-5- 木 村 洋 介 *1 式 根 洋一郎 *2 阿 部 優 樹 *1 Yohsuke KIMURA Youichiro SHIKINE Yuki ABE Improvements of systems have always focused on higher reliability and lower cost. In the field of PMSM, in order to reduce the costs, the control method without magnetic pole position sensors has become common in industry. To increase the reliability, the “Saliency” which would contribute the output torque and the accuracy of the rotor position sensing should be adjusted so as not to make magnetic saturation when the motor would produce higher torque. This paper describes design approaches in IPMSM for automotive use where motor torque and inductance saliency are optimized in order to counter the magnetic saturation. Key Words: in-vehicle, position sensorless control, saliency, inductance, IPMSM, magnetic saturation 位置センサレス制御用 IPMSM に関する研究 ※ Study on IPMSM for Position Sensorless Control 1.まえがき 近年,生産設備等の産業界を中心に信頼性 向上,小型化,低コスト化をねらいとして磁極 位置センサレス運転の活用が普及し始めてい る.一方,自動車業界においては燃費向上をね らった電動デバイスの採用が加速するなか, システム機能の多様化と,それを満たす構造 の簡素化といった,相反した課題が顕在化し 始めている (1) . 自動車の電動デバイスは,コンプレッサ, ウォータポンプなどに代表される速度制御を 用いて駆動されるものと,スロットルバルブや 可変動弁機構のように,主として位置制御に より駆動されるものに大別できる.本研究で は,位置制御を用いた車載製品群のなかでも, 特に負荷条件,応答性,保持性の要求が厳しい と想定される機構を題材として,磁極位置セ ンサレスサーボモータの適用可能性を制御設 計とモータのハードウェア設計の観点で検討 をおこなっている.モータの磁気回路に対し てはセンサレス運転への制御適合性と高出力 密度化が求められるが,鉄心の磁気飽和等の 論文 影響によりその両立は困難となっている (2) . 本稿では,突極性に基づいた磁極位置セン サレス運転に適応する埋め込み型永久磁石同 期モータ(IPMSM)の設計手法と,その試作機 による評価結果について述べる. 2.モータ磁気回路に対する制御側 からの要求 今回センサレス運転をおこなうにあたり, Fig. 1 のようにモータの運転速度に対し,停 止低速域と中高速域で制御ロジックを切り替 えており,前者は回転子の位置によるインダ *1 先進技術研究部 *2 開発本部 システム PF 開発室 ※ 2014年6月6日受付,電気学会の許諾を得て,電気学会研究会資料回転機研究会 RM-13-115 より加筆修正して転載 Fig. 1 Sensorless control logic to running speed Control logic by inductance Switching point Time [sec] Speed [rpm] Control logic by BEMF
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ケーヒン技報 Vol.3 (2014)
木 村 洋 介*1 式 根 洋一郎*2 阿 部 優 樹*1
Yohsuke KIMURA Youichiro SHIKINE Yuki ABE
Improvements of systems have always focused on higher reliability and lower cost. In the field of PMSM, in order to reduce the costs, the control method without magnetic pole position sensors has become common in industry. To increase the reliability, the “Saliency” which would contribute the output torque and the accuracy of the rotor position sensing should be adjusted so as not to make magnetic saturation when the motor would produce higher torque. This paper describes design approaches in IPMSM for automotive use where motor torque and inductance saliency are optimized in order to counter the magnetic saturation.
Key Words: in-vehicle, position sensorless control, saliency, inductance, IPMSM, magnetic saturation
Phases and poles 3 phases, 6 polesDiameter of stator, Core length φ 70 mm, 20 mmType of lamination steel 50A800Number of stator slot 9 slotNumber of turns/slot 28 turnsType of magnet Nd-Fe-BMagnetic thickness (r direction) 3.1 mmInverter fc = 10 kHzMagnetic pole position sensor type Resolver
Phases and poles 3 phases, 6 polesDiameter of stator, Core length φ 70 mm, 47 mmType of lamination steel 50A1300Number of stator slot 9 slotNumber of turns/slot 12 turnsType of magnet Nd-Fe-BMagnetic thickness (r direction) 2.0 mmInverter fc = 10 kHzMagnetic pole position sensor type Resolver or Sensorless
1.5 [T]
2.0 [T] or more
3.5 [mm]
5 [mm]
contour plot [T]2.5
0.0
1.0
1.5
0.5
2.01.9 [T]
Fig. 4 Magnetic flux density distribution of first stage type motor (Phase current 50 Apeak)
を 28 ターンから 12 ターンに積極的に減らし,永久磁石の仮想的起磁力が支配的となる磁気回路にすることで低インダクタンス化を図った.ここで仮想的起磁力とは,電磁石磁気回路の電流起磁力に対する,永久磁石回路の仮想的な起磁力として扱っている(3).Fig. 5に一般的な d-q軸における電流,磁束,誘起電圧の基本ベクトル図を示す.voは誘起電圧,i a
は電流,Ψ aは永久磁石による磁束,Ψ0は全鎖交磁束,θは Ψ aと Ψ0の位相差を表している.低インダクタンス化を図ることで,高磁界領域の q軸電機子反作用 L q i qによる突極比低下を抑制した.また起動トルクは,コイル起磁力を減らした分,磁気回路をモータの回転軸線方向へサイズアップすることで確保した.
Table 3 Specification of Advanced type motor
Fig. 5 Fundamental vector figure (Id = 0)
200
160
120
80
40
50A
10A
Electrical angle [deg]
Indu
ctan
ce [
µH]
0 180150120906030
Fig. 3 First stage type motor inductance waveform in magnetic field analysis
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位置センサレス制御用 IPMSMに関する研究
2.5
2.0
1.5
1.0
0.0
0.5Threshold 1.4 [T]
50A1300
Magnetizing force H [A/m]
Flux
den
sity
B [
T]
10 100000100001000100
Fig. 6 B-H curve
②に関しては,利用上限となる磁束密度が材料の電磁鋼板が持つ磁気特性に依存することから,今回は 50A1300(JISC2552-1986)の無方向性電磁鋼板を選定した.Fig.6 に今回使用した 50A1300電磁鋼板の B-H 曲線を示す.ここでは,磁化力に対する磁束密度の変化量が大きく減少し始める 1.4 T を動磁場における最大磁束密度の利用上限として設定した.③に関してはステータ,ロータバックヨー
クともに磁路断面積を拡大し,高負荷時の磁束密度を 1.4 T 以内に抑制した.特にロータバックヨークの磁路面積拡大においては,V字型磁石配置による設計自由度の向上によるところが大きいと考えられる.Fig. 7 に同モータの磁気回路断面(1/3 モデル)における高負荷時の磁束密度分布を示す.また,Fig. 8には低負荷時と高負荷時の線間インダクタンス波形を示す.