モーターシステム効率の動向

この記事では、[EU-MORE]が発行した論文「D 4.1. MOTOR SYSTEM EFFICIENCY TRENDS」を紹介します。

1. 概要:

タイトル: D 4.1. MOTOR SYSTEM EFFICIENCY TRENDS
著者: João Fong, Anibal T. de Almeida, Konstantin Kulterer
出版年: 2024年
発行ジャーナル/学会: EU-MORE
キーワード: モーター効率, MEPS, IE4, IE5, 誘導モーター, 同期モーター, VSD, デジタル技術

TABLE 1: COMPARISON OF MOTOR TECHNOLOGIES, SOURCE ISR-UC (ALMEIDA, FERREIRA, &FONG, 2023)

2. 抄録または序論

論文「D 4.1. MOTOR SYSTEM EFFICIENCY TRENDS」は、エネルギー効率の重要性に対する世界的な意識の高まりと、モーターの最低エネルギー性能基準（MEPS）の実施の増加によって推進されている、モーターシステム効率の動向の概要を提供します。この文書では、モーター効率クラスの進展を強調し、IE3を超えてスーパープレミアム（IE4）およびウルトラプレミアム（IE5）レベルに達しています。誘導モーター、永久磁石モーター、同期リラクタンスモーターなど、さまざまなモーター技術について議論し、特に固定速度および可変速度アプリケーションに焦点を当てて、それらの効率とさまざまなシナリオでの適用性を評価しています。レポートでは、モーターシステムの効率を最適化する上での可変速ドライブ（VSD）の役割も探求し、強化された監視、メンテナンス、およびシステム全体のパフォーマンスのためのデジタル技術の統合について掘り下げています。

3. 研究背景:

研究トピックの背景:

エネルギー効率とその複数の利点に対する意識の高まりと、モーターに関する最低エネルギー性能基準（MEPS）を実施する国が増加していることが、この研究の核心となる背景を形成しています。この世界的な傾向は、モーターのエネルギー効率の大幅な進歩を促し、IE3規格を超えてスーパープレミアム効率モーター（IE4およびIE5）を達成するに至りました。この論文は、これらの進歩とその産業応用への影響を理解する必要性に取り組んでいます。

既存研究の現状:

現在の市場では、IE4効率の誘導モーターが入手可能であり、永久磁石モーターや同期リラクタンスモーターなどの技術により、IE4およびIE5の効率限界を超えることが可能になっています。三相かご形誘導モーター（SCIM）は、その信頼性から固定速アプリケーションで依然として好まれています。しかし、ラインスタート永久磁石モーター（LSPM）やDOL同期リラクタンスモーター（SynRM）などの技術も代替として登場しています。可変速アプリケーションでは、永久磁石同期モーター（PMSM）と同期リラクタンスモーター（SynRM）は、誘導モーターに代わる効率的で信頼性の高い代替品として認識されており、同期速度でローター損失を排除することでIE5効率レベルを超えることができます。

研究の必要性:

モーター効率の動向を理解することは、産業界がエネルギー効率の高いソリューションを採用し、進化するMEPS規制に準拠するために不可欠です。この研究は、利用可能なモーター技術、その効率特性、およびモーターシステムの性能をさらに最適化するためのデジタル技術の可能性に関する包括的な概要を提供するために必要です。この知識は、エネルギー節約と運用効率を最大化するために、モーターの選択、アプリケーション、およびメンテナンスに関する情報に基づいた意思決定を行うために不可欠です。

4. 研究目的と研究課題:

研究目的:

このレポートの主な目的は、モーターシステムの効率における現在の動向を分析し、提示することであり、モーター設計の技術的進歩、可変速ドライブの役割、およびデジタル技術の統合に焦点を当てています。モーター技術と効率改善に関するハンドブックレベルの概要を提供し、この分野における最新の開発と機会について関係者に情報を提供することを目指しています。

主な研究内容:

モーター効率クラスの進化と、IE4およびIE5レベルを可能にする技術の概要を示すこと。
効率、性能、およびアプリケーションの適合性の観点から、誘導モーター、永久磁石モーター、同期リラクタンスモーターを含むさまざまなモーター技術を比較すること。
モーターシステムの効率に対する可変速ドライブ（VSD）の貢献と、VSD技術の進歩を調査すること。
モーターシステムの最適化のためのデジタル技術の統合に関連する機会と課題を探求すること。これには、状態監視、予知保全、およびプロセス最適化が含まれます。

研究仮説:

このレポートは、記述的かつ分析的な性質のものであり、特定の仮説を検証するのではなく、動向と技術的な概要を提示することに焦点を当てています。したがって、研究仮説は明示的に定式化されていません。

5. 研究方法

研究デザイン:

このレポートでは、モーター技術と効率の動向に関連する既存の文献、業界標準、および市場データのレビューに基づいた記述的研究デザインを採用しています。情報を統合して、モーターシステム効率の現状と将来の方向性に関する包括的な概要を提供します。

データ収集方法:

データは、電気モーター、可変速ドライブ、およびモーターシステムにおけるデジタル技術に関連するカタログデータ、技術文献、業界レポート、および規格文書から収集されます。特定の情報源は、カタログデータに基づくISR-UC、およびVSD効率に関するIEA-4EMSAなど、文書全体で参照されています。

分析方法:

分析は質的であり、さまざまなモーター技術と効率クラスの比較評価を含みます。効率の動向、技術の比較、およびモーターシステムの性能に対するさまざまな要因の影響を示すために、図と表を通じてデータが提示されます。レポートは情報を統合して、モーターシステム効率における主要な動向、機会、および課題を特定します。

研究対象と範囲:

研究範囲は、産業応用に関連するさまざまな電気モーター技術を包含し、三相ラジアル磁束モーターに焦点を当てています。誘導モーター、同期モーター（永久磁石および同期リラクタンス）、およびこれらの技術のラインスタートバージョンが含まれます。範囲は、可変速ドライブとモーターシステムに適用可能なデジタル技術にも及びます。地理的な範囲は、主にEU-MOREのようなEU規制とイニシアチブを考慮して、ヨーロッパのコンテキストに焦点を当てています。

6. 主な研究結果:

主な研究結果:

モーター効率クラス: モーター効率は、技術の進歩と規制圧力によって推進され、継続的に向上しています。同期モーター技術と高度な誘導モーター設計は、IE4およびIE5効率レベルを達成するための鍵となります。IE4効率の誘導モーターは広く入手可能です。
誘導モーターの改善: 誘導モーターの効率改善は、優れた材料、最適化された設計、およびヘアピン巻線などの高度な巻線技術によって達成され、スロット占積率を向上させ、損失を低減します。（図3、図4、図5）
同期モーターの利点: 同期モーター（PMSM、SynRM）は、特に可変速アプリケーションにおいて、ローター損失を排除することにより、誘導モーターよりも高い効率を提供します。アキシャル磁束モーターは、高い出力密度とコンパクトな設計を提供します。（図6、図8、図9、図10、図11、図12、図13、図14）
ラインスタートモーター: ラインスタート永久磁石モーター（LSPM）とラインスタート同期リラクタンスモーター（LSSynRM）は、高い効率とダイレクトオンライン始動能力を提供し、特定のアプリケーションで誘導モーターの代替となります。（図15、図19）
可変速ドライブ（VSD）: VSDは、可変負荷アプリケーションでモーターシステムの効率を最適化するために不可欠です。VSDのワイドバンドギャップ（WBG）材料（GaN、SiC）は、損失をさらに低減し、性能を向上させます。（図20、図21、図22、図23）
モーターシステム効率のアプローチ: モーターシステムの効率を最適化するには、モーター駆動ユニット（MDU）とモーターシステム全体、つまり電源、制御、伝達、被駆動機器、およびプロセスコンポーネントを考慮した包括的なアプローチが必要です。（図24、図25）
最適化のためのデジタル技術: スマートセンサーやIIoTなどのデジタル技術は、リアルタイム監視、状態基準保全、予知保全、およびプロセス最適化を通じて、効率と信頼性を向上させる機会を提供します。（図30、図31、図32、図33、図34、図35）

提示されたデータの分析:

図1: IEC600-34-30-1で定義された効率クラスと市販のモーター効率を示しており、LSPMモーターとPMモーターがIE5効率に達する可能性がある一方、SCIMモーターとSynRMモーターは通常IE4/IE5に適合することを示しています。
図2: 誘導モーターの損失をタイプ別に分解した図で、固定子I²R損失と回転子I²R損失が大きな要因であることを示しています。
図6: さまざまなモーター技術の総モーター重量を比較した図で、同期リラクタンスモーターと永久磁石モーターの重量の利点を示しています。
図12: 車両アプリケーション向けの市販モーターの出力密度を示しており、アキシャル磁束モーターの高い出力密度を強調しています。
図15: 市販のLSPM IE4モーターの効率を示しており、さまざまなフレームサイズと出力で高い効率を示しています。
図18: 110kW PDSの効率をIE3クラスSCIMとIE5クラスSynRMで比較した図で、SynRMの部分負荷効率が優れていることを示しています。
図26: かご形誘導モーターの負荷率に対する代表的な力率とエネルギー効率の帯域を示しており、部分負荷での効率低下を示しています。
図29: ポンプシステムのさまざまな静的割合に対する電力要件曲線を示しており、静水頭がエネルギー消費とVSDの有効性に与える影響を示しています。
図33: 電気モーターの故障部品の分布を示しており、ベアリングが支配的な故障原因であることを示しています。
図35: モーターに取り付けられたスマートセンサーの年間エネルギー消費の例を示しており、潜在的な節約量と比較してエネルギー消費量がごくわずかであることを示しています。

図の名前リスト:

FIGURE 2: TYPICAL BREAKDOWN BY TYPE OF LOSSES IN 50-HZ, FOUR-POLE IMS (ALMEIDA, FERREIRA, &BAOMING, 2014)

FIGURE 3: HIGH EFFICIENCY INDUCTION MOTOR IMPROVEMENTS (SOURCE ISR-UC)

FIGURE 4: EXAMPLES OF CONVENTIONAL AND ADVANCED WINDING TECHNIQUES (GIRAUD & PLASSE, 2017)

FIGURE 7: EVOLUTION OF NEODYMIUM PRICES (2018-2023)(100% = 70US$/KG)(STRATEGIC METALS INVEST, 2023); GLOBAL MINE PRODUCTION OF RARE-EARTHS (GENG, SARKIS, & BLEISCHWITZ, 2023)

FIGURE 8: RADIAL AND AXIAL FLUX MOTOR CONFIGURATION (NIDEQ CORPORATION)

FIGURE 9:IRON CORE IN A STATOR OF A RADIAL FLUX MOTOR VS PCB STATOR OF AN AXIAL FLUX MOTOR (FALTER, 2023)

FIGURE 10: TYPICAL TYPES OF TOPOLOGIES FOR AXIAL-FLUX MOTORS (HAO, MA, WANG, LUO,&CHEN, 2022)

FIGURE 11: LAYERED COMPONENTS OF AN INFINITUM ELECTRIC AXIAL-FLUX MOTOR WITH TWO ROTORS AND PRINTED CIRCUIT STATOR (GUEDES-PINTO, 2022)

FIGURE 18: EFFICIENCY COMPARISON OF AN 110-KW PDS (POWER DRIVE SYSTEM) WITH IE3-CLASS SCIM AND WITH IE5-CLASS SYNRM CONSIDERING A QUADRATIC-TORQUE LOAD FAN OR PUMPING SYSTEM WITHOUT STATIC HEAD.(ALMEIDA, FERREIRA, & FONG, 2023)

FIGURE 24: EXAMPLE OF A MOTOR SYSTEM INCLUDING THE MOTOR DRIVEN UNIT.

FIGURE 30: POTENTIAL AREAS OF MEASUREMENTS AND OF APPLICATION OF SENSORS IN MOTOR DRIVEN SYSTEMS (ADAPTED FROM (KULTERER, DAWODY, WIDERSTROM, & WERKHOVEN, 2022)).

FIGURE 31: DIGITISATION IN MOTOR SYSTEMS (SOURCE:ISR-UC).

図1：IEC600-34-30-1によって定義されたモーター効率クラスと市販モーター効率の概要（出典：カタログデータに基づくISR-UC）
図2：50Hz、4極IMSにおける損失タイプ別の代表的な内訳（ALMEIDA、FERREIRA、＆BAOMING、2014）
図3：高効率誘導モーターの改善（出典ISR-UC）
図4：従来の巻線技術と高度な巻線技術の例（GIRAUD＆PLASSE、2017）
図5：矩形断面線
図6：総モーター重量（11 kW、1500 RPM、鋳鉄フレーム、カタログデータ）
図7：ネオジム価格の推移（2018〜2023年）（100％= 70USドル/ KG）（STRATEGIC METALS INVEST、2023）; 希土類のグローバル鉱山生産量（GENG、SARKIS、＆BLEISCHWITZ、2023）
図8：ラジアル磁束モーターとアキシャル磁束モーターの構成（NIDEQ CORPORATION）
図9：ラジアル磁束モーターの固定子における鉄心とアキシャル磁束モーターのPCB固定子の比較（FALTER、2023）
図10：アキシャル磁束モーターの代表的なトポロジータイプ（HAO、MA、WANG、LUO、＆CHEN、2022）
図11：2つのローターとプリント回路固定子を備えたINFINITUM ELECTRICアキシャル磁束モーターの積層コンポーネント（GUEDES-PINTO、2022）
図12：商用モーターの出力密度（車両アプリケーション向け）（IDTECHEX、2022）
図13：コンパクトな統合モーター+ VSD +ポンプ/ファン+ IoT-いくつかのモデル
図14：エレベーターのダイレクトドライブ（出典：KONE）
図15：市販のLSPSM IE4の効率（出典：WEG）
図16：SynRMモーターの原理（出典：ABB）
図17：SynRモーターの回転子損失低減による潜在的な効率向上（出典：ABB）
図18：110kW PDS（パワードライブシステム）とIE3クラスSCIMおよびIE5クラスSynRMの効率比較。静水頭のない二次トルク負荷ファンまたはポンプシステムを考慮。（ALMEIDA、FERREIRA、＆FONG、2023）
図19：LSSynRMローターの代表的な構成。
図20：インバーターベースVSDの構成。
図21：IEC 61800-9-2で定義されている効率レベルとCDM分類。
図22：（90：100）デューティポイントでのVSD効率（出典：IEA-4EMSA）。
図23：ワイドバンドギャップ（WBG）性能特性の概要（出典：IEA PECTA）。
図24：モーター駆動ユニットを含むモーターシステムの例。
図25：電気モーターシステムのエネルギー効率とその改善の可能性（DE ALMEIDA、FERREIRA、＆BOTH）。
図26：A）代表的な力率、およびB）エネルギー効率の帯域、4極、三相、かご形誘導モーターのさまざまな出力電力に対する負荷（IEC60034-31）。
図27：トルク-速度曲線のタイプ：
図28：さまざまな静水頭の割合に対するポンプとシステムの特性曲線の例（KULTERER、DIMOV、HOFMANN、TESCH、＆ANGERMAYR、2022）。
図29：さまざまな静的割合に対する電力要件曲線の例（KULTERER、DIMOV、HOFMANN、TESCH、＆ANGERMAYR、2022）。
図30：モーター駆動システムにおけるセンサーの測定およびアプリケーションの潜在的な領域（（KULTERER、DAWODY、WIDERSTROM、＆WERKHOVEN、2022）から採用）。
図31：モーターシステムのデジタル化（出典：ISR-UC）。
図32：電気モーター用スマートセンサーの例（出典：ABB＆WEG）。
図33：電気モーターの故障部品の分布（BONNETT、2012）。
図34：電気モーターの状態基準監視（出典：STMICROELECTRONICS）。
図35：モーターに取り付けられたスマートセンサーの年間エネルギー消費量の例。

7. 結論:

主な調査結果の要約:

この調査では、モーター効率は技術の進歩と規制圧力によって推進され、継続的に向上していると結論付けています。同期モーター技術と高度な誘導モーター設計は、IE4およびIE5効率レベルを達成するための鍵となります。可変速ドライブと新興のワイドバンドギャップ半導体は、特に可変負荷アプリケーションにおいて、モーターシステムの効率を最適化する上で重要な役割を果たします。デジタル技術は、強化された監視、メンテナンス、およびプロセス最適化を通じて、さらなる効率向上に大きな可能性を提供します。ただし、これらの利点を実現するには、モーター駆動ユニットのすべてのコンポーネントを考慮し、デジタル技術の実装に対する障壁に対処するシステムレベルのアプローチが必要です。

研究の学術的意義:

このレポートは、モーター効率の最新動向に関する貴重なハンドブックレベルの概要を提供し、多様な情報源からの情報を構造化されたアクセス可能な形式に統合しています。モーター技術の進化に関する学術的な理解に貢献し、高効率を達成するためのモーター設計、制御戦略、およびデジタル統合の相互作用を強調しています。さまざまなモータータイプとその性能特性の包括的な分析は、電気工学およびエネルギー効率の知識体系に追加されます。

実際的な意味合い:

調査結果は、エネルギー効率を改善し、運用コストを削減しようとしている業界にとって大きな実際的な意味合いを持っています。このレポートは、エンジニアや意思決定者が特定のアプリケーションに適切なモーター技術とVSDを選択するのに役立ちます。モーターシステムの設計と最適化に対するシステムレベルのアプローチの重要性を強調しています。さらに、状態監視、予知保全、およびプロセス最適化のためのデジタル技術の採用の利点を強調し、産業環境におけるスマートモーターシステムの実装のためのロードマップを提供します。

研究の限界と今後の研究分野:

このレポートは、主に既存の情報のレビューと統合であり、オリジナルの実証研究は含まれていません。分析は、参照資料の入手可能性と範囲によって制限されています。今後の研究では、実際の産業アプリケーションにおける特定のモーター技術とデジタルソリューションのエネルギー節約の可能性を定量化することに焦点を当てる可能性があります。モーターシステムへのデジタル技術の実装に対する障壁に対処し、これらの課題を克服するための戦略を開発するためには、さらなる調査が必要です。材料の使用量と環境への影響を考慮した、さまざまなモーター技術とVSDの詳細なライフサイクル評価も、今後の研究の価値ある分野となるでしょう。

8. 参考文献:

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9. 著作権:

この資料は、「João Fong, Anibal T. de Almeida, Konstantin Kulterer」の論文：「D 4.1. MOTOR SYSTEM EFFICIENCY TRENDS」に基づいています。
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