高速発電機

このサイトでは高速発電機や高速モータとして使用される電動機の長所や適用分野などの概略を紹介します。さらに、高速発電機や高速モータの開発への挑戦を説明します。スイス　 e+a 社は、さまざまな応用分野で２８年以上に及ぶ誘導電動機や同期電動機の設計・製作経験を有するコンポーネントパートナーです。

はじめに

実際、様々な要求が高速発電機の需要成長へと導いています。まず、最初は増加する高出力密度へのさらなる要求です。電動機における回転速度と軸出力のほほ比例した関係から、定格回転数の高速化は出力密度と効率を上昇させる効果的な方法です。このアプローチは、機械のサイズを変える事無く、軸出力を増加させる長所を持っているので、一方でさらなる高性能化をより小さな体格で実現することもできます。
発電機用途では、高速発電機を使用する主たるアイデアは既存の高速回転機へ直接エネルギー変換機を適用することです。例としては、タービン駆動発電機や低温用途などであり、それらは実際非常に類似した技術革新を経てきました。ダイレクトドライブモータはギヤボックスや、５０・６０Ｈｚの低速モータに置き換えられます。効率は向上し、機械のサイズは小さくなり、そしてメンテナンス費用も削減されます。エネルギー回収システムは経済的かつ環境的観点から、さらに脚光を浴びています。ですから、高速モータ要素は進行するグリーンエネルギー用途へも部分的に貢献していきます。

挑戦

上述の高速発電機の長所は高性能モータエレメントの使用によってのみ達成することができます。その理由は、高速回転により回転するモータ部分（回転子）に発生する遠心応力が非常に高くなり、機械的応力が材料限界に近づくためです。モータエレメントの故障や損傷は甚大な破損を発生させ、機械の周辺への影響やその発電機が組み込まれたシステムの損害を与えます。これを防止するため、挑戦的プロセスでは、電磁気的・熱的・機械応力や構造のダイナミックな観点などを考慮して、様々な物理的観点が計算されねばなりせん。適用される計算手法は、安全性を第一優先事項として、長い経験に裏打ちされ、実質的に運転領域を拡大していくことが必要です。さらに、整流器は加熱・ノイズや発電機の効率に大きな影響を与えるため、整流器と高速発電機との相互作用は熟知されねばなりません。各種のコンバータシステムと高速発電機の相互作用は非常に特殊な知識と経験が要求されます。前述のような応用例での運転試験は成功するとはかぎりません。ですから、そこではパワーエレクトロニクスと高速発電機スペシアリストの深い関連性が要求されます。また、性能試験のインフラ構造は非常に複雑となり、通常市販の試験環境では実行不可能です。新規開発モータの開発期間中の総費用はたびたび予測費用を上回ります。

モータドライバ

典型的なインバータはパルス幅変調（ＰＷＭ）方式を採用しており、電圧または電流の連続したスイッチングが出力波形を制御します。より高速の発電機の運転には、スイッチング周波数の増加も必要です。（現在のインバータではＩＧＢＴ素子が使用されます。）さらに、パルス数が増加する事によりノイズと効率は改善することができますが、インバータ側では幾つかの問題が起こります、これは特に高速スイッチングのため損失が増加することにより理解されます。スイッチングモードインバータにより起因する高調波はエアギャップ部での磁束分布に負のインパクトをもたらします。これらの高調波は特に発電機エレメントのロータにさらなる渦電流損失を発生させ、ロータの温度上昇や機械的挙動に影響します。スイッチング周波数は高速発電機に別のインパクトを与えます。すなわち絶縁に対する影響であり、駆動パルスの立ちあがりと立下りに発生するオーバシュート電圧です。ＩＧＢＴが使用される場合、典型的な例では０．１μ秒以下で０～６５０Ｖの電圧変化があり、それは概ね１０，０００Ｖ/μ秒に相当します。この事実は発電機の絶縁に甚大な影響をもたらします。急激なパルスの立ち上がりや立下りはモータ内部で、特にスイッチングの瞬間に、電圧分布の不均衡を生み出します。発電機の絶縁システムとインバータ自身の絶縁方式に関する深い知見なしには、発電機に結果的に破壊的な故障を招きます。この意味では、部分的放電やロータの過加熱はよく知られた故障要因です。後者は同期モータにおいては、炭素繊維複合樹脂の温度的・機械的応力によるＣＦＲＰの招かざる遠心破壊へつながります。

結論

非同期（誘導）あるいは同期高速発電機やモータは据え付け空間の削減やギヤボックスの削減など様々な長所を提供します。これらの特色は様々な分野で応用され、工作機械や圧縮機・低温装置や発電産業などで、非常に多用されています。これらの非同期・同期型高速発電機の設計や製作は一つのエキサイテイングなタスクであり、そこでは広範囲な経験と安全性に立脚した運転限界の拡大のため、その開発過程に非常に先進的な計算方法が活用されます。高速発電機の知識だけが必要なだけでなく、インバータ技術や部分放電現象、潜在的、付加的損失などの深い知識が必要となります。br>
スイス　 e+a 社は高速モータ・発電機の幅広い製品群を提供します。２８年以上のそして１５０，０００を超える高速誘導機や永久磁石式同期機を運転した経験とともに、 e+a 社は非常にカスタマイズされた高速モータの開発・製作において世界をリードします。さらに、最新のモータ駆動用インバータ、部分放電試験システムを含む専門的な試験設備は詳細な解析と整流器の改善やシステムインテグレーションへの最適なサポートを提供します。

Power [kW]	Speed [rpm]
0.5	500,000
12	100,000
35	90,000
45	45,000
75	42,000
100	60,000
120	16,000
125	28,000
200	21,000
320	28,000

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