令和4年度 電気学会東京支部茨城支所研究発表会
2022/12/17 ©2022 IEE Japan

IBK-22-050

半径方向に振動するソレノイドアクチュエータを用いた簡易試験装置によるトルク脈動低減技術の実験的検証
Experimental Verification of Torque Ripple Reduction Technology for AC Motors
Using Linear Oscillatory Actuator with Radial Moving of Using a Simplified Prototype◎長沼大樹，加藤雅之（茨城大学）

目次⚫ 背景・先行研究・研究目的と方針⚫ 現状の課題と本研究の目的⚫ ばね振り子型の簡易試験装置を用いた実験的検証➢ 簡易試験機の構造・実験構成・振り子振動の抑制原理➢ 制御方法➢ 実験結果⚫ まとめ，課題2

研究背景（スイッチトリラクタンスモータ）⚫ スイッチトリラクタンスモータ（SRM）は磁気抵抗（リラクタンス）を利用するモータ
固定子コイル
回転子(突極鉄心)

4極6スロットのSRM

高価な永久磁石を回転子に使用しないため，低コストな高出力モータとして期待されている

3研究背景（スイッチトリラクタンスモータ）⚫

SRMは一般的にパルス電流駆動法で駆動

C相

B相

A相

パルス電流駆動時の電流波形
・通流相切り替え時は励磁されるコイルの電流値が小さい
消磁されるコイルにも電流が流れる→トルク脈動が発生

コイルの巻き方SRMのトルク脈動

SRMはトルク脈動，振動・騒音が大きいというデメリットを有する

4

先行研究（コリオリ力を利用する動吸振器）

5

コリオリ力を利用して回転振動を減衰させるコリオリ型動吸振器に着目

コリオリ力
ゴンドラ

コリオリ型動吸振器
ゴンドラに設置されたコリオリ型動吸振器[2]制振効果〇 大きな振幅の回転振動を減衰可能
× コリオリ力(減衰力)をアクティブ制御できない
参照[1]:松 久 寛, 宇津野 秀夫, 磯野 充典, コリオリ力を用いた動吸振器による索道搬器の制振, 日本機械学会論文集(C編), 72巻, 722号, pp. 100-106, 2006.

研究目的・方針目的
交流モータのトルク脈動を抑制し、振動・騒音を低減

方針➢ 動吸振器の振動子（単なる振動体）をリニア振動アクチュエータ(LOA)に置換→LOAを位置制御することによりコリオリ力をアクティブに制御➢ コリオリ力を利用して交流モータのトルク脈動をキャンセル➢ SRMをトルク脈動低減の対象（SRMは大きなトルク脈動を有するため）

LOAの特徴⚫ シンプルな構造⚫ 高効率⚫ 高速駆動（～数百Hz）

LOAを交流モータの回転子表面に配した構造

6

現状の課題と本発表の目的

7

約40%低減位置制御（PI制御）によるトルク脈動抑制効果
過去の研究成果➢ LOAの位置制御によるSRMのトルク脈動抑制効果を数値シミュレーション上で検証（Kato, IEEE Transactions on Magnetics, 2022）
現状の課題①電力/制御信号の供給方法
回転座標上で運動するLOAに対して信号を供給するためには，スリップリング等の特殊な器具を要する②アクチュエータの選定
市販品のLOAでは，SRMに対して十分なトル
ク脈動抑制効果が得られないことが事前検討から判明

ばね振り子型の簡易試験装置

本発表では「トルク脈動抑制効果の実験的検証」
を目的とし，装置構成を簡単化する➢ ソレノイドアクチュエータを用いたばね振り子型の簡易試験装置を考案➢ パラメトリック励振の原理を応用した
トルク脈動抑制技術を実験的に検証

実験目的
半径方向に振動するソレノイドアクチュエータを用いたばね振り子型の簡易試験装置を試作し，振り子振動を抑制

Solenoid
actuator

Accelerometer

Pendulum

Pendulumdirection

Weight

作成した簡易試験装置

8振動抑制の原理（パラメトリック励振）

9パラメトリック励振 ⋯「係数（パラメータ）の周期的な変化による励振現象」

O

ブランコの運動方程式（𝑙 = 𝑙0 + 𝑎sin𝜔𝑙 𝑡）※微小振動を仮定
𝑎 cos 𝜔𝑙 𝑡𝑔𝑎𝜃ሷ + 2𝜔𝑙𝜃ሶ +1 − sin 𝜔𝑙 𝑡 𝜃 = 0𝑙0𝑙𝑙0l

コリオリ力
ブランコの固有振動数：𝜔𝜃
重心上下運動の振動数：𝜔𝑙
パラメトリック励振条件：𝜔𝑙 = 2𝜔𝜃G
パラメータ（重心）の周期的な変化

mg
パラメトリック励振の例：ブランコ

パラメトリック励振条件を満たすような重心の上下運動によってブランコの揺れが次第に大きくなる

振動抑制の原理（パラメトリック励振）
ブランコの固有振動数：𝜔𝜃
重心上下運動の振動数：𝜔𝑙10

ブランコの運動方程式（𝑙 = 𝑙0 + 𝑎sin𝜔𝑙 𝑡）
𝑎 cos 𝜔𝑙 𝑡𝑔𝑎
ሷ𝜃 + 2𝜔𝑙ሶ𝜃 +1 − sin 𝜔𝑙 𝑡 𝜃 = 0𝑙0𝑙
𝑙0
コリオリ力

パラメトリック励振条件：𝜔𝑙 = 2𝜔𝜃

パラメトリック励振

重心の上下運動が励振時の逆位相

重心の上下運動を励振時の逆位相にすることによってブランコの揺れを抑制できるゼロクロス検出を利用したソレノイドの振動制御 11
振り子角度のゼロクロスを検出→𝑇𝜃 /4秒後にソレノイドをON (𝑇𝜃 = 0.72 s )→加速度が励振時の逆位相となる
励振減衰ON

振り子の角度ONONONDelay𝑇𝜃ONソレノイドの加速度電流

ソレノイドアクチュエータの振動制御方法（ 𝑓𝑟 = 2𝑓𝜃 ）実験構成

12※振り子運動における加速度センサ出力はsin関数⇒センサ出力とarcsin関数を用いることによって振り子の角度を逆算

+1.6V

PC
USB Port
POWER 5V
1𝑉𝐷𝐷

Out Z

8

A5 ANALOG IN

2Enable

Out Y

7A46

A3

Out X

ロングストロークソレノイド
CH1284(タカハ機工製)

ANALOG IN
ANALOG IN

３軸加速度センサモジュール
KXR94-2050(Kionix)

470Ω
DIGITAL

GND

GND

8
NチャンネルMOSFET
TTC3710B（東芝）

Arduino Uno Rev3

振り子の角度を用いたソレノイドアクチュエータのオン・オフ制御をおこなう

実験動画（パッシブ動作・アクティブ動作）

錘なしでパッシブ動作(𝑓𝑟 ≠ 2𝑓𝜃 )13

錘ありでアクティブ動作(𝑓𝑟 = 2𝑓𝜃 )アクティブ動作時の振り子振動

14直流電源電圧𝑉𝑖𝑛 = 1.6 (V)

振り子角度のゼロクロス検出を利用したソレノイドアクチュ
エータの振動制御により振り子振動の高い抑制効果を得られた

ソレノイド振動制御時の電流と振り子角度
直流電源電圧Vin = 1.6 (V)，付加質量m =100 (g)
ON
Delay

OFFOFFONON
振り子の角度
Delay
電流ON

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まとめと課題16⚫ まとめ➢ 半径方向に振動するソレノイドアクチュエータを用いた簡易試
験装置を作成➢ ゼロクロス検出を利用し、パラメトリック励振発生条件を満たすような振動数でソレノイドアクチュエータを振動させた➢ ソレノイドアクチュエータのアクティブ動作によって振り子振動を抑制できることを確認➢ トルク脈動低減技術が簡易試験機によって実験的に検証された⚫ 課題➢ 今回の制御方法はディレイ時間を事前に設定しなければならな
いため，制振対象の振動数が未知の場合や変化する場合には使用不可※ SRMトルク脈動の振動数はSRMの回転数によって変化