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平成 31 年電気学会全国大会

零相回路を用いた複合起磁力モータのトルクブーストに関する検討
村上和寛*，野口季彦（静岡大学），服部晃尚，金子陽一（株式会社デンソー）
Study on Torque Boost of Compound Magnetomotive Force Motor Using Zero-Phase Circuit
Kazuhiro Murakami, Toshihiko Noguchi (Shizuoka University)
Akihisa Hattori, Yoichi Kaneko (DENSO CORPORATION )１．はじめに近年，PM モータの可変速運転領域の拡大を目指した研究が精力的に行われている。PM モータの多くはエネルギー密3-phase
coils

Image‐poles
Permanent
magnets

度が高いネオジム磁石を使用して誘起電圧定数を高めるこVとにより，低速運転域で大きなトルクを出力するように設(S)W計できる。しかし，低速運転域で大トルクを出力できる PMUW(N)SN

モータは高速運転が非常に困難であり，低速運転域での大V
N U

S(N)

(S)

トルクと高速運転の両立による可変速運転領域の拡大はトレードオフの関係にある。筆者らは高速運転域の拡大を PMモータの構造からアプローチし，低速運転域におけるトル

StatorRotor

クの増大を駆動方法から改善することを目指してきた。その一つとして，PM モータのロータ構造を 1 極対毎にイメー

図 1 原理モータモデル

ジポールを形成することにより，高速運転域の拡大を実現

Fig. 1. Principle motor model.

する新しいコンシクエントポールモータを検討してきた(1)。
本稿では，上記検討を踏まえて，三相電流と零相電流を用いて駆動することで低速運転域においてトルクをブースVトする手法について検討したので報告する。

W (S)

２．原理モータの概要

U

3-phase
coils
W(N)

SN

Fig. 1 に原理モータモデルのステータ巻線構造を示す。原

V
N U

S(N)

理モータの基本構造は 8 極相当（磁石磁極：4 極，イメージ(S)ポール：4 極）12 スロットである。ロータは N 極と S 極の1 極対毎にイメージポールを形成する構造とし，同相のイメ

Zero-phase coils

ージポールに対向する巻線と磁石に対向する巻線は直列接続とする。したがって，ロータコアの磁気回路は不平衡で

図 2 提案モータモデルあるが，各相のインダクタンスはバランスする。このため，Fig. 2. Proposed motor model.

不平衡なロータ起磁力によるモータ電流制御への悪影響はない。原理モータは従来の PM モータに比べ磁石量を半分Three-phase inverter

Proposed motorとしているため磁石磁束が少なく，ロータの磁気回路は鉄Three-phase coilsが占める割合が多いので，インダクタンスが大きくなる。

ia + 1 3 io

Zero-phase coil

ib + 1 3 io

io

よって，原理モータの可変速運転特性は低速運転域ではトルクが小さくなるが，弱め界磁を行う高速運転域の拡大を期待することができる。

ic + 1 3 io

３．提案モータと動作原理
従来の PM モータの磁石起磁力は電機子の回転磁界と同Back e. m. f.

期する成分により占められ，その他の高次成分は僅かであ

図 3 零相巻線を利用したモータ駆動回路る。しかし，原理モータは N 極と S 極の 1 極対毎にイメー

Fig. 3. Motor drive circuit using zero-phase coil.

2019/3/12～14

北海道-52-©2019 IEE Japan

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3.5

ジポールを形成することにより，ロータの磁石起磁力が電SPM motor
Principle motor

3.0

機子の回転磁界と同期する 8 極成分だけでなく，低次磁石2.5Torque (Nm)起磁力である 4 極成分ももつ。そこで，原理モータの駆動方法として，低速運転域で三相と零相を用いることにより，1 台のインバータで 8 極成分と 4 極成分の磁石起磁力に同期

2.01.51.0させ，その結果として，低速運転域でのトルクブーストを0.5実現する手法を検討する。Fig. 2 に提案モータモデルのステ0.0ータ巻線構造を示す。提案モータは同一ティースに三相巻05001000

1500

2000

2500

3000

Speed (r/min)

線と単相巻線を設けた二重巻線構造をもつ。三相巻線による回転磁界は磁石起磁力の 8 極成分，零相巻線による交番

図 4 原理モータとSPMモータのN-T特性比較

磁界は 4 極成分と同期させる。Fig. 3 に提案モータの駆動回

Fig. 4. Comparison of N-T Characteristics between principle and SPM
motor models.

路を示す。三相交流に同相の交流成分（零相成分）を重畳1.5することで，零相巻線により 4 極の交番磁界を発生させる。

ンバータの台数を増加させることなく低速運転域でのトル

4-pole component

Flux density (T)動方法を三相のみから三相と零相にて駆動することで，イFlux density (T)以上のように，原理モータを複合起磁力モータと捉え，駆0.8

1.0
0.5
0.0-0.5

クブーストを実現することができる。

-1.0

４．シミュレーション結果-1.5060

電磁界解析ソフト JMAG-Designer 17.0TM を用いて，原理モータと提案モータの運転特性を解析した。

2.0
1.5
1.0を確認できる。

2.0

Three-phase
Three-phase+Zero-phase

1.5
1.0
0.5

0.5
0.0
0.00

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.0

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12Order

Time (s)タは SPM モータに比べ磁石磁束が少ないことから低速運転して弱め界磁を行うと高速運転域が大幅に拡大されること

2.5

Three-phase
Three-phase+Zero-phase

Torque (Nm)Torque (Nm)共通でエアギャップも同一としている。差異として，原理域でのトルクが 50 %まで減少する。しかし，電圧飽和に達

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

図 5 ロータ表面磁束密度と FFT 解析結果
Fig. 5. Rotor surface flux density and FFT analysis result.

2.5

原理モータと SPM モータ共に突極比は 1 である。原理モー0.0360Order3.0

直流バス電圧は 12 V とし，各相の起磁力は 1306 AT である。

300(b) FFT result.

原理モータと従来の SPM モータの N-T 特性を比較する。

積は倍である。Fig. 4 に最大出力運転時の N-T 特性を示す。

2400.2(a) Rotor surface flux density.

ベンチマークである SPM モータは原理モータのステータとであるが，SPM モータは 8 極全てを磁石とするため磁石体

1800.4

Mechanical angle (deg)＜4・1＞原理モータの特性比較

モータは 8 極相当（磁石磁極：4 極，イメージポール：4 極）

1208-pole component

0.6(a) Torque waveforms.

(b) FFT results.

図 6 三相+零相と三相駆動時のトルク波形と FFT 解析結果
Fig. 6. Torque waveforms and FFT analysis results between three-phaseand three-phase plus zero-phase.

＜4・2＞原理モータの磁石起磁力ためトルクリプルが大きいが三相と零相で駆動することにFig. 5 に原理モータのロータ表面磁束密度分布と FFT 解より平均トルクがブーストされることを確認できた。

析結果を示す。ロータ構造を 8 極（磁石磁極：4 極，イメージポール：4 極）とすることで，磁石起磁力に 8 極成分と 4５．まとめ
本稿では，複合起磁力をもつ原理モータを三相と零相回路を用いて駆動することにより，平均トルクをブーストで極成分が含まれていることを確認できる。
＜4・3＞トルクブーストの検証きることを確認した。今後は，零相巻線に生じる誘起電圧三相と零相回路を用いた提案モータにて三相巻線によるが高速運転域における出力特性の拡大に影響するので，回回転磁界は 8 極成分に同期させ，零相巻線による交番磁界路動作にて零相巻線に生じる誘起電圧を抑制する手法につは 4 極成分に同期させる。解析条件として，三相巻線各相いて検討する。の起磁力は 1306 AT，零相巻線の起磁力は 640 AT とした。
解析では電流源を用いて三相巻線各相に電流振幅が 1/3 の同相方形波電流を重畳し零相巻線に通電する。Fig. 6 に三相+零相回路と三相回路のみで提案モータを駆動した場合のトルク波形と FFT 解析結果を示す。零相は単相駆動である

2019/3/12～14北海道-53-

文
(1)
(2)

献

村上・野口・青山：「新規コンシクエントポールモータの提案と数学モデルの基礎検討」H30 電学東海大（2018）
土方・茂田・刈谷・赤津・加藤：「二巻線方式を用いた複合起磁力モータに関する検討」電学論 D，Vol. 133，No. 10，
pp. 986-994（2013）©2019 IEE Japan