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 IPMモータ | 165 - IPMモータの効率マップ作成 | Module: DP,LS,RT | 2012-03-01 | IPMモータは、磁力の強い希土類焼結系永久磁石を用い、磁石の磁界と回転磁界によるマグネットトルクに加えて、d軸とq軸のインダクタンスの差に起因するリラクタンストルクを利用できるため、運転範囲が広くかつ高効率なモータです。
効率は回転数や負荷に応じて変化するため、モータ設計や制御設計する上では効率マップを描くことが有益です。ただし、一般的に効率マップを描くには膨大な計算が必要となり、結果の整理にも時間を要します。一方、モータの電圧方程式、トルク式からトルク、電圧、電流を計算し効率を推定することもできますが、この方法では鉄損の見積もりが難しいこと、モータの鉄心の非線形磁化特性の影響を考慮することが難しく、正確に効率を算出することが困難という問題があります。これに対し、対象のJMAG-RTモデルを作成し、JMAG-RT Viewerの効率マップ算出機能を用いることで、鉄損や非線形磁化特性の影響を考慮して容易に効率マップを得ることが出来ます。
ここでは、JMAG-RT Viewerを使用しIPMモータの効率マップを作成しています。
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 | 157 - ギャップ磁束境界を用いたIPMモータの永久磁石渦電流解析 | Module: DP,FQ | 2012-03-01 | 永久磁石式モータに高出力密度化を実現するため、エネルギー積の高い希土類磁石が用いられることが増えてきています。ネオジ系希土類磁石は鉄を多く含有しているために電気伝導率が高く、変動磁場が加わると、渦電流によるジュール損失を生じます。近年の高回転化、IPM構造の採用や弱め界磁制御の普及により、磁石に加わる変動磁場の周波数や変動幅も増加し、それに伴うジュール損失も増加しています。磁石の渦電流を抑える対策としては、積層コアの考え方と同様に磁石を分割することで、見かけの電気伝導率を高めて渦電流を減らす手法がとられています。磁石に生じる渦電流は固定子の電機子反作用が発端となり、ステータコアのスロット形状やロータの形状、コア材料の非線形磁化特性、コイルに通電される電流波形により決まります。
このような磁石渦電流を事前に把握するためには、これら形状や材料特性などを精密に考慮する必要があるので、これらが可能である有限要素法による磁界解析シミュレーションが有効となります。
ここでは、磁石の分割数による磁石中の渦電流損失の変化を、ギャップ磁束境界条件を用いて求めています。これにより、通常の過渡応答解析よりも効率的に短時間で結果を得ることができます。
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| 156 - IPMモータにおけるトルク成分の分離解析 | Module: DP | 2012-03-01 | IPMモータは高効率と広い運転範囲を実現できる構造のため、高性能モータに良く用いられます。高効率を実現できる要因は、制御によりマグネットトルクとリラクタンストルクを使い分けることにあり、IPMモータを設計するに当たり、運転状態での両者の配分を知ることは重要な情報となります。トルク特性は、モータの詳細な形状や磁石の形状のほか材料の非線形磁化特性も考慮する必要があり、更にそのトルクを二成分に分離するのは、手計算では難しいといえます。
モータ設計時点で各々の寄与度を調べながら、設計を進めるためには、有限要素法を用いた電磁界解析で検討する必要があります。
ここでは、トルク成分の分離を行い、各起磁力がつくる磁速密度分布などを確認します。
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| 142 - 分割コアの圧入解析 | Module: DP,DS,LS | 2012-03-01 | エアコンの圧縮機などで利用されるモータは、小型化、高出力化が要求されます。これを実現するための生産技術として、分割コアによる高占積率化があります。分割されたステータコアをフレームに圧入する場合、コアに電磁鋼板を使用しているモータは、圧入接合により発生した応力が鉄損を増加させることが知られています。
鉄損は磁束密度および応力の影響を受けます。具体的には、磁束密度が大きく、その周波数が高い箇所、または応力が高い箇所で大きくなります。加えて、圧入接合によって生じる応力は分布を持ち、特にコア接合部分、バックヨーク部分で大きくなります。つまり、鉄損を精度良く評価するためには、磁束密度分布、時刻変化および応力分布を正確に求める必要があります。
ここでは、コアとフレームの締結による応力解析を圧入条件でモデル化し、応力を考慮した場合としない場合のIPMモータの無負荷時の鉄損密度を求めています。
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| 131 - モータの浮遊容量解析 | Module: EL | 2012-03-01 | PWMインバータで駆動するモータは、家電などで広く使用されています。PWMインバータを用いて駆動する場合、コモンモード電流が流れ、モータのベアリングに軸電圧が発生することが知られています。この軸電圧によってベアリングに電蝕が生じ、モータの信頼性や寿命が低下する恐れがあります。
コモンモード電流は浮遊容量がモータの各部に寄生していることにより発生するため、解析により事前にモータ各部の浮遊容量を把握することは有益です。
ここでは、IPMモータのコイルとステータコア間、ロータコアとステータコア間、およびベアリングの内輪と外輪間の浮遊容量を求めています。
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| 122 - IPMモータのインダクタンス解析 〜モータインダクタンスツールで得られるインダクタンスと実測で得られるインダクタンスの比較〜 | Module: DP | 2011-02-28 | IPMモータでは、ロータの突極性を検討するために、d軸、q軸におけるインダクタンス特性を把握することが重要です。
JMAGでは、PMモータインダクタンスツールにより、電流位相を考慮したdq軸インダクタンスを求めることができますが、このインダクタンスは実測が困難なものとなります。
ただし、鎖交磁束から求めた相コイルのインダクタンスを三相二軸変換することで実測が可能な電流位相0(deg)におけるdq軸インダクタンスを算出することができます。
ここでは、相コイルのインダクタンスを二軸変換し、dq軸インダクタンスを求めた事例を紹介します。
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| 91 - 圧入応力を考慮したIPMモータの鉄損解析 | Module: DP,DS,LS | 2012-03-01 | マグネットトルクに加えてリラクタンストルクが利用できることから、IPMモータに対する要求として、モータドライブと組み合わせた広い速度範囲における高効率化があります。特に高回転域においては損失に占める鉄損の割合が大きくなるため、これを如何に小さくするかが設計のポイントになります。一般に、IPMモータのコアは積層構造を有し、これを維持するための手法として圧入や焼き嵌めがあります。コアに電磁鋼板を使用しているモータの場合、圧入接合により発生した応力が鉄損を増加させることが知られており、鉄損評価時に応力の影響を考慮することが重要です。
鉄損は鋼板に変動する磁場がかかることで生じます。また、鉄損の大きさは鋼板の鉄損特性に依存します。鋼板の鉄損特性は圧入結合などで応力がかかることで劣化します。圧入結合によって生じる応力は分布を持ち、特にバックヨーク部分で大きくなります。つまり、鉄損を精度良く評価するためには、磁束密度分布、時刻変化および鋼板にかかる応力分布を正確に求める必要があります。
ここでは、コアとフレームの圧入接合を圧入条件でモデル化し、そのときに発生する応力を考慮した場合としない場合のIPMモータの鉄損密度を求める事例をご説明します。
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| 90 - PWMを考慮したIPMモータの鉄損解析 | Module: DP,LS | 2012-03-01 | 埋込磁石型永久磁石同期モータ(以下IPMモータ)の制御では電流ベクトル制御が一般的であり、その中では、指令電流を作成するためにPWMインバータが広く用いられています。IPMモータの高効率化のためには鉄損の把握が不可欠ですが、PWMインバータによる電力変換を用いるとPWMによるキャリア高調波が電流およびIPMモータのコアの磁束密度波形に重畳するため、鉄損が増加することが知られています。
PWMのキャリア高調波を考慮した鉄損を把握するには、PWMインバータを含んだ制御/回路シミュレータと磁界解析を連携し、得られた電流波形を磁界解析に入力する方法や、実測電流を磁界解析に入力とする方法があります。
ここでは、別途JMAG-RTモデルと制御/回路シミュレータとの連携解析を用いて計算された電流波形を入力としてIPMモータの鉄損に対するキャリア高調波の影響を確認した事例をご説明します。
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| 87 - 焼き嵌めを考慮したIPMモータの鉄損解析 | Module: DP,DS,LS | 2012-03-01 | ハイブリッド自動車や電気自動車駆動用モータの鉄心として電磁鋼板が用いられます。その目的は、小型化、軽量化、高効率化です。IPMモータの高回転域における効率を高めるためには、鉄損を如何に低減するかがポイントになります。一方で、積層構造を有するステータコアは、フレームとの接合強度を高めるために焼き嵌めします。焼き嵌め時に発生する圧縮応力が、鉄損を増加させることが知られています。それゆえ、鉄損評価時に応力の影響を考慮することが重要です。
鉄損は鋼板に変動する磁場がかかることで生じます。また、鉄損の大きさは鋼板の鉄損特性に依存します。鋼板の鉄損特性は焼き嵌めなどで応力がかかることで劣化します。焼き嵌めによって生じる応力は分布を持ち、特にバックヨーク部分で大きくなります。つまり、鉄損を精度良く評価するためには、磁束密度分布、時刻変化および鋼板にかかる応力分布を正確に求める必要があります。
ここでは、応力を考慮した場合としない場合のIPMモータの鉄損密度を求めます。
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| 69 - IPMモータの鉄損解析 | Module: DP,LS | 2012-03-01 | 機器の小型化や省エネルギーを実現するため、モータに対する高効率化や小型化への要求は厳しくなっており、要求実現のために出力密度向上と損失低減の重要性が高まっています。モータ損失のひとつである鉄損は、高回転化や高磁束密度化により著しく増加するため、モータの効率低下や温度上昇の原因になります。従って、モータ設計時に鉄損を予測する必要性が高まっています。
磁気回路法や経験則による検討では鉄損を精度よく求めることが出来ません。精度よく求めるためには、材料の非線形磁化特性や微細な形状を考慮した上で、モータ各部における磁束密度の分布と時間変化を精密に知る必要があります。このような詳細な分析を行うためには有限要素法の使用が必須となります。
ここでは、永久磁石モータの鉄損及びその分布を求める事例についてご説明します。
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| 59 - PWMを考慮したIPMモータの鉄損解析 | Module: DP,LS | 2012-03-01 | 高効率モータの駆動回路ではPWM制御(パルス幅変調制御)を用いたベクトル制御が用いられる事が多くなっています。PWM制御では、負荷や回転数に応じて電流の位相や振幅を低損失で調整することが可能なため、広い運転範囲で高効率を実現することが出来ます。PWMの制御周波数をキャリア周波数といい、数(kHz)から10数(kHz)が良く用いられます。PWM制御により供給される電流波形は、基本波電流にキャリア高調波電流が重畳される形となり、このキャリア高調波電流により、モータの各部にも高周波の磁界が加わります。その結果、これを原因とする、コア鉄損や磁石渦電流損失が発生します。これらの損失は総量としては支配的ではありませんが、高効率を目指すうえでは厄介なため、設計において排除しておく必要があります。これらの問題を検討するためにはモータの電磁気的な挙動は勿論、駆動回路がどのような制御を行うかも把握しなければなりません。
事前にCAEでこの現象を検討するためには、精度の良いモータモデルとインバータモデルを連成させることが必要となり、回路/制御シミュレータと直接連携する方法やJMAG-RTモータモデルと制御/回路シミュレータを用いて得られた電流波形を入力とする方法、実測電流を入力とする方法があります。
ここでは、回路/制御シミュレータと直接連携することにより、キャリア高調波を考慮したIPMモータの鉄損を求めています。
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| 58 - IPMモータの効率解析 | Module: DP,LS | 2012-03-01 | IPMモータはロータ形状に特徴があり、磁石がロータに埋め込まれています。ステータの回転磁界がロータの磁石と直交する向き(q軸)に加えられているときには、通常のSPMと同じように動作しますが、電流位相をずらしてd軸成分を加えるとロータ磁石の磁界を弱めるように作用し、これを弱め界磁といいます。SPMではd軸電流は界磁を弱めるだけに作用するので、回転数は高まりますがトルクは減ってしまいます。しかし、IPMはロータ形状でd軸とq軸のインダクタンスに差が出る用に作られており、磁石を弱める作用をするd電流でトルクを発生することができるので、弱め磁束の分を回復することができます。したがって、IPMモータは弱め界磁制御と組み合わせることで、運転範囲が広がります。
このように、IPMモータの特性はロータ形状に大きく依存するので、磁気回路法での検討が難しく、精度良く設計の事前検討を行うためには、有限要素法を用いた電磁界解析で検討する必要があります。
ここでは、正弦波電流駆動において回転数1,800(rpm)、電流振幅4.0(A)時の電流位相ごとの効率を求めます。
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| 55 - IPMモータの組込み着磁解析 | Module: DP,ST | 2012-03-01 | 埋込型磁石モータ（IPM）は強力な希土類磁石を用いられることが多く、組み立て工程ではロータの細い隙間に磁石を挿入するため、作業性が非常に悪くなります。また挿入後はロータが強い磁界を発生するため、ステータに組み込む際の作業性も低下します。そのため、未着磁のままの磁石を組み立てていき、組み立て後に着磁を行う組み込み着磁という工法が用いられることがあります。これにより、組み立て性は大きく向上しますが、磁石が完全着磁されない危険性があります。したがって、組み込み着磁が可能かどうかを確認し、着磁に必要な装置の電力を見積もることが必要になります。
有限要素法を用いた磁界解析シミュレーションを用いれば、着磁条件として投入電流量やヨーク形状を自由に変えて、磁気飽和なども考慮して被着磁体を完全着磁で切るかどうかを評価することができます。
ここでは、着磁の際の投入電流を変えて着磁磁界がどのように変わるか、及びその磁石を用いたモータの誘起電圧とコギングトルクを求めています。
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| 37 - 制御シミュレータとJMAG-RTシステムを用いたIPMモータのベクトル制御解析 | Module: DP,RT | 2012-03-01 | 従来、モータの制御設計とモータ設計は独立したプロセスとなることが多く、協調設計が難しい状態にあります。一方、高度なモータ制御設計のために、より詳細で実機に即した挙動を示すモータモデルが制御シミュレーションで求められています。
JMAGでは、モータが含有する磁気飽和特性や空間高調波を考慮した詳細で実機に即したモータモデルを作成することが出来ます。このモータモデル”JMAG-RTモデル”を制御/回路シミュレータに組み込むことにより、モータの磁気飽和特性や空間高調波とモータドライバの制御特性の両方を考慮した連携シミュレーションを行うことができます。
ここでは、トルクやコイルのインダクタンスの空間高調波、電流依存性をJMAG-RTシステムを用いて求めた後、JMAG-RTモデルとして制御/回路シミュレータへ取り込んで、埋込磁石型永久磁石同期モータ（以下IPMモータ）の速度を目標値に制御する解析を行います。なお、JMAG-RTシステムとは磁界解析を用いJMAG-RTモデルを作成するシステムのことです。
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| 23 - IPMモータの偏心解析 | Module: DP | 2012-03-01 | モータの振動･騒音の原因のひとつとして、回転子の偏芯が問題となっています。モータのトルク発生原理は固定子と回転子間の電磁的な吸引反発力によることは良く知られていますが、ロータとステータの間に吸引力が働く事はあまり意識されていません。これは、一般的にロータとステータは同心に配置され、その吸引力が相殺されて生じないように見えているためです。したがって、シャフトやステータを支える部品等に寸法誤差があり同心円が保障されないと、その吸引力がキャンセルされない事になってしまいます。偏芯により電磁力のアンバランスを生じると、軸受け部にラジアル荷重が常に働いて摩擦損失を発生するので、振動や騒音を発生する原因となります。一方、機械加工ではある程度の公差を見込む必要があります。したがって、設計では偏芯量と電磁力のトレードオフが設計課題になります。
誤差自体は部品が組み立てられないというほどの大きな量で発生するわけではなく、組立公差でも偏芯量は微妙な量で1/10(mm)程度です。この微妙な形状の違いを評価するためには、この精度に応えられる解析を行う必要があり、詳細な形状変化について感度を持つ、有限要素法を利用した電磁界解析に利用が必要となります。
ここでは、ロータの偏芯量を変えて電磁力がどのように変化するかを求めます。
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| 22 - IPMモータの永久磁石渦電流解析 | Module: TR | 2012-03-01 | 永久磁石式モータに高出力密度化を実現するため、エネルギー積の高い希土類磁石が用いられることが増えてきています。ネオジ系希土類磁石は鉄を多く含有しているために電気伝導率が高く、変動磁場が加わると、渦電流によるジュール損失を生じます。近年の高回転化、IPM構造の採用や弱め界磁制御の普及により、磁石に加わる変動磁場の周波数や変動幅も増加し、それに伴うジュール損失も増加しています。磁石の渦電流を抑える対策としては、積層コアの考え方と同様に磁石を分割することで、見かけの電気伝導率を高めて渦電流を減らす手法がとられています。磁石に生じる渦電流は固定子の電機子反作用が発端となり、ステータコアのスロット形状やロータの形状、コア材料の非線形磁化特性、コイルに通電される電流波形により決まります。
このような磁石渦電流を事前に把握するためには、これら形状や材料特性などを精密に考慮する必要があるので、これらが可能である有限要素法による磁界解析シミュレーションが有効となります。
ここでは、稼動状態の解析を行い、磁石の分割数による磁石渦電流損の変化を求めます。
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| 19 - IPMモータの遠心力解析 | Module: DS | 2012-03-01 | モータがモータドライブと組み合わせて広い速度範囲で使用されるようになるに従い、益々の高出力化、高効率化が求められています。高出力化の一手段として高速回転化が挙げられますが、磁石は鋼板に比べて強度が低く、回転時にかかる遠心力が大きくなりますので、機械強度の点からの評価が必要になります。
IPMモータは回転子に磁石が埋め込まれている構造をもっています。モータ駆動時には遠心力がかかるため、磁石の剥がれやずれから磁石がロータコアに押し付けられ、局所的に大きな応力が働きます。局所的な応力分布を正確にとらえるためには磁石の剥がれやずれといった現象を正確に扱う必要があります。そのためには解析で磁石とロータコア間の接着状態、接触状態を考慮することが重要です。
ここでは、磁石がロータコアに完全接着している場合と一部が接着していない場合における、遠心力によるロータ内部の変位および応力分布を求めた事例についてご説明します。
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| 18 - IPMモータの熱解析 | Module: HT,LS,TR | 2012-03-01 | モータの高効率化および高出力化を実現するためには、温度上昇の問題を如何に解決するかが重要となります。温度上昇の問題の解決には、発熱源である損失自体を減らす磁気設計を施す事も重要ですが、放熱性を向上させて温度上昇させないような熱設計を行うことも必要となります。熱源としてはコイルに流れる電流による銅損とコアに生じる鉄損が支配的で、この熱による影響を主に評価します。磁石は温度による特性変化が大きく耐熱温度も低いため、稼動時の昇温を注意深く設計する必要があります。また、稼動状態も、一定負荷の連続運転で熱平衡状態に至るまでの定格評価だけでなく、過負荷の断続運転で熱サイクルを加える熱過渡的な評価が行われます。
精度良く熱設計を行うためには、まず発熱量と部位を正確に把握する必要がありますので、有限要素法を利用した磁界解析シミュレーションで損失を算出し、その損失分布を使った熱解析を行うことが有効となります。
ここでは、モータ全体の損失分布を求めるために損失解析と温度分布を評価する熱解析モデルを作成し昇温過程を解析することで、モータの温度分布を評価します。
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| 17 - IPMモータのインダクタンス解析 | Module: DP | 2012-03-01 | IPMモータはマグネットトルクとリラクタンストルクも併用できるため、電流位相を適切に選ぶことで運転範囲中の広い範囲で効率を高めることが出来ます。エアコンコンプレッサや自動車動力用モータなど運転範囲が広い機器に使用されることが多いモータ形式です。また、出力密度を高めるために強力な希土類磁石が使われ事も多く、磁気回路が飽和することを考慮した設計が必要になっています。
このように、IPMモータの設計を評価するためには飽和の影響を考慮した検討を行う必要があり、材料の非線形磁化特性や、電流位相や形状によるインダクタンス特性の変化などを吟味することになります。これらの導出のためには、線形特性を前提とした理論式や磁気回路法に基づく解析では、精度良く性能を予測することが出来ません。したがって、IPMモータの設計を事前予測するためには、有限要素法を用いた電磁界シミュレーションが必要となっています。
ここでは、IPMモータにおける磁気飽和や漏れ磁束を考慮したdq軸インダクタンスの電流位相角特性を求めます。
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