同期モータの動作原理

同期モーターの構造と励磁

同期モーターは主に2つの主要な部品で構成されています：スタータ（固定部）とロータ（回転部）。スタータは3相交流電源によってエネルギーが供給され、ロータは直流電源によって励磁されます。

励磁原理:
励磁とは、スタータとロータの両方に磁場を誘導し、それらを電磁石に変えるプロセスを指します。この磁気結合は、電気エネルギーを機械的な回転に変換するために不可欠です。

同期モーターにおける磁場の生成

3相交流電源はスタータに交互に北極と南極を誘導します。電源が正弦波であるため、その波の極性（正/負）は半周期ごとに逆転し、スタータの北極と南極が交互になります。これによりスタータ内に回転磁場が生成されます。

ロータの磁場は直流電源によって確立され、極性が固定され、一定の磁場が作られます。つまり、ロータの北極と南極は常に一定です。

スタータの磁場の回転速度は同期速度と呼ばれ、供給周波数とモーターの極数によって決定されます。

同期モーターにおける磁極の相互作用

スタータとロータの反対の極が一致すると、それらの間に引き合う力が生じ、反時計回りのトルクが生成されます。トルクは力の回転運動に対する同等物であり、ロータをスタータの磁極に従わせる動力となります。

各半周期後、スタータの極性が逆転しますが、ロータの慣性―すなわち動きの変化に対する抵抗傾向―により位置は維持されます。同じ極（北-北または南-南）が一致すると、斥力が時計回りのトルクを生成します。

これを視覚化するには、2極モーターを考えてみましょう：下の図では、スタータとロータの反対の極（N-SまたはS-N）が引き合う力を誘導しています。

半周期後、スタータの極が逆転します。スタータとロータの同じ極が向き合っており、それらの間に斥力が発生します。

一方向ではないトルクはロータを一つの場所で脈動させますが、これが理由で同期モーターは自己起動しません。

同期モーターの起動メカニズム

動作を開始するには、まず外部駆動装置によってロータを回転させて、その極性をスタータの回転磁場と一致させます。スタータとロータの極が連携すると、一方向のトルクが生成され、ロータはスタータの磁場の同期速度で回転します。

同期すると、モーターは供給周波数と極数によって固定された同期速度で一定の速度で動作します。