誘導電動機
最も単純なタイプの誘導電動機を断面図で示すと、図のようになります。 3相の固定子巻線が固定子鉄のスロットに挿入されています。 これらの巻線は、通常は中性点に外部接続しないワイ型、またはデルタ型のいずれかで接続されます。 回転子は、円筒状の鉄心の表面にスロットを設けて導体を配置したものである。 最も一般的な形態では、これらの回転子の導体は、回転子の両端で導電性のエンドリングによって接続されています。
まず、固定子巻線が三相電源に接続されており、固定子巻線には図に示すような形の3つの正弦波電流が流れていると仮定することで、誘導電動機の動作の基本を説明することができます。 この図は、1サイクル中の6つの瞬間において、機械のエアギャップに磁界を発生させる際の、これらの電流の効果を示しています。 簡単にするために、各相巻線の中心導体ループのみを示しています。 図の瞬間t1では、a相の電流は最大の正の値を示し、b相とc相の電流はその半分の負の値を示しています。 その結果、エアギャップの周囲には、上部で外向きに最大値、下部で内向きに最大値を持つ、ほぼ正弦波状の分布を持つ磁界が発生します。 図のt2時点(1サイクルの6分の1後)では、c相の電流は最大のマイナス、b相とa相の電流はともに半分のプラスとなっています。 その結果、図のt2に示すように、再び正弦波状に分布した磁界が反時計回りに60°回転します。 t3、t4、t5、t6の電流分布を見ると、時間の経過とともに磁界が回転し続けていることがわかる。 磁界は固定子電流の1周期で1回転します。 このように、時間的に一様にずれた3つの等しい正弦波電流が、角度的に一様にずれた3つの固定子巻線に流れることで、一定の大きさと電源の周波数に依存した機械的角速度を持つ回転磁界が生成されます。
ローター導体に対する磁界の回転運動により、導体に対する磁界の大きさと速度に比例した電圧がそれぞれに誘導されます。 また、ローターの導体は両端が短絡しているため、これらの導体にも電流が流れます。 最も単純な動作モードでは、この電流は誘導電圧を導体抵抗で割った値にほぼ等しい。 図の瞬間t1におけるローター電流のパターンをこの図に示します。 この電流は、ローターの外周にほぼ正弦波状に分布し、ローターに反時計回りのトルク(すなわち、界磁の回転と同じ方向のトルク)を発生させるように配置されていることがわかります。 このトルクは、ローターを加速させ、機械的負荷を回転させる働きをします。 ロータの回転速度が上がると、回転する界磁との相対的な速度が低下します。 そのため、誘導電圧が減少し、それに比例してローターの導体電流が減少し、トルクも減少します。
機械的な出力パワーは、電気的な入力パワーによって提供されなければなりません。 図に示す元のステータ電流は、回転磁界を生成するのに十分なだけです。 図の回転子電流の存在下でこの回転磁界を維持するためには、固定子巻線が、さもなければ図の回転子電流によって生成されるであろう磁界の効果をキャンセルするような大きさと位相の正弦波電流の追加成分を運ぶことが必要です。 各相巻線の固定子電流の合計は、磁界を発生させるための正弦波成分と、必要な電力を供給するための1/4サイクル(90°)先行する別の正弦波の合計となる。 電流の2番目の成分(電力成分)はステーターに印加される電圧と同相であり、1番目の成分(磁化成分)は印加される電圧から1/4サイクル(90°)遅れています。
三相誘導電動機の多くは、固定子の巻線を定電圧・定周波数の三相電源に直接接続して動作させています。
典型的な電源電圧は、比較的低出力(例えば、0.5~50キロワット)のモーター用のライン間230ボルトから、約10メガワットまでの高出力モーター用のライン間約15キロボルトの範囲です。
固定子巻線の抵抗における小さな電圧降下を除いて、電源電圧は機械の固定子における磁束の時間変化率と一致します。
図のような誘導電動機では、電源周波数の1周期ごとに磁界が1回転します。 60ヘルツの電源の場合、磁界の速度は1秒間に60回転、1分間に3,600回転となります。 ロータの速度は、負荷トルクに必要なロータ電流を生成するためにロータの導体に必要な電圧を誘起するのに十分な量だけ、磁界の速度よりも小さい。 全負荷時の回転数は、界磁の回転数(同期回転数)よりも0.5〜5%低いのが一般的で、小型のモーターではこの割合が高くなる。
その他の同期速度は、図のような2極構造ではなく、より多くの磁極対を持つ機械を作ることで、一定周波数の電源で得ることができます。 ここで、fは周波数(ヘルツ)、pは磁極の数(偶数でなければならない)を表します。 鉄のフレームは、約(360/p)°の角度に巻かれたコイルを使用することで、いくつかの可能な極数のうちのどれか1つに巻かれます。 鉄枠から得られるトルクは、磁界と許容コイル電流の積に比例するため、変化しません。 したがって、トルクと回転数の積であるフレームの定格電力は、ポールペアの数にほぼ反比例します。 60ヘルツのモーターの同期速度は、1,800回転/分と1,200回転/分が一般的です。