非対称設計による内部永久磁石モータのトルクアップ

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序章

より効率的で信頼性の高い電気モーターの必要性が高まるにつれて、より高いトルク密度、より低いトルクリップル率、およびより低い電力損失などのより優れた性能特性を達成するための新しいアイデアが開発されました。最適化手順自体には、可能な限り最高の性能を達成するためのさまざまな設計パラメーターの解析など、さまざまな側面が含まれています [1]。興味深い解決策の 1 つは、電気モーターの効率を高めるための有望な代替手段を提供する「非対称」設計です [2]。

次の図は、対称および非対称内部永久磁石同期モーター (IPMSM) の比較を示しています。

図 1. 対称型と非対称型の IPMSM の比較

設計最適化の目標

非対称IPMSM設計では、改善されたトルク特性を達成することが主な目標です。したがって、選択された目的は、最大平均トルク、最小トルクリップル率、および最小コギング トルクです。

図2 IPMSMのトルク特性の検討

EMWorks2D ソリューション

設計仕様

次の表は、対称型と非対称型の両方の IPMSM の設計仕様の概要を示しています。ご覧のように、励磁パラメータと並んで固定子の寸法は同じです。 2 つのモーターの唯一の違いは、マグネット バリアの形状とサイズです。

表 1. 両方の IPMSM の設計仕様

シミュレーション結果

このセクションでは、EMWorks 2D で得られたコギング トルク、平均トルク、トルクリップルの結果を比較します。

コギングトルク

コギング トルクは、PM マシンの重要な出力パラメーターの 1 つです。このパラメーターは、ローターに配置された PM とステーターの歯の間の引力から生じます。そのため、発進時のドラグ力を発生させることができ、マシンのリップル率を高めることもできます。次の図に示すように、非対称設計アプローチを採用することにより、コギング トルクは 1.14 Nm から 0.056 Nm に大幅に減少しました。

図3 EMWorks2Dによるコギングトルク測定

平均トルク

機械の動作を分析するために、特定の現在の角度でさまざまな操作ポイントで平均トルクが測定されました。下の図は、同期機におけるトルク生成の基本概念を示しています。

図 4. IPMSM を含む同期機の出力トルク コンポーネント。

機械の平均トルクは 2 つの要素で構成されます。 1 つ目は、磁石とステータ フィールドの相互作用によって生成されるトルク (磁石トルク) で、2 つ目は、ステータ 磁場への鉄芯の引き付けの結果 (リラクタンス トルク) です。これにより、磁石トルク成分とリラクタンストルク成分を監視し、電流角度による変化を観察することができます。下の図は、対称構造と非対称構造の両方で測定されたトルク値を示しています。実証されているように、非対称設計の磁気トルクは対称設計よりも低くなりますが、非対称設計の合計トルクは、対称設計 (13. 88 Nm) と比較して高くなります (14.16 Nm)。磁石トルクの低減は磁石材料の削減によるものであり、総トルクの増加はバリアの非対称配置によるリラクタンス トルクの改善によるものです。

図 5. 測定されたトルク対現在の角度曲線

トルクリップル

非対称設計を採用することで、トルク波形のリップル率を大幅に低減できます。下の図は、リップル率が 73.93% (対称) から 19.19% (非対称) に減少したことを示しています。リップル率は、エアギャップ磁束高調波、コギング トルク、固定子の時間高調波、鉄心の飽和など、さまざまな要因に依存します。非対称設計は、エアギャップ磁束高調波に直接影響します。その結果、ロータの非対称性に基づくリップル率を最小限に抑えることができます。

図 6. 対称および非対称設計のトルク波形と MTPA 操作

結論

このアプリケーション ノートでは、非対称設計が IPMSM に与える影響を調べました。検討目的で、EMWorks2D シミュレーション環境は、無負荷および全負荷パフォーマンス解析のメイン ツールとして使用されています。 2 つの異なるモデル (対称および非対称) が生成されました。その結果、コギングトルクやリップル率などの特性を大幅に低減できることがわかりました。一方、磁石の体積を減らすと同時に、IPMSM の平均トルクを増加させることも可能です。

参考文献

[1] G. Lei, J. Zhu, Y. Guo, C. Liu, and B. Ma, “A review of design optimization methods for electrical machines,” Energies, vol. 10, no.   12, 2017, doi: 10.3390/en10121962
[2] W. Ren, Q. Xu, Q. Li, and L. Zhou, “Reduction of Cogging Torque and Torque Ripple in Interior PM Machines with Asymmetrical V-Type Rotor Design,” IEEE Trans. Magn., vol. 52, no. 7, pp. 3–7, 2016, doi: 10.1109/TMAG.2016.2530840