電気モーターの効率を上げるには？ - ブログ

動力を供給するはずのツールやファンをほとんど動かさず、うるさくうなり音を立てている古い電気モーターの隣に立ったことがあれば、効率のギャップがどれほどイライラするかをご存知でしょう。過去 10 年間、小型 HVAC セットアップから工業用処理ラインに至るまで、あらゆる用途にモーターを供給してきた者として、私は、単一モーターの効率が 5% 向上しただけでも、その寿命にわたって最大で数千ドルのエネルギー節約につながり、メンテナンス時間も削減できることを直接見てきました。真実を言えば、多くのモーター所有者は効率を「設定したら後は忘れる」ような細かいことのように扱っていますが、一貫した小さな調整が大きな違いを生む可能性があります。モーターの効率を高めるための科学に裏付けられた実践的な方法と、アプリケーションに適したモーターを選択することで長期的な成功にどのようにつながるかを見ていきましょう。

まず、基本的なことから始めましょう。ここでの効率とは、モーターが熱、騒音、振動として無駄にするのではなく、機械動力に変換される電力の割合を意味します。たとえば、効率 90% のモーターは 100 ワットの電力のうち 90 を仕事に変換しますが、85% のモデルでは 15 ワットが無駄になります。これらの無駄な損失のほとんどは、銅損 (モーターの巻線を通って移動する電気からの熱)、鉄損 (モーターのコアを通って移動する磁界からの熱)、および機械的損失 (ベアリング、ファン、およびモーター内部の空気抵抗からの摩擦) の 3 つの主要な領域から発生します。これらの領域を修正すると、最大の改善が見られます。

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最も簡単で最も見落とされがちな修正の 1 つは、モーターのサイズを適切に保つことです。これはどれだけ強調してもしすぎることはありません。過大なモーターは怠惰なモーターです。モーターが 2 馬力を処理できるように作られているにもかかわらず、1 馬力の負荷のみを実行している場合、モーターは低負荷で動作していることになり、効率が大幅に低下します。ほとんどの AC モーターは、定格負荷の 75 ～ 100% で動作している場合にのみ最も効率が高くなります。負荷が低い場合、力率が低下します。つまり、送電網からより多くの無効電力を引き出すことになり、エネルギーを浪費するだけでなく、光熱費の増加につながる可能性があります。お客様が 12v 85W 5060hz を設置しているのを見てきました。遠心ファンバスルームの小さな換気口用のモーター出力遠心ファン [/motors/12v-85w-5060hz-centrifugal-fan-motor-out.html] ですが、特大モーターが 40% の負荷で動作し、1 時間あたりほぼ 10 ワットの電力を浪費していたため、数カ月後に交換することになりました。修正は？モーターのサイズを負荷に正確に合わせるか、負荷が変化する場合は可変周波数ドライブ (VFD) を使用してください。 VFD はツールやファンの正確な要求に合わせてモーターの速度を調整するため、必要以上に速く回転することはありません。換気ニーズが変動する倉庫では、Blauberg MEC3L-72-25P 72mm 230V 115W EC モーター [/motors/mec3l-72-25p-72mm-ec-motor.html] のような高効率モーターと VFD を組み合わせることで、エネルギー使用量を 30% 以上削減できます。ECモーター部分負荷で高効率になるように設計されています。

次に、効率を高く保つために定期的なメンテナンスは譲れませんが、それはオイル交換だけではありません（それも一部ではありますが）。ベアリングは機械的損失の一般的な原因です。ベアリングが汚れたり、位置がずれたり、潤滑が不十分になると、回転シャフトとベアリングの間の摩擦が 50% 以上増加する可能性があり、モーターは回転するだけで余分な電力を消費することになります。私はかつて食品加工工場で働いていたことがありますが、その工場ではエネルギー代が 1 か月で 15% 急増したため、モーターが故障しているのではないかと考えていました。ベアリングを引き抜いたところ、ベアリングに小麦粉の粉がこびりついていて、潤滑剤が濃厚なペースト状になっていたことがわかりました。ベアリングを洗浄して再梱包した後、効率は通常の状態に戻り、その年のエネルギーコストは 2,000 ドル以上節約されました。経験則では、小型モーター (5 馬力未満) の場合は 12 か月ごと、大型の産業用モーターの場合は 6 か月ごとにベアリングに注油します。ただし、過剰な潤滑は潤滑不足と同じくらい悪いので、必ずメーカーの仕様を確認してください。

もう 1 つの大きな損失源は、モーターのエアギャップです。エアギャップは、ローター (モーターの回転部分) とステーター (磁界を生成する静止部分) の間の小さな空間です。そのギャップが不均一であるか大きすぎる場合、磁場はギャップを横切るためにさらに強く働かなければならず、鉄損と銅損が増加します。これは通常、設置または経年による磨耗によりモーターの位置がずれているために発生します。シャフトの位置ずれは、ポンプ、ファン、またはコンベアに接続されているモーターでよく発生します。0.5 度の位置ずれでも、エネルギー使用量が 10% 増加する可能性があります。ここでの修正は、レーザー位置合わせツール (大型モーターの場合) または単純なダイヤルインジケーター (小型から中型モーターの場合) を使用した定期的な位置合わせチェックです。外部ローターモーター 0 ～ 10 V [/motors/230v-centrifugal-fans-with-external-rotor.html] を備えた 230 V 遠心ファンのアライメントを四半期ごとにチェックしたクライアントがいます。これは、モーターが軸の位置ずれによる不均一な引っ張りと戦う必要がなかったため、効率が安定して 7 ～ 8% 向上していることを確認しました。

アプリケーションに適したモーター技術を選択することも、状況を大きく変えることになります。市場には、標準誘導モーター、高効率誘導モーター、EC (電子整流) モーターの 3 つの主なタイプのモーターがあります。標準的な誘導モーターは安価ですが、最高効率は約 85% であり、部分負荷になると急激に低下します。高効率誘導モーターは、鉄損と銅損を削減するためにコアに高品質の銅巻線と薄い鋼鉄を使用しており、効率は約 92 ～ 95% に達しますが、それでも部分負荷には苦労します。一方、EC モーターは、誘導モーターのローター巻線の代わりに永久磁石を使用し、内蔵電子機器が需要に合わせて電力を調整するため、部分負荷でも標準モーターより 15 ～ 30% 効率が高くなります。たとえば、サーバールーム換気システム用の 230v 170W Big Motor Ec 遠心ファンモーター電気 [/motors/230v-170w-big-motor-ec-centrifugal-fan-motors.html] は、部屋の負荷が 50% のみの場合でもピーク効率で動作しますが、標準モーターはフルスピードでアイドリングすると電力を無駄に消費します。 EC モーターは、全能力で動作していないときに誘導モーターほど効率が低下しないため、HVAC、排気ファン、冷凍システムなど、負荷が変化するアプリケーションに特に最適です。

また、熱によって効率が低下するため、モーターの環境も無視できません。モーターは自ら発熱するため、その熱を放熱できないと内部温度が上昇します。高温では銅損が増加し（温度が上昇すると抵抗が増加します）、時間の経過とともに巻線が損傷し、モーターの寿命が短くなる可能性があります。モーターが高温、埃っぽい、または狭い空間に設置されている場合、モーターは必要よりも 10 ～ 15 度高温で動作し、効率が 2 ～ 3% 低下する可能性があります。これを修正するには、空気の流れのためにモーターの四方に少なくとも 6 インチの隙間があることを確認し、ボイラーやコンプレッサーなどの熱源の近くに設置することを避け、換気グリルを清潔に保ちます (ベアリングの場合と同様、埃の蓄積により空気の流れが妨げられます)。たとえば、外部ローターモーター Big Motor Ec を備えた 230v 遠心ファン [/motors/230v-centrifugal-fans-with-external-rotors.html] を埃っぽい倉庫に設置した場合、冷却機能を適切に維持するには、清潔なオフィスでは 6 か月ごとではなく、2 か月ごとに吸気フィルターを交換する必要があります。

待ってください、多くの人がもう 1 つ見落としていることがあります。それは、配線の品質です。モーターを電源に接続する配線は、細すぎたり、長すぎたり、接続が緩かったりすると、重大なエネルギー損失を引き起こす可能性があります。細いワイヤーは抵抗が大きいため、ブレーカーからモーターに熱が伝わり、より多くの電力が失われます。 50 フィートのワイヤを配線する場合、小さすぎるワイヤゲージを使用すると、損失が 5% 以上増加する可能性があります。一方、接続が緩んでいると接合部に抵抗が生じ、過熱や電力の無駄が発生する可能性があります。以前、モーターが熱くなっていると苦情を言った顧客がいました。配線を確認したところ、ブレーカーの端子が緩んでいて、小さなアークが発生し、8 ワット以上の電力が無駄になっていることがわかりました。端子を締めて配線を正しいゲージにアップグレードすると、問題はすぐに解決されました。注目に値するのは、夏の間産業施設や HVAC システムなどで 24 時間年中無休で稼働するモーターの場合、適切なワイヤーゲージにアップグレードすることで 1 年以内にエネルギー節約の元が取れるということです。

数字が重要なので、実際の結果について話しましょう。数年前に私が一緒に働いていた小さなカフェでは、10 年前に使用された標準的な誘導モーターを使用し、3 台の排気ファンが 1 日 12 時間稼働していました。ファンの光熱費は年間約 1,800 ドルでした。 3 つの標準モーターを次のモーターに置き換えました。ブラウベルクMEC3L-72-25P 72mm 230V 115W EC モーター [/motors/mec3l-72-25p-72mm-ec-motor.html] (カフェにいる顧客の数によって排気負荷が変化するため)、空気品質センサーに基づいて速度を調整する VFD を設置しました。最初の 1 年以内に、ファンのエネルギー代は 1,100 ドルに下がり、39% 節約されました。約 2,000 ドルの 1 回限りの投資として、毎年 700 ドルがポケットに戻ってきます。 20 台のモーターを備えた倉庫などの大規模な運用では、節約効果は急速に倍増します。 15 台の遠心ファンと 5 台のコンベアモーターを備えたクライアントは、すべての標準モーターを高効率モデルにアップグレードし、シャフトを調整し、摩耗したベアリングを交換しました。これにより、年間 12,000 ドル以上のエネルギーコストを節約し、18 か月で回収できました。

モーターの効率というと気の遠くなるような話のように感じるかもしれませんが、必ずしもそうである必要はありません。最も良い点は、これらの手順のほとんどが低コスト (定期的なメンテナンス、アライメントチェック)、または時間の経過とともに元が取れる賢明な 1 回限りの投資 (高効率または EC モーターへのアップグレード、VFD の追加) であることです。どこから始めればよいかわからない場合は、既存のモーターのエネルギー監査から始めてください。負荷、状態、配線、環境を確認してください。詰まったエアフィルターを掃除したり、緩んだベアリングを締めたりするなどの小さな修正でも、顕著な違いを生む可能性があります。

新しいモーターの市場にいる場合、住宅用の小型 12V ファンから産業システム用の高出力 EC モーターまで、あらゆるアプリケーションに対応する幅広いオプションをご用意しています。浴室の換気扇、倉庫の遠心ファン、コンベアシステムのモーターの交換が必要な場合でも、当社のチームがお客様の負荷、スペース、効率の目標に最適なものを見つけるお手伝いをいたします。非効率なモーターがエネルギー予算を使い果たしたり、機器の寿命を縮めたりしないようにしてください。当社のチームに連絡してプロジェクトについて話し合い、お客様のニーズに最適なモーターソリューションを見つけるために協力しましょう。

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