誘導電動機の巻線型とかご型の違いは？特徴や用途も！（構造：始動方法：メリット・デメリット：三相誘導電動機など）

誘導電動機の巻線型とかご型の違いは？特徴や用途も！（構造：始動方法：メリット・デメリット：三相誘導電動機など）

三相誘導電動機は、工場のポンプ、コンベヤ、送風機、工作機械などで幅広く使われる代表的な電動機です。

その回転子には巻線型とかご型があり、見た目の構造だけでなく、始動時の性質、速度制御の方法、導入コスト、保守の考え方まで変わります。

設備の用途に合わない形式を選ぶと、始動不良、電圧降下、余分な電力消費、メンテナンス負担につながることもあります。

ここでは両者の違いを整理し、選定時に押さえたいポイントを分かりやすく解説します。

巻線型とかご型の違い

それではまず誘導電動機の巻線型とかご型の違いについて解説していきます。

回転子構造の違い

誘導電動機は、固定されている固定子と、回転する回転子で構成されます。

固定子に三相交流を流すと回転磁界が発生し、その磁界によって回転子に電流が流れ、回転力であるトルクが生まれる仕組みです。

かご型誘導電動機の回転子は、鉄心の溝にアルミニウムや銅の導体を入れ、その両端を短絡環でつないだ構造です。

導体と短絡環の形が鳥かごに似ているため、かご型回転子と呼ばれます。

回転子側に外部配線を出さないため、構造は非常にシンプルです。

一方の巻線型誘導電動機は、回転子鉄心に三相巻線を施し、その端部をスリップリングへ接続します。

外部から抵抗器などを接続できる点が、かご型との大きな違いです。

かご型は短絡された導体を使う簡潔な構造であり、巻線型は回転子回路を外部へ取り出せる構造と理解すると、両者の性格をつかみやすくなります。

現在は技術の進歩により、一般的な産業設備ではかご型が主流です。

ただし、重い負荷を止まった状態から動かす設備では、巻線型が持つ始動特性が有効になる場面があります。

比較項目	巻線型誘導電動機	かご型誘導電動機
回転子	三相巻線とスリップリング	導体棒と短絡環
外部抵抗の接続	可能	基本的に不可
構造の複雑さ	比較的複雑	比較的簡単
保守の負担	ブラシやリングの点検が必要	少ない
始動トルク	大きく調整しやすい	形式によって異なる
主な用途	大始動トルクを要する重負荷設備	ポンプ、ファン、一般機械

回転原理とすべりの関係

三相誘導電動機の回転速度は、電源周波数と極数で決まる同期速度より少し低くなります。

この速度差をすべりと呼びます。

回転子が同期速度とまったく同じ速度で回ると、固定子の回転磁界との相対速度がなくなり、回転子に誘導電流が生じません。

電流が流れなければトルクも発生しないため、誘導電動機には一定のすべりが必要です。

同期速度は次の考え方で求められます。

かご型でも巻線型でも、基本となる誘導作用とすべりの考え方は共通です。

違うのは、巻線型では回転子抵抗を外部抵抗器によって変えられるため、始動時や低速時のトルク特性を調整しやすい点です。

すべりを利用してトルクを得ることが、三相誘導電動機に共通する基本原理です。

三相誘導電動機としての位置付け

三相誘導電動機は、三相交流電源を利用する交流電動機です。

ブラシ付き直流電動機と比べると、整流子が不要で堅牢に作りやすく、産業用途で高い信頼性を発揮します。

特にかご型は、回転子にブラシやスリップリングを持たないため、粉じんのある場所や連続運転が求められる設備とも相性が良好です。

巻線型も三相誘導電動機の一種ですが、回転子側の回路へ介入できるという特徴から、始動制御を重視する設備で採用されてきました。

近年はインバータと高性能なかご型電動機の組み合わせが普及し、巻線型を置き換える事例も増えています。

それでも、既設設備の更新、非常に大きな慣性負荷、特殊な始動条件では、巻線型の特徴を理解しておく価値があります。

始動方法と始動特性

続いては始動方法と始動特性を確認していきます。

かご型に用いる始動方式

かご型誘導電動機は、電源へ直接接続して始動する全電圧始動が基本です。

始動装置が簡単で、比較的小容量のポンプやファンでは扱いやすい方式といえます。

ただし、停止中の回転子はすべりが大きいため、始動時には定格電流を大幅に上回る突入電流が流れます。

電源容量が小さい現場で大容量機を全電圧始動すると、電圧降下によって照明のちらつきや他設備の誤動作を招く可能性があります。

このため、スターデルタ始動、リアクトル始動、始動補償器始動、ソフトスタータ始動などが用いられます。

インバータ始動では周波数と電圧を徐々に上げられるので、始動電流を抑えながら滑らかに加速させやすくなります。

始動電流を抑える必要がある場合は、電動機の形式だけでなく始動器やインバータの選定も重要です。

始動方式	特徴	向きやすい場面
全電圧始動	回路が簡単で始動トルクを確保しやすい	小容量機、電源に余裕がある設備
スターデルタ始動	始動時の電流を抑えられる	始動負荷が軽い送風機やポンプ
リアクトル始動	始動電流を低減できる	中容量以上の一般設備
ソフトスタータ	電圧を制御して衝撃を抑える	ベルトや配管への負担を減らしたい設備
インバータ始動	速度制御も可能	省エネ運転、加減速制御が必要な設備

巻線型における二次抵抗始動

巻線型誘導電動機では、回転子巻線に外部抵抗を接続する二次抵抗始動を行えます。

始動時に適切な抵抗を回転子回路へ入れると、始動電流を抑えながら大きな始動トルクを得やすくなります。

電動機が回転を始めて回転数が上がるにつれ、外部抵抗を段階的に切り離します。

最終的には回転子回路をほぼ短絡状態として、通常運転へ移る流れです。

クレーン、巻上機、破砕機、ミル、ベルトコンベヤのように、停止状態から大きな力が求められる負荷では、この特性が役立ちます。

たとえば、搬送物が載ったコンベヤをいきなり立ち上げる場合、負荷は軽い空運転より大幅に大きくなります。

始動トルクが不足すれば回転子が加速できず、電流だけが流れて保護装置が動作するおそれがあります。

始動トルクと負荷特性の見方

始動方法を考える際は、電動機の始動トルクだけでなく、機械側が必要とする負荷トルクを確認します。

ファンや遠心ポンプは回転数が低いと必要トルクも小さく、比較的始動しやすい負荷です。

一方で、コンベヤ、圧縮機、押出機、攪拌機などは、低速時から大きなトルクが必要になる場合があります。

回転体が大きいフライホイールや大型送風機では、加速に必要な時間も重要な検討項目です。

始動できるかどうかは、電動機のトルク曲線が負荷トルク曲線を上回るかで判断します。

始動中に余裕が小さいと、周囲温度や電源電圧の低下、機械の摩擦増加によって不具合が起こりやすくなります。

設備更新では既設機の容量だけを引き継ぐのではなく、実際の始動時間、負荷状態、始動頻度を調査することが大切です。

性能上のメリットとデメリット

続いては巻線型とかご型のメリットとデメリットを確認していきます。

かご型のメリット

かご型誘導電動機の最大の利点は、構造が簡単で堅牢なことです。

回転子回路にブラシやスリップリングがないため、摩耗部品が少なく、日常的な保守を抑えやすくなります。

初期費用も巻線型と比べて低くなる傾向があります。

標準品の種類が豊富で、容量、極数、取付寸法、防水性能、効率クラスなどを選びやすいことも強みです。

高効率仕様やインバータ対応品も普及しており、省エネ改修を進める際の選択肢が多くあります。

一般的な連続運転設備では、保守性と経済性に優れるかご型が第一候補になりやすいでしょう。

密閉構造を選べば、粉じん、水滴、油分がある環境にも対応しやすくなります。

かご型のデメリット

かご型は回転子回路を外部から調整できないため、始動トルクを大きく変えたい用途には制約があります。

標準的な全電圧始動では突入電流が大きく、受電設備への影響を考慮する必要があります。

始動電流を抑える方式では、同時に始動トルクも低下することがあるため、重負荷始動には注意が必要です。

また、商用電源で直接運転する場合、回転数は周波数と極数にほぼ制約されます。

速度を柔軟に変えたいなら、インバータを追加する構成が一般的です。

インバータ化では、電動機の絶縁性能、低速時の冷却、軸受電食、ノイズ対策も確認します。

単に回転数を下げるだけでは、負荷に必要な冷却やトルクを満たせない場合があります。

巻線型のメリットとデメリット

巻線型のメリットは、外部抵抗を使って始動トルクを高め、始動電流とのバランスを調整できることです。

重い荷を抱えた状態で起動する装置や、頻繁に大きな始動トルクを必要とする装置では有力な選択肢になります。

抵抗制御により、一定の範囲では速度特性を変えることも可能です。

ただし、スリップリングとブラシを備えるため、点検、清掃、摩耗管理が必要です。

ブラシ粉による汚れ、接触不良、火花、湿気による絶縁低下などにも配慮しなければなりません。

初期費用と保守費用はかご型より高くなりやすく、抵抗器で消費される電力も無視できません。

巻線型は始動性能に強みがある一方、設備の複雑さと保守負担を受け入れる必要がある形式です。

用途別の選定ポイント

続いては用途別の選定ポイントを確認していきます。

ポンプと送風機に適する形式

遠心ポンプやファン、ブロワでは、かご型誘導電動機が多く採用されます。

これらの負荷は一般に始動時の必要トルクが比較的小さく、標準的なかご型で対応しやすいためです。

流量や風量を調整する設備では、ダンパやバルブで絞るより、インバータで回転数を下げるほうが省エネにつながるケースがあります。

特に運転時間が長い設備では、電動機本体の価格よりも電力費の差が大きくなることがあります。

屋外や湿気の多い場所では、防水、防じん、腐食対策、結露対策も欠かせません。

吸込側の詰まりや軸受の異常は電動機の負荷変動にも表れるため、電流値や振動を監視する運用も有効です。

コンベヤと巻上機に適する形式

コンベヤは、空荷で始動するのか、積載状態で始動するのかによって必要な始動トルクが変わります。

傾斜コンベヤや長距離コンベヤでは、逆転防止や滑らかな加速も検討項目になります。

従来は巻線型が選ばれる代表的な分野でしたが、現在はベクトル制御対応のインバータとかご型電動機を組み合わせる方式も一般的です。

巻上機やクレーンでは、始動時だけでなく停止時の安全性、ブレーキ制御、荷の落下防止、繰り返し運転への耐久性を確認します。

既設の巻線型を更新する場合は、電動機だけでなく抵抗器、制御盤、ブレーキ、保護継電器との整合も必要です。

重負荷設備では始動トルクに加え、加速時間と停止時の安全制御まで評価することが大切です。

工作機械と生産設備に適する形式

工作機械、食品機械、包装機械、攪拌機などでは、運転速度の切替や位置制御との連携が求められることがあります。

このような用途では、インバータ駆動のかご型誘導電動機が使われることが多くあります。

速度指令に応じて回転数を変えられるため、生産条件の変更や省エネ運転に対応しやすいからです。

ただし、精密な位置決めや急加減速が必要な設備では、サーボモータや同期モータのほうが適する場合もあります。

誘導電動機を選ぶ際は、必要な速度範囲、定トルク領域、定出力領域、負荷慣性、減速機の有無を整理します。

始動回数が多い場合は、発熱に対する余裕と、インバータの過負荷耐量も重要です。

設備例	選ばれやすい形式	重視する条件
遠心ポンプ	かご型	効率、防水性、インバータ省エネ
送風機	かご型	始動電流、風量制御、連続運転
ベルトコンベヤ	かご型または巻線型	積載始動、加速時間、逆転防止
クレーン	巻線型またはインバータ駆動かご型	大始動トルク、制動、安全性
攪拌機	かご型または巻線型	液体粘度、羽根の抵抗、始動負荷
破砕機	巻線型または専用始動方式のかご型	高始動トルク、過負荷耐性

保守点検と故障予防

続いては保守点検と故障予防を確認していきます。

かご型で確認したい項目

かご型誘導電動機は保守が少ない形式ですが、点検が不要という意味ではありません。

軸受の潤滑状態、異音、振動、温度上昇、端子箱の緩み、絶縁抵抗を定期的に確認します。

冷却ファンや通風経路に粉じんがたまると、放熱性能が低下して巻線温度が上がります。

周囲温度が高い場所では、定格出力どおりに使えるかも確認が必要です。

インバータ駆動の場合は、低速運転時の自己冷却不足に注意します。

必要に応じて外部送風を設ける、インバータ対応電動機を選ぶ、温度センサを利用するといった対策が考えられます。

電流、振動、温度の変化を継続して見ることで、故障の前兆をつかみやすくなります。

巻線型で追加となる点検

巻線型では、かご型に必要な点検に加えて、スリップリングとブラシの管理が重要になります。

ブラシの摩耗量、押さえばねの圧力、リング表面の荒れ、ブラシ粉の堆積を確認します。

接触が不安定になると発熱や火花が生じ、リングを傷める原因になります。

絶縁抵抗の低下は、湿気、汚損、粉じん、経年劣化によって起こることがあります。

停止期間が長い設備では、再始動前に絶縁状態を確認し、必要なら乾燥処置を行うことが望ましいでしょう。

外部抵抗器と切替接点についても、焼損、緩み、接触不良、抵抗値の変化を点検対象に含めます。

異常時に見るべき兆候

電動機の異常は、突然停止する前にいくつかの兆候として現れる場合があります。

始動時間が以前より長くなった、運転電流が増えた、うなり音が大きい、振動が増えたといった変化は見逃せません。

ベルトの張り過ぎ、ポンプの羽根車への異物混入、軸芯ずれ、軸受損傷など、原因が機械側にあることも多くあります。

電動機を交換する前に、負荷機械と電源の状態を確認することが重要です。

選定時の比較基準

続いては選定時の比較基準を確認していきます。

負荷条件と電源条件

形式選定の出発点は、負荷条件を正確に把握することです。

必要な出力だけでなく、始動時に必要なトルク、負荷慣性、始動回数、連続運転時間、速度制御の必要性を整理します。

電源側では、受電容量、許容できる始動電流、他設備への影響、非常用電源の有無を確認します。

電源電圧が低下しやすい環境では、始動トルクが不足しやすいため注意が必要です。

三相交流の電圧不平衡も、電動機の発熱や寿命に影響する可能性があります。

定格出力が同じでも、負荷特性と電源条件が異なれば最適な始動方式は変わります。

初期費用と運用費用

初期費用だけを見ると、一般にはかご型誘導電動機が有利です。

標準化された製品が多く、始動回路も比較的簡素に構成できるためです。

ただし、始動条件を満たすために大型の受電設備や始動装置が必要になる場合は、システム全体での比較が欠かせません。

巻線型は本体、抵抗器、保守部品などの費用がかかりやすい一方、重負荷始動で得られる安定性に価値があります。

また、インバータを導入する場合は、導入費だけでなく省エネ効果、保全性、生産性向上、停止損失の削減も評価対象です。

長時間運転するポンプやファンでは、効率改善による電力費削減が設備投資を上回ることもあります。

更新計画と将来性

既設の巻線型誘導電動機を更新する際は、同容量のかご型へ単純に置き換えるだけでは不十分です。

既存の負荷が必要とする始動トルクを確認し、インバータ、ソフトスタータ、減速機の見直しを含めて検討します。

制御盤の更新時期や予備品の入手性、保守担当者の技術、停止可能な工事期間も重要な条件です。

設備のデータ収集を進めたい場合は、電流計、温度センサ、振動監視を組み込むことで、予防保全につなげやすくなります。

将来の生産量増加や速度変更の可能性まで見据えると、制御の拡張性を持つかご型とインバータの構成が有力になる場面も多いでしょう。

巻線型とかご型の違いのまとめ

巻線型誘導電動機とかご型誘導電動機は、どちらも三相交流を利用して回転力を得る電動機ですが、回転子の構造と始動特性に大きな違いがあります。

かご型は構造が簡単で堅牢、保守性と経済性に優れるため、ポンプ、ファン、一般的な生産設備で広く使われます。

巻線型は外部抵抗によって回転子回路を調整でき、大きな始動トルクが必要な重負荷設備で力を発揮する形式です。

その一方で、スリップリングやブラシの点検が必要となり、導入後の保守負担も考慮しなければなりません。

近年はインバータ技術の普及により、かご型誘導電動機でも始動電流の抑制や速度制御を行いやすくなっています。

選定時には出力だけで決めず、始動トルク、負荷慣性、始動回数、電源容量、制御性、保守体制を整理することが重要です。

用途に応じた形式と始動方法を選ぶことで、安定運転、故障予防、省エネ、長寿命化につながるでしょう。