スウェーデン王立工科大学

センサレスでの低速回転時における出力最大化制御および駆動モータの熱対策事例の紹介

ストックホルムにあるスウェーデン王立工科大学から、JMAGの活用実績を紹介していただきます。Wallmark准教授はおよそ7年間、3次元を含む電磁界解析および熱解析目的でJMAGを使用しています。取り組みの一部として、センサレスでの低速回転時における出力最大化制御および駆動モータの熱対策の事例を紹介いただきます。

KTH Royal Institute of Technology
Assoc. Prof. Oskar Wallmark

スウェーデン王立工科大学

ストックホルムのスウェーデン王立工科大学(KTH)はスウェーデン最大の最も古い歴史を持つ国際的な工科大学です。スウェーデンにおける大学レベルの技術研究工学教育の3分の1以上をKTHが提供しています。
KTHの教育・研究は建築、工業経営、都市計画など自然科学から工学全般に至るまで多岐に渡ります。KTH School of Electrical Engineering は職員数、収益とも急成長している学校です。ここ数年、本校へのEUからの資金提供も急激に増加しました。2007年から2013年までの7年間で職員が284人から441人へと約60%増加しました。この急成長は学部及び博士課程教育によるところが大きいと考えられます。

JMAGを選択した理由

Electrical Energy Conversion学科の. Wallmark (准教授)とEng. Mats Leksell氏率いる電動及びハイブリッド駆動系の研究グループでは、約7年間JMAGを使った新しいモータコンセプトの開発、分析を行ってきました。2次元と3次元両方の電磁界解析、熱解析が行われています。JMAGを選択した大きな理由は、Matlab/Simulinkなどの他社ソフトウェアとの高度な連携にあります。JMAGを使用することで、有限要素法だけでは困難な複雑な駆動系モータの解析が可能です。

センサレスでの低速回転時におけるPMモータトルク最大化

永久磁石モータの低速回転時にポジションセンサーを使用しない場合、磁気飽和、公差飽和、スロット高調波が重大な悪影響を及ぼすことがあります。本プロジェクトではShuang Zhao博士がこのような磁化非線形性を2D FEMシミュレーションで再現しました。JMAGでシミュレーションプロセスを制御するスクリプトを使用して様々な電流とロータ位置ごとに必要な鎖交磁束データを短時間で解析しました。ここで得た結果は、センサー不使用の状態で安定した制御動作を維持する一方で低速時にトルク出力を最大化させることのできる最適な電流の軌跡を特定するために使用することができます。

文中で紹介した結果については以下の論文を参照ください。

S. Zhao、O. Wallmark、 M. Leksell共著「Low-speed sensorless control with reduced copper losses for saturated PMSynRel machines,」IEEE Transactions on Energy Conversion, vol. 28、no. 4、pp, 841-848、2013

図1
上: 電流とロータ位置によって定まる鎖交磁束 (スクリプトによりJMAGで出力)、下:3D-FEM熱解析

永久磁石の熱解析

電気機器を自動車のエンジンルームに設置し、内燃エンジンと冷却システムを共有させることの課題として、機器で使用される磁石や絶縁材への熱の問題があげられます。異常なホットスポットの温度の回避、熱設計の効率化、電気や冷却器システムのコンパクト化を行うため、様々な冷却・動作条件での電気機器の部品毎の温度分布についての詳しい知識が必要となります。
本プロジェクトではShafigh Nategh博士が自動車駆動用PMモータの新しいモデルの開発・評価のためにJMAGをツールとして使用しました。

文中で紹介した結果については以下の論文を参照ください。

S. Nateghk、O. Wallmark,、M. Leksell, S. Zhao共著「Thermal analysis of a PMaSRM using partial FEA and lumped parameter modeling」 IEEE Transactions on Energy Conversion, vol. 27, no. 2, pp. 477-488, 2012

スウェーデン王立工科大学
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