三相誘導電動機の性能評価（1945年～2020年）

この入門記事の内容は、"[Publisher]"によって発行された論文「[A Performance Evaluation of Three-Phase Induction Electric Motors between 1945 and 2020]」に基づいています。

1. 概要:

• タイトル: A Performance Evaluation of Three-Phase Induction Electric Motors between 1945 and 2020 (1945年から2020年までの三相誘導電動機の性能評価)
• 著者: Danilo Ferreira de Souza, Francisco Antônio Marino Salotti, Ildo Luís Sauer, Hédio Tatizawa, Aníbal Traça de Almeida, Arnaldo Gakiya Kanashiro
• 発行年: 2022年
• 発行ジャーナル/学会: Energies
• キーワード: 三相誘導電動機 (three-phase induction motor); かご形回転子 (squirrel-cage rotor); エネルギー効率 (energy efficiency); モーター性能 (motor performance)

2. 抄録:

19世紀後半、三相誘導電動機は、ヨーロッパと米国における第二次産業革命における生産性向上の中心的な要素でした。現在、世界的に電気システムの主な負荷であり、世界の産業部門における電力エネルギー消費の約70％に達しています。20世紀の間、電動機は、著しい性能向上を可能にする集中的な技術革新を経験しました。したがって、本研究では、1945年から2020年の間に60Hzの周波数で低電圧に接続され、試験された、機械出力3.7kW、37kW、および150kW、および2極と8極に対応する速度範囲のかご形回転子三相誘導電動機（SCIM）の性能変化を分析します。この研究では、場合によっては10％を超える累積性能向上が確認されています。電気導体用の絶縁材料は、いくつかの世代（綿、絹、そして現在はワニス）を経てきました。冷却、ベアリング、活物質の品質、および設計のためのハウジングの改善は、高性能化を可能にした要素でした。軸出力4.4kWの最初の商用2極SCIMは、1891年に重量/出力比86kg/kWで販売され、2000年代までこの値は徐々に減少し、最終的に4.8kg/kWに達しました。2000年から2020年の間に、この比率はSCIMの性能向上に基づいて逆転の傾向を示しました。より活性な材料が使用され、重量/出力比は8.6kg/kWに達しました。SCIMのMEPS（最小エネルギー性能基準）は、過去30年間の性能向上に不可欠な役割を果たしました。データ収集は、サンパウロ大学エネルギー環境研究所の電気機械研究所での試験を介して行われました。この研究所は、1911年からの電気機器の試験の歴史を持っています。

3. 序論:

三相誘導電動機（SCIM）は、19世紀後半から産業革命を推進する上で極めて重要な役割を果たしており、現在では世界の産業用電力エネルギー消費の約70％を占めています。本稿では、動物の家畜化から蒸気機関、そして最終的には電気モーターに至るまでの機械力生産の歴史的進歩を強調し、初期の方法よりも電気モーターの優れた効率性と経済性を強調しています。図1に示すように、電気モーターは1880年代に導入されてから、動力供給の好ましい手段として蒸気動力を急速に置き換えました。特にSCIMを含む電気モーターの出現は、図2に示すように、柔軟な工場レイアウトと改善されたプロセス制御を可能にすることにより、産業組織に革命をもたらしました。さまざまな電気モーター技術が存在しますが、SCIMは、低コスト、シンプルな構造、信頼性、およびメンテナンスの容易さなど、表1に要約されている利点により、産業用途で支配的な選択肢となっています。静的な技術であるという認識にもかかわらず、本研究では、SCIMが経てきた重要な変化、特に性能、設計、および経時的な体積の変化に焦点を当てて調査します。

4. 研究の概要:

研究トピックの背景:

三相誘導電動機は、現代産業における重要なコンポーネントであり、世界の電気エネルギーのかなりの部分を消費しています。エネルギー効率と産業生産性を最適化するには、その性能の進化を理解することが不可欠です。SCIM技術は静的であるという認識にもかかわらず、材料、設計、および製造プロセスの継続的な進歩は、性能の向上につながった可能性があります。本研究は、これらの改善を定量化し、それらを推進する要因を理解する必要性に対処します。

以前の研究の状況:

先行研究では、電気モーターの歴史的発展とエネルギー効率の重要性の高まりを認めています。論文で引用されている既存の文献は、SCIM技術の初期の革新と、標準化と材料の改善がモーターの設計と質量削減に与える影響を文書化しています。しかし、これらの定性的な観察を検証し、数十年にわたる実際の性能向上を測定するために、経験的な試験データに基づいた長期的な性能トレンドの包括的な定量的分析が必要でした。

研究の目的:

本研究は、1945年から2020年までの籠形回転子三相誘導電動機（SCIM）の性能の進化を評価することを目的としています。この研究は、以下の主要な質問への回答を求めるものです。
I. SCIMがその歴史を通じて経験してきた最も重要な変化は何ですか？
II. SCIMの性能は開発以来変化しましたか？
III. SCIMの体積は時間とともに変化しましたか？

コアスタディ:

本研究の中核となるのは、サンパウロ大学（USP）のエネルギー環境研究所（IEE）の電気機械研究所からの過去の試験報告書の詳細な分析です。この研究は、60Hzで試験された特定の出力定格（3.7kW、37kW、および150kW）および速度（2極、4極、6極、および8極）のSCIMに焦点を当てています。1945年から2020年までの359件の技術報告書を分析することにより、本研究では、この期間におけるモーター性能および質量/出力比の変化を定量化し、SCIM技術の技術的進歩に関する経験的証拠を提供します。

5. 研究方法論

研究デザイン:

本研究では、75年間のSCIM性能の傾向を評価するために過去のデータを分析する定量的縦断的研究デザインを採用しています。データの信頼性と一貫性を確保するために、標準化された性能試験報告書に依存するデータ駆動型アプローチを利用しています。この研究では、さまざまなモータータイプと性能特性にわたる比較分析を容易にするために、SCIMを出力と極数で分類しています。

データ収集と分析方法:

データは、約21,000件の技術報告書を保有し、INMETROの認定を受けているIEE-USP電気機械研究所の技術試験報告書から収集されました。1945年から1996年の報告書はデジタル化され、1997年から2020年の報告書はすでにデジタル形式で提供されていました。分析は、特定の基準を満たす報告書に焦点を当てました：三相SCIM、新品SCIM、規制に従った試験、製造業者が提供する銘板データ、低電圧動作（最大600V）、60Hz動作、および連続動作。統計的方法（平均および線形回帰を含む）は、特に複数のデータポイントまたはデータギャップがある年における、時間経過に伴う性能トレンドを分析するために使用されました。

研究トピックと範囲:

本研究は、SCIMの性能評価に焦点を当て、特に以下を調査します。

• さまざまな出力定格および極構成に対する、時間経過に伴うモーター性能（効率）の変化。
• SCIMの質量/出力比の進化、特に2極モーターの場合。
• 技術革新、材料の改善、および最小エネルギー性能基準（MEPS）がSCIM性能に与える影響。
• 低電力（3.7kW）、中電力（37kW）、および高電力（150kW）カテゴリにわたる2極、4極、6極、および8極SCIMの性能トレンドの分析。

6. 主な結果:

主な結果:

本研究では、1945年から2020年の間にSCIMで有意な性能向上が明らかになり、一部のケースでは累積ゲインが10％を超えることがわかりました。損失の削減は実質的であり、モーターの出力と極構成に応じて約45％から73％の範囲でした。主な調査結果は次のとおりです。

• 性能向上: 特に1945年から1960年代半ば、および1980年代から2020年にかけて、継続的な性能向上が観察されました。エネルギー危機の間、コスト削減に重点を置いたため、1960年代から1980年代にかけて一時的な性能低下が発生しました。
• 質量/出力比の進化: 質量/出力比は、1891年の86kg/kWから2000年の4.8kg/kWへと劇的に減少し、技術の進歩を反映しています。しかし、2000年から2020年にかけて、この比率は8.6kg/kWに増加し、質量の増加を犠牲にしても、より高い性能と効率を優先する方向への転換を示しています。この傾向の逆転は図21に示されています。
• MEPSの影響: 最小エネルギー性能基準（MEPS）は、特に研究期間の最後の30年間で、性能向上を推進する上で重要な役割を果たしました。
• 技術的推進要因: 絶縁材料（綿からワニスへ）、ベアリング（プレーンからボールベアリングへ）、活物質、冷却方法、および製造プロセスの改善は、性能向上の重要な推進要因でした。図5と図7は、これらの革新がモーターの設計と体積削減に与える影響を視覚的に表しています。

図の名前リスト:

• Figure 1. Percentage of mechanical drive manufacturing from hydraulic power, steam engines, and electric motors per year. Source: adapted from [7,8].
• Figure 2. An industrial organization based on: (a) mechanical drive from hydraulic energy; (b) steam engines; and (c) electric motors. Source: [13-16].
• Figure 4. Improvements in SCIM mass/power ratio between 1891 and 1984. Source: [61-63].
• Figure 5. Chronology of 0.75 kW SCIM mass reduction between 1900 and 1990. Source: [65-68].
• Figure 7. Dimension trends and housing changes of 11 kW 4-pole SCIMs between 1903 and 1974. (a,b): the changes in appearance and frame dimensions of SCIMs of different powers from the open construction of 1904 to those used in the 1970s. Source adapted from: [28,53].
• Figure 9. Density of the magnetic flux in the air gap and the volume of SCIMs.
• Figure 11. Changes to performance of 4-pole SCIMs between 1935 and 1996. Source: adapted from [65,66].
• Figure 14. The average performance of 2-pole SCIMs between 1945 and 2020.
• Figure 21. Changes to SCIMs in the mass/power ratio between 1891 and 2020.
• Figure 22. The difference in the material quantity between Standard SCIM and High-Efficiency SCIM. Source: [98].

7. 結論:

本研究は、SCIM技術が静的であるという概念とは対照的に、1945年から2020年の間にSCIM性能に大きな進歩があったことを示しています。10％を超える累積性能向上と大幅な損失削減が、経験的データ分析を通じて確認されています。技術革新、材料の改善、およびMEPSの実施は、この進化の重要な推進力となっています。この研究では、継続的な性能向上（1945年〜1960年代半ば）、コスト最適化による性能低下（1960年代〜1980年代）、および法律と技術の進歩によって推進された性能改善の再開（1980年代〜2020年代）の3つの明確な期間を強調しています。2000年以降の質量/出力比の増加は、サイズとコストよりも効率を優先する方向への転換を示しています。これらの調査結果は、SCIM技術の動的な性質と、電気モーターにおけるより高い効率と性能の継続的な追求を強調しています。

8. 参考文献:

• [7] Baldwin, S.F. The Materials Revolution and Energy-Efficient Electric Motor Drive Systems. Annu. Rev. Energy 1988, 13, 67-94.
• [28] Alger, P.L.; Arnold, R.E. The History of Induction Motors in America. Proc. IEEE 1976, 64, 1380-1383.
• [66] Sjöberg, S. Motor Developments and Energy Efficiency. In Energy Efficiency Improvements in Electric Motors and Drives; Springer: Berlin/Heidelberg, Germany, 1997; pp. 102–112.
• [85] McCoy, G.A.; Douglass, J.G. Advanced Manufacturing Office Premium Efficiency Motor Selection and Application Guide—A Handbook for Industry Premium Efficiency Motor Selection and Application Guide Disclaimer; Washington State University Energy Program: Washington, DC, USA, 2014.
• [98] De Castro, R.A. Feasibility Analysis of Replacement of Oversized Electric Motors and the Influence of Reactive Energy. Master's Thesis, University of Campinas-UNICAMP, Sao Paulo, Brazil, 2008.

9. 著作権:

• この資料は、"[Danilo Ferreira de Souza, Francisco Antônio Marino Salotti, Ildo Luís Sauer, Hédio Tatizawa, Aníbal Traça de Almeida, Arnaldo Gakiya Kanashiro]"による論文です。「[A Performance Evaluation of Three-Phase Induction Electric Motors between 1945 and 2020]」に基づいています。
• 論文の出典: https://doi.org/10.3390/en15062002

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