5-057

令和 4 年電気学会全国大会

電機子巻線のコイルエンドに着目した
変調巻線レス可変界磁 IPM モータ
岩間清大＊，野口季彦 (静岡大学)

Adjustable Field IPM Motor without Modulation Winding Focusing on Coil Ends of Armature Windings
Kiyohiro Iwama, Toshihiko Noguchi (Shizuoka University)
Stator frame(SS400)

１．はじめにStator core(linear_5000)… Modulation flux

Table 1. Specifications.
Number of poles
Number of slots
Number of turns
Stator diameter
Rotor diameter
Stack length

近年，運転領域拡大を目的とし，界磁を自由に調整できる可変界磁 PM モータの研究が活発に行われている(1),(2)。文献(1)，(2)で提案されている可変界磁手法は，通常の PM モータよりも多数の駆動回路および巻線を必要とするため，

Rotor shaft(SUS403)8 poles
72 slots
6 turns/slot
ϕ148 mm
ϕ97 mm48 mm

Rotor core(35JNE230)

駆動回路の損失や追加巻線の銅損による効率悪化が課題である。そこで筆者らは，磁気飽和を利用した可変界磁 IPM

θモータと，0 軸電流 i0 を制御可能な駆動システムについて検Bearing brackets(SUS403)rz(a) 3D magnetic path for modulation flux.

討してきた(3)(4)。これら可変界磁 IPM モータと駆動システ

Routing wire(copper)… Magnetization direction of main PM… Magnetization direction of bias PM
Main PM(N39UH)

ムを組み合わせることで，通常の PM モータと同様の駆動システムで界磁制御を実現できる。しかし，文献(3)で提案した可変界磁 IPM モータにおいても，電機子巻線とは別のArmature windings(copper)

Bias PM(N39UH)

変調巻線を用いるため，銅損やモータ体積の増加といった従来可変界磁手法と同様の問題がある。そこで本稿では，モータが必然的にもつ電機子巻線のコイルエンドに着目し，変調巻線の代わりにコイルエンドによって界磁制御を実現できる磁気回路について検討する。変調巻線レス可変界磁θθrz

IPM モータの基本特性を解析し，コイルエンドを利用した

rz(b) Magnetization direction of PM.

(c) Armature windings.

Fig. 1. Proposed motor model.

界磁制御により運転領域の拡大を達成できることが明らかになったので報告する。
1812２．主要諸元34567iu=iu' +im

891011

iw=iw' +im13r

iw=iw' +imiている。バイアス PM はコイルエンドと変調電流 im の起磁id* +力を補助するための磁石である。また本稿では，Fig. 1 (c)iq* ＋ －im が通流することがわかる。

オンライン

θz*0＋－*0vv
vd* 0dq vv*↓*＋* P－ vq uvw vw WPIPIPI*u＋＋eiu  iu  im
INV1

DC/ACiv  iv  imiw  iw  im
Proposedmotor

M＋＋

a

S u1
Sv1
S w1

eSu 2
INV2
Sv 2
Sw2

e Ld e Lq

DC/ACi0  vs  Ψ ai0id uvw↓iq 0dqiuiv
iw

Fig. 3. Dual inverter drive system for proposed motor.

-982022/3/21～23

1

Fig. 2. Armature winding connection diagram of proposed motor.

ータに使用する 2 種類の永久磁石（PM）の磁化方向を示し

供給した場合，全てのコイルエンドにおいて正の θ 方向に

18iv=iv' +imギャップの磁気抵抗を低減している。Fig. 1(b)は提案するモるモータは三層巻を採用するこで，im を通流したときに生

17iw=iw' +im

アリングブラケット間は，テーパー形状を採用することでじる高調波を低減している。同図より，各相の巻線に im を

16iu=iu' +imロータシャフト，ベアリングブラケットおよびステータフいる。Fig. 2 に電気角 1 周期当たりの巻線図を示す。提案す15iv=iv' +im

iw=iw' +im解析モデルを示す。Fig. 1(a)に示す通り，提案するモータはに示すように，各巻線間の引き回し線を考慮して解析して

14iu=iu' +im

Table 1 および Fig. 1 に提案するモータの主要諸元およびレームを三次元磁路として利用する。ロータシャフトとベ

12iv=iv' +im©2022 IEE Japan5-057

令和 4 年電気学会全国大会

120

Magnetic leakage path
between PMs

Rotor
shaft

60No-load e.m.f. (V)Magnetic flux density(T)
1.8
1.6

40
20
0-20

1.4
1.2

-40

1.0

-60

0.8

-80

0.6060120180240Electrical angle (deg)

0.4
0.2

360

i0 = 0 Adc
i0 = 30 Adc

86420

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

Order(b) FFT results.

Fig. 5. No-load e.m.f. at rotating speed of 3000 r/min.
Magnetic field Ψa (mWbamp)

Fig. 4. Vector plot of modulation flux with i0 of 30 A.

上記の通り，提案するモータは各相の電機子巻線に同位相成分である im を供給する必要がある。そこで，提案するモータの駆動回路として，Fig. 3 に示すデュアルインバータ駆動回路を考える。本回路では，従来ベクトル制御で用いられてきた d 軸電流，q 軸電流に加えて，零相成分である i0を制御できる(4)。i0 は同位相成分であるため im として利用でAdc の i0 を供給したときの変調磁束を示す。ただし，磁石はPM(N39UH)
AirIron64626058565452504846051015200-axis current i0 (Adc)

空気に置き換えて解析している。同図に示す通り，i0 を供給することで，全周にわたり径方向に透過する変調磁束が発2220181614121086420

生しており，磁極間漏れ磁路が磁気飽和していることが確+16.5 %Torque (Nm)Fig. 4 に提案するモータに 30Torque (Nm)調に基づく可変界磁を達成することができる。

３．電磁界解析662530Fig. 6. Relationship between i0 and magnetic field Ψa.

き，本回路は i0 を制御することで，磁極間部位の透磁率変i0 = 0 A
i0 = 30 A
010 20 30 40 50 60 70 80 90

Fig. 7.

Fig. 5 に回転速度 3000 r/min の条件下で， 0 Adc もしくは 30 Adc の i0 を供給したときの誘起電圧波形およびフーリエ解析結果を示す。同図より，30Adc の i0 を与えることで無負荷誘起電圧の基本波成分が 49.1
Vamp から 66.2 Vamp に，約 34.7 %増加していることが確認できる。この結果から，提案するモータは i0 によって界磁を制御できることがわかる。Fig. 6 に提案するモータの i0 と無負荷磁束鎖交数 Ψa の関係を示す。また，バイアス PM の有用性を示すために，バイアス PM の材料として N39UH，空気，鋼板の 3 種類の材料を想定し，同様の解析を行った。

2220181614121086420q-axis current (A)認できる。
＜3・2＞無負荷誘起電圧

3006866646260585654525048(a) Waveforms.

0.0＜3・1＞径方向変調磁束U-phaseV-phaseW-phaseU-phaseV-phaseW-phase80

Rotorcorei0 = 30 Adc

i0 = 0 Adc

100

Stator core

U-phase no-load e.m.f. (Vamp)

Stator framei0 = 0 A
i0 = 30 A+32.8 %

02000

4000

6000

8000

10000

Rotating speed (r/min)

I-T characteristic.

Fig. 8.

N-T characteristic.

Fig. 8 にトルクと回転速度の関係（N-T 特性）を示す。i0が 30 A のときは最大回転速度は 6060 r/min であるのに対し，i0 が 0 A の条件下では 8050 r/min である。即ち，i0 を通流せずに界磁を低下させることで，32.8 %最大回転速度が増加する。以上の結果から，提案するモータは特別な巻線を用いることなくコイルエンドを利用して界磁制御を行うことで，広い運転領域を実現できることがわかる。

４．まとめ
本稿では，コイルエンドに着目した変調巻線レス可変界Fig. 6 より，バイアス PM を使用することで，少ない i0 で大磁 IPM モータについて検討した。結果として，i0 を供給しきな Ψa の変化を生じさせることができる

た場合は，供給しない場合と比較して 16.5 %最大トルクがFig. 7 に提案するモータのトルクと iq増加することがわかった。一方で，i0 を供給しない場合は，の関係（I-T 特性）を示す。同図より，30 A の i0 および 80 A供給した場合と比較して 32.8 %最大回転速度が増加するこの iq を供給することで，最大 20.5 Nm のトルクを出力してとがわかった。

＜3・3＞負荷特性いることがわかる。一方で，公平な比較を行うために最大電流ノルムを 85.4 A（  i02  id2  iq2  302  02  802 ）と統一し，i0 を供給していないときは，最大 85.4 A の iq を供給する。
Fig. 7 より，i0 を供給していないときの最大トルクが 17.6 Nmであるため，i0 を供給することで，最大トルクを 16.5 %増加できることがわかる。

-992022/3/21～23

オンライン

文
(1)
(2)
(3)
(4)

献

T. Mizuno, K. Nagayama, T. Ashikaga, and T. Kobayashi, IEEJ Trans. Ind.
Appl., vol. 115, no. 11, pp. 1402–1411, 1995.
H. Hijikata, Y. Sakai, K. Akatsu, Y. Miyama, H. Arita, and A. Daikoku,
IEEJ Trans. Ind. Appl., vol. 138, no. 3, pp. 257–264, 2018.
K. Iwama and T. Noguchi, Energies, vol. 15, no. 1, p. 52, Dec. 2021.
K. Yamada, K. Iwama, and T. Noguchi, JIASC 2021, pp. 467-470, 2021

©2022 IEE Japan