[W-MO-12] 2次元モデルと3次元モデルにみる同期インピーダンスの比較評価

目次
1. はじめに
2. 2次元モデルと3次元モデルにみる同期インピーダンスの比較
3. まとめ

1. はじめに

同期電動機は磁化特性の強い非線形性により、駆動時のインピーダンスが大きく変動するが、シミュレーションによる検討は計算コストなどの問題から、2次元解析による評価が広く行われてきた。
しかし同期機は鉄心のダクトスペースや巻線端部形状などが磁気回路にも影響を及ぼす3次元性の強い電動機であり、解析による評価では2次元モデルと3次元モデルの差異をあらかじめ確認した上で、目的に応じてこれらを使い分ける必要がある。
本事例では2次元モデルと3次元モデルの解析から得られる同期インピーダンスの比較を中心に、両モデルの差異を明らかにするとともに、いずれの解析結果も材料の非線形性に強く依存していることを示す。

キーテクノロジー

  • 並列計算
    同期機の3次元モデルではダクトスペース、端部電機子巻線、制動巻線などを考慮する必要があり、モデル規模が数百万要素規模になることもある。JMAGの並列計算機能はこのような大規模モデルに適した高速な解析処理を実現する。
  • 時間周期補正法
    短絡特性の解析では、インダクタンスに比べて抵抗値がきわめて小さくなるため、定常状態に至るまでに数十サイクルの解析が必要になる。時間周期補正法は、定常状態に強制的に移行させることで、解析に必要なサイクル数を大幅に減らすことができる。
  • パラメトリック解析
    同期インピーダンスの算出には界磁電流毎の解析が必要になるが、パラメトリック解析を利用することでまとめて解析することができる。
  • 応答グラフ
    パラメトリック解析により得られた界磁電流毎の解析結果について、応答グラフ機能を用いることで、ケースパラメータを横軸に指定し、全ケースの結果をまとめて表示することができる。

2. 2次元モデルと3次元モデルにみる同期インピーダンスの比較

解析に使用した2次元モデルと3次元モデルを図1に示す。また解析仕様を表1に示す。2次元モデルでは、ステータコア(35JN360)の磁化特性に、均質化法を用いてダクトスペース分を考慮した占積率を指定した。これにより、3次元の形状効果による結果への影響を明確にできる。2次元モデルと3次元モデルの違いは軸方向磁束の有無と程度が重要になる。


図1 3次元モデル(左)と2次元モデル(右)

表1 同期電動機の解析仕様

極数 20極
スロット数 120スロット
定格出力 1.8MW
定格電圧 2200Vrms
定格速度 300rpm
界磁電流 120A
スロットあたりの巻数/
界磁巻線巻数
3ターン/50ターン

(続く)

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