JP6939693B2

JP6939693B2 - パルスパターン生成装置

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Publication number: JP6939693B2
Application number: JP2018087750A
Authority: JP
Inventors: 和貴山根; 政道名和
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2018-04-27
Filing date: 2018-04-27
Publication date: 2021-09-22
Anticipated expiration: 2038-04-27
Also published as: US11327116B2; EP3787174A1; CN112042101B; CN112042101A; US20210239761A1; JP2019193544A; WO2019208409A1; EP3787174B1; EP3787174A4

Description

本発明は、パルスパターン生成装置に関する。

モータを駆動するためのインバータは、複数のスイッチング素子を備える。このスイッチング素子が、予め定められたパルスパターンでスイッチング制御されることで、直流電力が交流電力に変換される。パルスパターンは、評価関数に基づき定められている。評価関数は、モータの駆動時に生じる損失などを数値化したものである。

特許文献１に開示のインバータは、高調波電圧を評価関数としたパルスパターンによって制御されている。パルスパターンは、高調波電圧が最小となるように定められている。

特開２０１６−５３７８号公報

高調波電圧を小さくすると、モータの鉄損が小さくなる。したがって、特許文献１のパルスパターンでインバータを制御することで、モータの鉄損を小さくすることができる。しかしながら、特許文献１に開示のパルスパターンでは、銅損を小さくすることができない。

本発明の目的は、銅損を低減させるパルスパターンを生成できるパルスパターン生成装置を提供することにある。

上記課題を解決するパルスパターン生成装置は、モータを駆動するインバータが備える複数のスイッチング素子を制御するためのパルスパターンを生成するパルスパターン生成装置であって、前記モータの駆動時に加えられる電圧を、仮想的に前記モータのコイルに印加したときに前記コイルに流れる電流を算出する電流算出部と、前記電流算出部によって算出された前記電流から電流実効値を算出する電流実効値算出部と、前記モータのコアに起因する損失である鉄損を推定する鉄損推定部と、前記鉄損推定部によって推定された前記鉄損、及び、前記電流実効値算出部によって算出された前記電流実効値を評価項目とする評価関数から前記パルスパターンを生成するパターン生成部と、を備える。

電流実効値は、コイルに起因する損失である銅損に影響を及ぼし、電流実効値を小さくすることで銅損が小さくなる。電流実効値を含む評価関数からパルスパターンを生成することで、銅損を考慮したパルスパターンが生成されることになる。このパルスパターンでインバータのスイッチング素子がスイッチング制御されることで、銅損を低減させることができる。

上記パルスパターン生成装置について、前記評価関数は、以下の（１）式であってもよい。

ただし、ａ，ｂ：重み調整用係数、Ｉ_ｒｍｓ：電流実効値、Ｗ_i：鉄損である。

これによれば、電流実効値と鉄損の両方を低減させつつ、重み調整用係数により、いずれの評価項目を重視するかを選択できる。

本発明によれば、銅損を低減させるパルスパターンを生成できる。

モータ、及び、モータ駆動用のインバータを示すブロック図。ｄ，ｑ／ｕ，ｖ，ｗ変換回路の構成を示すブロック図。マップの一例を示す図。パルスパターン生成装置のブロック図。電流実効値を含まない評価関数によって生成されたパルスパターンでスイッチング素子をスイッチング制御したときのトルク波形を示す図。実施形態の評価関数によって生成されたパルスパターンでスイッチング素子をスイッチング制御したときのトルク波形を示す図。モータのトルクと、モータの回転数とに対応付けて、銅損が支配的な第１領域と鉄損が支配的な第２領域を示す模式図。

以下、パルスパターン生成装置の一実施形態について説明する。
図１に示すように、インバータ１０は、インバータ回路２０と、インバータ制御装置３０と、を備える。インバータ制御装置３０は、ドライブ回路３１と、制御部３２と、を備える。本実施形態のインバータ１０は、モータ６０を駆動するためのものである。

インバータ回路２０は、６つのスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６と、６つのダイオードＤ１〜Ｄ６と、を備える。スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６としては、ＩＧＢＴを用いている。正極母線Ｌｐと負極母線Ｌｎとの間に、ｕ相上アームを構成するスイッチング素子Ｑ１と、ｕ相下アームを構成するスイッチング素子Ｑ２が直列接続されている。正極母線Ｌｐと負極母線Ｌｎとの間に、ｖ相上アームを構成するスイッチング素子Ｑ３と、ｖ相下アームを構成するスイッチング素子Ｑ４が直列接続されている。正極母線Ｌｐと負極母線Ｌｎとの間に、ｗ相上アームを構成するスイッチング素子Ｑ５と、ｗ相下アームを構成するスイッチング素子Ｑ６が直列接続されている。スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６にはダイオードＤ１〜Ｄ６が逆並列接続されている。正極母線Ｌｐ、負極母線Ｌｎには平滑コンデンサＣを介して直流電源としてのバッテリＢが接続されている。

スイッチング素子Ｑ１とスイッチング素子Ｑ２の間は、モータ６０のｕ相端子に接続されている。スイッチング素子Ｑ３とスイッチング素子Ｑ４の間は、モータ６０のｖ相端子に接続されている。スイッチング素子Ｑ５とスイッチング素子Ｑ６の間は、モータ６０のｗ相端子に接続されている。上下のアームを構成するスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６を有するインバータ回路２０は、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６のスイッチング動作に伴いバッテリＢの電圧である直流電圧を交流電圧に変換してモータ６０に供給することができるようになっている。モータ６０は、３つのコイルＵ，Ｖ，Ｗをスター結線したものである。モータ６０としては、誘導モータ、ＩＰＭモータ、ＳＰＭモータなど、どのような種類のモータを用いてもよい。

各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６のゲート端子にはドライブ回路３１が接続されている。ドライブ回路３１は、制御信号に基づいてインバータ回路２０のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６をスイッチング動作させる。

インバータ１０は、モータ６０の電気角θを検出する位置検出部６１と、モータ６０のｕ相電流Ｉｕを検出する電流センサ６２と、モータ６０のｖ相電流Ｉｖを検出する電流センサ６３と、電源電圧Ｖｄｃを検出する電圧センサ６４と、を備える。

制御部３２はマイクロコンピュータにより構成されている。制御部３２は、減算部３３と、トルク制御部３４と、トルク／電流指令値変換部３５と、減算部３６，３７と、電流制御部３８と、ｄ，ｑ／ｕ，ｖ，ｗ変換回路３９と、座標変換部４０と、速度演算部４１と、を備える。

速度演算部４１は、位置検出部６１により検出される電気角θから速度ωを演算する。減算部３３は、指令速度ω＊と速度演算部４１により演算された速度ωとの差分Δωを算出する。トルク制御部３４は、速度ωの差分Δωからトルク指令値Ｔ＊を演算する。

トルク／電流指令値変換部３５は、トルク指令値Ｔ＊を、ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊およびｑ軸電流指令値Ｉｑ＊に変換する。例えば、トルク／電流指令値変換部３５は、記憶部（図示略）に予め記憶される目標トルクとｄ軸電流指令値Ｉｄ＊およびｑ軸電流指令値Ｉｑ＊とが対応付けられたテーブルを用いてトルク／電流指令値変換を行う。

座標変換部４０は、電流センサ６２，６３によるｕ相電流Ｉｕおよびｖ相電流Ｉｖからモータ６０のｗ相電流Ｉｗを求め、位置検出部６１により検出される電気角θに基づいて、ｕ相電流Ｉｕ、ｖ相電流Ｉｖおよびｗ相電流Ｉｗをｄ軸電流Ｉｄおよびｑ軸電流Ｉｑに変換する。なお、ｄ軸電流Ｉｄはモータ６０に流れる電流において、界磁を発生させるための電流ベクトル成分であり、ｑ軸電流Ｉｑはモータ６０に流れる電流において、トルクを発生させるための電流ベクトル成分である。

減算部３６は、ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊とｄ軸電流Ｉｄとの差分ΔＩｄを算出する。減算部３７は、ｑ軸電流指令値Ｉｑ＊とｑ軸電流Ｉｑとの差分ΔＩｑを算出する。電流制御部３８は、差分ΔＩｄおよび差分ΔＩｑに基づいてｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊およびｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊を算出する。

ｄ，ｑ／ｕ，ｖ，ｗ変換回路３９は、電気角θと、ｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊と、ｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊と、電源電圧Ｖｄｃを入力して各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６の制御信号をドライブ回路３１に出力する。

図２に示すように、ｄ，ｑ／ｕ，ｖ，ｗ変換回路３９は、ｄ，ｑ／ｕ，ｖ，ｗ変換部５０と、変調率算出部５１と、パルスパターン決定部５２と、信号生成部５３と、を備える。

ｄ，ｑ／ｕ，ｖ，ｗ変換部５０は、角度情報（ロータの位置）である電気角θに基づいてｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊、及び、ｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊を、ｕ，ｖ，ｗ相の電圧指令値Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊に座標変換する。

変調率算出部５１は、電圧指令値Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊と、電源電圧Ｖｄｃに基づき、変調率Ｋｅｕ，Ｋｅｖ，Ｋｅｗを算出する。変調率算出部５１は、電圧指令値Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊を電源電圧Ｖｄｃで除算した値であり、電圧指令値（電圧振幅）Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊と電源電圧Ｖｄｃの比率である。

パルスパターン決定部５２は、電気角θと変調率Ｋｅｕ，Ｋｅｖ，Ｋｅｗに基づいて、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６のスイッチングパターンであるパルスパターンを決定する。パルスパターンは、マップＭとしてメモリなどの記憶部に記憶されている。パルスパターンは、電気角θと変調率Ｋｅｕ，Ｋｅｖ，Ｋｅｗに対応付けて設定されている。

図３に示すように、マップＭは、オン指示信号とオフ指示信号とのそれぞれが、電気角θ及び変調率Ｋｅｕ，Ｋｅｖ，Ｋｅｗに対応付けられた情報である。図３には、ｕ相の変調率Ｋｅｕと電気角θに対応付けられたマップＭの一例を示す。オン指示信号は、上アームスイッチング素子Ｑ１，Ｑ３，Ｑ５をオンし、下アームスイッチング素子Ｑ２，Ｑ４，Ｑ６をオフすることを指示する信号である。オフ指示信号は、上アームスイッチング素子Ｑ１，Ｑ３，Ｑ５をオフし、下アームスイッチング素子Ｑ２，Ｑ４，Ｑ６をオンすることを指示する信号である。

マップＭは、オン指示信号からオフ指示信号への切り替え、及び、オフ指示信号からオン指示信号への切り替えを指示する電気角θであるパルス角を示すものである。図３には、オン指示信号とオフ指示信号との切り替えを行うパルス角として、θ１，θ２，θ３，θ４，θ５，θ６を図示する。

なお、図３では、ｕ相のマップＭのうち電気角θが０°〜９０°までのマップＭを図示している。マップＭを電気角θが０°の位置で線対称にすると０°〜−９０°までのマップとなり、電気角θが−９０°〜９０°までのマップを点対称に反転させると９０°〜２７０°のマップとなる。ｖ相、ｗ相のマップＭは、ｕ相のマップＭに対して、電気角θが１２０°，２４０°ずれたものである。

信号生成部５３は、パルスパターン決定部５２で決定されたパルスパターンに基づき、制御信号を生成する。信号生成部５３は、パルスパターンに基づき、上アームスイッチング素子Ｑ１，Ｑ３，Ｑ５と下アームスイッチング素子Ｑ２，Ｑ４，Ｑ６のオン／オフを切り替える際のデッドタイムを設定するとともに、制御信号を生成する。これにより、インバータ１０のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６は、予め定められたパルスパターンでスイッチング制御されることになる。

次に、上記したパルスパターンを生成するパルスパターン生成装置について説明する。
図４に示すように、パルスパターン生成装置７０は、モータ６０のコイルに線間電圧を加える線間電圧印加部７１と、モータ６０のコイルに誘起電圧を加える誘起電圧印加部７２と、を備える。コイルは、線間電圧が加えられる２つのコイルであり、本実施形態では、ｕ相のコイルＵとｖ相のコイルＶの２つのコイルとする。パルスパターン生成装置７０は、モータ６０の駆動状況を模擬することで、パルスパターンを生成する装置である。

線間電圧印加部７１は、コイルＵ，Ｖに、モータ６０駆動時にコイルＵ，Ｖに加わる電圧である線間電圧を仮想的に印加する。誘起電圧印加部７２は、モータ６０駆動時に生じる誘起電圧をコイルＵ，Ｖに仮想的に印加する。線間電圧は、バッテリＢの電圧から定まる。誘起電圧は、解析や、実測などにより導出されている。例えば、磁界解析を用いて、モータ６０を回転させたときに発生する電圧を算出したり、モータ６０の端子をオシロスコープなどの測定器で測定することで誘起電圧を導出することができる。線間電圧をコイルＵ，Ｖに加えたときに流れる電流と、誘起電圧をコイルＵ，Ｖに加えたときに流れる電流とは、逆向きの電流となる。

パルスパターン生成装置７０は、線間電圧と、誘起電圧をＵ，Ｖに加えたときに流れる電流ｉを算出する電流算出部７３と、電流ｉから電流実効値を算出する電流実効値算出部７４と、を備える。電流算出部７３は、以下の（２）式から電流ｉを算出する。

ただし、ＬはコイルＵとコイルＶとの合成インダクタンス、ｉ_０は、時刻ｔ＝０のときにコイルＵ，Ｖに流れる電流である。

（２）式から把握できるように、電流ｉは、線間電圧に加えて、誘起電圧を考慮したものとなっている。電流ｉによる電流波形は、線間電圧と誘起電圧との大小関係により傾きが変化することになる。

電流実効値算出部７４は、電流算出部７３が算出した電流ｉにより得られる電流波形から電流実効値Ｉ_ｒｍｓを算出する。電流ｉは、誘起電圧を考慮したものとなっているため、誘起電圧を考慮していない電流波形に比べて、実際のモータ６０の駆動状況に近い電流波形を得ることができる。具体的にいえば、誘起電圧を考慮した場合、線間電圧が０［Ｖ］となるときは線間電圧＜誘起電圧となり、電流の傾きが負となる。これに対し、誘起電圧を考慮しない場合、誘起電圧に起因する電流が考慮されず、線間電圧が０［Ｖ］となるときに電流の値が維持される。即ち、傾きが０になる。このように、誘起電圧を考慮する場合と、考慮しない場合で、電流波形が異なるものになる。

パルスパターン生成装置７０は、鉄損を推定する鉄損推定部７５を備える。鉄損推定部７５は、モータ６０のコア、即ち、ロータコア及びステータコアに起因する損失である鉄損Ｗ_iを推定する。鉄損Ｗ_iは、以下の（３）式から推定することができる。

ただし、Ｖ_ｎは高調波電圧、ｎは高調波次数である。

パルスパターン生成装置７０は、パターン生成部７６を備える。パターン生成部７６は、電流実効値Ｉ_ｒｍｓと鉄損Ｗ_iを評価項目とした評価関数からパルスパターンを生成する。評価関数は、評価項目を数値化したものであり、本実施形態の評価関数は、以下の（１）式である。

ただし、ａ，ｂは重み調整用係数、Ｉ_ｒｍｓは電流実効値、Ｗ_iは鉄損である。

重み調整用係数ａ，ｂは、任意の係数である。重み調整用係数ａ，ｂの値を設定することで、電流実効値Ｉ_ｒｍｓと、鉄損Ｗ_iのうち、いずれを重視して評価を行うかを任意に設定することができる。電流実効値Ｉ_ｒｍｓは、コイルＵ，Ｖ，Ｗに起因する損失である銅損に影響を及ぼし、電流実効値Ｉ_ｒｍｓを小さくすることで銅損が小さくなる。銅損に比べて鉄損Ｗ_iが大きいモータ６０であれば、鉄損Ｗ_iを小さくするために重み調整用係数ｂを大きくして、鉄損Ｗ_iを低減させる。鉄損Ｗ_iに比べて銅損が大きいモータ６０であれば、銅損を小さくするために重み調整用係数ａを大きくして、銅損を低減させる。このように、重み調整用係数ａ，ｂは、モータ６０の種類や、モータ６０特性に応じて設定される。

本実施形態の評価項目は、いずれも、モータ６０の損失に関するものである。したがって、評価関数が小さくなるパルスパターンほど、損失が低減されるパルスパターンであるといえる。パターン生成部７６は、評価関数の値が最小となるようにパルスパターンを生成する。これにより、パルスパターンのマップＭを得ることができる。

本実施形態の作用について説明する。
インバータ１０の各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６は、パルスパターン生成装置７０で生成されたパルスパターンでスイッチング制御される。このパルスパターンは、電流実効値Ｉ_ｒｍｓと鉄損Ｗ_iに基づく評価関数が最小になるように定められたパルスパターンである。このパルスパターンでスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６をスイッチング制御することで、電流実効値Ｉ_ｒｍｓ及び鉄損Ｗ_iの両方が小さくなるようにスイッチング動作が行われることになる。即ち、重み調整用係数ａ，ｂに基づき、銅損と鉄損Ｗ_iとの均衡を図りながら、両者を低減させることができる。

図５に示すように、電流実効値Ｉ_ｒｍｓを含まない評価関数から生成されたパルスパターンによってスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６のスイッチング制御を行うと、電流高調波が大きく、トルクリプルも大きくなる。

図６に示すように、本実施形態の評価関数から生成されたパルスパターンによってスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６のスイッチング制御を行うと、電流実効値Ｉ_ｒｍｓが小さくなることで、電流高調波が小さくなる。図６に示すトルク波形では、図５に示すトルク波形に比べてトルクリプルが小さくなっていることがわかる。

本実施形態の効果について説明する。
（１）パターン生成部７６は、電流実効値Ｉ_ｒｍｓと、鉄損Ｗ_iを評価項目とする評価関数を用いてパルスパターンを生成している。鉄損Ｗ_iに加えて、電流実効値Ｉ_ｒｍｓを含む評価関数からパルスパターンを生成することで、鉄損Ｗ_iだけでなく、銅損も考慮したパルスパターンが生成されることになる。このパルスパターンでインバータ１０のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６がスイッチング制御されることで、銅損を低減させることができる。

（２）評価関数は、電流実効値Ｉ_ｒｍｓと鉄損Ｗ_iの両方を評価項目としつつ、重み調整用係数ａ，ｂによりいずれを重視するかを選択できるものである。したがって、モータ６０に応じて、適したパルスパターンを生成することができる。

本実施形態は、以下のように変更して実施することができる。本実施形態及び以下の変形例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。
○重み調整用係数ａ，ｂは、モータ６０のトルクＴとモータ６０の回転数Ｎによって変更してもよい。図７に示すように、トルクＴと回転数Ｎにより規定されるＮＴ領域は、銅損が支配的になる第１領域Ａ１と、鉄損Ｗ_iが支配的になる第２領域Ａ２とに分けることができる。したがって、銅損が支配的になる第１領域Ａ１では、ａ・Ｉ_ｒｍｓ ^２＞ｂ・Ｗ_i ^２となるように重み調整用係数ａ，ｂを設定する。一方で、鉄損Ｗ_iが支配的になる第２領域Ａ２では、ａ・Ｉ_ｒｍｓ ^２＜ｂ・Ｗ_i ^２となるように重み調整用係数ａ，ｂを設定する。これにより、パターン生成部７６は、トルクＴと回転数Ｎに応じたパルスパターンを生成することができる。

○重み調整用係数ａ，ｂは、相電流に応じて変更してもよい。例えば、相電流に閾値を設定して、相電流が閾値以下の場合にはａ・Ｉ_ｒｍｓ ^２＜ｂ・Ｗ_i ^２となるように重み調整用係数ａ，ｂを設定する。また、相電流が閾値より大きい場合にはａ・Ｉ_ｒｍｓ ^２＞ｂ・Ｗ_i ^２となるように重み調整用係数ａ，ｂを設定する。閾値としては、銅損と鉄損Ｗ_iとの大小関係が判定する値などを用いる。これにより、パターン生成部７６は、相電流に応じたパルスパターンを生成することができる。

○以下の（４）式のように、評価関数の評価項目は追加してもよい。

ｃは重み調整用係数であり、ｘは任意の評価項目である。ｘとしては、例えば、モータ６０（コイルＵ，Ｖ，Ｗ）の中性点電位や、伝導ノイズが挙げられる。このように、評価関数としては、少なくとも、電流実効値Ｉ_ｒｍｓと鉄損Ｗ_iとを含んでいればよい。

○評価関数としては、（１）式に限られず、鉄損Ｗ_iと電流実効値Ｉ_ｒｍｓを評価項目として含んでいれば、どのような式でもよい。
○電流実効値Ｉ_ｒｍｓは、誘起電圧を考慮せず、線間電圧をコイルＵ，Ｖに加えたときに流れる電流から求められたものでもよい。この場合、モータ６０としては、誘導モータを用いることが好ましい。

○パルスパターン生成装置７０は、インバータ１０に搭載されていてもよい。この場合、コイルＵ，Ｖの劣化具合を検出できる検出部や、コイルＵ，Ｖの劣化具合を推定できる推定部を設けることで、パルスパターンの生成に用いられるコイルＵ，Ｖのインダクタンスを補正する。これにより、コイルＵ，Ｖの劣化具合を考慮したパルスパターンを生成することができる。パルスパターンをコイルＵ，Ｖの劣化具合に応じて更新していくことで、インバータ１０に適したパルスパターンによりスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６のスイッチング制御を行うことができる。

○パターン生成部７６は、評価関数が最小となるパルスパターンに限られず、任意の電流波形を出力できるパルスパターンなどを生成するようにしてもよい。
○鉄損推定部７５は、（３）式とは異なる式から鉄損Ｗ_iを推定してもよい。

○変調率は、１相分のみ算出されていてもよい。この場合、１相分の変調率を３相共通の変調率として制御が行われる。
○パルスパターン生成装置７０は、３つのコイルＵ，Ｖ，Ｗをデルタ結線した三相交流モータを駆動する際のパルスパターンを生成してもよい。この場合、電流算出部７３は、１相分のコイルに相電圧及び誘起電圧を加えたときに流れる電流（相電流）を算出する。そして、この電流から得られた電流実効値からパターン生成部７６はパルスパターンを生成する。

Ｑ１〜Ｑ６…スイッチング素子、Ｕ，Ｖ，Ｗ…コイル、１０…インバータ、６０…モータ、７０…パルスパターン生成装置、７１…線間電圧印加部、７３…電流算出部、７４…電流実効値算出部、７５…鉄損推定部、７６…パターン生成部。

Claims

モータを駆動するインバータが備える複数のスイッチング素子を制御するためのパルスパターンを生成するパルスパターン生成装置であって、
前記モータの駆動時に加えられる電圧を、仮想的に前記モータのコイルに印加したときに前記コイルに流れる電流を算出する電流算出部と、
前記電流算出部によって算出された前記電流から電流実効値を算出する電流実効値算出部と、
前記モータのコアに起因する損失である鉄損を推定する鉄損推定部と、
前記鉄損推定部によって推定された前記鉄損、及び、前記電流実効値算出部によって算出された前記電流実効値を評価項目とする評価関数から前記パルスパターンを生成するパターン生成部と、を備えるパルスパターン生成装置。
前記評価関数は、以下の（１）式である請求項１に記載のパルスパターン生成装置。

ただし、ａ，ｂ：重み調整用係数、Ｉ_ｒｍｓ：電流実効値、Ｗ_i：鉄損である。