モータ駆動システムの損失解析
高田 陽介 長岡技術科学大学

キーワード ：超高速モータ 擬似電流形インバータ 損失解析

本稿では 擬似電流形インバータを用いて最高回転数

諸言

定格出力

筆者らはターボチャージャやスーパーチャージャの電動化を目指して，擬似電流形インバータを用いた超高速モータ駆動システムの研究開発を推進してきたないし高回転数が。最で，定格出以上という目標仕様を設定し，試作機によ力がる実験検証を重ねてきた。このような超高速モータは基と非常に高く，電機子巻線の自己本波周波数が数未満と極めて小さいため，インダクタンスが約通常の電圧形インバータでは正弦波状に電流制御することは困難である。一方で，電流形インバータを使用したのでは装置が大型化し，効率面でも問題がある。
そこで直流バスに電流制御形チョッパを挿入し制御電流源として動作させる擬似電流形インバータを超高速モータの駆動に採用した。
以前までの研究成果では インバータ出力として出力していることを確認できたものの モータ回転数の高さ故に 正確なモータ出力を計測することは不可能であった。従がって モータ効率を割り出すには コンプレッサ出力や解析を元にした推測値に頼るしかなく 精度 信憑性の点で満足する結果ではなかった。の超高速モータ・ジェ

ネレータシステムの駆動試験を行い 実験的に効率測定し解析結果と比較したので報告する。

超高速モータ・ジェネレータ

本研究における試験機は 同じ仕様を持つ超高速モータを同一軸でカップリングしてモータ・ジェネレータとしている。表に超高速モータの仕様を示す。

永久磁石は高エネルギー積で温度特性の優れた系永久磁石用い ギャップ長を大きく設計してステ−タからの空間高調波を低減した。ステ−タ構造は表

超高速モータの仕様

スロッ

図

超高速モータ・ジェネレータ外観

ト 巻線は集中巻として線占率を低く設計し ステ−タ冷。

却方式に空冷方式を採用した
図に超高速モータ・ジェネレータの外観を示す。超高速運転時にロータ 軸受けが破損しても飛び散らないつのステ−タを接合しようにカップリング部も含めててある。軸受けは玉軸受けを採用し 潤滑用グリースを定期的に補充している。

擬似電流形インバータを用いた駆動システム
図 にシステム構成図を示す。超高速通電波形によりモータジェネ制御し，レータシステムでは直流バス電流をモータを駆動する方式を採用した。
擬似電流形インバータは直流バスに電流制御を行う通電を行うチョッパと，

図ステップインバータから構成されている。まず，ホールアクトル電流をフィードバックし，直流バスのシステム構成を用いてリとをスイッチングすることにより直流電流の制御を行ドを通じて直流バス平滑コンデンサ電圧にクランプされう。このとき，両スイッチング素子のスイッチング周波る。したがって，従来の電流形インバータのように逆阻と高周波化することによりリアクトル数を止能力をもつスイッチング素子は不要であり，一般的なの小型化を図りつつ，直流バスを制御電流源として機能させる。

モータの力行時はをオンすることにより直流電源から電流を流すと同時に，を蓄積する。

がオフになると流することによって，にエネルギーを通じて電流が還に蓄えられたエネルギーを放出する。一方，インバータが毎に転流する際，モーやを使用してそれにダイオードを直列接続する必要もない。モータと同期した度通電のパターンは ステ−タに組み込んだホール素子から得られた毎の磁極位置情報を元に形成される。

ジェネレータの回生コンバータはチョッパで構成し リアクトル電流相整流器と昇圧を制御することにタの巻線インダクタンスにより高電圧が発生するが，こより負荷トルクを調整した。従がって 回生時の電流およとび電圧は電流形コンバータと同じ波形となる。また 回れはバイパスダイオード〜のボディダイオー

図

モータ入力電圧・電流波形
無負荷 運転時

図

モータ入力電圧電流波形を変化させた。図にモータ回転数の無負荷運転時のモータ相電圧線電流波形を示す。
モータ相電圧波形を見ると 電流の転流時に多少のサージが発生しているが モータ誘起電圧が綺麗な正弦波であることが読み取れる。一方 電流波形は誘起電圧と同相の波形であるが 他相の転流パターンの影響が大きく出ており 高調波成分の多い波形となっている。
図 に無負荷時のインバータ出力−モータ回転数のグラフを示す。回転数に従がって モータジェネレータ内の損失がほぼ比例して上昇していることが分図

モータ入力電力 無負荷運転かる。損失の内訳としては ステ−タ鉄損機械損永久磁石上の渦電流損があげられるが 筆者らが行った解析結果からも 回転数に対して顕著に現れるのはステ−
生コンバータの出力は直流バス電源電圧にフィードバックされ システム全体の損失分のみをバス電源から供給する。

実験結果
前述の超高速モータ・ジェネレータシステムを用いて 無負荷および負荷トルク一定試験を行い 各部波形
電力 力率 効率の計測を行った。

〈 ・ 〉 無負荷運転試験〜て回生電流としまでモータ回転数タ鉄損と永久磁石上の渦電流損の割合が多いと考えられる。

〈 ・ 〉 負荷トルク一定試験
モータ回転数においてモータ入力電力となるようにを固定し〜ジェネレータ電流までのトルク一定試験を行った。
モータ入力電力
図 にモータ回転数時のモータ相電圧線電流波形を示す。モータ相通電波形が形成されていることが電圧と同期して読み取れる。図 と比較すると 電圧波形が歪んでいる。

図ジェネレータ電圧・電流波形

これは モータに流入する電流が増加したことにより 転流期間が長くなったためであり 同時に見られる相電圧に見られる急峻な立ち上がりは サージ電圧を電源電圧にクランプしている期間である。
図 は モータ回転数

モータ入力電力時のジェネレータ相電圧線電流波形である。低負荷時では 電流波形は通電波形となるが 多く電流を取り出したため ほぼ三角波に近い形となる。回生図

力率・出力・効率特性 定トルク運転時

側のコンバータは 擬似電流形インバータのように転流期間に電源電圧にクランプするパターンは無いので ジェネレータ内での転流は誘起電圧によってのみ行われる。
従がって 転流時のが擬似電流形インバータの場合より遅くなるため 擬似電流形インバータによってモー中段には インバータ入力 モータ入力およびジェネタに流入できる電流量よりも少ない電流量しか取り出せレータ出力電力を示す。

ない。

できた。

特に この時点でジェネレータ電流波形がほぼ三角波モータ入力電力が確認

下段はインバータ効率と 超高速モータ・ジェネとなっているため 本システムでジェネレータから取りレータの効率である。インバータ効率は最大で％出せる電力はこの時点でほぼ限界と考えている。

程度であった。擬似電流形インバータは降圧チョッパとに一定トルク運転における 総合力率 出力 効率

通電のインバータが組み合わさったトポロジーををまとめたグラフを示す。総合力率は モータ入力とジェ持っているため 効率はこの二つの効率を掛け合わせたネレータ出力を計測した。モータ入力部分の総合力率が値となる。チョッパ部分のキャリア周波数は回転数とともに上昇しているのは 転流時に発生するサーあり インバータ部分のスイッチング周波数は回転数とジ電圧に対して誘起電圧が上昇するためと考察している。

同じである。この差を見ても インバータ部よりチョッパ図で部の方に損失が偏っていることが分かる。今回は 主素子社製を全てを採用したが チョッパ部分により大容量 インバータ部分により小容量な素子を選定すれば 高い擬似電流形インバータの効率が得られると考えている。
モータジェネレータ効率とインバータ効率を比較すると その傾向が反対になっている。インバータ効率は回転数上昇に伴って効率が上昇しているにもかかわらず モータジェネレータ効率は回転数の上昇に伴って下降する傾向にある。インバータを構成する主素子の定格が非常に大きいため インバータの最大出力点がより高出力な領域にあることが分かる。また 本研究のように非常に広い回転数範囲を持つ場合 現状の材料損失として周波数に依存するところが多いため 高周波になればなるほど効率が低下することが実験により明らかになった。

による損失解析結果との比較
図

モータ回転数インバータ出力運転時における解析結果との損失比較を行った。に

図による損失解析結果運転時解析結果を示す。ここでのモータ損失は僅
モータ効率はか％ であった。しかしこれに対して 実験により得られたデータでは モータ％ 。単純に二つのモータでジェネレータあわせて等しい損失を発生していると考えても 試験機において得られたモータ一機あたりの効率は％ 程度である。

解析において仮定している電流波形と実際の電解析と実験結果の比較を行った結果 大幅に実験結果の方のモータ効率が低いことが分かった。今後はこ存である。

謝流波形には実験波形の方に多く高調波が含まれているという点で相違があり 完全に一致した条件下での損失比較したとは言いがたい。しかしながら このモータ効率解析を基として開発を進めてきた我々にの違いはとっては衝撃的な数値であった。今後は この解析解析と実験結果の相違の原因を追求していく所の辞本研究において 試験装置を提供していただいた三菱重工業株式会社のエンジニアの皆様に心より感謝いたします。と試験結果の数値の違いを究明する所存である。

結文言

本稿では 擬似電流形インバータを用いて最高回転数定格出力（ ）の超高速モータ・ジェネレータシステムの駆動試験を行い 実験的に効率測定し高田陽介・野口敏彦・山下幸生・小松喜美・茨木誠一：「車載スーパーチャージャの超高速電動ドライブ」電気学会自動車研究会資料

解析結果と比較した。
回生側コンバータは献相整流器と昇圧チョッパで構成し このシステムによってモータ入力電力（ ）を確認した。一定トルク試験を行い モータ・ジェネレータ及
高田陽介・野口敏彦・山下幸生・小松善美・茨木誠一 「ターボモータ駆動システム」平
チャージャ用
年電気学会産業応用部門大会講演論文集
成びインバータの効率測定を行った際 インバータ効率はモータ昇速に従がって上昇するが モータジェネレータ効率は反対に下降していくことが分かった。これは 鉄損や渦電流損など 周波数に大きく影響を受ける損失が多いためと考察した。

（ ）秋山和成・深田隆文・寺内勝実・大堀勇二 「超高速永久磁石式電動機のインバータ制御」 平成 年電気学会全国大会（ ）高田陽介・野口敏彦・山下幸生・小松喜美・茨木誠一：「車載スーパーチャージャの超高速電動ドライブ 電気学会自動車研究会資料」（ ）星野昭広・森本雅之・松井信行：「大エアギャップの表面磁石型高速発電機設計のための出力電圧予測法」電学論（ ） 大川光吉：永久磁石磁気回路磁石回転機設計マニュアル 総合リ
サーチ（ ）小金沢竹久・高橋 勲・大山和伸：「擬似電流形インバータによモータのセンサレス制御」平成 年電気学会産業応用部
る門大会講演論文集（ ） スヤ ボンバン・小金沢竹久・高橋 勲：「チョッパを用いたＰＭモータの回生制御」 平成 年電気学会全国大会
（ ）

（）

深尾

（
（（正・千葉 明：超高速回転機と駆動技術 電学論
解説巻 号平成年） 田中博一郎・鈴木 功：超高速電動機駆動システム 電気学会雑誌
昭和年
巻 号） 電気学会技術報告 第号：超高速ドライブ技術）

重松浩一・小山 純・桶口 剛・安部貴志・上野泰弘：「小型・超年電気学会
高速モータの磁場−回路連成解析法の構築」平成
産業応用部門大会講演論文集」（）（）

秋山和成・深田隆文・寺内勝実・大堀勇二：「超高速永久磁石式電動機のインバータ制御」 平成 年電気学会全国大会講演論文集