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令和 5 年電気学会全国大会

電機子コイルエンドと零相巻線を併用した透磁率変調に基づく可変界磁 PMSM
岩間清大＊，野口季彦 (静岡大学)

Adjustable Field IPM Motor Based on Permeability Modulation Utilizing Armature Coil End and Zero-Sequence Winding
Kiyohiro Iwama, Toshihiko Noguchi (Shizuoka University)

１．はじめにBearing bracket(SUS403)

Stator frame(SUS403)

筆者らは，永久磁石同期モータ（PMSM）の駆動領域拡

Zero-sequence winding(Copper)

Stator core
(35JNE230)

大を企画して，磁気飽和を利用した可変界磁 PMSM についZero-sequence winding(Copper)て研究してきた(1)。この可変界磁 PMSM は，変調巻線に変Rotor shaft(SS400)
Tapered plate(SS400)

調電流を与えることでロータコア漏れ磁路の透磁率を変調し，界磁制御を達成する。また，文献(1)ではモータ中性点とインバータ直流バス中点の間に零相巻線として変調巻線を接続した三相 4 線式駆動システムについて検討した。この駆動システムでは，d 軸電流 id および q 軸電流 iq に加え3D magnetic pathfor modulation fluxて 0 軸電流 i0 を制御できるため，i0 を変調電流として利用

Rotor core
(35JNE230)

Fig. 1. Basic principle of proposed adjustable field method.

することで，駆動回路の体積や効率を犠牲にすることなく，界磁制御を実現できる。一方で，文献(1)で提案した可変界Table 1.

磁 PMSM は，電機子巻線に加えて変調巻線を要するため，Specifications of proposed motor.

Number of poles and slots
Armature winding
Zero-sequence winding
Stator and rotor diameter
Stack length

モータパワー密度の観点で課題がある。そこで文献(2)では，特殊な電機子巻線のコイルエンドと i0 から成る起磁力によって界磁制御を実現する変調巻線レス可変界磁 PMSM について検討した。変調巻線レス可変界磁 PMSM は変調巻線を

8 poles and 48 slots
8 turns/slot, 0.0961 Ω
100 turns, 1.86 Ω
ϕ148 mm and ϕ97 mm
48 mm

Zero-sequence current

用いない分，モータ体積を削減できるものの，界磁制御に3ϕ3ϕ必要な i0 が大きいという課題がある。そこで本稿では，文DC/AC献(1)で用いた変調巻線と，文献(2)で提案した特殊な電機子DC/ACコイルエンドを併用した可変界磁 PMSM とその駆動システ

Motorムについて検討する。

3ϕ3ϕ

第 2 章では，本稿で用いた解析モデルの諸元を説明する。
また，第 3 章ではデュアルインバータの直流バス間に零相DC/AC巻線として変調巻線を接続した提案駆動システムの利点を(a) Without zero-sequence winding.

Fig. 2. Dual inverter drive systems.

述べる。最後に第 4 章では，電機子コイルエンドと零相巻線を併用することで少ない i0 および銅損で界磁制御ができ，Table 2.

最大トルクが増加することを確認する。

２．提案モータの主要諸元
Fig. 1 および Table 1 に提案するモータのモデルと主要諸元を示す。Fig. 1 に示した変調磁束を透過させるために，シDC/AC(b) With zero-sequence winding.

Comparison of drive systems.

Number of voltage sources
Number of wires
Number ofm ≤ 0.5
voltage levels
0.5 < mWithout zero-sequencewinding
1633With zero-sequencewinding21057ャフト，フレームおよびベアリングブラケットは磁性材料

ドと i0 による変調磁束の発生原理と，磁気飽和を利用したで構成されている。また，電機子巻線はコイルエンドに流可変界磁原理の詳細は文献(1)(2)で述べた通りである。

れる i0 の通流方向が同方向になるように特殊な結線がなされており，変調磁束は電機子巻線または零相巻線に i0 が通流することで発生させることができる。電機子コイルエン

３．駆動システム
Fig. 2 に零相巻線を用いない場合および用いる場合のデュアルインバータ駆動システムを，Table 2 にそれぞれの駆-1352023/3/15～17名古屋©2023 IEE Japan

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80

つの電圧源や，10 本のモータへの配線が必要であるため，駆動システムが複雑化するデメリットがある。一方で，相電圧のレベル数が増えるため，線電流の時間高調波を低減することができる。また，Fig. 2(b)で示した回路のように 2つの独立した電圧源を用いる場合は，どちらかの電圧源が60U-phase voltage in no-load condition (V)かるように，零相巻線を用いる場合は互いに絶縁された 2U-phase voltage in no-load condition (V)動システムの比較結果を示す。Fig. 2 および Table 2 からわ

40200-20-40-60-80060120180240
Electrical angle (deg)

故障しても，故障した電圧源側の平滑キャパシタの電位を

300

360

7065605550454035302520151050i0 = 0.0 A
With only armature coil end
i0 = 35 A
With armature coil end and zero-sequence windingi0 = 4.5 A1234(a) Waveforms.

制御しながら 0dq 電流制御が可能であるため，フェールセ

567 8Order910 11 12 13(b) FFT results.

Fig. 3. Analysis results of no-load e.m.f.

ーフの観点でメリットがある(3)。

Fig. 3 に回転速度 3000 r/min での無0-axis current i0 (A)＜4・1＞無負荷特性

35

負荷誘起電圧波形およびそのフーリエ解析結果を示す。図中赤色で示した結果が電機子コイルエンドと i0 から成る起磁力のみを界磁制御に利用した場合の解析結果であり，3530251001550

105050

Vamp から 64.6 Vamp まで，24 %増加していることがわかる。

52545620.00-axis

62066

64

With only armature coilWith armature coil end and zero-sequence winding

19.5

19.0 19.0 Nmi0i0dqわかる。さらに Fig. 3 (b)から，機子コイルエンドと零相巻

80ATorque (Nm)成分を増加させるためには，4.5 A の i0 が必要であることが線を併用した場合は界磁制御に必要な i0 を小さくできるこ

18.518.017.5

17.3 Nm

17.0
16.5

 0qとから，偶数次高調波を低減できることがわかる。

16.0

図より，電機子コイルエンドと零相巻線を併用することで60

Fig. 4. Current required for field control and resulting copper loss.

ンドのみを利用した場合と同等まで無負荷誘起電圧基本波

めに必要な i0 と界磁制御に伴って発生する銅損を示す。同

58

Fundamental component of no-load e.m.f. (Vamp)

相巻線を併用した場合の解析結果である。電機子コイルエ

Fig. 4 に任意の無負荷誘起電圧基本波成分に制御するた15020A の i0 を与えることで無負荷誘起電圧の基本波成分が 52.1
一方で，図中緑色で示した結果が電機子コイルエンドと零2000-axis current i0
With only armature coil end
With armature coil end and zero-sequence winding
Copper loss
With only armature coil end
With armature coil end and zero-sequence winding

Copper loss (W)40４．電磁界解析

iqq-axis

5.4 deg
024616.3 deg
81012141618202224

Current vector angle θ0q (deg)Fig. 5. Current vector Fig. 6. Relationship between torqueon 0q plane.
and current angle θ0q.

界磁制御に必要な i0 を低減できることがわかる。また，界して直流バス間に零相巻線を接続したデュアルインバータ磁制御に伴って発生する銅損については，i0 ほどの差はないを提案し，駆動回路が複雑化するものの，電圧のレベル数ものの，電機子コイルエンドと零相巻線を併用した方が低やフェールセーフの点で利点があることを示した。

減できることがわかる。

駆動特性の検討では，電機子コイルエンドのみを利用しFig. 5 に 0q 平面上に電流ベクトル i0dqた場合と，電機子コイルエンドに加えて零相巻線を併用しがあるときの i0 および iq を示す。また，Fig. 6 に Fig. 5 に示た場合の無負荷特性および負荷特性の比較を行った。無負したように電流ノルムを 80 A に固定し，電流位相 θ0q を変荷特性の解析結果として，電機子コイルエンドと零相巻線化させたときのトルクを示す。同図より，電流ノルムが一を併用することで少ない i0 で界磁制御が実現でき，銅損や定の場合でも，i0 を与えて界磁磁束を大きくした方がトルク高調波を低減できることがわかった。また，負荷特性の解が増加することがわかる。また，電機子コイルエンドと零析から，電機子コイルエンドと零相巻線を併用することで相巻線を併用することで，界磁制御に必要な電流を低減で最大トルクが 9.8 %程増加することが明らかになった。

＜4・2＞負荷特性きるため，トルクも 9.8 %程度増加していることがわかる。

文５．まとめ
本稿では，これまで筆者らが提案してきた特殊な電機子コイルエンドと i0 から成る起磁力を利用した可変界磁PMSM の駆動特性をさらに改善するために，電機子コイルエンドと零相巻線を併用した可変界磁 PMSM の駆動システ
ムと駆動特性について検討した。
駆動システムの検討では，提案モータの駆動システムと-1362023/3/15～17

名古屋

献(１) K. Iwama and T. Noguchi, “Three-Phase Inverter Fed Adjustable Field
IPMSM Drive Utilizing Zero-Sequence Current,” IEEE Trans. on Ind.
Electron., vol. 70, no. 2, pp. 1239-1249, 2023.
(２) K. Iwama and T. Noguchi, “Design and Drive Method of Modulation
Winding-less Adjustable Field IPMSM Focusing on Coil End of Armaturewinding,” IEEJ Technical Meeting on SPC and MD, Jan. 2023.
(３) K. Yamada and T. Noguchi: “Drive Circuit and Control Method ofAdjustable Field PM Motor with Permeance Modulation Windings
between Two Inverter DC Bussesr,” IEEJ Technical Meeting on MD andHCA, pp. 63-68, Mar. 2022.

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