JP2022045167A - Electromagnetic field analyzer, electromagnetic field analysis method, and program - Google Patents

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Abstract

To make it possible to perform electromagnetic field analysis in a short time in consideration of fine stepwise temporal change in magnetic flux density generated when switching a switching element of an inverter power source.SOLUTION: An electromagnetic field analyzer 100 derives a correction current I+ based on a difference φINV-φI between a flux linkage φINV at the time of inverter excitation and a flux linkage φI at the time of target excitation. The electromagnetic field analyzer 100 derives magnetic flux density in a stator core when the correction current I+ flows into a stator coil by executing linear electromagnetic field analysis based on a Maxwell equation.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、電磁界解析装置、電磁界解析方法、およびプログラムに関し、特に、インバータ電源で駆動するモータにおける電磁界を解析するために用いて好適なものである。 The present invention relates to an electromagnetic field analyzer, an electromagnetic field analysis method, and a program, and is particularly suitable for use in analyzing an electromagnetic field in a motor driven by an inverter power supply.

電気自動車(EV(Electric Vehicle))やハイブリッド電気自動車(HEV(Hybrid Electric Vehicle))等で使用される可変速駆動のモータはインバータ電源で駆動することが多い。インバータとは、インバータ用半導体素子のスイッチング動作により直流電圧のオンオフを繰り返し、正弦波に近い電圧を与える電源回路である。近年、インバータ用半導体素子の特性の向上に伴いモータの駆動周波数が向上しており、高周波領域で顕著になる鉄損の解析手法のニーズが高まっている。 Variable speed drive motors used in electric vehicles (EVs (Electric Vehicles)) and hybrid electric vehicles (HEVs (Hybrid Electric Vehicles)) are often driven by an inverter power source. An inverter is a power supply circuit that repeatedly turns a DC voltage on and off by switching operations of a semiconductor element for an inverter to give a voltage close to a sine wave. In recent years, the drive frequency of a motor has been improved along with the improvement of the characteristics of a semiconductor element for an inverter, and the need for an iron loss analysis method that becomes remarkable in a high frequency region is increasing.

そこで、非特許文献1には、正弦波電流源非線形非定常有限要素法解析(Δt FEA)を実行することにより損失Wsinを導出し、PWM電圧波形の高調波成分を入力とする複素数近似有限要素法解析(jω FEA)を実行することによりキャリア損Wcarrierを導出し、これらの損失Wsin、Wcarrierの合計を全損失とすることが記載されている。 Therefore, in Non-Patent Document 1, the loss W sin is derived by executing the sinusoidal current source nonlinear non-stationary finite element method analysis (Δt FEA), and the harmonic component of the PWM voltage waveform is input as a complex number approximation finite. It is described that the carrier loss W carrier is derived by performing the element method analysis (jω FEA), and the sum of these losses W sin and W carrier is taken as the total loss.

山崎克巳、飯田恭一著、「埋込磁石同期電動機におけるインバータキャリアを考慮した高速効率マップ算定法-磁束マップを用いる場合との比較-」、電気学会研究会資料、SA-19-86/RM-19-106、p.77-82、2019年9月13日Katsumi Yamazaki, Kyoichi Iida, "High-speed efficiency map calculation method considering inverter carriers in embedded magnet synchronous motors-Comparison with the case of using magnetic flux map-", Institute of Electrical Engineers of Japan, SA-19-86 / RM- 19-106, p. 77-82, September 13, 2019 中田高義、高橋則雄著、「電気工学の有限要素法」、第2版、森北出版株式会社、1986年4月Takayoshi Nakata, Norio Takahashi, "Limited Element Method of Electrical Engineering", 2nd Edition, Morikita Publishing Co., Ltd., April 1986 回転機の三次元電磁界解析実用化技術調査専門委員会、「回転機の三次元電磁界解析実用化技術」、電気学会技術報告、第1296号、2013年3D Electromagnetic Field Analysis Practical Technology Research Committee for Rotating Machines, "3D Electromagnetic Field Analysis Practical Technology for Rotating Machines", Institute of Electrical Engineers of Japan Technical Report, No. 1296, 2013

しかしながら、非特許文献1に記載の技術では、PWM電圧波形の高調波成分による鉄損を算出するので、予め定められた周波数成分(変調波の整数倍の周波数成分)による鉄損しか導出することができない。従って、インバータ用半導体素子のスイッチング時に生じる細かい段階的な磁束密度の時間変化(時間の経過に伴う大きさの変化)を正確に考慮することができない。このため、インバータ電源のスイッチング素子のスイッチング時に生じる細かい段階的な磁束密度の時間変化を考慮するためには、高い時間分解能で非線形電磁界解析を実行する必要があり、計算負荷が高くなる。 However, in the technique described in Non-Patent Document 1, since the iron loss due to the harmonic component of the PWM voltage waveform is calculated, only the iron loss due to the predetermined frequency component (frequency component that is an integral multiple of the modulated wave) is derived. Can't. Therefore, it is not possible to accurately consider the minute stepwise change in magnetic flux density (change in magnitude with the passage of time) that occurs when the semiconductor element for an inverter is switched. Therefore, in order to take into account the time-dependent changes in the magnetic flux density in small steps that occur when the switching element of the inverter power supply is switched, it is necessary to execute the nonlinear electromagnetic field analysis with high time resolution, which increases the calculation load.

本発明は、以上のような問題点に鑑みてなされたものであり、インバータ電源のスイッチング素子のスイッチング時に生じる細かい段階的な磁束密度の時間変化を考慮した電磁界解析を短時間で実行することができるようにすることを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and it is possible to execute an electromagnetic field analysis in a short time in consideration of a time change of a fine stepwise magnetic flux density that occurs when switching of a switching element of an inverter power supply. The purpose is to be able to do.

本発明の電磁界解析装置は、インバータ電源から出力されるインバータ電圧に基づいて駆動するモータにおける電磁界を解析する電磁界解析装置であって、前記インバータ電圧が前記モータのステータコイルに印加された場合に前記ステータコイルに鎖交する磁束であるインバータ励磁時鎖交磁束と、前記ステータコイルに目標励磁電流が流れた場合に前記ステータコイルに鎖交する磁束である目標励磁時鎖交磁束との差に基づいて、補正電流を導出する補正電流導出手段と、前記補正電流が前記ステータコイルに流れた場合の前記モータのステータコアにおける磁束密度を、マックスウェルの方程式に基づく線形電磁界解析を実行することにより導出する線形電磁界解析手段と、を有し、前記補正電流は、前記目標励磁電流が前記ステータコイルに流れた場合の前記ステータコアにおける磁束密度に対し、前記インバータ電源のスイッチング素子のスイッチング時に生じる磁束密度の時間変化を補うために前記ステータコイルに流す必要がある電流である。 The electromagnetic field analysis device of the present invention is an electromagnetic field analysis device that analyzes an electromagnetic field in a motor driven based on an inverter voltage output from an inverter power supply, and the inverter voltage is applied to the stator coil of the motor. In this case, the interlinking magnetic flux at the time of inverter excitation, which is the magnetic flux interlinking the stator coil, and the interlinkage magnetic flux at the time of target excitation, which is the magnetic flux interlinking the stator coil when the target exciting current flows through the stator coil. A linear electromagnetic field analysis based on Maxwell's equation is performed for the correction current derivation means for deriving the correction current based on the difference and the magnetic flux density in the stator core of the motor when the correction current flows through the stator coil. It has a linear electromagnetic field analysis means derived by the above, and the correction current is used when the switching element of the inverter power supply is switched with respect to the magnetic flux density in the stator core when the target exciting current flows through the stator coil. It is a current that needs to be passed through the stator coil in order to compensate for the time change of the generated magnetic flux density.

本発明の電磁界解析方法は、インバータ電源から出力されるインバータ電圧に基づいて駆動するモータにおける電磁界を解析する電磁界解析方法であって、前記インバータ電圧が前記モータのステータコイルに印加された場合に前記ステータコイルに鎖交する磁束であるインバータ励磁時鎖交磁束と、前記ステータコイルに目標励磁電流が流れた場合に前記ステータコイルに鎖交する磁束である目標励磁時鎖交磁束との差に基づいて、補正電流を導出する補正電流導出工程と、前記補正電流が前記ステータコイルに流れた場合の前記モータのステータコアにおける磁束密度を、マックスウェルの方程式に基づく線形電磁界解析を実行することにより導出する線形電磁界解析工程と、を有し、前記補正電流は、前記目標励磁電流が前記ステータコイルに流れた場合の前記ステータコアにおける磁束密度に対し、前記インバータ電源のスイッチング素子のスイッチング時に生じる磁束密度の時間変化を補うために前記ステータコイルに流す必要がある電流である。 The electromagnetic field analysis method of the present invention is an electromagnetic field analysis method for analyzing an electromagnetic field in a motor driven based on an inverter voltage output from an inverter power supply, and the inverter voltage is applied to a stator coil of the motor. In this case, the magnetic flux interlinking with the stator coil, which is the magnetic flux interlinking with the stator coil, and the magnetic flux interlinking with the stator coil when the target exciting current flows through the stator coil, A linear electromagnetic field analysis based on Maxwell's equation is performed for the correction current derivation step for deriving the correction current based on the difference and the magnetic flux density in the stator core of the motor when the correction current flows through the stator coil. It has a linear electromagnetic field analysis step derived by the above, and the correction current is obtained when the switching element of the inverter power supply is switched with respect to the magnetic flux density in the stator core when the target exciting current flows through the stator coil. It is a current that needs to be passed through the stator coil in order to compensate for the time change of the generated magnetic flux density.

本発明のプログラムは、前記電磁界解析装置の各手段としてコンピュータを機能させる。 The program of the present invention causes a computer to function as each means of the electromagnetic field analyzer.

本発明によれば、インバータ電源のスイッチング素子のスイッチング時に生じる細かい段階的な磁束密度の時間変化を考慮した電磁界解析を短時間で実行することができる。 According to the present invention, it is possible to execute an electromagnetic field analysis in a short time in consideration of the time change of the magnetic flux density in a fine stepwise manner that occurs when the switching element of the inverter power supply is switched.

電磁界解析装置の機能的な構成の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the functional structure of an electromagnetic field analyzer. IPMモータのモデルの一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the model of an IPM motor. PWMインバータの動作の一例を説明する図である。It is a figure explaining an example of the operation of a PWM inverter. 磁束密度の時系列波形の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the time-series waveform of the magnetic flux density. 線形非定常電磁界解析の際に用いる電源回路の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the power supply circuit used at the time of a linear unsteady electromagnetic field analysis. 電磁界解析方法の一例を説明するフローチャートである。It is a flowchart explaining an example of the electromagnetic field analysis method. 磁束密度の時系列波形の計算例を示す図である。It is a figure which shows the calculation example of the time series waveform of the magnetic flux density.

以下、図面を参照しながら、本発明の一実施形態を説明する。
尚、長さ、位置、大きさ、間隔等、比較対象が同じであることは、厳密に同じである場合の他、発明の主旨を逸脱しない範囲で異なるもの(例えば、設計時に定められる公差の範囲内で異なるもの)も含むものとする。
図1は、電磁界解析装置100の機能的な構成の一例を示す図である。電磁界解析装置100のハードウェアは、例えば、CPU、ROM、RAM、HDD、および各種のハードウェアを備える情報処理装置、または、専用のハードウェアを用いることにより実現される。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
It should be noted that the same comparison target such as length, position, size, spacing, etc. is not only the case where they are exactly the same, but also the ones which differ within the range not deviating from the gist of the invention (for example, the tolerance determined at the time of design). Those that differ within the range) are also included.
FIG. 1 is a diagram showing an example of a functional configuration of the electromagnetic field analyzer 100. The hardware of the electromagnetic field analysis device 100 is realized by using, for example, an information processing device including a CPU, ROM, RAM, HDD, and various hardware, or dedicated hardware.

電磁界解析装置100は、インバータ電源から出力されるインバータ電圧に基づいて駆動するモータにおける電磁界を解析する。
<<IPM(Interior Permanent Magnet)モータ>>
本実施形態では、モータが、三相のIPMモータである場合を例示する。図2は、IPMモータのモデルの一例を示す図である。具体的に、図2は、IPMモータの回転軸に垂直な断面の1/4の領域を示す図である。IPMモータの回転軸に垂直な断面の1/4の領域とは、IPMモータの回転軸の中心を原点0とし、原点0からIPMモータの径方向に伸びる2つの仮想線であって、相互になす角度が90°となる2つの仮想線で区画される領域である。図2において、これら2つの仮想線はx軸およびy軸に対応する。IPMモータは4回対称となる構成を有し、IPMモータを90°回転させると回転前のものと重なる。従って、電磁界の解析の結果も4回対称の関係になる。よって、IPMモータの回転軸に垂直な断面の1/4の領域の電磁界を解析すれば、IPMモータの残りの領域の電磁界を導出することができる。尚、以下の説明では、IPMモータの径方向、IPMモータの周方向を、必要に応じて、径方向、周方向と略称する。
The electromagnetic field analysis device 100 analyzes the electromagnetic field in the motor driven based on the inverter voltage output from the inverter power supply.
<< IPM (Interior Permanent Magnet) Motor >>
In this embodiment, the case where the motor is a three-phase IPM motor is illustrated. FIG. 2 is a diagram showing an example of a model of an IPM motor. Specifically, FIG. 2 is a diagram showing a region of 1/4 of the cross section perpendicular to the rotation axis of the IPM motor. The region of 1/4 of the cross section perpendicular to the rotation axis of the IPM motor is two virtual lines extending from the origin 0 in the radial direction of the IPM motor with the center of the rotation axis of the IPM motor as the origin 0. It is an area partitioned by two virtual lines having an angle of 90 °. In FIG. 2, these two virtual lines correspond to the x-axis and the y-axis. The IPM motor has a configuration that is symmetrical four times, and when the IPM motor is rotated by 90 °, it overlaps with the one before the rotation. Therefore, the result of the analysis of the electromagnetic field also has a four-fold symmetric relationship. Therefore, by analyzing the electromagnetic field in the region of 1/4 of the cross section perpendicular to the rotation axis of the IPM motor, the electromagnetic field in the remaining region of the IPM motor can be derived. In the following description, the radial direction of the IPM motor and the circumferential direction of the IPM motor are abbreviated as the radial direction and the circumferential direction, if necessary.

図2において、IPMモータは、ロータ201とステータ202とを有する。
ロータ201は、例えば、複数の電磁鋼板と永久磁石とを有する。複数の電磁鋼板は同一の形状を有する。複数の電磁鋼板には、永久磁石およびシャフト(回転軸)が配置されるようにするための穴が形成されている。複数の電磁鋼板を積み重ねたときに形成される貫通穴に永久磁石およびシャフトが配置される。
In FIG. 2, the IPM motor has a rotor 201 and a stator 202.
The rotor 201 has, for example, a plurality of electrical steel sheets and permanent magnets. A plurality of electrical steel sheets have the same shape. The plurality of electrical steel sheets are formed with holes for arranging permanent magnets and shafts (rotating shafts). Permanent magnets and shafts are placed in through holes formed when a plurality of electrical steel sheets are stacked.

ステータ202は、ステータコアと、ステータコイルとを有する。ステータコアは、周方向に延在するヨーク部と、ヨーク部と磁気的に結合される複数のティース部とを有する。複数のティース部の先端面は、ロータ201と対向する位置に配置される。図2では、ロータ201がステータ202の内側に配置されるインナーロータ型であり、且つ、ロータ201とステータ202とのギャップがIPMモータの径方向に配置されるラジアルギャップ型であるIPMモータを例示する。従って、複数のティース部は、ロータ201の内周面からIPMモータの回転軸の方向に向かうように、IPMモータの周方向において等間隔に配置される。ステータコアは、例えば、複数の電磁鋼板を有する。複数の電磁鋼板は同一の形状を有する。複数の電磁鋼板の平面形状は、ヨーク部および複数のティース部の平面形状と同じである。複数の電磁鋼板を積み重ねることによりヨーク部および複数のティース部が形成される。尚、領域202a~202gは、ステータコアの他の領域よりも透磁率が低い領域である。このようにする理由については後述する。ステータコイルは、周方向で隣り合う2つのティース部の間の領域であるスロット内に配置され、ティース部に対して巻き回される。図2では、U+、U-と示されているスロットにU相のステータコイルが配置され、V-と示されているスロットにV相のステータコイルが配置され、W+と示されているスロットにW相のステータコイルが配置される場合を例示する。 The stator 202 has a stator core and a stator coil. The stator core has a yoke portion extending in the circumferential direction and a plurality of teeth portions magnetically coupled to the yoke portion. The tip surfaces of the plurality of teeth portions are arranged at positions facing the rotor 201. FIG. 2 illustrates an IPM motor that is an inner rotor type in which the rotor 201 is arranged inside the stator 202 and is a radial gap type in which the gap between the rotor 201 and the stator 202 is arranged in the radial direction of the IPM motor. do. Therefore, the plurality of teeth portions are arranged at equal intervals in the circumferential direction of the IPM motor so as to face the direction of the rotation axis of the IPM motor from the inner peripheral surface of the rotor 201. The stator core has, for example, a plurality of electrical steel sheets. A plurality of electrical steel sheets have the same shape. The planar shape of the plurality of electrical steel sheets is the same as the planar shape of the yoke portion and the plurality of teeth portions. By stacking a plurality of electrical steel sheets, a yoke portion and a plurality of teeth portions are formed. The regions 202a to 202g are regions having a lower magnetic permeability than the other regions of the stator core. The reason for doing this will be described later. The stator coil is arranged in a slot that is a region between two adjacent teeth portions in the circumferential direction and is wound around the teeth portions. In FIG. 2, a U-phase stator coil is placed in the slot indicated by U + and U-, a V-phase stator coil is placed in the slot indicated by V-, and a V-phase stator coil is arranged in the slot indicated by W +. The case where the W phase stator coil is arranged is illustrated.

尚、IPMモータ自体は、公知の技術で実現されるので、ここでは概略のみを説明し、詳細な説明を省略する。また、本実施形態では、公知の種々のIPMモータを適用することができ、本実施形態で適用されるIPMモータは、図2に示すものに限定されない。また、本実施形態で適用されるモータは、インバータ電源により駆動するモータであれば、IPMモータに限定されない。 Since the IPM motor itself is realized by a known technique, only an outline thereof will be described here, and a detailed description thereof will be omitted. Further, in the present embodiment, various known IPM motors can be applied, and the IPM motor applied in the present embodiment is not limited to that shown in FIG. Further, the motor applied in this embodiment is not limited to the IPM motor as long as it is a motor driven by an inverter power supply.

<<インバータ電源>>
本実施形態では、励磁電源であるインバータ電源が、PWM(Pulse Width Modulation)インバータである場合を例示する。図3は、PWMインバータの動作の一例を説明する図である。
<< Inverter power supply >>
In this embodiment, a case where the inverter power supply, which is an exciting power supply, is a PWM (Pulse Width Modulation) inverter is illustrated. FIG. 3 is a diagram illustrating an example of operation of the PWM inverter.

図3において、PWMインバータは、正相変調波310の大きさと搬送波320の大きさとを、各時刻において比較する。そして、PWMインバータは、正相変調波310の大きさが搬送波320の大きさよりも大きい場合に「1」を出力し、そうでない場合に「0(ゼロ)」を出力することを各時刻において行い、正相ノッチ波340を生成する。 In FIG. 3, the PWM inverter compares the size of the positive phase modulated wave 310 with the size of the carrier wave 320 at each time. Then, the PWM inverter outputs "1" when the size of the positive phase modulated wave 310 is larger than the size of the carrier wave 320, and outputs "0 (zero)" when it is not, at each time. , Generates a positive phase notch wave 340.

また、PWMインバータは、正相変調波310の位相を180[°]ずらして負相変調波330を生成する。尚、正相変調波310に(-1)を掛けることにより、正相変調波310の位相を180[°]ずらすことができる。PWMインバータは、このようにして生成した負相変調波330の大きさと搬送波320の大きさとを、各時刻において比較する。そして、PWMインバータは、負相変調波330の大きさが搬送波320の大きさよりも大きい場合に「1」を出力し、そうでない場合に「0(ゼロ)」を出力することを各時刻において行い、負相ノッチ波350を生成する。
尚、図3では、変調波・搬送波の値を相対値で示す。
Further, the PWM inverter shifts the phase of the positive phase modulated wave 310 by 180 [°] to generate the negative phase modulated wave 330. By multiplying the positive phase modulated wave 310 by (-1), the phase of the positive phase modulated wave 310 can be shifted by 180 [°]. The PWM inverter compares the size of the negative phase modulated wave 330 thus generated and the size of the carrier wave 320 at each time. Then, the PWM inverter outputs "1" when the size of the negative phase modulated wave 330 is larger than the size of the carrier wave 320, and outputs "0 (zero)" when it is not, at each time. , Generates a negative phase notch wave 350.
In FIG. 3, the values of the modulated wave and the carrier wave are shown as relative values.

PWMインバータは、正相ノッチ波340から負相ノッチ波350を減算したパルス波において「1」を示す期間に、PWMインバータに供給された正の直流電圧に基づく電圧を出力する。また、PWMインバータは、正相ノッチ波340から負相ノッチ波350を減算したパルス波において「-1」を示す期間に、PWMインバータに供給された負の直流電圧に基づく電圧を出力する。また、PWMインバータは、正相ノッチ波340から負相ノッチ波350を減算したパルス波において「0(ゼロ)」を示す期間には、PWMインバータに供給された直流電圧に基づく電圧を出力しない。このようにして得られる電圧により構成されるパルス列(パルス波)がインバータ電圧360として、PWMインバータから出力される。図3では、インバータ電圧360の値を相対値で示す。 The PWM inverter outputs a voltage based on the positive DC voltage supplied to the PWM inverter during the period indicating "1" in the pulse wave obtained by subtracting the negative phase notch wave 350 from the positive phase notch wave 340. Further, the PWM inverter outputs a voltage based on the negative DC voltage supplied to the PWM inverter during the period indicating "-1" in the pulse wave obtained by subtracting the negative phase notch wave 350 from the positive phase notch wave 340. Further, the PWM inverter does not output a voltage based on the DC voltage supplied to the PWM inverter during the period indicating "0 (zero)" in the pulse wave obtained by subtracting the negative phase notch wave 350 from the positive phase notch wave 340. The pulse train (pulse wave) composed of the voltage thus obtained is output from the PWM inverter as the inverter voltage 360. In FIG. 3, the value of the inverter voltage 360 is shown as a relative value.

PWMインバータは、このようなインバータ電圧360を、U相、V相、W相のそれぞれについて生成して出力する。U相のステータコイルの両端、V相のステータコイルの両端、W相のステータコイルの両端のそれぞれに、U相のインバータ電圧360、V相のインバータ電圧360、W相のインバータ電圧360が印加される。 The PWM inverter generates and outputs such an inverter voltage 360 for each of the U phase, the V phase, and the W phase. A U-phase inverter voltage 360, a V-phase inverter voltage 360, and a W-phase inverter voltage 360 are applied to both ends of the U-phase stator coil, both ends of the V-phase stator coil, and both ends of the W-phase stator coil. To.

尚、以上のようなPWMインバータにおける変調動作を定めるパラメータには、変調率mとキャリア周波数fcとが含まれる。PWMインバータでは、変調率mは、正相変調波310および負相変調波330の振幅E0を、搬送波320の振幅Ecで割った値で表される(m=E0÷Ec)。キャリア周波数でfcは、搬送波320の周波数である。
PWMインバータとしては、公知の種々の方式で駆動するPWMインバータを適用することができ、図3に示す方式で駆動するものに限定されない。
The parameters that determine the modulation operation in the PWM inverter as described above include the modulation factor m and the carrier frequency f c . In the PWM inverter, the modulation factor m is represented by the value obtained by dividing the amplitude E 0 of the positive phase modulated wave 310 and the negative phase modulated wave 330 by the amplitude E c of the carrier wave 320 (m = E 0 ÷ E c ). In the carrier frequency, f c is the frequency of the carrier wave 320.
As the PWM inverter, a PWM inverter driven by various known methods can be applied, and the PWM inverter is not limited to the one driven by the method shown in FIG.

<<非線形電磁界解析部101>>
非線形電磁界解析部101は、目標励磁電流IIがステータコイルに流れた場合のステータコアにおける磁束密度を、マックスウェルの方程式に基づく非線形電磁界解析を実行することにより導出する。本実施形態では、目標励磁電流IIの時系列波形が正弦波である場合を例示する。ただし、目標励磁電流IIの時系列波形は正弦波に限定されず、IPMモータの目標励磁電流の時系列波形として採用される各種の時系列波形の目標励磁電流IIを採用することができる。尚、目標励磁電流IIの時系列波形は、各時刻における目標励磁電流IIの値を示す情報である。このことは、目標励磁電流II以外の物理量の時系列波形についても同じである。目標励磁電流IIは、PWMインバータにおいてインバータ電圧360を生成する際の目標となる励磁電流であり、ステータコイルに流れる励磁電流が目標励磁電流IIに近づくように、インバータ電圧360が生成される。
<< Non-linear electromagnetic field analysis unit 101 >>
The non-linear electromagnetic field analysis unit 101 derives the magnetic flux density in the stator core when the target exciting current I I flows through the stator coil by performing the non-linear electromagnetic field analysis based on Maxwell's equation. In this embodiment, a case where the time-series waveform of the target exciting current I I is a sine wave is illustrated. However, the time-series waveform of the target exciting current I I is not limited to the sine wave, and the target exciting current I I of various time-series waveforms adopted as the time-series waveform of the target exciting current of the IPM motor can be adopted. .. The time-series waveform of the target exciting current I I is information indicating the value of the target exciting current I I at each time. This also applies to time-series waveforms of physical quantities other than the target exciting current I I. The target exciting current I I is the target exciting current when the inverter voltage 360 is generated in the PWM inverter, and the inverter voltage 360 is generated so that the exciting current flowing through the stator coil approaches the target exciting current I I. ..

本実施形態では、非線形電磁界解析部101は、非線形非定常有限要素法を用いた電磁界解析を実行することにより、目標励磁電流IIがステータコイルに流れてステータコアが励磁された場合の、IPMモータのモデルに対して設定した要素(メッシュ)のそれぞれにおける磁束密度Bおよび渦電流密度Jeを導出する。 In the present embodiment, the nonlinear electromagnetic field analysis unit 101 performs electromagnetic field analysis using the nonlinear unsteady finite element method, so that the target exciting current I I flows through the stator coil and the stator core is excited. The magnetic flux density B and the eddy current density J e in each of the elements (mesh) set for the IPM motor model are derived.

有限要素法を用いた電磁界解析の手法としてA-φ法を用いる手法がある。この場合、電磁界解析を実行するための基礎方程式は、マクスウェルの方程式に基づき以下の(1)式~(4)式で与えられる。尚、各式において、→は、ベクトルであることを表す。 There is a method using the A-φ method as a method of electromagnetic field analysis using the finite element method. In this case, the basic equation for performing the electromagnetic field analysis is given by the following equations (1) to (4) based on Maxwell's equations. In each equation, → indicates that it is a vector.

Figure 2022045167000002
Figure 2022045167000002

(1)式~(4)式において、μは、透磁率であり、Aは、ベクトルポテンシャルであり、σは、導電率であり、J0は、励磁電流密度であり、Jeは、渦電流密度であり、Bは、磁束密度である。(1)式および(2)式を連立して解いて、ベクトルポテンシャルAとスカラーポテンシャルφを導出した後、(3)式および(4)式から磁束密度Bと、渦電流密度Jeを要素のそれぞれに対して導出する。尚、(1)式では、表記を簡素化するため、透磁率のx成分μx、y成分μy、z成分μzが等しい場合(μx=μy=μzの場合)の式を示す。尚、非線形電磁界解析においては、磁束密度Bと磁界強度Hとの関係は非線形の関係となるので、透磁率は磁束密度に応じて異なる値をとり得る。非線形非定常電磁界解析を実行する手法は、非特許文献1、2等に記載されているように一般的な手法であるので、その詳細な説明を省略する。 In equations (1) to (4), μ is the magnetic permeability, A is the vector potential, σ is the conductivity, J 0 is the exciting current density, and J e is the eddy current. It is a current density, and B is a magnetic flux density. After solving equations (1) and (2) simultaneously to derive the vector potential A and the scalar potential φ, the magnetic flux density B and the eddy current density J e are used as elements from the equations (3) and (4). Derived for each of. In equation (1), in order to simplify the notation, the equation when the x component μ x , y component μ y , and z component μ z of magnetic permeability are equal (when μ x = μ y = μ z ) is used. show. In the non-linear electromagnetic field analysis, the relationship between the magnetic flux density B and the magnetic field strength H is a non-linear relationship, so that the magnetic permeability can take a different value depending on the magnetic flux density. Since the method for performing the nonlinear unsteady electromagnetic field analysis is a general method as described in Non-Patent Documents 1, 2, etc., detailed description thereof will be omitted.

非線形電磁界解析部101は、時間ステップΔt1の時間隔の各時刻tにおいて、各要素における磁束密度Bおよび渦電流密度Jeを相毎(即ち、U相、V相、W相毎)に導出する。時間ステップΔt1は、後述する線形電磁界解析部106で実行される線形電磁界解析における時間ステップΔt2よりも長い。時間ステップΔt1は、例えば、後述する線形電磁界解析における時間ステップΔt2よりも3倍以上長いのが好ましく、5倍以上長いのがより好ましく、10倍以上長いのがより一層好ましい。非線形電磁界解析における計算時間を短くすることができるからである。ただし、非線形電磁界解析における時間ステップΔt1は、線形電磁界解析における時間ステップΔt2より長くなくてもよく、例えば、非線形電磁界解析における時間ステップΔt1と、線形電磁界解析における時間ステップΔt2とを同じにしてもよい。 The nonlinear electromagnetic field analysis unit 101 derives the magnetic flux density B and the eddy current density J e in each element for each phase (that is, for each U phase, V phase, and W phase) at each time t of the time interval of the time step Δt1. do. The time step Δt1 is longer than the time step Δt2 in the linear electromagnetic field analysis executed by the linear electromagnetic field analysis unit 106 described later. For example, the time step Δt1 is preferably 3 times or more longer than the time step Δt2 in the linear electromagnetic field analysis described later, more preferably 5 times or more, and even more preferably 10 times or more. This is because the calculation time in the nonlinear electromagnetic field analysis can be shortened. However, the time step Δt1 in the nonlinear electromagnetic field analysis does not have to be longer than the time step Δt2 in the linear electromagnetic field analysis. For example, the time step Δt1 in the nonlinear electromagnetic field analysis and the time step Δt2 in the linear electromagnetic field analysis are the same. It may be.

<<目標励磁電圧導出部102>>
目標励磁電圧導出部102は、非線形電磁界解析部101により導出された各時刻tにおける各要素の磁束密度Bに基づいて、目標励磁電流IIに対応する励磁電圧である目標励磁電圧VIを導出する。目標励磁電圧VIは、変調波(例えば正相変調波310)に相当するものである。本実施形態では、非線形電磁界解析部101により導出された各時刻tにおける各要素の磁束密度Bと、IPMモータの回路方程式とに基づいて、各時刻tにおける目標励磁電圧VIを導出する。以下に目標励磁電圧導出部102における処理の具体例を説明する。
<< Target Excitation Voltage Derivation Unit 102 >>
The target exciting voltage derivation unit 102 sets a target exciting voltage V I , which is an exciting voltage corresponding to the target exciting current I I , based on the magnetic flux density B of each element at each time t derived by the non-linear magnetic field analysis unit 101. Derived. The target excitation voltage VI corresponds to a modulated wave (eg, positive phase modulated wave 310). In the present embodiment, the target exciting voltage V I at each time t is derived based on the magnetic flux density B of each element at each time t derived by the nonlinear electromagnetic field analysis unit 101 and the circuit equation of the IPM motor. A specific example of the processing in the target excitation voltage derivation unit 102 will be described below.

まず、目標励磁電圧導出部102は、或る1つのティース部を径方向の所定の位置で径方向に対して垂直に切ったときの断面における或る1つの要素(メッシュ)の面積と、当該要素における時刻tでの磁束密度Bの径方向の成分との積を、当該時刻tにおける当該要素の磁束として導出することを相毎に実行する。そして、目標励磁電圧導出部102は、当該断面に含まれる全ての要素の磁束を積算した値を、当該時刻tにおいて当該ティース部に巻き回されたステータコイルに鎖交する磁束として導出することを相毎に実行する。更に、目標励磁電圧導出部102は、当該時刻tにおいてティース部に巻き回されたステータコイルに鎖交する磁束を全てのティース部について積算した値を、当該時刻tにおける目標励磁時鎖交磁束φIとして導出することを相毎に実行する。目標励磁電圧導出部102は、以上のような時刻tにおける各相の目標励磁時鎖交磁束φIの導出を、時間ステップΔt1の時間隔で実行する。 First, the target exciting voltage derivation unit 102 includes the area of one element (mesh) in the cross section when one tooth portion is cut perpendicular to the radial direction at a predetermined position in the radial direction. It is executed for each phase to derive the product of the magnetic flux density B with the radial component of the magnetic flux density B at the time t in the element as the magnetic flux of the element at the time t. Then, the target exciting voltage derivation unit 102 derives the value obtained by integrating the magnetic fluxes of all the elements included in the cross section as the magnetic flux interlinking with the stator coil wound around the teeth portion at the time t. Run phase by phase. Further, the target exciting voltage derivation unit 102 integrates the magnetic flux interlinking with the stator coil wound around the teeth portion for all the teeth portions at the time t, and the interlinking magnetic flux φ at the target excitation time t. Derivation as I is performed phase by phase. The target exciting voltage derivation unit 102 executes the derivation of the target excitation time-linking magnetic flux φ I of each phase at the time t as described above at the time interval of the time step Δt1.

目標励磁電圧導出部102は、時刻tにおける各相の目標励磁時鎖交磁束φIと、時刻tにおける各相の目標励磁電流IIと、各相のステータコイルの直流抵抗Rと、各相のステータコイルの巻回数Nとに基づいて、IPMモータの回路方程式により、時刻tにおける各相の目標励磁電圧VIを導出する。ここで使用されるIPMモータの回路方程式は、例えば、以下の(5)式で表される。 The target exciting voltage derivation unit 102 includes the target excitation magnetic flux φ I of each phase at time t, the target exciting current I I of each phase at time t, the DC resistance R of the stator coil of each phase, and each phase. Based on the number of turns N of the stator coil of the above, the target exciting voltage V I of each phase at time t is derived by the circuit equation of the IPM motor. The circuit equation of the IPM motor used here is expressed by the following equation (5), for example.

Figure 2022045167000003
Figure 2022045167000003

各相のステータコイルの直流抵抗Rと、各相のステータコイルの巻回数Nは、IPMモータの仕様から予め定められる。例えば、(5)式のdφI/dtを差分近似することにより、時刻tにおける各相の目標励磁電圧VIが導出される。差分近似は、前進差分であっても後退差分であっても中心差分であってもよい。尚、各相の目標励磁電圧VIも時間ステップΔt1の時間隔で導出される。 The DC resistance R of the stator coil of each phase and the number of turns N of the stator coil of each phase are predetermined from the specifications of the IPM motor. For example, the target exciting voltage V I of each phase at time t is derived by differentially approximating dφ I / dt in the equation (5). The difference approximation may be a forward difference, a backward difference, or a central difference. The target excitation voltage V I of each phase is also derived at the time interval of the time step Δt1.

IPMモータの回路方程式は、IPMモータの磁気回路を表現する方程式である。(5)式は、ステータコイルに励磁電流を流した場合のステータコイルにおける電圧降下と、当該ステータコイルが巻き回されているティース部に鎖交する磁束の時間変化と当該ステータコイルの巻回数との積と、が等しいことを表す。尚、IPMモータの回路方程式は、相毎に用意される。 The circuit equation of the IPM motor is an equation expressing the magnetic circuit of the IPM motor. In the equation (5), the voltage drop in the stator coil when an exciting current is passed through the stator coil, the time change of the magnetic flux interlinking the teeth portion around which the stator coil is wound, and the number of times the stator coil is wound. Represents that the product of is equal to. The circuit equation of the IPM motor is prepared for each phase.

目標励磁電圧導出部102は、非線形電磁界解析部101により或る時刻tにおける磁束密度Bが導出される度に当該時刻tにおける各相の目標励磁電圧VIを導出しても、非線形電磁界解析部101により一周期分の各時刻tにおける磁束密度Bが導出された後に一周期分の各時刻tにおける各相の目標励磁電圧VIを纏めて導出してもよい。
本実施形態では以上のようにして、一周期分の各時刻tにおける各相の目標励磁時鎖交磁束φIおよび各相の目標励磁電圧VIが、時間ステップΔt1の時間隔で導出される。
Even if the target exciting voltage derivation unit 102 derives the target exciting voltage V I of each phase at a certain time t each time the magnetic flux density B at a certain time t is derived by the non-linear magnetic field analysis unit 101, the non-linear electromagnetic field After the magnetic flux density B at each time t for one cycle is derived by the analysis unit 101, the target exciting voltage V I of each phase at each time t for one cycle may be collectively derived.
In the present embodiment, as described above, the target exciting time interlinkage magnetic flux φ I of each phase and the target exciting voltage V I of each phase at each time t for one cycle are derived at the time interval of the time step Δt1. ..

非線形電磁界解析における時間ステップΔt1が、線形電磁界解析における時間ステップΔt2よりも長い場合、非線形電磁界解析部101は、時間ステップΔt1の時間隔の各時刻tにおける各要素(メッシュ)の磁束密度Bおよび渦電流密度Jeを補間することにより、時間ステップΔt2の時間隔により定まる各時刻における各要素の磁束密度Bおよび渦電流密度Jeを相毎に導出する。また、非線形電磁界解析部101は、時間ステップΔt2の時間隔により定まる各時刻における各要素の磁束密度Bに対応する磁界強度Hを導出する。 When the time step Δt1 in the non-linear electromagnetic field analysis is longer than the time step Δt2 in the linear electromagnetic field analysis, the non-linear electromagnetic field analysis unit 101 uses the magnetic flux density of each element (mesh) at each time t of the time interval of the time step Δt1. By interpolating B and the eddy current density J e , the magnetic flux density B and the eddy current density J e of each element at each time determined by the time interval of the time step Δt2 are derived for each phase. Further, the nonlinear electromagnetic field analysis unit 101 derives the magnetic field strength H corresponding to the magnetic flux density B of each element at each time determined by the time interval of the time step Δt2.

また、目標励磁電圧導出部102は、時間ステップΔt1の時間隔の各時刻tにおける各相の目標励磁時鎖交磁束φIを補間することにより、時間ステップΔt2の時間隔により定まる各時刻における各相の目標励磁時鎖交磁束φIを導出する。同様に、目標励磁電圧導出部102は、時間ステップΔt1の時間隔の各時刻tにおける各相の目標励磁電圧VIを補間することにより、時間ステップΔt2の時間隔により定まる各時刻における各相の目標励磁電圧VIを導出する。尚、各相の目標励磁電流IIが時間ステップΔt2の時間隔により定まる各時刻において定められていない場合には、時間ステップΔt2の時間隔により定まる各時刻における各相の目標励磁電流IIも導出される。 Further, the target exciting voltage derivation unit 102 interpolates the target exciting time interlinkage magnetic flux φ I of each phase at each time t of the time interval of the time step Δt1 to each time at each time determined by the time interval of the time step Δt2. Derivation of the interlinkage magnetic flux φ I at the time of target excitation of the phase. Similarly, the target exciting voltage derivation unit 102 interpolates the target exciting voltage V I of each phase at each time t of the time interval of the time step Δt1 so that the target exciting voltage deriving unit 102 of each phase at each time determined by the time interval of the time step Δt2. Derive the target excitation voltage V I. If the target exciting current I I of each phase is not determined at each time determined by the time interval of the time step Δt2, the target exciting current I I of each phase at each time determined by the time interval of the time step Δt2 is also Derived.

尚、非線形電磁界解析部101により一周期分の各時刻tにおける磁束密度Bが導出された後に一周期分の各時刻tにおける各相の目標励磁時鎖交磁束φI・目標励磁電圧VIを纏めて導出する場合、以下のようにしてもよい。即ち、非線形電磁界解析部101は、時間ステップΔt2の時間隔により定まる各時刻における各要素の磁束密度Bとして一周期分の磁束密度Bを導出する。目標励磁電圧導出部102は、時間ステップΔt2の時間隔により定まる各時刻における各要素の磁束密度Bを用いて(5)式の計算を行うことにより、時間ステップΔt2の時間隔により定まる各時刻における各相の目標励磁時鎖交磁束φI・目標励磁電圧VIを導出する。このようにする場合、目標励磁電圧導出部102は、目標励磁時鎖交磁束φIおよび目標励磁電圧VIを、時間ステップΔt1の時間隔で導出する必要はない。 After the magnetic flux density B at each time t for one cycle is derived by the nonlinear electromagnetic field analysis unit 101, the interlinkage magnetic flux φ I and the target exciting voltage V I of each phase at each time t for one cycle. When deriving collectively, the following may be used. That is, the nonlinear electromagnetic field analysis unit 101 derives the magnetic flux density B for one cycle as the magnetic flux density B of each element at each time determined by the time interval of the time step Δt2. The target excitation voltage derivation unit 102 performs the calculation of Eq. (5) using the magnetic flux density B of each element at each time determined by the time interval of the time step Δt2, and at each time determined by the time interval of the time step Δt2. Derivation of the interlinkage magnetic flux φ I and the target exciting voltage V I at the time of target excitation of each phase. In this case, the target exciting voltage derivation unit 102 does not need to derive the target exciting time interlinkage magnetic flux φ I and the target exciting voltage V I at the time interval of the time step Δt1.

<<インバータ電圧導出部103>>
インバータ電圧導出部103は、目標励磁電圧導出部102により導出された、時間ステップΔt2の時間隔により定まる各時刻における各相の目標励磁電圧VIに基づいて、各相の変調波(正相変調波310および負相変調波330)を導出する。そして、インバータ電圧導出部103は、変調波(正相変調波310および負相変調波330)と搬送波320とを比較した結果に基づいて、時間ステップΔt2の時間隔により定まる各時刻における各相のインバータ電圧VINVを導出する。インバータ電圧VINVは、インバータ電圧360に相当するものである。インバータ電圧VINVを導出する手法の一例は、図3を参照しながら説明した通りである。本実施形態ではこのようにして、時間ステップΔt2の時間隔により定まる各時刻における各相のインバータ電圧VINVが導出される。
<< Inverter voltage derivation unit 103 >>
The inverter voltage derivation unit 103 is a modulated wave (positive phase modulation) of each phase based on the target excitation voltage V I of each phase at each time determined by the time interval of the time step Δt2, which is derived by the target excitation voltage derivation unit 102. The wave 310 and the negative phase modulated wave 330) are derived. Then, the inverter voltage derivation unit 103 of each phase at each time determined by the time interval of the time step Δt2 based on the result of comparing the modulated wave (positive phase modulated wave 310 and negative phase modulated wave 330) with the carrier wave 320. Inverter voltage V INV is derived. The inverter voltage V INV corresponds to the inverter voltage 360. An example of the method for deriving the inverter voltage V INV is as described with reference to FIG. In this embodiment, the inverter voltage V INV of each phase at each time determined by the time interval of the time step Δt2 is derived in this way.

<<インバータ励磁時鎖交磁束導出部104>>
インバータ励磁時鎖交磁束導出部104は、インバータ電圧導出部103により導出された、時間ステップΔt2の時間隔により定まる各時刻における各相のインバータ電圧VINVと、IPMモータの回路方程式とに基づいて、インバータ励磁時鎖交磁束φINVを導出する。インバータ励磁時鎖交磁束φINVは、インバータ電圧導出部103により導出された各相のインバータ電圧VINVがIPMモータの各相のステータコイルに印加された場合にステータコイルに鎖交する磁束である。ここで使用されるIPMモータの回路方程式は、例えば、以下の(6)式で表される。
<< Inverter excitation interlinkage magnetic flux derivation unit 104 >>
The inverter excitation time-linkage magnetic flux derivation unit 104 is based on the inverter voltage V INV of each phase at each time determined by the time interval of the time step Δt2 and the circuit equation of the IPM motor, which are derived by the inverter voltage derivation unit 103. , Derives the interlinkage magnetic flux φ INV when the inverter is excited. The interlinkage magnetic flux φ INV during inverter excitation is a magnetic flux interlinking with the stator coil when the inverter voltage V INV of each phase derived by the inverter voltage lead-out unit 103 is applied to the stator coil of each phase of the IPM motor. .. The circuit equation of the IPM motor used here is expressed by the following equation (6), for example.

Figure 2022045167000004
Figure 2022045167000004

前述したように、各相のステータコイルの直流抵抗Rと、各相のステータコイルの巻回数Nは、IPMモータの仕様から予め定められる。また、前述したように、IPMモータの回路方程式は、相毎に用意される。インバータ励磁時鎖交磁束導出部104は、或る相の一周期分の各時刻における目標励磁電流IIと、当該相のステータコイルの直流抵抗Rと、当該相のステータコイルの巻回数Nと、当該相の一周期分の各時刻におけるインバータ電圧VINVとを用いて、(6)式により、当該相における一周期分の各時刻におけるインバータ励磁時鎖交磁束φINVを導出する。インバータ励磁時鎖交磁束導出部104は、このようなインバータ励磁時鎖交磁束φINVの導出を相毎において実行する。ここで、各時刻における各相のインバータ励磁時鎖交磁束φINVは積分を実行することにより導出される。この際、積分定数は、一周期における磁束の平均値が0(ゼロ)となるように定められる。本実施形態では以上のようにして、時間ステップΔt2の時間隔により定まる各時刻において、各相におけるインバータ励磁時鎖交磁束φINVが導出される。 As described above, the DC resistance R of the stator coil of each phase and the number of turns N of the stator coil of each phase are predetermined from the specifications of the IPM motor. Further, as described above, the circuit equation of the IPM motor is prepared for each phase. The interlinkage magnetic flux derivation unit 104 during excitation of the inverter includes the target exciting current I I at each time for one cycle of a certain phase, the DC resistance R of the stator coil of the phase, and the number of turns N of the stator coil of the phase. Using the inverter voltage V INV at each time for one cycle of the phase, the interlinkage magnetic flux φ INV during excitation of the inverter at each time for one cycle in the phase is derived by Eq. (6). The inverter-excited interlinkage magnetic flux derivation unit 104 executes such derivation of the inverter-excitation interlinkage magnetic flux φ INV for each phase. Here, the interlinkage magnetic flux φ INV at the time of inverter excitation of each phase at each time is derived by executing the integration. At this time, the constant of integration is set so that the average value of the magnetic flux in one cycle becomes 0 (zero). In the present embodiment, as described above, the interlinkage magnetic flux φ INV at the time of inverter excitation in each phase is derived at each time determined by the time interval of the time step Δt2.

インバータ電圧VINVをステータコイルに印加することによりステータコイルに流れる励磁電流は、厳密には目標励磁電流IIと一致せずに歪んだ波形になる。しかしながら、モータのインピーダンスはインダクタンスが支配的であり、モータのインピーダンスに対する直流抵抗の寄与は小さい。従って、(6)式において、左辺(=NdφINV/dt)は、右辺第2項(=IIR)に比べて十分に大きい(NdφINV/dt≫IIR)。よって、インバータ励磁時鎖交磁束φINVの波形の形は、ほとんどインバータ電圧VINVの波形の形から定まる。このため、(6)式において、目標励磁電流IIを用いても、実用上要求される精度で、各相におけるインバータ励磁時鎖交磁束φINVを導出することができる。尚、このような観点から、(6)式の右辺第2項を省略してもよい。同様に、(5)式の右辺第2項を省略してもよい。 By applying the inverter voltage V INV to the stator coil, the exciting current flowing through the stator coil does not exactly match the target exciting current I I and becomes a distorted waveform. However, the impedance of the motor is dominated by the inductance, and the contribution of the DC resistance to the impedance of the motor is small. Therefore, in the equation (6), the left side (= Ndφ INV / dt) is sufficiently larger than the second term (= IIR) on the right side ( Ndφ INV / dt >> IIR). Therefore, the shape of the waveform of the interlinkage magnetic flux φ INV when the inverter is excited is almost determined by the shape of the waveform of the inverter voltage V INV . Therefore, even if the target exciting current I I is used in the equation (6), the interlinkage magnetic flux φ INV at the time of inverter excitation in each phase can be derived with the accuracy required for practical use. From this point of view, the second term on the right side of the equation (6) may be omitted. Similarly, the second term on the right side of the equation (5) may be omitted.

<<補正電流導出部105>>
補正電流導出部105は、目標励磁時鎖交磁束φIと、インバータ励磁時鎖交磁束φINVと、ステータコイルの巻回数Nと、ステータコアの磁気抵抗Rmとに基づいて、以下の(7)式により、補正電流I+を導出する。補正電流I+は、時間ステップΔt2の時間隔により定まる各時刻において相毎に導出される。以下の(7)式において、磁気抵抗Rmは、以下の(8)式で表される。
<< Corrected current derivation unit 105 >>
The correction current derivation unit 105 is based on the following (7) based on the target exciting interlinkage magnetic flux φ I , the inverter exciting interlinkage magnetic flux φ INV , the number of turns N of the stator coil, and the magnetoresistance R m of the stator core. ), The correction current I + is derived. The correction current I + is derived for each phase at each time determined by the time interval of the time step Δt2. In the following equation (7), the magnetoresistance R m is expressed by the following equation (8).

Figure 2022045167000005
Figure 2022045167000005

(8)式において、νhighは、磁気抵抗率である。本実施形態では、後述する線形電磁界解析部106における計算時間を短縮するため、ステータコアに流れる磁束の経路上の要素(メッシュ)の一部の透磁率を、電磁界解析においてステータコアの透磁率として想定される透磁率よりも十分に低い透磁率とする。以下の説明では、このような低い透磁率を有する要素を、必要に応じて低透磁率要素と称する。例えば、低透磁率要素の透磁率を、真空の透磁率以下の透磁率とするのが好ましく、真空の透磁率の1/2倍以下の透磁率とするのがより好ましい。(8)式における磁気抵抗率νhighは、低透磁率要素に対して設定される透磁率の逆数である。また、(8)式において、Lは、低透磁率要素の、磁束の進行方向の長さである。また、Aは、低透磁率要素の、磁束の進行方向に垂直な方向における断面積である。
本実施形態では以上のようにして、時間ステップΔt2の時間隔により定まる各時刻において、各相における補正電流I+が導出される。
In equation (8), ν high is the reluctance coefficient. In this embodiment, in order to shorten the calculation time in the linear electromagnetic field analysis unit 106 described later, the magnetic permeability of a part of the element (mesh) on the path of the magnetic flux flowing through the stator core is used as the magnetic permeability of the stator core in the electromagnetic field analysis. The magnetic permeability should be sufficiently lower than the expected magnetic permeability. In the following description, an element having such a low magnetic permeability will be referred to as a low magnetic permeability element, if necessary. For example, the magnetic permeability of the low magnetic permeability element is preferably set to be equal to or lower than the magnetic permeability of vacuum, and more preferably to be 1/2 or less of the magnetic permeability of vacuum. The reluctance ν high in the equation (8) is the reciprocal of the magnetic permeability set for the low magnetic permeability element. Further, in the equation (8), L is the length of the low magnetic permeability element in the traveling direction of the magnetic flux. Further, A is the cross-sectional area of the low magnetic permeability element in the direction perpendicular to the traveling direction of the magnetic flux.
In the present embodiment, as described above, the correction current I + in each phase is derived at each time determined by the time interval of the time step Δt2.

ここで、補正電流I+について説明する。図4は、ステータコアにおける磁束密度の時系列波形の一例を示す図である。図4(a)は、目標励磁電流IIがステータコイルに流れた場合のステータコアにおける磁束密度の時系列波形410の一例を概念的に示す図である。図4(b)は、インバータ電圧VINVがステータコイルに印加された場合のステータコアにおける磁束密度の時系列波形420の一例を概念的に示す図である。 Here, the correction current I + will be described. FIG. 4 is a diagram showing an example of a time-series waveform of the magnetic flux density in the stator core. FIG. 4A is a diagram conceptually showing an example of a time-series waveform 410 of the magnetic flux density in the stator core when the target exciting current I I flows through the stator coil. FIG. 4B is a diagram conceptually showing an example of a time-series waveform 420 of the magnetic flux density in the stator core when the inverter voltage V INV is applied to the stator coil.

図4(a)および図4(b)に示すように、インバータ電圧VINVがステータコイルに印加された場合のステータコアにおける磁束密度の時系列波形420では、目標励磁電流IIがステータコイルに流れた場合のステータコアにおける磁束密度の時系列波形410に対し、磁束密度の細かい段階的な時間変化が重畳されたものになる(磁束密度の時系列波形420の小さな凹凸の部分を参照)。このような磁束密度の細かい段階的な時間変化は、PWMインバータが備える半導体素子のスイッチング時のインバータ電圧VINVの立ち上がりおよび立ち下がりのために生じるものである。補正電流I+は、目標励磁電流IIがステータコイルに流れた場合のステータコアにおける磁束密度に対し、このような磁束密度の細かい段階的な時間変化を補うためにステータコイルに流す必要がある電流に対応する。このように補正電流I+は、磁束密度の細かい段階的な時間変化に対応する電流である。従って、細かい時間ステップ(即ち、高い時間分解能)で導出する必要がある。そこで、本実施形態では、補正電流I+を導出するために用いられる、目標励磁時鎖交磁束φIおよびインバータ励磁時鎖交磁束φINVを、非線形電磁界解析部101で実行される非線形電磁界解析における時間ステップΔt1よりも短い時間ステップΔt2の時間隔で導出する。このような観点から時間ステップΔt2は、1.0×10-5秒以下が好ましく、5.0×10-6秒以下がより好ましい。 As shown in FIGS. 4A and 4B, in the time-series waveform 420 of the magnetic flux density in the stator core when the inverter voltage V INV is applied to the stator coil, the target exciting current I I flows in the stator coil. In this case, the time-series waveform 410 of the magnetic flux density in the stator core is superposed with a fine stepwise time change of the magnetic flux density (see the small uneven portion of the time-series waveform 420 of the magnetic flux density). Such a fine stepwise change in magnetic flux density with time is caused by the rise and fall of the inverter voltage V INV at the time of switching the semiconductor element included in the PWM inverter. The correction current I + is the current that needs to be passed through the stator coil in order to compensate for such a small stepwise change in the magnetic flux density with respect to the magnetic flux density in the stator core when the target exciting current I I flows through the stator coil. Corresponds to. As described above, the correction current I + is a current corresponding to a fine stepwise change in magnetic flux density. Therefore, it is necessary to derive it in fine time steps (that is, high time resolution). Therefore, in the present embodiment, the target exciting interlinkage magnetic flux φ I and the inverter exciting interlinkage magnetic flux φ INV used for deriving the correction current I + are executed by the nonlinear electromagnetic field analysis unit 101. It is derived at the time interval of the time step Δt2 shorter than the time step Δt1 in the field analysis. From this point of view, the time step Δt2 is preferably 1.0 × 10 -5 seconds or less, and more preferably 5.0 × 10 -6 seconds or less.

<<線形電磁界解析部106>>
線形電磁界解析部106は、補正電流I+がステータコイルに流れた場合のステータコアにおける磁束密度を、マックスウェルの方程式に基づく線形電磁界解析を実行することにより導出する。
本実施形態では、線形電磁界解析部106は、線形非定常有限要素法を用いた電磁界解析を実行することにより、補正電流I+がステータコイルに流れてステータコアが励磁された場合の、IPMモータのモデルに対して設定した要素のそれぞれにおける磁束密度Bおよび渦電流密度Jeを導出する。本実施形態では、説明を簡単にするため、線形電磁界解析部106により線形電磁界解析が実行される際に設定される要素は、非線形電磁界解析部101により非線形電磁界解析が実行される際に設定される要素と同じとする。ただし、線形電磁界解析部106により線形電磁界解析が実行される際に設定される要素と、非線形電磁界解析部101により非線形電磁界解析が実行される際に設定される要素とを異ならせてもよい。このようにする場合、例えば、一方の要素における磁束密度Bおよび渦電流密度Jeを補間または補外することにより、他方の要素における磁束密度Bおよび渦電流密度Jeを導出する。
<< Linear electromagnetic field analysis unit 106 >>
The linear electromagnetic field analysis unit 106 derives the magnetic flux density in the stator core when the correction current I + flows through the stator coil by performing linear electromagnetic field analysis based on Maxwell's equation.
In the present embodiment, the linear electromagnetic field analysis unit 106 performs an electromagnetic field analysis using the linear unsteady finite element method, so that a correction current I + flows through the stator coil and the stator core is excited. The magnetic flux density B and the eddy current density J e for each of the elements set for the motor model are derived. In the present embodiment, for the sake of simplicity, the non-linear electromagnetic field analysis unit 101 executes the non-linear electromagnetic field analysis as the element set when the linear electromagnetic field analysis unit 106 executes the linear electromagnetic field analysis. Same as the element set at the time. However, the element set when the linear electromagnetic field analysis is executed by the linear electromagnetic field analysis unit 106 and the element set when the nonlinear electromagnetic field analysis is executed by the nonlinear electromagnetic field analysis unit 101 are different from each other. You may. In this case, for example, the magnetic flux density B and the eddy current density J e in the other element are derived by interpolating or supplementing the magnetic flux density B and the eddy current density J e in one element.

図4(a)および図4(b)に示すように、目標励磁電流IIがステータコイルに流れた場合のステータコアにおける磁束密度の時系列波形410と、インバータ電圧VINVがステータコイルに印加された場合のステータコアにおける磁束密度の時系列波形420とは大きく異ならず、ステータコイルにおける磁束密度の分布は、何れの場合でも凡そ同等になることが想定される。つまり、各要素において磁束密度は大きく時間変化しない。このため、各要素における磁束密度が磁化曲線の接線に沿って時間変化すると近似して線形電磁界解析を実行しても、磁束密度Bおよび渦電流密度Jeは実用上要求される精度を満足することができる。 As shown in FIGS. 4A and 4B, the time-series waveform 410 of the magnetic flux density in the stator core when the target exciting current I I flows through the stator coil and the inverter voltage V INV are applied to the stator coil. In this case, the magnetic flux density in the stator core is not significantly different from the time-series waveform 420, and it is assumed that the distribution of the magnetic flux density in the stator coil is approximately the same in all cases. That is, the magnetic flux density does not change significantly with time in each element. Therefore, even if the linear electromagnetic field analysis is performed by approximating that the magnetic flux density in each element changes with time along the tangent of the magnetization curve, the magnetic flux density B and the eddy current density J e satisfy the accuracy required for practical use. can do.

そこで、本実施形態では、線形電磁界解析部106は、非線形電磁界解析部101により導出された、時間ステップΔt2により定まる各時刻における各要素の磁束密度Bに基づいて、時間ステップΔt2により定まる各時刻における各要素の微分透磁率(=dB/dH)を導出する。
尚、線形電磁界解析部106は、非線形電磁界解析部101により導出された、時間ステップΔt1により定まる各時刻における各要素の磁束密度Bおよび磁界強度Hに基づいて、時間ステップΔt1により定まる各時刻における各要素の微分透磁率を導出し、導出した微分透磁率を補間することにより、時間ステップΔt2により定まる各時刻における各要素の微分透磁率を導出してもよい。線形電磁界解析部106は、線形非定常電磁界解析の際に、以上のようにして導出された微分透磁率を用いて係数マトリックスを導出する。
Therefore, in the present embodiment, the linear electromagnetic field analysis unit 106 is determined by the time step Δt2 based on the magnetic flux density B of each element at each time determined by the time step Δt2 derived by the nonlinear electromagnetic field analysis unit 101. The differential magnetic permeability (= dB / dBH) of each element at time is derived.
The linear electromagnetic field analysis unit 106 is derived from the nonlinear electromagnetic field analysis unit 101, and is determined by the time step Δt1 based on the magnetic flux density B and the magnetic field strength H of each element at each time determined by the time step Δt1. By deriving the differential magnetic permeability of each element in the above and interpolating the derived differential magnetic permeability, the differential magnetic permeability of each element at each time determined by the time step Δt2 may be derived. The linear electromagnetic field analysis unit 106 derives a coefficient matrix using the differential magnetic permeability derived as described above in the linear unsteady electromagnetic field analysis.

また、線形電磁界解析部106により導出する磁束密度は、図4を参照しながら説明したように磁束密度の細かい段階的な時間変化の部分だけである。即ち、線形電磁界解析部106で導出される磁束密度の時系列波形は、インバータ電圧VINVがステータコイルに印加された場合のステータコアにおける磁束密度の時系列波形420から、目標励磁電流IIがステータコイルに流れた場合のステータコアにおける磁束密度の時系列波形410を差し引いた磁束密度の時系列波形に対応するものである。従って、線形電磁界解析部106により導出される磁束密度の大きさは、ステータコアにおける実際の磁束密度の大きさに比べて小さい。よって、図5に示すように、各相(U相、V相、W相)のステータコイル511、512、513が相互に電気的に接続されず、且つ、各相のステータコイル511、512、513のそれぞれに個別に電流源521、522、523が直接接続されるものとして電磁界解析を実行しても、磁束密度Bおよび渦電流密度Jeは実用上要求される精度を満足することができると考えられる。 Further, the magnetic flux density derived by the linear electromagnetic field analysis unit 106 is only the portion where the magnetic flux density is finely changed over time as described with reference to FIG. That is, the time-series waveform of the magnetic flux density derived by the linear electromagnetic field analysis unit 106 has a target exciting current I I from the time-series waveform 420 of the magnetic flux density in the stator core when the inverter voltage V INV is applied to the stator coil. It corresponds to the time-series waveform of the magnetic flux density obtained by subtracting the time-series waveform 410 of the magnetic flux density in the stator core when flowing through the stator coil. Therefore, the magnitude of the magnetic flux density derived by the linear electromagnetic field analysis unit 106 is smaller than the magnitude of the actual magnetic flux density in the stator core. Therefore, as shown in FIG. 5, the stator coils 511, 512, and 513 of each phase (U phase, V phase, W phase) are not electrically connected to each other, and the stator coils 511, 512 of each phase, Even if the electromagnetic field analysis is performed assuming that the current sources 521, 522, and 523 are directly connected to each of the 513, the magnetic flux density B and the eddy current density J e can satisfy the accuracy required for practical use. It is thought that it can be done.

そこで、本実施形態では、線形電磁界解析部106は、相互に未結線の電流源521、522、523からステータコイル511、512、513に各相の補正電流I+が流れるものとして線形非定常電磁界解析を実行する。尚、図5において、ステータコイル511、512、513は、電気的には接続されないが、ステータコア530により磁気的に結合される。 Therefore, in the present embodiment, the linear electromagnetic field analysis unit 106 assumes that the correction current I + of each phase flows from the mutually unconnected current sources 521, 522, 523 to the stator coils 511, 512, and 513, and is linear unsteady. Perform electromagnetic field analysis. In FIG. 5, the stator coils 511, 512, and 513 are not electrically connected, but are magnetically coupled by the stator core 530.

また、前述したように、ステータコアに流れる磁束の経路上の要素の一部を低透磁率要素とする。低透磁率要素は、電磁界解析においてステータコアの透磁率として想定される透磁率よりも十分に低い透磁率を有する。例えば、図2において、ステータコアのティース部の先端側(IPMモータの回転軸側)の領域と基端側(ヨーク部側)の領域とを区分けするように、各ティース部の、径方向の中央付近の領域であって、周方向に沿う領域202a~202gを低透磁率要素とする。領域202a~202gの径方向の長さは、例えば、ティース部の径方向の長さの2%以上3%以下である。このようにすることによって、ステータコアにおける磁気抵抗が、領域202a~202gにおける透磁率によって定められるようにすることができる。従って、ステータコアの磁束密度に関わらず、IPMモータの磁気回路の磁気抵抗を、領域202a~202gにおける磁気抵抗に近似することができる。よって、微分透磁率の空間分布に影響されずに、励磁電流と磁束との関係を線形に近似することができる。このため、線形電磁界解析部106における計算時間を短縮することができる。そして、線形電磁界解析部106により導出される磁束密度の大きさは、ステータコアにおける実際の磁束密度の大きさに比べて小さく、また、低透磁率要素の面積はステータコア全体の面積に対して十分に小さいため、このようにして電磁界解析を実行しても、磁束密度Bおよび渦電流密度Jeは実用上要求される精度を満足することができると考えられる。
尚、領域202a~202gを低透磁率要素とする場合、(8)式において、Lは、低透磁率要素の径方向の長さになり、Aは、低透磁率要素の径方向に垂直な方向における断面積になる。
Further, as described above, a part of the elements on the path of the magnetic flux flowing through the stator core is a low magnetic permeability element. The low magnetic permeability element has a magnetic permeability sufficiently lower than the magnetic permeability assumed as the magnetic permeability of the stator core in the electromagnetic field analysis. For example, in FIG. 2, in FIG. 2, the center of each tooth portion in the radial direction so as to separate the region on the tip end side (rotating shaft side of the IPM motor) and the region on the proximal end side (yoke portion side) of the teeth portion of the stator core. Regions 202a to 202g along the circumferential direction, which are nearby regions, are defined as low magnetic permeability elements. The radial length of the regions 202a to 202g is, for example, 2% or more and 3% or less of the radial length of the teeth portion. By doing so, the reluctance in the stator core can be determined by the magnetic permeability in the regions 202a to 202g. Therefore, regardless of the magnetic flux density of the stator core, the magnetic resistance of the magnetic circuit of the IPM motor can be approximated to the magnetic resistance in the regions 202a to 202g. Therefore, the relationship between the exciting current and the magnetic flux can be linearly approximated without being affected by the spatial distribution of the differential magnetic permeability. Therefore, the calculation time in the linear electromagnetic field analysis unit 106 can be shortened. The magnitude of the magnetic flux density derived by the linear electromagnetic field analysis unit 106 is smaller than the magnitude of the actual magnetic flux density in the stator core, and the area of the low magnetic permeability element is sufficient for the area of the entire stator core. Therefore, it is considered that the magnetic flux density B and the eddy current density J e can satisfy the accuracy required for practical use even if the electromagnetic field analysis is performed in this way.
When the areas 202a to 202g are the low magnetic permeability elements, in the equation (8), L is the radial length of the low magnetic permeability element, and A is perpendicular to the radial direction of the low magnetic permeability element. It is the cross-sectional area in the direction.

その他の線形電磁界解析部106における処理は、一般的な線形非定常電磁界解析の手法と同じ手法で実現することができる。線形非定常電磁界解析を実行する手法は、非特許文献2等に記載されているように一般的な手法であるので、その詳細な説明を省略する。以上のようにして、時間ステップΔt2の時間隔により定まる各時刻において、各相のステータコイルに各相の補正電流I+が流れた場合の各要素の磁束密度Bおよび渦電流密度Jeが相毎に導出される。 Other processes in the linear electromagnetic field analysis unit 106 can be realized by the same method as a general linear unsteady electromagnetic field analysis method. Since the method for performing the linear unsteady electromagnetic field analysis is a general method as described in Non-Patent Document 2 and the like, detailed description thereof will be omitted. As described above, at each time determined by the time interval of the time step Δt2, the magnetic flux density B and the eddy current density J e of each element when the correction current I + of each phase flows through the stator coil of each phase are in phase. Derived every time.

<<損失導出部107>>
損失導出部107は、線形電磁界解析部106により導出されたステータコアにおける磁束密度に基づいて、ステータコアにおける損失を導出する。本実施形態では、目標励磁電流IIと補正電流I+とを合わせた電流がステータコイルに流れた場合のステータコアにおける損失を導出する場合を例示する。
<< Loss Derivation Unit 107 >>
The loss derivation unit 107 derives the loss in the stator core based on the magnetic flux density in the stator core derived by the linear electromagnetic field analysis unit 106. In this embodiment, a case where a loss in the stator core is derived when a current obtained by combining the target exciting current I I and the correction current I + flows through the stator coil is illustrated.

そこで、損失導出部107は、非線形電磁界解析部101により導出された、時間ステップΔt2の時間隔により定まる各時刻における各要素の磁束密度Bと、線形電磁界解析部106により導出された、時間ステップΔt2の時間隔により定まる各時刻における各要素の磁束密度Bとを、要素毎、相毎、および時刻毎に加算する。これにより、時間ステップΔt2の時間隔により定まる各時刻において、目標励磁電流IIと補正電流I+とを合わせた電流が各相のステータコイルに流れた場合の各要素の磁束密度Bが相毎に導出される。以下の説明では、このようにして導出される磁束密度Bを、必要に応じて全体磁束密度Bと称する。 Therefore, the loss derivation unit 107 is derived from the magnetic flux density B of each element at each time determined by the time interval of the time step Δt2 derived by the nonlinear electromagnetic field analysis unit 101, and the time derived by the linear electromagnetic field analysis unit 106. The magnetic flux density B of each element at each time determined by the time interval of step Δt2 is added for each element, each phase, and each time. As a result, at each time determined by the time interval of the time step Δt2, the magnetic flux density B of each element when the current obtained by combining the target exciting current I I and the correction current I + flows through the stator coil of each phase becomes phase by phase. Derived to. In the following description, the magnetic flux density B derived in this way is referred to as an overall magnetic flux density B, if necessary.

また、損失導出部107は、非線形電磁界解析部101により導出された、時間ステップΔt2の時間隔により定まる各時刻における各要素の渦電流密度Jeと、線形電磁界解析部106により導出された、時間ステップΔt2の時間隔により定まる各時刻における各要素の渦電流密度Jeとを、要素毎、相毎、および時刻毎に加算する。これにより、時間ステップΔt2の時間隔により定まる各時刻において、目標励磁電流IIと補正電流I+とを合わせた電流が各相のステータコイルに流れた場合の各要素の渦電流密度Jeが相毎に導出される。以下の説明では、このようにして導出される渦電流密度Jeを、必要に応じて全体渦電流密度Jeと称する。 Further, the loss derivation unit 107 was derived by the eddy current density J e of each element at each time determined by the time interval of the time step Δt2, which was derived by the nonlinear electromagnetic field analysis unit 101, and by the linear electromagnetic field analysis unit 106. , The eddy current density J e of each element at each time determined by the time interval of the time step Δt2 is added for each element, each phase, and each time. As a result, at each time determined by the time interval of the time step Δt2, the eddy current density J e of each element when the current obtained by combining the target exciting current I I and the correction current I + flows through the stator coil of each phase becomes Derived for each phase. In the following description, the eddy current density J e derived in this way is referred to as an overall eddy current density J e , if necessary.

損失導出部107は、ステータコアの各要素における全体磁束密度Bおよび全体渦電流密度Jeを用いて、IPMモータ(ステータコア)のヒステリシス損および渦電流損(古典的渦電流損)を導出する。 The loss derivation unit 107 derives the hysteresis loss and the eddy current loss (classical eddy current loss) of the IPM motor (stator core) by using the total magnetic flux density B and the total eddy current density J e in each element of the stator core.

例えば、損失導出部107は、各要素の全体磁束密度Bの一周期における最大値と最小値との差Bmを導出し、以下の(9)式により、各要素のヒステリシス損Whを導出する。 For example, the loss derivation unit 107 derives the difference B m between the maximum value and the minimum value in one cycle of the total magnetic flux density B of each element, and derives the hysteresis loss Wh of each element by the following equation (9). ..

Figure 2022045167000006
Figure 2022045167000006

(9)式において、fは、励磁周波数(目標励磁電圧VIおよび目標励磁電流IIの電気周波数)であり、Khは、ヒステリシス損係数であり、βは定数(例えば、1.6または2)である。ヒステリシス損係数Khは、例えば、二周波法により予め求められるものである。
損失導出部107は、以上のヒステリシス損Whの導出を全ての要素および全ての相に対して行い、全ての要素および全ての相におけるヒステリシス損Whの総和をIPMモータ(ステータコア)のヒステリシス損として導出する。尚、ヒステリシス損は、公知の方法で導出することができ、各要素の磁束密度を用いて導出する方法であれば、どのような方法で導出してもよい。
In equation (9), f is the excitation frequency (the electrical frequency of the target excitation voltage VI and the target excitation current I I ), Kh is the hysteresis loss coefficient, and β is a constant (eg, 1.6 or 2). ). The hysteresis loss coefficient Kh is obtained in advance by, for example, the dual frequency method.
The loss derivation unit 107 derives the above-mentioned hysteresis loss Wh for all elements and all phases, and derives the sum of the hysteresis loss Wh in all the elements and all phases as the hysteresis loss of the IPM motor (stator core). do. The hysteresis loss can be derived by a known method, and may be derived by any method as long as it is derived by using the magnetic flux density of each element.

また、損失導出部107は、各要素の全体渦電流密度Jeから、以下の(10)式により、各要素の渦電流損We(古典的渦電流損)を導出する。 Further, the loss derivation unit 107 derives the eddy current loss We (classical eddy current loss) of each element from the total eddy current density J e of each element by the following equation (10).

Figure 2022045167000007
Figure 2022045167000007

(10)式において、vは、要素の大きさであり、Tは、目標励磁電圧VIおよび目標励磁電流IIの電気一周期に相当する時間である。要素の大きさは、二次元解析を実行する場合には面積、三次元解析を実行する場合には体積の大きさになる。
損失導出部107は、以上の渦電流損Weの導出を全ての要素および全ての相に対して行い、全ての要素および全ての相の渦電流損Weの総和をIPMモータ(ステータコア)の渦電流損として導出する。尚、渦電流損は、公知の方法で導出することができ、各要素の渦電流密度を用いて導出する方法であれば、どのような方法で導出してもよい。
そして、損失導出部107は、IPMモータのヒステリシス損と渦電流損の和を、IPMモータの鉄損として導出する。
In equation (10), v is the size of the element, and T is the time corresponding to one electrical cycle of the target exciting voltage V I and the target exciting current I I. The size of the element is the area when performing a two-dimensional analysis and the size of the volume when performing a three-dimensional analysis.
The loss derivation unit 107 derives the above eddy current loss We for all elements and all phases, and sums the eddy current losses We for all elements and all phases to the eddy current of the IPM motor (stator core). Derived as a loss. The eddy current loss can be derived by a known method, and any method may be used as long as it is derived by using the eddy current density of each element.
Then, the loss derivation unit 107 derives the sum of the hysteresis loss and the eddy current loss of the IPM motor as the iron loss of the IPM motor.

<<出力部108>>
出力部108は、損失導出部107により導出されたIPMモータ(ステータコア)の損失に関する情報を出力する。IPMモータの損失に関する情報には、例えば、IPMモータのヒステリシス損、IPMモータの渦電流損、およびIPMモータの鉄損のうち、少なくとも1つを示す情報が含まれる。出力の形態として、例えば、コンピュータディスプレイへの表示、外部装置への送信、および電磁界解析装置100の内部または外部の記憶媒体への記憶のうち、少なくとも1つを採用することができる。
<< Output unit 108 >>
The output unit 108 outputs information regarding the loss of the IPM motor (stator core) derived by the loss derivation unit 107. The information regarding the loss of the IPM motor includes, for example, information indicating at least one of the hysteresis loss of the IPM motor, the eddy current loss of the IPM motor, and the iron loss of the IPM motor. As the form of the output, for example, at least one of display on a computer display, transmission to an external device, and storage in an internal or external storage medium of the electromagnetic field analysis device 100 can be adopted.

<<フローチャート>>
次に、図6のフローチャートを参照しながら、電磁界解析装置100による電磁界解析方法の一例を説明する。
まず、ステップS601において、非線形電磁界解析部101は、非線形非定常有限要素法を用いた電磁界解析を実行することにより、各相のステータコイルに各相の目標励磁電流IIが流れてステータコアが励磁された場合の各要素の磁束密度Bおよび渦電流密度Jeを導出する。ここでは、非線形電磁界解析部101は、後述するステップS607で実行される線形非定常電磁界解析における時間ステップΔt2よりも長い時間ステップΔt1の時間隔の各時刻tにおいて、各要素における磁束密度Bおよび渦電流密度Jeを相毎に導出するものとする。尚、各相の目標励磁電流IIは、ステップS601の処理が開始される前に、電磁界解析装置100に設定される。
<< Flowchart >>
Next, an example of the electromagnetic field analysis method by the electromagnetic field analysis device 100 will be described with reference to the flowchart of FIG.
First, in step S601, the nonlinear electromagnetic field analysis unit 101 executes electromagnetic field analysis using the nonlinear non-stationary finite element method, so that the target exciting current I I of each phase flows through the stator coil of each phase and the stator core. The magnetic flux density B and the eddy current density J e of each element when is excited are derived. Here, the nonlinear electromagnetic field analysis unit 101 has a magnetic flux density B in each element at each time t of a time interval of a time step Δt1 longer than the time step Δt2 in the linear unsteady electromagnetic field analysis executed in step S607 described later. And the eddy current density J e shall be derived for each phase. The target exciting current I I of each phase is set in the electromagnetic field analyzer 100 before the processing of step S601 is started.

次に、ステップS602において、目標励磁電圧導出部102は、ステップS601で導出された、各時刻tにおける各要素の磁束密度Bと、IPMモータの回路方程式((5)式)とに基づいて、目標励磁時鎖交磁束φIおよび目標励磁電圧VIを導出する。ここでは、目標励磁電圧導出部102は、時間ステップΔt1の時間隔の各時刻tにおいて、各相の目標励磁時鎖交磁束φIおよび各相の目標励磁電圧VIを導出するものとする。 Next, in step S602, the target exciting voltage derivation unit 102 is based on the magnetic flux density B of each element at each time t derived in step S601 and the circuit equation (Equation (5)) of the IPM motor. The interlinkage magnetic flux φ I and the target exciting voltage V I at the time of target excitation are derived. Here, the target exciting voltage derivation unit 102 derives the target exciting time interlinkage magnetic flux φ I of each phase and the target exciting voltage V I of each phase at each time t of the time interval of the time step Δt1.

尚、ステップS601、S602において、それぞれ電気周期の一周期分の値が導出しても、時間ステップΔt1の時間隔の時刻t毎に、ステップS601およびステップS602の処理を繰り返すことにより、一周期分の値を導出してもよい。 Even if the values for one cycle of the electric cycle are derived in steps S601 and S602, the processes of steps S601 and S602 are repeated at each time t of the time interval of the time step Δt1 for one cycle. The value of may be derived.

次に、ステップS603において、非線形電磁界解析部101は、ステップS601で導出した各時刻tにおける各要素の磁束密度Bおよび渦電流密度Jeを補間することにより、時間ステップΔt2の時間隔により定まる各時刻における各要素の磁束密度Bおよび渦電流密度Jeを相毎に導出する。また、ステップS601で実行される非線形非定常電磁界解析における励磁条件として、時間ステップΔt1の時間隔により定まる各時刻における各相の目標励磁電流IIが設定されている場合、非線形電磁界解析部101は、時間ステップΔt1の時間隔により定まる各時刻における各相の目標励磁電流IIを補間することにより、時間ステップΔt2の時間隔により定まる各時刻における各相の目標励磁電流IIを導出する。また、目標励磁電圧導出部102は、ステップS602で導出した各時刻tにおける各相の目標励磁時鎖交磁束φIを補間することにより、時間ステップΔt2の時間隔により定まる各時刻における各相の目標励磁時鎖交磁束φIを導出する。同様に、目標励磁電圧導出部102は、ステップS602で導出した各時刻tにおける各相の目標励磁電圧VIを補間することにより、時間ステップΔt2の時間隔により定まる各時刻における各相の目標励磁電圧VIを導出する。 Next, in step S603, the nonlinear electromagnetic field analysis unit 101 is determined by the time interval of the time step Δt2 by interpolating the magnetic flux density B and the eddy current density Je of each element at each time t derived in step S601. The magnetic flux density B and the eddy current density J e of each element at each time are derived for each phase. Further, when the target exciting current I I of each phase at each time determined by the time interval of the time step Δt1 is set as the exciting condition in the non-stationary unsteady magnetic field analysis executed in step S601, the non-linear electromagnetic field analysis unit. 101 derives the target exciting current I I of each phase at each time determined by the time interval of time step Δt2 by interpolating the target exciting current I I of each phase at each time determined by the time interval of time step Δt1. .. Further, the target exciting voltage derivation unit 102 interpolates the target exciting time interlinkage magnetic flux φ I of each phase at each time t derived in step S602, so that the target exciting voltage derivation unit 102 of each phase at each time determined by the time interval of the time step Δt2. Derivation of the interlinkage magnetic flux φ I at the time of target excitation. Similarly, the target exciting voltage derivation unit 102 interpolates the target exciting voltage V I of each phase at each time t derived in step S602, so that the target exciting voltage of each phase at each time determined by the time interval of the time step Δt2 is excited. Derivation of voltage V I.

次に、ステップS604において、インバータ電圧導出部103は、ステップS603で導出された、時間ステップΔt2の時間隔により定まる各時刻における各相の目標励磁電圧VIに基づいて、変調波(例えば正相変調波310および負相変調波330)を導出する。そして、インバータ電圧導出部103は、変調波(正相変調波310および負相変調波330)と搬送波320とを比較した結果に基づいて、時間ステップΔt2の時間隔により定まる各時刻における各相のインバータ電圧VINVを導出する。 Next, in step S604, the inverter voltage derivation unit 103 derives a modulated wave (for example, a positive phase) based on the target exciting voltage VI of each phase at each time determined by the time interval of the time step Δt2 derived in step S603. The modulated wave 310 and the negative phase modulated wave 330) are derived. Then, the inverter voltage derivation unit 103 of each phase at each time determined by the time interval of the time step Δt2 based on the result of comparing the modulated wave (positive phase modulated wave 310 and negative phase modulated wave 330) with the carrier wave 320. Inverter voltage V INV is derived.

次に、ステップS605において、インバータ励磁時鎖交磁束導出部104は、ステップS604で導出された、時間ステップΔt2の時間隔により定まる各時刻における各相のインバータ電圧VINVと、IPMモータの回路方程式((6)式)とに基づいて、時間ステップΔt2の時間隔により定まる各時刻における各相のインバータ励磁時鎖交磁束φINVを導出する。 Next, in step S605, the interlinkage magnetic flux derivation unit 104 at the time of inverter excitation has the inverter voltage V INV of each phase at each time determined by the time interval of the time step Δt2 derived in step S604, and the circuit equation of the IPM motor. Based on (Equation (6)), the interlinkage magnetic flux φ INV at the time of inverter excitation of each phase at each time determined by the time interval of the time step Δt2 is derived.

次に、ステップS606において、補正電流導出部105は、ステップS603で導出された、時間ステップΔt2の時間隔により定まる各時刻における各相の目標励磁時鎖交磁束φIと、ステップS605で導出された、時間ステップΔt2の時間隔により定まる各時刻における各相のインバータ励磁時鎖交磁束φINVと、各相のステータコイルの巻回数Nと、ステータコアの磁気抵抗Rmとに基づいて、(7)式により、時間ステップΔt2の時間隔により定まる各時刻における各相の補正電流I+を導出する。尚、ステータコイルの巻回数Nおよびステータコアの磁気抵抗Rmは、ステップS606の処理が開始される前に、電磁界解析装置100に設定される。 Next, in step S606, the correction current derivation unit 105 is derived in step S605 and the target excitation time interlinkage magnetic flux φ I of each phase at each time determined by the time interval of time step Δt2 derived in step S603. Further, based on the inverter excitation time interlinkage magnetic flux φ INV of each phase at each time determined by the time interval of the time step Δt2, the number of turns N of the stator coil of each phase, and the magnetic resistance R m of the stator core, (7). ), The correction current I + of each phase at each time determined by the time interval of the time step Δt2 is derived. The number of turns N of the stator coil and the magnetic resistance R m of the stator core are set in the electromagnetic field analyzer 100 before the processing of step S606 is started.

次に、ステップS607において、線形電磁界解析部106は、線形非定常有限要素法を用いた電磁界解析を実行することにより、時間ステップΔt2の時間隔により定まる各時刻において、各相のステータコイルに各相の補正電流I+が流れてステータコアが励磁された場合の各要素の磁束密度Bおよび渦電流密度Jeを相毎に導出する。 Next, in step S607, the linear electromagnetic field analysis unit 106 executes the electromagnetic field analysis using the linear unsteady finite element method, so that the stator coils of each phase are used at each time determined by the time interval of the time step Δt2. The magnetic flux density B and the eddy current density J e of each element when the correction current I + of each phase flows and the stator core is excited are derived for each phase.

本実施形態では、線形電磁界解析部106は、線形非定常有限要素法による電磁界解析を実行する前に、ステップS601の非線形非定常有限要素法を用いた電磁界解析の結果に基づいて、時間ステップΔt2により定まる各時刻における各要素の微分透磁率を導出する。そして、ステップS607において、線形電磁界解析部106は、このようにして導出した微分透磁率を用いて、線形非定常有限要素法による電磁界解析を実行する。 In the present embodiment, the linear electromagnetic field analysis unit 106 is based on the result of the electromagnetic field analysis using the nonlinear unsteady finite element method in step S601 before executing the electromagnetic field analysis by the linear unsteady finite element method. The differential magnetic permeability of each element at each time determined by the time step Δt2 is derived. Then, in step S607, the linear electromagnetic field analysis unit 106 executes the electromagnetic field analysis by the linear unsteady finite element method using the differential magnetic permeability derived in this way.

また、本実施形態では、線形電磁界解析部106は、電流源521、522、523からステータコイル511、512、513に、各相の補正電流I+が流れるものとして、線形非定常有限要素法による電磁界解析を実行する。
また、本実施形態では、線形電磁界解析部106は、領域202a~202gに対応する要素の透磁率をステータコアの他の領域に対応する要素の透磁率よりも十分に低い透磁率として、線形非定常有限要素法による電磁界解析を実行する。
Further, in the present embodiment, the linear electromagnetic field analysis unit 106 assumes that the correction current I + of each phase flows from the current sources 521, 522, 523 to the stator coils 511, 512, 513, and is a linear unsteady finite element method. Perform electromagnetic field analysis by.
Further, in the present embodiment, the linear electromagnetic field analysis unit 106 sets the magnetic permeability of the element corresponding to the regions 202a to 202g to be sufficiently lower than the magnetic permeability of the element corresponding to the other region of the stator core, and is linear non-linear. Perform electromagnetic field analysis by the stationary finite element method.

次に、ステップS608において、損失導出部107は、ステップS603で導出された、時間ステップΔt2の時間隔により定まる各時刻における各要素の磁束密度Bと、ステップS607で導出された、時間ステップΔt2の時間隔により定まる各時刻における各要素の磁束密度Bとに基づいて、各要素の全体磁束密度Bを相毎に導出する。ステップS603で導出される各要素の磁束密度Bは、各相のステータコイルに各相の目標励磁電流IIが流れてステータコアが励磁された場合の各要素の磁束密度Bである。ステップS607で導出される各要素の磁束密度Bは、各相のステータコイルに各相の補正電流I+が流れてステータコアが励磁された場合の各要素の磁束密度Bである。全体磁束密度Bは、目標励磁電流IIと補正電流I+とを合わせた電流が各相のステータコイルに流れた場合の時間ステップΔt2の時間隔により定まる各時刻における各要素の磁束密度Bである。 Next, in step S608, the loss derivation unit 107 has the magnetic flux density B of each element at each time determined by the time interval of the time step Δt2 derived in step S603, and the time step Δt2 derived in step S607. The total magnetic flux density B of each element is derived for each phase based on the magnetic flux density B of each element at each time determined by the time interval. The magnetic flux density B of each element derived in step S603 is the magnetic flux density B of each element when the target exciting current I I of each phase flows through the stator coil of each phase and the stator core is excited. The magnetic flux density B of each element derived in step S607 is the magnetic flux density B of each element when the correction current I + of each phase flows through the stator coil of each phase and the stator core is excited. The total magnetic flux density B is the magnetic flux density B of each element at each time determined by the time interval of the time step Δt2 when the current obtained by combining the target exciting current I I and the correction current I + flows through the stator coils of each phase. be.

また、損失導出部107は、ステップS603で導出された、時間ステップΔt2の時間隔により定まる各時刻における各要素の渦電流密度Jeと、ステップS607で導出された、時間ステップΔt2の時間隔により定まる各時刻における各要素の渦電流密度Jeとに基づいて、各要素の全体渦電流密度Jeを相毎に導出する。ステップS603で導出される各要素の渦電流密度Jeは、各相のステータコイルに各相の目標励磁電流IIが流れてステータコアが励磁された場合の各相の目標励磁電流IIである。ステップS607で導出される各要素の渦電流密度Jeは、各相のステータコイルに各相の補正電流I+が流れてステータコアが励磁された場合の各要素の渦電流密度Jeである。全体渦電流密度Jeは、目標励磁電流IIと補正電流I+とを合わせた電流が各相のステータコイルに流れた場合の時間ステップΔt2の時間隔により定まる各時刻における各要素の渦電流密度Jeである。 Further, the loss derivation unit 107 is derived from the eddy current density J e of each element at each time determined by the time interval of the time step Δt2 derived in step S603 and the time interval of the time step Δt2 derived in step S607. Based on the eddy current density J e of each element at each fixed time, the total eddy current density J e of each element is derived for each phase. The eddy current density J e of each element derived in step S603 is the target exciting current I I of each phase when the target exciting current I I of each phase flows through the stator coil of each phase and the stator core is excited. .. The eddy current density J e of each element derived in step S607 is the eddy current density J e of each element when the correction current I + of each phase flows through the stator coil of each phase and the stator core is excited. The total eddy current density J e is the eddy current of each element at each time determined by the time interval of the time step Δt2 when the total current of the target exciting current I I and the correction current I + flows through the stator coil of each phase. The density J e .

次に、ステップS609において、損失導出部107は、ステップS608で導出された、各要素の全体磁束密度Bおよび各要素の全体渦電流密度Jeを用いて、IPMモータ(ステータコア)の各要素のヒステリシス損Whおよび渦電流損Weを導出する。損失導出部107は、IPMモータの各要素および各相のヒステリシス損Whの総和を、IPMモータのヒステリシス損として導出する。また、損失導出部107は、IPMモータの各要素および各相の渦電流損Weの総和を、IPMモータの渦電流損として導出する。そして、損失導出部107は、IPMモータのヒステリシス損と渦電流損の和を、IPMモータの鉄損として導出する。 Next, in step S609, the loss derivation unit 107 of each element of the IPM motor (stator core) uses the total magnetic flux density B of each element and the total eddy current density J e of each element derived in step S608. The hysteresis loss Wh and the eddy current loss We are derived. The loss derivation unit 107 derives the sum of the hysteresis loss Wh of each element of the IPM motor and each phase as the hysteresis loss of the IPM motor. Further, the loss derivation unit 107 derives the sum of the eddy current loss We of each element of the IPM motor and each phase as the eddy current loss of the IPM motor. Then, the loss derivation unit 107 derives the sum of the hysteresis loss and the eddy current loss of the IPM motor as the iron loss of the IPM motor.

次に、ステップS610において、出力部108は、ステップS609で導出された、IPMモータの損失に関する情報を出力する。
図6のフローチャートによる処理は、ステップS610の処理が終了すると終了する。
Next, in step S610, the output unit 108 outputs the information regarding the loss of the IPM motor derived in step S609.
The process according to the flowchart of FIG. 6 ends when the process of step S610 is completed.

<<計算例>>
次に、計算例を示す。本計算例では、非特許文献3に記載されているD1モータをIPMモータのモデルとして用いて電磁界解析を実行した。本計算例では、変調波の周波数を1kHz、目標励磁電流IIの振幅を20A、進角を0°、キャリア周波数を20kHz、直流電圧を500Vとして、PWMインバータによりIPMモータを励磁した場合の電磁界解析を実行した。その結果を表1に示す。
<< Calculation example >>
Next, a calculation example is shown. In this calculation example, the electromagnetic field analysis was performed using the D1 motor described in Non-Patent Document 3 as a model of the IPM motor. In this calculation example, the frequency of the modulated wave is 1 kHz, the amplitude of the target exciting current I I is 20 A, the advance angle is 0 °, the carrier frequency is 20 kHz, and the DC voltage is 500 V. A field analysis was performed. The results are shown in Table 1.

Figure 2022045167000008
Figure 2022045167000008

表1において、PWM解析は、比較例の1つであり、各相のステータコイルにインバータ電圧VINVが印加された場合のIPMモータの鉄損を、非線形非定常有限要素法を用いた電磁界解析を実行することにより導出したことを示す。PWM解析では、高い時間分解能(時間ステップΔt2の時間隔により定まる各時刻)で、磁束密度Bおよび渦電流密度Jeを導出した。 In Table 1, the PWM analysis is one of the comparative examples, and the iron loss of the IPM motor when the inverter voltage V INV is applied to the stator coils of each phase is measured by the electromagnetic field using the non-stationary unsteady finite element method. It is shown that it was derived by executing the analysis. In the PWM analysis, the magnetic flux density B and the eddy current density J e were derived with high time resolution (each time determined by the time interval of the time step Δt2).

発明例は、本実施形態で説明した手法でIPMモータの鉄損を導出したことを示す。
電流源解析は、比較例の1つであり、各相のステータコイルに目標励磁電流IIが流れた場合のIPMモータの鉄損を、非線形非定常有限要素法を用いた電磁界解析を実行することにより導出したことを示す。電流源解析では、低い時間分解能(時間ステップΔt1の時間隔により定まる各時刻)で、磁束密度Bおよび渦電流密度Jeを導出した。
The invention example shows that the iron loss of the IPM motor was derived by the method described in this embodiment.
The current source analysis is one of the comparative examples, and the iron loss of the IPM motor when the target exciting current I I flows through the stator coil of each phase is analyzed by the electromagnetic field analysis using the non-stationary unsteady finite element method. It shows that it was derived by doing. In the current source analysis, the magnetic flux density B and the eddy current density J e were derived with low time resolution (each time determined by the time interval of the time step Δt1).

表1では、PWM解析、発明例、および電流源解析の各手法で導出されたIPMモータの鉄損および計算時間を、PWM解析で導出された鉄損および計算時間を100%とした場合の相対的な値で示す。
図7は、磁束密度の時系列波形の計算例を示す図である。尚、図7は、同一の要素における磁束密度の時系列波形である。また、本計算例では、変調波の周波数を1kHzとしているので、図7の横軸の電気角(=θ)は、θ(°)÷(360(°)×1×103(Hz))の計算を実行することにより、図7の横軸の0を基準時刻とする時刻(秒)に換算される。
In Table 1, the iron loss and calculation time of the IPM motor derived by the methods of PWM analysis, invention example, and current source analysis are relative to each other when the iron loss and calculation time derived by PWM analysis are 100%. Value is shown.
FIG. 7 is a diagram showing a calculation example of a time-series waveform of the magnetic flux density. Note that FIG. 7 is a time-series waveform of the magnetic flux density in the same element. Further, in this calculation example, since the frequency of the modulated wave is 1 kHz, the electric angle (= θ) on the horizontal axis in FIG. 7 is θ (°) ÷ (360 (°) × 1 × 10 3 (Hz)). By executing the calculation of, the time (seconds) with 0 as the reference time on the horizontal axis of FIG. 7 is converted.

比較例であるPWM解析では、各相のステータコイルにインバータ電圧VINVが印加された場合のIPMモータの鉄損を、非線形非定常電磁界解析により高い時間分解能で導出する。このため、IPMモータの鉄損を高精度に導出することができるが、計算時間が長くなる。 In the PWM analysis, which is a comparative example, the iron loss of the IPM motor when the inverter voltage V INV is applied to the stator coils of each phase is derived with high time resolution by the non-stationary unsteady electromagnetic field analysis. Therefore, the iron loss of the IPM motor can be derived with high accuracy, but the calculation time becomes long.

また、比較例である電流源解析では、PWMインバータが備える半導体素子のスイッチング時のインバータ電圧VINVの立ち上がりおよび立ち下がりのために生じる、磁束密度の細かい段階的な時間変化を考慮していない。このため、図7に示す電流源解析の磁束密度の時系列波形のように、磁束密度の細かい段階的な時間変化が表現されない。この結果、電流源解析では、表1に示すように、IPMモータの鉄損が、PWM解析で導出されたものと大きく異なる。 Further, in the current source analysis which is a comparative example, the fine stepwise time change of the magnetic flux density caused by the rise and fall of the inverter voltage V INV at the time of switching the semiconductor element included in the PWM inverter is not taken into consideration. Therefore, unlike the time-series waveform of the magnetic flux density of the current source analysis shown in FIG. 7, a fine stepwise time change of the magnetic flux density is not expressed. As a result, in the current source analysis, as shown in Table 1, the iron loss of the IPM motor is significantly different from that derived by the PWM analysis.

これに対し、図7に示す発明例の磁束密度の時系列波形では、磁束密度の細かい段階的な時間変化が表現されており、PWM解析の磁束密度の時系列波形に近い時系列波形になる。この結果、表1に示すように、発明例では、IPMモータの鉄損をPWM解析で導出されたものと同等にすることができる。また、発明例では、計算時間をPWM解析よりも大幅に短縮することができる。 On the other hand, in the time-series waveform of the magnetic flux density of the example of the invention shown in FIG. 7, a fine stepwise time change of the magnetic flux density is expressed, and the time-series waveform is close to the time-series waveform of the magnetic flux density of the PWM analysis. .. As a result, as shown in Table 1, in the example of the invention, the iron loss of the IPM motor can be made equivalent to that derived by the PWM analysis. Further, in the invention example, the calculation time can be significantly shortened as compared with the PWM analysis.

<<まとめ>>
以上のように本実施形態では、電磁界解析装置100は、インバータ励磁時鎖交磁束φINVと目標励磁時鎖交磁束φIとの差φINV-φIに基づいて、補正電流I+を導出する。そして、電磁界解析装置100は、補正電流I+がステータコイルに流れた場合のステータコアにおける磁束密度を、マックスウェルの方程式に基づく線形電磁界解析を実行することにより導出する。従って、目標励磁電流IIがステータコイルに流れた場合のステータコアにおける磁束密度に対し、インバータ用半導体素子のスイッチング時に生じる細かい段階的な磁束密度の時間変化を補うためにステータコイルに流す必要がある電流を補正電流I+として導出することができる。補正電流I+の大きさは小さいため、線形電磁界解析を実行しても計算精度は大きく低下しない。従って、インバータ用半導体素子のスイッチング時に生じる細かい段階的な磁束密度の時間変化を考慮した電磁界解析を短時間で実行することができる。
<< Summary >>
As described above, in the present embodiment, the electromagnetic field analyzer 100 calculates the correction current I + based on the difference φ INV − φ I between the interlinkage magnetic flux φ INV during excitation of the inverter and the interlinkage magnetic flux φ I during excitation of the target. Derived. Then, the electromagnetic field analysis device 100 derives the magnetic flux density in the stator core when the correction current I + flows through the stator coil by performing a linear electromagnetic field analysis based on Maxwell's equation. Therefore, it is necessary to flow the target exciting current I I through the stator coil in order to compensate for the small stepwise change in the magnetic flux density that occurs during switching of the semiconductor element for the inverter with respect to the magnetic flux density in the stator core when the target exciting current I I flows through the stator coil. The current can be derived as the correction current I + . Since the magnitude of the correction current I + is small, the calculation accuracy does not decrease significantly even if the linear electromagnetic field analysis is performed. Therefore, it is possible to execute the electromagnetic field analysis in a short time in consideration of the time change of the magnetic flux density in a fine stepwise manner that occurs when the semiconductor element for the inverter is switched.

また、本実施形態では、電磁界解析装置100は、インバータ電圧VINVとIPMモータの回路方程式((5)式)とに基づいて、インバータ励磁時鎖交磁束φINVを導出する。従って、インバータ励磁時鎖交磁束φINVを測定しなくても、各種のインバータ励磁時鎖交磁束φINVを用いて電磁界解析を実行することができる。 Further, in the present embodiment, the electromagnetic field analyzer 100 derives the interlinkage magnetic flux φ INV at the time of inverter excitation based on the inverter voltage V INV and the circuit equation (equation (5)) of the IPM motor. Therefore, it is possible to perform electromagnetic field analysis using various inverter-excited interlinkage magnetic fluxes φ INV without measuring the inverter-excited interlinkage magnetic flux φ INV .

また、本実施形態では、電磁界解析装置100は、目標励磁電流IIがステータコイルに流れた場合のステータコアにおける磁束密度を、マックスウェルの方程式に基づく非線形電磁界解析を実行することにより導出する。そして、電磁界解析装置100は、目標励磁電流IIがステータコイルに流れた場合のステータコアにおける磁束密度と、IPMモータの回路方程式とに基づいて目標励磁電圧VIを導出し、目標励磁電圧VIに基づいてインバータ電圧VINVを導出する。従って、インバータ電源から実際に出力されるインバータ電圧VINVを測定しなくても、各種のインバータ電圧VINVを用いて電磁界解析を実行することができる。また、インバータ電源から実際に出力されるインバータ電圧VINVとは異なるインバータ電圧INVを用いることができ、所望の特性のモータを得るために必要なインバータ電圧INVを調査することができる。これにより、例えば、このようなインバータ電圧INVを出力することができるインバータ電源の開発に役立てることができる。 Further, in the present embodiment, the electromagnetic field analysis device 100 derives the magnetic flux density in the stator core when the target exciting current I I flows through the stator coil by performing a nonlinear electromagnetic field analysis based on Maxwell's equation. .. Then, the electromagnetic field analyzer 100 derives the target exciting voltage V I based on the magnetic flux density in the stator core when the target exciting current I I flows through the stator coil and the circuit equation of the IPM motor, and the target exciting voltage V The inverter voltage V INV is derived based on I. Therefore, it is possible to perform electromagnetic field analysis using various inverter voltages V INV without measuring the inverter voltage V INV actually output from the inverter power supply. Further, an inverter voltage INV different from the inverter voltage V INV actually output from the inverter power supply can be used, and the inverter voltage INV required to obtain a motor having desired characteristics can be investigated. This can be useful, for example, in the development of an inverter power supply capable of outputting such an inverter voltage INV .

また、本実施形態では、電磁界解析装置100は、線形電磁界解析において導出される磁束密度の時間分解能を、非線形電磁界解析における磁束密度の時間分解能よりも高くする。そして、電磁界解析装置100は、非線形電磁界解析における磁束密度に基づいて、線形電磁界解析において導出される磁束密度の時間分解能に対応する各時刻における磁束密度を導出する。また、電磁界解析装置100は、線形電磁界解析において導出される磁束密度の時間分解能に対応する各時刻における目標励磁電圧VI・インバータ電圧VINV・インバータ励磁時鎖交磁束φINVを導出する。尚、本実施形態で説明した例では、線形電磁界解析において導出される磁束密度の時間分解能に対応する各時刻は、時間ステップΔt2の時間隔により定まる各時刻である。従って、線形電磁界解析においては、時間分解能を高くすることにより、インバータ用半導体素子のスイッチング時に生じる細かい段階的な磁束密度の時間変化に追従するように磁束密度を導出することができる。一方、非線形非定常電磁界解析においては、磁束密度の時系列データは比較的滑らかに変化することから、時間分解能を低くすることにより、実用的な精度を確保しつつ計算時間を短縮することができる。 Further, in the present embodiment, the electromagnetic field analysis device 100 makes the time resolution of the magnetic flux density derived in the linear electromagnetic field analysis higher than the time resolution of the magnetic flux density in the nonlinear electromagnetic field analysis. Then, the electromagnetic field analysis device 100 derives the magnetic flux density at each time corresponding to the time resolution of the magnetic flux density derived in the linear electromagnetic field analysis based on the magnetic flux density in the nonlinear electromagnetic field analysis. Further, the electromagnetic field analyzer 100 derives the target exciting voltage VI , the inverter voltage V INV , and the interlinkage magnetic flux φ INV at each time corresponding to the time resolution of the magnetic flux density derived in the linear electromagnetic field analysis. .. In the example described in this embodiment, each time corresponding to the time resolution of the magnetic flux density derived in the linear electromagnetic field analysis is each time determined by the time interval of the time step Δt2. Therefore, in the linear electromagnetic field analysis, by increasing the time resolution, the magnetic flux density can be derived so as to follow the time change of the magnetic flux density in small steps generated at the time of switching of the semiconductor element for inverter. On the other hand, in non-stationary unsteady electromagnetic field analysis, the time series data of magnetic flux density changes relatively smoothly, so it is possible to shorten the calculation time while ensuring practical accuracy by lowering the time resolution. can.

また、本実施形態では、電磁界解析装置100は、磁束が通る領域の一部の領域202a~202gの透磁率を、その他の領域の透磁率よりも低くした状態のステータコアにおける磁束密度を、マックスウェルの方程式に基づく線形電磁界解析を実行することにより導出する。そして、電磁界解析装置100は、磁束が通る領域の一部の領域202a~202gの透磁率を用いて、補正電流I+を導出する。従って、微分透磁率の空間分布に影響されずに、励磁電流と磁束との関係を線形に近似することができる。よって、線形電磁界解析部106における計算時間を短縮することができる。尚、磁気抵抗率は透磁率の逆数であるので、透磁率を用いることと磁気抵抗率を用いることとは等価である。 Further, in the present embodiment, the electromagnetic field analyzer 100 maximizes the magnetic flux density in the stator core in a state where the magnetic permeability of a part of the region 202a to 202g through which the magnetic flux passes is lower than the magnetic permeability of the other region. Derived by performing a linear electromagnetic field analysis based on Well's equation. Then, the electromagnetic field analyzer 100 derives the correction current I + by using the magnetic permeability of a part of the region 202a to 202g through which the magnetic flux passes. Therefore, the relationship between the exciting current and the magnetic flux can be linearly approximated without being affected by the spatial distribution of the differential magnetic permeability. Therefore, the calculation time in the linear electromagnetic field analysis unit 106 can be shortened. Since the reluctance is the reciprocal of the magnetic permeability, using the magnetic permeability is equivalent to using the magnetic resistance.

また、本実施形態では、電磁界解析装置100は、各相のステータコイル511、512、513に対し、他の相の電流源521、522、523と未結線の電流源521、522、523が、補正電流I+を出力する電流源として接続されているものとして線形電磁界解析を実行する。従って、線形電磁界解析における電源回路の構成を簡素化することができる。よって、線形電磁界解析部106における計算時間を短縮することができる。 Further, in the present embodiment, in the electromagnetic field analysis device 100, the current sources 521, 522, 523 of the other phases and the unconnected current sources 521, 522, 523 are provided with respect to the stator coils 511, 512, and 513 of each phase. , Perform linear electromagnetic field analysis assuming that it is connected as a current source to output the correction current I + . Therefore, the configuration of the power supply circuit in the linear electromagnetic field analysis can be simplified. Therefore, the calculation time in the linear electromagnetic field analysis unit 106 can be shortened.

また、本実施形態では、電磁界解析装置100は、線形電磁界解析の結果に基づいて、IPMモータの各種の損失を導出する。従って、インバータ用半導体素子のスイッチング時に生じる細かい段階的な磁束密度の時間変化を考慮してIPMモータの損失を導出することができる。 Further, in the present embodiment, the electromagnetic field analysis device 100 derives various losses of the IPM motor based on the result of the linear electromagnetic field analysis. Therefore, the loss of the IPM motor can be derived in consideration of the time change of the magnetic flux density in a fine stepwise manner that occurs when the semiconductor element for the inverter is switched.

<<変形例>>
本実施形態では、(8)式により磁気抵抗Rmを導出する場合を例示した。しかしながら、磁気抵抗Rmを導出する手法は、このような手法に限定されない。例えば、線形電磁界解析部106により実行される線形非定常有限要素法を用いた電磁界解析と同様の電磁界解析を一ステップのみ実行し、1つの時刻において、ステータコアを通る磁束を導出する。このようにする場合、励磁電流は補正電流I+でなくてよく、任意の値の電流でよい。また、このようにする場合、透磁率として低透磁率要素における透磁率(=1/νhigh)を用いる。そして、このようにして導出した磁束と、当該磁束を導出したときに用いた励磁電流と、ステータコイルの巻回数とに基づいて、磁気抵抗Rmを導出する。
<< Modification example >>
In this embodiment, the case where the magnetic resistance R m is derived by the equation (8) is illustrated. However, the method for deriving the magnetic resistance R m is not limited to such a method. For example, the same electromagnetic field analysis as the electromagnetic field analysis using the linear unsteady finite element method executed by the linear electromagnetic field analysis unit 106 is executed in only one step, and the magnetic flux passing through the stator core is derived at one time. In this case, the exciting current does not have to be the correction current I + , and may be a current of any value. Further, in this case, the magnetic permeability (= 1 / ν high ) in the low magnetic permeability element is used as the magnetic permeability. Then, the magnetic resistance R m is derived based on the magnetic flux derived in this way, the exciting current used when the magnetic flux is derived, and the number of turns of the stator coil.

本実施形態では、各ティース部の、径方向の中央付近の領域であって、周方向に沿う領域202a~202gを低透磁率要素とする場合を例示した。しかしながら、補正電流I+と、補正電流I+がステータコイルに流れた場合にステータコアに流れる磁束とが比例関係に近似されるように、ステータコアの磁束が通る領域の一部の領域の透磁率をステータコアの他の領域の透磁率よりも低い透磁率としていれば、低透磁率要素とする領域は、領域202a~202gに限定されない。例えば、ヨーク部の、各スロットの周方向における中央付近の領域であって、径方向に沿う領域を低透磁率要素としてもよい。 In the present embodiment, the case where the regions 202a to 202 g along the circumferential direction, which are the regions near the center in the radial direction of each tooth portion, are used as the low magnetic permeability element is exemplified. However, the magnetic permeability of a part of the region through which the magnetic flux of the stator core passes is approximated so that the correction current I + and the magnetic flux flowing through the stator core when the correction current I + flows through the stator coil are approximately proportional to each other. As long as the magnetic permeability is lower than the magnetic permeability of the other regions of the stator core, the region to be the low magnetic permeability element is not limited to the regions 202a to 202g. For example, a region of the yoke portion near the center in the circumferential direction of each slot and along the radial direction may be a low magnetic permeability element.

本実施形態では、目標励磁電流IIがステータコイルに流れた場合のステータコアにおける磁束密度に基づいて目標励磁電圧VIを導出し、目標励磁電圧VIに基づいてインバータ電圧VINVを導出する場合を例示した。しかしながら、インバータ電圧VINVをこのようにして導出しなくてもよい。例えば、PWMインバータから実際に出力されるインバータ電圧の時系列波形を測定し、測定したインバータ電圧の時系列波形を示すデータを電磁界解析装置100に入力し、当該データをインバータ電圧VINVとして用いてもよい。このようにする場合、例えば、PWMインバータで使用される変調波のデータを電磁界解析装置100に入力し、当該データを目標励磁電圧VIのデータとして用いる。また、PWMインバータで使用される変調波をステータコイルに印加した場合にステータコイルに流れる磁束を測定し、測定した磁束のデータを電磁界解析装置100に入力し、当該データを目標励磁時鎖交磁束φIとして用いる。また、線形電磁界解析において使用される微分透磁率は、例えば、ステータコアを構成する電磁鋼板の磁化特性(BH曲線)に基づいて定められる。 In the present embodiment, the target exciting voltage V I is derived based on the magnetic flux density in the stator core when the target exciting current I I flows through the stator coil, and the inverter voltage V IN V is derived based on the target exciting voltage V I. Was exemplified. However, it is not necessary to derive the inverter voltage V INV in this way. For example, the time-series waveform of the inverter voltage actually output from the PWM inverter is measured, data showing the time-series waveform of the measured inverter voltage is input to the electromagnetic field analyzer 100, and the data is used as the inverter voltage V INV . You may. In this case, for example, the data of the modulated wave used in the PWM inverter is input to the electromagnetic field analyzer 100, and the data is used as the data of the target exciting voltage VI . Further, when the modulated wave used in the PWM inverter is applied to the stator coil, the magnetic flux flowing through the stator coil is measured, the measured magnetic flux data is input to the electromagnetic field analyzer 100, and the data is input to the target excitation time chaining. Used as magnetic flux φ I. Further, the differential magnetic permeability used in the linear electromagnetic field analysis is determined based on, for example, the magnetization characteristics (BH curve) of the electromagnetic steel sheet constituting the stator core.

本実施形態では、インバータ電圧VINVと、IPMモータの回路方程式とに基づいて、インバータ励磁時鎖交磁束φINVを導出する場合を例示した。しかしながら、インバータ励磁時鎖交磁束φINVをこのようにして導出しなくてもよい。例えば、PWMインバータからステータコイルに実際にインバータ電圧を印加した場合にステータコイルに鎖交する磁束を測定し、測定した磁束のデータを電磁界解析装置100に入力し、入力したデータをインバータ励磁時鎖交磁束φINVとして用いてもよい。 In this embodiment, a case where the interlinkage magnetic flux φ INV at the time of inverter excitation is derived based on the inverter voltage V INV and the circuit equation of the IPM motor is illustrated. However, it is not necessary to derive the interlinkage magnetic flux φ INV when the inverter is excited in this way. For example, the magnetic flux interlinking the stator coil when the inverter voltage is actually applied from the PWM inverter to the stator coil is measured, the measured magnetic flux data is input to the electromagnetic field analyzer 100, and the input data is input when the inverter is excited. It may be used as the interlinkage magnetic flux φ INV .

本実施形態では、ステータコアにおける損失として、目標励磁電流IIと補正電流I+とを合わせた電流がステータコイルに流れた場合のステータコアにおける損失を導出する場合を例示した。また、ステータコアにおける損失として、ヒステリシス損、渦電流損、および鉄損を導出する場合を例示した。しかしながら、必ずしもこのようにする必要はない。例えば、鉄損を導出しなくてもよい。また、ヒステリシス損および渦電流損の一方のみを導出してもよい。また、補正電流I+のみがステータコイルに流れた場合のステータコアにおける損失として、ヒステリシス損、渦電流損、および鉄損の少なくとも1つを導出してもよい。また、例えば、磁束密度のみを評価対象とし、損失を評価対象としない場合には、ステータコアにおける損失を導出する必要はない。 In the present embodiment, as a loss in the stator core, a case where a loss in the stator core is derived when a current obtained by combining the target exciting current I I and the correction current I + flows through the stator coil is illustrated. Further, the case where the hysteresis loss, the eddy current loss, and the iron loss are derived as the loss in the stator core has been exemplified. However, it is not always necessary to do this. For example, it is not necessary to derive the iron loss. Further, only one of the hysteresis loss and the eddy current loss may be derived. Further, at least one of hysteresis loss, eddy current loss, and iron loss may be derived as the loss in the stator core when only the correction current I + flows through the stator coil. Further, for example, when only the magnetic flux density is targeted for evaluation and the loss is not targeted for evaluation, it is not necessary to derive the loss in the stator core.

本実施形態では、インバータ電源がPWMインバータである場合を例示した。しかしながら、インバータ電源はPWMインバータに限定されない。例えば、PAM(pulse Amplitude Modulation)インバータをインバータ電源としてもよい。 In this embodiment, the case where the inverter power supply is a PWM inverter is illustrated. However, the inverter power supply is not limited to the PWM inverter. For example, a PAM (pulse Amplitude Modulation) inverter may be used as an inverter power source.

尚、以上説明した本発明の実施形態は、コンピュータがプログラムを実行することによって実現することができる。また、前記プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体及び前記プログラム等のコンピュータプログラムプロダクトも本発明の実施形態として適用することができる。記録媒体としては、例えば、フレキシブルディスク、ハードディスク、光ディスク、光磁気ディスク、CD-ROM、磁気テープ、不揮発性のメモリカード、ROM等を用いることができる。また、本発明の実施形態は、PLC(Programmable Logic Controller)により実現されてもよいし、ASIC(Application Specific Integrated Circuit)等の専用のハードウェアにより実現されてもよい。
また、以上説明した本発明の実施形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその技術思想、またはその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。
The embodiment of the present invention described above can be realized by executing a program by a computer. Further, a computer-readable recording medium on which the program is recorded and a computer program product such as the program can also be applied as an embodiment of the present invention. As the recording medium, for example, a flexible disk, a hard disk, an optical disk, a magneto-optical disk, a CD-ROM, a magnetic tape, a non-volatile memory card, a ROM, or the like can be used. Further, the embodiment of the present invention may be realized by a PLC (Programmable Logic Controller) or by dedicated hardware such as an ASIC (Application Specific Integrated Circuit).
In addition, the embodiments of the present invention described above are merely examples of embodiment of the present invention, and the technical scope of the present invention should not be construed in a limited manner by these. It is a thing. That is, the present invention can be implemented in various forms without departing from the technical idea or its main features.

100 電磁界解析装置
101 非線形電磁界解析部
102 目標励磁電圧導出部
103 インバータ電圧導出部
104 インバータ励磁時鎖交磁束導出部
105 補正電流導出部
106 線形電磁界解析部
107 損失導出部
108 出力部
201 ロータ
202 ステータ
202a~202g 透磁率が低い領域
310 正相変調波
320 搬送波
330 負相変調波
340 正相ノッチ波
350 負相ノッチ波
360 インバータ電圧
410 目標励磁電流で励磁した場合の磁束密度の時系列波形
420 インバータ電圧で励磁した場合の磁束密度の時系列波形
511~513 ステータコイル
521~523 電流源
530 ステータコア
100 Electromagnetic field analysis device 101 Non-linear electromagnetic field analysis unit 102 Target exciting voltage derivation unit 103 Inverter voltage derivation unit 104 Inverter excitation time chained magnetic flux derivation unit 105 Corrected current derivation unit 106 Linear electromagnetic field analysis unit 107 Loss derivation unit 108 Output unit 201 Rotor 202 Stator 202a-202g Low magnetic permeability region 310 Positive phase modulation wave 320 Carrier 330 Negative phase modulation wave 340 Positive phase notch wave 350 Negative phase notch wave 360 Inverter voltage 410 Time series of magnetic flux density when excited by target exciting current Waveform 420 Time-series waveform of magnetic flux density when excited by inverter voltage 511 to 513 Stator coil 521 to 523 Current source 530 Stator core

Claims (11)

インバータ電源から出力されるインバータ電圧に基づいて駆動するモータにおける電磁界を解析する電磁界解析装置であって、
前記インバータ電圧が前記モータのステータコイルに印加された場合に前記ステータコイルに鎖交する磁束であるインバータ励磁時鎖交磁束と、前記ステータコイルに目標励磁電流が流れた場合に前記ステータコイルに鎖交する磁束である目標励磁時鎖交磁束との差に基づいて、補正電流を導出する補正電流導出手段と、
前記補正電流が前記ステータコイルに流れた場合の前記モータのステータコアにおける磁束密度を、マックスウェルの方程式に基づく線形電磁界解析を実行することにより導出する線形電磁界解析手段と、を有し、
前記補正電流は、前記目標励磁電流が前記ステータコイルに流れた場合の前記ステータコアにおける磁束密度に対し、前記インバータ電源のスイッチング素子のスイッチング時に生じる磁束密度の時間変化を補うために前記ステータコイルに流す必要がある電流である、電磁界解析装置。
It is an electromagnetic field analysis device that analyzes the electromagnetic field in a motor driven based on the inverter voltage output from the inverter power supply.
When the inverter voltage is applied to the stator coil of the motor, the magnetic flux interlinking the stator coil is the magnetic flux during the inverter excitation, and when the target exciting current flows through the stator coil, the stator coil is chained. A correction current derivation means that derives a correction current based on the difference between the crossing magnetic flux and the interlinkage magnetic flux at the time of target excitation.
It has a linear electromagnetic field analysis means for deriving the magnetic flux density in the stator core of the motor when the correction current flows through the stator coil by performing a linear electromagnetic field analysis based on Maxwell's equation.
The correction current flows through the stator coil in order to compensate for the time change of the magnetic flux density that occurs when the switching element of the inverter power supply is switched with respect to the magnetic flux density in the stator core when the target exciting current flows through the stator coil. Electromagnetic field analyzer, which is the required current.
前記インバータ電圧と、前記モータの回路方程式とに基づいて、前記インバータ励磁時鎖交磁束を導出するインバータ励磁時鎖交磁束導出手段を更に有する、請求項1に記載の電磁界解析装置。 The electromagnetic field analysis device according to claim 1, further comprising an inverter excitation time-linkage magnetic flux deriving means for deriving the inverter excitation time-chain magnetic flux based on the inverter voltage and the motor circuit equation. 前記目標励磁電流が前記ステータコイルに流れた場合の前記ステータコアにおける磁束密度を、マックスウェルの方程式に基づく非線形電磁界解析を実行することにより導出する非線形電磁界解析手段と、
前記非線形電磁界解析手段により導出された前記磁束密度と、前記モータの回路方程式とに基づいて、前記目標励磁電流に対応する励磁電圧である目標励磁電圧を導出する目標励磁電圧導出手段と、
前記目標励磁電圧導出手段により導出された前記目標励磁電圧に基づいて、前記インバータ電圧を導出するインバータ電圧導出手段と、を更に有し、
前記インバータ励磁時鎖交磁束導出手段は、前記インバータ電圧導出手段により導出されたインバータ電圧と、前記モータの回路方程式とに基づいて、前記インバータ励磁時鎖交磁束を導出し、
前記線形電磁界解析手段は、前記非線形電磁界解析手段により導出された前記磁束密度に基づく磁化特性を用いて前記線形電磁界解析を実行する、請求項2に記載の電磁界解析装置。
A non-linear electromagnetic field analysis means for deriving the magnetic flux density in the stator core when the target exciting current flows through the stator coil by performing a non-linear electromagnetic field analysis based on Maxwell's equation.
A target exciting voltage deriving means for deriving a target exciting voltage, which is an exciting voltage corresponding to the target exciting current, based on the magnetic flux density derived by the nonlinear electromagnetic field analysis means and the circuit equation of the motor.
Further having an inverter voltage deriving means for deriving the inverter voltage based on the target exciting voltage derived by the target exciting voltage deriving means.
The inverter-excited interlinkage magnetic flux derivation means derives the inverter-excitation interlinkage magnetic flux based on the inverter voltage derived by the inverter voltage derivation means and the circuit equation of the motor.
The electromagnetic field analysis device according to claim 2, wherein the linear electromagnetic field analysis means executes the linear electromagnetic field analysis using the magnetization characteristics based on the magnetic flux density derived by the nonlinear electromagnetic field analysis means.
前記線形電磁界解析手段により導出される磁束密度の時間分解能は、前記非線形電磁界解析手段により導出される磁束密度の時間分解能よりも高く、
前記非線形電磁界解析手段により導出された前記磁束密度に基づいて、前記線形電磁界解析手段により導出される磁束密度の時間分解能に対応する各時刻における前記磁束密度が導出され、
前記線形電磁界解析手段により導出される磁束密度の時間分解能に対応する各時刻における前記目標励磁電圧が導出され、
前記線形電磁界解析手段により導出される磁束密度の時間分解能に対応する各時刻における前記インバータ電圧が導出され、
前記線形電磁界解析手段により導出される磁束密度の時間分解能に対応する各時刻における前記インバータ励磁時鎖交磁束が導出される、請求項3に記載の電磁界解析装置。
The time resolution of the magnetic flux density derived by the linear electromagnetic field analysis means is higher than the time resolution of the magnetic flux density derived by the nonlinear electromagnetic field analysis means.
Based on the magnetic flux density derived by the nonlinear electromagnetic field analysis means, the magnetic flux density at each time corresponding to the time resolution of the magnetic flux density derived by the linear electromagnetic field analysis means is derived.
The target exciting voltage at each time corresponding to the time resolution of the magnetic flux density derived by the linear electromagnetic field analysis means is derived.
The inverter voltage at each time corresponding to the time resolution of the magnetic flux density derived by the linear electromagnetic field analysis means is derived.
The electromagnetic field analysis device according to claim 3, wherein the interlinkage magnetic flux at the time of excitation of the inverter is derived at each time corresponding to the time resolution of the magnetic flux density derived by the linear electromagnetic field analysis means.
前記線形電磁界解析手段は、磁束が通る領域の一部の領域の透磁率を、その他の領域の透磁率よりも低くした状態の前記ステータコアにおける磁束密度を、マックスウェルの方程式に基づく線形電磁界解析を実行することにより導出し、
前記補正電流導出手段は、前記磁束が通る領域の一部の領域の透磁率を用いて前記補正電流を導出する、請求項1~4の何れか1項に記載の電磁界解析装置。
The linear electromagnetic field analysis means measures the magnetic flux density in the stator core in a state where the magnetic permeability in a part of the region through which the magnetic flux passes is lower than the magnetic permeability in the other region, based on Maxwell's equation. Derived by performing an analysis,
The electromagnetic field analysis device according to any one of claims 1 to 4, wherein the corrected current deriving means derives the corrected current by using the magnetic permeability of a part of the region through which the magnetic flux passes.
前記線形電磁界解析手段は、各相の前記ステータコイルに対し、他の相の前記ステータコイルに接続される電流源と未結線の電流源が、前記補正電流を出力する電流源として接続されているものとして前記線形電磁界解析を実行する、請求項1~5の何れか1項に記載の電磁界解析装置。 In the linear electromagnetic field analysis means, a current source connected to the stator coil of another phase and an unconnected current source are connected to the stator coil of each phase as a current source to output the correction current. The electromagnetic field analysis apparatus according to any one of claims 1 to 5, which performs the linear electromagnetic field analysis as if it were. 前記線形電磁界解析手段により導出された前記ステータコアにおける磁束密度に基づいて、前記ステータコアにおける損失を導出する損失導出手段を更に有する、請求項1~6の何れか1項に記載の電磁界解析装置。 The electromagnetic field analysis apparatus according to any one of claims 1 to 6, further comprising a loss deriving means for deriving a loss in the stator core based on the magnetic flux density in the stator core derived by the linear electromagnetic field analysis means. .. 前記損失導出手段は、前記目標励磁電流と前記補正電流とを合わせた電流が前記ステータコイルに流れた場合の前記ステータコアにおける損失を導出する、請求項7に記載の電磁界解析装置。 The electromagnetic field analysis device according to claim 7, wherein the loss deriving means derives a loss in the stator core when a current obtained by combining the target exciting current and the correction current flows through the stator coil. 前記損失は、渦電流損と、ヒステリシス損と、渦電流損およびヒステリシス損の和との何れかである、請求項7または8に記載の電磁界解析装置。 The electromagnetic field analysis apparatus according to claim 7, wherein the loss is any one of a vortex current loss, a hysteresis loss, and a vortex current loss and a hysteresis loss. インバータ電源から出力されるインバータ電圧に基づいて駆動するモータにおける電磁界を解析する電磁界解析方法であって、
前記インバータ電圧が前記モータのステータコイルに印加された場合に前記ステータコイルに鎖交する磁束であるインバータ励磁時鎖交磁束と、前記ステータコイルに目標励磁電流が流れた場合に前記ステータコイルに鎖交する磁束である目標励磁時鎖交磁束との差に基づいて、補正電流を導出する補正電流導出工程と、
前記補正電流が前記ステータコイルに流れた場合の前記モータのステータコアにおける磁束密度を、マックスウェルの方程式に基づく線形電磁界解析を実行することにより導出する線形電磁界解析工程と、を有し、
前記補正電流は、前記目標励磁電流が前記ステータコイルに流れた場合の前記ステータコアにおける磁束密度に対し、前記インバータ電源のスイッチング素子のスイッチング時に生じる磁束密度の時間変化を補うために前記ステータコイルに流す必要がある電流である、電磁界解析方法。
It is an electromagnetic field analysis method that analyzes the electromagnetic field in a motor driven based on the inverter voltage output from the inverter power supply.
When the inverter voltage is applied to the stator coil of the motor, the magnetic flux interlinking the stator coil is the magnetic flux during the inverter excitation, and when the target exciting current flows through the stator coil, the stator coil is chained. A correction current derivation process that derives a correction current based on the difference between the crossing magnetic flux and the interlinkage magnetic flux at the time of target excitation,
It has a linear electromagnetic field analysis step of deriving the magnetic flux density in the stator core of the motor when the correction current flows through the stator coil by performing a linear electromagnetic field analysis based on Maxwell's equation.
The correction current flows through the stator coil in order to compensate for the time change of the magnetic flux density that occurs when the switching element of the inverter power supply is switched with respect to the magnetic flux density in the stator core when the target exciting current flows through the stator coil. Electromagnetic field analysis method, which is the required current.
請求項1~9の何れか1項に記載の電磁界解析装置の各手段としてコンピュータを機能させるためのプログラム。 A program for operating a computer as each means of the electromagnetic field analyzer according to any one of claims 1 to 9.
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