5-028

平成 31 年電気学会全国大会

零相電流を利用した透磁率変調に基づく可変界磁 PM モータの基礎検討
野口季彦＊，岩間清大，青山真大 (静岡大学)

Preliminary Study of Permeability Modulation Based Variable Magnetic Flux PM Motor Utilizing Zero-Phase Current
Toshihiko Noguchi, Kiyohiro Iwama, Masahiro Aoyama (Shizuoka University)

１．はじめにThree-phase coil

近年，低速高トルク運転と高速低トルク運転の両立を目的とした可変界磁 PM モータが盛んに検討されている(1)～(2)。

Back e.m.f.

1E
2 dc

ia + 1 3 io

Zero-phase coil

ib + 1 3 ioio

しかし，従来の可変界磁 PM モータの多くはリラクタンストルクの利用が困難な構造となっているため，一般的な埋込磁石同期モータと比べてトルク密度が低いという欠点が

1E
2 dc

ic + 1 3 ioある。そこで，筆者らは逆突極性を有する可変界磁 PM モ
Fig. 1.

ータの検討をしてきた(3)。
筆者らは文献(3)で，軟磁性材料の透磁率変調を利用することにより，逆突極性を有しながら純電磁気的に可変界磁を実現できる PM モータの原理モデルについて報告した。
しかし，原理モデルは文献(1)，(2)と同様，透磁率変調コイル用の DC/DC コンバータにおける損失や，銅損による損失

Circuit configuration of proposed motor drive.

きることがわかる。さらに本稿では，i0 を直流電流として利用するため，モータ内の中性点電位変動は巻線抵抗による電圧降下分のみである。よって，i0 を重畳することによる電圧利用率への影響はほとんどない。また，i0 はコモンモード電圧により制御できるため，インバータのスイッチング回増加の課題が残されている。さらに，この原理モデルでは数は変化せず，インバータのスイッチング損失への影響もコンシークエントポール形モータと類似した運転特性となわずかである。

ることから，無負荷誘起電圧に偶数次高調波が重畳されるという問題が残されている。

以上より，i0 を軟磁性材料の透磁率変調に利用することにより，インバータの電圧利用率を悪化させることなく，従以上の課題に対して本稿では，モータ結線に三相 4 線式を採用することにより零相電流 i0 を制御し，その i0 を軟磁来の界磁用 DC/DC コンバータで生じていた損失削減を期待することができる。ただし，三相コイルに i0 が流れるこ性材料の透磁率変調に利用する手法を提案する。さらに，とによって生じる起磁力はトルク発生に直接寄与しないたロータを 2 段構造にした透磁率変調に基づく可変界磁 PMめ，三相コイルに生じる零相分の銅損は無駄な損失となる。

モータを提案し，その基本特性について原理モデルと比較

しかし，この損失は零相起磁力を零相コイルの巻数によっ検討したので報告する。て補い，i0 の直流値を小さくすることにより最小限に抑える２．提案モータの回路構成ことができる。

Fig. 1 に提案するモータドライブの回路構成を示す。本回路ではモータ中性点とインバータ直流バス間に電流経路を設けることにより，三相平衡電流に加え i0 を制御できる。
本回路の 0dq 軸電圧方程式を以下に示す。

v0vd =vq

R𝑎 +3R0 +3pL0000Ra +pLdωLd0−ωLq
Ra +pLq

３．電磁界解析による可変界磁特性の検証
Fig. 2 に JMAG-Designer17.0TM により解析を行った原理モデルと提案モータモデルを示す。提案モータは Fig. 2(c)のようにロータを上段および下段の 2 段構造としている。この

i00id + 0iqωΨf

モータ磁気回路の変更は，z 方向の寸法短縮およびステータ(1)ことにより，巻線抵抗の低減および構造の簡素化を図って形状の簡素化などモータ構造に対して有利にはたらく。また，三相コイルを上段および下段のティースに共巻きする

ここで，v0，vd，vq はそれぞれ 0dq 軸上の電圧，i0，id，iq はいる。

それぞれ 0dq 軸上の電流，Ra は三相の巻線抵抗，R0 は零相原理モデルとの比較検討をするための条件として，ローの巻線抵抗，L0，Ld，Lq は 0dq 軸上のインダクタンス，Ψf

タ形状，各部品の使用材料，各コイルの巻数および磁石体

は 0dq 軸上の界磁磁石磁束鎖交数，p は微分演算子，ω は角積を同一とした。

速度である。(1)より，0dq 軸 3 つの電流を独立して制御で2019/3/12～14

北海道-50-Fig. 3 に 1800 min-1 で回転させ，零相起磁力を 0 AT およ©2019 IEE Japan

5-028平成 31 年電気学会全国大会

Ferrite magnet(Br = 0.4 T)

Statorび 1800 AT としたときの原理モデルにおける無負荷誘起電圧および，零相起磁力を 0 AT および 900 AT としたときの提案モータにおける無負荷誘起電圧を示す。また，Fig. 4 にURotor

U

それぞれの無負荷誘起電圧のフーリエ解析結果を示す。Fig.
3 および Fig. 4 より，提案モータでは無負荷誘起電圧に偶数次高調波が重畳されないことが確認できる。原理モータは

ySoft magnetic material

零相磁束が N 極または S 極の一方を強め，他方を弱めるとxいう可変界磁の原理により，偶数次高調波が重畳されてい(a) Cross-section.

る。それに対して提案モータは，ロータの上段が N 極またThree-phase coilは S 極の一方を強めるが，下段が他方を強める向きに零相Magnetic steel sheetz

磁束が作用するので，モータ全体として磁極の偏りがなく，

Statorx

偶数次高調波が重畳されない。さらに Fig. 4 より，提案モRotor

StatorRotor

ータは半分の零相起磁力で，原理モデルと同等の可変界磁性能を得られることがわかる。これは，提案モータの磁気回路とすることにより，原理モータにおける上下 2 つの零Zero-phase magnetic flux

相磁束の磁路を共通化できるためであると考えられる。

Zero-phase coil

Soft magnetic composite(c) Proposed axial crosssection.
Fig. 2. Proposed motor model.

(b) Principle axial crossFig. 5 に 1800 min-1 および q 軸電機子起磁力 600 AT の条

section.

件におけるトルクのフーリエ解析結果を示す。同図より平均トルクは，原理モデルと提案モータでほとんど変化がなる。さらに同図より，提案モータでは 3 次トルクリプルを64

Back e.m.f.
with 0 AT (V)の零相起磁力で同量の無負荷誘起電圧を得られたためであBack e.m.f.
with 0 AT (V)いことがわかる。これは，提案モータは原理モデルの半分

620-20 AT-4

420-2ータの磁気回路を採用することにより，無負荷誘起電圧の66提案モータの磁気回路を採用することにより 3 次トルクリプルは低減できたが，コンシークエントポール形モータと20-2

1800 AT-4-6

類似した運転特性になる可変界磁原理は変わらないため，４．まとめバータにおける損失削減が期待できる。さらに，ロータを上段および下段の 2 段構造とすることにより，モータ構造

60120180240

300

01.5
1.00.50.0012345

北海道

240300360

0 AT
900 AT

2.0
1.5
1.0
0.5
0.0

60

12(a) Principle model.
Fig. 4.

56FFT results of back e.m.f.
0.30

Torque (Nm)Torque (Nm)

4(b) Proposed model.

0 AT
1800 AT0.25
0.20
0.15
0.10

0 AT
900 AT

0.25
0.20
0.15
0.10
0.05

0.05
0.00

3Order0.30

2019/3/12～14

180

2.5

Order

き，さらに 3 次トルクリプルを約 87 %低減できる。

(1) 水野・永山・足利・小林：「ハイブリッド励磁形ブラシレス同期機の動作原理と基本特性」電学論 D，vol.115-D,no.11, pp. 1402-1411 (1995)(2) 難波・平本・中井：「可変界磁機能を有する 3 次元磁気回路モータの提案」電学論 D，vol.135, no.11, pp. 1085-1090(2015)(3) 岩間・野口・青山：「磁気飽和を利用した可変界磁 PMモータの基礎検討」平成 31 年電気学会全国大会(2019)120

3.02.0の零相起磁力で従来と同等の可変界磁性能を得ることがで

献60Electrical angle (deg)0 AT
1800 AT2.5の小型化および簡素化を達成しながら，原理モデルの半分

文

900 AT-43603.0

Back e.m.f. (V)る可変界磁法を提案した。これにより，界磁用 DC/DC コン0-2(a) Principle model.
(b) Proposed model.
Fig. 3. Waveforms of back e.m.f. in proposed motor.

は若干小さくなる。

相電流 i0 を制御し，i0 を軟磁性材料の透磁率変調に利用す

2Electrical angle (deg)

軟磁性材料を空気に置き換えた理想状態と比べればトルク

本稿では，モータ結線を三相 4 線式とすることにより零4-60

Back e.m.f. (V)

偶数次高調波を低減することができたためである。ただし，Back e.m.f.
with 900 AT (V)-6Back e.m.f.
with 1800 AT (V)-640 AT-4約 87 %低減できていることが確認できる。これは，提案モ

0123

Order

4560.00

0123456

Order(b) Proposed model.
(a) Principle model.
Fig. 5. FFT results of Torques.

-51-©2019 IEE Japan