2019年電気学会産業応用部門大会

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ネオジム磁石を使用した透磁率変調技術に基づく可変界磁 PM モータの基礎検討
岩間清大＊

野口季彦

青山真大（静岡大学）

Preliminary Study of Adjustable Field PM Motor
Based on Permeability Modulation Technique Using Neodymium Permanent Magnet
Kiyohiro Iwama＊, Toshihiko Noguchi, Masahiro Aoyama (Shizuoka University)
This paper describes an adjustable field PM motor based on a permeability modulation technique． This motor has a leakage
magnetic path between the rotor magnetic poles.

The permeability modulation makes it possible to control the amount of theleakage magnetic flux by modulating the permeability of the magnetic path.

This paper proposes two models of the adjustable

field motor based on the permeability modulation technique. One is the motor using a magnetic steel sheet and a dissimilar metalin the rotor and the other is the motor using only a magnetic steel sheet in the rotor.

The paper presents computer simulation

results.
キーワード：可変界磁，透磁率変調，磁気飽和，ネオジム磁石，磁気回路設計，PM モータ
Keywords： adjustable field, permeability modulation, magnetic saturation, neodymium permanent magnet, magnetic circuit design, PM motor,

1.に活用する透磁率変調技術に基づく可変界磁 PM モータにはじめについて報告してきた(7)。文献(7)では電気学会 D モデルのロ

一般に，PM モータは高エネルギー密度永久磁石を利用すータ磁極間に異種金属である軟磁性材料を挿入し，その軟ることにより高効率高出力を実現することができる。しか磁性材料の透磁率を変調することで逆突極性を有しつつ可し，本来的に PM モータは界磁磁束が一定であるため，低速変界磁を実現している。しかし，文献(7)の原理モデルは永久高トルク運転と高速低トルク運転を両立する設計は不可能

磁石にエネルギー密度の低いフェライト磁石を利用していである。従来は d 軸電流を利用した弱め界磁制御により運るため，出力密度が小さいという課題が残っている。そこで転領域の拡大を図ってきたが，銅損の増大により効率の悪本稿では，ネオジム磁石を利用した透磁率変調技術に基づ化が問題となっている。

く可変界磁 PM モータとして，文献(7)で提案したロータに以上の根幹に関わる問題に対して，近年盛んに可変界磁異種金属を使用したモデルと，異種金属を使用しないモデPM モータが検討されている(1)～(5)。文献(1)～(4)では，界磁ルの 2 つのモータモデルを提案する。いずれのモータモデ巻線から発生する静止磁界を用いて，ギャップ磁束の増減ルも既に報告している透磁率変調を利用している点は共通を可能としている。しかし，この方式では界磁巻線用のしている。それらモータの磁気回路設計，可変界磁性能およDC/DC コンバータにおける損失や，増磁および減磁をする

び基本な運転特性について検討を行なったので報告する。

ための界磁銅損による損失増加の課題が残されている。また，文献(5)ではトロイダルステータの電機子起磁力によって発生する第 2 次空間高調波を利用して反転磁極を形成することにより，高速運転時に自励的に可変界磁を実現できる。しかし，この方式では界磁電流を制御できないため，低2.

透磁率変調技術に基づく可変界磁の原理

Fig. 1 に透磁率変調技術の原理を示す。同図に示す通り，
Magnetic flux for permeability modulation
Permanent magnet magnetic flux

負荷域の効率を悪化させる課題が残されている。さらに，文献(1)～(5)のいずれのモータも，リラクタンストルクの利用が困難な構造となっているため，一般的な埋め込み磁石同期モータと比べてトルク密度が低いという本質的な欠点がある。
上記に対して筆者らは，軟磁性材料の磁気飽和を積極的［ III - 159 ］

Soft magnetic material(a) Without magnetic saturation. (b) With magnetic saturation.
Fig. 1. Permeability modulation principle.

Ⓒ 2019 IEE Japan

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Table 1.

Leakage magnetic flux

Specifications of proposed motor.
DC Voltage

Rotor

Rotor

Phase current

50 Arms

Number of poles and slots

8 poles, 48 slots

Number of turns

8Stator diameterϕ160 mm

Rotor diameter

ϕ100 mmStack length

62 mm

Max m.m.f. for permeability modulation

1500 AT

Armature winding resistance

25 mΩSoft magnetic material(a) Without magnetic saturation.
(b) With magnetic saturation.
Fig. 2. Basic principle of proposed motor.
Permeability modulation coil

Magnetic steel sheet(35JN300)

270 V

Permeability modulation coil

Magnetic steel sheet(35JN300)

yz

zxxz

Flux barrier
yxzySoft magnet conposit(HB1)

Magnet(N39UH)

Soft magnetic material(MB1H)(a) 3D quarter model.
(b) Cross section.
Fig. 3. Proposed motor model with dissimilar metal.

ySoft magnet conposit(HB1)

Magnet(N39UH)(a) 3D quarter model.
(b) Cross section.
Fig. 4. Proposed motor model without dissimilar metal.

この技術は磁石磁束とは別の透磁率変調用磁束が必要であ3.

る。透磁率変調用磁束が軟磁性材料に透過しているときは，提案モータの磁気回路設計軟磁性材料の透磁率が低下するため，軟磁性材料を透過す〈3･1〉異種金属使用モデルの磁気回路る磁石磁束は減少する。それに対して透磁率変調用磁束がFig. 3 に JMAG-Designer18.0TM により解析を行った，ロー透過していないときは，軟磁性材料の透磁率が増加するた

タに異種金属を使用した異種金属使用の 1/4 モデルを示す。

め，軟磁性材料を透過する磁石磁束が増加する。上記のよう

さらに，Table 1 にこのモデルの主なモータ諸元を示す。磁に，透磁率変調技術は透磁率変調用磁束の透過量により軟極間には飽和磁束密度 0.5 T のソフトフェライトが挿入され磁性材料を透過する磁石磁束量を制御する技術である。ている。Fig. 3(b)に示すように，ロータを分割し変調用磁束

この透磁率変調技術に基づく可変界磁の基本原理を Fig. 2が 3 次元的に透過するようにステータの z 軸方向に透磁率に示す。透磁率変調用磁束を磁極間に挿入した軟磁性材料変調用巻線を巻いている。ロータを分割することにより，少に透過させることで，この軟磁性材料の透磁率を変調する。

ない透磁率変調用起磁力で可変界磁を実現しつつ高調波成

透磁率変調用磁束が軟磁性材料を透過していないときは，分を低下することができる。また，分布巻を採用することに磁極間に挿入している軟磁性材料が磁気飽和していないたより，巻線係数の増加とインダクタンス変動の抑制を図っ

め，Fig. 2(a)に示すように磁石磁束はロータ内で短絡磁路をている。

形成する。このとき多くの磁石磁束は漏れ磁束になるため，〈3･2〉異種金属不使用モデルの磁気回路ステータに鎖交する磁石磁束量は減少する。それに対して

Fig. 4 にロータに異種金属を使用しない異種金属不使用の透磁率変調用磁束が軟磁性材料を透過しているときは，磁1/4 モデルを示す。このモデルのモータ諸元は Table 1 と同極間の軟磁性材料が磁気飽和しているため，Fig. 2(b)に示すじである。このモデルは，Fig. 3 のモデルとは異なり，電磁ように磁極間短絡磁路の磁気抵抗が増加し，多くの磁石磁鋼板のみでロータコアを構成している。これにより，漏れ磁束がステータに鎖交する。上記の通り，提案する手法は透磁路飽和磁束密度が高まり，可変界磁制御幅の広がりが期待率変調技術を利用することにより，可変界磁を達成するもできると同時に，機械的強度の増加が期待できる。また，磁のである。この手法は弱め界磁制御や文献(1)～5)のように極間の漏れ磁路を V 字形にすることで，透磁率変調用磁束高速運転時に励磁電流を大きくするのではなく，高速運転を透過させやすくし，必要な透磁率変調用起磁力の減少も時には透磁率変調巻線の励磁電流を小さくするという従来実現できる。とは全く逆の発想に基づくものである。

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DCDC

AC

DC

AC

AC

Rotor

AC
DC

DC
StatorDC(a) Method using DC/DC converter.

4.

(b) Method using time and/or space harmonics.
Fig. 5. Motor drive circuits.

(c) Method using zero-phase current.
Relativepermeability

Leakage magnetic path

提案モータの駆動回路

1000

透磁率変調技術に基づく可変界磁 PM モータを実現する

800システムとして，Fig. 5 に示す 3 つのモータ駆動回路が挙げ600られる。以下に各方式の特徴を記す。
（1）DC/DC コンバータを併用したモータ駆動回路

Fig.

4005(a)に文献(1)～(4)で使用されている方式である，インバータ200と DC/DC コンバータを併用した方式を示す。この方式は制0御性および電源電圧利用率への影響が少ないという利点があるが，スイッチング素子の数が増えるため，スイッチング(a) Model with dissimilar metal.

Fig. 6. Relative permeability distribution.

損が増加するという欠点がある。
Fig. 5(b)に60タ内で整流器が必要になるため，導通損およびスイッチング損が増加する欠点がある。また，高調波を利用する方式
は，ファラデーの法則に基づき高速運転時に大きな起磁力40Back e.m.f. (V)示す。この方式は電源電圧利用率への悪影響はないが，ロー200-20-60

磁法は高速運転時に起磁力を小さくする手法であるため，0式を採用する。

5.

240

3000360

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12Oder(b) FFT results of back e.m.f.

600 AT
1500 AT

0-20060

120

180240300

360Electrical angle (deg)(a) Waveforms of back e.m.f.
Fig. 8.

0 AT
1500 AT

5040302010-40

本稿では透磁率変調技術に基づく可変界磁 PM モータ単体の基本性能を電磁界解析により予測したいため，（1）の方18020-60みである。

120

Back e.m.f. (V)Back e.m.f. (V)40

線抵抗および零相巻線のインダクタンス変動による成分の60(a) Waveforms of back e.m.f.

ンバータのスイッチング回数は変化せず，スイッチング損る電源電圧利用率への影響はなく，中性点の電圧降下は巻20Fig. 7. Back e.m.f. of model with dissimilar metal in no load condition.
60

変界磁 PM モータは直流の i0 を利用するため，i0 の変動によ

30Electrical angle (deg)

方式は i0 をコモンモード電圧によって制御できるため，イへの影響は僅かである。さらに透磁率変調技術に基づく可4010高調波を利用する方式は本手法には適さない。
(7)で提案している零相電流 i0 を利用する方式を示す。この0 AT
1500 AT

50-40を得ることができるが，前節で述べた通り，提案する可変界Fig. 5(c)に筆者らが文献600 AT
1500 AT

Back e.m.f. (V)（2）時間または空間高調波を利用する方式

文献(5)で使用されている空間高調波を利用する自励方式を（3）零相電流を利用する方式(b) Model without dissimilar metal.

00 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12Oder(b) FFT results of back e.m.f.

Back e.m.f. of model without dissimilar metal in no load condition.

鋼板の最大比透磁率は 18000 である。Fig. 6 より，透磁率変各モータモデルの可変界磁性能比較調用起磁力をかけることにより磁極間漏れ磁路全域の透磁Fig. 6 に変調用起磁力率が減少していることがわかる。以上の結果から，透磁率変を 1500 AT としたときのロータの比透磁率分布を示す。本稿

調用起磁力を利用することにより，漏れ磁路の透磁率を変の解析で用いたモータモデルでは，軟磁性材料としてソフ調できることが確認できる。

トフェライト（JFE 製 MB1H），電磁鋼板として 35JN300 を〈5･2〉 無負荷誘起電圧使用した。ソフトフェライトの初期比透磁率は 1600，電磁調用起磁力 0 AT および 1500 AT としたときの，異種金属使〈5･1〉 軟磁性材料の磁界分布［ III - 161 ］

Fig. 7 に 3000 r/min，透磁率変Ⓒ 2019 IEE Japan

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3-7る。次に Fig. 8 に Fig. 7 と同条件としたときの，異種金属不使用モデルの無負荷誘起電圧波形およびそれらのフーリエTorque (Nm)

負荷誘起電圧の基本波成分を 26.9 %制御できることがわか

4

Torque (Nm)果を示す。同図より，透磁率変調用起磁力の有無により，無45用モデルの無負荷誘起電圧波形とそれらのフーリエ解析結321

解析結果を示す。これより，無負荷誘起電圧の基本波成分を061.9 %制御できることがわかる。以上より，異種金属不使用

0 AT
1500 AT
060120り，平均トルクを 58.6 %制御できることがわかる。この結

Torque (Nm)

して優位性があるため，以後異種金属不使用モデルの基本

析結果を示す。同図より，透磁率変調用起磁力の有無によ

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12Oder(b) FFT results of back torque.

2020151510500 AT
1500 AT060120180240300

10503600 AT
1500 AT0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12Oder

Electrical angle (deg)

果から，平均トルクの制御幅は無負荷誘起電圧の基本波成(a) Waveforms of back Torque.

分の制御幅とほとんど一致していることがわかる。

10360Torque (Nm)から，異種金属不使用モデルの方が可変界磁 PM モータとを通電したときのマグネットトルク波形およびフーリエ解

2Fig. 9. Magnet torque with 10 Arms q-axis current.

不使用モデルの方が 3 倍以上高いためである。以上の結果

Fig. 9 に電機子電流 10 Arms

300(a) Waveforms of back Torque.

れは，漏れ磁路に利用した材料の飽和磁束密度が，異種金属〈5･3〉マグネットトルク

2403Electrical angle (deg)モデルの方が可変界磁幅を大きくできることがわかる。こ特性についてのみ検討する。

1800 AT
1500 AT

Fig. 10 に電機子電流 50 Arms を通電したときのマグネット(b) FFT results of back torque.

Fig. 10. Magnet torque with 50 Arms q-axis current.

トルク波形およびフーリエ解析結果を示す。同図より，透磁率変調用起磁力の有無により，平均トルクを 43.2 %制御で18きることがわかる。これは，提案モータの可変界磁制御幅よ14Torque (Nm)りも低い割合である。これは最大の電機子電流を通電している場合，電機子磁束によりステータの磁束密度は増加するため，透磁率変調用磁束の透過量が減少し，磁極間漏れ磁860する場合は，ステータティース幅を広くするなど，透磁率変03000

6000900012000

15000

Rotating speed (r/min)

調用磁束が透過し易い設計にする必要がある。に電機子電流を最大 50 Arms 通電したときの回転速度とトル102より，透磁率変調技術に基づく可変界磁 PM モータを設計

Fig. 11 に q 軸のみ124路の透磁率が変調しにくくなるためである。以上の理由に〈5･4〉q 軸電流通電時の N-T 特性

0 AT
1500 AT

16Fig. 11.

N-T characteristic with q-axis current only.

性の点から提案手法の優位性を検証していく所存である。

クの関係を示す。同図より，透磁率変調用起磁力 1500 AT のときは高トルク低速運転を，透磁率変調用起磁力 0 AT のと
きは低トルク高速運転を実現できることがわかる。

6.

文
(1)

まとめ

本稿では，ネオジム磁石を使用した透磁率変調技術に基づく可変界磁 PM モータについて，2 種類のモデルを検討し(2)(3)

た。1 つは，文献(7)で提案したモデルと同様，磁極間にソフトフェライトを挿入した異種金属使用モデル，もう一つはロータコアを電磁鋼板のみで構成した異種金属不使用モデ(4)ルである。磁極間の磁石磁束漏れ磁路の飽和磁束密度を高くすることで，前者の異種金属使用モデルでは，界磁を26.9 %制御できるのに対して，後者の異種金属不使用モデル
では 61.9 %制御できることを無負荷誘起電圧の結果から示

(5)
(6)

した。さらに回転速度とトルクの特性を示すことにより，提案したモータは高トルク低速運転と低トルク高速運転を両立できることが確認できた。

(7)

献

水野・永山・足利・小林：「ハイブリット励磁形ブラシレス同期機の動作原理と基本特性」，電学論 D，Vol. 115-D，No. 11, pp. 1402-1411(1995)
難波・平本・中井：「可変界磁機能を有する 3 次元磁気回路モータの提案」，電学論 D，Vol. 135，No. 11, pp. 1085-1090 (2015)
T. Ogawa, T. Takahashi, M. Takemoto, H. Arita, A. Daikoku, and S.
Ogasawara: “The Consequent-Pole Type Ferrite Magnet Axial Gap Motorwith Field Winding for Traction Motor Used in EV”, SAEJ Proc. EVteC &APE Japan 2016, No.20169094(2016)
J.A. Tapia, F. Leonardi, and T.A. Lipo: “Consequent-pole PermanentMagnet Machine with Extended Field-Weakening Capability”, IEEE Trans.
on IA., Vol. 39, No. 39, pp. 1704-1709 (2003)
青山・中島・野口：「電気的磁極反転形可変界磁 PM モータの提案と原理実証」，電学論 D，Vol. 137，No. 9 pp.725-736 (2017)
T.C. Julio：“3D cross coupling effect for flux control in magnetic circuitwith Permanent Magnet”，International Symposium on Power Electronics,
Electrical Drives, Automation and Motion, pp. 742-745 (2014)
岩間・野口・青山：「三次元磁路を利用した透磁率変調技術と可変界磁 PM モータへの応用」,モータドライブ/家電・民生合同研究会(2019)

今後は従来の弱め界磁制御と比較し，効率および減磁特［ III - 162 ］Ⓒ 2019 IEE Japan