5.3.1 各種波形比較
提案手法の有用性をFEAと回路シミュレータ(MATLAB/Simulink)の連成解析を用いて確認する。
解析条件は表5.1に示す。図3.2に示したモデルにF-DWの駆動を行った解析モデルを用いて従来の弱 め磁束制御(以下，Conventional method)と提案する鉄損抑制制御(以下，Proposed method)を行っ た際の各波形を図5.4に示し，そのFFT結果を図5.5にまとめる。また，高調波重畳のゲインの決め方 であるが，λd3，λq3，λd5，λq5それぞれの鎖交磁束数の脈動が±1 mWb 程度となるように試行錯誤的 に値を決定する。図5.4(a)および図5.5(a)より，補償前のティースの径方向磁束密度は前述したように 低次の高調波を多く含んでいることがわかる。続いて図5.4(b)および図5.5(b)に示した補償後の電流波 形では，通常の基本波成分に加え3 次，5 次，7 次及び9 次高調波電流を重畳していることが見てとれ る。磁束密度の高調波を打ち消す励磁を行っているためである。ここで図5.4(a)および図5.5(a) に示し
-1.2 -0.6 0 0.6 1.2
0 120 240 360
Flux density [T]
Electric angle [degree]
Conventional method Proposed method
(a)磁束密度分布
-90 -60 -30 0 30 60 90
0 120 240 360
Current [A]
Electric angle [degree]
Conventional method Proposed method
(b)通電電流波形
-100 -50 0 50 100
0 90 180 270 360
Voltage [V]
Electric angle [degree]
Conventional method Proposed method
(c)印加電圧波形
0 2 4 6 8 10 12
0 60 120 180 240 300 360
Torque [Nm]
Electric angle [degree]
Conventional method Proposed method
(d)トルク波形
図5.4 補償前後の各波形
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6
1st 3rd 5th 7th 9th 11th 13th
Flux density [T]
Harmonic order Conventional method Proposed method
(a)磁束密度分布
0 10 20 30 40 50 60
1st 3rd 5th 7th 9th 11th 13th
Current [A]
Harmonic order Conventional method Proposed method
(b)通電電流波形
0 10 20 30 40
1st 3rd 5th 7th 9th 11th 13th
Voltage [V]
Harmonic order Conventional method Proposed method
(c)印加電圧波形
0 1 2 3 4 5 6 7
1st 12th 24th 48th
Torque [Nm]
Harmonic order Conventional method Proposed method
(d)トルク波形
図5.5 補償前後の各波形のFFT結果
表5.1 鉄損抑制制御の解析条件
Parameters Value Unit
Rotating speed 6000 [min−1] Reference of fudamental current 37.5 [Arms]
Current phase 80 [degree]
た補償後の磁束密度に着目すると3 次，5 次，7 次および9 次高調波成分が大きく減少していることが わかる。また図5.4(c)および図5.5(c) に示した電圧波形に着目すると，補償後では振幅値が減少してい る。鎖交磁束数の低次高調波が減少したため誘起電圧の低次高調波も減少し，さらには電圧振幅の減少に 繋がったと考えられる。一方の図5.4(d)および図5.5(d)に示した出力トルク波形では，補償後における トルク脈動の増加が確認できる。特に12 次が多く増加しており，3次，5次，7次および9次高調波電流 を通電したためであると考えられる。
1.5
0.0 0.5 1.0
Iron loss density [MW/m3]
(a) Conventional method (b) Proposed method
図5.6 鉄損密度分布
0 40 80 120 160 200
Conventional method Proposed method
Iron loss [W]
Stator core hysteresis loss Stator core eddy current loss Rotor core hysteresis loss Rotor core eddy current loss
図5.7 鉄損計算結果
80%
85%
90%
95%
100%
Conventional method Proposed method
Power and loss
Iron loss Copper loss Output power
3826 3826
525 433
188
57.4
86.2 % 86.9 %
図5.8 出力と損失の内訳(図中の数値の単位：W)
5.3.2 鉄損の損失分離
各駆動における鉄損密度分布を図5.6に，式(3.43)を用いて算出した鉄損の損失分離結果を図5.7にそ れぞれ示す。鉄損抑制制御を行った場合，図5.6(b) に示したようにティースの鉄損が大幅に減少してい ることが見てとれる。ティースの径方向磁束密度の高調波成分を提案手法により打ち消したためである。
また，図5.7の損失分離に着目した場合も鉄損の合計値が最も低い値を示していることが明らかである。
特にステータの渦電流損が減少していることがわかる。
続いて効率の比較を行う。図5.8に補償前後の機械出力と銅損，鉄損を示す。同図の数値は表5.1の解 析条件におけるそれぞれの値を示しており，総和が入力電力に相当する。同図より基本波電流指令を揃え ているため，機械出力は一定であることわがかる。また式(3.44)からわかるように入力電力に対する機 械出力の比がモータ効率となる。図5.5(b)で示した通り高調波電流の通電により銅損が約25 %増加し ているものの，約70 %もの鉄損が低下していることから，モータ効率が約0.7 %程度向上していると言 える。
5.3.3 速度変化時における損失の増減
補償前後における各電流進角と鉄損の損失分離の関係を図5.9にまとめる。同図より補償後では全ての 電流進角において鉄損が減少していることがわかる。特に電流進角の増加に伴いステータの渦電流損が大 幅に減少しており，80 degree においては約70 %減少している。以上のことから，全ての電流進角にお いてステータの渦電流損を大幅に減少可能であり，特に電流進角が大きくなる領域で提案手法の有用性が 大きくなることが明らかとなった。
次に電流進角と速度を変化した際の全損失の増減を図5.10にまとめる。DCバス電圧60 Vとして算出 したF-DWの速度トルク特性を使用している。図5.10(a)は提案手法により増加する銅損の増加量を示 しており，図5.10(b)は提案手法により抑制できる鉄損の減少量を示している。図5.10(c)に示した±0 の閾値で区切られた境界線よりも高速域では効率が改善する範囲を示しており，効率が低下する領域を示 している。同図の結果より原理検証機では約5000 min−1以上の領域で効率改善が期待できると言える。
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450
0 10 20 30 40 50 60 70 80 0 10 20 30 40 50 60 70 80
Current phase [degree] Current phase [degree]
Conventional method Proposed method
Iron loss[W]
Rotor core eddy current loss Rotor core hysteresis loss Stator core eddy current loss Stator core hysteresis loss
図5.9 電流進角変化時の鉄損の内訳
表5.2 鉄損抑制制御の実験条件
Parameters Value Unit
Rotating speed 1000 to 6000 [min−1] Reference of fudamental current 37.5 [Arms]
Current phase 80 [degree]
DC-bus voltage 75 [V]
0 5 10 15 20 25
0 2000 4000 6000 8000
Torque [Nm]
Speed [min-1]
100 80 60 40 20 0
Difference of copper loss [W]
20 40 60
(a)銅損の増加分
0 5 10 15 20 25
0 2000 4000 6000 8000
Torque [Nm]
Speed [min-1]
0 -50 -100 -150 -200 -250
Difference of iron loss [W]
-25 -50
-100
(b)鉄損の減少分
0 5 10 15 20 25
0 2000 4000 6000 8000
Torque [Nm]
Speed [min-1]
+8 +4
±0 -4 -8
Efficiency [%]
±
±
±
±0
-12 -2
-4
+2
(c)全損失の増減の差
図5.10 速度毎の損失増減マップ