モータの基礎と永久磁石シリーズ（５）

2010年（平成22年）7月1日

【交流で回転する同期モータ】

同期モータ（Syncronous Motor）は先月号でお話をしました誘導モータと同様、回転磁界により回転速度が決定する交流（AC）モータです。回転する原理・仕組みは誘導モータよりわかりやすく、磁石の吸引によってトルクを得るようになっています。回転速度は、電源の周波数で決まる同期速度になり、一定です。

１．同期モータの基本原理

誘導モータと同様、三相交流の回転磁界を利用して回転するモータで、左下図のように外側の磁石を回転させると、内側の磁石も追随して回転する原理を利用したものです。誘導モータがうず電流と磁界の作用の複雑な原理を応用しているのに比べ、わかりやすいシンプルな原理といえます。

実際は中下図、右下図のように、外側の磁石の代わりに、三相交流の回転磁界を利用しています。

上図（a）および（b）は、永久磁石でできている回転子が同期速度nsで回転している状況を表したもので、(a)は無負荷時の回転動作で、回転しているある一瞬の図といえます。コイルの回転磁界によってできたn極、s極に対して、永久磁石のN極、S極が一直線上に重なっています。このとき、モータのトルクは0です。（b）は負荷がかかったところで、回転磁界によってできたn極、s極に対して、永久磁石のN極、S極が角度δ（負荷角）だけ遅れます。

また、停止中のモータに50～60Hzの商用周波数の交流電圧を加えても、モータは回転しません。これは、先月号で解説しました誘導モータと同様、

回転磁界の回転速度（同期速度）ns　＝　2　x　三相交流の周波数　／　コイルの極数

となり、50Hzの商用周波数の電源では、2極の回転磁界は1秒間に50回転していることになり、回転磁界の回転速度が速すぎて、慣性のある永久磁石はこの回転速度に追従できず、右方向と左方向に力を受けてしまい、停止したままになるからです。つまり、同期モータは自力で回転することのできないモータといえます。

２．同期モータの始動方法

同期速度nsまで上昇させる方法としていろいろな方法が考えられますが、ここでは、自己始動できるものと、別のモータに助けてもらう方法についてお話をいたします。

左下図は、かご形回転子と永久磁石形回転子を併設して、誘導モータとして始動できるようにしたものです。これは、小容量の同期モータで利用されています。

右下図は、容量の大きな同期モータの始動に用いられる方法です。誘導モータや直流モータを始動用のモータとして使います。始動手順としては、ます単相交流電源スイッデS1を投入して始動用モータで同期モータを回転させ、回転子が同期速度になったところで同期モータの三相交流電源スイッチS2を投入して、始動が完了します。始動後、単相交流電源スイッチS1を切って、始動モータは軸の部分を外します。