混合導電性加工ロータ（MCFR）を用いたリスケージ誘導電動機の性能改善に関する新規手法

本稿は、「[North West University]」より発行された論文「[Novel Method of Improving Squirrel Cage Induction Motor Performance by using Mixed Conductivity Fabricated Rotors (MCFR)]」に基づいています。

1. 概要:

• 論文名: Novel Method of Improving Squirrel Cage Induction Motor Performance by using Mixed Conductivity Fabricated Rotors (MCFR)
• 著者: Constantin Danut PITIS
• 発行年: 2006
• 発行学術誌/学会: North West University (Faculty of Engineering)
• キーワード: Induction motors, squirrel cage rotors, application engineering, mining industry

2. 抄録:

理想的なリスケージモータは、可変のロータ抵抗を持つべきである。すなわち、停止時には大きく、速度が上昇するにつれて減少する抵抗である。海外で設計された高インピーダンスロータはこれらの条件を満たそうとするが、主に二重ケージロータやダイカストアルミニウムロータが使用される。しかし、南アフリカの石炭鉱業においては、これらのロータは高い故障率と大きな経済的損失を記録した。その結果、以前は無視されていた基本条件を満たすことができる代替ロータタイプへの市場のニーズが現れた。

• 長寿命化による信頼性の向上
• 総所有コストの低減
• 市場で入手可能な部品による容易な再製造
• 競争力のある価格での特定性能の安定性

長年にわたり、リスケージロータの設計においては、暗黙のうちに2つの原則のみが受け入れられてきた。

1. 単一ケージロータの場合、ロータ周囲の円周方向において、リスケージバーは同じ円筒シェル内に、同じ形状と同じ導電率で配置される。
2. 二重ケージロータの場合、上記と同じ規則が適用されるが、半径方向においては、バーは異なる形状を持ち、通常は異なる導電率を持つ。

本発明は、「リスケージロータ周囲の円周方向において、リスケージバーは異なる導電率と同じ形状を持つことも、あるいは異なる導電率と異なる形状を持つこともできる」という新しい原理に基づいている。

混合導電性加工ロータ（MCFR）は、この新しい原理に基づいて設計・製造され、南アフリカの過酷な鉱山条件に耐えることができる。

特許取得以来、本発明は、ある有名な石炭鉱業会社の連続採鉱機に動力を供給する特殊なロータセットとして具体化されており、同社は特定の輸入ダイカストアルミニウムロータの交換だけで年間約500万ランドを費やしていた。

上記の基本条件を完全に満たしつつ、本特許は技術的および経済的に多くの利点を提供し、鉱業プロセスの効率を予想以上に向上させる。
本論文は、特定の工学的応用の要求に合わせてロータ設計を変更することにより、MCFRの設計適応性を記述しており、これは駆動装置設計の基本線となる。
本特許は、プロセス効率を高めるという南アフリカの新しいトレンドの一部である。これは、南アフリカ経済にプラスの影響を与える専用モータの設計に大きな可能性を提供する。いくつかの社会経済的利点は、相当な研究価値がある。

• 現地で製造されるため、MCFRは国の経済的依存度を低減する可能性がある。
• 特別な専門知識を必要としないため、MCFRは過大な投資なしに任意の量とサイズで生産できる。
• MCFRは、市場における代替オプション（製品互換性）と健全な競争（輸出の可能性を含む）を提供する。
• 本特許は、再資本化プロセス（南アフリカの経済および産業環境において非常に負荷が大きい）中のモータ製造業者およびエンドユーザーに対する財政的制約を緩和する事業持続可能性条件を保証する。

3. はじめに:

今世紀は効率性（EFFICIENCY）が重視されており、この概念はエネルギー・資源危機と新しい金融政策によって推進され、南アフリカの産業などに大きな影響を与えています[Ref. [1], Ref. [2]]。特に南アフリカの鉱業は、過酷な条件下で使用される海外設計の電気モーターの性能と信頼性に関する課題に直面していました[Ref. [3]]。これにより、特定の用途に合わせた「専用モーター」の必要性が生じ、高い信頼性、長寿命、低い総所有コスト（TOC）（Figure 1.1参照）、そしてプロセス速度の向上が効率的に管理されない場合にしばしば運用コストの増加につながるため、安定した性能が求められました（Figure 1.2参照）[Ref. [4], Ref. [5], Ref. [6]]。重大な問題は、連続採鉱機のような要求の厳しい用途におけるダイカストアルミニウムローターなどの既存のロータータイプの故障率の高さであり、これが実質的な経済的損失につながっていました[Ref. [7]]。本研究は、これらの課題に対する新しい解決策として混合導電性加工ローター（MCFR）を導入し、新しい専用モーターと古いモーターの修理・アップグレードの両方に対する代替案を提案しています[Ref. [8], Ref. [9]]。MCFRは、従来のローター設計の限界に対処することにより、鉱業における技術的および経済的性能を向上させることを目的としています。

4. 研究の要約:

研究テーマの背景:

理想的なリスケージモータは、可変のロータ抵抗を必要とします。すなわち、停止時には高く、速度が上昇するにつれて減少する抵抗です。南アフリカの石炭鉱業のような要求の厳しい産業で使用される従来の高性能インピーダンスロータ（二重ケージ、ダイカストアルミニウム）は、しばしば故障し、大きな経済的損失をもたらします（抄録、第1章）。これにより、過酷な運転条件に耐えることができる、信頼性、寿命、費用対効果が向上した代替ロータ設計の必要性が浮き彫りになりました（抄録、第1.6章）。

従来の研究状況:

従来のリスケージロータ設計は、主に2つの原則に従っていました。1) 単一ケージロータは、円周方向に同じ形状と導電率のバーを持ちます（Figure 5.2）。2) 二重ケージロータもこの円周方向の規則に従いますが、半径方向には異なる形状と導電率のバーを持ちます（Figure 5.3）（抄録、第5.3章）。ロータ性能を改善する試みには、ダイカストアルミニウムや加工銅または真鍮ロータなど、さまざまな材料と設計が含まれていましたが、これらは特定の用途、特に熱応力（Photo 4.9）、機械的故障（Photo 3.1）、および特殊設計の製造コストに関して限界がありました（第3章、第4章、第5.1章）。例えば、Loher、Damel、Luck & Kingは、Voest Alpine Mining and Tunnelling (VAMT) 機械用のロータを供給していましたが、それぞれ南アフリカの条件下では特定のトレードオフと故障モードがありました（第5.1章、Photo 5.1）。

研究の目的:

本研究は、特に南アフリカの鉱業のような過酷な用途において、リスケージ誘導電動機の性能、信頼性、費用対効果を向上させるために、新しいロータである混合導電性加工ロータ（MCFR）を開発することを目的としました（抄録、第1.8章）。MCFRは、調整可能な性能特性（Figure 2.1）、長寿命、および総所有コストの削減を提供することにより、既存の高インピーダンスロータの欠点を克服するように設計されました（第1.6章、第1.8章）。また、輸入ロータへの依存を減らし、旧式モータの修理のためのソリューションを提供する現地製造オプションを提供することも目的としました（抄録、第1.8章）。

核心的研究:

本研究の核心は、混合導電性加工ロータ（MCFR）の発明、設計、製造、および検証です。MCFRの基本原理は、「リスケージロータの円周方向において、リスケージバーは異なる導電率と同じ形状を持つことも、あるいは異なる導電率と異なる形状を持つこともできる」というものです（抄録、第5.4章）。これは、単一ケージ層の円周方向バーが均一である従来の設計とは対照的です。本研究では、主に2つのMCFRタイプについて詳述しています。MCFR1（同じバープロファイル、異なる導電率、Figure 5.4）とMCFR2（異なるプロファイルと導電率）です（第5.5章）。この設計は、「深溝効果」（Figure 5.5）と磁束および電流密度の数学モデルを活用しています（第5.6章、Figure 5.6）。問題のあるダイカストアルミニウムロータ（Figure 6.1）を置き換えるために、36kWスピナーモータ用の特定のMCFR1が設計されました（Figure 6.2、Figure 6.3）。本研究には、理論的分析、製造プロセス（Figure 6.4、Figure 6.5、Photo 6.4、Photo 6.5、Photo 6.6、Photo 6.7）、SABS試験による実験的検証（Figure 7.1、Figure 7.2）、および長期運転性能評価が含まれます（第6章、第7章）。

5. 研究方法

研究デザイン:

本研究は、多段階のアプローチを採用しました。

1. 文献レビュー、南アフリカ鉱業における故障分析、経済的影響評価を通じて、既存の高インピーダンスロータ（二重ケージおよびダイカストアルミニウム）の欠点を特定する（第4章）。
2. バーの導電率および/またはプロファイルの円周方向変化という新しい設計原理に基づいた、新しいロータコンセプトである混合導電性加工ロータ（MCFR）を開発する（第5.4章）。
3. 深溝バーにおける磁束密度、電流密度の数学的表現（Figure 5.5）、および全体的なロータ性能特性（スリップ、トルク、電流）を含むMCFRの理論的モデリング（第5.6章、5.8章、Figure 5.7）。
4. 特に36kWスピナーモータ用途向けのMCFR1プロトタイプロータの設計および製造（第6章）。これには、材料選択、積層設計（Figure 6.2、Figure 6.3）、および組立技術が含まれる（Figure 6.4、Figure 6.5）。
5. 無負荷、拘束ロータ（Figure 3.3）、温度上昇、ストール試験、および特殊過渡試験を含む、SABSおよびその他の関連規格に従ったMCFR1プロトタイプの包括的な試験による実験的検証（第7.1章、7.2章）。
6. 連続採鉱機用途におけるMCFR1ロータの1.8年間の長期フィールド試験および現場検証（第6.6章、Photo 6.8、Photo 6.9、Photo 6.10、Photo 6.11、第7.6.5章）。
7. 実験データおよび推定寿命に基づいた、MCFRと既存のロータタイプ（Loher、Damelなど）との性能比較分析（第7.4章、Table 7.1、第7.6.6章、Table 7.5）。
8. TOCおよび予測される節約額を含むMCFRの技術的および経済的評価（第7.7章、Table 7.6、Table 7.7、Table 7.8、第8.1章）。

データ収集・分析方法:

データは以下の方法で収集されました。

• 鉱山会社からの既存のモーター故障報告書および経済的損失データの分析（第4章）。
• モーター設計プログラム（例：電磁設計用、第6章、[Ref. [10]]参照）を用いた理論計算およびシミュレーション。
• 校正済みのSchenk動力計およびコンピュータ化されたデータ収集システムを用いたMCFRプロトタイプの実験室試験（第7.1章、Figure 7.1）。試験には、電圧、電流、電力、速度、トルク、温度、および振動の測定が含まれました（第7.2章）。
• DOL始動電流分析のためのオシログラム（Figure 7.3）。
• 長期間の現場運用後のMCFRローターの物理的検査および分析（第6.6章、Photo 7.1）。
  データ分析には以下が含まれました。
• 実験結果と理論的予測および設計仕様との比較。
• 故障率および経済データの統計分析。
• MCFRと従来のローター間の性能比較（Table 7.1、Table 7.2、Table 7.3、Table 7.4、Table 7.5、Table 7.6、Table 7.7、Table 7.8）。
• 効率、力率、スリップ、始動トルク、最大トルク、温度上昇などのモーターパラメータの計算（第7.2章）。

研究テーマと範囲:

本研究は、特に南アフリカの鉱業セクターにおける、要求の厳しい産業用途でのリスケージ誘導電動機の性能と信頼性の向上に焦点を当てています。
主な研究テーマは以下の通りです。

• 従来の高性能インピーダンスロータ（二重ケージ、ダイカストアルミニウム）の故障メカニズムと経済的影響（第4章）。
• 円周方向に混合導電性バーを用いた加工リスケージロータの新しい設計原理（MCFR）（第5章）。
• 深溝効果の理論的分析とMCFR設計への応用（第5.6章）。
• MCFRの設計、製造プロセス、および最適化（第6章）。
• 始動特性、熱挙動、および運転信頼性を含むMCFR性能の実験的検証（第7章）。
• 技術的性能、寿命、および経済的利益の観点からのMCFRと既存のロータ技術との比較評価（第7章、第8章）。
  範囲は主に低電圧モータ（例：連続採鉱機用36kWスピナーモータ、Figure 7.2）に焦点を当てていますが、その原理はより広範な用途を持つ可能性があります。本研究は、コンセプト開発から長期検証までのライフサイクル全体をカバーしています。

6. 主な結果:

主な結果:

本研究は、混合導電性加工ロータ（MCFR）を成功裏に開発・検証し、特に過酷な鉱山条件で使用される従来の高性能インピーダンスロータ、とりわけダイカストアルミニウムロータに対する大幅な改善を示しました。

1. 新しい設計原理の検証: 異なる導電率（および/またはプロファイル）を持つ円周方向に配置されたバーを使用するという核心原理は、モータ性能の調整に効果的であることが証明されました（第5章、第7章）。36kWスピナーモータ用のMCFR1（同じプロファイル、異なる導電率）は、元のダイカストアルミニウムロータと同等以上の性能を示し（Figure 5.1）、特に高温条件下での始動トルクの安定性において優れていました（第5.7章、第7.4章、Table 7.1）。
2. 信頼性と寿命の向上: MCFRはより高い信頼性指標を示しました。MCFRの推定寿命は、同じ用途のダイカストアルミニウムロータ（ロータ1.6～2年、モータ3～4年）と比較して大幅に長くなりました（例：ロータMTBF 20年、モータ10年）（Table 7.5、第8.1章）。1.8年間の連続地下運転後の調査では、MCFRは過負荷、ホットスポット、または高調波関連の問題の兆候なしに優れた状態であることが示されました（第6.6章、Photo 6.9、Photo 7.1）。
3. 熱性能の向上: MCFRはより低い熱発生レベルを示しました。負荷時およびDOL始動ごとのロータ温度上昇はより低くなりました（MCFR 150～160℃に対し、Damelアルミニウムロータは210～220℃）（Table 7.4）。これにより、高温条件下でのDOL始動回数が増加しました（MCFR 8回に対し、Damelロータは2～3回）（Table 7.4）。MCFRは固定子巻線への過度の熱放射やベアリングへの著しい熱伝達を示しませんでした（Table 7.2、Table 7.3）。
4. 安定した始動性能: MCFRは、熱的に安定した状態（「HOT」状態）に達した後でも非常に一定した始動トルクを維持し、これは既存のロータに対する重要な利点です（第5.7章、第7.2.6章、第7.2.7章）。始動中に大きな寄生トルクなしに信頼性の高いトルクを提供しました（第7.5.6章、Figure 7.4）。
5. 経済的利点: MCFRは、総所有コスト（TOC）の削減を通じて実質的な経済的利益をもたらします。36kWスピナーモータの場合、ロータあたりの年間節約額は15万ランドと推定され、MCFRのみを使用した場合の15年間の総予測節約額は225万8千ランドでした（Table 7.8、Table 8.1）。これは、MCFRが修理可能であるため、寿命が長く、ダウンタイムが短縮され、修理コストが低いためです（第6.7章、第8.1章）。
6. 現地製造の実現可能性: MCFRは、標準的な工具と材料を使用して現地で製造できるため、高価な輸入ロータへの依存を減らし、競争力のある代替品を提供します（抄録、第6.7章）。

図の名称リスト:

• Figure 1.1 特定の鉱山プロセスを駆動する誘導電動機のTOC構造
• Figure 1.2 プロセス速度「v」の関数としての特定コスト指標の推移
• Figure 2.1 誘導電動機の典型的な速度-トルク曲線（STC）の例
• Figure 3.3 典型的な短絡試験特性グラフ（Ik = f(Uk) in p.u.）ロットチップ
• Figure 5.1 アルミニウムロータと銅ロータを装着した36kWの速度-トルク曲線
• Figure 5.2 ロータ構造の古典的原理No.1の図解
• Figure 5.3 ロータ構造の古典的原理No.2の図解
• Figure 5.4 MCFR1の最も単純なバージョンの1つの概略図
• Figure 5.5 漏れ磁束によってリンクされた深溝バーの断面図
• Figure 5.6 相互磁束と誘導電圧のフェーザ図
• Figure 5.7 モータ始動中のMCFR1リアクタンスと抵抗比の推移
• Figure 6.1 初期鋳造アルミニウムおよび加工バーロータスロットプロファイル
• Figure 6.2 36kWスピナーモータ用固定子積層設計
• Figure 6.3 MCFR1を装着した36kWスピナーモータ用ロータ積層設計
• Figure 6.4 MCFR1電気回路の製造指示書
• Figure 6.5 MCFR1組立図
• Figure 7.1 試験ベイの機能ブロック図
• Figure 7.2 MCFR1性能確認に使用されたスピナーモータの3D写真
• Figure 7.3 MCFRを装着した36kWのDOL始動電流のオシログラム
• Figure 7.4 36kWプロトタイプの速度-トルク曲線
• Photo 3.1 短絡リングからのロータバーの分離
• Photo 4.9 真鍮バーの融点に達する温度の「ホットスポット」
• Photo 5.1 VAMT 36kWスピナーモータ用に特別に製造された真鍮ロータ
• Photo 6.4 MCFR1、36kWスピナーモータ用シャフトへのロータ鉄心パックの組み込み
• Photo 6.5 MCFR1に組み込まれた異なるバー導電率のシーケンス
• Photo 6.6 独自の短絡リングを備えたMCFR1
• Photo 6.7 2対の短絡リングで製造されたMCFR1
• Photo 6.8 1.8年間地下で稼働後に返却されたMCFR装着スピナーモータ
• Photo 6.9 1.8年間地下で稼働後のMCFR1
• Photo 6.10 保管中のモータへの水の浸入
• Photo 6.11 モータ筐体内の水による固定子の錆
• Photo 7.1 1.8年間負荷運転後の良好な状態のMCFR鉄心

7. 結論:

本研究は、従来の高性能インピーダンス二重ケージおよびダイカストアルミニウムロータが、南アフリカの過酷な石炭鉱業において高い故障率と大きな経済的損失を示すと結論付けています。これは主に、元の設計が厳格な現地の応用工学の要件を満たしていないためです。円周方向に変化するバー導電率および/またはプロファイルという新しい原理に基づいて開発された混合導電性加工ロータ（MCFR）は、これらの欠点を首尾よく解決します。MCFRは、既存のダイカストアルミニウムロータと比較して、特に高温条件下での始動トルクの維持において、優れた信頼性、延長された動作寿命、および安定した性能を提供します。実験的検証と長期フィールドテスト（1.8年）により、MCFRの設計の健全性と過酷な鉱山条件に耐える能力が確認されました。経済的には、MCFRは修理費用の削減、ダウンタイムの最小化、および高価な輸入ロータに対する修理可能で現地製造可能な代替品の提供を通じて、総所有コストの大幅な削減につながります。MCFR特許は重要な進歩であり、鉱業プロセスの効率を高める技術的および経済的利点を提供します（第8.1章、Table 7.8、Table 8.1）。

8. 参考文献:

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• [2] Department of Energy Federal Register; “Federal Energy Management Plan – FEMP”, USA, New York, March 2004.
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• [4] Anglo Gold Ashanti; “Medium and High Voltage (3300, 6600 &11000 Volts) Squirrel Cage and Wound Rotors Induction Motors”, 438/11 Specification, Johannesburg, 1998.
• [5] Pitis, C.D.; “Power Efficiency becoming Important in Electric Motors”, Materials Handling & Logistics TODAY, Johannesburg, Sept. 2003, pp 35–36.
• [6] Pitis, C.D., Livingstone, A.; “Energy efficient fans in underground auxiliary ventilation systems”, Proceedings, 1st ICUE International Conference of Industrial & Commercial Use of Energy, Cape Town, May 2004, pp 103–106.
• [7] Pitis, C.D.; “Electric Motors Life Extension by Renewal of Squirrel Cage Rotors”, Proceedings, 2nd ICUE International Conference of Industrial & Commercial Use of Energy, Cape Town, May 2005, pp 87–93.
• [8] Pitis C.D.; Provisional patent registered as “Mixed Conductivity Fabricated Rotors – MCFR” patent registration no. 6886, Spoor and Fisher, Johannesburg, August 2004.
• [9] Pitis, C.D.; “Mixed Conductivity Fabricated Rotor”, South African Patent No. 2005/07280, Johannesburg, September 2005.
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• [11] Say, M.G.; “Performance and design of alternating current machines”, 3rd Edition, Isaac Pitman & Sons, London, 1983, pp 300–320.
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• [19] Agarwal, P.D., Alger, P.L.; “Saturation Factors for Leakage Reactance of Induction Motors”, AIEE, Paper 60 – 119, Chicago, Feb. 1961.

9. 著作権:

• 本資料は「Constantin Danut PITIS」氏の論文です。「Novel Method of Improving Squirrel Cage Induction Motor Performance by using Mixed Conductivity Fabricated Rotors (MCFR)」に基づいています。
• 論文の出典: https://www.researchgate.net/publication/26989276

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研究者向けの主な質問と回答

Q1. MCFR設計の基本的な革新点は、従来のリスケージロータと比較して何ですか？
A1. MCFR設計は、同じ円筒シェル内でロータバーの導電率および/またはプロファイルを円周方向に変化させるという原理を導入しています。これは、円周方向の層のバーが形状と導電率において均一である従来のロータとは異なります。これにより、カスタマイズされたモータ性能特性が可能になります。

Q2. 特に南アフリカの鉱業という文脈において、MCFR開発の主な動機は何でしたか？
A2. 主な動機は、過酷な鉱山条件下での従来の高性能インピーダンスロータ（二重ケージおよびダイカストアルミニウム）に関連する高い故障率と大きな経済的損失であり、より信頼性が高く、耐久性があり、費用対効果の高いロータソリューションが必要とされていました。

Q3. MCFRは、例えばダイカストアルミニウムロータと比較して、どのようにして熱性能と始動特性を向上させていますか？
A3. MCFRの混合導電性設計により、より良い電流分布と熱管理が可能になります。その結果、全体的なロータ温度上昇が低くなり（例：MCFRの場合は150～160℃、同等のダイカストアルミニウムロータの場合は210～220℃）、高温条件下でのDOL始動回数が増加します（MCFRの場合は8回）。始動トルクは、モータが熱的安定性に達した後でも非常に一定に保たれます。

Q4. MCFR技術を採用する主な経済的利点は何ですか？
A4. MCFRは、より長い動作寿命（同様の用途における従来のロータの1.5～4年と比較して、推定モータ寿命10年、ロータMTBF20年）、ダウンタイムの削減、修理コストの削減（修理可能であるため）、および現地製造の可能性を通じて、大幅な経済的利益をもたらし、総所有コスト（TOC）を低減します。36kWスピナーモータあたりの年間節約額は15万ランドと推定されました。

Q5. 論文ではMCFR1とMCFR2について言及されています。主な違いは何ですか？また、この研究で主に開発・試験されたのはどちらのタイプですか？
A5. MCFR1は、同じプロファイルを持ちながら円周方向に配置された異なる導電率のロータバーを特徴としています。MCFR2は、異なるプロファイルと異なる導電率のロータバーを含みます。本研究では、主に連続採鉱機に使用される36kWスピナーモータ用にMCFR1タイプを開発、設計し、広範囲に試験しました。