JP2016073200A - 永久磁石同期モーターにおける鉄損を決定するための方法及びシステム - Google Patents

Abstract

【課題】永久磁石同期モーターの鉄損を決定するための方法及びシステムに関する。
【解決手段】永久磁石同期モーターの鉄損を決定するための方法及びシステムは、負荷に接続されていないモーターの損失の測定と、モーターの鉄損をモーターの損失から推定することと、を含む。モーターは損失の測定の間、過磁束状態に置かれる。
【選択図】図１

Description

本発明は、永久磁石同期モーターに関連し、より正確には、永久磁石機械同期モーターの鉄損の決定に関連する。

永久磁石機械及び表面搭載型永久磁石同期モーターは、頑丈な回転子を必要とするような高速用途に良く適している。

近年、新しい効率の標準が永久磁石同期モーターに適用されつつある。これらの標準は、低いレベルの損失を必要とする。例えば、新しいＩＥ５プレミアム効率欧州標準は、様々な周波数駆動と組み合わせた永久磁石同期モーターに適用されうる。

そのため、永久磁石同期モーターの損失を決定することが必要とされている。

そこで、使用中に、すなわちモーターが負荷に接続されているときに直接モーターを試験することが提案されている。これらの方法は、ＩＥＣ６００３４−２、ＩＥＥ１１５及びＮＥＭＡ標準においては直接法と呼ばれ、説明されることが多いが、電源及び冷却装置の複雑さの問題及び高額であることのために、高速モーターの中出力から高出力の試験には適していない場合がある。

間接法もまた提案されている。周知の方法は、隔離損失法を含む。ＩＥＣ６００３４−２９標準は、異なるモーター（誘導モーター、ＤＣモーター及び同期モーター）に関する様々な間接試験法をまとめている。

これらの方法は、永久磁石同期モーターに厳密に適用するわけではないことに注意すべきであるが、ＩＥＣ６００３４−２標準の遅延法及び回路短絡法が、永久磁石同期モーターについて依然として使用されうる。

永久磁石同期モーターは、高い空隙のために、より正確にはスリーブの冷却及び保持のための機械的空隙のために、無視できない電機子反作用を示すことが観察されている。そのため、従来技術の方法を使用する、負荷がモーターに接続されていない場合の鉄損の推定は間違っている。

鉄損を決定するための従来技術による方法は、
乱流損失を推測するための、真空中及びさまざまな空気圧レベルにおける遅延試験、減速試験または惰行試験と、
回転子有効磁気ベアリング損失を推定するための、真空中及び様々な電流バイアス下における遅延試験、減速試験または惰行試験と、
全無負荷損失を推定するための、大気圧下における遅延試験、減速試験または惰行試験と、
全無負荷損失から回転子有効磁気ベアリング損失及び乱流損失を推定する段階と、を含みうる。

推定する段階は、負荷がモーターに接続している場合に鉄損Ｐ_Ｃｏｒｅを得るための以下の方程式と共に使用されうる無負荷値を提供するのみである。

ここで、Ｒ_Ｅｄｄｙは渦電流の量を表し、Ｒ_Ｈｙｓｔはヒステリシスの量を表し、ｆはモーターの周波数を表し、Ｖ_Ｓ０は無負荷逆起電力を表す。

従来技術によれば、鉄損を得るために負荷が接続される状態に対応する周波数及び起電力を使用することができる。

しかし、Ｒ_Ｅｄｄｙ及びＲ_Ｈｙｓｔは、磁束密度のレベルに応じて変化することが観察されている。これは、永久磁石同期モーターの電機子反作用によって引き起こされる。そのため、無負荷鉄損は、全負荷鉄損を決定するのには使用できない。

本発明の第１の目的は、従来用いられているシステムおよび方法の欠点を解消する方法及びシステムを提供することである。

本発明は、永久磁石同期モーターの鉄損を決定するための方法であって、モーターが負荷に接続されていない状態で、モーターの損失の測定を行う段階と、モーターの鉄損をモーターの損失から推定する段階と、を含む方法を提案することによって、従来技術の１つまたは複数の欠点を解決する。

本方法の一般的な態様によれば、モーターは、損失の測定の間、過磁束状態に置かれる。

発明者は、モーターを、無負荷条件で（負荷に接続せずに）過磁束状態に置くことによって、モーター内の磁束密度が負荷に接続されたモーターの磁束密度に近くなることを発見した。そのため、鉄損の決定は電機子反作用を考慮に入れ、より正確になる。

特定の実施形態によれば、本方法は、モーターと電源との間にフィルターを配置する段階を含み、フィルターは、モーターの無効電流を供給するように構成される。

モーターに無効電流を供給することにより、その磁気的状態が負荷に接続されたモーターのそれに近くなり、モーターによって消費される残りの有効電流が損失に対応する。

得られる鉄損は、モーターが負荷に接続されたときのそれと同じなので、先行技術の前述の方程式を使用する必要がなくなり、外挿がなくなる。

特定の実施形態によれば、フィルターはＬＣフィルターである。

電源とモーターとの間に単にＬＣフィルターを追加することにより、主に無効電流がモーターに供給されうる。

特定の実施形態において、過磁束状態にモーターを置くための、モーターに供給される電流の直接成分Ｉ_{ｏｖｅｒｆｌｕｘｉｎｇ}は、下記数式で表される。

ここで、Ｉ_ｌｏａｄは負荷に関連付けられた電流、Ｂ_ｍはモーターの磁石に起因する磁束密度、ｋは幾何学的係数、Ｂ_maxはモーターの最大磁束密度、θは位相シフトである。

特定の実施形態において、鉄損を推定する段階は、銅損失、時間高調波損失、有効磁気ベアリング損失、乱流損失及びＬｉｔｚ銅損失のうち少なくとも１つの種類の損失の決定を含む。

ここでも、鉄損は、他の全ての損失が取り除かれた後の全損失から得られうるため、鉄損を得るために先行技術の前述の数式を使用する必要はないことに注意すべきである。

本発明はまた、永久磁石同期モーターの鉄損を決定するためのシステムであって、モーターが負荷に接続されていない状態で、モーターの損失を測定するための手段と、モーターの鉄損をモーターの損失から推定するための手段と、を含むシステムを提案する。

本システムの一般的な態様によれば、システムは、損失の測定の間、モーターを過磁束状態に置くための手段を含む。

特定の実施形態によれば、モーターを過磁束状態に置くための手段は、モーターと電源との間にフィルターを含み、フィルターがモーターの無効電流を供給するように構成される。

特定の実施形態によれば、フィルターはＬＣフィルターである。

特定の実施形態によれば、モーターを過磁束状態に置くための、モーターに供給される電流の直接成分Ｉ_{ｏｖｅｒｆｌｕｘｉｎｇ}は、下記数式で表される。

ここで、Ｉ_ｌｏａｄは負荷に関連付けられた電流、Ｂ_ｍはモーターの磁石に起因する磁束密度、ｋは幾何学的係数、Ｂ_maxはモーターの最大磁束密度、θは位相シフトである。

特定の実施形態によれば、モーターの鉄損を推定するための手段が、銅損失、時間高調波損失、有効磁気ベアリング損失、乱流損失及びＬｉｔｚ銅損失のうち少なくとも１つの種類の損失を決定するための手段を含む。

本発明がどのように効果を奏するかは、添付した図面を参照して、これから例示として説明する。

モーター、フィルター及び電源の構成を概略的に表す図である。 負荷に接続されたモーターの磁束の図である。 過磁束状態にある磁束の図である。 過磁束状態にあるモーターのｄ−ｑ図である。 モーターが負荷に接続されたときの磁束密度を表す図である。 モーターが過磁束状態にあるときの磁束密度を表す図である。 負荷がモーターに接続されたとき、モーターが負荷に接続されていないとき、及びモーターが過磁束状態に置かれているときの磁束密度の図である。 負荷がモーターに接続されたとき、モーターが負荷に接続されていないとき、及びモーターが過磁束状態に置かれているときの磁束密度の図である。 スペクトル分析である。

図１において、３つの相Ａ、Ｂ及びＣを有する永久磁石同期モーター１が示されている。モーター１は３００キロワットで、１分間に２０５００回転するモーターである。

モーター１は、ここでは可変周波数駆動である電源２によって発生した、電力を受け取る。電源２は、永久磁石同期モーター１の３つの相Ａ、Ｂ及びＣのための電流を供給する。

図１において、モーター１は負荷に接続されておらず、その固定子が示されているのみであることに注意すべきである。各相Ａ、ＢまたはＣに関して、永久磁石同期モーター１は内部抵抗４及び無負荷起電力に対応する電圧源５とともに示される巻線３を有する。

永久磁石同期モーター１を過磁束状態に置くことができるように、フィルター６がモーター１と電源２との間に配置される。フィルター６は、（フィルターの寄生抵抗を考慮に入れないで）無効電流をモーターに供給するように構成される。そのようにするために、フィルター６は、電源２とモーター１との間に直列に接続された自己インダクタンス７並びに、自己インダクタンス７とモーター１との間に接続された電極及び別のキャパシタに共通な電極を有するキャパシタ８を各相ごとに含むＬＣフィルターである。

モーターを試験するために、少なくとも１つの出力アナライザーがモーターに接続される。好適には、２つの出力アナライザーが、遅延のため及び測定におけるエラーを最小化するために用いられる。出力アナライザーはまた、全高調波歪み電流も測定してもよく、全高調波歪み電流は、好適には測定の間５％未満に維持されうる。

全損失を決定するために追加的手段もまた使用されてもよい。

モーターが過磁束状態に置かれた後で、鉄損の推定が、当業者に知られた方法を通して他の全ての種類の損失を決定することによって実行されうる。

より正確には、鉄損の推定は、銅損失、時間高調波損失、有効磁気ベアリング損失、乱流損失及びＬｉｔｚ銅損失のうちの少なくとも１つの種類の損失を決定することを含んでもよい。

図２から４は、必要なレベルの電流がどのようにして得られるかを説明する。

図２は、負荷に接続されたモーター内の磁束の図であり、空隙内の磁束はベクトルＢ_{ａｉｒｇａｐ}で表される。モーターが負荷に接続されると、Ｂ_{ａｉｒｇａｐ}は、モーターの磁石による磁束密度Ｂ_ｍ及び電機子反作用ｋ．Ｉ_ｌｏａｄの２つの成分の合成となる。合成ベクトルＢ_{ａｉｒｇａｐ}の方向は、モーターの動作状態及びＢ_ｍとｋ．Ｉ_ｌｏａｄとの間の角度θによって決定される。

例えば、最大トルクに関して、Ｂ_ｍ及びｋ．Ｉ_ｌｏａｄは直角位相である（θ＝π／２）。

負荷がモーターに接続も結合もされていない場合、空隙内で同じ磁束密度のレベルを得るために、モーターは過磁束状態に置かれなければならない。これは、磁束密度Ｂ_ｍが電機子反作用磁束密度ｋ．Ｉ_ｌｏａｄと同一線上になることを必要とする（図３）

過磁束電流のレベル、ここではその直接成分が、このとき以下の数式から推定されうる。

ここで、ここで、Ｉ_ｌｏａｄは負荷に関連付けられた電流、Ｂ_ｍはモーターの磁石に起因する磁束密度、ｋは幾何学的係数、Ｂ_maxはモーターの最大磁束密度、θは位相シフトである。

係数ｋは巻線の巻き数、内部固定子の直径、モーターの長さ、巻線の配置、空隙の長さを特に考慮に入れることによって決定される。

Ｉ_{ｏｖｅｒｆｌｕｘｉｎｇ}は負荷に接続されたモーターの対応する負荷電流より低いことに注意すべきである。

図４は、過磁束状態にあるモーターを示すｄ−ｑ図（パーク変換を用いた直接直交図）である。

この図において、Ｖｓは端部ボックスにおけるモーター電圧であり、Ｅ_０は無負荷起電力である。

この図から分かるように、抵抗性損失に起因する小さな抵抗性電圧低下Ｒ_ｓ．Ｉ_{ｏｖｅｒｆｌｕｘｉｎｇ}が見られる。これらの損失は、モーターに到達する残りの有効電力に対応するのみである。

図５は、負荷に接続されたモーター内の磁束密度を、テスラの単位で、磁束密度のレベルをハイライトする異なる濃淡で表す図である。この図において、暗い領域１０及び１１はそれぞれ、固定子内及び空隙内の最も磁束の高いレベルに対応する。

モーターを負荷に接続せず、過磁束状態に置くことによって、磁束の同様の分布がモーター内に見られうる（図６）。密度が最も高いレベルにある２つの領域１２及び１３は、直交している。

図７及び８は、空隙に沿った（０°から３６０°までの）磁束密度Ｂ_{ａｉｒｇａｐ}を示す図である。

より正確には、図７において、負荷に接続されていないモーターの磁束密度Ｂ_{ａｉｒｇａｐ}及び負荷に接続されたモーターの磁束密度が示されている。この図から分かるように、２つの磁束密度は異なっている。

図８において、過磁束状態のモーターの磁束密度Ｂ_{ａｉｒｇａｐ}及び負荷に接続されたモーターの磁束密度が示されている。２つの磁束密度は類似しているように見える。磁束密度のスペクトル分析が、特により低い空間高調波に関して、この類似性を確認するために使用されうる。

図９は無負荷状態に対する、過磁束状態のモーター及び負荷に接続されたモーターの類似したふるまいを確認する空隙磁束密度のスペクトル分析である。この図から分かるように、より低い空間高調波に関して、振る舞いが類似している。

１ モーター
２ 電源
３ 巻線
４ 内部抵抗
５ 電圧源
６ フィルター
７ 自己インダクタンス
８ キャパシタ

Claims (10)

1. 永久磁石同期モーター（１）の鉄損を決定するための方法であって、
   前記モーターが負荷に接続されていない状態で、前記モーターの損失の測定を行う段階と、
   前記モーターの鉄損を前記モーターの損失から推定する段階と、を含み、
   前記モーターが、前記損失の測定の間、過磁束状態に置かれることを特徴とする、方法。
2. 前記モーターと電源との間にフィルター（６）を配置する段階を含み、前記フィルターが、前記モーターの無効電流を供給するように構成された、請求項１に記載の方法。
3. 前記フィルターがＬＣフィルター（６、７、８）である、請求項２に記載の方法。
4. 前記過磁束状態に前記モーターを置くための、前記モーターに供給される電流の直接成分Ｉ_{ｏｖｅｒｆｌｕｘｉｎｇ}が、下記数式で表される、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法：
   

   

   ここで、Ｉ_ｌｏａｄは負荷に関連付けられた電流、Ｂ_ｍは前記モーターの磁石に起因する磁束密度、ｋは幾何学的係数、Ｂ_maxは前記モーターの最大磁束密度、θは位相シフトである。
5. 前記鉄損を推定する段階が、銅損失、時間高調波損失、有効磁気ベアリング損失、乱流損失及びＬｉｔｚ銅損失のうち少なくとも１つの種類の損失の決定を含む、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
6. 永久磁石同期モーター（１）の鉄損を決定するためのシステムであって、
   前記モーターが負荷に接続されていない状態で、前記モーターの損失を測定するための手段と、
   前記モーターの鉄損を前記モーターの損失から推定するための手段と、を含み、
   前記システムが、前記損失の測定の間、前記モーターを過磁束状態に置くための手段を含むことを特徴とする、システム。
7. 前記モーターを過磁束状態に置くための手段が、前記モーターと電源との間にフィルター（６）を含み、前記フィルターが前記モーターの無効電流を供給するように構成された、請求項６に記載のシステム。
8. 前記フィルターがＬＣフィルター（６、７、８）である、請求項７に記載のシステム。
9. 前記モーターを前記過磁束状態に置くための、前記モーターに供給される電流の直接成分Ｉ_{ｏｖｅｒｆｌｕｘｉｎｇ}が、下記数式で表される、請求項６から８のいずれか一項に記載のシステム：
   

   

   ここで、Ｉ_ｌｏａｄは負荷に関連付けられた電流、Ｂ_ｍは前記モーターの磁石に起因する磁束密度、ｋは幾何学的係数、Ｂ_maxは前記モーターの最大磁束密度、θは位相シフトである。
10. 前記モーターの前記鉄損を推定するための手段が、銅損失、時間高調波損失、有効磁気ベアリング損失、乱流損失及びＬｉｔｚ銅損失のうち少なくとも１つの種類の損失を決定するための手段を含む、請求項６から９のいずれか一項に記載のシステム。

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