電動モーターの温度制限：性能の保護

1.モータの適正使用温度

モータの動作温度は、その性能と寿命を左右する重要な要素である。一般的に、モーター本体の温度は80℃を超えないことが望ましい。モーター本体の温度がこの閾値を超えると、モーター内部の巻線温度も高くなり、80℃を超える可能性があることを示しています。この温度上昇はいくつかの悪影響を及ぼす可能性がある：

巻線絶縁劣化

高温は巻線の絶縁を劣化させ、モーター効率の低下と故障の可能性につながります。

ベアリング潤滑の問題

モーター本体からの熱はモーターシャフトエンドに伝わり、モーターベアリングの潤滑に影響を与えます。その結果、摩擦や摩耗が増加し、最終的にはベアリングの故障につながる可能性があります。

2.モーターが焼損する温度

モータが焼損する温度は、その絶縁クラスによって異なる。例えば、モータの絶縁クラスがクラスAで、周囲温度が40℃の場合、モータの外殻温度は60℃以下でなければなりません。この温度を超えると、絶縁不良やモータの焼損につながる可能性があります。

3.モーター各部の温度限界

安全で効率的な運転を保証するために、モーターのさまざまな部分には特定の温度限界があります：

巻線温度限界

巻線に接する鉄心の温度上昇（温度計による測定）は、巻線に接する絶縁材料の温度上昇限界（抵抗法による測定）を超えてはならない。様々な絶縁クラスの限界は以下の通りである：

• クラスA: 60°C
• クラスE: 75°C
• Bクラス: 80°C
• Fクラス:100°C
• Hクラス:125°C

ベアリング温度限界

• 転がり軸受:温度は95℃を超えないこと。過度の温度は油質の変化や油膜の損傷を引き起こし、ベアリングの故障につながります。
• スライディングベアリング:温度は80℃を超えないようにしてください。高温は同様にベアリングの潤滑と完全性に影響を与える可能性があります。

ケーシング温度

実際には、モーターケーシングの温度は、「触って熱くないこと」という単純な基準で測られることが多い。この実用的な方法は、モーターが安全な温度範囲内で運転されていることを保証するのに役立ちます。

ローター温度

リスケージ式ローターは、表面の迷走損失が大きく、高温に達する可能性がある。温度は一般に、隣接する断熱材を危険にさらさないようにすることで制限される。これを推定する一つの方法は、あらかじめ不可逆的に変色する塗料を塗ることで、過度の温度を視覚的に示すことである。

これらの温度制限を守り、モータの運転状態を監視することで、モータの最適な性能と寿命を確保し、早期故障やコストのかかるダウンタイムを防ぐことができます。定期的なメンテナンスと温度チェックは、モータを効率的かつ安全に稼動させるために不可欠な習慣です。

4.モーターの温度と温度上昇

モーターの発熱の程度は、単なる "温度 "ではなく、"温度上昇 "によって測定される。温度上昇」が急に高くなったり、最高使用温度を超えたりした場合は、モーターが故障したことを示している。以下、基本的な考え方について説明する。

絶縁材料の絶縁クラス

絶縁材料は、その耐熱性によっていくつかのクラスに分けられる：Y、A、E、B、F、H、C。各クラスには特定の限界使用温度があり、この温度は様々な用途に対する材料の適合性を決定する上で極めて重要である。各クラスの限界使用温度は以下の通りである：

• Yクラス: 90°C
• クラスA:105°C
• クラスE:120°C
• Bクラス:130°C
• Fクラス:155°C
• Hクラス:180°C
• クラスC:180℃以上

さらに、これらのクラスの性能基準温度は以下の通りである：

• クラスA: 80°C
• クラスE: 95°C
• Bクラス:100°C
• Fクラス:120°C
• Hクラス:145°C

断熱材の熱安定性

断熱材は、その熱安定性によって分類することができる：

• Yクラス90℃、通常は綿
• クラスA:105°C
• クラスE:120°C
• Bクラス:130℃、典型的には雲母
• Fクラス:155℃、通常はエポキシ樹脂
• Hクラス:180℃、通常はシリコーンゴム
• クラスC:180℃以上

モーターでの実用化

電気モーター、特にクラスBモーターの領域では、絶縁材料の選択が耐久性と性能を確保する上で極めて重要な役割を果たします。通常、これらのモーターはクラスFの内部絶縁材を使用し、銅線はクラスHまたはそれ以上の絶縁材を使用します。この組み合わせはモータの品質と信頼性を高めるように設計されています。

このようなモータの寿命を延ばすために、高級な絶縁材を低級な条件下で試験するのが一般的です。これは、モータの温度上昇が120℃を超えないようにすることを意味し、製造上の不一致によるばらつきを考慮してさらに10℃のマージンを加えます。このような保守的な試験方法は、モータが安全な温度限界内で動作することを保証し、モータの寿命を延ばすのに役立ちます。

限界使用温度

絶縁材料の限界使用温度は、モータが期待される耐用年数にわたって耐えることができる、運転中のモータの巻線絶縁の最も高温の箇所の最高温度として定義される。経験的データに基づくと、クラスAの絶縁材料は105℃で10年、クラスBの絶縁材料は130℃で同様の寿命が期待される。

しかし、実際の用途では、周囲温度や実際の温度上昇がこれらの設計値を下回ることが多く、その結果、これらの材料の一般的な寿命は15〜20年となる。

モーターの寿命に対する温度の影響

温度はモーターの寿命を左右する重要な要素です。動作温度が絶縁材料の限界動作温度を常に超えている場合、絶縁はより急速に劣化します。この経年劣化の促進により、モータの寿命は著しく短くなります。したがって、モータの動作温度を指定された範囲内に維持することは、寿命と信頼できる性能を確保するために不可欠です。

絶縁クラスと温度限界

電動機の絶縁クラスは、使用される絶縁材料の耐熱等級を示す。これらのクラスはA、E、B、F、Hに分類され、それぞれ特定の最大許容温度と巻線温度上昇限度がある：

許容温度上昇

許容温度上昇は、周囲環境と比較した電動機の温度上昇の限界値です。このパラメータは、モータが安全な温度範囲内で動作することを保証し、それによって絶縁を保護し、モータの寿命を延ばすために不可欠です。

絶縁材料の耐熱性

絶縁材料によって耐熱性のレベルは異なる。グレードの高い絶縁材料を使用した電気機器は、より高い温度に耐えることができるため、性能と寿命が向上する。一般的な電気機器では、安全で信頼性の高い動作を保証するため、最高使用温度が通常指定されている。

詳細説明

1. 断熱クラス:
   • クラスA:最高温度が105℃を超えない用途に適する。巻線温度上昇限界は60Kです。
   • クラスE:巻線温度上昇限界75Kで120℃まで対応可能。
   • Bクラス:巻線温度上昇限界は80K。
   • Fクラス:155℃までの温度に耐え、巻線温度上昇限界は100K。
   • Hクラス:最高温度180℃まで対応、巻線温度上昇限度は125K。
2. 許容温度上昇:これは、モータの絶縁の完全性を維持するために非常に重要です。許容温度上昇は、絶縁破壊やモータ寿命の低下につながる可能性のあるモータの過熱を確実に防止します。
3. 絶縁材料の耐熱性:絶縁材料の選択はモータの性能にとって極めて重要である。グレードの高い材料は、より高い動作温度を可能にし、モータの効率と耐久性を向上させます。これは、モータに高い熱負荷がかかる過酷な用途では特に重要です。

これらのパラメータを理解することで、エンジニアは特定の用途に適切なモータと絶縁クラスを選択し、最適な性能と寿命を確保することができます。

よくある質問

以下は、よくある質問に対する回答である：

モーター運転時の最高許容温度は？

モータ動作の最大許容温度は、モータの絶縁クラスと周囲温度によって決まります。モータはNEMAによって異なる絶縁クラスに分類され、それぞれ特定の定格温度を持っています：クラス A (105°C)、クラス B (130°C)、クラス F (155°C)、およびクラス H (180°C) です。これらの定格は、モータの絶縁が耐えられる最高温度を反映したもので、周囲温度にモータの運転による温度上昇を加えたものです。例えば、40℃の周囲温度で動作するクラスFの絶縁を持つモータの定格温度上昇は、サービスファクター1.0の場合は105℃、サービスファクター1.15の場合は115℃です。従って、最大許容運転温度は、サービスファクター1.0の場合は145℃(105℃+40℃)、サービスファクター1.15の場合は155℃(115℃+40℃)となります。これらの温度を超えると、定格温度から10℃上昇するごとに絶縁寿命が半減するため、モーターの寿命が著しく短くなることに注意することが重要です。モータがこれらの高温に達するのを防ぎ、安全で効率的な運転を確保するには、熱保護機構も極めて重要です。

高温はモーターの寿命にどう影響しますか？

高温は、主に絶縁システムなどの構成部品の劣化を促進することで、モーターの寿命に大きな影響を与えます。高温は熱応力を引き起こし、絶縁材料の劣化を早め、機械的強度と電気的性能の低下につながります。このような経年劣化の促進により、定格絶縁温度から10℃上昇するごとに、絶縁寿命は約50%短くなります。

さらに、温度が上昇するとモーター巻線内の電気抵抗が高くなり、電力損失が大きくなって効率が低下する。この効率の悪さがさらに発熱を助長し、問題を悪化させる悪循環を生み出している。

ベアリングのような機械部品も高温下では劣化する。ベアリングの潤滑はより早く破壊され、摩耗の増加や早期故障につながる可能性がある。ベアリングの温度が15℃上昇すると、グリースの寿命が半減する可能性があるため、特に注意が必要です。

極端な場合、モータの温度限界を超える温度に長時間さらされると、巻線の絶縁が溶けて短絡し、モータが焼損して完全に故障することがあります。したがって、モータの寿命を延ばし、信頼できる性能を確保するためには、適切なモータのサイジング、適切な換気、および定期的な監視によって最適な運転温度を維持することが極めて重要です。

極端に暑い気候や寒い気候でモーターを運転する場合、どのような課題がありますか？

極端な高温または低温の気候でモーターを運転すると、モーターの性能、効率、寿命に大きな影響を与える可能性のあるいくつかの課題が生じます。

暑い気候では、モーターは過熱のリスクに直面し、モーター巻線の絶縁を劣化させ、寿命を縮める可能性があります。高温はモーター巻線の抵抗を増加させ、電力損失を増加させ、過熱をさらに悪化させます。また、モータのトルクも制限されるため、より定格の高い断熱材を使用するか、空冷や液冷などの冷却方法が必要になります。効率の低下も問題で、温度が10℃上昇すると効率が5%から10%低下する可能性があり、エネルギー消費と運転コストの上昇につながります。さらに、モーター内のさまざまな材料が温度変化によって異なる割合で膨張し、安定性と信頼性を損なう機械的ストレスが発生します。また、高温は潤滑油の劣化を促進し、ベアリングの摩擦と摩耗を増加させます。

寒冷地では、氷や雪の堆積がモータを断熱し、適切な熱放散を妨げるため、周囲温度が低いにもかかわらずモータが過熱することがあります。結露や湿気は、特にモータの筐体が適切に保護されていない場合、内部部品を腐食させる可能性があります。フェライトベースの永久磁石モーターは、非常に低い温度で一時的に磁界の強さを失い、トルクと回転数に影響を与えることがありますが、この影響は軽微で可逆的です。また、低温によってベアリングのグリースが厚く硬くなり、モータの性能を損ない、シールやプラスチックなどの材料が脆く弱くなることがあります。

このような問題を防ぐには、モーター温度の監視、換気の確保、適切な潤滑の維持など、定期的なメンテナンスが不可欠です。より定格の高い断熱材、冷却システム、特定の環境条件に耐性のある材料の使用など、設計上の工夫は、極端な気候でもモーターを確実に運転するのに役立ちます。効率基準と安全規制を確実に遵守することも、モーターの性能と安全性を維持するために極めて重要です。

モーターの温度を測定・監視するには？

モーターの温度を効果的に測定・監視するには、いくつかの方法を利用することができます。一般的な方法の一つは、モータの外側、特に出力ドライブシャフト付近の温度を測定することです。このエリアは、モータの巻線とベアリングアセンブリの近くで信頼性の高い測定値が得られる傾向があるからです。レーザーポインター付きの赤外線温度計も便利で、巻線が見える開口部など、モーター上の最も高温の場所をターゲットにすることができます。

より正確で継続的な監視を行うには、モーター巻線内にセンサーを埋め込むことが非常に効果的です。これらのセンサーには、連続測定用のPt 100、Pt 1000、Ni 1000、KTY、NTCサーミスタ、温度限界を超えた場合に保護シャットダウンをトリガーするオン/オフ検出用のPTCサーミスタなど、さまざまなタイプがあります。

最高使用温度を理解するには、周囲温度の定格と周囲温度からの定格温度上昇を知る必要があります。例えば、周囲温度が40℃で定格温度上昇が90℃の場合、最高使用温度は130℃になります。周囲温度が標準の制限を超える場合は、安全な運転条件を維持するためにモータを適宜ディレーティングする必要があります。

センサが内蔵されていないモータの場合は、抵抗法を使用することができます。これは、周囲温度でモータのリード線の抵抗を測定し、温度が安定するまで全負荷で動作させた後に測定します。抵抗値の変化は温度上昇を示す。

潜在的な問題を特定するためには、負荷および周囲温度とともに、モーター温度の定期的な監視と記録が極めて重要です。温度の上昇は電気的または機械的な欠陥のシグナルである可能性があり、調査や修理が必要になります。運転温度が10℃上昇するごとにモータの寿命は半減するため、定期的な点検は過度の熱によるモータの寿命低下を防ぐのに役立ちます。

これらの方法を採用することで、正確な温度監視が可能になり、モーターの信頼性と寿命が向上します。

モーターにはどのような熱保護機構がありますか？

モータの熱保護機構は、モータの部品を損傷し寿命を縮める可能性のある過熱を防止するために不可欠です。モータの温度を効果的に監視・制御するために、様々な方法が用いられています：

1. 温度感知:サーミスタ、熱電対、RTDなどのセンサをモータ巻線に埋め込むか、モータの表面に配置することができます。これらのセンサーはリアルタイムの温度データを提供し、保護動作のトリガーに使用できます。
2. サーマルオーバーロードリレー:このリレーはバイメタル・ストリップを使用しており、一定の温度に加熱されると曲がってモーター回路を開き、過熱を防止するために電力を遮断するメカニズムを作動させる。応答時間により異なるトリップクラスに分類される。
3. PTCサーミスタ:正温度係数サーミスタは、温度によって抵抗値が変化する。温度が設定限界値を超えると、抵抗値の増加により制御回路が作動し、モーターを停止させることができる。
4. 電子熱保護システム:これらの高度なシステムは、マイクロプロセッサーを使用して温度データを監視し、モーターの動作を制御します。精密な制御が可能で、モーター・コントロール・センターと統合して保護を強化することができます。
5. サーマルスイッチ:モーター巻線に直接組み込まれ、高感度な電源遮断として機能します。ヒーター付き、ヒーターなしなどさまざまなタイプがあり、単相、三相のモーターを保護することができます。
6. トリップポイントとリセット機構:熱保護システムのトリップポイントは、通常の動作温度を上回り、損傷しきい値以下に設定されている。冷却後に自動的にリセットされるシステムもあれば、手動でのリセットが必要なシステムもある。
7. アラームとインジケータ:これらのシステムは、シャットダウン前に高温をオペレータに警告し、予防措置を取ることを可能にする。
8. メンテナンスと校正:正確な動作を保証するためには、熱保護システムの定期的なメンテナンスと校正が重要です。これには、センサー、リレー、制御回路のチェックが含まれます。

これらの機構を採用することで、モーターは過熱から保護され、耐用年数を延ばし、コストのかかるダウンタイムを防ぎ、人員と機器の両方の安全を確保することができます。

周囲環境はモーター温度にどのような影響を与えますか？

周囲環境はモータの温度に大きく影響し、モータの性能と寿命に影響を与えます。周囲温度は、モータが動作していないときの周囲温度と定義され、モータの動作温度の基準値を設定します。ほとんどの電気モーターの標準周囲温度は40℃です。この標準からの偏差はモータの温度上昇に影響し、これは周囲温度と全負荷運転時のモータ温度との差になります。周囲温度が高くなると温度上昇が大きくなり、絶縁体の老化が促進され、モータの寿命が短くなります。例えば、周囲温度が10℃上昇すると、モータの温度は1.5～3℃上昇します。

その他の環境要因も一役買っている。高地では、空気が薄くなるため冷却効率が低下し、モーターのディレーティングが必要になる可能性があります。高湿度では熱伝導率が若干向上しますが、汚れや繊維は通風を妨げ、放熱面をコーティングして過熱につながります。電源の電圧が低いと、モーターにより大きな電流が流れ、巻線の温度が上昇します。これらの要因が総合的にモータの運転安全性と効率に影響するため、モータの性能と寿命を最適に維持するために周囲条件を監視・管理することが極めて重要になります。