103 – 永久磁石同期モータの効率解析

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アプリケーションノート・モデルデータ

概要

PMモータは磁石により磁界を得ることが出来るため、誘導モータやブラシモータに比べ、運転域の広い範囲で高効率を実現することが可能です。ここでの効率とは、エネルギー変換器として考えた際の電気エネルギーを運動エネルギーに変換する効率のことです。電力を有効利用できているかを示す力率や、入力に対する出力の割合を示す効率が主な指標になります。モータの特性は形状や制御によって大きく異なるため、効率を向上させるためには、いくつものパラメータを考慮した検討を行う必要があります。
モータ特性を事前に精度よく検討するためには磁気回路法等の手法では難しいので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、正弦波電圧駆動において回転速度1,800(r/min)、電圧振幅40(V)時の効率を求めます。

電圧波形/電流波形

U相の電圧波形および電流波形を図1に示します。
図1より、相電圧と相電流の位相がずれていることがわかります。この現象はインダクタンスによるものです。また、それぞれの実効値から皮相電力を算出し3相分に換算すると、78.9(VA)となります。

有効電力波形/電力ベクトル図

U相の有効電力波形を図2、電力のベクトル図を図3に示します。
図2より、U相の有効電力平均値を計算し三相分に換算すると76.6(W)となります。力率及び力率角は有効電力と皮相電力の比率から算出され、このモータでは0.97および13.8(deg)となります。皮相電力と力率角から無効電力を求め、図3のようなベクトル図を描くことができます。

出力特性

トルク波形を図4、出力特性値を表1に示します。
図4より、平均トルク0.30(Nm)が得られます。得られたトルクと回転速度よりこのモータの出力を算出すると、55.7(W)になります。なお、コイルで消費される銅損は20.0(W)となっています。出力、鉄損、銅損よりこのモータの効率を算出すると70.0(%)となります。

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