第十六回　同期モータの構造と種類

第11回の冒頭に綴ったように，モータには豊富な種類があるのが不思議です。　電源で大別してDC（直流）モータとAC（交流）モータの分類で十分だった時代があります。交流モータには整流子型と回転磁界型があって，さらに回転磁界型には

　　◆誘導モータ(英 Induction motor，独Asynchronmotor)と

　　◆同期モータ(英 Synchronous motor，独Synchronmotor)

に分けられるとする考えがあります。前回は誘導モータでしたので，今回は同期モータの出番です。ちなみに，ドイツ語の記事や論文をみていると誘導モータはAsynchronmotor（非同期モータ）と記されています。（英⁻独）辞書にはこの語のほかにInduktionsmotorやInduktionsmaschineもあります。英語でのasynchronous motorには若干の違和感を覚えます。日本語を使う専門家の間では「誘導機」と「同期機」に分類します。

駆動法からの大きな分類として同期モータには

　　◆自起動型：50/60Hzの商用電源に接続すると起動して同期速度に達するように設計されたモータと，

　　◆電子回路利用型：ロータの回転角情報を取り込んで，電子回路によって起動・加速して速度が定まる方式

があります。

誘導機との類似性があるのが自起動型です。それをまず見ましょう。自起動型にはまた2種類あります。これらの事柄はロータの構造とそこに使う材料の性質に関係します。それを図16-1の写真で見ます。

図16-1 のAとCのロータは断面構造の違いによる非同期モータと同期モータでした。次の課題は図16-1 のロータBとDの類似性と相違です。Bは普通の鉄（機械構造用鋼）を使っているので，構造としてはいちばん簡単なロータです。Aの籠型では磁束の通路と電流路は分かれていましたが，Bの鉄には磁束も電流も流れます。このロータはsolid-steel rotor（塊状鉄心型）あるいはeddy-current type (渦電流型）と呼ばれます。その 特性は籠型に対応させると前回の図14-7 の大きな の場合に似ています。つまり起動トルクが高く，速度とともにトルクは低下します。普通の鉄では， 特性の保磁力 が極めて低いです。この材料に代わって，ほどほどの になる合金でロータを構成したのがDです。“ほどほどの ”とは永久磁石にはなりにくいというふうな意味で，このような材料を半硬磁鋼と呼ぶことがあります。磁鋼を大胆に3分類すると：

　　◆軟磁鋼　 （magnetically mild steel）：低い保磁力の軟鉄

　　◆硬磁鋼 （magnetically hard steel）永久磁石用の高い保磁力の磁鋼

　　◆半硬磁鋼 （semihard steel）：ほどほどの保磁力の磁鋼

であり，ロータとして奇妙な性質を現すのが半硬磁鋼であり，これを使うのがヒステリシスモータです。

半硬磁鋼を使うヒステリシスモータでは，ステータ巻線が発生する磁極（Ｎとする）が円筒型ロータの磁鋼に逆極の磁化（Ｓ極）を誘発します。ここで重要なのがステータ磁界は回転していることです。反時計回りとします。すると図16-4 に示すようにロータ磁鋼の表面の磁化がステータの回転磁界に少しの距離を保ちながら反時計方向に引きずられて表面を滑っているような現象が現れます。この現象をリング形状の磁鋼内のある1点で 関係として見るのが図16-5 です。横軸を磁界強度 ，縦軸を磁束密度 で表します。 は巻線と電流に起因する理論上の物理量であり，これを原因として観測可能な磁束 が作られるものと考えます。磁束の密度が です。

と の関係は のような線形ではなく，時間 に関係して図16-5 のような形を呈するのがヒステリシス（磁歴）です。磁界の動作点の変化が1サイクルしたときに図形は一巡してその曲線が囲む面積が単位体積当たりに消耗されて熱になると多くの本には記されています。この記述を鵜呑みにしてはいけません。そうかな？という疑問からこのモータの不思議の謎が解かれるのです。

　　◆　ロータが止まっているのであればそうかもしれないが，

　　◆　回っているのであれば

ロータと共に回転する座標系での と の時間的な変化を計算して，熱損失 の計算式を出せば良さそうです。たとえば京都の同期速度60Ｈzで考えます。止まっているとすれば毎秒60サイクルですからこの面積の60倍が熱になってしまうでしょう。それが60Wだと想定します。けれども加速して毎秒20回でまわっているときには，ロータ上では60－20＝40サイクルの変化であるから，熱になるのは先の計算の2/3です。

　　◆このとき，綺麗に作られた円筒形のロータが回っているのかどうか目視では判断できないと想定します。しかし， の変化は静止しているステータの電流に依存するので，静止座標系のロータでも依然として毎秒60回の - 変化に見えます。具体的に毎秒60Ｗのエネルギーが巻線から空隙を介してロータに（消費されているのではなく）注入されていると考えます。発想の切り替えです。注入される電力 と損失 の差は何だろうか？　次式による機械的出力 とします。

ここで大事な仮説として，「モータの中では電力 がステータから空隙を介してロータに流れ込む」と解釈することです。これを専門用語では二次入力と記します。 と損失の比率をすべり で表すと次式になります。

すなわち，この2つの式より

を得て，出力とトルクの関係

からトルクは

になります。等価回路のパラメータは に無関係であり，一定電圧のもとでは二次入力 は に関係なく一定ですからトルク も一定です。

以上より，籠型構造に代えて半硬磁鋼を使うと，交流電源に接続するだけで起動し，加速し，そして同期速度に達して一定の速度で回るモータができます。ヒステリシスによるトルク現象を幾何的な数学を使ってうまく説明したのが第11回にも書いたようにTeareです。その本質をとらえて説明するのが等価回路です。図16-6 にそれを示しています。籠型誘導モータの場合とは違ってロータに対応する二次回路の抵抗 が滑り に無関係な一定値になります。この を の比率に分けると が損失に， が出力に対応します。そしてトルクは に関係なく一定です。つまり，起動から同期運転に入るまで電流もトルクも変わらないことを意味します。数式的にこのように，最も単純なモータこそヒステリシスモータです。電磁誘導による磁界の誘導と磁界だけによって近くの磁鋼に磁極が誘発される現象の違いは，等価電気回路に二次抵抗 の違いとしても現れます。これも豊富なモータタイプの不思議です。

図16-6(b) は，実際には同期運転に入るときに，トルクが下がることを示します。この原因がステータ鉄心の歯による影響であることを見事に説明したのもTeareです。しかしリングを支える支持体は非磁性体でなくてはいけないことなどを知ったのは筆者自身の実験と計算からでした。

いま見てきたように，自起動同期モータとしてリラクタンスモータとヒステリシスモータの2方式があるのですが，IT機器であるテープレコーダに大量に使われたのはヒステリシスモータでした。その訳を紙面で正確に説明するのは困難ですが，要は均一構造の利点としてトルクのむらが発生しにくいためです。ただし回転速度を電源の周波数とは無関係に正確に制御する必要が高まって，高磁鋼を使うより小さなモータに置き換わりました。それが次に説明するブラシレスモータです。

半硬磁鋼と硬磁鋼の使い分けを明確に示すのが図16-7 です。

さらに，図16-8 には同期モータの基本的な3タイプをステータを共有する同一寸法で制作した事例として示します。

籠型誘導モータの構造を使う超電導モータを次回のテーマとします。第14/15回はその準備を兼ねてさまざまな誘導モータを見て，今回は同期モータのロータ構造を見ていただいたのも，超電導モータとの繋がりのためです。意外なのが，上に見たヒステリシスモータとの類似性です。そこにもモータの不思議の一片が見えるのです。