近年では、 アキシャル磁束モータ は、電気駆動コミュニティでますます注目を集めています。これらは、特にインホイール モーター、ドローン、電気スポーツ カー、ハイブリッド システムなど、体積と重量が重要となる用途において、次世代の高性能モーターの代表的な方向性の 1 つとみなされています。軸方向磁束構造は、これらのシナリオにおいて独自の利点を提供します。
しかし、アキシャル磁束モータを高速電気駆動システムに実際に適用するには、1 つの技術的課題が避けられません。それは、 高速弱め界磁能力は十分であるかということです。そしてそれはどのように評価されるべきなのでしょうか？
I. まず理解してください: なぜ高速では「磁界弱化」が常に必要なのでしょうか? 永久磁石同期モーター (PMSM) の基本的な特性は、逆起電力が速度とともに増加することです。
逆起電力は、モーターが回転するときにモーター自体によって「生成される」電圧として単純に理解できます。速度が特定の点まで上昇すると、逆起電力はコントローラが供給できる最大電圧、つまり DC バス電圧に近づくか、さらにはそれを超えます。その時点で、モーターは電流を注入したり、速度を上げたりすることができなくなります。それは「電圧壁」によって効果的にブロックされます。
では、何ができるのでしょうか？
その方法は、 モーターの鎖交磁束を積極的に減らす、つまり磁場を「弱く」する ことで逆起電力を下げ、高速化のための電圧ヘッドルームを解放することです。これは私たちが一般に「磁場弱化制御」と呼んでいるものです。
たとえて言えば、
II.弱め界磁におけるアキシャルフラックスモータの特殊性 アキシャル磁束モーターは単一の固定設計ではなく、トポロジーの幅広いカテゴリーです。これらの共通の特徴は、エアギャップ磁束が従来のラジアル磁束モータのように半径方向ではなく、軸方向に流れることです。
この構造は、高いトルク密度、フラットな形状、短い軸方向の長さなどの利点をもたらしますが、弱め界磁能力に関連するいくつかの特性も導入します。
最も影響力のある要因の 1 つは、 多くのアキシャル磁束モーターのインダクタンスが比較的低いことです。
モーターの弱め界磁能力は、直軸インダクタンス Ld と鎖交磁束 Ψmの比と密接に関係しています 。簡単に言うと、直軸インダクタンスが大きく鎖交磁束が小さいほど、理論上弱め界磁が発生しやすくなり、高速延長能力が強くなります。
高トルク密度を追求したアキシャル磁束モータの多くは磁路が短く、巻線端も短いため、必然的にインダクタンスが低くなります。その結果、鎖交磁束をキャンセルするにはより大きな弱め界磁電流が必要となり、高速での銅損の大幅な増加、効率の低下、さらには弱め界磁能力が不十分になる可能性があります。
ただし、 すべてのアキシャル磁束モータの弱め界磁性能が低いわけではないことに注意してください。
したがって、評価する際に、「アキシャル磁束モータには常に弱め界磁がある」と単純に言うことはできません。特定の設計ごとにケースバイケースで評価する必要があります。
Ⅲ．フィールド弱化能力を評価するための主な指標は何ですか? エンジニアリングの実践では、アキシャル磁束モータの高速弱め界磁能力の評価には通常、次のコアパラメータと曲線が含まれます。
1. 特性電流 特性電流は次のように定義されます。
ここで、 Ψm は永久磁石鎖交磁束、 Ld は直軸インダクタンスです。
特性電流がコントローラーの最大出力電流より小さい場合、理論的にはモーターは「無限弱め界磁」領域に入る可能性があり、非常に高速な速度の延長が可能になります。
特性電流は、弱め界磁電位を評価するための最も直観的な指標です。
2. 電圧リミットサークルと電流リミットサークル 現在のベクトル平面では、モーターの動作は 2 つの円によって制限されます。
速度が増加すると、電圧制限円は縮小します。モーターの動作点は、これら 2 つの円の交点内になければなりません。
強力な弱め界磁能力を備えたモーターは、高速でも有効なトルクを供給するのに十分な交差領域を備えています。
3. 定電力領域幅 エンジニアリングでは、高速拡張機能を評価するために「定電力領域」がよく使用されます。
アキシャル磁束モータが弱め界磁に対して適切に設計されていない場合、その定出力領域は著しく狭くなり、高速端での出力は急速に低下します。
4. 最高速度と定格速度の比 この比率は「弱め界磁速度拡大比」とも呼ばれます。
5. 高速効率と温度上昇 弱め界磁は、「スピンアップできるかどうか」だけでなく、「スピンアップしたときの効率」も重要です。
したがって、弱め界磁能力を評価する際には、速度数値だけでなく、高速効率 MAP と熱性能も調べることが不可欠です。
IV.実際にどのように評価すればよいでしょうか? 3つのアプローチ アプローチ 1: 電磁シミュレーション 設計段階では、エンジニアは通常、有限要素シミュレーション ソフトウェアを使用してアキシャル磁束モーターの電磁モデルを構築します。
さまざまな速度と電流ベクトルをスイープすると、次のことが得られます。
逆起電力波形。
直軸および横軸のインダクタンス Ld , Lq ;
鎖交磁 束 Ψm ;
特性電流 Ich ;
電圧制限楕円と電流制限円の交点。
理論上の最大トルク-速度曲線。
効率MAP。
これらのデータは、モーターの界磁を弱める可能性を包括的に反映できます。
アプローチ 2: ベンチテスト シミュレーションは理論上のものにすぎません。最終的にはベンチ測定が必要になります。
ベンチテストには通常次のものが含まれます。
逆起電力係数の測定;
さまざまな温度でのインダクタンス測定;
ピークトルク対速度の外部特性曲線。
連続定格出力能力。
最高速度での持続動作時間。
高速弱め界磁領域での効率と温度上昇。
磁石減磁後の性能劣化試験。
最も重要なのは、 高速弱め界磁領域での温度上昇 と 連続動作能力です .
アプローチ 3: 制御戦略マッチング評価 弱め界磁能力は、モーター自体だけでなく、コントローラーと制御アルゴリズムにも依存します。
一般的な制御戦略には次のものがあります。
評価では、制御戦略がアキシャル磁束モータの電圧および電流制限を十分に活用できるかどうかを検討する必要があります。
V. アキシャル磁束モータの高速弱め界磁能力を強化できる設計の改善点はどれですか? 評価の結果、弱め界磁能力が不十分であることが判明した場合、一般的な改善の方向性は次のとおりです。
1. 直軸インダクタンスの最適化 直軸インダクタンスを適切に増やすと、特性電流が低下し、弱め界磁能力が向上します。
ただし、直軸インダクタンスの増加はトルク密度と矛盾することが多いため、多目的な最適化が必要です。
2. 鎖交磁束を適度に減少させる 残留磁気がわずかに低いが温度耐性が高い磁石を使用するか、磁石の厚さを薄くすると、逆起電力と特性電流を下げることができます。
3. リラクタンストルクの寄与を増加する 突極性比 (直交軸インダクタンスと直軸インダクタンスの差) を増やすことにより、リラクタンス トルクが出力のより大きな割合を占めることができ、永久磁石鎖交磁束への依存度が減ります。
4. ハイブリッド励磁または可変磁束を採用 これはより高度なアプローチです。
この設計により、高速効率と定電力領域幅が大幅に向上しますが、構造の複雑さとコストが増加します。
5. DC バス電圧利用率の向上 モーター自体に適度な弱め界磁機能がある場合は、コントローラーの電圧レベルを上げる、SiC インバーターの使用、変調戦略の最適化などによって「電圧の壁」を押し返し、同じバス電圧からより効果的な電圧を供給することも可能です。
これにより、フィールドの弱体化に対する余裕がさらに広がります。
VI.よくある誤解 アキシャル磁束モータの高速弱め界磁能力を評価する場合、いくつかの誤解に注意する価値があります。
誤解１：最高速度だけを見ている。 誤解 3: 温度の影響を無視している。 誤解 4: シミュレーションの最大速度を実際に使用可能な速度として扱っています。 シミュレーションは、多くの場合、理想的な電圧、電流、温度条件下で実行されます。実際のベンチテストでは、コントローラーの非線形性と熱保護により、実際の磁界弱め領域が制限されます。 VII.結論 アキシャル磁束モータの高速弱め界磁能力は、本質的にはシステムレベルのエンジニアリング問題です。
それはモーター本体の電磁設計だけでなく、制御戦略、インバーターの能力、熱管理にも依存します。
アキシャル磁束モータを高速電気駆動アプリケーションに真に押し込むことを目指すエンジニアにとって、 弱め界磁機能は「存在するかどうか」の問題ではなく、「モータが持続的かつ効率的に速度を向上できるかどうか」の問題です。
将来的には、新しい材料、新しいトポロジー、マルチフィジックス最適化技術の進歩により、高速弱め界磁領域におけるアキシャル磁束モータの性能は向上し続けるでしょう。
