技術発表(5)過励磁効果を利用したヒステリシス電動機の高効率運転久保田朋次

平成 22 年度 茨城大学工学部技術部研修会 (技術報告) 予稿

2010 年 9 月 3 日 (金)過励磁効果を利用したヒステリシス電動機の高効率運転
久保田

茨城大学工学部技術部
Load

はじめにIPM

Idc

Balanced Voltages

Vuv

Vdc
Vdc

Vvw
encoderIw

U V W U V W
P P P N N N

光ケーブル

VdcVuvVvw Idc Iu Iw

MTU

A/DTX

Z

MWPE

SH7047

図2

相相相ARX

B

実験装置の概要

100

200
180

Input current (mA)

Short-duration
Overexcitation( n =1.5)

80

Short-duration
Overexcitation( n =1.25)

60
Conventional

40

20

Conventional

160
140120100

Short-duration
Overexcitation( n =1.25)

806040

Short-duration
Overexcitation( n =1.5)

200607080901001100601207080

図390100110120

Input voltage(V)Input voltage(V)

瞬時過励磁運転図4

同期脱出トルク

入力電流特性8060

瞬時過励磁運転とは入力電圧 Vi で同期運転している電動機の入力電圧を瞬時的に nVi (n > 1) まで上昇させ、ある短い期間を経てまた元の入力電圧 Vi に戻す方法をいう。ここで n を過励磁率と定義する。
ヒステリシス電動機の電動機特性は、回転子ヒステリシスリングが描くヒステリシスループの大きさ・形状に依存する。図 1 は同期脱出時の通常励磁のループ′
L1 と過励磁後のループ L2 である。瞬時過励磁を行うことで、通常励磁のループとは大きさ・形状が異なるループを形成し、出力の増加、入力電流の減少、力率・効率が改善できる。

Torquemeter

Iu

Short-duration
Overexcitation( n =1.5)

50

Short-duration
Overexcitation( n =1.25)

40
30

Short-duration
Overexcitation( n =1.5)70Power factor(%)

2SIG
3

Pull-out torque(mNm)

ヒステリシス電動機は同期電動機の一種であるが、自己始動が可能、始動トルクが大きい、回転子構造が簡単で堅牢、振動が小さいなどの特長をもつ。しかし、低出力、低力率、低効率などの欠点がある。ヒステリシ
ス電動機の電動機特性を向上させる方法の一つに瞬時過励磁運転がある。瞬時過励磁を行った場合は、しない場合と比較して入力電流が減少し、力率、効率が大きく向上することが正弦波電圧駆動の実験により実証されている。また、瞬時過励磁効果は、負荷の急変などにより電動機が同期速度の上下に振動すると、その効果が失われるという性質をもつ。このため、瞬時過励磁効果の低下を感知し再過励磁を行い高効率状態を維持する自動瞬時過励磁運転が提案されている。しかし、従来法の自動瞬時過励磁運転は、負荷の状態や過励磁率によって運転が不安定となり電動機が振動していた。
本研究は、PWM インバータを用いて細かな電圧制御を可能にし、新しい過励磁率の決定法の提案および過励磁効果低下の判断基準の再検討を行うことで、自動瞬時過励磁運転の安定化を図った。PWM インバータを使用した実験結果より、従来法に比較してより安定した高効率運転を実現することができた。

REV

Efficiency(%)

1

朋次

Conventional

206050Conventional

Short-duration
Overexcitation( n =1.25)

40302010100607080901001100120607080

Input voltage(V)

図5V

効率特性

電流増加
しきい値決定同期確認

90100110120

Input voltage(V)

図6

再過励磁

力率特性

電流増加
しきい値決定
同期確認

γB2Bm

過励磁運転

P4L2降圧運転

高効率運転

過励磁運転

降圧運転 高効率運転

nVi

1.0Viγmin

P3P’4Bm

P2

P ’3

L’20

P1P’2

L1

pf :

pfref = pfmax
P’10

図1t

pf max : pf
pf ref : pf

H

同期脱出時の通常励磁のループ L1 と過励磁後′のループ L2

3

pf < pfref

PWM インバータ駆動瞬時過励磁運転

瞬時過励磁運転では同期運転中に入力電圧を上昇、降下させる必要がある。PWM インバータを使用して入力電圧の上昇、降下を行う場合、プログラム上で指令値の変調度を調節することで可能になる。そこで PWM
インバータを使用し変調度を調節する方法を適用して瞬時過励磁を行った。過励磁後の同期脱出トルクと、負荷トルクを一定に保った状態で過励磁を行った場合の電動機特性を測定した。図 2 に使用した実験装置の

図7

従来の自動瞬時過励磁運転

概要を示す。また図 3∼6 に測定結果を示す。
実験結果から、通常運転と比較して、瞬時過励磁運転を行うことで出力トルクが増加したことがわかる。また、同じ出力に対し入力電流が減少し、結果として効率が改善していることもわかった。しかし、力率に注目すると低過励磁率の場合、通常運転とほとんど変わらず改善の度合いは小さいという結果となった。

4

従来の自動瞬時過励磁運転

図 7 に従来の自動瞬時過励磁運転の電圧変化を示す。
3 つの運転モードに分けて自動瞬時過励磁運転による高効率化を行う。過励磁運転では同期速度に達するまで過励磁電圧 nVi で運転する。降圧運転は変調度を下V

表1γnVi

重負荷時(95mNm以上)

Viref

通常運転

1.0

過励磁電圧 nVi [V]
入力電圧 Vi [V]

γref

Vi1S

01S

γref= γmin
γref= γmin×1.1

γmin ≤ γt95
γmin > γt95

負荷トルク 100mN·m 時の実験結果

164

γmin

過励磁率 nt

入力電力量 W s[kWs](300s)

軽負荷時(95mNm未満)

11.4

従来法

提案法

180
122
1.48
9.47

180134
1.34
8.96

Im > Imref
pf < pfref

Imref = Immin 1.2
pfref = pfmax 0.8

自動瞬時過励磁運転（従来法）
通常運転

W
W1=
Wn=

1
γmin :Im :Immin : Impf :pf max : pf

γt95=0.67

Imref : Im

pf ref : pf

Viref :
Vi :γref :

n:

W3=

W3=
W2=

W2=

図8

提案した自動瞬時過励磁運転げることで入力電圧を減少させ、入力電流の変化が増加に転じた時の変調度 γmin を記憶し、力率のしきい値を決定する。高効率運転は先の変調度 γmin で運転することで高効率運転となる。また過励磁の効果が減少すると力率が下がるため、しきい値以下となった場合に再び過励磁運転へと移行する。
ここで使用する力率のしきい値は、図 6 の測定結果より通常運転との変化率が 20% 程度であったため、降圧運転直後の力率 pfmax の 80% の値としていた。

5

新しい過励磁率決定法
重負荷にも対応するため従来法で運転が不安
定 と な っ た 過 励 磁 電 圧 nVi =180[V]、負 荷 ト ル ク
TL =95[mNm] を基準とし、重負荷時には入力電圧の減少幅を低く設定し出力トルク不足を抑制する方法を提案する。
この方法を実現するため、図 8 のように一度過励磁を行い負荷の状態を検索し（サーチモード）、その後負荷の状態により過励磁率を調整し高効率運転を行う（駆動モード）アルゴリズムを構築した。
負荷トルクは、サーチモードの降圧運転において入力電流が増加に転じた時点での変調度 γmin の値により把握する。軽負荷時では γmin は小さく、重負荷時ではγmin は大きくなる。また、図 8 の γt95 は、nVi =180[V]、TL =95[mNm] で入力電圧を下げ入力電流が増加に転じたときの変調度である。γmin が γt95 を超えた場合を重負荷と判断し、γmin に安全係数をかけ駆動モードの過励磁に使用する変調度 γref の調節を行う。駆動モード
ではサーチモードで算出された変調度 γref を使用し過励磁を行い高効率駆動する。

5.1

tn

to td

tn

to td

tn

to td

tn

4s2s 2s4s2s 2s4s2s 2s4st300s

図9通常運転と従来の自動瞬時過励磁運転の入力電力の時間変化
W
W1=

W4=W2=

自動瞬時過励磁運転の安定化

図 7 の運転法を改良し自動瞬時過励磁運転の安定化を図った。図 8 に本研究で提案した自動瞬時過励磁運転の電圧変化を示す。
文献 [1] で任意の一定負荷、過励磁電圧おいて入力電流が最小で効率が最大となる過励磁率が存在することが報告されている。そこで、従来法は降圧運転中に電流が減少から増加に転じる部分を検出することで、高効率となる過励磁率を設定し高効率運転で使用する変調度を決定している。しかし、重負荷時では入力電流の増加を検出する前に、入力電圧低下に伴う出力トルク不足が生じ電動機が同期脱出していた。同期脱出することで過励磁効果が短い時間で低下していたため重負荷時での高効率運転が不可能であった。
また、従来法は力率の減少変化のみを過励磁効果低下の判断基準として利用していたが、図 6 の力率の測定結果より、低過励磁率では力率の通常運転時との変化が小さく瞬時過励磁効果低下を正確に判断できないことがわかった。

to td
2s 2s

W 4=

W3=

W3=

W2=

to td tu to td

tntu to td tu to td

tn

2s 2s 2s 2s 2s

182s

2s 2s 2s 2s 2s 2s

96s

t300s

図 10

提案した自動瞬時過励磁運転の入力電力の時間変化

5.2 過励磁効果低下の判断基準の再検討
過励磁効果の低下により入力電流が上昇する。入力電流の通常運転時に対する変化率は、図 4 の測定結果より低過励磁率でも平均で 20% 程度あることがわかる。よって判断基準に入力電流の上昇変化と力率の減少変化の両方を利用した。入力電流を使用した判断方法では、図 4 の測定結果より駆動モード中の降圧運転終了時の入力電流 γmin の 120% の値をしきい値とし、入力電流がしきい値以上となった場合を効果低下と判断するようにした。

6実験結果

従来法で運転が不安定であった TL =100[mNm] をかけた状態で、300s 間電動機を駆動させ入力電力の時間変化を測定し、入力電力量を比較した。表 1 に実験結果を、図 9 に通常運転と従来法、図 10 に提案法の入力電力の時間変化を示す。提案法を用いることで入力電力量を少なくできた。

7

おわりに提案法は従来法に比べ入力電圧低下を抑制したことで高効率状態を長時間維持することができ、安定した運転が可能になった。また、入力電力量を比較すると他の制御法より最大で約 20% 削減でき、高効率運転を実現できた。

参考文献[1] T.Ishikawa, T.Kataoka：”V curve of hysteresis motor”, IEEP ROCEEDIN GS − B, Vol.138, No.3, p.137141(1991)[2] T. Kubota, T. Tamura, K. Kurihara, ”High-eﬃciency operation of PWM inverter-driven hysteresis motor withshort-duration overexcitation” Proc. Int. Conf. Elect.
Mach. and Systems, Tokyo, Japan, Nov.16-18, 2009.

目次
過励磁効果を利用した
ヒステリシス電動機の高効率運転

茨城大学工学部技術部
久保田 朋次ヒステリシス電動機
 目的
 瞬時過励磁運転 PWM
PWMインバータ駆動瞬時過励磁運転
インバータ駆動瞬時過励磁運転
 自動瞬時過励磁運転 まとめ

2010.9.3 技術部研修会

ヒステリシス電動機

ヒステリシス電動機の出力トルク


出力トルクはヒステリシスリングのループ面積に比例

磁気ヒステリシス

B
Bm

0Hm

H

電動機特性はヒステリシスループの大きさ、形状に依存する
図1 ヒステリシス電動機の断面図

研究目的

特長欠点
ヒステリシス電動機

ヒステリシス電動機の瞬時過励磁運転 高効率駆動

同期電動機の一種

本研究では・・・・

特徴

PWMインバータ
PWMインバータ駆動により瞬時過励磁運転

振動，騒音が非常に小さい
単純で堅牢な構造
自己始動が可能①実験により瞬時過励磁効果を検証

永久磁石同期電動機等に比較して出力、力率、効率が低い改善策として②自動瞬時過励磁運転の安定化

安定した高効率運転の実現を目指す

瞬時過励磁運転1瞬時過励磁運転（１）瞬時過励磁運転（２）①同期運転②入力電圧を上昇

過励磁率
ヒステリシスループが変化③一定時間入力電圧を維持

電動機特性が変化
B

B
2Bm

B
2Bm

P1

2Bm
L2

④元の入力電圧に戻す

L2

P2Bm

Bm

⑤同期運転

出力の増加
入力電流の減少
効率、力率の改善

PWM
PWMインバータ駆動の瞬時過励磁運転
インバータ駆動の瞬時過励磁運転

H0m

L1P2 '
L1L1

L10P1' B

P3H

P3 '0H

実験装置

ヒステリシス電動機の瞬時過励磁運転
同期運転中に入力電圧を上昇・降下させる

SH7047変調度γ
変調度γを調整

PWM
PWMインバータの場合・・・・インバータの場合・・・・

実験 PWM
PWMインバータ駆動の瞬時過励磁運転を検証
インバータ駆動の瞬時過励磁運転を検証

γ＝nm* m ≤ nm ≤1

γ＝m

実験装置

γ=1.0
最大出力電圧：180V
最大出力電圧：180V
回転数:: 1500rpm
回転数
出力周波数 : 50Hz
キャリア周波数 : 10kHz

過励磁後の同期脱出トルク

最大22倍に増加
過励磁率
n=1.5
過励磁率
n=1.25
通常励磁
n=1.0

2

一定負荷トルクを保った状態の過励磁後の電動機特性
Short-duration Overexcitation (n=1.5)
Short-duration Overexcitation (n=1.25)
Conventional

Short-duration Overexcitation (n=1.5)
Short-duration Overexcitation (n=1.25)
Conventional

定負荷、過励磁電圧における瞬時過励磁の入力電流と効率

n=1.25

最大50%減少
n=1.5

n=1.5
n=1.25

最大25%改善

通常励磁

入力電流特性

効率特性

Short-duration Overexcitation (n=1.5)
Short-duration Overexcitation (n=1.25)
Conventional

n=1.5

負荷・・・・通常運転の同期脱出トルク

通常励磁

n=1.25・PWM
PWMインバータ駆動でヒステリシス
インバータ駆動でヒステリシス
電動機の瞬時過励効果を確認できた

最大20%改善・力率は低過励磁率では改善の度合いが小さい

Input current (×10mA), Efficiency (%)

通常励磁
Input current (86mNm)
Efficiency (86mNm)

負荷トルクTL = 86[mNm]
任意の定負荷と過励磁電圧nViにおいて最適な過励磁率nがある
入力電流が増加した時の電圧をViに設定することで高効率運転が可能になる

効率
入力電流

Input voltage (V)

力率特性

自動瞬時過励磁運転

過励磁電圧nVi = 180[V]

自動瞬時過励磁運転（従来法）

ヒステリシス電動機の瞬時過励磁効果

過励磁電圧nVi = 180[V]振動などにより効果が低下

力率pf

入力電流の増加、力率、効率の低下
自動瞬時過励磁運転
瞬時過励磁効果の低下を感知
力率の低下

入力電流の増加

再度過励磁運転を行い再度過励磁運転を行い高効率状態を維持する

改善策

同期脱出時の入力電圧と入力電流上昇時の入力電圧
過励磁電圧nVi = 180[V]γ=1.0

Vup ＞ VoVup ＝ Vo

不安定

同期脱出

負荷トルク95mNm以上

負荷トルクの状態を把握

Vup ＜ Vo

TL=95mNm以上

TL=95mNm未満

過励磁率を減少（Viを高く設定）

γ=0.67入力電流上昇時(Vup)

同期脱出

出力トルク不足

安定不安定

95mNm

出力トルク不足を抑制

入力電流上昇時の変調度
同期脱出

過励磁後同期脱出(Vo)

従来法を適用

過励磁電圧nVi = 180[V]

変調度 0.67未満

TL=95mNm未満

変調度 0.67以上

TL=95mNm以上

3提案した自動瞬時過励磁運転

過励磁効果低下の判断基準の再検討
低過励磁率

軽負荷（95mNm未満）
軽負荷（95mNm未満）
重負荷（95mNm
重負荷（95mNm以上）
以上）

負荷の把握
変調度の調節
低過励磁率

低過励磁率

入力電流の減少率は大きい

変化の検出が容易

n=1.25=1.25入力電流の減少率
入力電流の減少率

平均25%
平均25%程度
程度

高効率運転

力率は改善率が低い

駆動モード

変化を検出しにくい

サーチモード実験

通常運転と従来法の入力電力の時間変化

目的
提案した方法により安定した高効率運転が可能となったか確認する

実験方法
一定負荷で一定時間ヒステリシス電動機を駆動

100mNm300s

高効率運転時間が短い

提案法と従来法、通常運転の入力電力を測定

運転モードを切り替える
回数が増加

運転が不安定入力電力量を計算し比較提案法の入力電力の時間変化
高効率運転時間が長い
運転モードを切り替える
回数が減少

運転が安定

まとめ
・PWM
PWMインバータ駆動でもヒステリシス電動機インバータ駆動でもヒステリシス電動機の瞬時過励磁効果を確認できた
・自動瞬時過励磁運転の安定化を図った。
実験により安定した高効率運転を実現できた。

約20%削減20%4

トルク発生原理

研究背景
ヒステリシス電動機

・低出力・低効率・低力率

瞬時過励磁運転

PWMインバータを使用実験により検証

回転子磁束

自動瞬時過励磁運転

・安定性の向上

不安定となる原因の解明
運転法の改善固定子磁界

安定した高効率運転の実現を目指す

図2 ヒステリシス電動機のトルク発生原理

回転子リング内の磁束密度と磁界

実験１

PWM
PWMインバータ駆動により瞬時過励磁効果をインバータ駆動により瞬時過励磁効果を得ることが出来るか実験により確かめる。

目的

実験方法 PWM
PWMインバータ駆動の瞬時過励磁運転インバータ駆動の瞬時過励磁運転
過励磁率 n=1.5
1.5,,1.25
1.25,1.0,1.0
最大出力トルク、入力電流、力率、効率を測定・比較

位相差ρが位相差ρ
現れるρ

回転子リング内の磁束密度と磁界の関係

ヒステリシス電動機のトルク式と等価回路
トルク式

瞬時過励磁運転

ループ面積に比例する

透磁率:

ループ面積の増大

等価回路

同期脱出トルクの増加

ループの形状によって変化する

透磁率の増大KW : 巻線係数REs

W : 1相の巻数
ZH

Rr : リングの平均半径

図4 ヒステリシス等価インピーダンス
一相分の等価回路

入力電流の減少

m : 相数ω : 電源角周波数μ : 透磁率

図5 同期脱出時の通常励磁のヒステリシスループL1と瞬時過励磁後のループL’ 2

ヒステリシス角ρ
ヒステリシス角
ρの増大
力率の増大

5

同期確認法

定負荷の瞬時過励磁後のヒステリシスループ
入力電流の増加ωre:回転子電気角速度、 T:サンプリング周期、
p:極対数、n:エンコーダ出力パルス数、 s:すべり、P:エンコーダ1回転のパルス数、ω:電源角周波数

インピーダンスの減少
透磁率の減少力率の増大

ヒステリシス角の増大

図7 定負荷の瞬時過励磁後のヒステリシスループ

すべりの変化

入力電流の実効値、力率の算出法

過励磁後の同期脱出トルクと入力電流上昇時のトルク
出力トルクが不足

離散的な値
原因




A/D
A/D変換の量子化
変換の量子化
三相平衡と仮定
ゼロクロスの影響• 入力電流が±1[mA]未満の時は1サンプル前のiu、iwの値を使用する• 1周期Tvの平均値を取る

不安定95mNm

同期脱出
負荷トルク ＞ 同期脱出トルク

安定負荷トルク＜ 同期脱出トルク

過励磁後 入力電流上昇時
同期脱出
過励磁電圧nVi = 180[V]γ=0.67γ=1.06