は、BLDC設計によって解消されます。このモーターでは、機械的な「回転スイッチ」または整流子が、ローターの位置と同期する外部電子スイッチに置き換えられています。BLDCモーターの効率は通常85%以上、最大96.5%に達しますが^{[ 77 ]} 、ブラシ付きDCモーターの効率は通常75～80%です。

BLDCモーターの特徴的な台形逆起電力（CEMF）波形は、ステーター巻線の均等配置とローターの永久磁石の配置によって生じます。電子整流DCモーターまたはインサイドアウトDCモーターとも呼ばれる台形BLDCモーターのステーター巻線は、単相、二相、または三相にすることができ、巻線に取り付けられたホール効果センサーによってローターの位置を検知し、低コストの閉ループ整流子制御を行います。

BLDCモーターは、コンピュータのディスクドライブやビデオカセットレコーダーなど、精密な速度制御が必要な用途で広く使用されています。CD、CD-ROMドライブなどのスピンドル、ファン、レーザープリンター、コピー機などのオフィス機器の機構にも使用されています。従来のモーターに比べて、BLDCモーターにはいくつかの利点があります。

• くま取りモーターを使用したACファンよりも効率が高く、ACファンよりもはるかに低温で動作します。この低温動作により、ファンのベアリング寿命が大幅に向上します。
• 整流子がないため、BLDCモーターの寿命は、整流子付きのブラシ付きDCモーターに比べて大幅に長くなります。整流子は電気ノイズやRFノイズを発生させる傾向があります。整流子やブラシがないBLDCモーターは、オーディオ機器やコンピューターなどの電気的に敏感な機器に使用できます。
• 整流用のホール効果センサーは、閉ループ制御（サーボ制御）アプリケーションに便利なタコメータ信号を提供することもできます。ファンでは、タコメータ信号を使用して「ファン正常」信号を生成するだけでなく、動作速度のフィードバックも提供できます。
• モーターは内部クロックまたは外部クロックに同期できるため、正確な速度制御が可能です。
• BLDCモーターは火花を発生しないため、揮発性の化学物質や燃料を使用する環境に適しています。また、火花が発生するとオゾンが発生し、換気の悪い建物に蓄積される可能性があります。
• BLDC モーターは通常、コンピューターなどの小型機器に使用され、一般的には熱を除去するファンに使用されます。
• 騒音も少ないので、振動の影響を受ける機器に最適です。

現代のBLDCモーターの出力は、わずか1ワットから数キロワットまで多岐にわたります。最大100kW程度の大型BLDCモーターは電気自動車に使用され、電動模型飛行機にも使用されています。

スイッチドリラクタンスモータ

6/4極スイッチドリラクタンスモータ

スイッチドリラクタンスモータ（SRM）にはブラシも永久磁石もなく、ローターには電流が流れません。トルクは、ローターの極とステーターの極のわずかなずれから生じます。ローターはステーターの磁界と向き合い、ステーターの界磁巻線に順次通電することでステーターの磁界を回転させます。

界磁巻線によって生成された磁束は、最も磁力の弱い経路をたどり、ステータの通電極に最も近いローター極に磁束を送ります。これにより、ローターのこれらの極が磁化され、トルクが発生します。ローターが回転すると、異なる巻線が通電され、ローターの回転が維持されます。

^{SRMは一部の家電製品[ 78 ]}や車両^{[ 79 ]}に使用されています。

ユニバーサルAC/DCモーター

掃除機から取り出した、現代の低コストなユニバーサルモーター。界磁巻線は、両側の奥に向かって濃い銅色に塗られています。ローターの積層コアは灰色の金属で、コイルを巻くための暗い溝があります。整流子（一部隠れています）は使用により黒ずんでおり、手前側にあります。手前にある大きな茶色の成形プラスチック部品は、ブラシガイドとブラシ（両側）、そしてモーターの前部ベアリングを支えています。

整流式、電気的に励磁式、直巻または並列巻のモータは、交流電源と直流電源のどちらでも動作するように設計できるため、ユニバーサルモータと呼ばれます。ユニバーサルモータは、界磁コイルとアーマチュアコイルの両方の電流（および結果として生じる磁界）が同期して極性を反転するため、交流電源でも良好に動作し、結果として生じる機械的な力は一定の回転方向に発生します。

ユニバーサルモーターは、通常の電力線周波数で動作し、キロワット未満の用途でよく使用されます。ユニバーサルモーターは、電気鉄道における従来の鉄道牽引モーターの基礎を形成しました。この用途では、直流で動作するように設計されたモーターに交流電力を使用すると、磁気部品、特にモーター界磁極片（直流では固体（非積層）鉄が使用されていました）の渦電流加熱により効率が低下します。現在ではほとんど使用されていません。

利点は、始動トルクが高く、特にコンパクトな設計のモーターでは、高速で運転する場合に AC 電源を使用できることです。対照的に、メンテナンスは高く、寿命は短くなります。このようなモーターは、頻繁に使用されず、始動トルクの要件が高いデバイスで使用されます。界磁コイルの複数のタップにより、(不正確な)段階的な速度制御が行われます。多くの速度を謳っている家庭用ブレンダーは通常、界磁コイルと複数のタップ、およびモーターと直列に挿入できるダイオードを組み合わせています (これにより、モーターは半波整流された AC で動作します)。ユニバーサル モーターは電子速度制御にも適しているため、家庭用洗濯機などのデバイスに選択されます。モーターは、界磁巻線をアーマチュアに対して切り替えることにより、ドラムを (正方向と逆方向の両方で) 攪拌できます。

SCIMモーターは電力線周波数の許容値を超える速度でシャフトを回転させることができませんが、ユニバーサルモーターははるかに高速で動作できます。そのため、ブレンダー、掃除機、ヘアドライヤーなど、高速性と軽量性が求められる家電製品に適しています。また、ドリル、サンダー、丸鋸、ジグソーなどのポータブル電動工具にも広く使用されており、これらのモーターの特性が活かされます。掃除機や除草機のモーターの多くは10,000 rpmを超え、小型グラインダーは30,000 rpmを超えることもあります。

外部整流式交流機

AC 誘導モーターと同期モーターは、AC 電力網によって固定速度アプリケーションに供給されるか、可変周波数ドライブ(VFD) コントローラーからの可変速度アプリケーションに供給されるような単相または多相正弦波または準正弦波波形電力での動作に最適化されています。

誘導電動機

誘導電動機は、変圧器の作用と同様に、電磁誘導によって回転子に電力が伝達される非同期交流電動機です。誘導電動機は回転変圧器に似ており、固定子（固定部）が基本的に変圧器の一次側、回転子（回転部）が二次側となります。多相誘導電動機は産業界で広く使用されています。

大型4,500馬力AC誘導モーター

ケージと巻線ローター

誘導モータは、かご型誘導モータ（SCIM）と巻線型ロータ誘導モータ（WRIM）に分けられます。SCIMは、通常はアルミニウムまたは銅製の棒状の大きな巻線を備え、ロータの両端にあるリングによって電気的に接続されています。棒とリング全体は、動物の回転運動ケージに似ています。

この巻線に誘導された電流がローター磁界を形成します。ローターバーの形状は、速度-トルク特性を決定します。低速時には、かご形に誘導される電流はほぼ線間周波数であり、かご形の外側部に留まる傾向があります。モータが加速するにつれて、すべり周波数は低下し、より多くの電流が内部に到達します。バーの形状を変化させ、かご形内部と外側の巻線部分の抵抗を変化させることで、ローター回路に可変抵抗が効果的に挿入されます。しかし、このようなモータのほとんどは、均一なバー形状を採用しています。

WRIMでは、ローター巻線は絶縁電線を多数回巻いたもので、モータ軸上のスリップリングに接続されています。ローター回路には、外付け抵抗器やその他の制御装置を接続できます。抵抗器はモータ速度の制御を可能にしますが、かなりの電力を消費します。ローター回路からコンバータに電力を供給し、通常は無駄になるスリップ周波数の電力を、インバータまたは別のモータジェネレータを介して電力系統に戻すことができます。

WRIMは、主に高慣性負荷、または全速度域にわたって高い始動トルクを必要とする負荷の始動に使用されます。二次抵抗またはスリップリングスタータに使用する抵抗器を適切に選択することで、モーターは比較的低い供給電流で、ゼロ速度から全速度まで最大トルクを発生できます。

モーターの速度は、ローター回路に接続された抵抗値によってトルク曲線が実質的に変化するため、変化します。抵抗値を大きくすると、最大トルクが発生する速度が低下します。抵抗値が、ゼロ速度で最大トルクが発生する点を超えて増加すると、トルクはさらに低下します。

速度とともにトルクが増加する負荷で使用する場合、モータはモータが発生するトルクが負荷トルクと等しくなる速度で動作します。負荷が減少するとモータは加速し、負荷が増加するとモータは減速し、負荷とモータトルクが再び等しくなるまで減速します。この動作では、スリップ損失が二次抵抗器で消費され、大きくなる可能性があります。速度制御と正味効率は低くなります。

トルクモーター

トルクモーターは、ローターの回転がブロックされた状態でも、損傷することなく無期限に動作することができます。この動作モードでは、モーターは負荷に一定のトルクを印加します。

一般的な用途としては、テープドライブの供給リールと巻き取りリールのモーターが挙げられます。この用途では、低電圧駆動の特性により、キャプスタンがテープヘッドを通過しているかどうかに関わらず、テープに一定の軽い張力をかけます。高電圧駆動（高トルク発生）のトルクモーターは、ギアやクラッチなどの追加機構を必要とせずに早送りと巻き戻し操作を実現します。コンピューターゲームの世界では、トルクモーターはフォースフィードバックステアリングホイールに使用されています。

もう一つの一般的な用途は、電子調速機を用いて内燃機関のスロットルを制御することです。モーターはリターンスプリングに逆らって動作し、調速機の出力に応じてスロットルを動かします。調速機は、点火システムまたは磁気ピックアップからの電気パルスをカウントすることでエンジン回転数を監視し、回転数に応じて電流量を微調整します。エンジンが目標回転数よりも遅くなると、電流が増加してトルクが増加し、リターンスプリングが引っ張られてスロットルが開きます。エンジンの回転速度が速すぎると、調速機は電流を減少させ、リターンスプリングが引っ張られてスロットルが開きます。

同期モーター

同期電動機は交流電動機です。回転子とコイルが交流と同じ周波数で磁石を通過し、駆動するための磁場を発生させます。通常の動作条件下では、同期電動機の滑りはゼロです。対照的に、誘導電動機はトルクを生成するために滑りを生じます。同期電動機の一種は、誘導電動機に似ていますが、回転子が直流磁界によって励磁される点が異なります。スリップリングとブラシが電流を回転子に導きます。回転子の極は互いに接続され、同じ速度で回転します。低負荷トルク用の別のタイプでは、従来のかご型回転子に平面研磨を施し、個別の極を形成しています。さらに、第二次世界大戦前のハモンド時計や、古いハモンドオルガンに使用されている同期電動機には、回転子巻線がなく、個別の極がありません。これは自動始動しません。時計は背面の小さなノブで手動で始動する必要がありますが、古いハモンドオルガンには、バネ仕掛けの手動スイッチで接続された補助始動モーターが搭載されていました。

ヒステリシス同期モータは、通常（本質的に）2相モータであり、片相に位相シフトコンデンサを備えています。始動時は誘導モータのように動作しますが、スリップ率が十分に低下すると、ローター（滑らかな円筒形）が一時的に磁化されます。分布磁極により、永久磁石同期モータのように動作します。ローターの材質は一般的な釘と同様、磁化を維持しますが、容易に消磁できます。一度動作を開始すると、ローターの磁極は所定の位置に留まり、ドリフトしません。

低電力同期タイミングモーター（従来の電気時計に用いられるものなど）は、多極の永久磁石外部カップ型ローターを備え、始動トルクを得るためにシェーディングコイルを使用する場合があります。テレクロンクロックモーターは、始動トルクを得るためにシェーディングコイルを使用し、2極ローターのように動作する2スポークリングローターを備えています。

二重給電式電気機械

二重給電式電気モーターは、独立した2つの多相巻線セットを備え、それぞれがエネルギー変換プロセスに有効電力（すなわち動作電力）を供給します。少なくとも1つの巻線セットは電子制御により可変速運転が可能です。2つの独立した多相巻線セット（すなわちデュアルアーマチュア）は、トポロジーの重複なしに単一パッケージで提供される最大の構成です。二重給電式電気モーターは、所定の励磁周波数において同期速度の2倍の有効定トルク速度範囲を有します。これは、1つの有効巻線セットのみを有する 単一給電式電気機械の2倍の定トルク速度範囲です。

二重給電モータは電子変換器の小型化を可能にしますが、ローター巻線とスリップリングのコストがパワーエレクトロニクス部品のコスト削減効果を相殺する可能性があります。同期速度制限付近での速度制御は困難を伴います。^{[ 80 ]}

高度なタイプ

ロータリー

鉄心レスまたはコアレスローターモーター

小型コアレスモーター

コアレスまたはアイアンレスDCモーターは、特殊な永久磁石DCモーターです。^{[ 75 ]}急加速に最適化されており、ローターは鉄心なしで作られています。ローターは、巻線を充填した円筒形、またはワイヤと結合材料のみで構成された自立構造の形をとることができます。ローターはステーター磁石の内側に収まり、ローター内の磁気的に柔らかい固定シリンダーがステーター磁束の戻り経路を提供します。2番目の配置では、ローター巻線バスケットがステーター磁石を囲んでいます。この設計では、ローターはモーターハウジングとして機能する磁気的に柔らかいシリンダー内に収まり、磁束の戻り経路を提供します。

ローターは従来のローターに比べて質量がはるかに小さいため、加速速度がはるかに速く、多くの場合、機械時定数は1ミリ秒未満になります。これは、巻線に（より重い）銅ではなくアルミニウムが使用されている場合に特に顕著です。ローターにはヒートシンクとして機能する金属質量がないため、小型モーターであっても冷却が必要です。このような設計では過熱が問題となる場合があります。

携帯電話のバイブレーション通知は、円筒形の永久磁石モーター、または薄型の多極円板状界磁磁石と、2つのコアレスコイルを接合した意図的にアンバランスな成形プラスチックローター構造を備えた円板型モーターによって生成されます。金属ブラシと平板状の整流子がローターコイルへの電力供給を切り替えます。

関連する限定移動量アクチュエータは、コアを持たず、高磁束の薄い永久磁石の極間に配置された接着コイルを備えています。これらは、リジッドディスク（「ハードディスク」）ドライブ用の高速ヘッドポジショナーです。現代の設計はスピーカーのものとはかなり異なりますが、初期のリジッドディスクドライブのヘッドの中には直線的に動き、スピーカーに似た駆動構造を持つものもあったため、依然として漠然と（そして誤って）「ボイスコイル」構造と呼ばれています。

パンケーキ型または軸型ローター型モーター

プリントアーマチュアモータ、またはパンケーキモータは、高磁束磁石の配列の間に円盤状の巻線が巻かれています。磁石はローターに面して円形に配置され、軸方向に空隙を形成するように間隔が空けられています。^{[ 81 ]}この設計は、その平坦な形状から、一般的にパンケーキモータと呼ばれています。

アーマチュア（元々はプリント基板上に形成）は、打ち抜き加工された銅板を先進複合材料を用いて積層し、薄くて剛性の高いディスク状に形成されています。アーマチュアには独立したリング整流子は存在しません。ブラシはアーマチュア表面上を直接移動するため、設計全体がコンパクトになっています。

代替設計として、平らに巻かれた銅線を使用し、中央に従来型の整流子を配置して花びら型にするという方法があります。巻線は通常、電気エポキシ樹脂ポッティングシステムで安定化されます。これは、中程度の混合粘度と長いゲル化時間を持つ充填エポキシ樹脂です。低収縮性と低発熱性を特徴とし、通常はUL 1446規格の180℃（356°F）クラスH絶縁ポッティングコンパウンドとして認定されています。

鉄心レスDCモータの独自の利点は、コギング（鉄と磁石間の引力変化によって生じるトルク変動）が発生しないことです。鉄心レスDCモータは積層構造のローターとは異なり、完全に鉄心レスであるため、ローターに寄生渦電流が発生しません。これにより効率が大幅に向上しますが、可変速コントローラでは電磁誘導が減少するため、より高いスイッチング周波数（40kHz以上）またはDCを使用する必要があります。

これらのモータは、磁気テープドライブのキャプスタンを駆動するために開発されました。キャプスタン駆動では、動作速度への到達時間と停止距離の短縮が重要でした。パンケーキモータは、高性能サーボ制御システム、ロボットシステム、産業オートメーション、医療機器などで広く使用されています。現在では多様な構造が利用可能であるため、この技術は高温環境下での軍事用途から低コストのポンプや基本的なサーボまで、幅広い用途に利用されています。

もう一つのアプローチ（マグナック​​ス）は、2つのローターの間に挟まれた単一のステーターを使用するものである。そのような設計の1つは、ピーク出力15 kW/kg、持続出力約7.5 kW/kgを実現している。このヨークレス軸流モータは磁束経路が短く、磁石を軸から遠ざけることができる。この設計により巻線のオーバーハングがゼロとなり、巻線の100%がアクティブとなる。これは、長方形断面の銅線を使用することでさらに強化される。モータは並列動作するように積み重ねることができる。2つのローターディスクがステーターディスクに等しく反対方向の力を加えることで、不安定性を最小限に抑えることができる。ローターはシャフトリングを介して互いに直接接続されており、磁力が打ち消される。^{[ 82 ]}

横方向磁束モータ（変調極モータ）

横磁束モータ（TFM）は、回転軸に対して横方向の磁束経路を特徴とするモータの一種です。磁束経路は完全に軸方向または放射状ではなく、ステータを構成するU字型の磁気コアを通過します。横磁束モータは、各相ごとに1つの巻線を持ち、ステータの周囲に巻かれています。この巻線構成により、巻線のサイズから機械の極数を切り離すことができ、高いトルク密度と極数が得られます。横磁束モータはコギングとリップルトルクの影響を受けやすく、設計と製造が複雑で高価です。これらの要因により、電気モータ市場においてニッチな役割しか担っていません。^{[ 83 ]}

サーボモーター

サーボモーターは、位置制御または速度制御フィードバックシステム内で使用されるモーターです。サーボモーターは、工作機械、ペンプロッター、その他のプロセスシステムなどのアプリケーションで使用されます。サーボ機構で使用するためのモーターは、速度、トルク、および電力に関して予測可能な特性を持つ必要があります。速度/トルク曲線は重要であり、サーボモーターにとって高い比率です。巻線インダクタンスやローター慣性などの動的応答特性も重要であり、これらの要因が性能を制限します。大規模で強力であるが応答が遅いサーボループでは、従来のACモーターまたはDCモーターと、位置または速度フィードバックを備えた駆動システムが使用される場合があります。動的応答要件が増加すると、コアレスモーターなどのより特殊なモーター設計が使用されます。ACモーターの優れた電力密度と加速特性は、永久磁石同期、BLDC、誘導、およびSRM駆動アプローチに有利に働く傾向があります。^{[ 81 ]}

サーボシステムは、モーターが動作している間、位置フィードバックが継続的に得られるという点で、一部のステッピングモーターアプリケーションとは異なります。ステッピングシステムは本質的にオープンループで動作し、モーターが「ステップミス」を起こさないことを前提として短期的な精度を実現します。「ホーム」スイッチや位置エンコーダなどのフィードバックは、モーターシステムの外部に設置されます。^{[ 84 ]}

ステッピングモーター

軟鉄ローターを備えたステッピングモーター。アクティブ巻線が示されています。「A」では、アクティブ巻線がローターを所定の位置に保持します。「B」では、別の巻線に電流が流れ、トルクと回転を生み出します。

ステッピング モーターは、通常、精密な回転を実現するために使用されます。永久磁石を含む内部ローター、または突極を持つ軟磁性ローターは、電子的に切り替えられる一連の外部磁石によって制御されます。ステッピング モーターは、DC 電気モーターと回転ソレノイドの中間と考えることもできます。各コイルが順番に通電されると、ローターは通電された界磁巻線によって生成された磁場と揃います。同期モーターとは異なり、ステッピング モーターは連続的に回転しません。代わりに、界磁巻線が順番に通電および消電されるにつれて、ステップ状に移動し、開始して停止し、ある位置から次の位置に進みます。シーケンスに応じて、ローターは前方または後方に回転し、いつでも方向を変更、停止、加速、または減速できます。

シンプルなステッピングモータードライバは、界磁巻線への通電を完全に行うか、完全に遮断することで、ローターを限られた位置に「コグ」させます。マイクロステッピングドライバは、界磁巻線への電力を比例制御することで、ローターをコグポイント間で位置決めし、スムーズに回転させることができます。コンピュータ制御ステッピングモーターは、特にデジタルサーボ制御システムの一部として、最も汎用性の高い位置決めシステムの一つです。

ステッピングモーターは特定の角度まで離散的に回転させることが容易であるため、初期のディスクドライブでは読み取り/書き込みヘッドの位置決めにステッピングモーターが使用されていました。その精度と速度により、読み取り/書き込みヘッドを正確に位置決めすることができました。しかし、ドライブ密度が高まるにつれて、精度と速度の限界により、ハードドライブではステッピングモーターは時代遅れとなりました。精度の限界により使用できなくなり、速度の限界により競争力がなくなったためです。そのため、新しいハードディスクドライブでは、ボイスコイルベースのヘッドアクチュエータシステムが採用されています。（ここでの「ボイスコイル」という用語は歴史的なもので、コーン型スピーカーの構造を指します。）

ステッピング モーターは、アクティブ要素、プリント ヘッド キャリッジ (インクジェット プリンター)、およびプラテン ローラーまたはフィード ローラーを移動するために、コンピューター プリンター、光学スキャナー、およびデジタル コピー機でよく使用されます。

いわゆるクォーツ式アナログ腕時計には、ごく一般的な最小のステッピングモーターが搭載されています。コイルは1つで、消費電力は少なく、永久磁石のローターを備えています。電池式のクォーツ時計も、同様のモーターで駆動されています。クロノグラフなど、クォーツ時計の中には複数のステッピングモーターを搭載しているものもあります。

ステッピングモータとSRMは、三相交流同期モータと設計上密接に関連しており、可変リラクタンスモータタイプに分類されます。^{[ 85 ]}

リニア

リニアモーターとは、本質的には、トルク（回転）を生成する代わりに、長さに沿って直線的な力を生成するように「展開」された電気モーターです。

リニアモーターは、一般的に誘導モーターまたはステッピングモーターと呼ばれます。リニアモーターは、モーターのない鉄道車両の高速移動をレールで制御するジェットコースターでよく使用されます。また、列車が地上を「飛行」する磁気浮上式鉄道にも使用されています。より小規模な例として、1978年頃のHP 7225Aペンプロッタは、2つのリニアステッピングモーターを使用してペンをX軸とY軸に沿って移動させていました。^{[ 86 ]}

非磁性

静電気

静電モーターは電荷の吸引と反発を利用します。通常、静電モーターは従来のコイルベースのモーターのデュアルです。小型モーターは低電圧で動作しますが、通常は高電圧電源が必要です。従来の電気モーターは磁気の吸引と反発を利用し、低電圧で大電流を必要とします。1750年代に、最初の静電モーターはベンジャミン・フランクリンとアンドリュー・ゴードンによって開発されました。静電モーターは、駆動電圧が100ボルト未満で、コイルや鉄心よりも可動式の帯電プレートの方がはるかに製造しやすいマイクロ電気機械システム（MEMS）で頻繁に使用されています。生体細胞を動かす分子機構は、多くの場合、リニア静電モーターとロータリー静電モーターをベースとしています。

圧電

圧電モーターまたはピエゾモーターは、電界が加えられた際に圧電材料の形状が変化することを利用した電気モーターの一種です。圧電モーターは、材料が音響または超音波振動を発生させ、直線運動または回転運動を生み出す逆圧電効果を利用します。^{[ 87 ]}ある機構では、単一平面における伸長を利用して、キャタピラの動きのように、一連の伸張と位置保持を行います。^{[ 88 ]}

電気推進

電気駆動型宇宙船推進システムは、電気モーター技術を用いて宇宙船を宇宙空間で推進する。ほとんどのシステムは推進剤を電気的に加速して高速化させるが、一部のシステムは磁気圏への推進力として電気力学的テザー原理に基づいている。^{[ 89 ]}

主要カテゴリーによる比較

モーターの種類の比較

タイプ	利点	デメリット	典型的なアプリケーション	標準ドライブ、出力
自己整流モータ
ブラシ付きDC	シンプルな速度制御 初期コストが低い	メンテナンス（ブラシ） 中程度の寿命 高価な整流子とブラシ	製鉄所 製紙機械 トレッドミルエクササイズマシン 自動車アクセサリー	整流器、リニアトランジスタ、またはDCチョッパコントローラ。[ 90 ]
ブラシレスDCモーター（BLDCまたはBLDM）	長寿命 メンテナンスの手間がかからない 高効率	初期コストが高い 閉ループ制御を備えたECコントローラが必要	ハードディスクドライブ CD/DVDプレーヤー 電気自動車 RC車両 無人航空機	同期式。PMローターと台形ステーター巻線を備えた単相または三相。VFDは通常VS PWMインバータータイプ。[ 81 ] [ 91 ] [ 92 ]
スイッチドリラクタンスモータ（SRM）	長寿命 メンテナンスの手間がかからない 高効率 永久磁石なし 低コスト シンプルな構造	機械的共鳴の可能性 高い鉄損 オープンまたはベクトル制御および並列動作は不可能 ECコントローラーが必要[ 85 ]	家電製品 電気自動車 繊維工場 航空機への応用	PWMやその他の様々な駆動方式があり、特殊なOEMアプリケーションで使用される傾向があります。[ 93 ] [ 94 ]
ユニバーサルモーター	高い始動トルク コンパクト 高速	メンテナンス（ブラシ） 寿命が短くなる 通常は音響的にノイズが多い 小さな評価だけが経済的	ハンドヘルド電動工具 ブレンダー 掃除機 断熱送風機	可変単相交流、半波または全波位相角制御（トライアック付き）。閉ループ制御はオプション。[ 90 ]
AC非同期モータ
AC 多相かご型または巻線型誘導電動機(それぞれ SCIM または WRIM)	自発的 低コスト 屈強 信頼性のある 1MW以上の定格 標準化されたタイプ	高い始動電流 磁化が必要なため効率が低い	固定速度（従来） SCIMは、特にあらゆる種類の低パフォーマンスアプリケーションにおいて世界中で活躍しています。 可変速（従来） 低性能可変トルクポンプ、ファン、ブロワー、コンプレッサー。 可変速（増加） その他の高性能定トルク、定電力または動的負荷。	固定速度 あらゆる種類の低パフォーマンスアプリケーション。 可変速（従来） WRIM ドライブまたは固定速度 V/Hz 制御 VSD。 可変速（増加） DC、WRIM、単相 AC 誘導モーター ドライブに代わるベクトル制御VSD。
AC SCIM分相コンデンサ始動	高出力 高い始動トルク	同期よりわずかに低い速度 始動スイッチまたはリレーが必要	家電製品 据置型電動工具	固定または可変の単相交流。可変速度は通常、トライアックによる全波位相角制御によって得られます。閉ループ制御はオプションです。[ 90 ]
AC SCIM分相コンデンサ駆動	中程度のパワー 高い始動トルク 始動スイッチなし 比較的長寿命	同期よりわずかに低い速度 少し高価	産業用送風機 産業機械
AC SCIM分相補助始動巻線	中程度のパワー 始動トルクが低い	同期よりわずかに低い速度 始動スイッチまたはリレーが必要	家電製品 据置型電動工具
交流誘導くま取り極モータ	低コスト 長寿	同期よりわずかに低い速度 始動トルクが低い 小さな評価 効率が低い	ファン 家電製品 レコードプレーヤー
AC同期モーター
巻線型同期電動機（WRSM）	同期速度 本質的に効率的	より高価 低力率	産業用モーター	固定または可変速、三相。VFDは通常6段階CS負荷整流インバータ型またはVS PWMインバータ型です。[ 90 ] [ 92 ]
ヒステリシスモータ	正確な速度制御 低ノイズ 振動なし 高い始動トルク	非常に低い効率	時計 タイマー 音響機器または録音機器 ハードドライブ キャプスタンドライブ	単相交流、二相コンデンサ始動、コンデンサ運転モータ[ 95 ] [ 96 ]
同期リラクタンスモータ（SyRM）	SCIM と同等ですが、より堅牢で、より効率的で、より低温で動作し、設置面積が小さいです。 減磁の問題がなくPM同期モータと競合	コントローラーが必要です 広く入手できない 高コスト	家電製品 電気自動車 繊維工場 航空機への応用	VFDは標準DTCタイプまたはVSインバータPWMタイプのいずれかになります。[ 97 ]
特殊モーター
パンケーキ型または軸回転型モータ[ 81 ]	コンパクトなデザイン シンプルな速度制御	中程度のコスト 中程度の寿命	オフィス機器 ファン/ポンプ 高速産業用および軍用サーボ	駆動装置は通常、ブラシ付きまたはブラシレスDCタイプです。[ 81 ]
ステッピングモーター	精密な位置決め 高い保持トルク	高価なものもある コントローラーが必要	プリンタやフロッピーディスクドライブ、産業用工作機械における位置決め	VFDではありません。ステッパーの位置はパルスカウントによって決定されます。[ 98 ] [ 99 ]

運営原則

力とトルク

電気モーターは、2つの反対方向の磁場間の力を利用して、電気エネルギーを機械エネルギーに変換します。2つの磁場のうち少なくとも1つは、電流によって発生する磁場を介して電磁石によって生成される必要があります。

磁場に垂直な長さの導体内の電流間の力は、ローレンツ力の法則を使用して計算できます。 ${\displaystyle I}$ ${\displaystyle \ell}$ ${\displaystyle \mathbf {B} }$

${\displaystyle \mathbf {F} =I\ell \times \mathbf {B} }$

注: X はベクトル外積を表します。

モーターの力を計算する最も一般的な方法はテンソル記法を使用する。^{[ 100 ]}

力

電気モーターの出力は次のように表されます。 $${\displaystyle P_{\text{em}}=T\omega =Fv}$$

• ${\displaystyle \omega }$ : 軸角速度、[ラジアン/秒]
• ${\displaystyle T}$ : トルク、[ニュートンメートル]
• ${\displaystyle F}$ : 力、[ニュートン]
• ${\displaystyle v}$ : 速度、[メートル/秒]。

ヤードポンド法では、モーターの機械出力は次のように表される。^{[ 101 ]}

${\displaystyle P_{\text{em}}={\frac {\omega _{\text{rpm}}T}{5252}}}$ （馬力）

どこ：

• ${\displaystyle \omega _{\text{rpm}}}$ 、軸角速度 [ rpm ]
• ${\displaystyle T}$ : トルク、[フィートポンド]。

非同期モーターまたは誘導モーターでは、モーター速度とエアギャップ電力の関係は次のように表されます。

${\displaystyle P_{\text{エアギャップ}}={\frac {R_{r}}{s}}I_{r}^{2}}$ 、 どこ

R _r – ローター抵抗

I _r ² – ローターに誘導される電流の2乗

s – モーターのスリップ。つまり、同期速度とスリップ速度の差。ローターの電流誘導に必要な相対的な動きを提供します。

逆起電力

直流モーターまたはユニバーサルモーターの電機子巻線が磁界を通過すると、そこに電圧が発生します。この電圧はモーターの電源電圧に逆らう傾向があるため、「逆起電力（EMF）」と呼ばれます。この電圧はモーターの回転速度に比例します。モーターの逆起電力に、巻線の内部抵抗とブラシによる電圧降下を加えたものが、ブラシの電圧と等しくなければなりません。これがDCモーターの速度制御の基本的なメカニズムです。機械的負荷が増加すると、モーターは減速します。その結果、逆起電力が低下し、電源からより多くの電流が引き出されます。この増加した電流が、負荷をバランスさせるための追加のトルクを提供します。^{[ 102 ]}

交流機械では、機械内部の逆起電力源を考慮することが有用な場合があります。これは、VFDの誘導電動機の厳密な速度制御において特に重要です。^{[ 102 ]}

損失

モーターの損失は主に巻線の抵抗損失、コア損失、ベアリングの機械損失によるもので、特に冷却ファンがある場合には空力損失も発生します。

整流でも損失が発生します。機械式整流子は火花を発し、電子式整流子は熱も放散します。

効率

モーターの効率を計算するには、機械出力を電気入力で割ります。

${\displaystyle \eta ={\frac {P_{\text{m}}}{P_{\text{e}}}}}$ 、

ここで、 はエネルギー変換効率、は電気入力電力、は機械出力電力です。 ${\displaystyle \eta}$ ${\displaystyle P_{\text{e}}}$ ${\displaystyle P_{\text{m}}}$

${\displaystyle P_{\text{e}}=IV}$

${\displaystyle P_{\text{m}}=T\omega }$

ここで、は入力電圧、は入力電流、は出力トルク、は出力角速度です。最大効率点は解析的に導出可能です。通常、最大効率点は失速トルクの半分未満です。 ${\displaystyle V}$ ${\displaystyle I}$ ${\displaystyle T}$ ${\displaystyle \omega }$

各国の規制当局は、高効率モーターの製造と使用を奨励するための法律を制定しています。電気モーターの効率は、くま取り極モーターで約15%～20%、永久磁石モーターで最大98%です。^{[ 103 ] [ 104 ] [ 105 ]}効率は負荷にも依存します。ピーク効率は通常、定格負荷の75%のときです。そのため、（例えば）10 HPのモーターは、7.5 HPの負荷を駆動する場合に最も効率的です。^{[ 106 ]}効率はモーターのサイズにも依存し、大型モーターの方が効率が高い傾向があります。^{[ 107 ]}一部のモーターは、指定された時間以上（例：1回あたり1時間以上）連続して動作できません。^{[ 108 ]}

善の要素

エリック・レイスウェイト^{[ 109 ]}は、電気モーターの「良さ」を判断するための指標を提案した。^{[ 110 ]}

${\displaystyle G={\frac {\omega}{{\text{抵抗}}\times {\text{磁気抵抗}}}}={\frac {\omega\mu\sigmaA_{\text{m}}A_{\text{e}}}{l_{\text{m}}l_{\text{e}}}}$

どこ：

${\displaystyle G}$ は良さの係数です（1より大きい係数は効率的である可能性が高い）

${\displaystyle A_{\text{m}},A_{\text{e}}}$ 磁気回路と電気回路の断面積です

${\displaystyle l_{\text{m}},l_{\text{e}}}$ 磁気回路と電気回路の長さです

${\displaystyle \mu}$ コアの透水性

${\displaystyle \omega }$ モーターが駆動される角周波数

このことから、彼は最も効率の高いモータは比較的大きな磁極を持つ可能性が高いことを示しました。ただし、この式は非永久磁石モータにのみ直接関係します。

パフォーマンスパラメータ

トルク

電磁モーターは、相互作用する磁場のベクトル積からトルクを得ます。トルクを計算するには、エアギャップ内の磁場に関する知識が必要です。これらが確立されると、トルクはすべての力のベクトルの積分にベクトルの半径を乗じたものになります。巻線に流れる電流が磁場を生成します。磁性材料を用いたモーターの場合、磁場は電流に比例しません。

電流とトルクの関係を示す数値は、モーターの選定に役立ちます。モーターの最大トルクは、熱を考慮しない場合、最大電流に依存します。

与えられたコア飽和制約内で、与えられた有効電流（トルク電流）、電圧、極対数、励磁周波数（同期速度）、および空隙磁束密度に対して最適設計されている場合、あらゆるカテゴリーの電動モータ／発電機は、巻線スロットとバックアイアンの深さ（電磁コアの物理的サイズを決定する）を含む所定の空隙領域内で、実質的に同じ最大連続シャフトトルク（動作トルク）を示します。一部の用途では、電気自動車を停止状態から加速させるバーストトルクなど、最大値を超えるトルクバーストが必要です。磁気コア飽和または安全な動作温度上昇と電圧によって常に制限されるため、最大値を超えるトルクバーストの容量は、モータ／発電機の種類によって大きく異なります。

WRSMやPMSMのような変圧器回路トポロジを持たない電気機械は、磁心を飽和させることなくトルクバーストを発生させることができません。飽和してしまうと、電流を追加してもトルクを増加させることができません。さらに、PMSMの永久磁石アセンブリは修復不可能な損傷を受ける可能性があります。

誘導機、誘導二重給電電気機械、誘導または同期巻線ロータ二重給電 (WRDF) 機械などの変圧器回路トポロジーを備えた電気機械では、変圧器の両側の EMF 誘導有効電流が互いに反対方向になるため、変圧器結合磁心磁束密度にまったく寄与せず、コア飽和を回避してトルクバーストを許容します。

誘導または非同期の原理を利用する電気機械は、変圧器回路の1つのポートを短絡させます。その結果、滑りが増加すると変圧器回路の無効インピーダンスが支配的になり、有効電流（すなわち実電流）の大きさが制限されます。最大設計トルクの2～3倍のトルクバーストが実現可能です。

ブラシレス巻線ロータ同期二重給電（BWRSDF）機は、真のデュアルポート変圧器回路トポロジー（つまり、両方のポートが独立して励起され、短絡ポートがない）を備えた唯一の電気機械である。^{[ 111 ]}デュアルポート変圧器回路トポロジーは不安定であることが知られており、限られた電力をロータ巻線セットに伝播させるために多相スリップリングブラシアセンブリが必要である。動作中に同期動作のトルク角とスリップを瞬時に制御し、同時にロータ巻線セットにブラシレス電力を供給する精密な手段が利用可能であれば、BWRSDF機の有効電流は変圧器回路の無効インピーダンスに依存せず、最大動作トルクを大幅に上回り、他のタイプの電気機械の実際的な能力をはるかに超えるトルクバーストが実現可能となる。動作トルクの8倍を超えるトルクバーストが計算されている。

連続トルク密度

従来の電気機械の連続トルク密度は、空隙面積とバックアイアンの深さによって決まります。これらの空隙面積とバックアイアンの深さは、電機子巻線セットの定格電力、機械の速度、そして鉄心飽和前の空隙磁束密度によって決まります。ネオジムまたはサマリウムコバルト永久磁石は高い保磁力を備えていますが、最適に設計された電機子巻線セットを備えた電気機械では、連続トルク密度は実質的に同じです。連続トルク密度は、冷却方法と、巻線の過熱による破壊や永久磁石の損傷までの許容動作期間に関係します。

他の情報源によると、様々な電動機械のトポロジーはそれぞれ異なるトルク密度を持つとされています。ある情報源では、次のように示されています。^{[ 112 ]}

電動機械タイプ	比トルク密度（Nm/kg）
SPM – ブラシレスAC、180°電流伝導	1.0
SPM – ブラシレスAC、120°電流伝導	0.9～1.15
IM、非同期マシン	0.7～1.0
IPM、埋込永久磁石機械	0.6～0.8
VRM（二重突極磁気抵抗機械）	0.7～1.0

ここで、表面永久磁石 (SPM) の比トルク密度は 1.0 に正規化されています (ブラシレス AC、180° 電流伝導)。

液冷式モーターのトルク密度は、空冷式モーターの約 4 倍になります。

直流電動機、誘導電動機（IM）、PMSM、SRMを比較した資料によると、次のとおりです。^{[ 113 ]}

特性	直流	私は	PMSM	SRM
トルク密度	3	3.5	5	4
電力密度	3	4	5	3.5

別の情報源によると、1MWまでのPMSMは誘導機よりもかなり高いトルク密度を持っているとのことです。^{[ 114 ]}

連続電力密度

連続出力密度は、連続トルク密度と定常トルク速度範囲の積によって決まります。電気モーターは最大20kW/kgの密度を達成でき、これは1kgあたり20キロワットの出力を意味します。^{[ 115 ]}

音響ノイズと振動

音響ノイズと振動は通常、次の 3 つの発生源に分類されます。

• 機械的原因（例：ベアリングによる）
• 空気力学的要因（例：シャフトに取り付けられたファンによるもの）
• 磁気源（例：マクスウェル力や固定子および回転子構造に作用する磁歪力などの磁力によるもの）

後者の発生源は、電気モーターの「うなり音」の原因となる可能性があり、電磁誘導音響ノイズと呼ばれます。

標準

以下は、電気モーターを対象とする主要な設計、製造、およびテスト規格です。

• アメリカ石油協会：API 541 フォームワウンドかご形誘導電動機 – 375 kW (500 馬力) 以上
• アメリカ石油協会：API 546 ブラシレス同期機 – 500 kVA以上
• アメリカ石油協会：API 547 汎用フォームワインドかご形誘導電動機 – 250馬力以上
• 電気電子学会：IEEE Std 112 多相誘導電動機および発電機の標準試験手順
• 電気電子学会：IEEE Std 115 同期機の試験手順ガイド
• 電気電子技術者協会：IEEE Std 841 石油・化学産業向け規格 – プレミアム効率過酷用途全閉ファン冷却式（TEFC）かご形誘導電動機 – 最大 370 kW（500 Hp）
• 国際電気標準会議：IEC 60034 回転電気機械
• 国際電気標準会議：IEC 60072 回転電気機械の寸法および出力シリーズ
• 全米電機工業会：MG-1 モーターおよび発電機
• アンダーライターズ・ラボラトリーズ：UL 1004 – 電動モーターの規格
• インド規格：IS:12615-2018 – ライン駆動式三相交流モーター（IEコード）「効率クラスおよび性能仕様」（第3版）

参照

• 補償巻線
• 発電機
• 電気自動車用モーター
• 善の要素
• モーターコンデンサ
• モーターコントローラー
• 往復電動モーター
• 回生ブレーキ
• トラクションモーター

注記

1. ガノットはフロマンが設計した初期の電気モーターの素晴らしい図解を提供している。 ^{[ 40 ]}
2. 「電子整流子モーター」（ECM）という用語は、暖房、換気、空調（HVAC）業界で使用されています。この文脈では、BLDCとBLACの区別はECM駆動の複雑さの度合いによって行われ、BLDC駆動は通常、表面PMモーター構造を伴う単純な単相スカラー制御電圧制御台形電流波形出力を伴うのに対し、BLAC駆動は、内部PMモーター構造を伴うより複雑な三相ベクトル制御電流制御正弦波波形を伴う傾向があります。 ^{[ 71 ]}
3. ユニバーサルモーターと反発モーターは、AC整流子モーターと呼ばれるクラスに属し、現在ではほぼ廃止された以下のモータータイプも含まれます。単相 - 直巻モーターと補償付き直巻モーター、鉄道モーター。三相 - 様々な反発モータータイプ、ブラシシフト直巻モーター、ブラシシフト多相シャントモーターまたはシュラーゲモーター、フィン・ヴァイクセルモーター。 ^{[ 73 ]}

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参考文献

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さらに読む

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• Bose, Bimal K. (2006). 『パワーエレクトロニクスとモータドライブ：進歩と動向』Academic Press. ISBN 978-0-12-088405-6。
• ジョン・チアソン（2005年）『電気機械のモデリングと高性能制御』（オンライン版）ワイリー社ISBN 978-0-471-68449-7。
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• ペリー, BR (1971).サイリスタ位相制御コンバータとサイクロコンバータ：動作、制御、性能. Wiley-Interscience. ISBN 978-0-471-67790-1。

外部リンク

• SparkMuseum: 初期の電気モーター
• カールスルーエ工科大学のマーティン・ドッペルバウアーが主催する「電気モーターの発明 1800年から1893年」
• MAS.865 2018 (ほぼ)何でも作れるものを作る方法、スローモーション GIF、さまざまな種類のモーターのオシログラム。