JP2014199500A - Advance simulation method and advance simulation program - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an advance simulation method and an advance simulation program which allow the optimum advance value to be obtained in three-dimensional magnetic field analysis for obtaining the efficiency of a motor on a computer.SOLUTION: An advance value and motor efficiency are computed on the basis of a converged position detection error obtained by: an input step of inputting required parameters; a three-dimensional magnetic field analysis processing step of performing three-dimensional magnetic field analysis processing on a computer on the basis of respective input parameters to obtain at least a magnetic flux density as a three-dimensional magnetic field analysis processing result; a position detection error computation step of computing a position detection error due to an influence of a magnetic flux density from a stator, of a position detection signal of a rotor based on a magnetic flux density of a magnet to be detected by position detection means, on the basis of the magnetic flux density of the magnet to be detected by position detection means; and a convergence determination step of determining whether the position detection error is converged or not by adding the position detection error to the advance value to repeat the three-dimensional magnetic field analysis processing step and the position detection error computation step.

Description

本発明は、エアコン用ファンモータの設計において最適な電圧進角を決定するための進角シミュレーション方法に関するものである。   The present invention relates to an advance angle simulation method for determining an optimum voltage advance angle in the design of a fan motor for an air conditioner.

エアコン用ファンモータでは小型かつ高効率な性能が求められるため、様々な工夫を凝らして設計を行っている。その際、ロータ(回転子)、ステータ(固定子)等の物理的構造のほか、ロータの位置検出のためのホール素子の配置位置、複数の負荷点それぞれにおいてモータ効率が最大となる最適な電圧進角の進角値(ステータ巻線(電機子コイル)への通電タイミングを制御するパラメータ)など、モータの性能向上のために決定しなければならないパラメータは多数ある。   Air conditioner fan motors are required to be compact and highly efficient, so they have been designed with various ingenuity. At that time, in addition to the physical structure of the rotor (rotor), stator (stator), etc., the optimal voltage that maximizes the motor efficiency at each of the multiple load points, as well as the position of the Hall element for detecting the rotor position There are many parameters that must be determined for improving the performance of the motor, such as the advance value of the advance angle (a parameter that controls the timing of energization of the stator winding (armature coil)).

これらの設計を効率よく行うための手法として、3次元磁界解析モデルによるシミュレーションが挙げられる。3次元磁界解析モデルは、図7に示すように、モータのロータ、ステータ等の構造物をメッシュで立体的に表現して、更に材料特性等の初期値を与えることで、電流を流した際の磁界変化をコンピュータ上でシミュレーション可能にしたものである。これによってモータの効率等をコンピュータ上で演算することができる。   As a technique for efficiently performing these designs, there is a simulation using a three-dimensional magnetic field analysis model. As shown in FIG. 7, the three-dimensional magnetic field analysis model is a three-dimensional representation of the structure of the motor rotor, stator, etc. The magnetic field change can be simulated on a computer. As a result, the efficiency of the motor can be calculated on the computer.

このように、設計段階でモータ性能を改善するためには、ステータとロータとの間の磁束の流れを決定する磁気回路およびモータの駆動を制御する駆動回路の各回路設計における磁界解析と回路解析のシミュレーションの活用が欠かせなくなってきている。そして、エアコン用ファンは回転数とともにトルクが増加する負荷特性を持ち、複数の負荷点それぞれにモータ効率が最大となる最適な電圧進角が存在するため、電圧進角はモータ性能を決める重要なパラメータである。   Thus, in order to improve motor performance at the design stage, magnetic field analysis and circuit analysis in each circuit design of the magnetic circuit that determines the flow of magnetic flux between the stator and the rotor and the drive circuit that controls the drive of the motor. The use of simulation is becoming indispensable. The air conditioner fan has a load characteristic in which the torque increases with the rotation speed, and there is an optimum voltage advance angle at which the motor efficiency is maximized at each of the plurality of load points. Therefore, the voltage advance angle is important in determining the motor performance. It is a parameter.

モータ効率が最大となるようにモータを駆動するには、ホール素子によってロータの回転位置を正確に検出して、駆動回路により電機子コイルへの通電を適切な電圧進角で行う必要がある。しかし、ホール素子はロータの磁石磁束だけでなく、電機子コイルが発生する磁束も検知するため、位置信号に誤差が生じ、適切な電圧進角での通電ができずに効率低下の要因となる。よって、駆動回路設計において磁気回路の影響を考慮することが必要である。しかし、ホール素子の出力電圧は数10mVと小さいため、磁気回路の影響を判断するような高精度な測定は困難である。さらには測定系が出力電圧に影響し位置検出が異常となりモータの駆動自体に異常をきたすため、この現象の測定は困難となっている。   In order to drive the motor so as to maximize the motor efficiency, it is necessary to accurately detect the rotational position of the rotor by the Hall element and to energize the armature coil with an appropriate voltage advance angle by the drive circuit. However, since the Hall element detects not only the magnetic flux of the rotor but also the magnetic flux generated by the armature coil, an error occurs in the position signal, and the current cannot be energized at an appropriate voltage advance, causing a reduction in efficiency. . Therefore, it is necessary to consider the influence of the magnetic circuit in the drive circuit design. However, since the output voltage of the Hall element is as small as several tens of mV, it is difficult to perform highly accurate measurement that determines the influence of the magnetic circuit. Furthermore, measurement of this phenomenon is difficult because the measurement system affects the output voltage and the position detection becomes abnormal and the motor itself is abnormal.

特許文献1には、ホール素子が電機子コイルからの磁束によって悪影響を受けるという問題に鑑みて、位置センサとコイルとの間にシールドが介在させることで、コイルから位置センサに向う磁束がシールドにより遮蔽されて、位置センサがコイルからの磁束の影響で誤動作することが防止されるという永久磁石形モータが開示されている。
特開2002−153039号公報
In Patent Document 1, in view of the problem that the Hall element is adversely affected by the magnetic flux from the armature coil, a shield is interposed between the position sensor and the coil so that the magnetic flux from the coil to the position sensor is caused by the shield. A permanent magnet type motor that is shielded and prevents the position sensor from malfunctioning due to the influence of magnetic flux from the coil is disclosed.
JP 2002-153039 A

前記特許文献1の構成によればホール素子によるロータ位置検出の精度は向上するが、モータの構造上の制約が加わるという問題がある。特殊な構造を採用せずとも、ロータ位置検知誤差も考慮した最適な進角を設定できることが理想的である。   According to the configuration of Patent Document 1, the accuracy of detecting the rotor position by the Hall element is improved, but there is a problem in that restrictions on the structure of the motor are added. Ideally, an optimum advance angle can be set in consideration of the rotor position detection error without adopting a special structure.

ところで、図17に示すのは、従来の3次元磁界解析処理によってモータの効率をシミュレーションする場合の流れを示したフローチャートである。モータの構造上の特性を決定するためのパラメータが入力済みの3次元磁界解析モデルが既に存在するものとする。例えば、ステータの巻線抵抗R、R、R[Ω]は入力済みのパラメータである。この3次元磁界解析モデルにおいて、先ず、効率を求めたいモータの回転数N[rpm]、目標とするトルクT[Nm]、及び、進角値δ[deg]を入力する(S2201)。そして、n=1として(S2202)、3次元磁界解析を行って回転数N、進角値δ、電源電圧Vmnの条件において得られる結果トルクT[Nm]を求める(S2203)。そして、目標トルクTと結果トルクTとを比較する(S2204)。比較結果が離れている場合には、電源電圧Vmnを調整(結果トルクが目標トルクよりも大きければ電圧を減らし、小さければ電圧を増やすように調整)し(S2205)、n=n+1として(S2206)、調整後の電源電圧Vmnによって再度3次元磁界解析を行って結果トルクT[Nm]を求める(S2203)。この処理を繰り返して、目標トルクTと結果トルクTとがほぼ一致した(所定閾値以下となった)段階で結果トルクTと電源電圧Vmnを得る。 Incidentally, FIG. 17 is a flowchart showing a flow in the case of simulating the efficiency of the motor by the conventional three-dimensional magnetic field analysis processing. It is assumed that there is already a three-dimensional magnetic field analysis model in which parameters for determining structural characteristics of the motor have been input. For example, stator winding resistances R u , R v , R w [Ω] are already input parameters. In this three-dimensional magnetic field analysis model, first, the motor rotational speed N t [rpm], the target torque T t [Nm], and the advance value δ [deg] for which efficiency is to be obtained are input (S2201). Then, the n = 1 (S2202), 3-dimensional magnetic field analysis of the performed by the rotation speed N t, advance value [delta], obtaining a result torque T n [Nm] obtained in the conditions of the supply voltage V mn (S2203). Then, the target torque T t and the resultant torque T n are compared (S2204). If the comparison results are far from each other, the power supply voltage V mn is adjusted (adjusted to decrease the voltage if the resultant torque is larger than the target torque and increase the voltage if the resultant torque is smaller) (S2205), and n = n + 1 (S2206). ) A three-dimensional magnetic field analysis is again performed using the adjusted power supply voltage V mn to obtain a result torque T n [Nm] (S2203). By repeating this process, the result torque T n and the power supply voltage V mn are obtained when the target torque T t and the result torque T n substantially coincide (below a predetermined threshold).

得られた結果トルクTと電源電圧Vmnからモータ効率を演算する。
モータ効率=出力/入力×100[%]
出力=機械出力=2πN/60・T[W]
入力=投入電力[W]
投入電力≒機械出力+銅損+鉄損[W]
銅損=R・I +R・I +R・I
From the results obtained torque T n and the supply voltage V mn calculates the motor efficiency.
Motor efficiency = output / input x 100 [%]
Output = machine output = 2πN t / 60 · T n [W]
Input = input power [W]
Input power ≒ Machine output + Copper loss + Iron loss [W]
Copper loss = R u · I u 2 + R v · I v 2 + R w · I w 2

以上のようにして、3次元磁界解析モデルを用いることにより、磁界解析上のモータ効率を得ることができる。そして、磁界解析の際にパラメータとして入力する電圧進角の進角値を、磁界解析毎に変化させ、各進角値でのモータ効率を演算して比較することで、モータ効率が最大となる電圧進角(最適進角値)を得ることができるため、モータの設計効率を向上させるのに役立っている。   As described above, motor efficiency in magnetic field analysis can be obtained by using the three-dimensional magnetic field analysis model. Then, the advance value of the voltage advance angle input as a parameter in the magnetic field analysis is changed for each magnetic field analysis, and the motor efficiency at each advance angle value is calculated and compared to maximize the motor efficiency. Since the voltage advance angle (optimum advance angle value) can be obtained, it helps to improve the motor design efficiency.

しかし、前記3次元磁界解析において、磁界解析により得られる最適進角値は、実際に試作されたモータで実験的に得られた最適進角値とは異なることが知られており、最終的には、進角値の候補ごとに実機を製作して効率評価試験を行い、効率が最大となるものを最適進角値として決定していたため、最適進角値の決定までに工数が掛かるという問題があった。本発明の発明者は、磁界解析上の最適進角値と試作モータにより得られた最適進角値との相違が、ホール素子などの位置検出手段に対する固定子からの磁束の影響による位置検知誤差にあることを見出した。   However, in the three-dimensional magnetic field analysis, it is known that the optimum advance value obtained by the magnetic field analysis is different from the optimum advance value obtained experimentally with the actually manufactured motor. The problem was that it took time to determine the optimum advance value because the actual machine was manufactured for each advance value candidate and the efficiency evaluation test was performed and the optimum advance value was determined as the optimum advance value. was there. The inventor of the present invention believes that the difference between the optimum advance value in the magnetic field analysis and the optimum advance value obtained by the prototype motor is a position detection error due to the influence of the magnetic flux from the stator on the position detecting means such as the Hall element. I found out.

本発明は、上記問題点に鑑みなされたものであり、ホール素子の検出する磁束密度をシミュレーションによって求め電圧進角の進角値を修正する3次元磁界回路連成解析手法を提案し、最適進角値を求めることが可能な進角値のシミュレーション方法及び進角値のシミュレーションプログラムを提供することを目的とするものである。   The present invention has been made in view of the above problems, and proposes a three-dimensional magnetic circuit coupled analysis method for obtaining the magnetic flux density detected by the Hall element by simulation and correcting the advance value of the voltage advance angle. An object of the present invention is to provide an advance value simulation method and an advance value simulation program capable of obtaining an angle value.

本発明の請求項1は、巻線が巻回された固定子と、磁石を有する回転子と、前記回転子の位置を前記磁石の磁束密度を測定することにより検出する位置検出手段とを具備したモータに関して、前記固定子巻線への通電タイミングを制御する進角値を含む制御パラメータと、前記モータの形状を特定する形状パラメータと、前記磁石の磁束密度を含む磁気特性パラメータと、前記回転子の回転数を含むモータの運転状態パラメータとを入力してコンピュータで3次元磁界解析処理を行うことで、磁束密度およびモータ効率をシミュレーションするシミュレーション方法であって、前記各パラメータを入力する入力手順と、入力された前記各パラメータに基づいてコンピュータで前記3次元磁界解析処理を行って、前記3次元磁界解析処理結果として少なくとも前記位置検出手段で検出されるべき磁束密度を得る3次元磁界解析処理手順と、前記位置検出手段で検出されるべき磁束密度に基づいて、前記位置検出手段で検出されるべき前記磁石の磁束密度に基づく前記回転子の位置検知信号の、前記固定子からの磁束の影響による位置検知誤差を演算する位置検知誤差演算手順と、前記位置検知誤差を前記進角値に加えて、前記3次元磁界解析処理手順及び前記位置検知誤差演算手順とを繰り返し、位置検知誤差が収束するか否かを判定する収束判定手順とによって得られた収束した位置検知誤差を前記進角値に加えた進角値および同進角値に基づくモータ効率をシミュレーションすることを特徴とする進角シミュレーション方法である。   Claim 1 of the present invention comprises a stator around which a winding is wound, a rotor having a magnet, and position detecting means for detecting the position of the rotor by measuring the magnetic flux density of the magnet. With respect to the motor, a control parameter including an advance value for controlling energization timing to the stator winding, a shape parameter specifying the shape of the motor, a magnetic characteristic parameter including a magnetic flux density of the magnet, and the rotation A simulation method for simulating magnetic flux density and motor efficiency by inputting a motor operating state parameter including the number of rotations of a child and performing a three-dimensional magnetic field analysis process by a computer, and an input procedure for inputting the parameters And the computer performs the three-dimensional magnetic field analysis process based on the input parameters, and the three-dimensional magnetic field analysis process result Based on the three-dimensional magnetic field analysis processing procedure for obtaining the magnetic flux density to be detected by at least the position detecting means and the magnetic flux density to be detected by the position detecting means, the magnet to be detected by the position detecting means A position detection error calculation procedure for calculating a position detection error due to the influence of magnetic flux from the stator of the rotor position detection signal based on the magnetic flux density, and adding the position detection error to the advance value, the 3 The convergence position detection error obtained by repeating the dimensional magnetic field analysis processing procedure and the position detection error calculation procedure to determine whether or not the position detection error converges is added to the advance value. An advance angle simulation method that simulates motor efficiency based on an angle value and a lead angle value.

本発明の請求項2は、巻線が巻回された固定子と、磁石を有する回転子と、前記回転子の位置を前記磁石の磁束密度を測定することにより検出する位置検出手段とを具備したモータに関して、前記固定子巻線への通電タイミングを制御する進角値を含む制御パラメータと、前記モータの形状を特定する形状パラメータと、前記磁石の磁束密度を含む磁気特性パラメータと、前記回転子の回転数を含むモータの運転状態パラメータとを入力してコンピュータで3次元磁界解析処理を行うことで、3次元磁界解析処理結果として磁束密度およびモータ効率をシミュレーションするシミュレーションプログラムであって、CPU、メモリ、外部記憶装置、及び、入力装置を具備したコンピュータにおいて、前記入力装置によって入力された前記各パラメータを外部記憶装置に記録する入力手順と、入力された前記パラメータに基づいて前記CPUで前記3次元磁界解析処理を行って前記3次元磁界解析処理結果として少なくとも前記位置検出手段で検出されるべき磁束密度を得て前記メモリに記憶する3次元磁界解析処理手順と、前記位置検出手段で検出されるべき磁束密度に基づいて、前記位置検出手段で検出されるべき前記回転子からの磁束密度に基づく前記回転子の位置検知信号の、前記固定子からの磁束の影響による位置検知誤差を前記CPUで演算して前記メモリに記憶する位置検知誤差演算手順と、前記位置検知誤差を前記進角値に加えて前記3次元磁界解析処理手順及び前記位置検知誤差演算手順とを繰り返し、位置検知誤差が収束するか否かを前記CPUで判定する収束判定手順とによって得られた収束した位置検知誤差を前記進角値に加えて前記CPUで演算して得た進角値および同進角値に基づくモータ効率をシミュレーション結果として前記メモリに記憶するようにしたことを特徴とする進角シミュレーションプログラムである。   According to a second aspect of the present invention, there is provided a stator around which a winding is wound, a rotor having a magnet, and position detecting means for detecting the position of the rotor by measuring the magnetic flux density of the magnet. With respect to the motor, a control parameter including an advance value for controlling energization timing to the stator winding, a shape parameter specifying the shape of the motor, a magnetic characteristic parameter including a magnetic flux density of the magnet, and the rotation A simulation program for simulating magnetic flux density and motor efficiency as a result of a three-dimensional magnetic field analysis process by inputting a motor operating state parameter including the number of rotations of a child and performing a three-dimensional magnetic field analysis process with a computer, In the computer provided with the memory, the external storage device, and the input device, each of the parameters input by the input device. An input procedure for recording a meter in an external storage device, and the CPU performs the three-dimensional magnetic field analysis processing based on the input parameters, and at least the position detection means should detect the result of the three-dimensional magnetic field analysis processing Based on the three-dimensional magnetic field analysis processing procedure for obtaining and storing the magnetic flux density in the memory and the magnetic flux density to be detected by the position detecting means, the magnetic flux density from the rotor to be detected by the position detecting means A position detection error calculation procedure in which a position detection error due to the influence of magnetic flux from the stator of the rotor position detection signal based on the CPU is calculated and stored in the memory, and the position detection error is converted into the advance value. In addition to the above three-dimensional magnetic field analysis processing procedure and the position detection error calculation procedure, the CPU determines whether or not the position detection error converges. The converged position detection error obtained by the constant procedure is added to the advance value, and the advance value obtained by calculation by the CPU and the motor efficiency based on the advance value are stored in the memory as simulation results. This is an advance angle simulation program characterized by the above.

本発明によれば、固定子巻線に通電することで発生する磁束によって生じる位置検知誤差を加えて修正された進角値が得られる。従って、実際のモータの最適進角値をシミュレーションすることができるので、進角値の候補ごとに実機を製作する工数を大幅に減少することができる。   According to the present invention, a corrected advance angle value is obtained by adding a position detection error caused by magnetic flux generated by energizing the stator winding. Therefore, since the optimum advance value of the actual motor can be simulated, the man-hour for manufacturing the actual machine for each advance value candidate can be greatly reduced.

解析対象機の概略形状を表した模式図である。It is a schematic diagram showing the schematic shape of the analysis object machine. 解析対象機の駆動回路を表した回路図である。It is a circuit diagram showing the drive circuit of the analysis object machine. 解析対象機のファン負荷特性と負荷点の効率を表したグラフである。It is a graph showing the fan load characteristic and the efficiency of a load point of an analysis object machine. ホール素子周辺の磁束線の様子を表した概略図である。It is the schematic showing the mode of the magnetic flux line around a Hall element. 対象機の駆動回路における位置検出の流れを示したフロー図である。It is the flowchart which showed the flow of the position detection in the drive circuit of an object machine. 対象機の駆動回路において位置検知誤差が生じる原理を表した説明図である。It is explanatory drawing showing the principle which a position detection error produces in the drive circuit of an object machine. 3次元磁界解析モデルの一例を表した模式図である。It is a schematic diagram showing an example of a three-dimensional magnetic field analysis model. U相の誘起電圧Vとスイッチング素子Tu1、Tu2のオンオフのタイミングを表したタイムチャート図である。It is a time chart showing the on-off timing of the U-phase induced voltage V u and the switching elements T u1 and T u2 . 本発明による進角シミュレーションの処理の流れを表したフローチャートである。It is a flowchart showing the flow of the advance angle simulation process by this invention. 実験機を評価するための測定システムを表したブロック図である。It is a block diagram showing the measurement system for evaluating an experimental machine. ホール素子配置を表した模式図であり、(a)はθ=0°、(b)はθ=60°である。It is the schematic diagram showing Hall element arrangement | positioning, (a) is (theta) h = 0 degree and (b) is (theta) h = 60 degree. 無負荷誘起電圧の解析結果と測定結果を表した波形図である。It is a wave form diagram showing the analysis result and measurement result of a no-load induced voltage. ホール素子配置がθ=0°の場合の磁束密度解析結果を表した波形図である。It is a wave form diagram showing the magnetic flux density analysis result in case Hall element arrangement | positioning is (theta) h = 0 degree. 図13の磁束密度BHzより換算したホール素子出力電圧波形を表した波形図である。It is a wave form diagram showing the Hall element output voltage waveform converted from magnetic flux density BHz of FIG. 相電流波形を表した波形図である。It is a wave form diagram showing a phase current waveform. 本発明による進角シミュレーションを行うためのハードウェア構成を表したブロック図である。It is a block diagram showing the hardware constitutions for performing advance angle simulation by the present invention. 従来の3次元磁界解析処理によってモータの効率をシミュレーションする場合の流れを示したフローチャートである。It is the flowchart which showed the flow in the case of simulating the efficiency of a motor by the conventional three-dimensional magnetic field analysis process.

本発明による進角シミュレーション方法は、巻線が巻回された固定子と、磁石を有する回転子と、前記回転子の位置を前記磁石の磁束密度を測定することにより検出する位置検出手段とを具備したモータに関して、例えば表1に示されるような各パラメータ、すなわち、前記固定子巻線への通電タイミングを制御する進角値を含む制御パラメータと、前記モータの形状を特定する形状パラメータと、前記磁石の磁束密度を含む磁気特性パラメータと、前記回転子の回転数を含むモータの運転状態パラメータとを入力してコンピュータで3次元磁界解析処理を行うことで、3次元磁界解析処理結果として磁束密度およびモータ効率をシミュレーション可能なシミュレーション方法であって、前記各パラメータを入力する入力手順と、入力された前記各パラメータに基づいてコンピュータで前記3次元磁界解析処理を行って、前記3次元磁界解析処理結果として少なくとも前記位置検出手段で検出されるべき磁束密度を得る3次元磁界解析処理手順と、前記位置検出手段で検出されるべき磁束密度に基づいて、前記位置検出手段で検出されるべき前記磁石の磁束密度に基づく前記回転子の位置検知信号の、前記固定子からの磁束密度の影響による位置検知誤差を演算する位置検知誤差演算手順と、前記位置検知誤差を前記進角値に加えて、前記3次元磁界解析処理手順及び前記位置検知誤差演算手順とを繰り返し、位置検知誤差が収束するか否かを判定する収束判定手順とによって得られた収束した位置検知誤差を前記進角値に加えた進角値および同進角値に基づくモータ効率をシミュレーションすることを特徴とするものである。以下、詳細に説明を行う。   The advance angle simulation method according to the present invention includes a stator around which a winding is wound, a rotor having a magnet, and position detecting means for detecting the position of the rotor by measuring the magnetic flux density of the magnet. With respect to the motor provided, for example, parameters as shown in Table 1, that is, a control parameter including an advance value for controlling the energization timing to the stator winding, a shape parameter for specifying the shape of the motor, By inputting a magnetic characteristic parameter including the magnetic flux density of the magnet and an operating state parameter of the motor including the rotation speed of the rotor and performing a three-dimensional magnetic field analysis process by a computer, a magnetic flux is obtained as a result of the three-dimensional magnetic field analysis process. A simulation method capable of simulating density and motor efficiency, wherein an input procedure for inputting each parameter and an input A three-dimensional magnetic field analysis processing procedure for performing the three-dimensional magnetic field analysis processing by a computer based on each parameter and obtaining at least the magnetic flux density to be detected by the position detection means as a result of the three-dimensional magnetic field analysis processing; Based on the magnetic flux density to be detected by the detecting means, the position detection by the influence of the magnetic flux density from the stator of the rotor position detection signal based on the magnetic flux density of the magnet to be detected by the position detecting means. Whether the position detection error converges by repeating the position detection error calculation procedure for calculating the error and the three-dimensional magnetic field analysis processing procedure and the position detection error calculation procedure by adding the position detection error to the advance value. And the convergence efficiency detection procedure obtained by adding the converged position detection error to the advance value and the motor efficiency based on the advance value. It is characterized in that Shon. Details will be described below.

本実施例においては、ホール素子の検出する磁束密度をシミュレーションによって求め駆動回路の進角値を修正する3次元磁界回路連成解析手法を提案し、解析結果と実験結果を比較することとした。以下に示す対象機の仕様は、実機と3次元モデルの両方で共通に採用している条件である。   In this embodiment, a three-dimensional magnetic circuit coupled analysis method for finding the magnetic flux density detected by the Hall element by simulation and correcting the advance value of the drive circuit is proposed, and the analysis result and the experimental result are compared. The specifications of the target machine shown below are conditions that are commonly adopted by both the actual machine and the three-dimensional model.

1.対象機の仕様と従来の磁界解析の問題点
[対象機の仕様]
表1に解析対象機の諸元、図1に解析対象機の概略形状、図2に駆動回路構成を示す。

Figure 2014199500
1. Target machine specifications and problems of conventional magnetic field analysis [Target machine specifications]
Table 1 shows the specifications of the machine to be analyzed, FIG. 1 shows the schematic shape of the machine to be analyzed, and FIG. 2 shows the drive circuit configuration.
Figure 2014199500

本機はエアコン室内機ファン駆動用のブラシレスDCモータ(SPMモータ)である。ステータ(固定子)は12スロット集中巻線とし、熱硬化性樹脂で封止している。ロータ(回転子)にはフェライト焼結磁石を用い、磁石の形状はステータコアより軸方向に長いオーバーハングを持たせている。モータの駆動には例えば150°通電のPWMインバータを用いている。ホール素子H、H、Hは固定子のティース中心線上、磁石端部からZ方向にL離れて配置、回転子磁石の磁束密度を検出し回転位置情報として、コントローラに入力する。コントローラは回転子位置情報と進角値をもとにスイッチング素子(MOSFET)TU1、TU2、TV1、TV2、TW1、TW2を切替えている。本機は中負荷時(回転数1160rpm)で入力を最小(モータ効率を最大)とする進角値(最適進角値)が17°である。一方、以下に述べるように、位置検知誤差を考慮しない磁界解析による最適進角値は5°であり、本機の最適進角値と相違する。従って、位置検知誤差を考慮しない磁界解析による進角値をそのまま用いると、実際のモータのモータ効率が低下してしまう。このように最適進角値が相違する原因は従来の磁界解析では、下記の誤差が考慮されていないことに原因がある。
(a)ホール素子の検出感度による誤差
(b)電機子磁束重畳による誤差
This machine is a brushless DC motor (SPM motor) for driving an air conditioner indoor unit fan. The stator (stator) is a 12-slot concentrated winding and is sealed with a thermosetting resin. A ferrite sintered magnet is used for the rotor (rotor), and the shape of the magnet has an overhang longer in the axial direction than the stator core. For example, a 150 ° energization PWM inverter is used to drive the motor. The Hall elements H U , H V , and H W are arranged on the teeth center line of the stator and separated from the magnet end by L h in the Z direction, and the magnetic flux density of the rotor magnet is detected and input to the controller as rotational position information. The controller switches the switching elements (MOSFETs) T U1 , T U2 , T V1 , T V2 , T W1 , T W2 based on the rotor position information and the advance value. This machine has an advance value (optimum advance value) of 17 ° that minimizes input (maximum motor efficiency) at medium load (rotation speed 1160 rpm). On the other hand, as will be described below, the optimum advance value by magnetic field analysis not considering the position detection error is 5 °, which is different from the optimum advance value of this machine. Therefore, if the advance value obtained by the magnetic field analysis without considering the position detection error is used as it is, the motor efficiency of the actual motor is lowered. The reason why the optimum advance value differs is that the following error is not taken into account in the conventional magnetic field analysis.
(A) Error due to Hall element detection sensitivity (b) Error due to armature magnetic flux superposition

[対象機の負荷特性]
前記対象機のファン負荷特性と負荷点の効率を図3に示す。モータ効率は最適進角値に上記誤差を考慮しない場合の磁界解析結果である。図3(a)はトルク−回転数特性を示し、Low(低負荷(0.018Nm、480rpm))、Middle(中負荷(0.177Nm、1160rpm))、High(高負荷(0.384Nm、1580rpm))の順に負荷トルクが増加する。図3(b)は負荷点別の効率−進角特性を示し、δ Optimalはモータ効率が最大となる進角値を表している。負荷トルクの増加に伴い最適進角の位相(0°(低負荷)、5°(中負荷)、15°(高負荷))が進む傾向にある。
[Load characteristics of target machine]
FIG. 3 shows fan load characteristics and load point efficiency of the target machine. The motor efficiency is a magnetic field analysis result when the above-mentioned error is not considered in the optimum advance value. FIG. 3 (a) shows the torque-rotational speed characteristics: Low (low load (0.018Nm, 480rpm)), Middle (medium load (0.177Nm, 1160rpm)), High (high load (0.384Nm, 1580rpm). The load torque increases in the order of)). FIG. 3B shows the efficiency-advance characteristics for each load point, and δ Optimal represents the advance value at which the motor efficiency is maximized. As the load torque increases, the phase of the optimum advance angle (0 ° (low load), 5 ° (medium load), 15 ° (high load)) tends to advance.

[対象機におけるホール素子の検出誤差要因]
図4にホール素子周辺の磁束線の概略図を示す。ホール素子は、磁束密度BのZ成分BHzを検出し、以下の(1)式に示すように、定数K[mV/mT]に比例した電圧信号Vを出力する。
=K・BHz ・・・(1)
には主に磁石による磁束密度Bと固定子巻線の通電によって発生する磁束密度Bが影響しているため、磁束密度Bが影響が増えるとホール素子による位置検出に誤差が発生する要因となる。
[Hall element detection error factors in the target machine]
FIG. 4 shows a schematic diagram of magnetic flux lines around the Hall element. The Hall element detects the Z component B Hz of the magnetic flux density B H and outputs a voltage signal V B proportional to the constant K H [mV / mT] as shown in the following equation (1).
V B = K H · B Hz (1)
Because the B H are mainly affects the magnetic flux density B a generated by the energization of the magnetic flux density B m according magnet stator windings, an error in position detection by the Hall element and the magnetic flux density B a increases impact It becomes a factor to occur.

図5に駆動回路における位置検出フローを示す。ホール素子は、磁束密度Bと固定子巻線の通電によって発生する磁束密度Bによる影響を含んだ磁束密度BのZ成分BHzを検出し、電圧信号Vとしてコントローラに出力する(S501)。コントローラでは、Vをノイズによる誤動作防止の為のヒステリシス回路(±V)を介して位置信号に変換し(S502)、通電幅の設定(S503)と進角値δの設定(S504)を行いドライバ(PWMインバータのトランジスタ)の開閉信号を出力する。その開閉信号によってドライバから巻線に通電されてモータが駆動され(S505)、巻線に通電されることで発生した磁束密度Bが磁束密度Bに影響を与える(S506)。 FIG. 5 shows a position detection flow in the drive circuit. Hall element detects the Z component B Hz of the magnetic flux density B H including the influence of the magnetic flux density B a generated by the energization of the magnetic flux density B m and the stator windings, and outputs to the controller as a voltage signal V B ( S501). The controller converts V B into a position signal via a hysteresis circuit (± V H ) for preventing malfunction due to noise (S502), and sets the energization width (S503) and the advance value δ (S504). The output signal of the driver (PWM inverter transistor) is output. As the switching signal is energized windings from the driver motor is driven (S505), the magnetic flux density B a generated by being energized windings affects the magnetic flux density B H (S506).

駆動回路において位置検知誤差が生じる原理を図6に示す。この図6はVの電気角による波形を模式的に表している。θ=0°の時に磁石の極間がホール素子の前を通過し極性がSからNに切り替わるとする。ホール素子が磁束密度を電圧に変換するのに必要な時間は数nsであり、電気角一周期の約10msに対し微小のため検出遅れは無視する。固定子巻線に通電をしない無負荷の場合の波形をVB0、通電する負荷の場合の波形をVBLとする。閾値±Vのヒステリシス回路を介するとコントローラ内部では実際の磁極位置に対して無負荷の場合(コイルに通電せずにモータのロータのみを回転数Nで回転させた場合)はΔθ、有負荷の場合はΔθの誤差が生じる。この誤差は本来指令した進角値δ(実指令進角値δ)に加わり、実際には進角値δ’で駆動される(実駆動進角値δ’)。上述したSPMモータでは、中負荷の場合、実際に指令した最適進角(実指令進角値δに相当)は17°であるが、誤差を考慮しない場合の最適進角(実駆動進角値δ’に相当)は5°であり、Δθが12°であることがわかる。そこで、以下において、3次元磁界解析処理を用いて、実際に指令する進角(実指令進角値δ)に対してΔθの誤差を考慮して、実際に駆動される進角値(実駆動進角値δ’)を求める進角シミュレーションの方法について提案する。 The principle that a position detection error occurs in the drive circuit is shown in FIG. FIG 6 is a waveform due to the electrical angle of the V B schematically. It is assumed that when θ = 0 °, the gap between the magnets passes in front of the Hall element and the polarity is switched from S to N. The time required for the Hall element to convert the magnetic flux density into a voltage is several ns, and the detection delay is ignored because it is very small for about 10 ms of one electrical angle cycle. A waveform when no load is applied to the stator winding is V B0 , and a waveform when a load is applied is V BL . Via the hysteresis circuit of the threshold value ± V H , if there is no load with respect to the actual magnetic pole position inside the controller (when only the motor rotor is rotated at the rotational speed N t without energizing the coil), Δθ 0 , In the case of a load, an error of Δθ L occurs. This error is added to the originally commanded advance angle value δ (actual command advance angle value δ), and is actually driven at the advance angle value δ ′ (actual drive advance angle value δ ′). In the SPM motor described above, in the case of a medium load, the actually commanded optimum advance angle (corresponding to the actual command advance value δ) is 17 °, but the optimum advance angle (actual drive advance value when no error is taken into consideration). It can be seen that (corresponding to δ ′) is 5 °, and Δθ L is 12 °. Therefore, in the following, with reference to three-dimensional magnetic field analysis process, in consideration of an error of Δθ actually against advance for commanding (actual command advance value [delta]) L, actually driven advance value (actual A method of advance angle simulation for obtaining the drive advance value δ ′) is proposed.

2.進角シミュレーションの具体的内容
[ハードウェア構成]
図16に示すのは、進角シミュレーションを行うためのハードウェア構成を表したものである。CPU、メモリ、及び、外部記憶装置としてのハードディスクドライブ(HDD)を具備したコンピュータと、入力装置としてのマウス及びキーボードと、表示装置としてのディスプレイとからなる。ハードディスクドライブには、進角シミュレーションを行うためのソフトウェアや入出力データが格納されている。
2. Details of advance angle simulation [Hardware configuration]
FIG. 16 shows a hardware configuration for performing advance angle simulation. The computer includes a CPU, a memory, and a hard disk drive (HDD) as an external storage device, a mouse and keyboard as input devices, and a display as a display device. The hard disk drive stores software and input / output data for performing advance angle simulation.

[解析モデル]
図7に3次元磁界解析モデルを示す。この3次元磁界解析モデルは、対象機の構造をメッシュで再現したものである。解析対象機は回転子磁石がオーバーハングを持ち空気中に漏れ磁束が発生する。さらにホール素子が検出する磁束密度を計算するため3次元解析が必要である。
[Analysis model]
FIG. 7 shows a three-dimensional magnetic field analysis model. This three-dimensional magnetic field analysis model reproduces the structure of the target machine with a mesh. In the machine to be analyzed, the rotor magnet has an overhang and leakage flux is generated in the air. Furthermore, a three-dimensional analysis is necessary to calculate the magnetic flux density detected by the Hall element.

3次元磁界解析を行うにあたって、図2の駆動回路のスイッチング素子は可変抵抗で近似する。ON(導通)の場合はMOSFETの抵抗値4Ω、OFF(不導通)の場合はスイッチング素子に流れる電流が無視できる程度の値として抵抗値1MΩとした。図8にU相の誘起電圧Vとスイッチング素子Tu1、Tu2のタイムチャートを示す。相誘起電圧の最大値を中心に150°通電する場合をδ=0°とする。 In performing the three-dimensional magnetic field analysis, the switching element of the drive circuit in FIG. 2 is approximated by a variable resistor. In the case of ON (conducting), the resistance value of the MOSFET is 4Ω, and in the case of OFF (non-conducting), the resistance value is set to 1 MΩ as a value at which the current flowing through the switching element can be ignored. FIG. 8 shows a time chart of the U-phase induced voltage V u and the switching elements T u1 and T u2 . A case where 150 ° energization is performed around the maximum value of the phase induced voltage is δ = 0 °.

[本発明による進角シミュレーション手法]
図9に示すのは、本発明の進角シミュレーションの流れを表したフローチャートである。進角シミュレーションの前提として、固定子巻線への通電タイミングを制御する進角値を含む制御パラメータ、モータの形状を特定する形状パラメータ、磁石の磁束密度を含む磁気特性パラメータ、回転子の回転数を含むモータの運転状態パラメータなど、モータの構造上の特性を決定するためのパラメータが予めハードディスクドライブに記録された3次元磁界解析モデルが既に存在するものとし、これは3次元磁界解析ソフトに基づいて作成されている。例えば、ステータの巻線抵抗R、R、R[Ω]は入力済みのパラメータである。この3次元磁界解析モデルが構築されていることを前提として、以下において、「3次元磁界解析処理」という場合には、図16のコンピュータ上においてHDDに格納された3次元磁界解析ソフトを読み出してCPUで演算処理を行い、適宜演算結果をメモリに記憶させる処理のことをいうものとする。また、その他の演算処理においても、メモリから演算式を読み出して演算処理を行い、その演算結果をメモリに記憶させていることは言うまでもない。
[Advance angle simulation method according to the present invention]
FIG. 9 is a flowchart showing the flow of the advance angle simulation of the present invention. As a precondition for advance angle simulation, control parameters including an advance angle value that controls the timing of energizing the stator winding, shape parameters that specify the shape of the motor, magnetic characteristic parameters including the magnetic flux density of the magnet, and rotor speed It is assumed that there is already a 3D magnetic field analysis model in which parameters for determining the structural characteristics of the motor, such as motor operating state parameters including, are recorded in the hard disk drive in advance, which is based on 3D magnetic field analysis software Has been created. For example, stator winding resistances R u , R v , R w [Ω] are already input parameters. On the premise that this three-dimensional magnetic field analysis model is constructed, in the following, in the case of “three-dimensional magnetic field analysis processing”, the three-dimensional magnetic field analysis software stored in the HDD is read on the computer of FIG. It means processing that performs arithmetic processing by the CPU and appropriately stores the arithmetic result in the memory. In other arithmetic processes, it goes without saying that the arithmetic expression is read from the memory, the arithmetic process is performed, and the calculation result is stored in the memory.

先ず、パラメータ入力手順を説明する。この手順では、効率を求めたいモータの回転数N[rpm]、目標とするトルクT[Nm]、及び、実指令進角値δ[deg]をキーボード等の入力装置を用いて入力し、これをメモリに記憶する(S901)。ここで、入力する実指令進角値δは、例えば技術者の経験で最適と思われるものを入力する。次に、コイルに通電せずモータのロータのみを回転数Nで回転させた場合(無負荷の場合)の位置検知誤差Δθを3次元磁界解析処理によって求める(S902)。位置検知誤差Δθは、3次元磁界解析処理によって得られた磁束密度BのZ成分BHzに基づいて、前記(1)式を用いて演算によって求める。そして、進角値δに関する変数k=1とし(S903)、δ=δ−Δθと定義する(S904)。初期の進角値δは、前記(S901)で入力した実指令進角値δに無負荷の誤差Δθを加算した値とする。なお、無負荷時の位置検知誤差Δθの入力は最終的な進角シミュレーションの演算時間の短縮のために行った手順であって必須の手順ではないため、前記(S901)において入力した進角値を用いてδ1=δとして、(S902)及び(S903)のステップを省略して、次の(S905)へ進んでもよい。 First, the parameter input procedure will be described. In this procedure, the motor speed N t [rpm], the target torque T t [Nm], and the actual command advance value δ [deg] of the motor whose efficiency is to be obtained are input using an input device such as a keyboard. This is stored in the memory (S901). Here, the actual command advance angle value δ to be input is, for example, what seems to be optimal based on the experience of engineers. Next, it determined by the position detection error [Delta] [theta] 0 of the three-dimensional magnetic field analysis in a case (the case of no load) where only the motor rotor does not energize the coil was rotated at a rotational speed N t (S902). The position detection error Δθ 0 is obtained by calculation using the equation (1) based on the Z component B Hz of the magnetic flux density B H obtained by the three-dimensional magnetic field analysis process. Then, a variable k = 1 related to the advance value δ is set (S903), and δ k = δ−Δθ 0 is defined (S904). The initial advance value δ 1 is a value obtained by adding the no-load error Δθ 0 to the actual command advance value δ input in (S901). Since the input of the position detection error Δθ 0 at no load is a procedure performed for shortening the calculation time of the final advance simulation and is not an indispensable procedure, the advance angle input in the above (S901). By using δ 1 = δ using the value, the steps (S902) and (S903) may be omitted, and the process may proceed to the next (S905).

次に、3次元磁界解析処理手順について説明する。この手順ではまず、電源電圧に関する変数をn=1とする(S905)。次に3次元磁界解析処理を行って、回転数N、進角値δ、電源電圧Vmnの条件において得られる結果トルクT[Nm]を求める(S906)。そして、メモリに記憶されている目標トルクTと得られた結果トルクTとを比較する(S907)。比較結果が離れている場合には、電源電圧Vmnを調整する(S908)。ここで、電源電圧Vmnの調整とは、結果トルクが目標トルクよりも大きければ電圧を減らし、小さければ電圧を増やしたものをメモリに上書きすることである。そして、n=n+1として(S909)、調整後の電源電圧Vmnによって再度3次元磁界解析処理を行って結果トルクTを求めてメモリに記憶する(S906)。この処理を繰り返して、目標トルクTと結果トルクTとがほぼ一致した(所定閾値以下となった)段階で、結果トルクT、電源電圧Vmn、固定子巻線の電流値I、I、I(3相)、ホール素子磁束密度Z成分BHz等の結果を得てメモリに記憶する(S907)。 Next, a three-dimensional magnetic field analysis processing procedure will be described. In this procedure, first, a variable related to the power supply voltage is set to n = 1 (S905). Next, a three-dimensional magnetic field analysis process is performed to obtain a resultant torque T n [Nm] obtained under the conditions of the rotational speed N t , the advance value δ k , and the power supply voltage V mn (S906). Then, the target torque T t stored in the memory is compared with the obtained result torque T n (S907). When the comparison results are far from each other, the power supply voltage V mn is adjusted (S908). Here, the adjustment of the power supply voltage V mn means that the voltage is reduced if the resultant torque is larger than the target torque, and that the increased voltage is overwritten in the memory if the resultant torque is smaller. Then, n = n + 1 is set (S909), a three-dimensional magnetic field analysis process is performed again with the adjusted power supply voltage Vmn , and a result torque Tn is obtained and stored in the memory (S906). By repeating this processing, when the target torque T t and the result torque T n substantially coincide (below a predetermined threshold), the result torque T n , the power supply voltage V mn , and the stator winding current value I u , I v , I w (3 phase), Hall element magnetic flux density Z component B Hz and the like are obtained and stored in the memory (S907).

次に、位置検知誤差演算手順を説明する。この手順では、まず3次元磁界解析処理手順で得られたホール素子磁束密度Z成分BHzに基づいて、位置検知誤差ΔθLkを演算により求める(S910)。位置検知誤差ΔθLkは、例えば図14に示すように、無負荷の場合のホール素子の出力電圧のゼロクロス点から有負荷の場合のホール素子の出力電圧とヒステリシス回路の閾値(−V)との交点までの角度により求める。ここで求めたk番目の位置検知誤差ΔθLkと、1つ前のk−1番目の位置検知誤差ΔθLk−1を比較する(S911)。両者の値が離れている(所定閾値以上となる)場合には、変数をk=k+1とし(S912)、δ=δ−ΔθLk−1としてメモリ上のデータを上書きする(S913)。そして、新しい進角値δに基づいて(S905)〜(S911)の処理を、位置検知誤差ΔθLkと1つ前のk−1番目の位置検知誤差ΔθLk−1がほぼ一致する(所定閾値以下となる)まで、(S912)及び(S913)においてδを修正しながら処理を繰り返す。 Next, the position detection error calculation procedure will be described. In this procedure, first, the position detection error Δθ Lk is obtained by calculation based on the Hall element magnetic flux density Z component B Hz obtained in the three-dimensional magnetic field analysis processing procedure (S910). For example, as shown in FIG. 14, the position detection error Δθ Lk includes the output voltage of the Hall element when there is no load from the zero-cross point of the output voltage of the Hall element when there is no load, and the threshold value (−V H ) of the hysteresis circuit. Obtained from the angle to the intersection of The kth position detection error Δθ Lk obtained here is compared with the previous k−1th position detection error Δθ Lk−1 (S911). If the two values are separated (become a predetermined threshold value or more), the variable is set to k = k + 1 (S912), and the data on the memory is overwritten as δ k = δ−Δθ Lk−1 (S913). Then, the processing based on the new advance value δ k (S905) ~ (S911 ), the position detection error [Delta] [theta] Lk and previous k-1-th position detection error [Delta] [theta] Lk-1 substantially coincide (predetermined threshold to below as made), the process is repeated while modifying the [delta] k in (S912) and (S913).

次に、収束判定手順を説明する。この手順ではまず、ΔθLk≒ΔθLk−1となった段階で、位置検知誤差が収束したものと判断する(S911)。収束した場合の結果として、最終的な演算結果として、位置検知誤差Δθとこの位置検知誤差Δθを考慮した実駆動進角値δ’を次式で演算して求め、メモリに記憶する(S914)。
Δθ=ΔθLk−1 ・・・(2)
δ’=δ−Δθ ・・・(3)
以上の処理により、進角シミュレーションとして最終的な実駆動進角値δ’が得られる。この最終的な実駆動進角値δ’とともに、このときの結果トルクT、電源電圧Vmn、固定子巻線の電流値I、I、I(3相)、ホール素子磁束密度Z成分BHz等の結果を出力データとしてHDDに記録する。
Next, the convergence determination procedure will be described. In this procedure, first, it is determined that the position detection error has converged when Δθ Lk ≈Δθ Lk−1 (S911). As a result of convergence, as a final calculation result, a position detection error Δθ L and an actual drive advance value δ ′ taking this position detection error Δθ L into consideration are calculated by the following equation and stored in the memory ( S914).
Δθ L = Δθ Lk−1 (2)
δ ′ = δ−Δθ L (3)
By the above processing, the final actual drive advance value δ ′ is obtained as the advance angle simulation. Along with this final actual drive advance value δ ′, the resulting torque T n , power supply voltage V mn , stator winding current values I u , I v , I w (three phases), Hall element magnetic flux density The result such as the Z component B Hz is recorded in the HDD as output data.

[モータ効率計算]
また、得られた出力データに基づいて、モータ効率を次式で求める。

Figure 2014199500
ここで、η:モータ効率[%]、P:モータ出力[W]、P:モータ入力[W]、W:銅損[W]、W:ステータコア鉄損[W]、N:回転数[rpm]、T:トルク[Nm]である。
ステータコア鉄損Wは高調波を含む損失算定法を用いた。ここではステータコア鉄損を算出する際のヒステリシス損係数Kと渦電流損係数Kは二周波法で求め、K=2.42×10−2[W/kg/Hz/T]、Ke=1.74×10−4[W/kg/Hz/T]とした。なお、インバータ損や機械損、風損、その他損失は考慮していない。 [Motor efficiency calculation]
Moreover, based on the obtained output data, motor efficiency is calculated | required by following Formula.
Figure 2014199500
Here, eta: motor efficiency [%], P o: Motor Output [W], P i: the motor input [W], W c: copper loss [W], W i: stator core iron loss [W], N: Rotational speed [rpm], T: Torque [Nm].
The stator core iron loss W i used the loss calculation methods including harmonics. Here, the hysteresis loss coefficient K h and the eddy current loss coefficient K e when calculating the stator core iron loss are obtained by the two-frequency method, and K h = 2.42 × 10 −2 [W / kg / Hz / T 2 ], Ke = 1.74 × 10 −4 [W / kg / Hz / T 2 ]. Note that inverter loss, mechanical loss, windage loss, and other losses are not considered.

3.進角シミュレーションの妥当性評価のための実験手法
[測定システム]
前記進角シミュレーションの妥当性を評価するために、試作モータ(以下「実験機」)で測定した値と比較して評価を行う必要がある。図10に測定システムを示す。この図10において、速度指令電圧VSPを調整して、所定の回転数、トルクでSPMモータを駆動させて、モータ入力P、電流及び電圧をパワーメータで測定し、トルクTをトルクメータで測定して、これらの結果をコンピュータのHDDに記録するものとする。銅損以外の損失を鉄損とその他損Wetcとして、次式で求める。
etc=P−P−W ・・・(7)
3. Experimental method for validity evaluation of lead angle simulation [Measurement system]
In order to evaluate the validity of the advance angle simulation, it is necessary to perform an evaluation by comparing with a value measured by a prototype motor (hereinafter, “experimental machine”). FIG. 10 shows a measurement system. In FIG. 10, the speed command voltage V SP is adjusted, the SPM motor is driven at a predetermined rotational speed and torque, the motor input P i , current and voltage are measured with a power meter, and the torque T is measured with a torque meter. Measure and record these results in the HDD of the computer. Loss other than the copper loss as iron loss and other losses W etc, obtained by the following equation.
W etc = P i -P o -W c ··· (7)

図11にホール素子配置を示す。ホール素子配置θは電気角度で表す。実験機であるTypeIのモータは、ホール素子配置が図11(a)に示すθ=0°であり、実指令進角値δ=17°の固定進角である。このTypeIのモータは、進角固定時のホール素子の検出誤差を評価するために使用する。 FIG. 11 shows the Hall element arrangement. The Hall element arrangement θ h is represented by an electrical angle. The Type I motor, which is an experimental machine, has a Hall element arrangement of θ h = 0 ° shown in FIG. 11A and a fixed advance angle of an actual command advance angle value δ = 17 °. This Type I motor is used to evaluate the detection error of the Hall element when the advance angle is fixed.

4.実験・解析結果の評価
[無負荷誘起電圧]
無負荷誘起電圧を比較し、磁石磁束の解析精度を確認する。図12に解析結果と測定結果を示す。波形はよく一致し十分な精度である。
4). Evaluation of experiment and analysis results [No-load induced voltage]
Compare the no-load induced voltage and confirm the magnetic flux analysis accuracy. FIG. 12 shows analysis results and measurement results. The waveforms match well and are accurate enough.

[ホール素子の検出誤差]
ホール素子Hにおける検出誤差を解析した。図13に磁束密度解析結果を示す。波形はそれぞれホール素子の磁束密度のZ方向成分を表している。(a)Bmzは磁石磁束のみ、(b)BHzは負荷時(1580rpm,0.384Nm)、(c)Bazは負荷時の電機子コイルのみ、(d)Bmz+Bazは磁石磁束と電機子コイルを足したものである。Bazの電機子コイルのみの波形は、負荷時の電流波形を取り出し、磁石部を空気に置き換えた解析モデルのコイル電流として入力し計算した結果である。電気角90°と270°付近に着目するとBmzに対しBHzは位相が遅れている。BHzはBmzとBazを足した波形にほぼ一致し、電機子コイルの磁束によって位相が遅れていることが分かる。
[Hall element detection error]
The analysis of the detected error in the Hall element H w. FIG. 13 shows the magnetic flux density analysis results. Each waveform represents the Z direction component of the magnetic flux density of the Hall element. (A) B mz is only magnet magnetic flux, (b) B Hz is under load (1580 rpm, 0.384 Nm), (c) B az is only armature coil under load, (d) B mz + B az is magnet magnetic flux And an armature coil. The waveform of only the B az armature coil is a result obtained by taking out a current waveform at the time of loading and inputting and calculating as a coil current of an analysis model in which the magnet portion is replaced with air. When attention is paid to the vicinity of electrical angles of 90 ° and 270 °, the phase of B Hz is delayed with respect to B mz . B Hz substantially matches the waveform obtained by adding B mz and B az, and it can be seen that the phase is delayed by the magnetic flux of the armature coil.

前記図13の(b)の磁束密度BHzより換算したホール素子出力電圧波形を図14に示す。ここで、ホール素子とコントーラの特性よりK=1.604[mV/mT]、V=10.5[mV]とした。その結果、Δθ=7.6°、Δθ=16.8°となり、実指令進角値δ=17°であるTYPE1のモータのホール素子には、負荷時にはΔθの誤差が加わるため、実駆動進角値δ’=0.2°となる。 FIG. 14 shows the Hall element output voltage waveform converted from the magnetic flux density B Hz in FIG. Here, K H = 1.604 [mV / mT] and V H = 10.5 [mV] based on characteristics of the Hall element and the controller. As a result, Δθ 0 = 7.6 °, Δθ L = 16.8 °, and an error of Δθ L is added to the Hall element of the motor of TYPE 1 with the actual command advance value δ = 17 ° at the time of load. The actual drive advance value δ ′ = 0.2 °.

図15に相電流波形を示す。実験機で測定した波形に対して、従来のように誤差を考慮せず実駆動進角値を17°とした場合の解析結果は波形がずれている。他方、本発明による進角シミュレーションで得られた実駆動進角値δ’=0.2°に基づく解析の波形は、実験機で測定した波形と良く一致している。実効値を比較すると実験機(0.390A)、実駆動進角値=17°(0.360A)、実駆動進角値=0.2°(0.387A)となり、本発明による進角シミュレーションで得られた実駆動進角値δ’=0.2°を用いた解析結果は、電機子コイルを流れる電流の実効値とも良く一致し、本発明による進角シミュレーションにより進角値が適切に修正されていることが分かる。   FIG. 15 shows the phase current waveform. With respect to the waveform measured by the experimental machine, the analysis result when the actual drive advance angle value is 17 ° without considering the error as in the conventional case is shifted. On the other hand, the analysis waveform based on the actual drive advance value δ ′ = 0.2 ° obtained in the advance angle simulation according to the present invention is in good agreement with the waveform measured by the experimental machine. When the effective values are compared, the experimental machine (0.390 A), the actual drive advance value = 17 ° (0.360 A), and the actual drive advance value = 0.2 ° (0.387 A) are obtained. The result of analysis using the actual drive advance value δ ′ = 0.2 ° obtained in the above agrees well with the effective value of the current flowing through the armature coil. You can see that it has been corrected.

以上のように、本実施例の進角シミュレーションによれば、(1)誤動作を防止するためのヒステリシス回路による位置検知誤差、及び(2)電機子磁束の影響による位置検知誤差が存在することを考慮し、このうち、負荷トルクの増減による電機子磁束の影響による位置検知誤差が収束するまで3次元磁界解析処理を繰り返して、収束した位置検知誤差を演算して進角値を得るようにしたので、最適な進角値をコンピュータ上でシミュレートすることが可能となる。これにより、複数の実機を製作して実験を繰り返し行わなくとも最適な進角値が決定できるようになるため、設計コストが大幅に縮減可能となる。   As described above, according to the advance angle simulation of this embodiment, (1) there is a position detection error due to the hysteresis circuit to prevent malfunction, and (2) a position detection error due to the influence of the armature magnetic flux. In consideration of this, the three-dimensional magnetic field analysis process is repeated until the position detection error due to the influence of the armature magnetic flux due to the increase or decrease of the load torque is converged, and the converged position detection error is calculated to obtain the advance value. Therefore, it becomes possible to simulate an optimal advance value on a computer. As a result, the optimum advance value can be determined without manufacturing a plurality of actual machines and repeating the experiment, and the design cost can be greatly reduced.

(S501)〜(S506)…図5の各ステップ、(S901)〜(S914)…図9の各ステップ、(S2201)〜(S2206)…図17の各ステップ。 (S501)-(S506) ... each step of FIG. 5, (S901)-(S914) ... each step of FIG. 9, (S2201)-(S2206) ... each step of FIG.

Claims (2)

巻線が巻回された固定子と、磁石を有する回転子と、前記回転子の位置を前記磁石の磁束密度を測定することにより検出する位置検出手段とを具備したモータに関して、前記固定子巻線への通電タイミングを制御する進角値を含む制御パラメータと、前記モータの形状を特定する形状パラメータと、前記磁石の磁束密度を含む磁気特性パラメータと、前記回転子の回転数を含むモータの運転状態パラメータとを入力してコンピュータで3次元磁界解析処理を行うことで、磁束密度およびモータ効率をシミュレーションするシミュレーション方法であって、
前記各パラメータを入力する入力手順と、
入力された前記各パラメータに基づいてコンピュータで前記3次元磁界解析処理を行って、前記3次元磁界解析処理結果として少なくとも前記位置検出手段で検出されるべき磁束密度を得る3次元磁界解析処理手順と、
前記位置検出手段で検出されるべき磁束密度に基づいて、前記位置検出手段で検出されるべき前記磁石の磁束密度に基づく前記回転子の位置検知信号の、前記固定子からの磁束の影響による位置検知誤差を演算する位置検知誤差演算手順と、
前記位置検知誤差を前記進角値に加えて、前記3次元磁界解析処理手順及び前記位置検知誤差演算手順とを繰り返し、位置検知誤差が収束するか否かを判定する収束判定手順
とによって得られた収束した位置検知誤差を前記進角値に加えた進角値および同進角値に基づくモータ効率をシミュレーションすることを特徴とする進角シミュレーション方法。
In regard to a motor comprising a stator around which a winding is wound, a rotor having a magnet, and position detecting means for detecting the position of the rotor by measuring the magnetic flux density of the magnet, the stator winding A control parameter including an advance value for controlling the energization timing of the wire, a shape parameter for specifying the shape of the motor, a magnetic characteristic parameter including a magnetic flux density of the magnet, and a motor including a rotation speed of the rotor A simulation method for simulating the magnetic flux density and the motor efficiency by inputting a driving state parameter and performing a three-dimensional magnetic field analysis process on a computer,
An input procedure for inputting the parameters;
A three-dimensional magnetic field analysis processing procedure for performing the three-dimensional magnetic field analysis processing by a computer based on the inputted parameters and obtaining at least the magnetic flux density to be detected by the position detecting means as a result of the three-dimensional magnetic field analysis processing; ,
The position of the rotor position detection signal based on the magnetic flux density of the magnet to be detected by the position detection means based on the magnetic flux density to be detected by the position detection means due to the influence of the magnetic flux from the stator A position detection error calculation procedure for calculating a detection error;
The position detection error is added to the advance value, and the three-dimensional magnetic field analysis processing procedure and the position detection error calculation procedure are repeated to obtain a convergence determination procedure for determining whether or not the position detection error converges. An advance angle simulation method characterized by simulating the advance angle value obtained by adding the converged position detection error to the advance angle value and the motor efficiency based on the advance angle value.
巻線が巻回された固定子と、磁石を有する回転子と、前記回転子の位置を前記磁石の磁束密度を測定することにより検出する位置検出手段とを具備したモータに関して、前記固定子巻線への通電タイミングを制御する進角値を含む制御パラメータと、前記モータの形状を特定する形状パラメータと、前記磁石の磁束密度を含む磁気特性パラメータと、前記回転子の回転数を含むモータの運転状態パラメータとを入力してコンピュータで3次元磁界解析処理を行うことで、3次元磁界解析処理結果として磁束密度およびモータ効率をシミュレーションするシミュレーションプログラムであって、
CPU、メモリ、外部記憶装置、及び、入力装置を具備したコンピュータにおいて、
前記入力装置によって入力された前記各パラメータを外部記憶装置に記録する入力手順と、
入力された前記パラメータに基づいて前記CPUで前記3次元磁界解析処理を行って前記3次元磁界解析処理結果として少なくとも前記位置検出手段で検出されるべき磁束密度を得て前記メモリに記憶する3次元磁界解析処理手順と、
前記位置検出手段で検出されるべき磁束密度に基づいて、前記位置検出手段で検出されるべき前記回転子からの磁束密度に基づく前記回転子の位置検知信号の、前記固定子からの磁束の影響による位置検知誤差を前記CPUで演算して前記メモリに記憶する位置検知誤差演算手順と、
前記位置検知誤差を前記進角値に加えて前記3次元磁界解析処理手順及び前記位置検知誤差演算手順とを繰り返し、位置検知誤差が収束するか否かを前記CPUで判定する収束判定手順とによって得られた収束した位置検知誤差を前記進角値に加えて前記CPUで演算して得た進角値および同進角値に基づくモータ効率をシミュレーション結果として前記メモリに記憶するようにしたことを特徴とする進角シミュレーションプログラム。
In regard to a motor comprising a stator around which a winding is wound, a rotor having a magnet, and position detecting means for detecting the position of the rotor by measuring the magnetic flux density of the magnet, the stator winding A control parameter including an advance value for controlling the energization timing of the wire, a shape parameter for specifying the shape of the motor, a magnetic characteristic parameter including a magnetic flux density of the magnet, and a motor including a rotation speed of the rotor A simulation program for simulating magnetic flux density and motor efficiency as a result of a three-dimensional magnetic field analysis process by inputting an operating state parameter and performing a three-dimensional magnetic field analysis process with a computer,
In a computer having a CPU, a memory, an external storage device, and an input device,
An input procedure for recording each parameter input by the input device in an external storage device;
A three-dimensional magnetic field analysis process performed by the CPU based on the input parameters to obtain at least a magnetic flux density to be detected by the position detection means as a result of the three-dimensional magnetic field analysis process and store it in the memory Magnetic field analysis processing procedure;
The influence of the magnetic flux from the stator on the position detection signal of the rotor based on the magnetic flux density from the rotor to be detected by the position detecting means based on the magnetic flux density to be detected by the position detecting means. A position detection error calculation procedure for calculating the position detection error by the CPU and storing it in the memory;
By adding the position detection error to the advance value and repeating the three-dimensional magnetic field analysis processing procedure and the position detection error calculation procedure, and a convergence determination procedure for determining whether or not the position detection error converges by the CPU. The obtained convergence position detection error is added to the advance value, and the advance value obtained by calculating by the CPU and the motor efficiency based on the advance value are stored in the memory as simulation results. A featured advance angle simulation program.
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