ポンプの軸動力・効率・モータ出力｜電流計から何が分かるか、密度が変わると過負荷になる理由

※本記事の参考文献には、Amazonアソシエイトのリンク（アフィリエイト広告）を含みます。

ポンプのモータの電流計は、運転員がいちばん頻繁に見る計器の1つです。電流が上がった、下がった、2台で値が違う——そのとき電流計は何を教えてくれているのでしょうか。

答えを先に言えば、電流を動かしているのは「密度 × 流量 × 揚程 ÷ 効率」で決まる軸動力です。この4つのどれが変わっても電流は動きます。この記事では、水動力から軸動力、モータ出力までの積み上げを数値で追い、電流の変化を「4つのうちどれか」に翻訳できるようにします。

1. 水動力｜液に渡ったエネルギー

ポンプが1秒間に液に渡すエネルギー、つまり液側から見た「仕事の速さ」が水動力です。

P_w ［W］ ＝ ρ g Q H　（ρ：密度 kg/m³、Q：流量 m³/s、H：全揚程 m）

現場単位に直すと、水（ρ＝1000）で流量 Q［m³/h］、揚程 H［m］のとき、おおよそ P_w［kW］ ≒ Q × H ÷ 367 です。60 m³/h を 50 m 上げるなら、60×50/367 ＝ 8.2 kW。

水動力は密度・流量・揚程の3つの掛け算で、ポンプの種類は入っていません。ポンプによる違いは、その水動力を出すのに軸へどれだけ動力を入れるか、つまり効率に出ます。

2. 軸動力と効率｜ポンプの中で失われる分

軸動力 P はモータがポンプの軸に与える動力で、水動力を効率で割ったものです。

P ＝ P_w ÷ η

η はポンプ効率で、ポンプの中の損失をすべて含んだ総合効率です。損失は水力損失・漏れ損失・円板摩擦損失・機械損失の4つで、中身は5章で説明します。上の例で η ＝ 0.68 なら、軸動力は 8.2/0.68 ＝ 12.0 kW。液に渡ったのは8.2 kWで、残り3.8 kWはポンプの中で熱になります。

モータ側にも損失があります。モータ効率 0.91 とすると、モータへの入力は 12.0/0.91 ＝ 13.2 kW。入力を100%とすると、モータで9%、ポンプで29%が失われ、液に届くのは62%——電気の6割しか液に渡っていない計算です。このモータ入力の棒グラフが、電流計が見ているものです。

3. 原動機出力と余裕率｜電流計の100%はどう決まっているか

モータの定格出力は、軸動力に余裕率を掛けて決めます。

P_m ＝ f_s × f_t × P

• f_s：原動機余裕率。小形ほど大きい。目安は 19 kW 以下で 1.25、19 kW 超え 50 kW 以下で 1.15、75 kW 以上で 1.10（API 610 第6版の値。50〜75 kW は原表に記載なし）
• f_t：伝達効率。直結 1.00、Vベルト 0.93〜0.95、歯車 0.97 程度

上の例なら 12.0×1.25 ＝ 15.0 kW → 15 kW か、一つ上の標準出力のモータが付きます。電流計の定格（100%）は、この「余裕を含んだモータ出力」に対応しています。 ただし、電流は負荷に比例しません。モータには負荷がなくても流れる無負荷電流があり、小形ほど全負荷電流に対するその割合が大きいので、軽い負荷では電流の%が出力の%より大きく出ます。定格電流の90%以上なら電流の比で出力をほぼ見積もれますが、それより下では外れます。正常時の電流は試運転時の値を基準として記録し、そこからの変化で見ます。

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4. 電流が上がった｜4つのどれが変わったか

水動力の式に戻ると、電流（軸動力）を動かすのは密度・流量・揚程・効率の4つです。遠心ポンプで電流が上がったときの候補を並べます。

逆に電流が下がったときは、流量が減った（弁が閉まった、詰まった、吸込側の不足、空気を吸った）か、液が軽くなった、を疑います。電流計は単独では読まず、流量計と吐出圧力計と一緒に読む。 吐出圧力の記事で書いたのと同じ作法です。

軸流ポンプは逆で、流量が減るほど軸動力が増えます。形式によって「電流が上がる方向」が逆になるので、自分のポンプの軸動力曲線がどちら向きかは、性能曲線で一度確かめておいてください。

5. 効率は何で決まるか｜小さいポンプほど低いのは普通

「このポンプは効率が60%しかない、悪いポンプだ」という評価は、たいてい的外れです。ポンプの効率は、流量と揚程の組み合わせ（比速度）でおおむね決まっています。

• 損失のうち、漏れ損失と円板摩擦損失は比速度が小さいほど（小流量・高揚程ほど）大きい。水力損失と機械損失はほぼ一定
• だから小流量・高揚程のポンプほど効率が低い。JIS（小形渦巻・小形多段・両吸込渦巻ポンプ）が最高効率の下限として決めている値も、吐出し量0.1 m³/minで37%、1 m³/minで65.5%、10 m³/minで76%と、流量が小さいほど低い
• 同じ流量でも比速度で効率は変わる。比速度100前後の高揚程ポンプと、300〜400のポンプでは10ポイント違うことがある

効率の評価は「このポンプの比速度ならどのくらいが相場か」と比べて初めて意味を持ちます。また、カタログの効率は最高効率点の値です。実際の運転点がBEPから外れていれば、効率はそれより低く、軸動力はその分大きくなります。見積りの段階で軸動力を計算するときは、最高効率を2〜3%割り引いて使うのが実務の作法です。

6. 電流から軸動力を逆算する

三相モータの電流 I［A］、電圧 V［V］、力率 cosφ、モータ効率 η_m から、軸動力は

P ≒ √3 × V × I × cosφ × η_m ÷ 1000　［kW］

で概算できます。力率とモータ効率は銘板か試験成績書の値を使います。負荷が軽いと力率も効率も下がるので、その電流のときの力率・効率（試験成績書の負荷特性）を使います。電流の比をそのまま軸動力の比にしないのが要点で、比で見積もってよいのは定格電流の90%以上のときだけです。

こうして出した軸動力を性能曲線の軸動力曲線と比べれば、今の流量でその軸動力が妥当か、それとも「こすれている分」が乗っているかが見えます。流量計・圧力計2つ・電流計の4つを一緒に読めば、ポンプの状態はかなり診断できます（「ポンプの性能曲線の読み方」「全揚程と吐出し圧力の違い」）。

まとめ

• 現場単位では P_w［kW］ ≒ Q［m³/h］×H［m］÷367（水）
• 電流は負荷に比例しない。電流計は流量計・吐出し圧力計と一緒に読み、試運転時の値と比べる
• 軸動力の見積りは最高効率を2〜3%割り引いて使う

本文の数値例（60 m³/h・50 m・効率0.68・モータ効率0.91）は参考文献の式を使って筆者が計算したものです。余裕率・伝達効率の値は化学装置便覧に引用された旧API 610の目安で、現行規格や各社の基準とは異なることがあります。

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計算と選定の結果は構想段階の概算で、保証計算ではありません。必要NPSHの概算や比速度からの羽根車の形は目安です。3Dは代表構造の教育用モデルで、特定の機種の寸法・形状とは一致しません。実機の選定・発注・安全判断は、メーカーの性能曲線と仕様書、適用規格で確認してください。

参考文献

• 高橋徹『流体のエネルギーと流体機械』理工学社, 2章「ポンプ」4. ポンプ動力と効率（水動力・軸動力・JISによるポンプ効率） 　Amazonで見る
• 化学工学協会編『化学装置便覧 改訂二版』丸善, 第18章 18・1・2 ポンプの型式選定（原動機出力、余裕率 表18・3、伝達効率 表18・4、図18・1 吐出し量とポンプ効率）
• 外山幸雄『絵とき「ポンプ」基礎のきそ』日刊工業新聞社, 1-10「ポンプの効率」（予想効率、効率を決める要因、ポンプ効率とモータ入力との関係） 　Amazonで見る
• 高圧ガス保安協会『高圧ガス保安技術』学識編 11.5「圧縮機とポンプ」動力（式11.36）、運転中のトラブル「原動機の過負荷」
• 尾形俊輔 編著『ファン・ブロワ 改訂版』省エネルギーセンター（電流値から電動機出力を求める方法）
• 大浜庄司『完全図解 自家用電気設備の実務と保守早わかり』オーム社（誘導電動機の特性：無負荷電流と全負荷電流）
• 松村正夫『入門 新ポンプ技術』丸善, 第2章「ポンプ性能」 　Amazonで見る

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