JP2017078687A

JP2017078687A - 永久磁石式回転電機の無負荷損失の測定方法、および測定装置

Info

Publication number: JP2017078687A
Application number: JP2015207890A
Authority: JP
Inventors: 豊橋場; Yutaka Hashiba; 真史藤田; Masashi Fujita; 上田　隆司; Takashi Ueda; 隆司上田; 孝明廣瀬; Takaaki Hirose
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2015-10-22
Filing date: 2015-10-22
Publication date: 2017-04-27

Abstract

【課題】簡易に永久磁石式回転電機の無負荷損失を測定することが可能な測定方法を提供する。
【解決手段】一の実施形態によれば、測定方法は、回転子鉄心が、永久磁石式回転電機に与えられた回転数指令によって無負荷回転しているときの第１のトルクと、第１のトルクが発生しているときの電機子コイルに誘起される第１の誘起電圧と、を測定するステップと、永久磁石の磁力を変化させるステップと、永久磁石の磁力の変化後に、永久磁石式回転電機に第１のトルク発生時と同じ回転数指令を与え、回転子鉄心がシャフトと共に第１のトルク発生時の回転数と同じ回転数で無負荷回転しているときの第２のトルクと、第２のトルクが発生しているときの電機子コイルに誘起される第２の誘起電圧と、を測定するステップと、第１および第２のトルクと、第１および第２の誘起電圧と、に基づいて無負荷損失を算出するステップを備える。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、永久磁石式回転電機の無負荷損失の測定方法、および測定装置に関する。

回転電機では、近年、高効率化の観点から界磁に永久磁石を使うことが一般的である。永久磁石式回転電機では、永久磁石が回転子鉄心に配置され、この回転子鉄心を取り囲むように、電機子コイルを有する電機子鉄心が配置されている。

上記のような永久磁石式回転電機の主要な特性の一つに、無負荷損失がある。無負荷損失の主な構成要素は、無負荷鉄損と機械損である。無負荷鉄損は、回転子鉄心と電機子鉄心とで生じる磁気的な損失であり、機械損は、回転子鉄心の風損や軸受損等である。

無負荷鉄損は、例えば、回転子鉄心の熱容量（比熱、比重、体積）と、回転子鉄心の温度上昇値とに基づいて求めることができる。また、機械損は、例えば、永久磁石が内蔵されていない回転子鉄心で回転試験を実施したときの駆動トルクに基づいて求めることができる。

佐藤、他２名、「低速・大トルク永久磁石形同期電動機の設計と評価」、ＲＭ−１０−１４７、電気学会回転機研究会、２０１０年１０月、ｐ．５

上述した無負荷鉄損を求める方法では、温度上昇値を測定するために、回転子鉄心に温度センサを取り付ける作業が必要になり、温度分布を計測した上で各部位ごとに発熱エネルギーを算出しなければならないなど手間が掛かる他、回転することによる周辺空気への熱伝達などが測定誤差になる。また、上述した機械損を求める方法でも、永久磁石が内蔵されていない模擬回転子鉄心を製作して、この模擬回転子鉄心を永久磁石が内蔵された正規の回転子鉄心と入れ替える作業が必要になり、風損を精度よく加味するには模擬ロータの形状を精密に作る必要があるので、費用と労力がかかる。

そこで、本実施形態は、簡易に永久磁石式回転電機の無負荷損失を測定することが可能な測定方法および測定装置を提供することを目的とする。

一の実施形態によれば、測定方法は、シャフトを中心にして回転する回転子鉄心と、前記回転子鉄心に配置された永久磁石と、前記回転子鉄心を非接触に取り囲む電機子鉄心と、前記電機子鉄心に配置された電機子コイルと、を備える永久磁石式回転電機の無負荷損失の測定方法である。この測定方法は、前記回転子鉄心が、前記永久磁石式回転電機に与えられた回転数指令によって無負荷回転しているときのトルクを第１のトルクとし、前記第１のトルクと、前記第１のトルクが発生しているときの前記電機子コイルに誘起される第１の誘起電圧と、を測定するステップと、前記永久磁石の磁力を変化させるステップと、前記永久磁石の磁力の変化後に、前記永久磁石式回転電機に前記第１のトルク発生時と同じ回転数指令を与え、前記回転子鉄心が前記シャフトと共に前記第１のトルク発生時の回転数と同じ回転数で無負荷回転しているときのトルクを第２のトルクとし、前記第２のトルクと、前記第２のトルクが発生しているときの前記電機子コイルに誘起される第２の誘起電圧と、を測定するステップと、前記第１および第２のトルクと、前記第１および第２の誘起電圧と、に基づいて前記無負荷損失を算出するステップと、を備える。

簡易に永久磁石式回転電機の無負荷損失を測定することが可能となる。

第１の実施形態に係る測定装置の概略的な構成を示すブロック図である。第１の実施形態に係る永久磁石式回転電機の軸方向断面図である。永久磁石式回転電機の無負荷損失の測定手順を示すフローチャートである。第２の実施形態に係る永久磁石式回転電機の要部の径方向断面拡大図である。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。本実施形態は、本発明を限定するものではない。

（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態について、図面を参照して説明する。図１は、第１の実施形態に係る測定装置の概略的な構成を示すブロック図である。図１に示すように、本実施形態に係る測定装置１０は、トルク測定器１１と、電圧計１２と、算出部１３と、を備える。

トルク測定器１１は、永久磁石式回転電機２０と駆動モータ３０との間に配置されている。トルク測定器１１は、駆動モータ３０から永久磁石式回転電機２０に加えられるトルクを測定する。このトルクにより、永久磁石式回転電機２０は、無負荷運転する。電圧計１２は、この無負荷運転に伴って永久磁石式回転電機２０で生じた誘起電圧を測定する。算出部１３は、トルク測定器１１で測定されたトルクと、電圧計１２で測定された誘起電圧と、に基づいて永久磁石式回転電機２０の無負荷損失を算出する。具体的な無負荷損失の算出方法については、後述する。

図２は、永久磁石式回転電機２０の軸方向断面図である。以下、図２を参照して永久磁石式回転電機２０の構成について説明する。図２に示すように、永久磁石式回転電機２０は、シャフト２１と、回転子鉄心２２と、永久磁石２３と、電機子鉄心２５と、電機子コイル２６と、フレーム２７と、ブラケット２８と、軸受２９と、を備える。

シャフト２１は、軸受２９に回転可能に保持されている。軸受２９は、ブラケット２８に固定されている。シャフト２１の一端は、カップリング４１によって、トルク測定器１１の回転軸の一端に連結されている。なお、トルク測定器１１の回転軸の他端は、カップリング４２によって、駆動モータ３０の回転軸に連結されている。

回転子鉄心２２は、シャフト２１の外周部に配置されている。回転子鉄心２２は、例えば、電磁鋼板の積層体で構成されている。本実施形態では、回転子鉄心２２の外周部には、永久磁石２３を挿入するための挿入孔（不図示）が設けられている。永久磁石２３は、磁極の極性が回転子鉄心２２の周方向で交互に反対になるように上記挿入孔内に配置されている。永久磁石２３は、例えば、ネオジム等を含んだネオジム磁石で構成されている。

電機子鉄心２５は、エアギャップ２４を介して回転子鉄心２２を取り囲むように配置されている。換言すると、電機子鉄心２５は、回転子鉄心２２を非接触に取り囲むように配置されている。また、電機子鉄心２５は、フレーム２７に固定されている。電機子コイル２６は、電機子鉄心２５に配置されている。電機子コイル２６には、電圧計１２が接続されている。

以下、図３を参照して永久磁石式回転電機２０の無負荷損失の測定方法について説明する。図３は、永久磁石式回転電機２０の無負荷損失の測定手順を示すフローチャートである。

まず、駆動モータ３０に適当な速度指令を与え、トルク測定器１１を介してシャフト２１を回転させる。するとトルク測定器１１は第１のトルクＴ１を測定し、電圧計１２が、第１の誘起電圧Ｖ１を測定する（ステップＳ１１）。このとき、電機子コイル２６は高インピーダンスの電圧計１２が接続されているだけで電気的に開放状態となっているので、回転子鉄心２２はシャフト２１を中心にして無負荷回転する。つまり、第１の誘起電圧Ｖ１は、回転子鉄心２２が第１のトルクＴ１で無負荷回転することにより電機子コイル２６に誘起された電圧に相当する。

ステップＳ１１において、トルク測定器１１は、測定した第１のトルクＴ１を算出部１３へ出力する。同様に、電圧計１２も、測定した第１の誘起電圧Ｖ１を算出部１３へ出力する。算出部１３は、第１のトルクＴ１および第１の誘起電圧Ｖ１を記憶する。

次に、永久磁石２３の磁力を変化させる（ステップＳ１２）。ネオジム等を含む永久磁石は、その温度が高くなるにつれて磁力が低下する特性を有する。そこで、本実施形態では、永久磁石２３が配置された回転子鉄心２２の温度を上昇させることによって、永久磁石２３の磁力を変化させる。

例えば、回転子鉄心２２を、負荷回転させることにより回転子鉄心２２および永久磁石２３の温度を上昇させることが可能である。また、回転子鉄心２２を、無負荷回転の回転速度よりも大きい回転速度で回転させても、同様に、回転子鉄心２２および永久磁石２３の温度を上昇させることが可能である。さらに、電機子コイル２６への交流電流の通電により回転磁界が発生しているときに、回転子鉄心２２の回転を拘束することによっても、同様に、回転子鉄心２２および永久磁石２３の温度を上昇させることが可能である。

上記のようにして永久磁石２３の磁力を変化させた後、駆動モータ３０にステップＳ１１と同じ速度指令を与え、トルク測定器１１を介してシャフト２１を転させる。

すると、トルク測定器１１が、第２のトルクＴ２を測定し、電圧計１２が、第２の誘起電圧Ｖ２を測定する（ステップＳ１３）。このときも、回転子鉄心２２は、シャフト２１を中心にして無負荷回転している。したがって、第２の誘起電圧Ｖ２は、回転子鉄心２２が第２のトルクＴ２で無負荷回転することにより電機子コイル２６に誘起された電圧に相当する。

ステップＳ１３においても、上述したステップＳ１１と同様に、トルク測定器１１で測定された第２のトルクＴ１と、電圧計１２で測定された第２の誘起電圧Ｖ２は、算出部１３へ出力されて記憶される。

最後に、算出部１３が、第１のトルクＴ１、第２のトルクＴ２、第１の誘起電圧Ｖ１、および第２の誘起電圧Ｖ２に基づいて永久磁石式回転電機２０の無負荷損失を算出する（ステップＳ１４）。以下、具体的な無負荷損失の算出方法について説明する。

永久磁石式回転電機２０の無負荷損失と、トルク測定器１１で測定されるトルクＴに関しては、下記の式（１）が成り立つ。式（１）において、ωは、回転子鉄心２２の回転角速度である。

無負荷損失＝Ｔ×ω ・・・（１）
また、永久磁石式回転電機２０の無負荷損失は、下記の式（２）で示すように、機械損と無負荷鉄損との和で求められる。ここで、機械損は、主に、軸受９で生じる損失と、シャフト２１の表面および回転子鉄心２２の表面で生じる風損と、で構成されている。

無負荷損失＝機械損＋無負荷鉄損・・・（２）
通常の鉄損は、主に、ヒステリシス損と渦電流損との和で求められる。しかし、無負荷回転では、電機子コイル２６に電流が流れないので磁束密度が小さい。そのため、無負荷鉄損では、渦電流損が支配的になる。また、渦電流損は、誘起電圧Ｖの２乗に比例する。

したがって、無負荷損失は、下記の式（３）で示される。式（３）においてＫは比例定数である。

無負荷損失＝機械損＋Ｋ×Ｖ×Ｖ・・・（３）
式（１）〜式（３）により、下記の式（４）が成り立つ。

Ｔ×ω＝機械損＋Ｋ×Ｖ×Ｖ・・・（４）
ここで、上述したステップＳ１１で測定された第１のトルクＴ１および第１の誘起電圧Ｖ１と、上述したステップＳ１３で測定された第２のトルクＴ２および第２の誘起電圧Ｖ２と、を上記式（４）にそれぞれ代入すると、下記の式（５）、（６）が成り立つ。

Ｔ１×ω＝機械損＋Ｋ×Ｖ１×Ｖ１・・・（５）
Ｔ２×ω＝機械損＋Ｋ×Ｖ２×Ｖ２・・・（６）
永久磁石２３の磁力の変化の前後で、回転子鉄心２２の回転数が同じであれば、機械損も変化しないので、上記式（５）から上記式（６）を減算することにより下記の式（７）が成り立つ。

（Ｔ１−Ｔ２）×ω＝Ｋ×（（Ｖ１×Ｖ１）−（Ｖ２×Ｖ２））・・・（７）
上記式（７）に基づいて、比例定数Ｋを求めることができる。その結果、この比例定数Ｋを上記式（５）または上記式（６）に代入することにより、機械損および無負荷鉄損を個別に算出することができる。

以上説明した第１の実施形態によれば、永久磁石２３の磁力の変化の前後で、同一の回転数において、永久磁石式回転電機２０に加えられるトルクＴと、永久磁石式回転電機２０から出力される誘起電圧Ｖと、を測定することで、無負荷損失を求めている。このとき、トルクＴは、永久磁石式回転電機２０の外部に設置されたトルク測定器１１で測定され、誘起電圧Ｖは、永久磁石式回転電機２０の電機子コイル２６に接続された電圧計１２で測定されている。

したがって、無負荷損失を求める際に、回転子鉄心２２に温度センサを取り付ける作業や、永久磁石が内蔵されていない模擬回転子鉄心を製作して、この模擬回転子鉄心を永久磁石が内蔵された正規の回転子鉄心と入れ替える作業が不要になる。よって、簡易に永久磁石式回転電機２０の無負荷損失を求めることが可能となる。また、算出部１３が、機械損および無負荷鉄損を個別に算出することができるので、無負荷損失を構成する各損失を精度よく算出することが可能となる。

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。本実施形態では、測定装置の構成は、第１の実施形態と同様であるものの、永久磁石式回転電機の構成が、第１の実施形態と異なる。

図４は、第２の実施形態に係る永久磁石式回転電機の要部の径方向断面拡大図である。図４において、第１の実施形態に係る永久磁石式回転電機２０と同様の構成要素には同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。

本実施形態に係る永久磁石式回転電機２０Ａの永久磁石２３の構成は、第１の実施形態に係る永久磁石式回転電機２０の永久磁石２３の構成と異なる。図４に示すように、本実施形態に係る永久磁石２３は、第１の永久磁石２３Ａと、第２の永久磁石２３Ｂと、を有する。第１の永久磁石２３Ａと第２の永久磁石２３Ｂは、磁化方向Ｂ（図４の矢印Ｂ参照）で互いに重ね合わせて構成されている。また、第１の永久磁石２３Ａの、磁化方向Ｂの厚さと保持力との積は、第２の永久磁石２３Ｂの、磁化方向Ｂの厚さと保持力との積よりも小さい。なお、永久磁石２３は、磁化方向の厚さと保磁力との積が相互に異なる２種類以上の永久磁石で構成されていてもよい。

永久磁石式回転電機２０Ａにおいて、例えば、３相交流電流が電機子コイル２６に通電されると、電機子鉄心２５が、回転子鉄心２２の外側に、周方向に移動する回転磁界を生じさせる。これにより、永久磁石２３からの磁束と、上記回転磁界の作用とによって、回転子鉄心２２は、シャフト１を中心にして回転する。つまり、永久磁石式回転電機２０Ａも、永久磁石式回転電機２０と同様に、電動機として機能する。

以下、永久磁石式回転電機２０Ａの無負荷損失の測定方法について説明する。本実施形態に係る無負荷損失の測定も、図３に示すように、第１の実施形態のフローチャートと同様の手順にて実行される。ただし、本実施形態では、永久磁石２３の磁力を変化させる方法、つまりステップ１２の内容が第１の実施形態と異なる。以下、本実施形態におけるステップ１２の内容について説明する。

本実施形態では、瞬間的にｄ軸方向からｑ軸方向に磁束が抜けるような電流、かつ第１の永久磁石２３Ａの磁化が不可逆的に減少するような強さの電流を電機子コイル２６に通電する。具体的には、瞬間的に大きな直流電流、換言するとパルス電流を電機子コイル２６に通電する。なお、ｄ軸方向は、永久磁石２３の磁極の中心軸方向であり、ｑ軸方向は、回転子鉄心２２の周方向で互いに隣り合う永久磁石２３の磁極間の中心軸方向である。

電機子コイル２６に、上記のようなパルス電流が通電されると、電機子鉄心２５が、永久磁石２３の外側に外部磁界を発生させる。この外部磁界により、保磁力が小さい第１の永久磁石２３Ａは、減磁して磁極が反転する。一方、保磁力が大きい第２の永久磁石２３Ｂは、磁極が反転しない。また、第１の永久磁石２３Ａと、第２の永久磁石２３Ｂとは、磁化方向Ｂに重ね合わせて構成されている。その結果、永久磁石２３において、極性が同じ磁極同士が対向するので、永久磁石２３の磁力は減少する。この状態で、上記パルス電流を逆方向に電機子コイル２６に通電すると、第１の永久磁石２３Ａの磁力は増加するので、結果的に永久磁石２３の磁力も増加する。このようにして、本実施形態では、電機子コイル２６にパルス電流を通電することによって、永久磁石２３の磁力を変化させることが可能となる。

以上説明した第２の実施形態によれば、第１の実施形態と同様に、永久磁石２３の磁力の変化の前後で、トルク測定器１１がトルクＴを測定し、電圧計１２が誘起電圧Ｖを測定する。そのため、回転子鉄心２２に温度センサを取り付ける作業や、永久磁石が内蔵されていない模擬回転子鉄心を製作して、この模擬回転子鉄心を永久磁石が内蔵された正規の回転子鉄心と入れ替える作業が不要になる。よって、本実施形態のように永久磁石２３の磁力を変化させる方法によっても、簡易かつ高精度に永久磁石式回転電機２０の無負荷損失を求めることが可能となる。

以上、いくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例としてのみ提示したものであり、発明の範囲を限定することを意図したものではない。本明細書で説明した新規なシステムは、その他の様々な形態で実施することができる。また、本明細書で説明したシステムの形態に対し、発明の要旨を逸脱しない範囲内で、種々の省略、置換、変更を行うことができる。添付の特許請求の範囲およびこれに均等な範囲は、発明の範囲や要旨に含まれるこのような形態や変形例を含むように意図されている。

１０測定装置、１１トルク測定器、１２電圧計、１３算出部、２０永久磁石式回転電機、２１シャフト、２２回転子鉄心２３永久磁石、２５電機子鉄心、２６電機子コイル

Claims

シャフトを中心にして回転する回転子鉄心と、前記回転子鉄心に配置された永久磁石と、前記回転子鉄心を非接触に取り囲む電機子鉄心と、前記電機子鉄心に配置された電機子コイルと、を備える永久磁石式回転電機の無負荷損失の測定方法であって、
前記回転子鉄心が、前記永久磁石式回転電機に与えられた回転数指令によって無負荷回転しているときのトルクを第１のトルクとし、前記第１のトルクと、前記第１のトルクが発生しているときの前記電機子コイルに誘起される第１の誘起電圧と、を測定するステップと、
前記永久磁石の磁力を変化させるステップと、
前記永久磁石の磁力の変化後に、前記永久磁石式回転電機に前記第１のトルク発生時と同じ回転数指令を与え、前記回転子鉄心が前記シャフトと共に前記第１のトルク発生時の回転数と同じ回転数で無負荷回転しているときのトルクを第２のトルクとし、前記第２のトルクと、前記第２のトルクが発生しているときの前記電機子コイルに誘起される第２の誘起電圧と、を測定するステップと、
前記第１および第２のトルクと、前記第１および第２の誘起電圧と、に基づいて前記無負荷損失を算出するステップと、
を備える、永久磁石式回転電機の無負荷損失の測定方法。
前記永久磁石の磁力を変化させるステップは、前記永久磁石の温度を変化させるステップを備える、請求項１に記載の永久磁石式回転電機の無負荷損失の測定方法。
前記永久磁石の温度を変化させるステップは、前記回転子鉄心を負荷回転させるステップを備える、請求項２に記載の永久磁石式回転電機の無負荷損失の測定方法。
前記永久磁石の温度を変化させるステップは、前記回転子鉄心を、前記無負荷回転の回転速度よりも大きい回転速度で回転させるステップを備える、請求項２に記載の永久磁石式回転電機の無負荷損失の測定方法。
前記永久磁石の温度を変化させるステップは、前記電機子コイルへの通電により回転磁界が発生しているときに前記回転子鉄心の回転を拘束するステップを備える、請求項２に記載の永久磁石式回転電機の無負荷損失の測定方法。
前記永久磁石の磁力を変化させるステップは、前記永久磁石に外部磁界を加えるステップを備える、請求項１に記載の永久磁石式回転電機の無負荷損失の測定方法。
前記永久磁石が、磁化方向の厚さと保磁力との積が相互に異なる２種類以上の永久磁石で構成され、
前記永久磁石に外部磁界を加えるステップは、前記２種類以上の永久磁石のうちのいずれかの磁力を不可逆的に変化させるステップを備える、請求項６に記載の永久磁石式回転電機の無負荷損失の測定方法。
前記永久磁石に外部磁界を加えるステップは、前記電機子コイルにパルス電流を流すステップを備える、請求項６または７に記載の永久磁石式回転電機の無負荷損失の測定方法。
シャフトを中心にして回転する回転子鉄心と、前記回転子鉄心に配置された永久磁石と、前記回転子鉄心を非接触に取り囲む電機子鉄心と、前記電機子鉄心に配置された電機子コイルと、を備える永久磁石式回転電機の無負荷損失の測定装置であって、
前記回転子鉄心が前記永久磁石の磁力の変化の前後で無負荷回転するために、前記シャフトに加えられるトルクを測定するトルク測定器と、
前記永久磁石の磁力の変化の前後で、前記無負荷回転によって前記電機子コイルに誘起される誘起電圧を測定する電圧計と、
前記トルク測定器で測定された前記トルクと、前記電圧計で測定された前記誘起電圧と、に基づいて前記無負荷損失を算出する算出部と、
を備える、永久磁石式回転電機の無負荷損失の測定装置。