EMWorks2Dを用いたアウターロータ永久磁石機の解析

序章

永久磁石BLDCモーターは、その高い出力密度と制御の容易さから、幅広い用途で使用されています。特に、外部回転子 PMBLDC は、ダイレクト ドライブの風力タービンや、ゴルフカーや電動自転車などの小型電気自動車で使用され、機械的なトランスミッションやギアボックスの必要性を軽減します。これにより、システム全体の効率が向上し、バッテリーの寿命が長くなります。このアプリケーション ノートでは、EMWorks2D ソフトウェアを使用して、表面に永久磁石を取り付けた外部回転子ラジアル フラックス BLDC モーターの性能を評価します。

ケーススタディ

モーターは、ステーターの 24 スロットと、ローターの表面に配置されたローターの 4 つの極を備えた外部回転子ラジアル フラックス BLDC モーターです。図 1 は、モーターの 2D モデルを示しています。

使用した材料を表 I に示します。

このモーターには、図 2 に示すように、1 コイルあたり 39 ターンの 2 層短絡ピッチ巻線が装備されています。

解析結果

このセクションでは、EMWorks2D を使用してさまざまな解析を実行し、モーターの性能を評価します。

無負荷結果

無負荷解析を使用して、1500 RPM の目的の速度で逆起電力と鎖交磁束が計算されます。この目的のために、逆起電力または鎖交磁束波形の 1 周期 (この場合は速度と極数を考慮して 20 ms) に対してシミュレーションが実行されます。その結果を図 3 と 4 に示します。位相逆起電力の最大値は約 250 V です。鎖交磁束は正弦波に近い滑らかな波形を示しますが、逆起電力波形にはスロットの影響により多少の歪みがあります。 .

図 3 - 三相逆起電力対時間

図 4. 三相磁束鎖交曲線対時間

EMWorks2D によって提供される多数の結果の 1 つに過ぎない外部回転子モーターの磁束マッピングを、t=10ms で 90 度の角度位置について次の図に示します。

図5 無負荷時の磁束分布

コギング トルクは、無負荷解析で得られるもう 1 つのパラメータです。通常、コギング トルクの周期は 1 スロット ピッチに等しくなります。したがって、コギング トルクの良好な分解能を得るには、より小さなステップで無負荷解析を実行することをお勧めします。図 6 に機械角 (度) に対するコギング トルクを示します。

図6 コギングトルク

負荷結果

2 番目のシミュレーション結果の部分は、特定の電圧または電流での機械のトルク発生能力を調べる負荷時のケース専用です。最大値 250 V、周波数 50 Hz の三相正弦波電圧が巻線に印加されます。この周波数は、1500 RPM の速度に相当します。 80 ミリ秒の 4 つの連続した期間で計算されたトルクの結果を図 7 に示します。トルク曲線は、最初は過渡的な挙動を示し、その後、平均値 35 Nm 付近で振動する定常状態に達します。

図7 オンロードトルク

鉄損の結果は、図 8 に示すように、時間に対する回転子と固定子の両方のコアに対して計算されます。明らかに、ほとんどの場合、固定子の鉄損は回転子の鉄損よりも相対的に高くなります。

図 8. ローターおよびステーター部品のコア損失曲線対時間

さまざまなステップでの負荷状態の磁束密度分布は、図 9 にアニメーション化されています。

発電機解析

最後の部分は、発電機モードの検討に専念しています。この種の発電機は、直接駆動風力タービンの用途に広く使用されています。以下に示すように、EMWorks2D の集積回路シミュレータを過渡運動解析と組み合わせて、25 オームの 3 つの対称抵抗負荷を三相巻線システムに接続します。

図 10. 発電機巻線と接続負荷のモデル回路

シミュレーションは 1500 rpm で実行されました。結果を図 11 と 12 に示します。これらの結果に基づいて、発電機は正弦波により近い EMF、つまり誘導電圧を生成します。読者は、この波形が無負荷解析によって得られた逆起電力とどのように異なるのかを尋ねるかもしれません。答えは、巻線インダクタンスが存在するため、相を流れる電流を即座に変更できないということです。これにより、負荷の発生条件で波形が滑らかになります。

図 11. 誘導電圧と時間 - 1500 rpm 速度

図 12 は、抵抗負荷による EMF 波形に類似した波形を持つ負荷電流を示しています。

図 12. 誘導電流と時間 - 速度 1500 rpm

図 13 に示すように、発電機モードで予想されるように、トルクは負であり、約 -20 Nm で振動します。

図 13. 1500 rpm 速度の発電機トルク

結論

このアプリケーション ノートでは、EMWorks2D シミュレーションを使用して外部回転子型PMBLDCの 2D 設計を検討します。モーターモードと発電機モードの両方が、過渡運動モジュールと回路シミュレーターを使用して無負荷および負荷時の解析で調査されました。この研究から、いくつかの設計上の洞察を得ることができます。たとえば、電気的出力パラメータと機械的出力パラメータの両方について、負荷時と無負荷時の動作モードには大きな違いがあります。さらに、モーターと発電機のモードもかなり異なります。

参考文献