かご形誘導電動機：アルミニウムと銅ケージの設計ベース比較

この紹介論文の内容は、"[IEEE Open Journal of Industry Applications]"が発行した論文「Squirrel Cage Induction Motor: A Design-Based Comparison Between Aluminium and Copper Cages」に基づいています。

FIGURE 1. a) Electric energy consumption by end use, b) Number of
motors by power range, c) Motor energy consumption by power range, d)
Motor type distribution by power range. — FIGURE 1. a) Electric energy consumption by end use, b) Number of motors by power range, c) Motor energy consumption by power range, d) Motor type distribution by power range.

1. 概要:

タイトル: かご形誘導電動機：アルミニウムと銅ケージの設計ベース比較
著者: アレッサンドロ・マルフォリ、マウロ・ディ・ナルド、ミケーレ・デガーノ、クリス・ゲラダ、ヴェルナー・ジャラ
発行年: 2021年
発行ジャーナル/学会: IEEE Open Journal of Industry Applications
キーワード: アルミニウムケージ、銅ケージ、効率改善、高速性能計算、有限要素解析、誘導電動機、多目的最適化、回転子スロット設計、かご形

2. 抄録:

多くの産業用途において、電気モーターの自己始動能力は、ドライブアーキテクチャを簡素化し、システムの信頼性を向上させるために依然として重要な要件です。このモーターのトポロジーの効率改善は、さまざまな国および国際的な規制当局によって、臨時の政策によって目標とされてきました。実際、エネルギー消費量の削減は、運用コストとCO2排出量の削減という2つの利点につながります。銅ケージの採用は、モーターの損失を低減するために成功していることが証明されています。しかし、これは始動トルクなどの他の性能指標に影響を与える可能性があります。本論文では、より一般的なアルミニウムケージと比較して、さまざまな動作条件下でのモーター性能を比較することにより、銅ケージの採用の利点と欠点を詳細に分析します。アルミニウムケージで最適化された一連の誘導機から始めて、直接的な材料ケージ置換の効果を電磁気的および熱的側面の両方で分析します。全体的な性能は、銅ケージに対して特別に最適化された機械と比較されます。提示された性能比較演習により、他の性能指標を悪化させることなく効率を改善することを目的とした一般的な設計ガイドラインが概説されています。

3. 導入:

最終的な世界の電力エネルギー消費量のほぼ50％が電気モーターの供給に使用されています[1]。電気モーターの大部分は定格出力が0.75kW未満ですが、図1（b）および（c）に示すように、電力エネルギー消費に最も大きな影響を与えるのは、市場全体の残りの小さな部分です。実際、0.75kWを超える定格出力を持つ電気モーターの10％が、総電力エネルギー消費量の91％を占めています[2]。図1（d）は、ヨーロッパにおける電力範囲別の電気モータータイプの分布を示しています[3]。明らかに、電力エネルギー消費量の点で最も影響力のあるモーターのトポロジーは、中高電力範囲で最も一般的なAC多相モーターです。グリッド接続された三相かご形誘導電動機（SCIM）は、市場で入手可能な幅広い種類のAC電気モーターの中で最大の市場シェアを占めています[4]。したがって、その効率を改善することは、CO2排出量の点で環境への影響を削減する上で最大の効果をもたらす可能性があります[5]。過去20年間で、ほぼすべての主要経済圏が、まずモーターの最小効率、そして最近ではドライブシステム全体の効率に関するいくつかの規制スキーム（最初は自主的なベースで、次に義務的に）を導入しました[6]。たとえば、ヨーロッパでは、委員会規則1781/2019 [7]は、インバーターと直接グリッド供給の両方の電気モーターの最小エネルギー効率要件に関する正確なタイムテーブルを設定しています。規制当局によって採用された電気モーターの効率クラスの定義と、効率を実験的に決定する方法論は、それぞれ国際規格IEC 60034-30-1/2およびIEC 60 034-2-1によって設定されています。

4. 研究の概要:

研究トピックの背景:

かご形誘導電動機（SCIM）の効率改善は、規制圧力の増大とエネルギー消費量およびCO2排出量削減への世界的な焦点により、非常に重要です。銅ケージはモーター損失を低減することが示されていますが、始動トルクなどの他の性能指標への影響については、さらなる調査が必要です。

以前の研究の状況:

以前の研究では、コア軸方向の延長、より優れた磁性材料、銅ケージなどの方法を通じて、SCIMの効率改善を探求してきました。しかし、銅ケージの採用の包括的な効果、特に他の性能パラメータとのトレードオフに関する包括的な効果は、完全には理解されていません。既存の文献には、さまざまな回転子スロット設計と性能要件を考慮して、アルミニウムと銅ケージの体系的な比較が不足しています。

研究の目的:

本研究は、アルミニウムケージと比較して、SCIMで銅ケージを使用することの利点と欠点を分析することを目的としています。直接的な材料置換と最適化された銅ケージ設計が電磁気的および熱的性能に及ぼす影響を調査します。本研究は、始動トルクなどの他の重要な性能指標を損なうことなく効率を改善するための設計ガイドラインを提供しようとしています。

コアスタディ:

コアスタディには、アルミニウムと銅ケージを使用したSCIMの設計ベースの比較が含まれています。アルミニウムケージ最適化設計から始めて、論文ではアルミニウムを銅に直接置換することの影響を分析します。さらに、これらの結果を銅ケージに対して特別に最適化されたSCIMと比較します。分析は、効率、始動トルク、電流比、および熱的挙動などのさまざまな性能指標を考慮して、電磁気的および熱的側面をカバーしています。本研究では、実験的テストによって検証された高速性能計算方法と、多目的最適化アルゴリズムを利用して、最適な回転子設計を導き出し、アルミニウムおよび銅ケージモーターの性能を比較します。

5. 研究方法論

研究デザイン:

本研究では、設計ベースの比較研究を採用しています。さまざまな性能要件（始動トルクと効率）に対してアルミニウムケージで最適化されたSCIMのベースライン設計から始まります。次に、研究では、これらのベースライン設計でケージをアルミニウムから銅に直接材料置換を実行します。最後に、銅ケージ用に特別にSCIM設計を最適化し、アルミニウムベースライン設計と直接銅置換の両方に対する性能を比較します。

データ収集と分析方法:

性能評価は、トルクと効率を迅速かつ正確に推定するために、混合分析-有限要素解析（FEA）法に依存しています。この方法は、市販のSCIMでの実験的テストを通じて検証されています。多目的最適化アルゴリズム（NSGA-II）は、さまざまな性能指標と制約条件を考慮して、アルミニウムと銅ケージの両方に対して最適な回転子形状を設計するために使用されます。熱-FEAは、後処理に使用され、固定子および回転子巻線の定常状態温度を評価します。分析された性能指標には、定格効率、始動トルク、電流比、力率、および熱特性が含まれます。

研究トピックと範囲:

本研究は、SCIMの回転子ケージ設計に焦点を当てており、特にケージ材料としてアルミニウムと銅を比較しています。範囲は以下を含みます。

アルミニウム最適化設計における直接的な銅置換の影響の分析。
多目的最適化を使用したアルミニウムおよび銅ケージの両方の回転子スロット形状の最適化。
さまざまな始動トルクおよび効率要件にわたるアルミニウムおよび銅ケージを使用したSCIMの電磁気的および熱的性能の比較。
効率、始動トルク、電流比、力率、損失、および熱的挙動などのさまざまな性能指標への影響の調査。
SCIMにおける銅ケージの採用に関する一般的な設計ガイドラインの導出。

6. 主な結果:

主な結果:

効率の改善: 銅ケージは、アルミニウムケージと比較して定格効率を一貫して改善し、0.5％から1.25％の範囲のゲインをもたらします。改善は、効率の低いベースラインマシン（高い始動トルク、低い電流比制限）でより顕著です。
熱的利点: 銅ケージは、損失の低減により、固定子および回転子巻線温度を低下させます。銅置換による効率ゲインの大部分（20〜40％）は、これらの低い動作温度に起因します。
始動電流の増加: 直接的な銅置換は、始動電流比を増加させ、設計制約に違反する可能性があります。増加は0％から25％の範囲であり、効率ゲインに比例します。
始動トルクの変動: 始動トルクへの影響はさまざまです。低い電流比設計の場合、銅ケージは始動トルクを増加させます。高い電流比設計の場合、始動トルクは減少します。中間範囲では、効果はベースライン設計によって異なります。
回転子設計の類似性: 最適な銅およびアルミニウムケージは、同様のバー形状を示しますが、最適なアルミニウムケージは断面積が大きくなっています。銅ケージは、外側から全バー面積への比率が低い同様の始動インピーダンスを達成し、表皮効果の利用を高めます。
破壊トルク: 材料ケージ置換は破壊トルクに影響を与えませんが、破壊スリップを約35％減少させます。
最適化された銅ケージの性能: 最適化された銅ケージ設計は、アルミニウムケージと同じ始動トルク範囲を達成しますが、定格効率が高くなっています。緩和された電流比制約条件の場合、直接的な銅置換は効率において最適化された銅設計よりも優れている可能性がありますが、始動電流が高くなるという代償があります。

FIGURE 2. a) Efficiency levels defined by IEC 60 034-30 for a 4-poles,
50 Hz SCIM, b) Minimum torque values and locked rotor apparent power
for design N defined by the IEC 60 034-12. — FIGURE 2. a) Efficiency levels defined by IEC 60 034-30 for a 4-poles, 50 Hz SCIM, b) Minimum torque values and locked rotor apparent power for design N defined by the IEC 60 034-12.

FIGURE 3. Flow chart of the iterative procedure for the evaluation of the machine performance for a given torque.

FIGURE 6. Comparison between measured and estimated torque (a), stator current (b), power factor (c) and efficiency (d). Winding temperatures at the rated operating condition from cold to thermal steady state.

FIGURE 7. a) Optimized performance of the aluminium rotor cage for
three different maximum current ratios kI; b) rotor slot area and current
ratio c) of the optimal geometries. — FIGURE 7. a) Optimized performance of the aluminium rotor cage for three different maximum current ratios kI; b) rotor slot area and current ratio c) of the optimal geometries.

FIGURE 8. Optimal rotor slot geometries with an aluminium cage.

FIGURE 9. Rotor resistance and leakage inductance at the rated (a, b) and
starting conditions (c, d) of the optimal aluminium cage solutions along
with the breakdown torque (e) and rated power factor (f). — FIGURE 9. Rotor resistance and leakage inductance at the rated (a, b) and starting conditions (c, d) of the optimal aluminium cage solutions along with the breakdown torque (e) and rated power factor (f).

FIGURE 10. Comparison between the rated efficiencies calculated with
constant windings temperature (kI) and re-evaluated at the correct
temperature (kIt ); the steady state temperatures of stator and rotor
windings (T − Win, T − Cage) are also reported. — FIGURE 10. Comparison between the rated efficiencies calculated with constant windings temperature (kI) and re-evaluated at the correct temperature (kIt ); the steady state temperatures of stator and rotor windings (T − Win, T − Cage) are also reported.

FIGURE 14. Current density distribution of the optimal aluminium and
copper cage designs. — FIGURE 14. Current density distribution of the optimal aluminium and copper cage designs.

図リスト:

FIGURE 1. a) 最終用途別の電力エネルギー消費量、b) 電力範囲別のモーター数、c) 電力範囲別のモーターエネルギー消費量、d) 電力範囲別のモータータイプ分布。
FIGURE 2. a) IEC 60 034-30で定義された4極、50Hz SCIMの効率レベル、b) IEC 60 034-12で定義された設計Nの最小トルク値と拘束回転子皮相電力。
FIGURE 3. 与えられたトルクに対する機械性能の評価のための反復手順のフローチャート。
FIGURE 4. a) 回転子スロットのパラメータ化、b) 最適化中に調査されたスロット形状の例。
FIGURE 5. 実験的テストリグのレイアウト。
FIGURE 6. 測定および推定されたトルク（a）、固定子電流（b）、力率（c）、および効率（d）の比較。コールド状態から熱的定常状態までの定格動作条件での巻線温度。
FIGURE 7. a) 3つの異なる最大電流比klに対するアルミニウム回転子ケージの最適化された性能、b) 最適形状の回転子スロット面積と電流比c)。
FIGURE 8. アルミニウムケージを使用した最適な回転子スロット形状。
FIGURE 9. 破壊トルク（e）および定格力率（f）とともに、最適なアルミニウムケージソリューションの定格（a、b）および始動条件（c、d）での回転子抵抗および漏れインダクタンス。
FIGURE 10. 一定の巻線温度（kl）で計算された定格効率と、正しい温度（kit）で再評価された定格効率の比較。固定子および回転子巻線の定常状態温度（T - Win、T – Cage）も報告されています。
FIGURE 11. アルミニウムケージを銅ケージに直接交換した場合の性能と回転子パラメータの変動：a) 同じ温度および新しい定常状態温度での定格効率、b) 固定子および回転子温度、c) 定格抵抗およびインダクタンス、d) 鉄損およびジュール損、e) 力率および定格スリップ値、f) 始動トルクおよび電流比kl、g) 始動動作点での抵抗およびインダクタンス、h) 破壊トルクおよびスリップ、i) 破壊抵抗およびインダクタンス、I) 電流密度分布の変動。
FIGURE 12. アルミニウム（Al）および銅（Cu）ケージで最適化された機械と、材料ケージの直接置換（Cu → Al）に沿った始動トルクの関数としての定格効率（a）、有効電流比（b）、固定子（c）および回転子（d）巻線温度。
FIGURE 13. 最適なアルミニウムおよび銅 a) スロット面積と外側および内側ケージ面積間の比率（点線）、b) 定格回転子抵抗およびリアクタンス（点線）、c) 始動抵抗およびリアクタンス（点線）。最初の行は最も低い最大電流比k₁ = 5.4に対応し、3番目の行はk₁ = n.d.に対応します。
FIGURE 14. 最適なアルミニウムおよび銅ケージ設計の電流密度分布。

7. 結論:

本研究は、銅ケージがSCIMの効率を高めるための実行可能なソリューションを提供すると結論付けています。アルミニウムを銅に直接置換すると効率が向上しますが、始動電流が増加し、始動トルクに可変的に影響を与える可能性があります。最適化された銅ケージ設計は、アルミニウムケージモーターよりも高い効率を達成しながら、始動トルク能力を維持できます。設計ガイドラインは、電流比が制約されていない場合、直接的な銅置換が非常に効果的であることを強調しています。ただし、電流制限が課せられている場合は、始動性能を損なうことなく効率ゲインを最大化するために、最適化された銅回転子設計が必要です。直接置換と最適化された設計のどちらを選択するかは、特定のアプリケーション要件と設計の優先順位、特に始動電流制限と望ましい効率レベルによって異なります。

8. 参考文献:

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9. 著作権:

この資料は、"[Alessandro Marfoli, Mauro Di Nardo, Michele Degano, Chris Gerada, and Werner Jara]"による論文です。「Squirrel Cage Induction Motor: A Design-Based Comparison Between Aluminium and Copper Cages」に基づいています。
論文の出典: https://doi.org/10.1109/OJIA.2021.3073820

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