銅ローターモーター：経済的な超高効率モーターへの一歩？

本紹介資料は、'ACEEE' が発行した 'Copper Rotor Motors: A Step toward Economical Super-Premium Efficiency Motors?' 論文に基づいています。

Figure 1. Die-Cast Copper Rotors
Figure 1. Die-Cast Copper Rotors

1. 概要:

  • タイトル: Copper Rotor Motors: A Step toward Economical Super-Premium Efficiency Motors? (銅ローターモーター：経済的な超高効率モーターへの一歩？)
  • 著者: Nicole Kaufman Dyess, Emmanuel Agamloh, Ph.D., Advanced Energy
  • 出版年: 2007
  • 出版ジャーナル/学会: ACEEE Summer Study on Energy Efficiency in Industry
  • キーワード: 銅ローターモーター、モーター効率、NEMA Premium、誘導モーター、ダイカスト、エネルギー効率

2. 要約:

NEMA Premium® モーターは、効率向上のためにモーターの固定子に大幅な変更を加えました。銅ローターモーターは、回転子の導体損失を低減することにより、モーター効率の向上を目指しています。CDA (Copper Development Association) は、この技術の利点を促進し、特にダイカストプロセスに関連する研究開発を支援するために長年取り組んできました。Siemens Electric and Automation (Siemens) は、これらのモーターを大規模に製造し始めた最初の企業であり、現在市場で入手可能です。これらのモーターは、NEMA Premium® アルミニウムローターモーターと同等の価格で販売されており、より高い効率が期待できます。Advanced Energy は、これらのモーターをアルミニウムローターモーターの性能および構造と比較し、産業用モーター市場への潜在的な影響を評価するために、市販されている範囲の 6 つのモーターに対して、限定的な非破壊モーター構造検査分析、効率テスト (IEEE Std.112B)、および性能特性評価 (定常状態温度上昇、トルク-速度性能) を実施しました。Advanced Energy は、アルミニウムローターモーターの構造およびテスト結果に関する 16 年間の経験を有しています。この分析には、テスト結果のデータベースが使用され、アルミニウムローターモーターの追加テストは実施されていません。

3. 序論:

序論では、1977 年の最初の NEMA ガイドラインから 1992 年の EPAct、そして NEMA Premium® モーターの台頭に至るまで、モーター効率基準の進化をたどります。リベートプログラム、エネルギーコストの上昇、競争の激化により、エネルギー効率への関心が高まっていることを強調しています。中心的な問いは、「NEMA Premium® の次は何か？」です。本論文は、中型モーターにおける銅ローターを、モーター効率の次の飛躍として提案しています。

4. 研究概要:

研究テーマの背景:

背景では、モーター効率改善の歴史的文脈を説明し、初期の NEMA ガイドラインから最低効率レベルの義務化への進化について言及しています。また、NEMA Premium® モーターおよびモーターアプリケーションの最適化へと焦点が移っていることにも言及しています。

先行研究の状況:

先行研究では、固定子 I²R 損失、回転子 I²R 損失、鉄損、風損および摩擦損失、漂遊負荷損失の 5 つの主要な損失カテゴリを低減することに焦点を当てていました。設計変更には、巻線へのより多くの銅の使用、より大きな回転子バー、より薄い積層、およびエアギャップの最小化が含まれていました。

研究目的:

本研究の目的は、ダイカスト銅ローターモーターとアルミニウムローターモーターの性能および構造を比較し、この技術が産業用モーター市場に与える潜在的な影響を評価することです。

主要な研究:

主要な研究には、Siemens から市販されている 6 つの銅ローターモーターに対する、限定的な非破壊モーター構造検査分析、効率テスト (IEEE Std. 112B)、および性能特性評価が含まれます。

5. 研究方法

研究デザイン:

銅ローターモーターとアルミニウムローターモーター間の比較分析が実施されました。この研究には、構造検査と性能テストが含まれていました。

データ収集および分析方法:

データ収集には、非破壊構造検査、IEEE Std. 112B に準拠した効率テスト、および性能特性評価 (定常状態温度上昇、トルク-速度性能) が含まれていました。テスト結果は、アルミニウムローターモーターのテスト結果のデータベースと比較されました。

研究テーマおよび範囲:

本研究は、Siemens 製の市販の銅ローターモーター (1-20 Hp) に焦点を当てています。範囲には、構造検査、効率テスト、およびトルク-速度性能分析が含まれていました。

6. 主要な結果:

主要な結果:

  • 銅ローターモーターは、エネルギー効率の高いアルミニウムローターモーターと比較して、回転子、鉄心、および漂遊負荷損失が大幅に減少しました。
  • トルク-速度性能や始動電流などの性能特性を維持しながら、効率向上が達成されました。
  • テストされた銅ローターモーターは、対応するアルミニウムローターモーターよりも高い効率を示し、NEMA Premium® レベルを超えました。
  • 15Hp 銅ローターモーターは、NEMA Premium® モーターの特徴である「フラットトップ」の効率曲線を示しました。
  • 回転子 I²R 損失は、銅ローターモーターで大幅に低くなりました。
  • 漂遊負荷損失も、銅ローター設計で低くなりました。
  • トルク-速度テストの結果は、NEMA Design B モーターの仕様範囲内でした。
Table 3. Efficiency Testing Results of Copper Rotor Motors
Table 3. Efficiency Testing Results of Copper Rotor Motors
Figure 2. Efficiency Curves for a 15-Hp Copper Rotor and Average of 5 x 15-Hp Energy Efficient Aluminum Rotor Motors
Figure 2. Efficiency Curves for a 15-Hp Copper Rotor and Average of 5 x 15-Hp Energy Efficient Aluminum Rotor Motors
Figure 3. Loss segregation of 15-Hp Copper Rotor and Energy Efficient Aluminum Rotor Motors
Figure 3. Loss segregation of 15-Hp Copper Rotor and Energy Efficient Aluminum Rotor Motors
Figure 4. Acceleration and Deceleration Torque-Speed Curves for 1.5-Hp Motor
Figure 4. Acceleration and Deceleration Torque-Speed Curves for 1.5-Hp Motor

図のリスト:

  • 図 1. ダイカスト銅ローター
  • 図 2. 15Hp 銅ローターおよび 5 x 15Hp エネルギー効率アルミニウムローターモーターの平均の効率曲線
  • 図 3. 15Hp 銅ローターおよびエネルギー効率アルミニウムローターモーターの損失分離
  • 図 4. 1.5Hp モーターの加速および減速トルク-速度曲線

7. 結論:

ダイカスト銅ローターを使用すると、アルミニウムローターモーターと比較して、回転子、鉄心、および漂遊負荷損失が大幅に削減され、主要な性能特性を維持しながら、より高い効率が得られます。銅ケージローターは大型モーターにすでに存在していましたが、ダイカスト技術の進歩により、小型銅ローターモーターを経済的に大量生産できるようになりました。これらのモーターは、特に 1-200 Hp の範囲において、多相かご形誘導電動機の論理的な進歩を表しており、運用コストを削減し、産業競争力を向上させるための実行可能な道筋を提供します。

8. 参考文献:

  • Ayyub, Mohammad, S.S. Murthy and B.P. Singh. “Energy Conservation through Improved Design of Induction Motor.” IEEE Article 0-7803-2795-0: 458-63.
  • Bonnett, Austin H. 1994. “An Update on AC Induction Motor Efficiency.” IEEE Transactions on Industry Applications 30 (5): 1362-72.
  • Bonnett, Austin H. 1998. “An Overview of How AC Induction Motor Performance Has Been Affected by the October 24, 1997 Implementation of the Energy Policy Act of 1992." Paper PID 99-08 presented at the IEEE Petroleum and Chemical Industry Technical Conference, Indianapolis, Ind., September 28-30.
  • Braun, Michael. Increasing the Efficiency of Induction Motors. Chicago, Ill.: PSW.
  • "Super-Efficient Motors with Copper Rotors Enter U.S. Market." Copper Development Association. April 12, 2006. http://www.copper-rotor-motors.org.
  • Malinowski, John, Jim McCormick and Kevin Dunn. 2003. “Advances in Construction Techniques of AC Induction Motors: Preparation for Super-Premium Efficiency Levels.” IEEE Transactions on Industry Applications 40 (6): 1665-70.
  • Nailen, Richard L. 1992. Energy Efficient Motors—Myths vs. Reality. Chicago, Ill.: Barks Publications.

9. 著作権:

  • 本資料は、"Nicole Kaufman Dyess, Emmanuel Agamloh, Ph.D., Advanced Energy" の "Copper Rotor Motors: A Step toward Economical Super-Premium Efficiency Motors?" 論文に基づいています。
  • 論文の出典: OCR には提供されていませんが、2007 ACEEE Summer Study on Energy Efficiency in Industry の会議資料であると推定されます。

本資料は上記論文に基づいて要約されており、商業目的での無断使用を禁じます。
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Tags: Applications; ,CAD; ,Copper Rotor; ,Die casting; ,Efficiency; ,STEP