電気モーターは、私たちが生活し、働き、遊ぶ日常生活において重要な役割を果たします。簡単に言えば、彼らは動く、動くほとんどすべてのものを作ります。産業で消費される電力の約70％は、電気モーターシステムで使用されています。1

稼働中の産業用モーターの約75％は、ポンプ、ファン、コンプレッサーの稼働に使用されています。これらは、大幅な効率改善の影響を非常に受けやすい機械のカテゴリーです2。これらのアプリケーションは、必要がない場合でも、常に一定の速度で動作することがよくあります。この常時運転はエネルギーを浪費し、不要なCO2排出量を生み出しますが、モーターの速度を制御することで、消費電力を削減し、エネルギーを節約し、環境への影響を減らすことができます。

モーターの速度を制御する1つの方法は、可変速度ドライブ（VSD）を使用することです。これは、モーターに供給される周波数と電圧を変化させることによって電気モーターの回転速度を調整するデバイスです。ドライブは、モーターの速度を制御することにより、消費電力を削減し（たとえば、回転機器の速度を20％削減すると、入力電力要件を約50％削減できます3）、プロセス制御を大幅に改善し、寿命全体にわたって運用コストを大幅に節約できます。 VSDとして有用なmoAの多くは、多くのアプリケーションでエネルギーを節約するためのものであり、適切に接地されていないと、モーターの早期故障を引き起こす可能性があります。電気モーターの故障にはさまざまな原因がありますが、ドライブを使用する場合の最も一般的な問題は、コモンモード電圧によって引き起こされるベアリングの故障です。

コモンモード電圧による損傷

三相ACシステムでは、コモンモード電圧は、ドライブのパルス幅変調電力によって生成される3相間に存在する不均衡、または電源グランドと3相の中性点の間の電圧差として定義できます。相負荷。この変動するコモンモード電圧は、モーターのシャフトに静電的に電圧を誘導し、このシャフト電圧は、巻線またはベアリングを介して放電する可能性があります。最新のエンジニアリング設計、相絶縁、およびインバータの耐スパイクワイヤは、巻線の保護に役立ちます。ただし、ローターが電圧スパイクの蓄積を検出すると、電流はグランドへの抵抗が最小のパスを探します。電気モーターの場合、この経路はベアリングを直接通ります。

モーターベアリングは潤滑にグリースを使用しているため、グリース中のオイルは誘電体として機能する膜を形成します。これは、電気力を伝導せずに伝達できることを意味します。しかし、時間の経過とともに、この誘電体は故障します。グリースの絶縁特性がないと、シャフト電圧はベアリングを介して放電し、次にモーターのハウジングを介して放電し、電気的接地を実現します。この電流の動きにより、一般に放電加工（EDM）と呼ばれるベアリングのアークが発生します。この継続的なアーク発生が時間の経過とともに発生すると、ベアリングレースの表面領域がもろくなり、ベアリング内部で小さな金属片が破損する可能性があります。最終的に、損傷した材料はベアリングのボールとレースの間を行き来し、研削効果を引き起こします。これにより、フロスティングと呼ばれるミクロンサイズのピッチング、またはフルーティングと呼ばれるベアリングレースウェイのウォッシュボードのような隆起が生じる可能性があります。

一部のモーターは、損傷が徐々に悪化しても、目立った問題なしに動作し続けることができます。ベアリングの損傷の最初の兆候は、通常、ベアリングボールがピットやつや消しの領域を移動するために聞こえるノイズです。しかし、このノイズが発生するまでに、通常、損傷は十分に大きくなり、故障が差し迫っています。

予防に基づいている

産業用アプリケーションでは、通常、可変速モーターでこれらのベアリングの問題が発生することはありませんが、商業ビルや空港の手荷物処理などの一部の設備では、堅牢な接地が常に利用できるとは限りません。このような場合、この電流をベアリングからそらすために別の方法を使用する必要があります。最も一般的な解決策は、特にコモンモード電圧がより一般的である可能性があるアプリケーションで、モーターシャフトの一端にシャフト接地装置を追加することです。シャフトアースは、基本的に、モーターの回転子をモーターのフレームを介してアースに接続する手段です。取り付け前にモーターにシャフト接地装置を追加する（または1つが事前に取り付けられたモーターを購入する）ことは、ベアリングの交換に関連する保守コストの値札と比較すると、低価格である可能性があります。施設のダウンタイム。

カーボンブラシ、リングスタイルのファイバーブラシ、接地ベアリングアイソレータなど、今日の業界にはいくつかの一般的なタイプのシャフト接地装置があり、ベアリングを保護する他の方法も利用できます。

カーボンブラシは100年以上使用されており、DCモーター整流子で使用されているカーボンブラシに似ています。接地ブラシは、モーターの電気回路の回転部分と静止部分の間に電気接続を提供し、ローターからアースに電流を流して、ベアリングを介して放電するポイントまで電荷がローターに蓄積しないようにします。接地ブラシは、特に大型のフレームモーターの場合、接地への低インピーダンス経路を提供するための実用的で経済的な手段を提供します。ただし、欠点がないわけではありません。DCモーターと同様に、ブラシはシャフトとの機械的接触のために摩耗する可能性があり、ブラシホルダーの設計に関係なく、ブラシとシャフトが適切に接触していることを確認するためにアセンブリを定期的に検査する必要があります。

シャフト接地リングはカーボンブラシのように機能しますが、シャフトの周りのリングの内側に配置された導電性ファイバーの複数のストランドが含まれています。通常はモーターのエンドプレートに取り付けられているリングの外側は静止したままですが、ブラシはモーターシャフトの表面に乗って、電流をブラシに通して安全に接地します。シャフト接地リングはモーターの内部に取り付けることができるため、ウォッシュダウンデューティーおよびダーティデューティーモーターで使用できます。ただし、シャフトの接地方法は完璧ではありません。外部に取り付けられた接地リングは、剛毛に汚染物質を集める傾向があり、その効果が低下する可能性があります。

接地ベアリングアイソレータは、2つの技術を組み合わせています。2つの部分からなる非接触絶縁シールドで、ラビリンス設計を使用して汚染物質の侵入を防ぎ、金属製のローターと絶縁された導電性フィラメントリングでシャフト電流をベアリングからそらします。これらのデバイスは、潤滑剤の損失と汚染も防止するため、標準のベアリングシールや従来のベアリングアイソレータに取って代わります。

ベアリングを流れる電流の放電を防ぐ別の方法は、非導電性材料からベアリングを製造することです。セラミックベアリングでは、セラミックコーティングされたボールが、シャフト電流がベアリングを通ってモーターに流れるのを防ぐことにより、ベアリングを保護します。モーターのベアリングには電流が流れないため、電流による摩耗の可能性はほとんどありません。ただし、電流はアースへの経路を探します。つまり、接続された機器を通過します。セラミックベアリングはローターから電流を除去しないため、セラミックベアリングを備えたモーターには特定のダイレクトドライブアプリケーションのみが推奨されます。他の欠点は、このスタイルのモーターベアリングのコストと、ベアリングが通常サイズ6311までしか入手できないという事実です。

100馬力を超えるモーターでは、使用するシャフト接地のスタイルに関係なく、シャフト接地装置が取り付けられているモーターの反対側の端に絶縁ベアリングを取り付けることをお勧めします。

3つの可変速ドライブのインストールのヒント

可変速アプリケーションでコモンモード電圧を下げようとする場合のメンテナンスエンジニアの3つの考慮事項は次のとおりです。

1. モーター（およびモーターシステム）が適切に接地されていることを確認します。
2. 適切な搬送周波数バランスを決定します。これにより、ノイズレベルと電圧の不均衡が最小限に抑えられます。
3. シャフト接地装置が必要と思われる場合は、用途に最適なものを選択してください。

ベアリング電流が存在する場合、すべてのソリューションに適合する1つのサイズはありません。顧客とモーターおよびドライブのサプライヤーが協力して、特定のアプリケーションに最も適切なソリューションを特定することが重要です。