JP6135248B2

JP6135248B2 - 進角シミュレーション方法及び進角シミュレーションプログラム

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Publication number: JP6135248B2
Application number: JP2013073883A
Authority: JP
Inventors: 田邉　洋一; 洋一田邉; 藤岡　琢志; 琢志藤岡; 紳一郎片桐; 慎悟鈴木; 利之藤松
Original assignee: Fujitsu General Ltd
Current assignee: Fujitsu General Ltd
Priority date: 2013-03-29
Filing date: 2013-03-29
Publication date: 2017-05-31
Anticipated expiration: 2033-03-29
Also published as: JP2014199500A

Description

本発明は、エアコン用ファンモータの設計において最適な電圧進角を決定するための進角シミュレーション方法に関するものである。

エアコン用ファンモータでは小型かつ高効率な性能が求められるため、様々な工夫を凝らして設計を行っている。その際、ロータ（回転子）、ステータ（固定子）等の物理的構造のほか、ロータの位置検出のためのホール素子の配置位置、複数の負荷点それぞれにおいてモータ効率が最大となる最適な電圧進角の進角値（ステータ巻線（電機子コイル）への通電タイミングを制御するパラメータ）など、モータの性能向上のために決定しなければならないパラメータは多数ある。

これらの設計を効率よく行うための手法として、３次元磁界解析モデルによるシミュレーションが挙げられる。３次元磁界解析モデルは、図７に示すように、モータのロータ、ステータ等の構造物をメッシュで立体的に表現して、更に材料特性等の初期値を与えることで、電流を流した際の磁界変化をコンピュータ上でシミュレーション可能にしたものである。これによってモータの効率等をコンピュータ上で演算することができる。

このように、設計段階でモータ性能を改善するためには、ステータとロータとの間の磁束の流れを決定する磁気回路およびモータの駆動を制御する駆動回路の各回路設計における磁界解析と回路解析のシミュレーションの活用が欠かせなくなってきている。そして、エアコン用ファンは回転数とともにトルクが増加する負荷特性を持ち、複数の負荷点それぞれにモータ効率が最大となる最適な電圧進角が存在するため、電圧進角はモータ性能を決める重要なパラメータである。

モータ効率が最大となるようにモータを駆動するには、ホール素子によってロータの回転位置を正確に検出して、駆動回路により電機子コイルへの通電を適切な電圧進角で行う必要がある。しかし、ホール素子はロータの磁石磁束だけでなく、電機子コイルが発生する磁束も検知するため、位置信号に誤差が生じ、適切な電圧進角での通電ができずに効率低下の要因となる。よって、駆動回路設計において磁気回路の影響を考慮することが必要である。しかし、ホール素子の出力電圧は数１０ｍＶと小さいため、磁気回路の影響を判断するような高精度な測定は困難である。さらには測定系が出力電圧に影響し位置検出が異常となりモータの駆動自体に異常をきたすため、この現象の測定は困難となっている。

特許文献１には、ホール素子が電機子コイルからの磁束によって悪影響を受けるという問題に鑑みて、位置センサとコイルとの間にシールドが介在させることで、コイルから位置センサに向う磁束がシールドにより遮蔽されて、位置センサがコイルからの磁束の影響で誤動作することが防止されるという永久磁石形モータが開示されている。
特開２００２−１５３０３９号公報

前記特許文献１の構成によればホール素子によるロータ位置検出の精度は向上するが、モータの構造上の制約が加わるという問題がある。特殊な構造を採用せずとも、ロータ位置検知誤差も考慮した最適な進角を設定できることが理想的である。

ところで、図１７に示すのは、従来の３次元磁界解析処理によってモータの効率をシミュレーションする場合の流れを示したフローチャートである。モータの構造上の特性を決定するためのパラメータが入力済みの３次元磁界解析モデルが既に存在するものとする。例えば、ステータの巻線抵抗Ｒ_ｕ、Ｒ_ｖ、Ｒ_ｗ［Ω］は入力済みのパラメータである。この３次元磁界解析モデルにおいて、先ず、効率を求めたいモータの回転数Ｎ_ｔ［ｒｐｍ］、目標とするトルクＴ_ｔ［Ｎｍ］、及び、進角値δ［ｄｅｇ］を入力する（Ｓ２２０１）。そして、ｎ＝１として（Ｓ２２０２）、３次元磁界解析を行って回転数Ｎ_ｔ、進角値δ、電源電圧Ｖ_ｍｎの条件において得られる結果トルクＴ_ｎ［Ｎｍ］を求める（Ｓ２２０３）。そして、目標トルクＴ_ｔと結果トルクＴ_ｎとを比較する（Ｓ２２０４）。比較結果が離れている場合には、電源電圧Ｖ_ｍｎを調整（結果トルクが目標トルクよりも大きければ電圧を減らし、小さければ電圧を増やすように調整）し（Ｓ２２０５）、ｎ＝ｎ＋１として（Ｓ２２０６）、調整後の電源電圧Ｖ_ｍｎによって再度３次元磁界解析を行って結果トルクＴ_ｎ［Ｎｍ］を求める（Ｓ２２０３）。この処理を繰り返して、目標トルクＴ_ｔと結果トルクＴ_ｎとがほぼ一致した（所定閾値以下となった）段階で結果トルクＴ_ｎと電源電圧Ｖ_ｍｎを得る。

得られた結果トルクＴ_ｎと電源電圧Ｖ_ｍｎからモータ効率を演算する。
モータ効率＝出力／入力×１００［％］
出力＝機械出力＝２πＮ_ｔ／６０・Ｔ_ｎ［Ｗ］
入力＝投入電力［Ｗ］
投入電力≒機械出力＋銅損＋鉄損［Ｗ］
銅損＝Ｒ_ｕ・Ｉ_ｕ ^２＋Ｒ_ｖ・Ｉ_ｖ ^２＋Ｒ_ｗ・Ｉ_ｗ ^２

以上のようにして、３次元磁界解析モデルを用いることにより、磁界解析上のモータ効率を得ることができる。そして、磁界解析の際にパラメータとして入力する電圧進角の進角値を、磁界解析毎に変化させ、各進角値でのモータ効率を演算して比較することで、モータ効率が最大となる電圧進角（最適進角値）を得ることができるため、モータの設計効率を向上させるのに役立っている。

しかし、前記３次元磁界解析において、磁界解析により得られる最適進角値は、実際に試作されたモータで実験的に得られた最適進角値とは異なることが知られており、最終的には、進角値の候補ごとに実機を製作して効率評価試験を行い、効率が最大となるものを最適進角値として決定していたため、最適進角値の決定までに工数が掛かるという問題があった。本発明の発明者は、磁界解析上の最適進角値と試作モータにより得られた最適進角値との相違が、ホール素子などの位置検出手段に対する固定子からの磁束の影響による位置検知誤差にあることを見出した。

本発明は、上記問題点に鑑みなされたものであり、ホール素子の検出する磁束密度をシミュレーションによって求め電圧進角の進角値を修正する３次元磁界回路連成解析手法を提案し、最適進角値を求めることが可能な進角値のシミュレーション方法及び進角値のシミュレーションプログラムを提供することを目的とするものである。

本発明の請求項１は、巻線が巻回された固定子と、磁石を有する回転子と、前記回転子の位置を前記磁石の磁束密度を測定することにより検出する位置検出手段とを具備したモータに関して、前記固定子巻線への通電タイミングを制御する進角値を含む制御パラメータと、前記モータの形状を特定する形状パラメータと、前記磁石の磁束密度を含む磁気特性パラメータと、前記回転子の回転数を含むモータの運転状態パラメータとを入力してコンピュータで３次元磁界解析処理を行うことで、磁束密度およびモータ効率をシミュレーションするシミュレーション方法であって、前記各パラメータを入力する入力手順と、入力された前記各パラメータに基づいてコンピュータで前記３次元磁界解析処理を行って、前記３次元磁界解析処理結果として少なくとも前記位置検出手段で検出されるべき磁束密度を得る３次元磁界解析処理手順と、前記位置検出手段で検出されるべき磁束密度に基づいて、前記位置検出手段で検出されるべき前記磁石の磁束密度に基づく前記回転子の位置検知信号の、前記固定子からの磁束の影響による位置検知誤差を演算する位置検知誤差演算手順と、前記位置検知誤差を前記進角値に加えて、前記３次元磁界解析処理手順及び前記位置検知誤差演算手順とを繰り返し、位置検知誤差が収束するか否かを判定する収束判定手順とによって得られた収束した位置検知誤差を前記進角値に加えた進角値および同進角値に基づくモータ効率をシミュレーションすることを特徴とする進角シミュレーション方法である。

本発明の請求項２は、巻線が巻回された固定子と、磁石を有する回転子と、前記回転子の位置を前記磁石の磁束密度を測定することにより検出する位置検出手段とを具備したモータに関して、前記固定子巻線への通電タイミングを制御する進角値を含む制御パラメータと、前記モータの形状を特定する形状パラメータと、前記磁石の磁束密度を含む磁気特性パラメータと、前記回転子の回転数を含むモータの運転状態パラメータとを入力してコンピュータで３次元磁界解析処理を行うことで、３次元磁界解析処理結果として磁束密度およびモータ効率をシミュレーションするシミュレーションプログラムであって、ＣＰＵ、メモリ、外部記憶装置、及び、入力装置を具備したコンピュータにおいて、前記入力装置によって入力された前記各パラメータを外部記憶装置に記録する入力手順と、入力された前記パラメータに基づいて前記ＣＰＵで前記３次元磁界解析処理を行って前記３次元磁界解析処理結果として少なくとも前記位置検出手段で検出されるべき磁束密度を得て前記メモリに記憶する３次元磁界解析処理手順と、前記位置検出手段で検出されるべき磁束密度に基づいて、前記位置検出手段で検出されるべき前記回転子からの磁束密度に基づく前記回転子の位置検知信号の、前記固定子からの磁束の影響による位置検知誤差を前記ＣＰＵで演算して前記メモリに記憶する位置検知誤差演算手順と、前記位置検知誤差を前記進角値に加えて前記３次元磁界解析処理手順及び前記位置検知誤差演算手順とを繰り返し、位置検知誤差が収束するか否かを前記ＣＰＵで判定する収束判定手順とによって得られた収束した位置検知誤差を前記進角値に加えて前記ＣＰＵで演算して得た進角値および同進角値に基づくモータ効率をシミュレーション結果として前記メモリに記憶するようにしたことを特徴とする進角シミュレーションプログラムである。

本発明によれば、固定子巻線に通電することで発生する磁束によって生じる位置検知誤差を加えて修正された進角値が得られる。従って、実際のモータの最適進角値をシミュレーションすることができるので、進角値の候補ごとに実機を製作する工数を大幅に減少することができる。

解析対象機の概略形状を表した模式図である。解析対象機の駆動回路を表した回路図である。解析対象機のファン負荷特性と負荷点の効率を表したグラフである。ホール素子周辺の磁束線の様子を表した概略図である。対象機の駆動回路における位置検出の流れを示したフロー図である。対象機の駆動回路において位置検知誤差が生じる原理を表した説明図である。３次元磁界解析モデルの一例を表した模式図である。Ｕ相の誘起電圧Ｖ_ｕとスイッチング素子Ｔ_ｕ１、Ｔ_ｕ２のオンオフのタイミングを表したタイムチャート図である。本発明による進角シミュレーションの処理の流れを表したフローチャートである。実験機を評価するための測定システムを表したブロック図である。ホール素子配置を表した模式図であり、（ａ）はθ_ｈ＝０°、（ｂ）はθ_ｈ＝６０°である。無負荷誘起電圧の解析結果と測定結果を表した波形図である。ホール素子配置がθ_ｈ＝０°の場合の磁束密度解析結果を表した波形図である。図１３の磁束密度Ｂ_Ｈｚより換算したホール素子出力電圧波形を表した波形図である。相電流波形を表した波形図である。本発明による進角シミュレーションを行うためのハードウェア構成を表したブロック図である。従来の３次元磁界解析処理によってモータの効率をシミュレーションする場合の流れを示したフローチャートである。

本発明による進角シミュレーション方法は、巻線が巻回された固定子と、磁石を有する回転子と、前記回転子の位置を前記磁石の磁束密度を測定することにより検出する位置検出手段とを具備したモータに関して、例えば表１に示されるような各パラメータ、すなわち、前記固定子巻線への通電タイミングを制御する進角値を含む制御パラメータと、前記モータの形状を特定する形状パラメータと、前記磁石の磁束密度を含む磁気特性パラメータと、前記回転子の回転数を含むモータの運転状態パラメータとを入力してコンピュータで３次元磁界解析処理を行うことで、３次元磁界解析処理結果として磁束密度およびモータ効率をシミュレーション可能なシミュレーション方法であって、前記各パラメータを入力する入力手順と、入力された前記各パラメータに基づいてコンピュータで前記３次元磁界解析処理を行って、前記３次元磁界解析処理結果として少なくとも前記位置検出手段で検出されるべき磁束密度を得る３次元磁界解析処理手順と、前記位置検出手段で検出されるべき磁束密度に基づいて、前記位置検出手段で検出されるべき前記磁石の磁束密度に基づく前記回転子の位置検知信号の、前記固定子からの磁束密度の影響による位置検知誤差を演算する位置検知誤差演算手順と、前記位置検知誤差を前記進角値に加えて、前記３次元磁界解析処理手順及び前記位置検知誤差演算手順とを繰り返し、位置検知誤差が収束するか否かを判定する収束判定手順とによって得られた収束した位置検知誤差を前記進角値に加えた進角値および同進角値に基づくモータ効率をシミュレーションすることを特徴とするものである。以下、詳細に説明を行う。

本実施例においては、ホール素子の検出する磁束密度をシミュレーションによって求め駆動回路の進角値を修正する３次元磁界回路連成解析手法を提案し、解析結果と実験結果を比較することとした。以下に示す対象機の仕様は、実機と３次元モデルの両方で共通に採用している条件である。

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

本機はエアコン室内機ファン駆動用のブラシレスＤＣモータ（ＳＰＭモータ）である。ステータ（固定子）は１２スロット集中巻線とし、熱硬化性樹脂で封止している。ロータ（回転子）にはフェライト焼結磁石を用い、磁石の形状はステータコアより軸方向に長いオーバーハングを持たせている。モータの駆動には例えば１５０°通電のＰＷＭインバータを用いている。ホール素子Ｈ_Ｕ、Ｈ_Ｖ、Ｈ_Ｗは固定子のティース中心線上、磁石端部からＺ方向にＬ_ｈ離れて配置、回転子磁石の磁束密度を検出し回転位置情報として、コントローラに入力する。コントローラは回転子位置情報と進角値をもとにスイッチング素子（ＭＯＳＦＥＴ）Ｔ_Ｕ１、Ｔ_Ｕ２、Ｔ_Ｖ１、Ｔ_Ｖ２、Ｔ_Ｗ１、Ｔ_Ｗ２を切替えている。本機は中負荷時（回転数１１６０ｒｐｍ）で入力を最小（モータ効率を最大）とする進角値（最適進角値）が１７°である。一方、以下に述べるように、位置検知誤差を考慮しない磁界解析による最適進角値は５°であり、本機の最適進角値と相違する。従って、位置検知誤差を考慮しない磁界解析による進角値をそのまま用いると、実際のモータのモータ効率が低下してしまう。このように最適進角値が相違する原因は従来の磁界解析では、下記の誤差が考慮されていないことに原因がある。
（ａ）ホール素子の検出感度による誤差
（ｂ）電機子磁束重畳による誤差

［対象機の負荷特性］
前記対象機のファン負荷特性と負荷点の効率を図３に示す。モータ効率は最適進角値に上記誤差を考慮しない場合の磁界解析結果である。図３（ａ）はトルク−回転数特性を示し、Low（低負荷（０．０１８Ｎｍ、４８０ｒｐｍ））、Middle（中負荷（０．１７７Ｎｍ、１１６０ｒｐｍ））、High（高負荷（０．３８４Ｎｍ、１５８０ｒｐｍ））の順に負荷トルクが増加する。図３（ｂ）は負荷点別の効率−進角特性を示し、δ_Optimalはモータ効率が最大となる進角値を表している。負荷トルクの増加に伴い最適進角の位相（０°（低負荷）、５°（中負荷）、１５°（高負荷））が進む傾向にある。

［対象機におけるホール素子の検出誤差要因］
図４にホール素子周辺の磁束線の概略図を示す。ホール素子は、磁束密度Ｂ_ＨのＺ成分Ｂ_Ｈｚを検出し、以下の（１）式に示すように、定数Ｋ_Ｈ［ｍＶ／ｍＴ］に比例した電圧信号Ｖ_Ｂを出力する。
Ｖ_Ｂ＝Ｋ_Ｈ・Ｂ_Ｈｚ・・・（１）
Ｂ_Ｈには主に磁石による磁束密度Ｂ_ｍと固定子巻線の通電によって発生する磁束密度Ｂ_ａが影響しているため、磁束密度Ｂ_ａが影響が増えるとホール素子による位置検出に誤差が発生する要因となる。

図５に駆動回路における位置検出フローを示す。ホール素子は、磁束密度Ｂ_ｍと固定子巻線の通電によって発生する磁束密度Ｂ_ａによる影響を含んだ磁束密度Ｂ_ＨのＺ成分Ｂ_Ｈｚを検出し、電圧信号Ｖ_Ｂとしてコントローラに出力する（Ｓ５０１）。コントローラでは、Ｖ_Ｂをノイズによる誤動作防止の為のヒステリシス回路（±Ｖ_Ｈ）を介して位置信号に変換し（Ｓ５０２）、通電幅の設定（Ｓ５０３）と進角値δの設定（Ｓ５０４）を行いドライバ（ＰＷＭインバータのトランジスタ）の開閉信号を出力する。その開閉信号によってドライバから巻線に通電されてモータが駆動され（Ｓ５０５）、巻線に通電されることで発生した磁束密度Ｂ_ａが磁束密度Ｂ_Ｈに影響を与える（Ｓ５０６）。

駆動回路において位置検知誤差が生じる原理を図６に示す。この図６はＶ_Ｂの電気角による波形を模式的に表している。θ＝０°の時に磁石の極間がホール素子の前を通過し極性がＳからＮに切り替わるとする。ホール素子が磁束密度を電圧に変換するのに必要な時間は数ｎｓであり、電気角一周期の約１０ｍｓに対し微小のため検出遅れは無視する。固定子巻線に通電をしない無負荷の場合の波形をＶ_Ｂ０、通電する負荷の場合の波形をＶ_ＢＬとする。閾値±Ｖ_Ｈのヒステリシス回路を介するとコントローラ内部では実際の磁極位置に対して無負荷の場合（コイルに通電せずにモータのロータのみを回転数Ｎ_ｔで回転させた場合）はΔθ_０、有負荷の場合はΔθ_Ｌの誤差が生じる。この誤差は本来指令した進角値δ（実指令進角値δ）に加わり、実際には進角値δ’で駆動される（実駆動進角値δ’）。上述したＳＰＭモータでは、中負荷の場合、実際に指令した最適進角（実指令進角値δに相当）は１７°であるが、誤差を考慮しない場合の最適進角（実駆動進角値δ’に相当）は５°であり、Δθ_Ｌが１２°であることがわかる。そこで、以下において、３次元磁界解析処理を用いて、実際に指令する進角（実指令進角値δ）に対してΔθ_Ｌの誤差を考慮して、実際に駆動される進角値（実駆動進角値δ’）を求める進角シミュレーションの方法について提案する。

２．進角シミュレーションの具体的内容
［ハードウェア構成］
図１６に示すのは、進角シミュレーションを行うためのハードウェア構成を表したものである。ＣＰＵ、メモリ、及び、外部記憶装置としてのハードディスクドライブ（ＨＤＤ）を具備したコンピュータと、入力装置としてのマウス及びキーボードと、表示装置としてのディスプレイとからなる。ハードディスクドライブには、進角シミュレーションを行うためのソフトウェアや入出力データが格納されている。

［解析モデル］
図７に３次元磁界解析モデルを示す。この３次元磁界解析モデルは、対象機の構造をメッシュで再現したものである。解析対象機は回転子磁石がオーバーハングを持ち空気中に漏れ磁束が発生する。さらにホール素子が検出する磁束密度を計算するため３次元解析が必要である。

３次元磁界解析を行うにあたって、図２の駆動回路のスイッチング素子は可変抵抗で近似する。ＯＮ（導通）の場合はＭＯＳＦＥＴの抵抗値４Ω、ＯＦＦ（不導通）の場合はスイッチング素子に流れる電流が無視できる程度の値として抵抗値１ＭΩとした。図８にＵ相の誘起電圧Ｖ_ｕとスイッチング素子Ｔ_ｕ１、Ｔ_ｕ２のタイムチャートを示す。相誘起電圧の最大値を中心に１５０°通電する場合をδ＝０°とする。

［本発明による進角シミュレーション手法］
図９に示すのは、本発明の進角シミュレーションの流れを表したフローチャートである。進角シミュレーションの前提として、固定子巻線への通電タイミングを制御する進角値を含む制御パラメータ、モータの形状を特定する形状パラメータ、磁石の磁束密度を含む磁気特性パラメータ、回転子の回転数を含むモータの運転状態パラメータなど、モータの構造上の特性を決定するためのパラメータが予めハードディスクドライブに記録された３次元磁界解析モデルが既に存在するものとし、これは３次元磁界解析ソフトに基づいて作成されている。例えば、ステータの巻線抵抗Ｒ_ｕ、Ｒ_ｖ、Ｒ_ｗ［Ω］は入力済みのパラメータである。この３次元磁界解析モデルが構築されていることを前提として、以下において、「３次元磁界解析処理」という場合には、図１６のコンピュータ上においてＨＤＤに格納された３次元磁界解析ソフトを読み出してＣＰＵで演算処理を行い、適宜演算結果をメモリに記憶させる処理のことをいうものとする。また、その他の演算処理においても、メモリから演算式を読み出して演算処理を行い、その演算結果をメモリに記憶させていることは言うまでもない。

先ず、パラメータ入力手順を説明する。この手順では、効率を求めたいモータの回転数Ｎ_ｔ［ｒｐｍ］、目標とするトルクＴ_ｔ［Ｎｍ］、及び、実指令進角値δ［ｄｅｇ］をキーボード等の入力装置を用いて入力し、これをメモリに記憶する（Ｓ９０１）。ここで、入力する実指令進角値δは、例えば技術者の経験で最適と思われるものを入力する。次に、コイルに通電せずモータのロータのみを回転数Ｎ_ｔで回転させた場合（無負荷の場合）の位置検知誤差Δθ_０を３次元磁界解析処理によって求める（Ｓ９０２）。位置検知誤差Δθ_０は、３次元磁界解析処理によって得られた磁束密度Ｂ_ＨのＺ成分Ｂ_Ｈｚに基づいて、前記（１）式を用いて演算によって求める。そして、進角値δに関する変数ｋ＝１とし（Ｓ９０３）、δ_ｋ＝δ−Δθ_０と定義する（Ｓ９０４）。初期の進角値δ_１は、前記（Ｓ９０１）で入力した実指令進角値δに無負荷の誤差Δθ_０を加算した値とする。なお、無負荷時の位置検知誤差Δθ_０の入力は最終的な進角シミュレーションの演算時間の短縮のために行った手順であって必須の手順ではないため、前記（Ｓ９０１）において入力した進角値を用いてδ₁＝δとして、（Ｓ９０２）及び（Ｓ９０３）のステップを省略して、次の（Ｓ９０５）へ進んでもよい。

次に、３次元磁界解析処理手順について説明する。この手順ではまず、電源電圧に関する変数をｎ＝１とする（Ｓ９０５）。次に３次元磁界解析処理を行って、回転数Ｎ_ｔ、進角値δ_ｋ、電源電圧Ｖ_ｍｎの条件において得られる結果トルクＴ_ｎ［Ｎｍ］を求める（Ｓ９０６）。そして、メモリに記憶されている目標トルクＴ_ｔと得られた結果トルクＴ_ｎとを比較する（Ｓ９０７）。比較結果が離れている場合には、電源電圧Ｖ_ｍｎを調整する（Ｓ９０８）。ここで、電源電圧Ｖ_ｍｎの調整とは、結果トルクが目標トルクよりも大きければ電圧を減らし、小さければ電圧を増やしたものをメモリに上書きすることである。そして、ｎ＝ｎ＋１として（Ｓ９０９）、調整後の電源電圧Ｖ_ｍｎによって再度３次元磁界解析処理を行って結果トルクＴ_ｎを求めてメモリに記憶する（Ｓ９０６）。この処理を繰り返して、目標トルクＴ_ｔと結果トルクＴ_ｎとがほぼ一致した（所定閾値以下となった）段階で、結果トルクＴ_ｎ、電源電圧Ｖ_ｍｎ、固定子巻線の電流値Ｉ_ｕ、Ｉ_ｖ、Ｉ_ｗ（３相）、ホール素子磁束密度Ｚ成分Ｂ_Ｈｚ等の結果を得てメモリに記憶する（Ｓ９０７）。

次に、位置検知誤差演算手順を説明する。この手順では、まず３次元磁界解析処理手順で得られたホール素子磁束密度Ｚ成分Ｂ_Ｈｚに基づいて、位置検知誤差Δθ_Ｌｋを演算により求める（Ｓ９１０）。位置検知誤差Δθ_Ｌｋは、例えば図１４に示すように、無負荷の場合のホール素子の出力電圧のゼロクロス点から有負荷の場合のホール素子の出力電圧とヒステリシス回路の閾値（−Ｖ_Ｈ）との交点までの角度により求める。ここで求めたｋ番目の位置検知誤差Δθ_Ｌｋと、１つ前のｋ−１番目の位置検知誤差Δθ_Ｌｋ−１を比較する（Ｓ９１１）。両者の値が離れている（所定閾値以上となる）場合には、変数をｋ＝ｋ＋１とし（Ｓ９１２）、δ_ｋ＝δ−Δθ_Ｌｋ−１としてメモリ上のデータを上書きする（Ｓ９１３）。そして、新しい進角値δ_ｋに基づいて（Ｓ９０５）〜（Ｓ９１１）の処理を、位置検知誤差Δθ_Ｌｋと１つ前のｋ−１番目の位置検知誤差Δθ_Ｌｋ−１がほぼ一致する（所定閾値以下となる）まで、（Ｓ９１２）及び（Ｓ９１３）においてδ_ｋを修正しながら処理を繰り返す。

次に、収束判定手順を説明する。この手順ではまず、Δθ_Ｌｋ≒Δθ_Ｌｋ−１となった段階で、位置検知誤差が収束したものと判断する（Ｓ９１１）。収束した場合の結果として、最終的な演算結果として、位置検知誤差Δθ_Ｌとこの位置検知誤差Δθ_Ｌを考慮した実駆動進角値δ’を次式で演算して求め、メモリに記憶する（Ｓ９１４）。
Δθ_Ｌ＝Δθ_Ｌｋ−１・・・（２）
δ’＝δ−Δθ_Ｌ・・・（３）
以上の処理により、進角シミュレーションとして最終的な実駆動進角値δ’が得られる。この最終的な実駆動進角値δ’とともに、このときの結果トルクＴ_ｎ、電源電圧Ｖ_ｍｎ、固定子巻線の電流値Ｉ_ｕ、Ｉ_ｖ、Ｉ_ｗ（３相）、ホール素子磁束密度Ｚ成分Ｂ_Ｈｚ等の結果を出力データとしてＨＤＤに記録する。

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

ここで、η：モータ効率［％］、Ｐ_ｏ：モータ出力［Ｗ］、Ｐ_ｉ：モータ入力［Ｗ］、Ｗ_ｃ：銅損［Ｗ］、Ｗ_ｉ：ステータコア鉄損［Ｗ］、Ｎ：回転数［ｒｐｍ］、Ｔ：トルク［Ｎｍ］である。
ステータコア鉄損Ｗ_ｉは高調波を含む損失算定法を用いた。ここではステータコア鉄損を算出する際のヒステリシス損係数Ｋ_ｈと渦電流損係数Ｋ_ｅは二周波法で求め、Ｋ_ｈ＝２．４２×１０^−２［Ｗ／ｋｇ／Ｈｚ／Ｔ^２］、Ｋｅ＝１．７４×１０^−４［Ｗ／ｋｇ／Ｈｚ／Ｔ^２］とした。なお、インバータ損や機械損、風損、その他損失は考慮していない。

３．進角シミュレーションの妥当性評価のための実験手法
［測定システム］
前記進角シミュレーションの妥当性を評価するために、試作モータ（以下「実験機」）で測定した値と比較して評価を行う必要がある。図１０に測定システムを示す。この図１０において、速度指令電圧Ｖ_ＳＰを調整して、所定の回転数、トルクでＳＰＭモータを駆動させて、モータ入力Ｐ_ｉ、電流及び電圧をパワーメータで測定し、トルクＴをトルクメータで測定して、これらの結果をコンピュータのＨＤＤに記録するものとする。銅損以外の損失を鉄損とその他損Ｗ_ｅｔｃとして、次式で求める。
Ｗ_ｅｔｃ＝Ｐ_ｉ−Ｐ_ｏ−Ｗ_ｃ・・・（７）

図１１にホール素子配置を示す。ホール素子配置θ_ｈは電気角度で表す。実験機であるＴｙｐｅIのモータは、ホール素子配置が図１１（ａ）に示すθ_ｈ＝０°であり、実指令進角値δ＝１７°の固定進角である。このＴｙｐｅIのモータは、進角固定時のホール素子の検出誤差を評価するために使用する。

４．実験・解析結果の評価
［無負荷誘起電圧］
無負荷誘起電圧を比較し、磁石磁束の解析精度を確認する。図１２に解析結果と測定結果を示す。波形はよく一致し十分な精度である。

［ホール素子の検出誤差］
ホール素子Ｈ_ｗにおける検出誤差を解析した。図１３に磁束密度解析結果を示す。波形はそれぞれホール素子の磁束密度のＺ方向成分を表している。（ａ）Ｂ_ｍｚは磁石磁束のみ、（ｂ）Ｂ_Ｈｚは負荷時（１５８０ｒｐｍ，０．３８４Ｎｍ）、（ｃ）Ｂ_ａｚは負荷時の電機子コイルのみ、（ｄ）Ｂ_ｍｚ＋Ｂ_ａｚは磁石磁束と電機子コイルを足したものである。Ｂ_ａｚの電機子コイルのみの波形は、負荷時の電流波形を取り出し、磁石部を空気に置き換えた解析モデルのコイル電流として入力し計算した結果である。電気角９０°と２７０°付近に着目するとＢ_ｍｚに対しＢ_Ｈｚは位相が遅れている。Ｂ_ＨｚはＢ_ｍｚとＢ_ａｚを足した波形にほぼ一致し、電機子コイルの磁束によって位相が遅れていることが分かる。

前記図１３の（ｂ）の磁束密度Ｂ_Ｈｚより換算したホール素子出力電圧波形を図１４に示す。ここで、ホール素子とコントーラの特性よりＫ_Ｈ＝１．６０４［ｍＶ／ｍＴ］、Ｖ_Ｈ＝１０．５［ｍＶ］とした。その結果、Δθ_０＝７．６°、Δθ_Ｌ＝１６．８°となり、実指令進角値δ＝１７°であるＴＹＰＥ１のモータのホール素子には、負荷時にはΔθ_Ｌの誤差が加わるため、実駆動進角値δ’＝０．２°となる。

図１５に相電流波形を示す。実験機で測定した波形に対して、従来のように誤差を考慮せず実駆動進角値を１７°とした場合の解析結果は波形がずれている。他方、本発明による進角シミュレーションで得られた実駆動進角値δ’＝０．２°に基づく解析の波形は、実験機で測定した波形と良く一致している。実効値を比較すると実験機（０．３９０Ａ）、実駆動進角値＝１７°（０．３６０Ａ）、実駆動進角値＝０．２°（０．３８７Ａ）となり、本発明による進角シミュレーションで得られた実駆動進角値δ’＝０．２°を用いた解析結果は、電機子コイルを流れる電流の実効値とも良く一致し、本発明による進角シミュレーションにより進角値が適切に修正されていることが分かる。

以上のように、本実施例の進角シミュレーションによれば、（１）誤動作を防止するためのヒステリシス回路による位置検知誤差、及び（２）電機子磁束の影響による位置検知誤差が存在することを考慮し、このうち、負荷トルクの増減による電機子磁束の影響による位置検知誤差が収束するまで３次元磁界解析処理を繰り返して、収束した位置検知誤差を演算して進角値を得るようにしたので、最適な進角値をコンピュータ上でシミュレートすることが可能となる。これにより、複数の実機を製作して実験を繰り返し行わなくとも最適な進角値が決定できるようになるため、設計コストが大幅に縮減可能となる。

（Ｓ５０１）〜（Ｓ５０６）…図５の各ステップ、（Ｓ９０１）〜（Ｓ９１４）…図９の各ステップ、（Ｓ２２０１）〜（Ｓ２２０６）…図１７の各ステップ。

Claims

巻線が巻回された固定子と、磁石を有する回転子と、前記回転子の位置を前記磁石の磁束密度を測定することにより検出する位置検出手段とを具備したモータに関して、前記固定子巻線への通電タイミングを制御する進角値を含む制御パラメータと、前記モータの形状を特定する形状パラメータと、前記磁石の磁束密度を含む磁気特性パラメータと、前記回転子の回転数を含むモータの運転状態パラメータとを入力してコンピュータで３次元磁界解析処理を行うことで、磁束密度およびモータ効率をシミュレーションするシミュレーション方法であって、
前記各パラメータを入力する入力手順と、
入力された前記各パラメータに基づいてコンピュータで前記３次元磁界解析処理を行って、前記３次元磁界解析処理結果として少なくとも前記位置検出手段で検出されるべき磁束密度を得る３次元磁界解析処理手順と、
前記位置検出手段で検出されるべき磁束密度に基づいて、前記位置検出手段で検出されるべき前記磁石の磁束密度に基づく前記回転子の位置検知信号の、前記固定子からの磁束の影響による位置検知誤差を演算する位置検知誤差演算手順と、
前記位置検知誤差を前記進角値に加えて、前記３次元磁界解析処理手順及び前記位置検知誤差演算手順とを繰り返し、位置検知誤差が収束するか否かを判定する収束判定手順
とによって得られた収束した位置検知誤差を前記進角値に加えた進角値および同進角値に基づくモータ効率をシミュレーションすることを特徴とする進角シミュレーション方法。
巻線が巻回された固定子と、磁石を有する回転子と、前記回転子の位置を前記磁石の磁束密度を測定することにより検出する位置検出手段とを具備したモータに関して、前記固定子巻線への通電タイミングを制御する進角値を含む制御パラメータと、前記モータの形状を特定する形状パラメータと、前記磁石の磁束密度を含む磁気特性パラメータと、前記回転子の回転数を含むモータの運転状態パラメータとを入力してコンピュータで３次元磁界解析処理を行うことで、３次元磁界解析処理結果として磁束密度およびモータ効率をシミュレーションするシミュレーションプログラムであって、
ＣＰＵ、メモリ、外部記憶装置、及び、入力装置を具備したコンピュータにおいて、
前記入力装置によって入力された前記各パラメータを外部記憶装置に記録する入力手順と、
入力された前記パラメータに基づいて前記ＣＰＵで前記３次元磁界解析処理を行って前記３次元磁界解析処理結果として少なくとも前記位置検出手段で検出されるべき磁束密度を得て前記メモリに記憶する３次元磁界解析処理手順と、
前記位置検出手段で検出されるべき磁束密度に基づいて、前記位置検出手段で検出されるべき前記回転子からの磁束密度に基づく前記回転子の位置検知信号の、前記固定子からの磁束の影響による位置検知誤差を前記ＣＰＵで演算して前記メモリに記憶する位置検知誤差演算手順と、
前記位置検知誤差を前記進角値に加えて前記３次元磁界解析処理手順及び前記位置検知誤差演算手順とを繰り返し、位置検知誤差が収束するか否かを前記ＣＰＵで判定する収束判定手順とによって得られた収束した位置検知誤差を前記進角値に加えて前記ＣＰＵで演算して得た進角値および同進角値に基づくモータ効率をシミュレーション結果として前記メモリに記憶するようにしたことを特徴とする進角シミュレーションプログラム。