SPM(SurfacePermanentMagnet)の電磁界解析

SPMモータは永久磁石を用いており、モータトルクの直線性が良いことから制御性に優れています。
本事例では、電磁界解析ソフトAnsys Maxwellを用いてSPMモータについてインバータ回路を連成したトルクなどモータ特性を算出した結果についてご紹介します。

解析の目的・背景

日本では永久磁石を用いたPM(Permanent Magnet)モータが最も使用されており、高効率・小型の特徴から自動車や白物家電、産業機器など幅広く使用されています。そのため使用用途に応じた出力が必要となり、SPMモータでは制御性に優れていることから、インバータ回路を用いた環境で使用されています。
解析ではインバータ回路とSPMモータを連成した解析事例を紹介します。

解析手法

本事例では、2Dの8極12スロットの三相永久磁石同期モータ(表面磁石型)を想定し、半径40mmのステータコアと半径17mmのロータコアを1/4対称モデルとし、回転速度を5000rpmとし、巻線ターン数を30ターンとし、三相電流をそれぞれ与えて解析を実施しました。
Maxwell Circuit Designを用いて外部回路として100Vdcを印加し、ダイオードや抵抗、コンデンサ、パルス電圧等を組み合わせ、120度通電形3相インバータ回路を設定します。

解析モデルと解析条件

解析モデルとメッシュ

図2に解析モデルを示します。ロータコア周辺のオブジェクトは回転を定義するためにInner_Regionを設定しています。

図3に解析モデルのメッシュを示します。モータの磁界が発生する場所は精度を上げて結果を確認する必要がありますが、本モデルではロータコアとステータコア、磁石モデルはメッシュサイズを設定しています。

解析条件

解析条件は回転速度と極数から電気角3周期分の解析時間になるように設定し、時間ステップは電気角1周期当たり90ポイントに設定しました。場の保存は最終タイムステップのみ保存されるようにしました。

解析結果：磁場分布

図３に磁場解析の結果を示します。ロータコアが回転した時の磁束密度を確認することができます。

図4はトルクとコアロスの計算結果になります。トルクは一定周期が得られていることが確認できます。またコアロスは時間経過によって増大する傾向が見られ、最大22Wのコアロスが発生していることがわかります。
本解析手法では、インバータ回路とSPMモータを連成した解析を実施し、磁場分布やコアロス、トルクの算出結果を紹介しました。