直流モータの速度制御：アーマチャコイル抵抗制御とフィールド磁束制御

DCモータは機械力を直流電力に変換する装置です。DCモータの最も顕著な特性の一つは、シンプルな方法で特定の要件に応じて速度を簡単に調整できることです。このレベルの便利な速度制御はACモータではそれほど容易には達成できません。

速度調整と速度制御の概念は異なります。速度調整の場合、モータの速度は様々な動作条件に応じて自発的に変化します。一方、DCモータでは、速度の変更は操作者による手動または制御装置を通じた自動的手段によって意図的に開始されます。DCモータの速度は以下の関係式で決定されます：

式(1)は、DCモータの速度が供給電圧V、アーマチュア回路抵抗 Ra、およびフィールド電流によって生成される磁束ϕという3つの主要な要素に依存することを明確に示しています。

• DCモータの速度制御において、電圧、アーマチュア抵抗、および磁束の操作は重要な考慮事項です。以下に示すように、DCモータの速度制御を達成する3つの主要な技術があります：

• アーマチュア回路抵抗の変更（アーマチュア抵抗またはレジスタティック制御）

• 磁束の変更（磁束制御）

• 適用電圧の変更（アーマチュア電圧制御）

これらの各速度制御方法について、より詳しく説明します。
DCモータのアーマチュア抵抗制御（シャントモータ）
シャントモータでアーマチュア抵抗制御を実装するための接続図を以下に示します。このアプローチでは、可変抵抗Reがアーマチュア回路に挿入されます。この可変抵抗の値の変化は、フィールド巻線が直接電源に接続されているため、磁束には影響を与えません。

シャントモータの速度-電流特性は以下の通りです。

シリーズモータ
次に、アーマチュア抵抗制御法を使用してDCシリーズモータの速度を制御するための接続図を検討しましょう。

アーマチュア回路の抵抗を調整すると、同時に回路を流れる電流とモータ内の磁束にも影響を与えます。可変抵抗での電圧降下により、アーマチュアに供給される電圧が減少します。その結果、アプライドアーマチュア電圧の減少により、モータの回転速度が低下します。

シリーズモータの速度-電流特性曲線は、モータの速度と通過する電流との関係を示しています。

可変抵抗Reの値が増加すると、モータは低い回転速度で動作します。可変抵抗は全アーマチュア電流を導くため、過熱や故障せずに定格アーマチュア電流を継続的に処理できるよう設計されなければなりません。

アーマチュア抵抗制御法の欠点

• 外部抵抗Re内で大量の電力が熱として放出され、効率が悪化しエネルギーが浪費されます。

• このアーマチュア抵抗制御法は、モータの速度を通常の動作速度以下にしか下げることができず、通常のレベルを超えて速度を上げることはできません。

• 可変抵抗の特定の値に対して、速度の低下度合いは一定ではなく、モータにかかる負荷によって変動します。そのため、正確な速度調整を行うのは困難です。

• その固有の非効率性と制限により、この速度制御アプローチは主に小規模なモータに適しています。

DCモータの磁束制御法

DCモータ内の磁束はフィールド電流によって生成されます。したがって、この方法での速度制御はフィールド電流の大きさを調整することで達成されます。

シャントモータ

シャントモータでは、可変抵抗RCがシャントフィールド巻線に直列に接続されています。このRCは一般的にシャントフィールドレギュレータと呼ばれ、フィールド電流およびその後のモータの磁束を変更する上で重要な役割を果たします。

シャントフィールド電流は以下の式で与えられます：

可変抵抗RCがフィールド回路に挿入されると、フィールド電流の流れが制限されます。その結果、フィールド巻線によって生成される磁束が減少します。この磁束の減少はモータの速度に直接影響を与え、速度が上昇します。したがって、モータは通常の未調整の速度よりも高い回転速度で動作します。

この特徴により、磁束制御法は主に2つの目的に非常に有用です。第一に、標準的な動作速度を超える速度を達成できるため、高回転率が必要な用途で柔軟性が得られます。第二に、モータが負荷を受ける際に自然に生じる速度の低下を補うために使用され、さまざまな負荷条件下でも一貫性のある速度を維持することができます。

シャントモータの速度-トルク曲線は、磁束制御法が適用された場合のモータの回転速度と生成可能なトルクとの関係をグラフで示しています。この曲線は、異なる動作シナリオにおけるモータの性能特性に関する貴重な洞察を提供します。

シリーズモータ

シリーズモータの場合、フィールド電流を変更する方法は2つあります：ダイバーターを使用するか、タップドフィールド制御を実装するかです。

ダイバーターを使用する

以下の図に示すように、可変抵抗Rdがシリーズフィールド巻線に並列に接続されています。この構成により、回路内の電流分布を操作し、シリーズフィールド巻線によって生成される磁場の強度に影響を与えることができます。

この設定における並列抵抗はダイバーターと呼ばれます。ダイバーターに可変抵抗Rdが接続されると、メイン電流の一部がシリーズフィールド巻線から迂回されます。その結果、ダイバーターの主な機能はフィールド巻線を通過する電流の大きさを減らすことになります。フィールド電流が減少すると、フィールドによって生成される磁束も減少します。この磁束の減少により、モータの回転速度が上昇します。タップドフィールド制御シリーズモータのフィールド電流を変更する第2の方法はタップドフィールド制御です。この方法に関連する具体的な電気接続とコンポーネントを示す接続図を以下に示します。

タップドフィールド制御法では、アンペアターンはアクティブなフィールドターン数を変更することで調整されます。この特定の構成は電気牽引システムに特に適しています。フィールドターン数を操作することで、モータのフィールド巻線によって生成される磁場磁束が変化し、モータの速度を精密に制御することができます。

シリーズモータの速度-トルク特性曲線は、モータの回転速度とさまざまな動作条件下で生成可能なトルクとの関係をグラフで示しています。この曲線は、タップドフィールド制御法が使用された場合のモータの性能能力を理解するのに役立ち、エンジニアや技術者が負荷や速度設定の変化に対するモータの反応を把握するのに役立ちます。

磁束制御の利点
磁束制御法は以下のいくつかの顕著な利点を提供します：

• 使いやすさ：このアプローチは単純でユーザーフレンドリーであり、簡単な実装と操作を可能にします。

• 低消費電力：シャントフィールドは通常、比較的小さな電流しか必要としないため、シャントフィールド内で消費される電力は最小限に抑えられ、全体的な効率が向上します。

• 速度上昇メカニズム：磁気回路の鉄心の飽和により、磁束は通常の値を超えて増加することはほとんどありません。そのため、磁束制御は主にフィールドを弱めることが中心となり、これが効果的にモータの回転速度を上昇させます。

• 制御適用範囲：ただし、この方法は限定的な範囲でのみ適用可能です。フィールドの過度な弱化はモータの動作不安定につながる可能性があるため、精密な制御と安定性が重要である特定のシナリオでのみ使用されます。