機械設計者にとってモータの「定格出力」とはなんぞや、という話

一言でいえば「モータの出しうる能力」なのだが、この「能力」には前提となる条件が幾つもあり、その前提条件次第で「小さな定格出力で、大きな出力の出るモータ」というのが、ユーザ設計でも十分に実現しうる。何なら定格出力を大幅に上回る使い方が当たり前の分野もある。

そもそも「定格」というのはモータに限らず、機械能力を表すための日本語であって、特定の使用条件の意味だと思ってよい。

例えば連続して使い続けるときに許される条件の出力が100kwなら「連続定格100kw」になるし、一時間だけ使い続ける時に許される電圧の条件が300Vなら「一時間定格300V」となる。

ただ、大抵の装置は機械で言うところの連続運転（数時間以上の継続運転）で使う想定なので、単に「定格」というと、少なくとも一般的な産業機械の分野だと「連続定格」のことを指すし、モータの能力を示す出力やトルク、回転数も、特に何も書いていなければ「連続定格」の値で書いてあると思って間違いではない。

https://dl.mitsubishielectric.co.jp/dl/fa/document/catalog/i_motor/l01062/l01062-a.pdf

一例として、上記につけた三菱電機のリラクタンスモータは、仕様表の欄を見ると「200-230V・50-60Hz、3000rpm…」とあるが、これはいずれも連続定格の前提である。三菱電機だと、仕様表の中に「運転定格：S1(連続)」と書いてくれているので助かる。従って、「連続して使う条件だと」「電圧は200Vで50Hzもしくは230Vで60Hzを超えるな、3000rpm以上で回すな…」という意味になる。

この「連続定格」が何で決まるのかというと色々あるのだが、非常に雑な説明だと、モータの冷却能力だと考えられる。というのはモータに電圧をかけ電流を流して仕事させると、内部の電気回路は熱を発する。電気回路に生じた熱はモータの外枠に伝わり、外の空気へと逃げていく。ところが伝熱係数によって、モータの外枠に伝わる熱量、そこから空気に逃げていく熱量は、時間あたりの限度がある。

伝熱係数は材質や形状で変わるが、いずれにしてもモータの発熱が多すぎると外枠や空気に熱を逃がすのが追い付かず、逃げ場を失った熱は電気回路をどんどん高温にして、やがて電気回路は溶ける。なので、発する熱と逃げる熱が等しくなる時の条件が「連続定格」だと、雑な説明ではこうなる。

だが、そんな連続で使うことはない、ちょっとの間だけ強い力を出して、あとは仕事しないで空気に冷やされているだけというモータも分野によっては多い。そういう分野で連続定格を前提にすると、大して仕事しない割に、一瞬の力を出させるために大変大きなモータを使わねばならないという不経済な事が起きる。

ここで、モータに頑張らせて電気回路が溶けるほど熱くなる前にモータを休ませる使い方なら、小さなモータでも大きな力を出せるということになる。それが「時間定格」という考え方になる。

https://s3-ap-northeast-1.amazonaws.com/japan.sumitomodrive.data/document_v2/M0102-1.0.pdf

ここにリンクを付けた住友重機械のカタログを見ると、B7～B8ページにグラフがある。連続運転トルクと短時間最大トルクがあるが、短時間最大トルクは連続運転トルクの150%とか200%になっている。そして、ページ下部に注記として「短時間最大トルク：短時間（1分以内）にモータが出力できる最大トルク値を示します。」と書かれている。

すなわち、1分以内であれば連続定格の1.5倍とか2倍の回転力が出せる。その分小さなモータでいいし、小さなモータなら設置場所の自由度も上がるし、価格も幾らか安くなる。機械設計で駆動計算などすると、ときどき「最大トルク15Nm、定格トルク12Nm、最大トルク/定格トルクの比率は1.25倍、使用可能」などという計算書が出てくるのだが、これは「このトルクを出すのは1分以下だから、(想定したモータでは)(連続)定格トルクの1.25倍が必要だが、(連続定格に比べて1分定格でのトルクは1.5倍まで許容されるので)使用可能」ということになる。

そして、小さなモータということは一般に、定格出力も小さいモータということが言える。同じ用等であればたいていのモータは同じ定格回転数で設計されているので、定格トルクが半分になれば、「トルクx回転数=出力」より定格出力も半分になる。従って、定格出力の小さいモータで定格出力以上の仕事ができる、ということになる。

https://www.e-mechatronics.com/product/servo/sgmx/motors/sgmxg/index.html

この短時間定格が1分だったり、15分だったり、鉄道なら一時間定格というのが多い。むろん傾向として短い時間であればあるほど、連続定格より大きい能力が出せる。安川電機のモータだと瞬時定格というのがあるが、この瞬時は確か2秒とかだったはずだ。つまり2秒定格である。定格の3倍近いトルクや電流を許容していることが分かる。

産業機械だと、起動0.5秒、停止0.2秒とかを要求する装置や機構もあるので、こういうところに使う意味が出てくる。

ただ、この短時間定格は単純に冷却だけで決まるわけではないので、時間を短くすればするほど能力が高くなるわけではない。頭打ちがある。例えば電圧は、絶縁性能が上限になる。先ほどの安川電機のモータだと仕様表に「絶縁耐圧：AC1500V 1分間」とあるが、これがメーカが保証する上限の電圧ということになる。30秒だけ使うから3000V流す、というのはメーカの保証外だし、恐らくは電気回路の絶縁が負ける。なので、幾ら短時間使用でも1500Vまでしか流せない。

また、定格回転数も少し状況が異なる。例えば通常のモータは電源電圧で使う電圧が決まるので、電源電圧を定格電圧として定める。ところがモータの電流、つまり(そのモータの構造から決まる)トルクは、モータの現時点での回転数と電圧から、雑に交流モータなら周波数からも決まるので、モータの回転状態や通電状態で大きく変動する。

従ってモータは定格電流というか定格トルクが先に決まる。定格トルクが決まると、その次にモータの定格電圧を流した時に定格トルクを発揮する回転数が構造上、決まる。それが定格回転数になる。「トルクx回転数=出力」なので、定格トルクと定格回転数で定格出力が決まる。

ところが、モータの出力が一定だとしても電流を下げる、つまりトルクを下げると、回転数は上がる。同じモータで出力が一定の使い方をしている中では、トルクと回転数は反比例になるし、出力を変えれば互いに無関係にも動かせる。

なので、定格出力の範囲内、電流≒トルクも定格の範囲内、でも回転数は定格を大幅超過、ということが当然に起こる。従って、回転数は「許容回転速度」とか「最大回転速度」で最高値が規制される。これはモータの機械的強度で決まる。