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平成 21 年電気学会全国大会

12 V 電源駆動超高速 PM モータの鉄損と磁石渦電流損に関する検討
和田哲朗＊，野口 季彦(長岡技術科学大学)

Study on Iron Loss and Permanent-Magnet Eddy Current Loss of Ultra High-Speed PM Motor Driven by 12-V Power Supply
Tetsuro Wada, and Toshihiko Noguchi (Nagaoka University of Technology)

1．はじめに筆者らは車載用過給機の電動化を目指して 12 V 直流電源で駆動される超高速 PM モータの開発を推進してきた(1),(2)。
本稿では，鉄心材料や駆動電流波形が固定子鉄心損失と回転子磁石渦電流損に及ぼす影響を検討したので報告する。

2.超高速モータの仕様
本稿で検討する超高速モータの断面図を図 1 に示す。本モータの定格は回転数 150,000 r/min，出力 1.5 kW，瞬時過負荷耐量は 200 %である。このような仕様のもとに設計されたモータパラメータを表 1 に示す。低電圧，大電流，高周波による駆動を実現するため，大きな空隙と巻数 2 の集中巻構造を採用している。
インバータ一相あたりの出力電圧は下式で表される。
V = R FET I + R I + j ω L I + E(1)

図 1 超高速モータの断面図
Fig. 1. Cross section diagram of ultra high-speed motor.

ここで，RFET はインバータ MOSFET（2 mΩ/相）でのオン抵抗，R は巻線抵抗，L は巻線の同期インダクタンス，E は誘起電圧である。これより，12 V の直流電源で印加できる

表 1 超高速モータの電気的パラメータ
Table 1. Electrical parameters of ultra high-speed motor.

最大相電圧 4.9 Vrms に対して，1.5 kW 定格出力時で 4.4 Vrms，Rated voltage

4.42 Vrms/phase

Rated current

122 Arms

200%過負荷時でも 4.8 Vrms となるため，電圧飽和を来たす

Number of phases

3 phaseFundamental Frequency

2500 Hz

Synchronous inductance

0.28 μH/phase

Winding resistance

0.2 mΩ/phase

ことなくモータを駆動することができる。

3.電磁界解析に基づく損失分析＜3・1＞駆動電流波形
一般に，PM モータは電圧形インバータを用いて正弦波電波領域における鉄損抑制に効果的な固定子鉄心材料を検討流で駆動される。特に，超高速 PM モータでは基本波周波する。具体的には JFE 製 10JNEX900（0.1 mm 厚，6.5 %珪数が 2500 Hz と高く，同期インダクタンスも小さいので，素鋼板）と 10JNHF600（0.1 mm 厚）の 2 種類を検討対象と電流リ プ ル を 小 さく す る た め に 高 周 波 キ ャ リ アによるする。

PWM が必要である。このような問題を解決するため，擬似＜3・3＞損失分析結果

電流型インバータを用いて 120°通電波形による駆動（6 ス

図 2 に損失解析結果を示す。(a)は理相正弦波駆動の場合，テップ駆動）も行われる。120°通電駆動は 60°の分解能で(b)は 120°通電矩形波駆動の場合で，EX 鉄心と HF 鉄心の磁極位置を検出するだけでよいため，専らホール素子を用それぞれについて無負荷時，定格出力時，200 %過負荷時にいた簡便な磁極位置センサが用いられる。

おける固定子鉄損と回転子磁石渦電流損を求めた。

本稿ではこれら二つの駆動電流波形について損失分析を①固定子鉄損行い，その相違が損失に及ぼす影響を検討する。

固定子鉄損は磁束密度の時間的変化によって発生するが，＜3・2＞固定子鉄心材料磁束密度のピーク値と周波数が高いほど大きくなる。無負

上記のように基本波周波数が 2500 Hz と高いので，高周2009/3/17～19北海道

荷時の固定子鉄損は回転子磁石の回転磁界よるものだけで-3(第 5 分冊)©2009 IEE Japan5-002

平成 21 年電気学会全国大会(a) Photograph of stator iron core and windings.
(a) Sinusoidal currents.

(b) Computer graphics of ultra high-speed motor assembly.
図 3 超高速モータのプロトタイプモデル
Fig. 3. Prototype of ultra high-speed motor.

(b) 120-deg conduction rectangular currents.

間高調波に起因するものと比べ極めて大きく，負荷に応じ

図 2 損失解析結果
Fig. 2. Loss analysis results.て支配的となる傾向が顕著である

4.試作機の概要

あるため，負荷時と無負荷時の損失差は電機子反作用によって生じた損失である。図 2(a)で負荷に関わらず固定子鉄試作した超高速モータの固定子写真を図 3(a)に，モータ損にほとんど変化が見られないことから，回転子磁石によの全体構成を(b)に示す。固定子巻線は銅バルク材からティる磁束が鉄損の主因であることがわかる。一方，図 2(b)でースの断面形状と同様に切り出したものを用い，極めて緊は負荷に対する鉄損の増大が見られるが，120°通電波形に密な磁気結合を実現している。また，1 ターン目と 2 ターン含まれる低次時間高調波成分に起因する損失であると考え目の巻線は銀ロウ付によって短絡し，接合部の抵抗増加をられる。

抑制している。

5.まとめ

EX 鉄心と HF 鉄心の鉄損を比較すると，駆動電流波形によらず EX 鉄心の方が小さく，2500 Hz 程度の基本波周波数

本稿では鉄心材料や駆動電流波形が固定子鉄損と回転子に対して優位性をもっている。120°通電波形で駆動した場

磁石渦電流損に及ぼす影響を電磁界解析を通じて検討した。

合の負荷に対する鉄損の増大は相対的に HF 鉄心の方が小その結果，以下の結論が得られた。

さいが，これは HF 鉄心が 5000 Hz 以上の高周波領域で鉄損・HF 鉄心は 120°通電波形が含む時間高調波に起因する抑制効果が著しいためである。しかし，鉄損の絶対量とし鉄損増大の抑制には効果的であるが，固定子鉄損の絶対量ては HF 鉄心が EX 鉄心を凌駕することはない。

では EX 鉄心が優れている。

②回転子磁石渦電流損・大空隙，集中巻構造の超高速 PM モータでは，空間高PM モータの回転子磁石渦電流損は集中巻構造に起因す調波ではなく駆動電流波形に含まれる時間高調波が回転子る空間高調波（パーミアンス変動）によって生ずる。本超磁石渦電流損の主因である。

高速 PM モータは同期インダクタンスを低減するため，今後，試作機を用いて実験的に運転特性を確認するとと8 mm の大きな空隙（磁石厚と機械的空隙）を確保しているもに，電磁界解析結果との照合を行っていく所存である。

が，これにより空間高調波を緩和するフィルタ効果も有し文ている。

(1) 鹿野･和田･野口：「12V 電源駆動超高速 PM モータの開発」電学全大，5-010（2008）(2) 鹿野･和田･野口：「12 V 電源駆動超高速 PM モータの効率とパワー密度向上に関する検討」電気学会全大 5-011 (2008)

正弦波駆動の場合，回転子磁石渦電流損の発生要因は空間高調波だけであるため，図 2(a)と(b)の損失差は 120°通電波形の時間高調波に起因すると考えられる。この損失は空2009/3/17～19

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