電磁モーター、世界で最もエネルギーを消費
エネルギー変換の問題
エネルギー変換は、人類が最初に2つの石を打ち合わせて火花を起こして以来、人々の間で一般的に行われてきました。火打ち石を使っていた時代、人間は運動エネルギーを使用して化学反応を引き起こし、最終的に熱エネルギーを生成していました。火打ち石や黄鉄鉱などの天然素材では、望ましい結果を得るには時間と練習が必要でした。その後、私たちは技術の革新、向上のための新しいツールを探し、開発してきました。新たな発見をするたびに、技術は私たちの日常生活のあり方を変えています。ほとんどの最新技術には共通点が1つあります。それは、機能を利用するためにはエネルギー (通常は電気) が必要であることです。このエネルギーの大部分は、発電所を通じて国の電力網に供給されています。発電所は、電磁発電機を使用することで、化石燃料、原子力、太陽光、風力、または水力エネルギー源のエネルギーを電気に変換しています。
私たちのエネルギー使用量
2020年、世界の電力消費量は25ペタワット時を超えました。 25ペタワット時とは、25に15個のゼロを連ねたものです。 中国と米国の2か国で、この電力のほぼ半分を消費していました。 中国は7.5ペタワット時以上、米国は4.0ペタワット時以上の電力を消費しました。
電力消費量は、自宅、オフィスビル、さまざまな製造施設に均等に分配されています (1/3、1/3、1/3)。 米国の一般的な家庭では、月に1.0メガワット時、年間で12.0メガワット時の電力を消費するとされています。 最新の国勢調査によると、米国には1億4,000万世帯があり、年間1.6ペタワット時の電力を使用しています。
電磁発電機の炭素コスト
電磁発電機のエネルギーの必要性は、特にCO2排出を引き起こす二次的な影響を生み出します。 「電気モーターおよび電気モーターが駆動するシステムは、単一エネルギーとしては最大の最終用途であり、世界の電力消費量の40%以上を占めています」と国際エネルギー機関の報告書に記載されています。 このレポートでは、2030年までにポリシーを変更しない限り、電磁モーターの使用により年間8,570メートルトンのCO2が生成されると予想しています。
小さな変化が大きな違いを生む
莫大な電力使用とそれに対応するCO2排出量を考えると、世界全体として、電気の使用を減らし、電力の浪費を減らすための行動を開始する必要があることは明らかです。 電気の使用を減らせる重要な方法の1つとして、テクノロジー利用が挙げられます。 例えば、LED電球は、旧式の電球と同じ明るさでありながら、従来の20%の電力しか使いません。つまり、電球あたり80%少ない電力しか必要としません。
私たちの目標が世界の電力消費を削減することであれば、モーターは非常に多くの機器やデバイスの一部であるため、電気モーターの効率が非常に重要になります。 モーターは、冷蔵庫、空調、ポンプ、コンプレッサー、ファン、そしてヘアドライヤーから除雪機、おもちゃの電車から通勤電車まで、さまざまなものに使われています。
すべての電気モーターの効率をわずか1%でも向上できれば、これは毎年0.10ペタワット時の節電に相当するため、米国の800万世帯以上に十分な電力を供給できることになります。
電磁界変化の要因
電気モーターの効率を向上させることの商業的利点に加えて、政府やコミュニティの規制や義務もより高い効率を求めています。 例えば、米国には、DOE、EPA、EnergyGuide、およびEnergy Starの規制があり、これらはすべて電気モーターの性能向上を推進しています。
モーターの電力消費量の大部分は、出力が0.75 kWから375 kWの中型モーターに起因しています。 これらの種類のモーターは、HVAC、ポンプ、エレベーター、コンベヤー、および産業用の運搬および加工で使用されています。 これらの電気モーターは、他のサイズの機械のモーターよりも多くの電力を消費します (全電磁モーターの合計の68%)。
電磁発電機が私たちを救う
電気モーター企業は、この地球規模の問題を解決する大きな可能性を秘めています。そのためには、シミュレーションを使用して設計の「ビルドとテスト」をする、または仮想的にプロトタイプを作成するための高度なソフトウェア・ツールが必要になります。 シミュレーションにより、エンジニアや研究者は、最小限の研究費と最小限の研究時間で、より効率的な設計を開発できます。
電気モーターは、電気エネルギーを機械エネルギーに変換するエネルギー変換デバイスです。 その後、機械エネルギーは、目的のタスクまたは作業を実行するために使用されます。 モーターに関与する物理学の主要な分野は、電磁気学 (EMAG) です。 しかし、可能な限り最高の効率で設計を開発するためには、設計者はマルチフィジックスの観点からモーターの挙動を見直す必要があります。
マルチフィジックス・ソリューションで最適化された電磁気設計
マルチフィジックス・アプローチにより、エンジニアは無数の潜在的な要件と制限を同時に考慮することができ、堅牢な試験と最適化プロセスを実行できます。 調査には、EMAGと熱シミュレーションの連成が含まれます。これにより、モーターが熱くなるにつれて、材料は局所的な温度分布を調整できます。あるいは、エンジニアが冷却を追加して熱を取り除き、モーターを安全な動作範囲に保つこともできます。 さらに、EMAGと機械シミュレーションの連成も考慮に入れることができます。このプロセスにより、設計者はコンポーネントの可能な形状変更を確認し、モーターの耐久性とダイナミクスを評価できます。 最後に、EMAGと音響シミュレーションの連成を検討することもできます。これにより、設計者は、電気エネルギーから機械エネルギーへの変換により、動作中にモーターが不快な音を出すかどうかを確認できます。 これらすべてのシミュレーションにより、設計者は物理的な試作品を実際に作製する前に、懸念点を確認し、望ましくない動作を軽減することができます。
これらのシミュレーションは、シーメンスデジタルインダストリーズソフトウェアが開発および提供する一連のソフトウェア・ツールで実行できます。これらのツールは、Simcenterと呼ばれるCAE製品の一部として利用できます。 各物理分野のシミュレーションは、スタンドアロンで利用することも、コンポーネントCAD、メッシュ、および物理結果をすべて設計者の指先でスムーズに交換できる相互運用性を備えた連成シミュレーションとして組み合わせることも可能です。
このブログが電気モーター・メーカーにインスピレーションを与え、新しいツールの見直しと採用に役立つことを願っています。それにより、モーターの効率を向上させるメーカーの新しい技術革新と開発につながります。 私たち全員が、使用する電力量と、その結果生じる二酸化炭素排出量の削減を目指すべきです。文明の未来はそれにかかっています。
