JP6993595B2 - モータ駆動装置 - Google Patents

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Description

本開示は、モータ駆動装置および試料片に関する。
一般に、モータは、モータに駆動電流を供給する給電部と、上記給電部を制御する制御部とを備えるモータ駆動装置によって駆動される。特許文献1には、温度データに基づいて、駆動電流を供給中のモータの損失を推定し、当該損失に基づいて、モータの冷却装置を制御する技術が開示されている。
特開2017-112649号公報
ところで、駆動電流を供給中のモータの鉄損を、モータの駆動電流に反映させたいという要望がある。
本開示の目的は、駆動電流を供給中のモータの鉄損を、モータの駆動電流に反映させることにある。
本開示の第1の態様は、モータ(20)に駆動電流を供給する給電部(30)と、上記給電部(30)を制御する制御部(110)とを備えるモータ駆動装置であって、上記駆動電流を供給中の上記モータ(20)の鉄損に対応する鉄損を測定する測定部(100)をさらに備え、上記制御部(110)は、上記測定部(100)によって測定された鉄損に基づいて上記給電部(30)を制御することを特徴とする。
第1の態様では、駆動電流を供給中のモータ(20)の鉄損に対応する鉄損に基づいて、給電部(30)が制御されるので、駆動電流を供給中のモータ(20)の鉄損を、モータ(20)の駆動電流に反映できる。
本開示の第2の態様は、上記第1の態様において、軟磁性材料を含む試料片(41~44)と、上記試料片(41~44)を励磁する励磁部(30,120,130)とを備え、上記励磁部(30,120,130)は、上記駆動電流を供給中の上記モータ(20)の磁気回路中の軟磁性材料を含む所定部位における磁束密度および磁界強度の時間変化を模擬するように、上記試料片(41~44)を励磁し、上記測定部(100)によって測定される鉄損は、上記励磁部(30,120,130)によって励磁された上記試料片(41~44)で生じる鉄損であることを特徴とする。
第2の態様では、試料片(41~44)で生じる鉄損を直接的に求め、当該鉄損に基づいて、給電部(30)を制御する。このため、駆動電流を供給中のモータ(20)の鉄損を、モータ(20)の駆動電流に精度良く反映できる。
本開示の第3の態様は、上記第2の態様において、上記制御部(110)は、上記測定部(100)で測定された鉄損に基づいて上記モータ(20)の鉄損を導出する導出部(111)を備えることを特徴とする。
第3の態様では、試料片(41~44)で生じる鉄損を直接的に求め、当該鉄損に基づいて、モータ(20)の鉄損を導出する。このため、モータ(20)の鉄損を精度よく求めることができる。
本開示の第4の態様は、上記第3の態様において、上記導出部(111)は、上記試料片(41~44)の鉄損と、該試料片(41~44)の重量と、上記モータ(20)の磁気回路中の軟磁性材料を含む所定部位の重量とに基づいて上記モータ(20)の鉄損を導出するものであることを特徴とする。
第4の態様では、モータ(20)の鉄損をより一層精度よく求めることができる。
本開示の第5の態様は、上記第2~第4の態様のいずれか1つにおいて、上記モータ(20)の上記磁気回路中の上記所定部位は、上記モータ(20)の固定子(21)のバックヨーク部(22a)およびティース部(22b)を含むことを特徴とする。
第5の態様では、試料片(41,42)で生じる鉄損に基づいて、モータ(20)の固定子(21)のバックヨーク部(22a)およびティース部(22b)の鉄損を精度よく求めることができる。
本開示の第6の態様は、上記第2~第5の態様のいずれか1つにおいて、上記試料片(41~43)に巻回された巻線(51~53)をさらに備え、上記励磁部(30)は、上記試料片(41~43)の巻線(51~53)に電流を流すことで上記試料片(41~43)を励磁することを特徴とする。
第6の態様では、試料片(41~43)の巻線(51~53)に電流が流れることで、当該試料片(41~43)が直接的に励磁される。
本開示の第7の態様は、上記第6の態様において、上記試料片(41~43)の巻線(51~53)は、上記モータ(20)の巻線(23)に対して並列に接続されており、上記励磁部(30)は、上記給電部(30)であることを特徴とする。
本開示の第8の態様は、上記第6の態様において、上記試料片(41~43)の巻線(51~53)は、上記モータ(20)の巻線(23)に対して直列に接続されており、上記励磁部(30)は、上記給電部(30)であることを特徴とする。
本開示の第9の態様は、上記第6の態様において、上記試料片(43)の巻線(51)は、該試料片(43)の巻線(51)に電流を流すための電源装置(120)に接続されており、上記励磁部(120)は、上記電源装置(120)であり、上記電源装置(120)は、上記給電部(30)とは異なることを特徴とする。
第9の態様では、電源装置(30)によって試料片(43)の巻線(51)に電流が流れる。
本開示の第10の態様は、上記第7~第9の態様のいずれか1つにおいて、上記励磁部(30)は、上記試料片(41~44)の巻線(51~53)の少なくとも一部に、上記モータ(20)の相電圧に対応する電圧を印加することを特徴とする。
第10の態様では、モータの固定子(21)のティース部(22b)を試料片(41,42)で模擬することができる。
本開示の第11の態様は、上記第7~第10の態様のいずれか1つにおいて、上記励磁部(30)は、上記試料片(41~44)の巻線(51~53)の少なくとも一部に、上記モータ(20)の線間電圧に対応する電圧を印加することを特徴とする。
第11の態様では、モータの固定子(21)のバックヨーク部(22a)を試料片(41,42)で模擬することができる。
本開示の第12の態様は、上記第6~第11の態様のいずれか1つにおいて、上記測定部(100)は、上記試料片(41~44)の巻線(51~53)における消費電力と、該試料片(41~44)の巻線(51~53)における銅損とに基づいて上記試料片(41~44)の鉄損を測定することを特徴とする。
第12の態様では、試料片(41~44)の巻線(51~53)における消費電力および銅損に基づいて、当該試料片(41~44)の鉄損を測定することができる。
本開示の第13の態様は、上記第2~第12の態様のいずれか1つにおいて、上記励磁部(30,120,130)は、上記モータ(20)の上記磁気回路中の上記所定部位で磁気飽和が生じると推定される条件が成立する場合、該条件が成立しない場合に比べて、上記駆動電流に対する上記試料片(41~44)を励磁するための電圧または電流の比率を大きくすることを特徴とする。
第13の態様では、モータ(20)の磁気回路中の所定部位で磁気飽和が生じることを想定する場合でも、試料片(41~44)で当該所定部位を高精度に模擬することができる。よって、そのような場合でも、モータ(20)の鉄損を精度よく駆動電流に反映できる。
本開示の第14の態様は、上記第2~第13の態様のいずれか1つにおいて、上記励磁部(30,120,130)は、弱め磁束制御を行うための上記駆動電流を上記モータ(20)に入力するときの上記時間変化を上記試料片(41~44)で模擬する場合、それ以外の場合に比べて、上記駆動電流に対する上記試料片(41~44)を励磁するための電圧または電流の比率を小さくすることを特徴とする。
第14の態様では、モータ(20)で弱め磁束制御を行うことを想定する場合でも、モータ(20)の磁気回路中の所定部位を試料片(41~44)で高精度に模擬することができる。よって、そのような場合でも、モータ(20)の鉄損を精度よく駆動電流に反映できる。
本開示の第15の態様は、上記第2~第14の態様のいずれか1つにおいて、上記駆動電流の包絡線、上記モータ(20)の線間電圧の包絡線、上記モータ(20)の入力電力、上記モータ(20)のトルク、および上記モータ(20)の回転速度の少なくとも1つが、周期的に脈動することを特徴とする。
第15の態様では、駆動電流の包絡線(90)、モータ(20)の線間電圧の包絡線、モータ(20)の入力電力、モータ(20)のトルク、およびモータ(20)の回転速度の少なくとも1つが周期的に脈動しても、モータ(20)の鉄損を精度よく駆動電流に反映できる。
本開示の第16の態様は、上記第2~第5の態様のいずれか1つにおいて、上記励磁部(80)は、磁場を発生することにより上記試料片(44)を励磁する磁場発生装置であることを特徴とする。
第16の態様では、試料片(44)が励磁される。
本開示の第17の態様は、上記第2~第16の態様のいずれか1つにおいて、上記測定部(100)は、上記試料片(41~44)における磁束密度および磁界強度の時間変化に基づいて上記試料片(41~44)の鉄損を測定することを特徴とする。
第17の態様では、試料片(41~44)における磁束密度および磁界強度の時間変化を測定することを通じて、当該試料片(41~44)の鉄損を測定することができる。
本開示の第18の態様は、上記第3~第17の態様のいずれか1つにおいて、上記導出部(111)は、上記駆動電流を供給中の上記モータ(20)の銅損をさらに導出し、上記制御部(110)は、上記導出部(111)によって導出された上記モータ(20)の鉄損及び銅損に基づいて上記給電部(30)を制御することを特徴とする。
第18の態様では、駆動電流を供給中のモータ(20)の銅損に対応する銅損に基づいて、給電部(30)が制御されるので、駆動電流を供給中のモータ(20)の銅損を、モータ(20)の駆動電流に反映できる。
本開示の第19の態様は、上記第2~第15の態様のいずれか1つのモータ駆動装置に用いられるリング状の試料片(41~43)を対象とする。
第19の態様では、リング状の試料片(41~43)を用いて駆動電流を供給中のモータ(20)の鉄損を、モータ(20)の駆動電流に反映できる。
図1は、実施形態1のモータ駆動装置の構成図である。 図2は、モータの一部を拡大して示す平面図である。 図3は、駆動電流の波形の一例を示すグラフである。 図4は、実施形態1のパラメータ制御動作のフローチャートである。 図5は、実施形態1のモータの鉄損を求める方法のフローチャートである。 図6は、実施形態1の変形例1のモータ駆動装置の構成図である。 図7は、実施形態1の変形例2のモータ駆動装置の構成図である。 図8は、実施形態2のモータ駆動装置の構成図である。 図9は、実施形態3のモータ駆動装置の構成図である。 図10は、実施形態4のモータ駆動装置の構成図である。 図11は、実施形態4のモータの鉄損を求める方法のフローチャートである。 図12は、実施形態5のモータ駆動装置の構成図である。
《実施形態1》
実施形態1について説明する。本実施形態1のモータ駆動装置(10)は、試料片(41,42)を用いてモータ(20)の鉄損を求める方法を実行するために用いられる。具体的に、本実施形態1のモータ駆動装置(10)は、モータ(20)の所定部位を試料片(41,42)で模擬することを通じて、モータ(20)の鉄損を求めるのに用いられる。
〈鉄損測定システムの構成〉
図1に示すように、モータ駆動装置(10)は、給電部及び励磁部としての電源装置(30)と、第1および第2試料片(41,42)と、第1および第2波形計測装置(61,62)と、測定部(100)と、制御部(110)とを備える。モータ駆動装置(10)は、モータ(20)に接続される。
図2に示すように、モータ(20)は、固定子(21)および回転子(24)を備える。固定子(21)は、軟磁性材料(例えば、電磁鋼板または圧粉磁心)で構成された固定子コア(22)を有する。固定子コア(22)は、バックヨーク部(22a)およびティース部(22b)を有する。ティース部(22b)には、この例では集中巻方式で巻線(23)が巻回される。なお、ティース部(22b)には、分布巻方式で巻線(23)が巻回されてもよい。回転子(24)は、軟磁性材料(例えば、電磁鋼板または圧粉磁心)で構成された回転子コア(25)と、回転子コア(25)に設けられた複数の永久磁石(26)とを有する。モータ(20)は、例えば埋込磁石型同期電動機である。バックヨーク部(22a)およびティース部(22b)は、それぞれモータ(20)の磁気回路中の軟磁性材料を含む所定部位に対応する。
ここで、モータ(20)の磁気回路とは、バックヨーク部(22a)、ティース部(22b)、エアギャップ、回転子(24)、エアギャップ、ティース部(22b)、およびバックヨーク部(22a)をこの記載順に磁束が循環して流れる閉回路である。
モータ(20)は、不図示の回転式圧縮機のケーシングに収容される。モータ(20)の回転子(24)は、駆動軸(図示せず)を介して圧縮機構(図示せず)に接続される。特にロータリ系の圧縮機構では、機械角1回転中にシリンダ数に対応して負荷が周期的に脈動するため、モータ(20)の出力(トルクまたは回転速度)も周期的に脈動する。なお、モータ(20)の負荷は、ロータリ系の圧縮機構に限らず、例えば、その他の回転式の圧縮機構であってもよいし、はずみ車であってもよい。
電源装置(30)は、モータ(20)に駆動電流(具体的には、モータ(20)を回転駆動するための電流であって、実測または解析により求められる)を供給する。電源装置(30)の入力側は、交流電源または商用電源を整流した直流電源(図示せず)に接続される。この例では、直流電源の直流リンク電圧は、例えば交流電源または商用電源の基本周波数の2分の1または6分の1の周波数で周期的に脈動し、それにより駆動電流も周期的に脈動する。また、モータ(20)が機械角で1回転する間に負荷が脈動し、それにより駆動電流も周期的に脈動する。電源装置(30)の出力側は、U相ケーブル(11)、V相ケーブル(12)、およびW相ケーブル(13)を介してモータ(20)に接続される。電源装置(30)は、例えば、非同期型または同期型の三相電圧型PWMインバータである。
ここで、駆動電流の波形の一例を図3に示す。同図では、破線がU相電流を示し、一点鎖線がV相電流を示し、かつ二点鎖線がW相電流を示す。同図より、実線で示す駆動電流の包絡線(90)が周期的に脈動していることがわかる。同様に、モータ(20)の線間電圧の包絡線およびモータ(20)の入力電力の少なくとも一方が周期的に脈動してもよい。
第1試料片(41)は、軟磁性材料(例えば、電磁鋼板または圧粉磁心)で構成されたリング状の試料片である。第1試料片(41)は、軟磁性材料を略環状に形成した試料片である。第1試料片(41)は、軟磁性材料により閉磁路が形成された試料片である。第1試料片(41)の磁路断面積は、全周にわたって実質的に一定である。第1試料片(41)のインピーダンスは、モータ(20)のインピーダンスの10倍以上であることが好ましく、100倍以上であることがさらに好ましい。第1試料片(41)は、試料片に対応する。
第1試料片(41)を構成する軟磁性材料は、モータ(20)の固定子コア(22)を構成する軟磁性材料と同じであることが好ましい。これにより、モータ(20)の鉄損をより一層精度よく求めることができる。第1試料片(41)を構成する軟磁性材料は、モータ(20)の固定子コア(22)を構成する軟磁性材料と異なってもよい。この場合、入力される電力の基本周波数に対する両軟磁性材料の鉄損が、互いに等しいまたは略等しいことが好ましい。
第1試料片(41)には、第1一次巻線(51)が巻回される。第1一次巻線(51)は、モータ(20)の巻線(23)に対して並列に接続される。第1一次巻線(51)の一端は、モータ(20)の内部で、モータ(20)のU相に接続される。第1一次巻線(51)の他端は、モータ(20)の内部で、モータ(20)のV相に接続される。第1一次巻線(51)には、モータ(20)の線間電圧(この例では、U-V線間電圧)に対応する電圧が印加される。第1一次巻線(51)の巻き数は、駆動電流が入力されるモータ(20)のバックヨーク部(22a)の点A(後述)における磁束密度の振幅と、第1試料片(41)における磁束密度の振幅とが実質的に等しくなるように設定される。第1一次巻線(51)は、試料片の巻線に対応する。第1試料片(41)には、第1二次巻線(54)も巻回される。第1二次巻線(54)は、第2波形計測装置(62)に接続される。
第2試料片(42)の構成は、第1試料片(41)のそれと同様であるので、詳しい説明を省略する。第2試料片(42)は、試料片に対応する。
第2試料片(42)を構成する軟磁性材料は、モータ(20)の固定子コア(22)を構成する軟磁性材料と同じであることが好ましい。これにより、モータ(20)の鉄損をより一層精度よく求めることができる。第2試料片(42)を構成する軟磁性材料は、モータ(20)の固定子コア(22)を構成する軟磁性材料と異なってもよい。この場合、入力される電力の基本周波数に対する両軟磁性材料の鉄損が、互いに等しいまたは略等しいことが好ましい。
第2試料片(42)には、第2一次巻線(52)が巻回される。第2一次巻線(52)は、モータ(20)の巻線(23)に対して並列に接続される。第2一次巻線(52)の一端は、モータ(20)の内部で、モータ(20)のU相に接続される。第2一次巻線(52)の他端は、モータ(20)の内部で、モータ(20)の中性点に接続される。第2一次巻線(52)には、モータ(20)の相電圧(この例では、U相電圧)に対応する電圧が印加される。第2一次巻線(52)の巻き数は、駆動電流が入力されるモータ(20)のティース部(22b)の点B(後述)における磁束密度の振幅と、第2試料片(42)における磁束密度の振幅とが実質的に等しくなるように設定される。第2一次巻線(52)は、試料片の巻線に対応する。第2試料片(42)には、第2二次巻線(55)も巻回される。第2二次巻線(55)は、第2波形計測装置(62)に接続される。
第1波形計測装置(61)は、第1および第2試料片(41,42)の一次側に設けられる。第1波形計測装置(61)は、第1および第2一次巻線(51,52)の電流(換言すると、一次電流)の時間変化を計測する。第1波形計測装置(61)は、例えばオシロスコープ、パワーメータ、または電流検出器である。
第2波形計測装置(62)は、第1および第2試料片(41,42)の二次側に設けられる。第2波形計測装置(62)は、第1および第2二次巻線(54,55)の電圧(換言すると、二次電圧)の時間変化を計測する。第2波形計測装置(62)は、例えばオシロスコープまたは電圧検出器である。
測定部(100)は、第1波形計測装置(61)によって計測された第1及び第2一次巻線(51,52)の電流の時間変化と、第2波形計測装置(62)によって計測された第1及び第2二次巻線(54,55)の電圧の時間変化とに基づいて、第1及び第2試料片(41,42)の各々における磁束密度および磁界強度の時間変化を求める。そして、これら第1及び第2試料片(41,42)における磁束密度および磁界強度の時間変化に基づいて、第1及び第2試料片(41,42)で生じる鉄損を求める。
制御部(110)は、測定部(100)によって測定された第1及び第2試料片(41,42)で生じる鉄損に基づいて、電源装置(30)を制御する。制御部(110)は、モータ(20)の鉄損及び銅損を導出する導出部(111)を備える。制御部(110)は、導出部(111)によって導出したモータ(20)の鉄損及び銅損に基づいて電源装置(30)を制御する。
測定部(100)及び制御部(110)は、モータ(20)の制御に関するパラメータの最適値を特定し、当該最適値を用いてモータ(20)を駆動するパラメータ制御動作を実行する。当該パラメータ制御動作により、例えば、電源装置(30)に入力される直流リンク電圧、モータ(20)の電流位相、電源装置(30)をPWM制御する場合のキャリア周波数等のパラメータを特定できる。測定部(100)及び制御部(110)の機能は、共通のモータ駆動用のマイクロコンピュータによって実現される。
〈パラメータ制御動作〉
パラメータ制御動作について、図4のフローチャートを参照して説明する。
まず、S101では、制御部(110)が、パラメータを所定の初期値に設定し、S102の処理に進む。
S102では、制御部(110)が、電源装置(30)にモータ(20)への駆動電流の供給を行わせる。この状態で、測定部(100)が、第1及び第2試料片(41,42)の鉄損を測定する。また、制御部(110)が、測定部(100)によって測定された第1及び第2試料片(41,42)の鉄損に基づいて、モータ(20)の鉄損及び銅損を導出する。そして、制御部(110)は、これらモータ(20)の鉄損及び銅損の和を全損失として算出する。ここで、制御部(110)は、鉄損、銅損、及び全損失として、機械角1周期分の平均値を算出する。なお、本実施形態1では、制御部(110)は、鉄損、銅損、及び全損失として、機械角1周期分の平均値を算出するが、電気角1周期分の平均値、又は時間積分値を算出するようにしてもよい。モータ(20)の鉄損の詳細な導出方法については後述する。モータ(20)の銅損は、モータ(20)の電流及び抵抗に基づいて導出する。モータ(20)の電流は、図示しない電流計測装置によって計測される。
S103では、制御部(110)が、パラメータの全ての値について、損失計算、すなわちS102の処理を終了したか否かを判定する。終了していない場合には、S104に進む一方、終了している場合には、S105に進む。
S104では、制御部(110)が、パラメータの値を変更する。
S105では、制御部(110)が、パラメータの全ての値のうち、S102において算出された全損失が最も小さい値を、パラメータの最適値として選択する。最適値の選択には、例えば、山登り法が用いられる。
S106では、制御部(110)が、S105で選択した最適値にパラメータを設定して電源装置(30)の制御によりモータ(20)を駆動する。このように、パラメータを、全損失が最も小さい値に設定してモータ(20)を駆動できるので、効率良くモータ(20)を駆動できる。
〈モータの鉄損及び銅損を求める方法〉
上記のパラメータ制御動作のS102において、測定部(100)及び制御部(110)が、第1および第2試料片(41,42)を用いてモータ(20)の鉄損を求める方法について、図5のフローチャートを参照して説明する。
まず、励磁ステップでは、制御部(110)が、電源装置(30)にモータ(20)への駆動電流の供給を行わせる。これにより、電源装置(30)が、モータ(20)に駆動電流を入力し、モータ(20)を回転駆動する。つまり、電源装置(30)は、第1試料片(41)の第1一次巻線(51)に電流を流すことで、第1試料片(41)を、駆動電流を供給中のモータ(20)のバックヨーク部(22a)における磁束密度および磁界強度の時間変化を模擬するように励磁する。一方、電源装置(30)は、第2試料片(42)の第2一次巻線(52)にも電流を流すことで、第2試料片(42)を、モータ(20)のティース部(22b)における磁束密度および磁界強度の時間変化を模擬するように励磁する。
具体的に、第1試料片(41)は、モータ(20)のバックヨーク部(22a)の点A(図2を参照)における磁束密度および磁界強度の時間変化を模擬するように励磁される。点Aは、バックヨーク部(22a)における径方向の中間点であり、かつ隣り合うティース部(22b)の間の周方向の中間点である。点Aは、バックヨーク部(22a)の断面において磁束集中または回転磁界が発生しない点として、バックヨーク部(22a)における磁束密度の時間変化を模擬するのに適する。点Aは、磁束密度の時間変化を模擬する点(この例では、点A)に対応する磁路断面積と同じ磁路断面積を有する断面におけるヨーク幅の中心点として、バックヨーク部(22a)における磁界強度の時間変化を模擬するのに適する。なお、第1試料片(41)で模擬する部位は、点Aに限らない。
また、第2試料片(42)は、駆動電流を供給中のモータ(20)のティース部(22b)の点B(図2を参照)における磁束密度および磁界強度の時間変化を模擬するように励磁される。点Bは、ティース部(22b)における幅方向(周方向)および長手方向(径方向)の中間点である。点Bは、ティース部(22b)の断面において磁束集中または回転磁界が発生しない点として、ティース部(22b)における磁束密度の時間変化を模擬するのに適する。点Bは、磁束密度の時間変化を模擬する点(この例では、点B)に対応する磁路断面積と同じ磁路断面積を有する断面におけるティース幅の中心点として、ティース部(22b)における磁界強度の時間変化を模擬するのに適する。なお、第2試料片(42)で模擬する部位は、点Bに限らない。続けて、測定ステップに進む。
測定ステップでは、測定部(100)が、第1試料片(41)および第2試料片(42)の各々における磁束密度および磁界強度の時間変化に基づいて、当該第1試料片(41)および第2試料片(42)の各々で生じる鉄損を測定する。第1試料片(41)および第2試料片(42)の各々で生じる鉄損は、モータ(20)の鉄損に対応する鉄損である。
具体的に、測定部(100)は、第2波形計測装置(62)で計測される第1二次巻線(54)および第2二次巻線(55)の各々の電圧に基づいて、B=∫Vdt/nS(B:磁束密度、V:電圧、n:巻線の巻き数、S:試料片の磁路断面積)の関係から、第1試料片(41)および第2試料片(42)の各々における磁束密度の時間変化を求める。また、測定部(100)は、第1波形計測装置(61)で計測される第1一次巻線(51)および第2一次巻線(52)の各々の電流に基づいて、H=ni/2πr(H:磁界強度、n:巻線の巻き数、i:電流、2πr:試料片の平均磁路長、r:試料片の外径と内径の平均値)の関係から、第1試料片(41)および第2試料片(42)の各々における磁界強度の時間変化を求める。なお、当該磁界強度の時間変化は、第1試料片(41)および第2試料片(42)の各々に配置されたHコイルで測定する電圧に基づいて、H=∫Vdt/A(H:磁界強度、V:電圧、A:エリアターン)の関係から求めてもよい。そして、測定部(100)は、求めた磁束密度および磁界強度の時間変化に基づいて、第1試料片(41)および第2試料片(42)の各々で生じる鉄損を求める。ここで、複数の周期(一例として、図3にP1~P3の3つの周期を示す)の各々の鉄損を求め、その平均値を算出することで第1試料片(41)および第2試料片(42)の各々で生じる鉄損を求めてもよい。続けて、導出ステップに進む。
導出ステップでは、制御部(110)の導出部(111)が、第1試料片(41)および第2試料片(42)の各々の鉄損に基づいて、モータ(20)の鉄損を導出する。
具体的に、導出部(111)は、第1試料片(41)の鉄損および重量に基づいて、第1試料片(41)の単位重量あたりの鉄損を求める。この単位重量あたりの鉄損と、モータ(20)のバックヨーク部(22a)の重量との積として、モータ(20)のバックヨーク部(22a)における鉄損を求める。同様に、導出部(111)は、第2試料片(42)の鉄損および重量に基づいて、第2試料片(42)の単位重量あたりの鉄損を求める。この単位重量あたりの鉄損と、モータ(20)のティース部(22b)の重量との積として、モータ(20)のティース部(22b)における鉄損を求める。そして、導出部(111)は、モータ(20)のバックヨーク部(22a)の鉄損と、モータ(20)のティース部(22b)の鉄損との和として、モータ(20)の鉄損を求める。
-実施形態1の効果-
本実施形態1のモータ駆動装置(10)は、駆動電流を供給中のモータ(20)の鉄損に対応する鉄損を測定する測定部(100)を備え、上記制御部(110)は、上記測定部(100)によって測定された鉄損に基づいて電源装置(30)を制御する。これにより、駆動電流を供給中のモータ(20)の鉄損に対応する鉄損に基づいて、電源装置(30)が制御されるので、駆動電流を供給中のモータ(20)の鉄損を、モータ(20)の駆動電流に反映できる。
また、本実施形態1のモータ駆動装置(10)は、軟磁性材料を含む試料片(41,42)と、上記試料片(41,42)を励磁する電源装置(30)とを備え、上記電源装置(30)は、駆動電流を入力して上記モータ(20)を駆動するときの、該モータ(20)の磁気回路中の軟磁性材料を含む所定部位における磁束密度および磁界強度の時間変化を模擬するように、上記試料片(41,42)を励磁し、上記測定部(100)によって測定される鉄損は、上記電源装置(30)によって励磁された上記試料片(41,42)で生じる鉄損である。。ここでは、モータ駆動装置(10)は、試料片(41,42)で生じる鉄損を直接的に求め、当該鉄損に基づいて、電源装置(30)を制御する。このため、駆動電流を供給中のモータ(20)の鉄損を、モータ(20)の駆動電流に精度よく反映できる。
また、本実施形態1のモータ駆動装置(10)において、上記制御部(110)は、上記測定部(100)で測定された鉄損に基づいて上記モータ(20)の鉄損を導出する導出部(111)を備える。ここでは、モータ駆動装置(10)は、試料片(41,42)で生じる鉄損を直接的に求め、当該鉄損に基づいて、モータ(20)の鉄損を導出する。このため、モータ(20)の鉄損を精度よく求めることができる。
また、本実施形態1のモータ駆動装置(10)において、上記導出部(111)は、、上記試料片(41,42)の鉄損と、該試料片(41,42)の重量と、上記モータ(20)の磁気回路中の軟磁性材料を含む所定部位の重量とに基づいて上記モータ(20)の鉄損を導出する。ここでは、試料片(41,42)の重量と、モータ(20)の磁気回路中の所定部位の重量との比を考慮することで、試料片(41,42)の鉄損に基づいてモータ(20)の鉄損を求めることが考えられる。これにより、モータ(20)の鉄損をより一層精度よく求めることができる。
また、本実施形態1のモータ駆動装置(10)において、上記モータ(20)の上記磁気回路中の上記所定部位が、上記モータ(20)の固定子(21)のバックヨーク部(22a)およびティース部(22b)を含む。この方法では、モータ(20)の固定子(21)のバックヨーク部(22a)およびティース部(22b)における磁束密度および磁界強度の時間変化を模擬する試料片(41,42)で生じる鉄損を直接的に求める。そして、求めた試料片(41,42)の鉄損に基づいて、モータ(20)の固定子(21)のバックヨーク部(22a)およびティース部(22b)の鉄損を導出する。このため、モータ(20)固定子(21)のバックヨーク部(22a)およびティース部(22b)の鉄損を精度よく求めることができる。
また、本実施形態1のモータ駆動装置(10)において、上記試料片(41,42)に巻回された巻線(51,52)をさらに備え、上記電源装置(30)は、上記試料片(41,42)の巻線(51,52)に電流を流すことで上記試料片(41,42)を励磁する。ここでは、試料片(41,42)の巻線(51,52)に電流が流れることで、当該試料片(41,42)が直接的に励磁される。
また、本実施形態1のモータ駆動装置(10)において、上記試料片(41,42)の巻線(51,52)の少なくとも一部に、上記モータ(20)の相電圧に対応する電圧が印加される。これにより、モータ(20)の固定子(21)のティース部(22b)を試料片(41,42)で模擬することができる。
また、本実施形態1のモータ駆動装置(10)において、上記試料片(41,42)の巻線(51,52)の少なくとも一部に、上記モータ(20)の線間電圧に対応する電圧が印加される。ここでは、モータ(20)の固定子(21)のバックヨーク部(22a)を試料片(41,42)で模擬することができる。
また、本実施形態1のモータ駆動装置(10)において、上記駆動電流の包絡線(90)、上記モータ(20)の線間電圧の包絡線、上記モータ(20)の入力電力、上記モータ(20)のトルク、および上記モータ(20)の回転速度の少なくとも1つが、周期的に脈動する。ここでは、駆動電流の包絡線(90)、モータ(20)の線間電圧の包絡線、モータ(20)の入力電力、モータ(20)のトルク、およびモータ(20)の回転速度の少なくとも1つが周期的に脈動しても、モータ(20)の鉄損を精度よく求めることができる。なお、従来公知の方法では、そのような周期的な脈動を考慮してモータの鉄損を求めることは困難であった。
また、本実施形態1のモータ駆動装置(10)において、、上記測定部(100)は、上記試料片(41,42)における磁束密度および磁界強度の時間変化に基づいて上記試料片(41,42)の鉄損を測定する。ここでは、試料片(41,42)における磁束密度および磁界強度の時間変化を測定することを通じて、当該試料片(41,42)の鉄損を測定することができる。
また、本実施形態1では、電源装置(30)をインバータで構成した。ここで、従来は、インバータを用いて駆動されるモータ(20)の鉄損を測定することは困難であった。これに対し、本実施形態1では、インバータを用いてモータ(20)を駆動する場合に、モータ(20)の鉄損を精度よく求めることができる。特に、本実施形態1では、駆動周波数の変化に応じて電気角1周期内のスイッチング回数が変化する非同期型のインバータを用いてモータ(20)を駆動する場合(この場合、従来の方法では鉄損を精度よく求めるのが特に困難であった。)であっても、モータ(20)の鉄損を精度よく求めることができる。
また、本実施形態1のモータ駆動装置(10)において、上記導出部(111)は、上記駆動電流を供給中の上記モータ(20)の銅損をさらに導出し、上記制御部(110)は、上記導出部(111)によって導出された上記モータ(20)の鉄損及び銅損に基づいて上記電源装置(30)を制御する。これにより、駆動電流を供給中のモータ(20)の銅損に対応する銅損に基づいて、電源装置(30)が制御されるので、駆動電流を供給中のモータ(20)の銅損を、モータ(20)の駆動電流に反映できる。
-実施形態1の変形例1-
実施形態1の変形例1について説明する。本変形例1は、第1一次巻線(51)および第2一次巻線(52)の構成が上記実施形態1と異なる。以下、上記実施形態1と異なる点について主に説明する。
図6に示すように、第1一次巻線(51)の一端は、モータ(20)の外部で、モータ(20)のU相に接続される。第1一次巻線(51)の他端は、モータ(20)の外部で、モータ(20)のV相に接続される。第1一次巻線(51)には、モータ(20)の線間電圧(この例では、U-V線間電圧)に対応する電圧が印加される。第2一次巻線(52)の一端は、モータ(20)の外部で、モータ(20)のU相に接続される。第2一次巻線(52)の他端は、モータ(20)の内部で、モータ(20)の中性点に接続される。第2一次巻線(52)には、モータ(20)の相電圧(この例では、U相電圧)に対応する電圧が印加される。
-実施形態1の変形例2-
実施形態1の変形例2について説明する。本変形例2は、第1一次巻線(51)および第2一次巻線(52)の構成が上記実施形態1と異なり、かつ第3一次巻線(53)が設けられる。以下、上記実施形態1と異なる点について主に説明する。
図7に示すように、第1一次巻線(51)、第2一次巻線(52)、および第3一次巻線(53)が、1つの試料片(41)に巻回される。第1一次巻線(51)の一端は、モータ(20)の外部で、モータ(20)のU相に接続される。第1一次巻線(51)の他端は、モータ(20)の内部で、モータ(20)の中性点に接続される。第1一次巻線(51)には、モータ(20)の相電圧(この例では、U相電圧)に対応する電圧が印加される。第2一次巻線(52)の一端は、モータ(20)の外部で、モータ(20)のV相に接続される。第2一次巻線(52)の他端は、モータ(20)の内部で、モータ(20)の中性点に接続される。第2一次巻線(52)には、モータ(20)の相電圧(この例では、V相電圧)に対応する電圧が印加される。第3一次巻線(53)の一端は、モータ(20)の外部で、モータ(20)のW相に接続される。第3一次巻線(53)の他端は、モータ(20)の内部で、モータ(20)の中性点に接続される。第3一次巻線(53)には、モータ(20)の相電圧(この例では、W相電圧)に対応する電圧が印加される。第3一次巻線(53)は、試料片の巻線に対応する。試料片(41)には、二次巻線(54)も巻回される。二次巻線(54)は、第2波形計測装置(62)に接続される。
-実施形態1の変形例3-
実施形態1の変形例3について説明する。本変形例3は、第1一次巻線(51)および第2一次巻線(52)の構成が上記実施形態1と異なる。以下、上記実施形態1と異なる点について主に説明する。
図示を省略するが、第1一次巻線(51)および第2一次巻線(52)の両方が、1つの試料片(41)に巻回される。第1一次巻線(51)の一端は、モータ(20)の内部で、モータ(20)のU相に接続される。第1一次巻線(51)の他端は、モータ(20)の外部で、モータ(20)のV相に接続される。第1一次巻線(51)には、モータ(20)の線間電圧(この例では、U-V線間電圧)に対応する電圧が印加される。第2一次巻線(52)の一端は、モータ(20)の内部で、モータ(20)のW相に接続される。第2一次巻線(52)の他端は、モータ(20)の内部で、モータ(20)の中性点に接続される。第2一次巻線(52)には、モータ(20)の相電圧(この例では、W相電圧)に対応する電圧が印加される。
-実施形態1の変形例4-
実施形態1の変形例4について説明する。本変形例4は、第1~第3一次巻線(51~53)の各々の一端がモータ(20)の内部で接続される点で上記実施形態1の変形例2と異なる。以下、上記実施形態1の変形例2と異なる点について主に説明する。
図示を省略するが、第1一次巻線(51)の一端は、モータ(20)の内部で、モータ(20)のU相に接続される。第1一次巻線(51)の他端は、モータ(20)の内部で、モータ(20)の中性点に接続される。第1一次巻線(51)には、モータ(20)の相電圧(この例では、U相電圧)に対応する電圧が印加される。第2一次巻線(52)の一端は、モータ(20)の内部で、モータ(20)のV相に接続される。第2一次巻線(52)の他端は、モータ(20)の内部で、モータ(20)の中性点に接続される。第2一次巻線(52)には、モータ(20)の相電圧(この例では、V相電圧)に対応する電圧が印加される。第3一次巻線(53)の一端は、モータ(20)の内部で、モータ(20)のW相に接続される。第3一次巻線(53)の他端は、モータ(20)の内部で、モータ(20)の中性点に接続される。第3一次巻線(53)には、モータ(20)の相電圧(この例では、W相電圧)に対応する電圧が印加される。
《実施形態2》
実施形態2について説明する。本実施形態2は、試料片(41,42)に巻回される巻線の構成と、測定ステップの具体的内容とが上記実施形態1と異なる。以下、上記実施形態1と異なる点について主に説明する。
〈モータ駆動装置の構成〉
図8に示すように、本実施形態2のモータ駆動装置(10)は、第1波形計測装置(61)に代えて電力測定装置(70)を備える。電力測定装置(70)は、第1および第2試料片(41,42)の第1~第3一次巻線(51~53)における消費電力および銅損を測定するのに用いられる。電力測定装置(70)には、第1~第3一次巻線(51~53)が接続される。電力測定装置(70)は、例えばパワーメータである。
第1試料片(41)には、第1一次巻線(51)が巻回される。第1一次巻線(51)は、モータ(20)の巻線(23)に対して直列に接続される。第1一次巻線(51)は、モータ(20)の外部で、モータ(20)のU相に接続される。第1一次巻線(51)には、モータ(20)の相電圧(この例では、U相電圧)に対応する電圧が印加される。第1一次巻線(51)の巻き数は、駆動電流が入力されるモータ(20)のティース部(22b)の点Bにおける磁束密度の振幅と、第1試料片(41)における磁束密度の振幅とが実質的に等しくなるように設定される。第1一次巻線(51)は、試料片の巻線に対応する。
第2試料片(42)には、第2一次巻線(52)および第3一次巻線(53)が巻回される。第2一次巻線(52)および第3一次巻線(53)は、モータ(20)の巻線(23)に対して直列に接続される。第2一次巻線(52)は、モータ(20)の外部で、モータ(20)のU相に接続される。第3一次巻線(53)は、モータ(20)の外部で、モータ(20)のV相に接続される。第2一次巻線(52)と第3一次巻線(53)との間には、モータ(20)の線間電圧(この例では、U-V線間電圧)に対応する電圧が印加される。第2一次巻線(52)および第3一次巻線(53)の巻き数は、駆動電流が入力されるモータ(20)のバックヨーク部(22a)の点Aにおける磁束密度の振幅と、第2試料片(42)における磁束密度の振幅とが実質的に等しくなるように設定される。第2一次巻線(52)および第3一次巻線(53)は、それぞれ試料片の巻線に対応する。
第1試料片(41)および第2試料片(42)の各々のインピーダンスは、モータ(20)のインピーダンスの1/10以下であることが好ましく、1/100以下であることがさらに好ましい。
〈モータの鉄損を求める方法〉
本実施形態2の測定ステップでは、測定部(100)が、第1~第3一次巻線(51~53)における消費電力と、第1~第3一次巻線(51~53)における銅損とに基づいて、第1試料片(41)および第2試料片(42)の各々で生じる鉄損を測定する。
具体的に、測定部(100)は、電力測定装置(70)で測定される第1一次巻線(51)の消費電力から、電力測定装置(70)の電流測定値および第1一次巻線(51)の抵抗値から求まる第1一次巻線(51)の銅損を差し引くことで、第1試料片(41)で生じる鉄損を求める。測定部(100)は、電力測定装置(70)で測定される第2一次巻線(52)および第3一次巻線(53)の消費電力から、電力測定装置(70)の電流測定値および第2一次巻線(52)および第3一次巻線(53)の抵抗値から求まる第2一次巻線(52)および第3一次巻線(53)の銅損を差し引くことで、第2試料片(42)で生じる鉄損を求める。
-実施形態2の効果-
本実施形態2によっても、上記実施形態1と同様の効果が得られる。
-実施形態2の変形例1-
実施形態2の変形例1について説明する。本変形例1は、第1~第3一次巻線(51~53)の構成が上記実施形態2と異なる。以下、上記実施形態2と異なる点について主に説明する。
図示を省略するが、第1一次巻線(51)は、モータ(20)の内部で、モータ(20)のU相に接続される。第1一次巻線(51)には、モータ(20)の相電圧(この例では、U相電圧)に対応する電圧が印加される。第2一次巻線(52)は、モータ(20)の内部で、モータ(20)のU相に接続される。第3一次巻線(53)は、モータ(20)の内部で、モータ(20)のV相に接続される。第2一次巻線(52)と第3一次巻線(53)との間には、モータ(20)の線間電圧(この例では、U-V線間電圧)に対応する電圧が印加される。
-実施形態2の変形例2-
実施形態2の変形例2について説明する。本変形例2は、第1~第3一次巻線(51~53)の構成が上記実施形態2と異なる。以下、上記実施形態2と異なる点について主に説明する。
図示を省略するが、第1~第3一次巻線(51~53)の全てが、1つの試料片(41)に巻回される。第1一次巻線(51)は、モータ(20)の内部または外部で、モータ(20)のU相に接続される。第1一次巻線(51)には、モータ(20)の相電圧(この例では、U相電圧)に対応する電圧が印加される。第2一次巻線(52)は、モータ(20)の内部または外部で、モータ(20)のV相に接続される。第2一次巻線(52)には、モータ(20)の相電圧(この例では、V相電圧)に対応する電圧が印加される。第3一次巻線(53)は、モータ(20)の内部または外部で、モータ(20)のW相に接続される。第3一次巻線(53)には、モータ(20)の相電圧(この例では、W相電圧)に対応する電圧が印加される。
《実施形態3》
実施形態3について説明する。本実施形態3は、モータ(20)を直接的には用いることなくモータ(20)の鉄損を求める点で上記実施形態1と異なる。以下、上記実施形態1と異なる点について主に説明する。
〈モータ駆動装置の構成〉
図9に示すように、本実施形態3のモータ駆動装置(10)は、電源装置(30)とは異なる励磁部としての電源装置(120)をさらに備え、第1試料片及び第2試料片(41,42)に代えて試料片(43)を備えている。試料片(43)には、一次巻線(51)及び二次巻線(54)が巻回されている。
電源装置(120)は、モータ(20)の駆動電流(実測または解析で求められる)に対応する励磁電流を試料片(43)に供給する。電源装置(120)の入力側は、直流電源(図示せず)に接続される。電源装置(120)の出力側は、試料片(43)に巻回された一次巻線(51)に接続される。
試料片(43)は、軟磁性材料(例えば、電磁鋼板または圧粉磁心)で構成されたリング状の試料片である。試料片(43)は、軟磁性材料を略環状に形成した試料片である。試料片(43)は、軟磁性材料により閉磁路が形成された試料片である。試料片(43)の磁路断面積は、全周にわたって実質的に一定である。試料片(43)を構成する軟磁性材料は、モータ(20)の固定子コア(22)を構成する軟磁性材料と同じであることが好ましい。これにより、モータ(20)の鉄損をより一層精度よく求めることができる。
第1波形計測装置(61)は、試料片(43)の一次側に設けられる。第1波形計測装置(61)は、一次巻線(51)の電流(換言すると、一次電流)の時間変化を計測する。第1波形計測装置(61)は、例えばオシロスコープ、パワーメータまたは電流検出器である。
第2波形計測装置(62)は、試料片(43)の二次側に設けられる。第2波形計測装置(62)は、二次巻線(54)の電圧(換言すると、二次電圧)の時間変化を計測する。第2波形計測装置(62)は、例えばオシロスコープまたは電圧検出器である。
〈電動機の鉄損を求める方法〉
上記のパラメータ制御動作のS102において、試料片(43)を用いてモータ(20)の鉄損を求める方法について、図5のフローチャートを参照して説明する。
まず、励磁ステップでは、制御部(110)が、電源装置(120)に一次巻線(51)への励磁電流の供給を行わせる。これにより、電源装置(120)が、モータ(20)のバックヨーク部(22a)を模擬するための励磁電流と、モータ(20)のティース部(22b)を模擬するための励磁電流とを、試料片(43)の一次巻線(51)に別々に入力する。このとき、試料片(43)の一次巻線(51)に電流が流れ、試料片(43)は、モータ(20)のバックヨーク部(22a)またはティース部(22b)における磁束密度および磁界強度の時間変化を模擬するように励磁される。
具体的に、試料片(43)は、まず、駆動電流を供給中のモータ(20)のバックヨーク部(22a)の点A(図2を参照)における磁束密度および磁界強度の時間変化を模擬するように励磁される。続けて、試料片(43)は、駆動電流を供給中のモータ(20)のティース部(22b)の点B(図2を参照)における磁束密度および磁界強度の時間変化を模擬するように励磁される。なお、試料片(43)で模擬する部位は、点Aおよび点Bに限らない。また、ティース部(22b)を模擬するための励磁が、バックヨーク部(22a)を模擬するための励磁の先になされてもよい。続けて、測定ステップに進む。
測定ステップでは、測定部(100)が、試料片(43)における磁束密度および磁界強度の時間変化に基づいて、当該試料片(43)で生じる鉄損を測定する。
具体的に、測定部(100)は、第2波形計測装置(62)で計測される二次巻線(54)の電圧に基づいて、B=∫Vdt/nS(B:磁束密度、V:電圧、n:巻線の巻き数、S:試料片の磁路断面積)の関係から、試料片(43)における磁束密度の時間変化を求める。また、第1波形計測装置(61)で計測される一次巻線(51)の電流(励磁電流)に基づいて、H=ni/2πr(H:磁界強度、n:巻線の巻き数、i:電流、2πr:試料片の平均磁路長、r:試料片の外径と内径の平均値)の関係から、試料片(43)における磁界強度の時間変化を求める。なお、当該磁界強度の時間変化は、試料片(43)に配置されたHコイルで測定する電圧に基づいて、H=∫Vdt/A(H:磁界強度、V:電圧、A:エリアターン)の関係から求めてもよい。そして、求めた磁束密度および磁界強度の時間変化に基づいて、試料片(43)で生じる鉄損を求める。ここで、複数の周期(一例として、図3にP1~P3の3つの周期を示す)の各々の鉄損を求め、その平均値を算出することで試料片(43)で生じる鉄損を求めてもよい。続けて、導出ステップに進む。
導出ステップでは、制御部(110)の導出部(111)が、測定部(100)で測定された試料片(43)の鉄損に基づいて、モータ(20)の鉄損を導出する。
具体的に、導出部(111)は、モータ(20)のバックヨーク部(22a)を模擬する励磁電流を流した際の試料片(43)の鉄損と、当該試料片(43)の重量とに基づいて、試料片(43)の単位重量あたりの鉄損を求める。この単位重量あたりの鉄損と、モータ(20)のバックヨーク部(22a)の重量との積として、モータ(20)のバックヨーク部(22a)における鉄損を求める。同様に、導出部(111)は、モータ(20)のティース部(22b)を模擬する励磁電流を流した際の試料片(43)の鉄損と、当該試料片(43)の重量とに基づいて、試料片(43)の単位重量あたりの鉄損を求める。この単位重量あたりの鉄損と、モータ(20)のティース部(22b)の重量との積として、モータ(20)のティース部(22b)における鉄損を求める。そして、導出部(111)は、モータ(20)のバックヨーク部(22a)の鉄損と、モータ(20)のティース部(22b)の鉄損との和として、モータ(20)の鉄損を求める。
-実施形態3の効果-
本実施形態3によっても、上記実施形態1と同様の効果が得られる。
また、本実施形態3では、上記試料片(43)の一次巻線(51)が、該試料片(43)の一次巻線(51)に電流を流すための電源装置(120)に接続されている。ここでは、電源装置(120)によって試料片(43)の一次巻線(51)に電流が流れる。モータ(20)の駆動電流を解析で求める場合、モータ(20)を試作することなく、モータ(20)の鉄損を精度よく求めることもできる。
《実施形態4》
実施形態4について説明する。本実施形態4は、モータ(20)を直接的には用いることなくモータ(20)の鉄損を求める点で上記実施形態1と異なる。以下、上記実施形態1と異なる点について主に説明する。
〈モータ駆動装置の構成〉
図10に示すように、本実施形態4のモータ駆動装置(10)は、励磁部としての磁場発生装置(80)と、試料片(44)とを備える。磁場発生装置(80)は、電源装置(130)と、ヨーク体(81)と、一次巻線(56)及び二次巻線(57)とを有する。
電源装置(130)は、モータ(20)の駆動電流(実測または解析で求められる)に対応する励磁電流をヨーク体(81)に供給する。電源装置(130)の入力側は、直流電源(図示せず)に接続される。電源装置(130)の出力側は、ヨーク体(81)に巻回された一次巻線(56)に接続される。
ヨーク体(81)は、軟磁性材料で構成された部材である。ヨーク体(81)は、その鉄損が試料片(44)の鉄損と比較して1%以下となるよう十分に大きな磁路断面積を有しており、略C字状に構成され、エアギャップ(82)を有する。ヨーク体(81)は、エアギャップ(82)を経由する閉磁路を構成する。ヨーク体(81)は、試料片(44)とは別部材で構成されている。
試料片(44)は、軟磁性材料(例えば、電磁鋼板または圧粉磁心)で構成されたブロック状(この例では、直方体状)の試料片である。試料片(44)を構成する軟磁性材料は、モータ(20)の固定子コア(22)を構成する軟磁性材料と同じであることが好ましい。これにより、モータ(20)の鉄損をより一層精度よく求めることができる。試料片(44)には、二次巻線(57)が巻回されている。
第1波形計測装置(61)は、一次巻線(56)の電流(換言すると、一次電流)の時間変化を計測する。第1波形計測装置(61)は、例えばオシロスコープ、パワーメータまたは電流検出器である。
第2波形計測装置(62)は、二次巻線(57)の電圧(換言すると、二次電圧)の時間変化を計測する。第2波形計測装置(62)は、例えばオシロスコープまたは電圧検出器である。
〈モータの鉄損を求める方法〉
上記のパラメータ制御動作のS102において、試料片(44)を用いてモータ(20)の鉄損を求める方法について、図11のフローチャートを参照して説明する。
まず、配置ステップでは、ヨーク体(81)のエアギャップ(82)に試料片(44)が配置される。続けて、励磁ステップに進む。
励磁ステップでは、制御部(110)が、電源装置(130)に一次巻線(56)へ励磁電流を供給させる。これにより、電源装置(130)が、モータ(20)のバックヨーク部(22a)を模擬するための励磁電流と、モータ(20)のティース部(22b)を模擬するための励磁電流とを、ヨーク体(81)の一次巻線(56)に別々に流す。このとき、ヨーク体(81)の一次巻線(56)に電流が流れ、試料片(44)は、駆動電流を供給中のモータ(20)のバックヨーク部(22a)またはティース部(22b)における磁束密度および磁界強度の時間変化を模擬するように励磁される。
具体的に、試料片(44)は、まず、モータ(20)のバックヨーク部(22a)の点A(図2を参照)における磁束密度および磁界強度の時間変化を模擬するように励磁される。続けて、試料片(44)は、モータ(20)のティース部(22b)の点B(図2を参照)における磁束密度および磁界強度の時間変化を模擬するように励磁される。つまり、電源装置(130)によりヨーク体(81)の一次巻線(56)に電流が流れ、それによりヨーク体(81)を磁束が流れる。この磁束はエアギャップ(82)を流れ、それによりエアギャップ(82)に配置された試料片(41)が間接的に励磁される。なお、試料片(44)で模擬する部位は、点Aおよび点Bに限らない。また、ティース部(22b)を模擬するための励磁が、バックヨーク部(22a)を模擬するための励磁の先になされてもよい。続けて、測定ステップに進む。
測定ステップでは、測定部(100)が、試料片(44)における磁束密度および磁界強度の時間変化に基づいて、当該試料片(44)で生じる鉄損を測定する。
具体的に、測定部(100)は、第2波形計測装置(62)で計測される二次巻線(57)の電圧に基づいて、B=∫Vdt/nS(B:磁束密度、V:電圧、n:巻線の巻き数、S:ヨーク体の磁路断面積)の関係から、ヨーク体(81)における磁束密度の時間変化を求め、これに基づいて試料片(44)における磁束密度の時間変化を求める。また、測定部(100)は、第1波形計測装置(61)で計測される一次巻線(56)の電流(励磁電流)に基づいて、H=ni/L(H:磁界強度、n:巻線の巻き数、i:電流、L:ヨーク体の平均磁路長)の関係から、ヨーク体(81)における磁界強度の時間変化を求め、これに基づいて試料片(44)における磁界強度の時間変化を求める。なお、試料片(44)の磁界強度の時間変化は、試料片(44)に配置されたHコイルで測定する電圧に基づいて、H=∫Vdt/A(H:磁界強度、V:電圧、A:エリアターン)の関係から求めてもよい。そして、測定部(100)は、求めた磁束密度および磁界強度の時間変化に基づいて、試料片(44)で生じる鉄損を求める。ここで、複数の周期(一例として、図3にP1~P3の3つの周期を示す)の各々の鉄損を求め、その平均値を算出することで試料片(44)で生じる鉄損を求めてもよい。続けて、導出ステップに進む。
導出ステップでは、制御部(110)の導出部(111)が、試料片(44)の鉄損に基づいて、モータ(20)の鉄損を導出する。
具体的に、導出部(111)は、モータ(20)のバックヨーク部(22a)を模擬する励磁電流を流した際の試料片(44)の鉄損と、当該試料片(44)の重量とに基づいて、試料片(44)の単位重量あたりの鉄損を求める。この単位重量あたりの鉄損と、モータ(20)のバックヨーク部(22a)の重量との積として、モータ(20)のバックヨーク部(22a)における鉄損を求める。同様に、導出部(111)は、モータ(20)のティース部(22b)を模擬する励磁電流を流した際の試料片(44)の鉄損と、当該試料片(44)の重量とに基づいて、試料片(44)の単位重量あたりの鉄損を求める。この単位重量あたりの鉄損と、モータ(20)のティース部(22b)の重量との積として、モータ(20)のティース部(22b)における鉄損を求める。そして、モータ(20)のバックヨーク部(22a)の鉄損と、モータ(20)のティース部(22b)の鉄損との和として、モータ(20)の鉄損を求める。
-実施形態4の効果-
本実施形態4によっても、上記実施形態1と同様の効果が得られる。
また、本実施形態4のモータ駆動装置(10)では、磁場発生装置(80)が、磁場を発生することにより上記試料片(44)を励磁する。これにより試料片(44)が励磁される。
《実施形態5》
実施形態5について説明する。本実施形態5は、磁場発生装置(80)の構成が、上記実施形態4と異なる。以下、上記実施形態4と異なる点について主に説明する。
〈モータ駆動装置の構成〉
図12に示すように、本実施形態5では、ヨーク体(81)が、柱状の柱状部(81a)と、当該柱状部の両端から互いに対向するように共通の方向に突出する柱状の突出部(81b)とで、略コ字状に形成されている。柱状部(81a)に、電源装置(130)の出力側に接続された一次巻線(56)が巻回される。
試料片(44)は、板状に形成され、例えば電磁鋼板の単板によって構成される。試料片(44)の両端部は、その片面をヨーク体(81)の突出部(81b)の先端面に間隔を空けて対向させている。なお、電源装置(130)の出力側に接続された一次巻線(56)を、ヨーク体(81)ではなく、試料片(44)に巻回させてもよい。試料片(44)には、二次巻線(57)が巻回される。
〈電動機の鉄損を求める方法〉
上記のパラメータ制御動作のS102において、試料片(44)を用いてモータ(20)の鉄損を求める方法について、図12のフローチャートを参照して説明する。
まず、配置ステップでは、試料片(44)の両端部の一方の面が、ヨーク体(81)の突出部(81b)の先端面に小さい間隔を空けて対向するように、試料片(44)が配置される。続けて、励磁ステップに進む。
励磁ステップでは、制御部(110)が、電源装置(130)に一次巻線(56)へ励磁電流を供給させる。これにより、電源装置(130)が、モータ(20)のバックヨーク部(22a)を模擬するための励磁電流と、モータ(20)のティース部(22b)を模擬するための励磁電流とを、ヨーク体(81)の一次巻線(56)に別々に入力する。このとき、ヨーク体(81)の一次巻線(56)に電流が流れ、試料片(44)は、駆動電流を供給中のモータ(20)のバックヨーク部(22a)またはティース部(22b)における磁束密度および磁界強度の時間変化を模擬するように励磁される。
具体的に、試料片(44)は、まず、モータ(20)のバックヨーク部(22a)の点A(図2を参照)における磁束密度および磁界強度の時間変化を模擬するように励磁される。続けて、試料片(44)は、モータ(20)のティース部(22b)の点B(図2を参照)における磁束密度および磁界強度の時間変化を模擬するように励磁される。つまり、電源装置(130)によりヨーク体(81)の一次巻線(56)に電流が流れ、それによりヨーク体(81)を磁束が流れ、これにより試料片(44)が間接的に励磁される。なお、試料片(44)で模擬する部位は、点Aおよび点Bに限らない。また、ティース部(22b)を模擬するための励磁が、バックヨーク部(22a)を模擬するための励磁の先になされてもよい。続けて、測定ステップに進む。
測定ステップでは、測定部(100)が、試料片(44)における磁束密度および磁界強度の時間変化に基づいて、当該試料片(44)で生じる鉄損を測定する。
具体的に、測定部(100)は、第2波形計測装置(62)で計測される試料片(44)に巻いた二次巻線(57)の電圧に基づいて、B=∫Vdt/nS(B:磁束密度、V:電圧、n:巻線の巻き数、S:試料片 の磁路断面積)の関係から、試料片(44)における磁束密度の時間変化を求める。また、測定部(100)は、第1波形計測装置(61)で計測される一次巻線(56)の電流(励磁電流)に基づいて、H=ni/L (H:磁界強度、n:巻線の巻き数、i:電流、L:試料片の平均磁路長)の関係から、ヨーク体(81)における磁界強度の時間変化を求め、これに基づいて試料片(44)における磁界強度の時間変化を求める。なお、試料片(44)の磁界強度の時間変化は、試料片(44)に配置されたHコイルで測定する電圧に基づいて、H=∫Vdt/A(H:磁界強度、V:電圧、A:エリアターン)の関係から求めてもよい。そして、測定部(100)は、求めた磁束密度および磁界強度の時間変化に基づいて、試料片(44)で生じる鉄損を求める。ここで、複数の周期(一例として、図3にP1~P3の3つの周期を示す)の各々の鉄損を求め、その平均値を算出することで試料片(44)で生じる鉄損を求めてもよい。続けて、導出ステップに進む。
導出ステップでは、制御部(110)の導出部(111)が、試料片(44)の鉄損に基づいて、モータ(20)の鉄損を導出する。
具体的に、導出部(111)は、モータ(20)のバックヨーク部(22a)を模擬する励磁電流を流した際の試料片(44)の鉄損と、当該試料片(44)の重量とに基づいて、試料片(44)の単位重量あたりの鉄損を求める。この単位重量あたりの鉄損と、モータ(20)のバックヨーク部(22a)の重量との積として、モータ(20)のバックヨーク部(22a)における鉄損を求める。同様に、モータ(20)のティース部(22b)を模擬する励磁電流を流した際の試料片(44)の鉄損と、当該試料片(44)の重量とに基づいて、試料片(44)の単位重量あたりの鉄損を求める。この単位重量あたりの鉄損と、モータ(20)のティース部(22b)の重量との積として、モータ(20)のティース部(22b)における鉄損を求める。そして、モータ(20)のバックヨーク部(22a)の鉄損と、モータ(20)のティース部(22b)の鉄損との和として、モータ(20)の鉄損を求める。
-実施形態5の効果-
本実施形態5によっても、上記実施形態4と同様の効果が得られる。
《その他の実施形態》
上記実施形態については、以下のような構成としてもよい。
例えば、実施形態1~5及びそれらの変形例では、励磁ステップにおいて、モータ(20)の磁気回路中の所定部位(例えば、バックヨーク部(22a)またはティース部(22b))で磁気飽和が生じると推定される条件が成立する場合、当該条件が成立しない場合に比べて、駆動電流に対する試料片(41~44)を励磁するための電圧または電流の比率を大きくしてもよい。具体的には、例えば、巻回される巻線の巻き数が互いに異なる複数の試料片(41~43)を用意し、当該条件が成立する場合に、巻回される巻線の巻き数が相対的に大きい試料片(41~43)を用いることが考えられる。別の例として、磁路断面積が互いに異なる複数の試料片(41~44)を用意し、当該条件が成立する場合に、磁路断面積が相対的に大きい試料片(41~44)を用いることが考えられる。さらに別の例として、試料片(41~43)の巻線に増幅アンプを接続し、当該条件が成立する場合に、試料片(41~43)の巻線に印加する電圧を昇圧することが考えられる。
また、例えば、励磁ステップにおいて、弱め磁束制御を行うための駆動電流をモータ(20)に入力するときの磁束密度および磁界強度の時間変化を試料片(41~44)で模擬する場合、それ以外の場合に比べて、駆動電流に対する試料片(41~44)を励磁するための電圧または電流の比率を小さくしてもよい。具体的には、例えば、巻回される巻線の巻き数が互いに異なる複数の試料片(41~44)を用意し、当該条件が成立する場合に、巻回される巻線の巻き数が相対的に小さい試料片(41~44)を用いることが考えられる。別の例として、磁路断面積が互いに異なる複数の試料片(41~44)を用意し、当該条件が成立する場合に、磁路断面積が相対的に小さい試料片(41~44)を用いることが考えられる。さらに別の例として、試料片(41~44)の巻線に増幅アンプを接続し、当該条件が成立する場合に、試料片(41~44)の巻線に印加する電圧を降圧することが考えられる。
また、例えば、本開示のモータ駆動装置(10)によると、モータ(20)の任意の部位(例えば、バックヨーク部(22a)またはティース部(22b))で生じる鉄損を求めることもできる。一例として、上記実施形態1における第1試料片(41)を用いれば、モータ(20)のバックヨーク部(22a)のみの鉄損を精度よく求めることができる。なお、モータ(20)の磁気回路中の任意の部位の鉄損を精度よく求めることは、従来公知の測定方法では困難であった。
また、例えば、モータ(20)の巻線(23)はスター型に結線されているが、これに限らず、デルタ型に結線されていてもよい。
また、上記実施形態1~5では、測定部(100)及び制御部(110)の機能を、共通のモータ駆動用のマイクロコンピュータによって実現したが、モータの鉄損及び銅損を求めるための機能を実現するアナログ演算装置を別途設けてもよい。これにより、サンプリング周波数を高くして、鉄損、銅損、及び全損失をより精度良く算出できる。
以上、実施形態および変形例を説明したが、特許請求の範囲の趣旨および範囲から逸脱することなく、形態や詳細の多様な変更が可能なことが理解されるであろう。また、以上の実施形態および変形例は、本開示の対象の機能を損なわない限り、適宜組み合わせたり、置換したりしてもよい。
以上説明したように、本開示は、モータ駆動装置および試料片について有用である。
10 モータ駆動装置
20 モータ
21 固定子
22 固定子コア
22a バックヨーク部
22b ティース部
23 巻線
30 電源装置(給電部、励磁部)
41 第1試料片(試料片)
42 第2試料片(試料片)
43,44 試料片
51 第1一次巻線(巻線)
52 第2一次巻線(巻線)
53 第3一次巻線(巻線)
56 一次巻線(巻線)
80 磁場発生装置(励磁部)
81 ヨーク体
100 測定部
110 制御部
111 導出部
120 電源装置(励磁部)

Claims (17)

  1. モータ(20)に駆動電流を供給する給電部(30)と、上記給電部(30)を制御する制御部(110)とを備えるモータ駆動装置であって、
    軟磁性材料を含む試料片(41~44)と、
    上記駆動電流を供給中の上記モータ(20)の磁気回路中の軟磁性材料を含む所定部位における磁束密度および磁界強度の時間変化を模擬するように、上記試料片(41~44)を励磁する励磁部(30,120,130)と
    上記励磁部(30,120,130)によって励磁された上記試料片(41~44)で生じる鉄損を測定する測定部(100)とを備え
    上記制御部(110)は、上記測定部(100)によって測定された鉄損に基づいて上記給電部(30)を制御する
    ことを特徴とするモータ駆動装置。
  2. 請求項に記載のモータ駆動装置において、
    上記制御部(110)は、上記測定部(100)で測定された鉄損に基づいて上記モータ(20)の鉄損を導出する導出部(111)を備える
    ことを特徴とするモータ駆動装置。
  3. 請求項において、
    上記導出部(111)は、上記試料片(41~44)の鉄損と、該試料片(41~44)の重量と、上記モータ(20)の磁気回路中の軟磁性材料を含む所定部位の重量とに基づいて上記モータ(20)の鉄損を導出するものである
    ことを特徴とするモータ駆動装置。
  4. 請求項のいずれか1項において、
    上記モータ(20)の上記磁気回路中の上記所定部位は、上記モータ(20)の固定子(21)のバックヨーク部(22a)およびティース部(22b)を含む
    ことを特徴とするモータ駆動装置。
  5. 請求項のいずれか1項において、
    上記試料片(41~43)に巻回された巻線(51~53)をさらに備え、
    上記励磁部(30)は、上記試料片(41~43)の巻線(51~53)に電流を流すことで上記試料片(41~43)を励磁する
    ことを特徴とするモータ駆動装置。
  6. 請求項において、
    上記試料片(41~43)の巻線(51~53)は、上記モータ(20)の巻線(23)に対して並列に接続されており、
    上記励磁部(30)は、上記給電部(30)である
    ことを特徴とするモータ駆動装置。
  7. 請求項において、
    上記試料片(41~43)の巻線(51~53)は、上記モータ(20)の巻線(23)に対して直列に接続されており、
    上記励磁部(30)は、上記給電部(30)である
    ことを特徴とするモータ駆動装置。
  8. 請求項において、
    上記試料片(43)の巻線(51)は、該試料片(43)の巻線(51)に電流を流すための電源装置(120)に接続されており、
    上記励磁部(120)は、上記電源装置(120)であり、
    上記電源装置(120)は、上記給電部(30)とは異なる
    ことを特徴とするモータ駆動装置。
  9. 請求項のいずれか1項において、
    上記励磁部(30)は、上記試料片(41~44)の巻線(51~53)の少なくとも一部に、上記モータ(20)の相電圧に対応する電圧を印加する
    ことを特徴とするモータ駆動装置。
  10. 請求項のいずれか1項において、
    上記励磁部(30)は、上記試料片(41~44)の巻線(51~53)の少なくとも一部に、上記モータ(20)の線間電圧に対応する電圧を印加する
    ことを特徴とするモータ駆動装置。
  11. 請求項~1のいずれか1項において、
    上記測定部(100)は、上記試料片(41~44)の巻線(51~53)における消費電力と、該試料片(41~44)の巻線(51~53)における銅損とに基づいて上記試料片(41~44)の鉄損を測定する
    ことを特徴とするモータ駆動装置。
  12. 請求項~1のいずれか1項において、
    上記励磁部(30,120,130)は、上記モータ(20)の上記磁気回路中の上記所定部位で磁気飽和が生じると推定される条件が成立する場合、該条件が成立しない場合に比べて、上記駆動電流に対する上記試料片(41~44)を励磁するための電圧または電流の比率を大きくする
    ことを特徴とするモータ駆動装置。
  13. 請求項~1のいずれか1項において、
    上記励磁部(30,120,130)は、弱め磁束制御を行うための上記駆動電流を上記モータ(20)に入力するときの上記時間変化を上記試料片(41~44)で模擬する場合、それ以外の場合に比べて、上記駆動電流に対する上記試料片(41~44)を励磁するための電圧または電流の比率を小さくする
    ことを特徴とするモータ駆動装置。
  14. 請求項~1のいずれか1項において、
    上記駆動電流の包絡線、上記モータ(20)の線間電圧の包絡線、上記モータ(20)の入力電力、上記モータ(20)のトルク、および上記モータ(20)の回転速度の少なくとも1つが、周期的に脈動する
    ことを特徴とするモータ駆動装置。
  15. 請求項のいずれか1項において、
    上記励磁部(80)は、磁場を発生することにより上記試料片(44)を励磁する磁場発生装置である
    ことを特徴とするモータ駆動装置。
  16. 請求項~1のいずれか1項において、
    上記測定部(100)は、上記試料片(41~44)における磁束密度および磁界強度の時間変化に基づいて上記試料片(41~44)の鉄損を測定する
    ことを特徴とするモータ駆動装置。
  17. 請求項2又は3に記載のモータ駆動装置において、
    上記導出部(111)は、上記駆動電流を供給中の上記モータ(20)の銅損をさらに導出し、
    上記制御部(110)は、上記導出部(111)によって導出した上記モータ(20)の鉄損及び銅損に基づいて上記給電部(30)を制御することを特徴とするモータ駆動装置。
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