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平成 16 年電気学会産業応用部門大会

ターボチャージャ用−
モータ駆動システム

山下

キーワード：超高速緒

高田陽介

野口季彦

長岡技術科学大学

幸生

小松喜美

茨木誠一

三菱重工業株式会社

モータ，ターボチャージャ，磁界解析，損失分離，擬似電流形インバータ

言

ターボチャージャとは自動車や船舶の動力となるガソリ
ンエンジンやディーゼルエンジンの補機であり，エンジン回転数が低い場合の燃焼効率改善や出力増大，応答性（吹き上がり）の向上を主たる目的として設置される。ターボチャージャは燃料混合気または空気を圧縮してエンジンシリンダ内に過給するコンプレッサと，排気ガスから回転力を得るタービンが直結した構造をもっている。したがって，排気ガスによりタービンが回転することによって初めてコンプレッサが動作するため，エンジンの低回転数領域では十分な過給を行うことができない上，ターボラグとよばれる応答遅れが不可避である。一方，高回転数領域で負荷が軽い場合には排気ガスの熱エネルギーは膨大であるにも関図わらず効率よく回収することは困難であった。これらの問

従来のターボチャージャ

題は従来のターボチャージャが機械的な構成と動作に基づいていたためであり，ターボチャージャのような流体機械にもパワーエレクトロニクス技術を導入して制御性の向上や量あたりの出力）を限界まで高めて小型化しターボチャー。

ジャに内蔵することである。このほか，超高速回転ゆえにモータを組機械的な軸振動や軸受けの構成など解決すべき技術課題は熱エネルギーの高効率回収に取り組むことが望まれる
本論文では，従来のターボチャージャにモータ単体とそのみ込んだハイブリッドシステムについて検討し，磁界解析多岐にわたるが，ここでは主としてや損失分離に基づくモータ設計の指針と計算機シミュレー駆動システムに焦点を絞り，電気的側面から提案するシス

ションおよび実験による可変速制御の検証結果について述テムの有効性を確認する。

べる。ここで，克服すべき最も大きな技術課題は，インバー
タ出力

でハイブリッドターボチャージャの概要という超高速回転を達成するモータ駆動システムを如何に構築するかということと，モータのパワー密度（単位体積または単位重従来のターボチャージャをに示す。

前述のように機械的な動作のみではエンジンから排出さ［I - 155］1-9

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超高速表

モータの設計仕様％〜のターボチャージャより％ 向上し，エンジン出力を％ に増大させることを目標として，に示すモータ駆動システムを開発した。
〈 ・ 〉 ステータ構造に関する検討
この超高速モータ駆動システムの開発過程において， スロットと スロットのステータを 種類，ロータを 種類設計試作して，磁界解析や実験により両者の運転特性を比較検討した 。
モータはいずれも超高速回転を実現す
これら 種類のるために 極機とし，ステータ巻線は集中巻として漏れインダクタンスの低減と構造の簡素化を図っている。
極あたりのモータ誘起電圧を ，分布巻係数を ，短とすると， 極あたりの巻数節係数を ，総磁束をは次式で与えられる。
設計仕様の超高速図

ハイブリッドターボチャージャ

れる燃焼ガスの熱エネルギー次第でコンプレッサの吐出圧が決定されるため，それを自由に制御することは困難である。特にエンジンが低速で回転している場合は，タービンから回収される排気ガスのエネルギーが小さいためコンプレッサによる過給効果がほとんど望めない。一方，エンジンの高速低負荷運転時においては，ウェイストゲートバルブを開放することによって排気ガスの一部を外界に放出しここで， スロット機と スロット機の場合は，余剰熱エネルギーを廃棄している。
これに対して，本論文で提案するハイブリッドターボチに示す。超高速ャージャをならびに相帯となるため，それぞれの分布巻係数と短節係数

モータのロータを，相帯，は次のような値となる。

ターボチャージャの軸と一体化させ，タービンとコンプレッモータの力行運転によりサの中間に設置する。超高速

コンプレッサに任意のアシストトルクを与えることができるため，エンジンが低回転数であっても所望の吐出圧で過給することができる。また，従来のターボチャージャで問モータからのア題とされていたターボラグについてもシストトルクにより大幅に改善される。

さらに，自動車が高速道路を一定速度で走行している場合のように高速低負荷時においては，従来外部に捨てていモータからの電気的な回生エネルた余剰エネルギーをギーとしてバッテリーに回収することも可能となる。

超高速となり， スロットの巻数はる。特にここで設計試作するモータに要求される設計仕様倍で良い。

このため前者の方が占積率に余裕があるため，モータ体格モータは基本波運転周波と高周波であるため，もともとモータ体格数が記ハイブリッドターボチャージャで求められるスロットのを同一にした場合は放熱の点で有利であることが予想され

モータ〈 ・ 〉 超高速

したがって，両者の短節係数を比較すると上を小さくすることができるが，さらにターボチャージャと一モータ体化するため単位体積あたりのパワー密度を一般的なモー〜に対しにまで高めの設計仕様について検討する。三菱重工業長崎研究所にてタの行われた乗用車のエンジンとターボチャージャのマッチンる必要がある。したがって，モータの各種損失解析と同時グシミュレーションによれば，エンジンアイドリング時かに放熱設計にも十分注意を払わなければならない。

らターボチャージャにと熱効率はし，さらにのアシストトルクを加える％ 向上，エンジン出力は％ に増大のアシストトルクを加えると熱効率は％ 向上し，エンジン出力はこのような観点から占積率を小さくすることは重要であるが， スロット機はスロット機と比べ空間高調波が大きく，永久磁石から見た

回転あたりのパーミアンス変動％ に増大すると推が大きくなる。このパーミアンスの変動はステータだけで計された。この結果より，低速時のエンジン熱効率を従来なくロータの永久磁石においても渦電流損を発生させる可［I - 156］1-9

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図

図

スロット機の磁界解析結果

図

スロット機の損失分離結果

図

スロット機の損失分離結果

スロット機の磁界解析結果

能性がある。この渦電流損により永久磁石が発熱し高温に達すると不可逆減磁を引き起こすため，モータの運転特性を恒久的に劣化させる。

〈 ・ 〉 磁界解析による損失分離
ステータからギャップへ移行する部分は境界要素法を用い，それ以外の部分は有限要素法により磁界解析を行って， スロット機と ス，に磁ロット機の各種損失を比較検討した。
界解析結果を示す。主要寸法としては，ステータ外径を，ロータ磁石外径を，ギャップ長をとしている。ロータには最大エネルギー積の系永久磁石を，ステータには厚の珪素鋼板を使用した。とに出力時の損失分離結果を示す。両者を比較すると， スロット機の渦電流損が スロット機のそれを大きく上回っており 倍ほど発生することがわかる。これは前述したロータ上の永久磁石で発生する渦から定格回転数の電流損であり，で全損失がにもなる。今回の試作機に採用する系永久磁石の許容温度は約であるが，ロータの熱容量や熱抵抗を考慮するとこの発熱では許容温度を以上上回る。
全体として スロット機の損失は渦電流損が支配的であるため，この差によって スロット機の全損失は スロッ［I - 157］

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ト機に対して半減することができる。今回の設計仕様では連続的な超高速回転が要求されるため，占積率の点で問題はあるが，発熱の観点から全損失を大幅に低減できる

ス

ロット機が有利であると判断した。

〈 ・ 〉 試作機の構造は実際に試作した ス
ロットステータと巻線構造を示している。シミュレーションと同様にステータには集中巻の巻線構造を採用し，巻線長を短くすることによって巻線抵抗と漏れインダクタンス厚の無方向性を抑制している。ステータコアはの線を巻いて珪素鋼板を用いて積層し，いる。超高速運転で最も重要なパラメータであるステータ，巻線抵抗はインダクタンスは 相あたり僅かである。一方，ロータ側の永久磁石には最大エネルの系永久磁石を採用し，ギー積 〜と大きく確保することによって超高ギャップ長を速回転時に空間高調波により永久磁石に発生する渦電流の低減を図っている。また，永久磁石は超高速回転時の遠心力による飛散を防ぐため，カーボンファイバー等により機械的な補強を施している。
はターボチャージャの回転部全体と軸受構造を示している。回転軸の支持には高安定すべり軸受けを採用し，タービンとロータの永久磁石間を 点で支持する方式としている。このようにコンプレッサをオーバーハングさせたのは，ターボチャージャ全体の構造を簡素化するためである。

超高速図

試作した

スロットステータの外観

モータ駆動用擬似電流形インバータ

一般的なモータの可変速駆動には電流マイナールーインバータが使用され，電流波形がプをもつ電圧形図正弦波となるように電流制御を行う。トルク制御には専ら試作したロータの軸支持構造ベクトル制御則が適用され，回転座標変換などの複雑な制御演算が実行されている。しかし，本論文で検討対象とする超高速モータでは最高回転数

時にと高周波になるため，基本波運転周波数が等を用いて変調周波数を前後としたインバータでは十分に電流制御を行うことができない。

通電を行う

ステップインバー

タから構成されている。まず，ホールを用いてリアクトル電流をフィードバックし，直流バスのとき，両スイッチング素子のスイッチング周波数を通電波形によりモータを駆動すと高周波化することによりリアクトルる方式を採用した。ただし，通常の電流形インバーつつ，直流バスを制御電流源として機能させる。
タの力行時はアクトルを用いて直流バスの電流制御を行い，逆変換部にを流すと同時に，は自己消弧・逆阻止能力をもつ素子からなるインバータブ通電によるる。このように従来のステップ駆動が行われ電流形インバータでは，直流バスに大容量の平滑リアクトルが不可欠である上，逆変換になるとの小型化を図りモーをオンすることにより直流電源から電流タは順変換部にサイリスタ整流ブリッジと大容量の平滑リリッジを用いてをスイッチングすることにより直流電流の制御を行う。このとこのため，今回開発したシステムでは直流バス電流を制御し，御を行うチョッパと，にエネルギーを蓄積する。

がオフを通じて電流が還流することによって，蓄えられたエネルギーを放出する。インバータがに毎に転流する際，モータの巻線インダクタンスにより高電圧が発生するが，これはダイオードと〜のボディダなどのスイッチング素子を使用した場合には直イオードを通じて直流バス平滑コンデンサ電圧にクランプモータ駆される。したがって，従来の電流形インバータのように逆動装置の重量や体格，電力変換効率の点で不利であった。

阻止能力をもつスイッチング素子は不要であり，一般的な部に列にダイオードを接続する必要があるため，そこで，超高速モータ駆動用のインバータとして，に示す回路トポロジーをもつ擬似電流形インバータを採用した。擬似電流形インバータは直流バスに電流制やを使用してそれにダイオードを直列接続しなくてもよい。一方，ンすることにより［I - 158］

モータの回生時はをオにエネルギーを蓄積し，オフするこ

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図

擬似電流形インバータの回路構成

図−
運転時のモータ電圧と電流波形（シミュレーション結果）とによって蓄えられたエネルギーを直流バス平滑コンデンサに転送して昇圧動作を行う。このとき，通電を行うインバータは同期整流器として動作し，回生エネルギーは直流電源に回収される。
モータ駆動システムでは

本論文で検討する超高速モータの誘起電圧に基づく磁極位置センサレス制御アルゴリズムが採用されている。これはモータの端子電圧から誘通電パターンを生成するもの起電圧信号と同期したである。当然，初期起動時には有効な誘起電圧信号を得るまではことができないので，て通電パターンを生成しを用いモータをオープンルーに達するとモータの端子電圧プ制御する。

から得られる誘起電圧信号を用いてセンサレス制御に切り換えられる。

シミュレーションによる運転特性の検証
実験に先立ち，計算機シミュレーションによる運転特性の検証を行った。シミュレーションで想定した供試機はの設計仕様をもつ

極−似電流形インバータの直流電源は電流制御には

図−％ 過負荷運転時のモータ電圧と電流波形（シミュレーション結果）スロット機である。また，擬とし，直流バスの％のリアクトルを用いる。に最高回転数，インバータ出力時のシミュレーション結果を示す。この図より，インバータの転流に伴ってモータの巻線インダクタンスにる。

起因する電圧がパルス状に立ち上がっているが，ダイオーにおける擬似電流形インバータの動作限界を示しており，こに示された波形は定格回転数を介して直流バス電圧にクランプされていることがわの状態では直流バスのチョッパは電流制御を行うことがでかる。この間，電流の変化率はクランプ電圧で制限される

きず，インバータは電圧形の動作しかできない。すなわち，ため，巻線インダクタンスの低減が重要であることが窺わ

定格回転数れる。また，モータの相電圧と電流の基本波は同相となっくすることは不可能であるため，ていることから，高力率で運転されていることがわかる。と判断した。

ド

次に，モータを定格回転数とし，ではこれ以上電流振幅を大き％ を過負荷の上限

実験による運転特性の検証％ 過負荷で運転した場合のシミュレーション結果をに示す。前述のように，インバータ転流時の電流変化率

極− スロット

モータを内蔵したターボチャージャはクランプ電圧で制限されるため，負荷の増大に伴ってインと擬似電流形インバータを用いて，組み合わせ試験を行っバータ出力電流の振幅が大きくなるほど転流時間が長くなた。空気源を用いてタービンを回転させるとともに，コン［I - 159］

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図−
運転時のモータ電圧と電流波形（実験結果）

図
プレッサには超高速総合力率とインバータ出力（実験結果）モータからアシストトルクを与える。なお，ステータ巻線内に熱電対を挿入しておき，常に巻線温度を監視した。
，インバータ出力

果， スロット機はステータ巻線の占積率が低いため放熱時の実験結果を示す。この実験結果からわかるよの点で有利であるが，空間高調波に起因する永久磁石内のうに，モータの相電圧と電流の基本波はほぼ同相となってお渦電流損が問題となることが判明した。これに対して， スり，両波形はシミュレーションのそれとよく一致している。

ロット機では占積率が高いので放熱が困難となるが，ローであったが，これは電圧，電流タ側の渦電流損は大幅に低減され，結果的に全損失を半減に最高回転数

このときの総合力率はともに低次高調波を多く含む波形であるためで，基本波力率については良好な結果が得られている。また，定格回転，インバータ出力数以上の磁界解析や損失分離による検討に基づいて， 極−スロットステータを採用したンバータを試作してハイブリッドターボチャージャを駆動モータだけでなく冷却機構を含めたターボした。計算機シミュレーション結果と実験結果は良好に一チャージャ全体の改良設計を進める所存である。なお，回次に，モータの回転数に対する総合力率とインバータ出力をに示す。前述のように総合力率についてにおいての回生電力を回収できることを確認した。

を上回ることがで文きなかった。一方，インバータ出力を見ると，定格回転数までは定トルク特性，それ以上の回転数で献（ ）は定出力特性が実現されていることがわかる。

：「」

言

本論文では従来のターボチャージャにを確認した。また，回生試

験においても連続定格回転数通電の電は，インバータの転流に伴う電圧パルスや流波形に伴う低次高調波の影響ではもとより，定出力運転領域において最高回転数の回生電力を確認した。

において連続定格致しており，インバータ出力回転数において生試験においては定格回転数

結モータと擬似電流形イであった。この発熱を低減

タ巻線温度は定常状態でするため，時のステーできることがわかった。

モータを組み込んだハイブリッドシステムについて検討し，磁界解析に基づくモータ設計の指針と計算機シミュレーションならびに実験による可変速運転特性の検証結果について述べた。超（ ） 重松浩一・小山 純・桶口 剛・安部貴志・上野泰弘：「小型・超高年電気学会産業
速モータの磁場−回路連成解析法の構築」平成
応用部門大会講演論文集（ ） 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るモータのセンサレス制御」平成 年電気学会産業応用部門大会
講演論文集

高速モータの設計においては， 極− スロット機と 極−スロット機について磁界解析と損失分離を行った。その結［I - 160］