64
65
(a) Characteristics of stator current of the motor with the radial demagnetization.
(b) Characteristics of stator current of the motor with the axial demagnetization.
Fig.4.2. Measurement results under V/f constant control.
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3
0 0.5 1 1.5
Current [A]
Torque [N‧m]
Healthy R-2.5%
R-7.5%
R-5.0%
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3
0 0.5 1 1.5
Current [A]
Torque [N‧m]
Healthy Z-2.5%
Z-5.0%
Z-7.5%
66
(a) Characteristics of stator voltage of the motor with the radial demagnetization.
(b) Characteristics of stator voltage of the motor with the axial demagnetization.
Fig.4.3. Measurement results under V/f constant control.
60 65 70 75 80
0 0.5 1 1.5
Voltage [V]
Torque [N‧m]
Healthy R-2.5%
R-5.0%
R-7.5%
60 65 70 75 80
0 0.5 1 1.5
Voltage [V]
Torque [N‧m]
Healthy Z-2.5%
Z-5.0%
Z-7.5%
67
・径方向減磁機と軸方向減磁機の比較
図4.4に各負荷における磁石体積に対する各減磁機の電流と電圧値を示す。図 4.2 と図4.3 の特性を 2 次関数で近似することで各負荷の値を求めた。ここで，
凡例の Radial(Load0%)とは，径方向減磁機の負荷 0%時を示している。この図
から径方向減磁と軸方向減磁の特性にほとんど差はなく，V/f制御で運転時の特 性からそれを判別することは困難であることがわかる。
(a) Stator current vs. ratio of magnet volume.
(b) Stator voltage vs. ratio of magnet volume.
Fig.4.4. Comparison of the ratio of magnet volume under V/f constant control.
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3
0.92 0.94 0.96 0.98 1
Current [A]
Ratio of magnet volume
Radial(Load0%) Axial(Load0%) Radial(Load10%) Axial(Load10%) Radial(Load20%) Axial(Load20%) Radial(Load30%) Axial(Load30%)
60 65 70 75 80
0.92 0.94 0.96 0.98 1
Voltage [V]
Ratio of magnet volume
Radial(Load0%) Axial(Load0%) Radial(Load10%) 系列4
Radial(Load20%) Axial(Load20%) Radial(Load30%) Axial(Load30%)
68
4.2 ベクトル制御
ベクトル制御の実験用モデルを図4.5 に示す。DSP ブロック以外の各ブロッ クはシミュレーション用モデルと同じである。
エンコーダの初期位置について説明する。エンコーダの取り付け位置によっ て電流トルク特性が変化するため，磁石の入れ替えを行ってエンコーダを取り 付けた後に各減磁機でエンコーダの位置を合わせなければならない。方法とし ては，他のモータでIPMSMを回転させてW相起電力とモデル内のtheataeを 同時に測定する。theataeを1/360倍することでエンコーダの取り付け位置が判 明する。目標のエンコーダ位置に設定する場合は測定したエンコーダ位置との 差分だけモデル内のtheatae_offsetで足し引きすればよい。ここでは図4.6のよ うに起電力Vwの立ち上がりのゼロクロスを90degとしている。
実験装置は第 2 章の図 2.7 で示した構成と同一である。各相電流と各線間電 圧はセンサボックスから，トルクはトルクメータからDAQを通して測定用PC
の LabVIEW で測定した。測定時間は 3 秒間であり，サンプリング周波数は
50kHz である。実験条件については，インバータへの直流電圧 Vdc は240V，
回転速度は1500min-1，負荷は無負荷，定格の10%～80%まで10%刻みとした。
69
Fig.4.5. Block diagram for PMSM controlled by vector strategy.
Fig.4.6. EMF wave form (Vw).
-60 -40 -20 0 20 40 60
0 90 180 270 360
Voltage [V]
Rotor position [deg]
70
図4.7(a)に径方向減磁機，図4.7(b)に軸方向減磁機の相電流の特性を示す。シ
ミュレーションと同様な傾向が得られたが，実験結果の方が減磁による電流の 増加量が大きくなっていることが分かる。図 4.8(a)に径方向減磁機，図 4.8(b) に軸方向減磁機のdq軸電流の特性を示す。q軸電流も相電流と同様にシミュレ ーションよりも値が大きくなっていることが分かる。この原因としては，実験 ではidを完全に0できていないことが考えられる。id＝0でない場合，iqは次 式で表される。
𝑖𝑞 = 𝑇
𝑝{𝛷 + (𝐿𝑑 − 𝐿𝑞)𝑖𝑑} (4.1) Ld＜Lq，idhealthy＜idfaultyであるから，減磁による iq の増加量が大きくなり，
相電流も同様に大きくなったと考えられる。図4.9(a)に径方向減磁機，図4.9(b) に軸方向減磁機の線間電圧の特性を示す。シミュレーションと同様な傾向が得 られたが，健全機＝減磁機となる負荷の値が異なっていることが分かる。この 原因としては，電流の増加量が大きいことやシミュレーションではid=0となっ ているが，実験では完全にid=0とはなっていないため，その分のd軸電圧上昇 によって電圧特性が変化したことが考えられる。図4.10(a)に径方向減磁機，図 4.10(b)に軸方向減磁機の入力の特性を示す。実験ではシミュレーション結果よ りも負荷時において大きな差が見られる。この原因としては，実験の電流値が 大きくなっていることと，電圧特性が異なることが原因だと思われる。図4.11(a) に径方向減磁機，図4.11(b)に軸方向減磁機の力率の特性を示す。シミュレーシ ョンと同様に健全機＞減磁機となっていることが分かる。
71
(a) Characteristics of stator current of the motor with the radial demagnetization.
(b) Characteristics of stator current of the motor with the axial demagnetization.
Fig.4.7. Measurement results of stator current under vector control.
0 1 2 3 4 5 6 7
0 1 2 3 4
Current [A]
Torque [N・m]
Healthy R-2.5%
R-5.0%
R-7.5%
0 1 2 3 4 5 6 7
0 1 2 3 4
Current [A]
Torque [N・m]
Healthy Z-2.5%
Z-5.0%
Z-7.5%
72
(a) Characteristics of q-axis current of the motor with the radial demagnetization.
(b) Characteristics of q-axis current of the motor with the axial demagnetization.
Fig.4.8. Measurement results of q-axis current under vector control.
0 2 4 6 8 10 12
0 1 2 3 4
Current [A]
Torque [N・m]
Healthy R-2.5%
R-5.0%
R-7.5%
0 2 4 6 8 10 12
0 1 2 3 4
Current [A]
Torque [N・m]
Healthy Z-2.5%
Z-5.0%
Z-7.5%
iq
id
iq
id
73
(a) Characteristics of stator voltage of the motor with the radial demagnetization.
(b) Characteristics of stator voltage of the motor with the axial demagnetization.
Fig.4.9. Measurement results of stator voltage under vector control.
60 70 80 90 100 110 120 130
0 1 2 3 4
Voltage [V]
Torque [N・m]
Healthy R-2.5%
R-5.0%
R-7.5%
60 70 80 90 100 110 120 130
0 1 2 3 4
Voltage [V]
Torque [N・m]
Healthy Z-2.5%
Z-5.0%
Z-7.5%
74
(a) Characteristics of power of the motor with the radial demagnetization.
(b) Characteristics of power of the motor with the axial demagnetization.
Fig.4.10. Measurement results of input power under vector control.
0 200 400 600 800 1000 1200
0 1 2 3 4
Power [W]
Torque [N・m]
Healthy R-2.5%
R-5.0%
R-7.5%
0 200 400 600 800 1000 1200
0 1 2 3 4
Power [W]
Torque [N・m]
Healthy Z-2.5%
Z-5.0%
Z-7.5%
75
(a) Characteristics of power factor of the motor with the radial demagnetization.
(b) Characteristics of power factor of the motor with the axial demagnetization.
Fig.4.11. Measurement results of power factor under vector control.
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2
0 1 2 3 4
Power factor
Torque [N・m]
Healthy R-2.5%
R-5.0%
R-7.5%
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2
0 1 2 3 4
Power factor
Torque [N・m]
Healthy Z-2.5%
Z-5.0%
Z-7.5%
76
・径方向減磁と軸方向減磁の各物理量比較
図 4.12 に磁石体積に対する各減磁機の相電流特性の傾きを示す。同一の磁 石量で比較した場合，径方向減磁と軸方向減磁で差がないことが分かる。図4.13 にq軸電流の結果を示す。q軸電流も相電流と同様な結果となった。図4.14に 各負荷における磁石体積に対する各減磁機の電圧を示す。(a)が負荷 0%～20%，
(b)が負荷 30%～50%，(c)が負荷 60%～80%である。同様に図 4.15 に入力，図
4.16 に力率の結果を示す。電圧，入力，力率で径方向減磁と軸方向減磁で差が ないことが分かる。このことから，ベクトル制御下においても減磁量が同一の 場合は駆動時の特性から径方向減磁と軸方向減磁を判別することは困難である。
Fig.4.12. Stator current vs. ratio of magnet volume.
Fig.4.13. q-axis current vs. ratio of magnet volume.
0 0.5 1 1.5 2 2.5
0.92 0.94 0.96 0.98 1
Slope of current
Ratio of magnet volume
Radial demagnetization Axial demagnetization
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5
0.92 0.94 0.96 0.98 1
Slope of q-axis current
Ratio of magnet volume
Radial demagnetization Axial demagnetization
77
(a) Load0%~ Load20%
(b) Load30%~ Load50%
50 55 60 65 70 75 80
0.92 0.94 0.96 0.98 1
Voltage [V]
Ratio of magnet volume
Radial(Load0%) Axial(Load0%) Radial(Load10%) Axial(Load10%) Radial(Load20%) Axial(Load20%)
60 70 80 90 100 110
0.92 0.94 0.96 0.98 1
Voltage [V]
Ratio of magnet volume
Radial(Load30%) Axial(Load30%) Radial(Load40%) Axial(Load40%) Radial(Load50%) Axial(Load50%)
78
(c) Load60%~ Load80%
Fig.4.14. Stator voltage vs. ratio of magnet volume.
(a) Load0%~ Load20%
90 100 110 120 130
0.92 0.94 0.96 0.98 1
Voltage [V]
Ratio of magnet volume
Radial(Load60%) Axial(Load60%) Radial(Load70%) Axial(Load70%) Radial(Load80%) Axial(Load80%)
0 50 100 150 200
0.92 0.94 0.96 0.98 1
Power [W]
Ratio of magnet volume
Radial(Load0%) Axial(Load0%) Radial(Load10%) Axial(Load10%) Radial(Load20%) Axial(Load20%)
79
(b) Load30%~ Load50%
(c) Load60%~ Load80%
Fig.4.15. Input power vs. ratio of magnet volume.
0 100 200 300 400 500 600
0.92 0.94 0.96 0.98 1
Power [W]
Ratio of magnet volume
Radial(Load30%) Axial(Load30%) Radial(Load40%) Axial(Load40%) Radial(Load50%) Axial(Load50%)
0 200 400 600 800 1000 1200
0.92 0.94 0.96 0.98 1
Power [W]
Ratio of magnet volume
Radial(Load60%) Axial(Load60%) Radial(Load70%) Axial(Load70%) Radial(Load80%) Axial(Load80%)
80
(a) Load0%~ Load20%
(b) Load30%~ Load50%
0.8 0.85 0.9 0.95 1 1.05
0.92 0.94 0.96 0.98 1
Power factor
Ratio of magnet volume
Radial(Load0%) Axial(Load0%) Radial(Load10%) Axial(Load10%) Radial(Load20%) Axial(Load20%)
0.8 0.84 0.88 0.92 0.96 1
0.92 0.94 0.96 0.98 1
Power factor
Ratio of magnet volume
Radial(Load30%) Axial(Load30%) Radial(Load40%) Axial(Load40%) Radial(Load50%) Axial(Load50%)
81
(c) Load60%~ Load80%
Fig.4.16. Power factor vs. ratio of magnet volume.
0.7 0.74 0.78 0.82 0.86 0.9
0.92 0.94 0.96 0.98 1
Power factor
Ratio of magnet volume
Radial(Load60%) Axial(Load60%) Radial(Load70%) Axial(Load70%) Radial(Load80%) Axial(Load80%)
82
4.3 減磁診断
実験より得られた各物理量について減磁診断を行う。
・V/f一定制御
各負荷について健全機の値を基準として減磁機の値との差を求めることで減磁 診断を行った。表4.1 と表4.2 にV/f一定制御での電流の減磁診断結果を示す。
軽負荷時では健全機＜減磁機となり，減磁の判別はできるが減磁量の診断は不 可能である。表4.3と表4.4にV/f一定制御での電圧の減磁診断結果を示す。電 圧は健全機と減磁機で差が出ないため減磁診断は不可能である。したがって，
V/f一定制御では，電流を用いることで減磁機の判別が可能である。
Table.4.1. Failure diagnosis of stator current of the motor with the radial demagnetization under V/f constant control
Load R-2.5% [%] R-5.0% [%] R-7.5% [%]
0% 26.7 49.4 76.5
10% 12.0 32.1 56.6
20% 4.90 17.5 27.7
30% 9.32 13.3 11.1
Table.4.2. Failure diagnosis of stator current of the motor with the axial demagnetization under V/f constant control
Load Z-2.5% [%] Z-5.0% [%] Z-7.5% [%]
0% 23.51 51.51 72.78
10% 12.35 32.40 60.11
20% 6.65 18.12 26.03
30% 6.54 14.86 7.09
83
Table.4.3. Failure diagnosis of stator voltage of the motor with the radial demagnetization under V/f constant control
Load R-2.5% [%] R-5.0% [%] R-7.5% [%]
0% 0.00 -0.517 -0.445
10% 0.401 0.711 0.604
20% 0.500 0.963 0.718
30% 0.273 0.168 -0.169
Table.4.4. Failure diagnosis of stator voltage of the motor with the axial demagnetization under V/f constant control
Load Z-2.5% [%] Z-5.0% [%] Z-7.5% [%]
0% -1.56 -1.71 -1.23
10% 0.081 0.146 0.212
20% 0.766 1.07 0.944
30% 0.406 0.963 0.894
84
・ベクトル制御
実験結果は各モータの測定時に負荷の大きさにばらつきがあり同トルクで比 較できないため，電流については 1 次関数で近似して健全機の傾きを基準とし て減磁機の傾きとの差を求めることで減磁診断を行った。相電流の径方向減磁 機の結果を表4.5に，軸方向減磁機の結果を表4.6に示す。シミュレーション結 果よりも実験結果の方が減磁による電流の増加量大きくなってしまったために，
電流による減磁量の診断は困難であるが，減磁機の判別は可能である。表 4.7 と表 4.8 に q 軸電流の結果を示すが，相電流と同様な結果になった。電圧につ いては3次関数で近似して各負荷で減磁診断を行った。表4.9と表4.10に電圧 の結果を示す。無負荷時では減磁量の診断が可能であることが分かる。健全機
＝減磁機となる負荷の時では減磁診断は不可能であり，それ以外の負荷では減 磁機の判別は可能であることが分かる。入力と力率については 2 次関数で近似 して各負荷で減磁診断を行った。入力の診断結果を表4.11と表4.12に，力率の 診断結果を表4.13と表4.14に示す。入力と力率ともに減磁機の判別が可能であ ることが分かる。
Table.4.5. Failure diagnosis of stator current of the motor with the radial demagnetization under vector control
Load R-2.5% [%] R-5.0% [%] R-7.5% [%]
Mean 4.13 11.0 16.5
Table.4.6. Failure diagnosis of stator current of the motor with the axial demagnetization under vector control
Load Z-2.5% [%] Z-5.0% [%] Z-7.5% [%]
Mean 5.15 11.9 17.5
Table.4.7. Failure diagnosis of q-axis current of the motor with the radial demagnetization under vector control
Load R-2.5% [%] R-5.0% [%] R-7.5% [%]
Mean 4.02 11.3 16.9
Table.4.8. Failure diagnosis of q-axis current of the motor with the axial demagnetization under vector control
Load Z-2.5% [%] Z-5.0% [%] Z-7.5% [%]
Mean 5.00 11.9 17.3
85
Table.4.9. Failure diagnosis of stator voltage of the motor with the radial demagnetization under vector control
Load R-2.5% [%] R-5.0% [%] R-7.5% [%]
0% -2.66 -5.07 -7.86
10% -1.71 -3.16 -4.82
20% -0.825 -1.30 -1.96
30% -0.0333 0.374 0.577
40% 0.615 1.73 2.62
50% 1.12 2.72 4.13
60% 1.47 3.34 5.11
70% 1.71 3.62 5.62
80% 1.84 3.54 5.67
Table.4.10. Failure diagnosis of stator voltage of the motor with the axial demagnetization under vector control
Load Z-2.5% [%] Z-5.0% [%] Z-7.5% [%]
0% -2.46 -5.58 -8.52
10% -1.26 -3.45 -5.24
20% -0.262 -1.45 -2.20
30% 0.550 0.346 0.474
40% 1.16 1.80 2.62
50% 1.58 2.90 4.24
60% 1.85 3.64 5.34
70% 2.00 4.08 6.00
80% 2.04 4.22 6.22
86
Table.4.11. Failure diagnosis of input power of the motor with the radial demagnetization under vector control
Load R-2.5% [%] R-5.0% [%] R-7.5% [%]
0% 0.00 0.00 0.00
10% -2.37 5.53 8.63
20% -0.932 6.21 9.66
30% 0.407 6.83 10.6
40% 1.63 7.41 11.5
50% 2.75 7.94 12.3
60% 3.77 8.41 13.0
70% 4.72 8.86 13.7
80% 5.61 9.28 14.4
Table.4.12. Failure diagnosis of input power of the motor with the axial demagnetization under vector control
Load Z-2.5% [%] Z-5.0% [%] Z-7.5% [%]
0% 0.00 0.00 0.00
10% 2.21 5.64 7.60
20% 2.32 6.28 8.70
30% 2.41 6.88 9.72
40% 2.51 7.43 10.7
50% 2.59 7.93 11.5
60% 2.67 8.38 12.3
70% 2.74 8.81 13.0
80% 2.80 9.21 13.7
87
Table.4.13. Failure diagnosis of power factor of the motor with the radial demagnetization under vector control
Load R-2.5% [%] R-5.0% [%] R-7.5% [%]
0% -5.88 -6.79 -8.11
10% -0.717 -1.51 -2.17
20% -1.82 -3.14 -4.31
30% -2.05 -4.17 -5.72
40% -2.37 -4.98 -6.83
50% -2.77 -5.56 -7.61
60% -3.26 -5.86 -8.00
70% -3.85 -5.88 -8.01
80% -4.53 -5.59 -7.58
Table.4.14. Failure diagnosis of power factor of the motor with the axial demagnetization under vector control
Load Z-2.5% [%] Z-5.0% [%] Z-7.5% [%]
0% -5.73 -6.96 -8.47
10% -1.20 -1.36 -2.26
20% -2.26 -3.13 -4.67
30% -2.78 -4.08 -6.12
40% -3.21 -4.86 -7.25
50% -3.55 -5.44 -8.04
60% -3.77 -5.81 -8.44
70% -3.89 -5.95 -8.43
80% -3.87 -5.84 -7.98
88