モータ回路解析によるDCモータテストの優位性

直流（DC）電気モーターの電気試験は、産業界、製造業、修理センターのいずれにおいても課題となっています。 重要なのは、正確な情報が提供されない場合、コイルと次のコイルを比較することができるかどうかという点です。 今回は、モーター回路解析（MCA）を用いたテストや解析の結論の信頼性を高めるための簡易テストの問題について説明する。

MCAという用語は、ACまたはDC電気モーターの基本的な構成要素に関する情報を提供する試験方法に由来しています。 これらの基本コンポーネントは以下の通りである：

• 抵抗（単位：オーム
• インピーダンス（単位：オーム
• インダクタンス（単位：ヘンリー
• 誘導巻線位相角（単位：度
• 絶縁抵抗（単位：メガオーム

この記事で紹介する測定器は、100～800ヘルツの周波数で低電圧の正弦波、交流（インピーダンス、インダクタンス、位相角）信号、抵抗用低電圧DC信号、絶縁抵抗試験用500または1000ボルトDC信号を生成することでこれらの読み取りを行います。

さらに、I/Fと呼ばれる特殊な試験を行い、印加周波数を2倍にし、巻線インピーダンスの変化から比率を求める。 このテストは、巻線に存在する可能性のある初期の巻線短絡を特定するために導入されます。 適用されたデータを使って、コイルの比較、既知の読み取り値との比較、または一定期間の巻線の変化の傾向によって、DCモーターの巻線の状態を評価することができます。

この記事で取り上げる直流電動機には、直列、分路、および複合直流電動機がある。 説明した基本的な試験のいくつかは、永久磁石、DCサーボ、DC工作機械などで実施できる（ただし、ブラシレスDCモーターはACモーターと同様の方法で評価する）。 直流電気モーターの種類は、巻線と結線によって説明することができます。

DCモータの理論

直流電気モーターは、電気の基本原理である「2つの磁界が互いに角度を変えて引き合うことで運動する」ことを利用しています。 直流電動機の場合、電気的に約90度離れた磁界を形成する固定子界磁と電機子に電力を供給する。 その結果、界磁から電機子が吸引／反発することでトルクが発生し、電機子は回転します。

直流電気モーターの基本構成は以下の通りです。

• フレーム– マシンの外郭を構成する。 モーターの他の部品のほとんどを搭載するために使用される
• フィールド– フィールド・ポール・ピースに取り付けられたコイルで、静止磁場を発生させる。
• インターポール– ブラシの過度のスパークを防止するために使用されるフィールドを生成するフィールドコイルの間に配置されるコイルです。
• エンドシールド– ベアリングハウジングとも呼ばれ、ブラシとブラシリギングを収納し、シャフトベアリングを収納し、アーマチュアをフレームの中心に保持するために使用される。
• ブラシリギング– ブラシを電機子整流子の上に保持し、位置決めする。 通常、ブラシにかかる圧力を一定に保つために、テンションデバイスが使用されます。
• ブラシ– アーマチュアに直流を供給するために使用される。 ブラシは整流子の上に乗っています。
• 整流子– 雲母で区切られた多数の銅の棒で構成されています。 各バーはアーマチュアのコイルに接続されています。
• アーマチュア– コイルを含むモーターの回転部分。

DCモーターは、一般的なACモーターと異なり、界磁と電機子に別々の電力を供給する必要があります。 固定子界磁に供給される直流は、一定の南北界磁を生成する。 電機子に供給される直流は、静止界から電気角90度の南北界を発生させます。

電機子がトルクを発生し、適切な北極または南極に向かって移動すると、ブラシは整流子上の位置を変え、静止界磁から電気的に90度離れた別のコイルセットに通電する。 ブラシ位置によって電流が一方向に流れ、モーターが作動すると別の方向に流れます。

ブラシは火花を抑えるため、電気的に “ニュートラル”（ステーターフィールドからの誘導電流がない状態）になるような位置にセットされます。 ほとんどのDCモーター接続では、電機子電圧を変化させることで、動作速度を変えることができます。 DCモーターに固有の一般的な危険性として、電機子電流が維持されたまま界磁電流が失われると、モーターが離陸し、電機子が自壊するまで回転数が上昇する可能性がある。

DCモーターの種類を判別するための基本的な巻線の種類は、以下の3つです。

• シリーズです。通常、高い始動トルクを必要とする用途に使用されます。 S1、S2と書かれた太い線で比較的巻数の少ない界磁巻線が、A1、A2と書かれたインターポールと電機子に直列に接続されたものです（図1参照）。 直列接続モーターは通常、牽引モーターとして使用され、基本抵抗が非常に低い。
• シャント。通常、定速性が要求されるアプリケーションで使用される。 単電圧はF1、F2、二重電圧はF1、F2、F3、F4、インターポールとアーマチュアはA1、A2と記されている（図2参照）。 分路接続モーターは通常、クレーンや工作機械のモーターとして使用され、基本抵抗が比較的高い。
• 複合的なもの。直列巻モータと分巻モータの両方の利点を併せ持つ。 動作速度の変化に対して基本的な耐性を持ちながら、比較的高いトルクを提供することができます。 接続は、直列接続と分流接続の両方を兼ねています（図3参照）。 複合型モーターは最も一般的なもので、産業用製造業でよく見られるものです。

このように、組み立て式のDCマシンでは、比較するコイルが少ないのです。 しかし、試験結果の信頼性が高い巻線試験の手順を開発することは可能である。

DCモータの電気的な不具合について

DCモータの電気的な不具合は数多くありますが、ここではその中でも特に多いものについて説明します。 これらは、温度、摩擦、カーボンやグラファイトのような内部汚染物の結果として、DCモーター設計特有の問題に起因する。

DCモーターにおける巻線故障の最も一般的な原因の一つは、ブラシに付着したカーボンやグラファイト（炭素）の粉塵による巻線の汚れである。 微粉末は固定巻と回転巻のすべてに浸透し、導体間または導体からアースへの経路を作ることになります。 圧縮空気でカーボンを吹き飛ばしたり、アーマチュアを掃除して焼いたりすると、カーボンが閉じ込められ、掃除やメンテナンスの仕方によって問題がさらに悪化することがよくある。 いずれの場合も、カーボンが整流子のすぐ後ろの隅にぎっしり詰まっていることがあります。 この場合、整流子接続部での地絡やターン短絡が発生します。

もう一つのよくある故障は、しばしば考慮されないが、直流機の冷却である。 これは、冷却通路が塞がれていたり、アーマチュアの回転が遅すぎて冷却が不十分であったり、フィルターの汚れ（冷却に関する最も一般的な故障）により発生することがあります。 温度は電気機器の大敵で、特に絶縁システムは温度が10℃上昇するごとに寿命が半分になる（経験則）。 絶縁が弱くなると信頼性が低下し、ターン間の巻線故障が発生するようになります。 絶縁システムの劣化に加え、ブラシの劣化も早いため、整流子の摩耗が進み、さらに巻線にカーボンが混入してしまいます。

また、熱に関係する故障としては、電機子が静止（非通電）状態で界磁が通電しているような練習から発生します。 これは、一般的な動作モードで、通常、清潔に保つ必要のあるフィルターを持つモーターに冷却を提供するために、別のブロワーを必要とします。 この種の故障は通常シャントコイルが短絡し、モータのトルク発生能力を低下させ、適切に保守されなければ電機子過速という危険な状態に至る可能性がある。

また、整流子は故障のきっかけになるとともに、モーターの動作や状態を示す指標にもなります。 正しく動作しているDCモーターは、整流子上にカーボンの細かい釉薬がかかっており、バーが均一な状態に見えます。 コミュテーターバーの焼け、グレージングの筋、重いカーボン、コミュテーターの過熱状態などは、対処すべき潜在的な問題を示しています。

アーマチュアテスト

DCアーマチュアは最も時間がかかるが、最もテストしやすい部品である。 基本的な方法として、「トレンド」「アセンブル」「ディスアセンブル」の3つを紹介する。 トレンディングの場合は、すべての測定値が使用されるが、組立・分解検査の場合は、バーからバーへのインピーダンス測定値が使用される。 インピーダンスを見るのは、電機子が交流部品であり、単純な抵抗測定では短絡や接地など一部の故障を見逃す可能性があるからです。 トレンドの確認は、この記事の後半でDCモーターの全体的なトレンドの確認手順を確認します。

組み立てたDCモータの電機子を試験する場合、モータのブラシを使ったバー・トゥ・バー試験と呼ばれる方法が最も適しています。 ブラシが2つあるDCモーターの場合、どのブラシも上げる必要はなく、ブラシが4組以上あるDCモーターの場合、互いに90度離れた2組以外は上げる必要があり、テスト回路から外れる。 ブラシの90％以上が整流子バーに接触していること、整流子バーがきれいであることを確認し、整流子上の接触が良好に保たれていることを確認してください。 もしきれいでない場合は、テスト前に承認された方法でアーマチュアを優しく磨いてください。 コミュテーターの磨耗がひどい場合は、分解してコミュテーターを「回転させ、アンダーカット」する必要がある。 整流子上の1本の棒の位置に印をつけ、1本の棒をブラシの前縁のすぐ下に持ってくる。 組み立て式のテストでは、少なくとも1本半の小節をブラシでカバーすることになると思います。 インピーダンステストを行い、測定値をマークし、ブラシの先端が次の整流子バーの上に来るようにアーマチュアを移動させる。 次のインピーダンスを測定し、各バーがテストされるまで続けます。 良い結果は一貫したパターンを示し、一貫性のないパターンは不良アーマチュアを識別します。

バー・トゥ・バーの分解試験は、アーマチュアがフレームから外れ、テスターがコミュテータに完全にアクセスできる以外は、組立試験と同様です。 この場合、テスターはアーマチュアフィクスチャーやテストリードを使ってバーからバーへ接続することになります。 各インピーダンス測定値の間隔は一定で、互いに約90～180度離れていることが望ましい。 最初のバーに印を付け、試験治具または試験リードの片方の足が整流子の周りを360度回るまで試験を続ける。 各バー・トゥ・バー・テストのインピーダンスをマークし、一貫したパターンがあることを確認する。

シリーズモーターテスト

シリーズ電気モーターは、比較するフィールドのセットがないため、トラブルシューティングが非常に困難です。 S1からS2、A1からA2まで測定し、経時変化や他の類似機と比較することができます。

測定値を経時的に変化させる場合、単純な抵抗の測定値は、通常²⁵℃を基準として温度補正する必要があります。インピーダンスとインダクタンスは通常、温度による変化は限定的ですが、位相角とI/Fの測定値は温度に関係なく一定に保たれます。 I/Fや位相角の変化は巻線の短絡を、インピーダンスやインダクタンスの変化は通常巻線の汚れを表します。

同種のモーターを比較する場合は、さらに情報が必要になります。 オペレーターは、モーターが同じメーカー、同じデザインであること、速度やパワーなどが同じであることを確認する必要があります。 モデル “モーターは、新品またはメーカー仕様のリビルト品でなければならない。 比較読み取りを行う場合、試験温度はモーター間で同様であるべきですが、I/Fと位相角の読み取り値は直接比較することができます。 これらの測定値は、I/Fで±2ポイント、位相角で±1度以上変化しないようにします。 シャントコイルよりは少ないが、直列界磁巻線をリビルトするときによくある間違いは、ワイヤサイズを間違って交換することである。

シャントモータテスト

二重電圧シャントモーターでは、2組の巻線を比較することができますが、単電圧モーターでは、直列モーターの巻線試験と同じ試験手順で、S1～S2ではなく、F1～F2を使って試験します。

デュアルボルテージでは、シャント巻線にF1～F2、F3～F4のラベルが貼られており、アナリストはこれら2組の巻線をテストして比較することができます。

経時変化による測定値のテストやトラブルシューティングを行う場合、単純抵抗の測定値は温度で補正する必要があり、通常は²⁵℃を基準に補正します。インピーダンスとインダクタンスは、回路の単純抵抗が高いため、直列巻きのモーターよりも変化します。 位相角とI/Fは、温度に関係なく1～2ポイント以内で一定に保たれます。 I/Fや位相角の変化は巻線の短絡を、インピーダンスやインダクタンスの変化は通常巻線の汚れを表します。 F1とF2、F3とF4の比較は、抵抗、インダクタンス、インピーダンスで3%以下、I/Fまたは位相角で1ポイント以上の差がないこと。

同じようなモーターは、直列巻モーターと同じようにテストし、比較することができます。 可能であれば、測定値の推移を見る際には、前回のテストと同じ温度でモーターをテストする必要があります。 例えば、稼働中の機器を停止してから数分以内、あるいは機器を起動する前に、同じような温度でテストを行うことが可能になるのです。

複合DCモーターテスト

複合モーターを使えば、その場でのテスト、トレンド分析、トラブルシューティングがより簡単になります。 単電圧複合モーターには通常、A1～A2、S1～S2、F1～F2と表示され、二重電圧複合モーターには通常、A1～A2、S1～S2、F1～F2、F3～F4と表示されます。 複合巻線モーターの重要な追加点は、通常、直列巻線が分巻線の上に巻かれており、これら2つの巻線の間に起こりうる故障を許容することです。

複合モータの傾向として、通常、DC駆動端子から試験を行う。 ALL-TESTを使用した標準的なMCAテストでは、機器の出力電子機器に害を与えない低電圧・高周波信号を使用するため、テスト中にドライブからリード線を取り外す必要が少なくなります。 ただし、直列巻と分巻の間の絶縁抵抗を確認する場合は、リード線をドライブから切り離す必要があります。 DCドライブから傾向をつかむ場合、A1からS2および2つのフィールドリードをテストし、S2とF1リード間で500ボルトの絶縁抵抗テストを行い、以前のテストまたは同様のモータと比較します。いずれの場合も、絶縁抵抗測定値は100メガオームを超えているはずです。

ALL-TESTは、過去と現在の測定値を即座に比較することで、巻線の検査を行うかどうかの判断を迅速に行うことができる装置です。 直列および分流モーターのテスト技術で述べたように、I/Fおよび位相角の測定値は、テスト間で1ポイント以上変化しないはずです、しかし、時間の経過とともに、直列およびフィールド巻線は互いに劇的に変化します。

複合モータのトラブルシューティングは、モータ単体で行う必要があります。 モーターのリード線をすべて外し、分離する。 直列巻と分流巻の説明書に従って直列巻と界磁巻をテストし、直列巻と分流巻の間の絶縁抵抗テストを行い、絶縁抵抗は100メガオームを超える必要があります。

MCA DCモーター試験ノート

どのようなタイプのDCモーターでも、MCAテストを使っていくつかの重要なポイントを確認することができます。

1. I/Fの値が-15～-50の範囲外、例えば-56のような場合は、巻線の故障を示します。
2. 同じ回路のリード線間の抵抗が無限大になる場合は、巻線が開いていることを示します。
3. 特に、インピーダンスやインダクタンスの測定値が変化した場合、温度で補正した場合、テスト間の単純抵抗の増加は、接続の緩みを示します。 単純抵抗が低下した場合、温度で補正すると短絡の可能性があり、通常、インピーダンス、インダクタンス、位相角、I/Fの変化を伴います。
4. モータのテストでは、I/Fと位相角は2ポイント以上変化しないようにし、それ以上の差がある場合は、完全な解析を行う必要があります。
5. アーマチュア回路を通してテストするときの変化は、バーからバーへのテストを促すべきである。

このような簡単な手順でMCA装置を使用することで、機器が動作中に故障するずっと前に、初期の故障を捉えることができるようになります。 予知保全プログラムの一環としてテストを実施する場合は、少なくとも表1に示す間隔とすること。

表1:DCモーター試験周波数

一般的なメンテナンステストは、経年変化の傾向がないものです。 通常、振動、ベアリングのグリスアップ、整流子の点検、ブラシの点検を伴う。 通常、予知保全テストでは、潜在的な故障を検出するために、時間の経過とともに測定値の傾向を調べ、その後、是正保全のためにモーターを取り外す最適な時期を決定する。 潜在的な故障が検出されたら、モーターを取り外す必要があると判断されるまで、検査頻度を増やす必要があります。 整流子には高いストレスがかかり、カーボンが混入するため、一般的なメンテナンステストまたは予知保全テストと合わせて、完全なアーマチュアテストを実施する必要があります。

結論

直流電動機の一般電気試験は、静的モータ回路解析の新しい技術により、より簡単になりました。 直列巻、分巻、電機子巻の巻線が故障して機器が動かなくなる前に、早期に巻線故障を検出することが初めて可能になりました。 予知保全テストはドライブから、トラブルシューティングテストはモーターから行うことができます。 一般的に、テストは比較的短時間で終了し、予知保全テストに必要な時間はモーター1台あたり5分未満、トラブルシューティングにはさらに時間が必要です。 全体として、MCAテストは、従来の導通テストの方法よりもDCモーターテストを劇的に向上させます。

著者について

ハワード・W・ペンローズ博士は、電気モーターおよび電気モーターの修理業界で15年以上の経験を積んでいます。 海軍の電動機修理工から始まり、中西部の大型電動機修理工場のチーフエンジニアとして、小型から大型まであらゆる種類の回転機器のフィールドサービスおよび評価を行う。 ペンローズ博士は、AC、DC、巻線ローター、シンクロナス、工作機械、特殊機器の巻き戻し、トレーニング、トラブルシューティングに直接携わってきた。 さらに、電気モーターや工業製品の信頼性、試験方法、エネルギー効率、メンテナンスが生産に与える影響について研究している。 ペンローズ博士は、IEEEシカゴ支部の元議長、IEEEシカゴのDielectrics and Electrical Insulation Societyの元議長、Electrical Manufacturing Coil and Winding Associationのプロフェッショナルメンバー、米国エネルギー省認定MotorMaster Professional、振動アナリスト、赤外線アナリスト、モーターサーキットアナリストである。