透磁率変調に基づく
可変界磁 IPM モータの無負荷特性
岩間 清大＊，野口 季彦 (静岡大学)
No-Load Characteristics of Adjustable Field IPM Motor Based on Permeability Modulation
Kiyohiro Iwama, Toshihiko Noguchi (Shizuoka University)
PM flux

１．はじめにModulation flux

Magnetically saturated area
StatorStator

近年，運転領域の拡大を目的とした可変界磁永久磁石（PM）モータの研究が盛んに行われている (1)(2) 。文献(1)の場合，コンシクエントポール構造のロータ表面の磁束密度分布を界磁巻線によって発生する静止磁界で制御することができる。しかし，界磁巻線用チョッパにおける損失増加の課題がある。文献(2)の場合，q 軸電機子磁束によっRotor

Rotorて，ロータ漏れ磁路を透過する界磁磁束を制御できるため，(a) Without magnetic saturation. (b) With magnetic saturation.

インバータ 1 台で界磁制御を実現できる。しかし，界磁量Fig. 1. Basic principle of proposed adjustable field method.

が q 軸電機子磁束に依存するため，制御の自由度が低いという課題がある。

Rotor shaft(S45C)

Stator core(35JNE230)

Modulation winding(Copper)

そこで筆者らは磁性材料の磁気飽和現象に着目し，可変界磁に応用する新しい手法を提案してきた(3)。さらに，磁気飽和現象を引き起こすための磁束（変調磁束）の起磁力

Rotor core
(35JNE230)

源として，三相 4 線式インバータで制御可能な 0 軸電流を利用する駆動方式を提案した。これら可変界磁の手法と駆動方式を併用することで，1 台のインバータで電機子および界磁の独立制御が可能となる。本稿では提案する手法を施したモータの実機を試作し，無負荷誘起電圧測定試験により提案法の妥当性を検証したので報告する。

２．提案する可変界磁の原理
Fig. 1 に提案する可変界磁の原理を示す。前述の通り，提案する手法は磁性材料の磁気飽和現象を利用する。Fig.
1(a)のように独立に制御された変調磁束が透過していない

Stator frame(S45C)

PM(N39UH)

Fig. 2. Magnetic circuit of proposed motor.
Table 1. Specifications of prototype motor.
Maximum modulation current
Number of armature winding turns
Number of modulation winding turns
Stator and rotor core diameter
Stack length

ときは，磁極間漏れ磁路の透磁率が高いため，大半の PM磁束がロータ内で短絡する。一方，Fig. 1(b)のように径方10 Adc6 turns
120 turns
φ 148 mm, φ 96.6 mm
62 mm

Thermometer
ComputerController

向に変調磁束が透過しているときは，磁気飽和により漏れInverter

磁路の透磁率が低下するため磁極間の漏れ磁束が減少し，多くの PM 磁束がステータに鎖交する。以上のように，提案する手法は磁極間漏れ磁路の透磁率を変調することで，ステータに鎖交する界磁量を制御することができる。

Power meter

Load motor

Oscilloscope

DC supply

Test motor

３．無負荷誘起電圧測定試験〈3・1〉試験条件

Fig. 2 に試作したモータの磁気回路，Table 1 に主要諸元をそれぞれ示す。Fig. 2 に示したように

Fig. 3. Experimental setup.

本モータは 2 つのステータコア間に変調巻線を挿入し，変径方向の変調磁束を発生させる。Fig. 3 に実験システムを示調電流を流すことで，Fig. 1(b)で示した三次元磁路を通じてす。本稿では提案する手法の妥当性を検証するために直流制御して無負荷誘起電圧を測定する。

10＜3・2＞ 無負荷誘起電圧測定結果

Fig. 4 に無負荷誘起電圧測定試験の実験結果と電磁界解析結果を示す。電磁界解析通りに，変調起磁力を与えることで U 相電圧の基本波振幅を増減できることがわかる。また，変調起磁力 0 AT 時の U 相電圧振幅に対して，1200 AT 時の振幅は 2.08 倍大き

14Fm = 0 AT
Experimental
AnalysisFm = 1200 AT
Experimental
Analysis

50U-phase voltage (V)15U-phase voltage (V)

電源で変調電流を供給し，負荷モータで 1000 r/min に定速-5-10-150.0

く，広い可変界磁幅を実現していることがわかる。以上の結果から，提案する手法の有効性が明らかになった。

2.55.0

7.5

10.0

12.5

15.0

Fm = 0 AT
Experimental
AnalysisFm = 1200 AT
ExperimentalAnalysis

12108642012345Time (ms)Order(a) Waveforms.

(b) FFT results.

67Fig. 4. U-phase voltage in no-load condition.

４．本モータの性能評価提案する可変界磁手法の究極的な目標は，Fig. 5 に示す磁気飽和部 A および B 全域の透磁率を，変調起磁力を与えないときは電磁鋼板と同等まで増加させ，変調起磁力を与えるときは空気と同等まで低減させることである。しかも，Saturation area A

その透磁率の増減を電機子起磁力とは独立，かつ連続的にA制御できることが重要である。そこで， Fig. 6 のように 3種類の漏れ磁路形状を有するモデルを用意し，無負荷誘起0.5mm

B電圧の比較評価を行った。Fig. 6(a)は変調起磁力を与えたとSaturation area B

きの理想状態を模擬するために，磁気飽和部を空気に置き

Fig. 5. Magnetically saturated areas of prototype motor.

換えている。同様に Fig. 6(b)は変調起磁力を与えていないときの理想状態を模擬するために，磁気飽和部を電磁鋼板（35JNE230）に設定している。これらの理想モデルと本モータを比較することで，提案する可変界磁手法の潜在的な性能をどの程度活かしているかを検証できる。一方で従来の IPM モータは機械強度の観点から 1.0 mm 程度のブリッSaturation area A

Saturation area A

Saturation area A

ジが必要である（Fig. 6(c)）
。この従来の IPM モータと本モ1.0mmータの界磁量を比較し，本モータが可変界磁機能を有しながらも従来の IPM モータと同等のトルク出力が期待できることを明らかにする。
Fig. 7 に各モータモデルの変調電流に対する U 相無負荷

Saturation area B(a) Ideal motor (Air).

タとおおよそ一致していることが確認できる。一方で理想
Amplitude ofu-phase voltage (Vamp)

20状態を模擬した各モデルと比較した場合，両モデルで界磁量に差があるが，この差は磁極間漏れ磁路のジオメトリや材料を工夫することで縮めることができると考えている。

５．まとめ
本稿では実機を用いて無負荷誘起電圧測定試験を実施し，タの最大界磁量が従来の IPM モータのそれと同等であるこ

16(c) Conventional IPM motor

1412108642 (b) Ideal motor (Iron)
024

Prototype motor
Analysis
Experimental6810

文 献(1)ータと同等のトルク出力を期待できる。一方で，提案する可変界磁手法の理想状態を模擬したモデルと比較した場合， (2)界磁低減量がなおも十分とは言い難い。このことはさらなる性能向上の余地があることを意味しており，今後は提案ついて検討していく所存である。

(a) Ideal motor (Air)180

提案する可変界磁手法の妥当性を確認した。また，本モーする可変界磁手法を適用した磁極間漏れ磁路の最適設計に

Saturation area B(c) Conventional IPM motor.

Fig. 6. Leakage magnetic paths of compared models.

電圧振幅を示す。本モータの最大界磁量は従来の IPM モーとも確認できた。この結果より，本モータは従来の IPM モ

Saturation area B(b) Ideal motor (Iron).

(3)

M. Namba, K. Hiramoto, and H. Nakai, “Novel Variable-Field
Motor with a Three-Dimentional Magnetic Circuit,” IEEJ Trans. onIA., Vol. 135, No. 11, pp. 1085-1090 (2015).
T. Kato, H. Hijikata, M. Minowa, Kan Akatsu, and Robert. D.
Lorentz, “Design Methodology for Variable Leakage Flux IPM forAutomobile Traction Drives ,” IEEE Trans. on IA., Vol 51, No. 5,
pp. 3811-3821 (2015).
K. Iwama and T. Noguchi, “Performance Comparison between
Adjustable Field IPM Motor Based on Permeability Modulation
Technique and Conventional IPM Motor,” ICEMS2020 (2020).