令和3年度電気学会東京支部茨城支所研究発表会
2021/12/11

IBK-21-050

交流モータのトルクリップル低減を目的とした
半径方向に可動するリニア振動アクチュエータの特性解析
Performance Analysis of a Radially Moving Linear Oscillatory Actuator
for Reducing Torque Ripple of AC Motors◎⾧沼 大樹、加藤 雅之（茨城大学）

目次

 研究背景・先行研究
 研究目的 研究内容 まとめと今後の展望

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

回転子が磁石を用いない鉄心のみの構成である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
12C相
A-phaseB-phaseC-phase

4

B相

1086

A相

4200.95

0.960.97

0.980.99

1Time (s)パルス電流駆動時の電流波形

SRMの構造通流相切り替え時の電流値が小さい→トルクリップル（脈動）が発生

SRMはトルクリップル(脈動)，騒音，振動が大きいというデメリットを持つ

先行研究（トルクリップル低減）

5瞬時電流波形制御[1]トルクが一定になるように瞬時電流波形を制御する方法
推定トルク
回転角度

特徴

瞬時電流波形制御の構成〇 SRMの構造変更が不要なため，既設のSRMに適用可能
× 高精度な制御に複雑な制御ロジックの実装が必要
参照[1]:牧野,宏明 , 用途指向形ＳＲモータの制御に関する研究, 名古屋工業大学博士論文, 2016

先行研究（コリオリ力を利用する動吸振器）

6 コリオリ力（回転座標系で運動する物体に働く，運動方向と垂直な方向の慣性の力）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
した

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]〇大きな振幅の回転振動を減衰可能

制振効果× コリオリ力(減衰力)をアクティブ制御できない
参照[2]: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

7

 コリオリ力を利用して交流モータのトルクリップルをキャンセル
 リニア振動アクチュエータ(LOA)を用いることで，コリオリ力(減衰力)がアクティブ制御可能になると考えた

LOAの特徴○ シンプルな構造，高効率
応用例

LOAを交流モータの回転子に配した構造

LOAを用いて交流モータ（本研究ではまずSRMを対象にする）のトルクリップル(脈動)を低減する

提案するSRMとLOAの連成構造と原理

8SRMとLOAの連成構造
 SRMの回転子表面に，LOAを設置
 回転子に伴って回転するLOAに電源供給を行う必要がある
 本研究では，回転子上のバッテリーによる電源供給を仮定

原理
 コイルを励磁することで半径方向に電磁力が発生し，可動子が半径方向に振動する→円周方向にコリオリ力が発生※コイルを励磁しないパッシブ動作でもコリオリ力は発生する

LOAのパッシブ動作(遠心力でLOAが加振)

9LOAの運動方程式(半径方向)2mr  k r r  cr r  m (l  r )遠心力
遠心力によって受動的に振動

SRMの運動方程式(円周方向)

J  m(l  r ) 2   2m(l  r )r
コリオリ力c   T  T


eload

トルクリップル
コリオリ力を利用してトルクリップルをキャンセル

LOAに電流を流さないパッシブ動作で，SRMのトルクリップルが低減されるか確認するパッシブ動作のシミュレーション結果※目標速度

௥௘௙ ＝200 [rpm]，負荷トルク
410[Nm]Trip
Trip(passive)

2Coriolis Force

0-2-4-6-80.95

0.96

0.97

0.980.99

1Time (s)パッシブ動作時のMATLAB/Simulinkシミュレーション結果

 SRMのトルクリップルと，パッシブ動作時のトルクリップルがほぼ一致
 SRMのトルクリップルと比較して，発生しているコリオリ力が小さい
パッシブ動作では，SRMのトルクリップルを低減できない

トルクリップルとコリオリ力のFFT解析結果※目標速度

௥௘௙ ＝200 [rpm]，負荷トルク ௟௢௔ௗSRMのトルクリップル

11[NmSRMのトルクリップルFFT解析結果

コリオリ力が小さい

パッシブ動作時のコリオリ力

コリオリ力のFFT解析結果

 トルクリップル低減には正弦波のコリオリ力では不十分
コリオリ力が非正弦波になるためには，可動子の振動変位 が非正弦波である必要があると考えられる

LOAのアクティブ動作（振動を電流制御）

12LOAの運動方程式（半径方向）

mr  k r r  c r r  m (l  r ) 2 
Kt I  Kd r

LOA可動子の振動変位 が非正弦波になるように制御
SRMの運動方程式（円周方向）
リニア振動アクチュエータ（LOA）J  m(l  r ) 2   2m(l  r )r
コリオリ力c   T  Teload

非正弦波のコリオリ力によってトルクリップルをキャンセル
コリオリ力を非正弦波にするために，LOAをアクティブ動作してLOA可動子変位 が非正弦波になるよう制御する

LOA可動子に要求される振動変位の算出
2m(l  r )r  Trip
コリオリ力※トルクリップル低減率,目標速度 ௥௘௙ ＝200 [rpm], 負荷トルクt
rref ( t )  l  1 F ( )d   1  ※2 0ml்ೝ೔೛ఠ

13[Nm][Nms/rad]

0.02

0.01
0-0.01

-0.02
0.97

0.975

0.98

0.9850.990.995Time (s)要求されるLOA可動子の振動変位波形

SRMのトルクリップル低減に求められるLOA可動子の振動変位を求めた

算出したLOA可動子理想変位の検証

14

SRMの運動方程式

J  m(l  r ) 2   2m(l  r )r  c   Te  Tload
LOAの運動方程式

LOA可動子の理想変位（）2mr  k r r  cr r  m (l  r )

 Kt I  Kd r

 通常のシミュレーション
LOAの運動方程式から求められた を，SRMの運動方程式に入力
 算出した理想変位の正確性検証が目的のシミュレーション
算出したLOA可動子の理想変位を，SRMの運動方程式に入力してトルクリップルが低減されるか確認する算出したLOA可動子理想変位の検証結果
トルクリップル低減率
415，算出した振動変位を0.97sから入力

パッシブ動作 アクティブ動作（理想変位）
Trip
Trip(active)

20.02

05.22Nm-2010.53Nm-4-0.01

-0.02
0.97

-6-80.9

0.01

0.975

0.98

0.985

0.990.995

Time (s)0.95 0.97

11.05

1.1 約50%の低減

Time (s)算出したLOA可動子の理想変位を入力したシミュレーション結果算出したLOA可動子の理想変位が入力されると，SRMのトルクリップルが約50%低減されることが確認された

まとめと今後の展望

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 まとめ

 交流モータのトルクリップル低減を目的として，半径方向に振動するLOAをモータの可動子に設置する手法を提案した
 LOAがパッシブな動作では，SRMのトルクリップルが低減されないことがわかった
 50%のトルクリップル低減にLOA可動子が要求される非正弦波の振動変位波形を算出した
 シミュレーションにより，算出した理想振動変位での駆動が達成されれば，SRMのトルクリップルを50%低減できることがわかった

 今後の展望 可動子が理想の振動波形になるような，LOAへの電圧印加方法の検討・
開発
 要求仕様決定された LOA の構造検討・磁気回路設計・磁界解析による特性評価