島根県産業技術センター研究報告資第55号 （2019）

料スイッチトリラクタンスモータのトルク脈動，振動，騒音特性評価
川島
1．目

崇宏＊・大峠忍＊

的スイッチトリラクタンスモータ（以下SRMと略す）は永久磁石を使用しないため，安価，高温での減磁がない，同じく永久磁石を使用しない誘導機に比べて高効率，始動時に突入電流が生じない，始動トルクが大きいなどのメリットがある．構造が簡単で製造コストが低く，堅牢であり，高速回転に適することから，幅広い分野への適用が期待されるモータである．ただし問題点として，巻線インダクタンスが回転子位置や鉄心の磁化特性に依存することか
図1

ら，電流やトルクの特性の非線形性が強く，トルク脈動，6/4構造SRM断面図

振動，騒音が大きいといったことが挙げられている1）, 2）．
SRMの駆動制御の方法の一つに電流ヒステリシス制御がある2）, 3）が，この制御は制御器の設計が容易で応答が速のステータ突極に生じる磁場によって近くにあるロータ突いという長所がある反面，振動や騒音が大きくなるという極が磁化されて引き合うことでトルクが発生し，回転する．

問題点がある．

磁化させるステータを適切に切り替えていくことで回転が本報では，電流ヒステリシス制御によるSRM駆動を行っ持続させられるが，そのためにはロータ位置の把握が必要た場合のトルク脈動，振動，騒音についての特性を他の種であり，安価なホールセンサを用いてロータ位置を検出する類のモータと比較した結果を報告する．比較対象のモータ方法が実用的な位置検出の手段として用いられる3）．

は誘導機（以下IMと略す）とブラシレスDCモータ（以下磁化されるステータ突極に巻かれている巻線の励磁は，BLDCMと略す）とする．IMは，ロータに永久磁石を用い駆動回路により電圧を加えることによって行われ，そのとない点がSRMと共通であるが，正弦波電流を入力して駆きの巻線電流の制御はヒステリシス制御をベースにして行動するため回転が滑らかであり，トルク脈動，振動，騒音われる3）．図2にSRM駆動回路の構成を示す．駆動回路はは小さくなることが予想される．BLDCMは，ロータに永正電圧モード，ゼロ電圧モード，負電圧モードの3つを切

久磁石を用いるためSRMよりも高効率になる可能性が高り換えて電流を増減させ，電流を指令値に近づけることでいモータであるが，SRMと同様に矩形波状の電流を入力

電流制御を行う3）．

して駆動することからトルク脈動，振動，騒音は比較的大2.2きくなると予想される．

2.2.1

2．方
2.1

測定システムシステム構成図3にモータ特性評価に用いる測定システムの構成を示

法

す．供試モータと同軸上にモータに負荷をかけるためのSRMの構造と回転制御方法

IM（富士電機MVK-8107A）を接続し，それらの間にトルSRMの構造の一例として三相機に使われるステータ6クと回転速度の測定のためにロータリエンコーダ付きトル極，ロータ4極（以下6/4構造と略す）のものの断面図を図

クセンサ（ユニパルスUTMⅡ-10Nm(R)）を設置した．そ1に示す．SRMはステータとロータの両方に突極構造を持れぞれのモータは簡易光学実験台（駿河精機J15-1206T）ち，巻線はステータの各突極に集中巻で巻かれる．巻線に上にボルトで固定した．図4に供試モータとしてSRMを設

電流が流れると巻線の巻かれたステータ突極が磁化し，そ置した場合の測定システムの写真を示す．右側がSRM，＊次世代パワーエレクトロニクス技術開発プロジェクトチーム（現:電子・電気技術科）

左側が負荷発生用IMである．
供試モータはSRM（明和製作所SRM-LL10T-6），IM（富士 電 機MVK-8095A），BLDCM（ フ ー シ ンFBLM86-660）― 24 ―

川島・大峠：スイッチトリラクタンスモータのトルク脈動，振動，騒音 特性評価

負荷トルク発生用IM

供試モータ

トルク検出器

モータドライバ

モータドライバ

双方向
直流電源

双方向
直流電源

定盤

図3 モータ特性評価試験システム構成

加速度ピックアップ

図2

SRM駆動回路構成

図5 加速度ピックアップ取り付け位置

マイクロフォン
ベース板
距離

図6 マイクロフォンの位置
表2
図4

トルク脈動測定時駆動条件

SRM評価時の試験システム写真

項目設定条件回転速度100 rpm

表1

回転方向

正転

負荷トルク

0.85 Nm

各供試モータの仕様
SRM

IM

BLDCM

電源電圧（ドライバ入力）
定格出力

DC 200 V

DC 320 V

DC 48 V

520 W

750 W

660 W

定格回転速度

3800 rpm

3600 rpm

3000 rpm

供試モータ

表3

振動・騒音測定時駆動条件

項目
回転速度

0～3000 rpm

回転方向

逆転無負荷及び0.7 Nm（3000 rpm 時）

負荷トルクの3つとした．表1にそれぞれのモータの仕様を示す．それ

設定条件

ぞれ汎用品の中から可能な限り定格出力と定格回転速度が同程度のものを選定した．それぞれのモータドライバへ入2.2.2 振動及び騒音測定

力する電源は直流とし，減速時の電力回生を考慮して双方振動及び騒音の測定には，ブリュエル・ケアー製音響/向直流電源装置（MywayプラスMWBFP2-1040）を用いた．

振動計測プラットフォームPULSE（データ収集用フロン

SRMの モ ー タ ド ラ イ バ に は， デ ジ タ ル 制 御 シ ス テ

トエンド：3560-C，アンプ：2178992，加速度ピックアップ：

ム（Mywayプ ラ スPE-Expert3） と イ ン バ ー タ ユ ニ ッType 4393，マイクロフォン：Type 4190）を用いた．

ト（Mywayプ ラ スMWINV-5R022）2台 を 組 み 合 わ せ た

振動測定時の加速度ピックアップの取り付け位置は各システムを使用し，2.1で示した電流ヒステリシス制御をモータとも図5に示す位置とした．加速度ピックアップは実装した．IMのドライバには汎用インバータ（富士電機

モータ筐体側面にワックスで付着させ，テープで補助してFRN0.75G1S-2J），BLDCMのドライバには付属ドライバ固定した．

（フーシンBLD4820）を用いた．負荷発生用IMのドライバ

騒音の音圧測定時のマイクロフォンの配置を図6に示には汎用インバータ（富士電機FRN2.2VG1S-2J）を用いた．

す．音圧の測定はモータの直下にて行い，各供試モータ― 25 ―島根県産業技術センター研究報告0.940.90

トルク [Nm]

トルク [Nm]

0.94

0.86
0.064

0.820.78

0.041

0.900.860.8204012080
時間 [msec]

160

図7SRMのトルク脈動波形

0.782004012080
時間 [msec]

図8IMのトルク脈動波形

160200

生用IMを駆動しない状態）の場合と，回転速度3000rpm0.90のときに0.7Nmが発生するように負荷発生用IMのトルク指令を設定した場合の2つの条件で測定を行った．なお，

0.068

0.86

0.7NmはSRMを現状の制御器を用いて逆転方向，回転速度3000rpmで駆動させているときに出せる最大のトルク値で0.82
0.780なかったため逆転とした．負荷トルクは，無負荷（負荷発0.94

トルク [Nm]

第55号 （2019）ある．
012080
時間 [msec]

40

図9160

3．結

2003.1BLDCMのトルク脈動波形

果トルク脈動特性

図7，8，9に表2の条件で駆動したSRM，IM，BLDCMそれぞれのトルク測定値の時間波形を示す．測定条件の回とマイクロフォンの距離はSRMが25.1mm，IMが2.5mm，転速度100rpmは今回評価に用いたモータの定格回転速度

BLDCMが44.1mmであった．また，騒音の測定では，人3000rpmに比べてかなり低速であったため，速度制御があ間の聴覚に対する影響を評価するために，マイクロフォンまり安定していなかった．そのため，モータの駆動特性にで測定された音圧を人間の聴覚の特性を反映したA特性の起因して生じていると思われる周期の短いトルク脈動より周波数重み付けで補正したA特性音圧レベルを用いた．Aも長い周期でトルクと回転速度が変動した（特にIMにお特性音圧レベルへの補正は音響/振動計測プラットフォーいて変動が大きかった）．図7～9は，その長周期で変動すムの機能を用いて行った．

る波形の平均値が0.85Nmになっているときの波形の一部

2.2.3 モータ駆動条件である．今回測定するトルク脈動は速度制御に起因すると表2にトルク脈動測定時の各供試モータの駆動条件を，みられる長周期のトルク変動とは異なるため，それらは切表3に振動及び騒音測定時の駆動条件を示す．測定は各種り離して考える．なお，それぞれの図中に，モータの駆動モータを速度制御で回転させ，負荷発生用IMで負荷トル特性起因と思われる短周期のトルク脈動のP-P値（Peak toクを加えることで行った．トルク脈動測定時の回転速度にpeak値）の代表値（測定値の最頻値に近い値）を数字でついては，トルク脈動は回転速度が低いときに顕著に表れ示してある．

ることや，トルク検出器のサンプリング速度（約3msec）

図7～9の波形から測定したトルク脈動のP-P値より，今でトルク脈動が観測可能かどうかを考慮して，定格回転回の測定条件・駆動制御システム環境でのSRMのトルク速度よりも大幅に低い100rpmとした．回転方向について脈動は正弦波駆動モータであるIMよりは大きく，同じ矩は，100rpmで逆転させるとBLDCMの速度制御が不安定形波駆動モータであるBLDCMとは同程度であることが分になったため正転とした．負荷トルクは，現状の制御器をかった．
今回の測定では，測定条件の回転速度100rpmの際に各用いてSRMが出せる最大の値とした．
振動及び騒音の測定時の回転速度は，各供試モータの供試モータのモータドライバの速度制御の安定性が悪く，モータドライバの速度指令値のつまみを手で回すことで，それに起因するものと思われる長周期のトルク変動が生じ0～3000rpmまで徐々に増やす方法をとった．回転方向にた．これは目的とするトルク脈動の測定にも影響している

ついては，正転ではSRMの回転速度が3000rpmまで上昇しと考えられるため，厳密な評価をするためには改善の必要― 26 ―

川島・大峠：スイッチトリラクタンスモータのトルク脈動，振動，騒音 特性評価

4.00

104.113.63
SRM1

加速度 [m/s 2]

加速度 [m/s 2]

100.10.01
BLDCM0.00102kIM10k
周波数 [Hz]0

音圧 [dB(A)]音圧 [dB(A)]

00.1
0.01

12020BLDCM

10k
周波数 [Hz]

BLDCM
2kIM10k
周波数 [Hz]

102.2
95.1
81.720k

SRM
BLDCM

6020IM
2k6.07モータの振動加速度測定結果の周波数特性

120603.36

図 図1111 負荷トルク
0.7 Nm（3000時）条件時の各供試負荷トルク0.7Nm（3000rpmrpm時）条件時の各供試モータの振動加速度測定結果の周波数特性

周波数特性

SRM

SRM

10.001020k

図図1010 無負荷時の各供試モータの振動加速度測定結果の無負荷時の各供試モータの振動加速度測定結果の周波数特性

96.8 92.085.7

4.91020k

図12
図 12 無負荷時の各供試モータのA特性音圧レベル
無負荷時の各供試モータの A 特性音圧レベル

IM02k10k
周波数 [Hz]20k

負荷トルク0.7Nm（3000rpmrpm時）条件時の各供試
図 図1313 負荷トルク0.7 Nm（3000時）条件時の各供試モータの A 特性音圧レベル測定結果の周波数特性測定結果の周波数特性測定結果の周波数特性

モータのA特性音圧レベル測定結果の周波数特性があると考えられる．

ステリシス制御を行っているため，負荷電流の大きさが変3.2

わるとモータドライバのスイッチング周波数が変わ

振動特性

図10に，無負荷の条件で回転速度を0～3000rpmまで変る特性があり，スイッチング周波数によるものと思われる化させた際に測定された各供試モータの振動加速度の08k ～14kHz付近の高周波側の振動成分が回転速度の変化～20kHzの周波数範囲のスペクトルについて，回転速度に応じて幅広い範囲に渡って大きくなる．このことから，が0rpmから3000rpmに達するまでの期間中の各周波数に

図10と図11のSRMの高周波側の振動成分が広い周波数範おける最大値をプロットしたグラフを，図11に回転速度囲で大きい値となっている．IMは正弦波駆動のため，モー3000rpmのときに0.7Nmの負荷トルクとなる条件で同様にタドライバのスイッチング周波数起因と思われる14kHz回転速度を変化させた際の同特性のグラフを示す．縦軸は付近以外の振動成分は他のモータと比べてかなり小さい．

対数軸としている．なお，図10，11には測定周波数範囲にBLDCMは矩形波駆動であることから，IMに比較するとおける各モータの振動加速度スペクトルの最大値が数字で振動が大きく，モータドライバのスイッチング周波数と思示してある．

われる20kHz付近の成分以外の周波数にも大きめのスペク

SRMは広い周波数において振動が大きく，他のモータトルがある．また，モータドライバのスイッチング周波数に比べて3kHz以下の低周波帯にある振動成分が大きいこ起因と思われる振動成分のスペクトル測定値は他のモータとが分かる．この周波数帯の振動成分は，回転周波数とそよりもかなり大きい．その周波数は使用した加速度ピックの高調波に関わる振動成分であると考えられる．その他のアップの帯域16.5kHzを超えており，加速度ピックアップ

モータはモータドライバのスイッチング周波数に関わる成の感度が低下する領域のため，実際のスペクトルはさらに分（IMは14kHz，BLDCMは20kHz）が顕著で，それ以外大きい可能性がある．の振動成分のスペクトルは比較的小さい．SRMは電流ヒ― 27 ―今回の振動測定の結果では，IMとBLDCMはモータドラ島根県産業技術センター研究報告第55号 （2019）

イバのスイッチング周波数起因の振動成分が最大となった

くなったが，周波数が高い部分は重みが小さいため，全体が，SRMだけはモータドライバのスイッチング周波数でから見ると値は小さいものとなった．スペクトルの最大値はない，より低周波の成分の振動が最大となった．また，はSRMが最も大きく，次いでIM，BLDCMとなっており，SRMは回転速度の変化に伴って広い周波数範囲で大きなIMとBLDCMの値の大小関係が振動の測定結果とは異な振動を生じる特性があることが分かった．このことはモーるものとなった．これは，IMとマイクロフォンとの距離タを適用するアプリケーションによって様々な問題を生じが2.5mmと非常に近かったのに対して，BLDCMは44.1mmる可能性があるため，改善が望まれるところである．と離れていたことが原因として考えられる．スペクトルが3.3最大値を記録した周波数はどのモータも1kHz近辺であっ騒音特性

図12に，無負荷の条件で回転速度を0～3000rpmまで変化させた際の各供試モータのA特性音圧レベル測定結果のた．また，全体的に見て，騒音のスペクトルは振動に比べると供試モータ間での差は小さかった．

0～20kHzの周波数範囲のスペクトルについて，回転速度以上の騒音測定の結果から，SRMは回転速度の変化にが0rpmから3000rpmに達するまでの期間中の各周波数に伴って広い周波数範囲で騒音が大きくなる特性があることおける最大値をプロットしたグラフを，図13に回転速度が分かった．その点は騒音対策を難しくする要因になりえ3000rpmのときに0.7Nmの負荷トルクとなる条件で同様にるため，改善が望まれるところである．

回転速度を変化させた際の同特性のグラフを示す．なお，

本報で報告した騒音測定では周囲環境音が排除されてい図12，13には測定周波数範囲における各モータの騒音の音なかったことから，測定結果にその影響が無視できないレ

圧レベルスペクトルの最大値が数字で示してある．

ベルで表れた．また，各供試モータとマイクロフォンの距

図12及び図13の結果のスペクトルは，マイクロフォン離がそれぞれ異なっており，その差も測定に影響したもので測定した音圧にA特性の重みづけをしているため低周波と考えられる．十分な評価をしていくためには測定環境と側が大きく，どのモータにおいても1k ～3kHz付近の成分マイクロフォンの配置を見直す必要があると考えられる．

が最も大きくなった．1k ～3kHz辺りのスペクトルが大き文くなった原因には，周囲環境の音，特に電源装置の冷却ファンの稼働音も影響しているものと考えられる．SRM
では，回転速度の変化に応じてモータドライバのスイッチング周波数が変わるため，振動と同様に8k ～14kHzにわ1）内藤治夫. スイッチトリラクタンスモータの課題と対策. 電気学会誌. 2008, vol.128, no.4, p.227-230.
2）石川裕記, 鎌田義信, 内藤治夫. スイッチトリラクタンスモータの瞬時トルクを一定にする電流波形とその波形成形制御法. 電気たる範囲の高周波側の成分が他のモータと比較して大きくなった．IMとBLDCMでは，振動特性と同様にモータドライバのスイッチング周波数のところでスペクトルが大き献

学会論文誌D. 2005, vol.125, no.12, p.1113-1121.
3）川島崇宏, 大峠忍. スイッチトリラクタンスモータの駆動制御技― 28 ―

術開発. 島根県産業技術センター研究報告. 2017, no.53, p.7-12.