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設計技術シリーズ

交流モータの原理と設計法―永久磁石モータから定数可変モータまで―

著者: 樋口 剛氏(長崎大学)
阿部 貴志氏(長崎大学)
横井 裕一氏(長崎大学)
宮本 恭祐氏((株)安川電機)
大戸 基道氏((株)安川電機)
価格: 3,700円(本体)+税
判型: A5
ページ数: 291 ページ
ISBN: 978-4-904774-53-3
発売日: 2017/3/30

【著者紹介】

樋口 剛
(本書での執筆担当:第1章、第3章、第5章)1982年 九州大学大学院工学研究科博士課程修了
1982年 長崎大学工学部講師
現在   長崎大学大学院工学研究科グリーンシステム創成科学専攻教授 工学博士
主としてモータ・発電機の設計と制御に関する教育と研究に従事
阿部 貴志
(本書での執筆担当:第2章、第8.1節、第8.4節)1990年 長崎大学大学院工学研究科修士課程電子工学専攻修了
1990年 長崎大学工学部助手
1991年11月~1992年6月
トリノ工科大学電気工学科 (イタリア政府奨学生)
2005年 博士 (工学) (長崎大学) 学位取得
現在   長崎大学大学院工学研究科電気・情報科学部門 教授
主としてモータドライブ、パワーエレクトロニクスに関する教育と研究に従事
横井 裕一
(本書での執筆担当:第4章)2011年 京都大学大学院工学研究科博士後期課程修了 博士 (工学)
2011年 長崎大学工学部助教
現在   長崎大学大学院工学研究科助教
主として回転機の設計、非線形力学の工学的応用に関する研究に従事
宮本 恭祐
(本書での執筆担当:第6章、第7章)1983年 有明工業高等専門学校電気工学科卒業
1983年 株式会社 安川電機入社
以降、主に永久磁石同期機 (回転型・リニア型) の研究開発に従事。
2011年 長崎大学大学院工学研究科生産システム工学専攻 社会人博士課程入学
2013年 同校 博士課程修了 博士 (工学)
現在   株式会社 安川電機 システムエンジニアリング事業部
環境エネルギー事業統括部 開発担当マネージャ
主として再生可能エネルギー分野における発電機の設計と、省エネルギー分野向け高効率モータに関する技術開発業務に従事
大戸 基道
(本書での執筆担当:第8.2節、第8.3節)1986年 大分大学大学院工学研究科修士課程修了
1986年 株式会社 安川電機入社
以降、解析技術及び電動機の研究開発に従事
2005年 博士 (工学) (大分大学) 学位取得
現在   安川モートル株式会社 技術統括部長

【目次】

第1章 モータの原理と特性

  1. 1.1 交流モータの起磁力、電磁力と誘導起電力
    1. 1.1.1 起磁力と磁束
    2. 1.1.2 交流機の回転起磁力
    3. 1.1.3 電磁力
    4. 1.1.4 誘導起電力
    5. 1.1.5 交流機の誘導起電力
  2. 1.2 永久磁石モータの原理と特性
    1. 1.2.1 永久磁石モータの原理
    2. 1.2.2 永久磁石モータの構造
    3. 1.2.3 永久磁石モータの特性
  3. 1.3 三相誘導モータの原理と特性
    1. 1.3.1 三相誘導モータの原理
    2. 1.3.2 三相誘導モータの構造
    3. 1.3.3 誘導モータの特性
  4. 1.4 スイッチトリラクタンスモータの原理と特性
    1. 1.4.1 リラクタンスモータ
    2. 1.4.2 SRモータの原理
    3. 1.4.3 SRモータの特性
    4. 1.4.4 セグメント構造SRモータ

第2章 モータの制御法

  1. 2.1 モータドライブの概要
    1. 2.1.1 構成要素
    2. 2.1.2 負荷特性
    3. 2.1.3 制御構成
    4. 2.1.4 速度制御の概念
  2. 2.2 交流モータモデル
    1. 2.2.1 座標変換
    2. 2.2.2 同期モータモデル
    3. 2.2.3 誘導モータモデル
  3. 2.3 交流モータの制御方式
    1. 2.3.1 永久磁石型同期モータの制御
    2. 2.3.2 誘導モータの制御

第3章 モータ設計の概要

  1. 3.1 交流モータの設計概論
    1. 3.1.1 交流モータの出力方程式と装荷
    2. 3.1.2 設計概説
  2. 3.2 主要寸法の決定
    1. 3.2.1 装荷分配法
    2. 3.2.2 D2l
  3. 3.3 最適設計
    1. 3.3.1 SPMSM最適設計の定式化
    2. 3.3.2 最適設計例
  4. 3.4 評価関数

第4章 電気回路設計

  1. 4.1 巻線
    1. 4.1.1 同期機の電機子巻線と誘導機の一次巻線
    2. 4.1.2 同期機の界磁巻線
    3. 4.1.3 誘導機の二次巻線
  2. 4.2 回転起磁力と巻線係数
    1. 4.2.1 分布巻
    2. 4.2.2 集中巻
    3. 4.2.3 整数スロット巻線と分数スロット巻線
  3. 4.3 かご形誘導機の固定子と回転子のスロット数の組合せ
    1. 4.3.1 ギャップ磁束密度分布
    2. 4.3.2 停止時 (ωm=0) における高調波成分の影響
    3. 4.3.3 正回転時 (ωm>0) における高調波成分の影響
    4. 4.3.4 逆回転時 (ωm<0) における高調波成分の影響
    5. 4.3.5 ラジアル力のアンバランス
    6. 4.3.6 スロット数の組合せ
  4. 4.4 材料
    1. 4.4.1 導電材料
    2. 4.4.2 絶縁材料

第5章 磁気回路設計

  1. 5.1 磁性材料
    1. 5.1.1 強磁性体材料
    2. 5.1.2 永久磁石材料
  2. 5.2 磁気回路設計の基礎
    1. 5.2.1 磁化曲線と動作点
    2. 5.2.2 磁束の漏れの考慮
  3. 5.3 磁石設計の基礎
    1. 5.3.1 磁化曲線と動作点
    2. 5.3.2 永久磁石の減磁曲線
    3. 5.3.3 環境変化と動作点

第6章 永久磁石モータの設計

  1. 6.1 モータ定数の向上
    1. 6.1.1 PMSMのトルク速度特性
    2. 6.1.2 モータ定数
    3. 6.1.3 モータ定数と特性の関係
    4. 6.2 出力範囲の拡大
  2. 6.3 トルク脈動の低減
    1. 6.3.1 コギングトルク
    2. 6.3.2 リップルトルク
  3. 6.4 永久磁石界磁設計
    1. 6.4.1 耐熱減磁設計
    2. 6.4.2 磁石形状とトルクリップルの関係
    3. 6.4.3 磁石形状と磁石減磁特性
  4. 6.5 電機子巻線設計
    1. 6.5.1 整数スロット巻線と分数スロット巻線
    2. 6.5.2 高効率巻線設計例
    3. 6.5.3 Slot Star Diagram
    4. 6.5.4 Slot Star Diagramによる起磁力解析
    5. 6.5.5 Slot Star Diagramによる巻線係数kwの導出
    6. 6.5.6 モータ形状と評価関数の関係
  5. 6.6 SPMSMとIPMSMの特性と応用例
    1. 6.6.1 ロータ構造と定出力特性の関係
    2. 6.6.2 SPMSMとIPMSMの応用例
  6. 6.7 永久磁石モータの設計例

第7章 誘導モータの設計

  1. 7.1 トルク発生原理の相違
  2. 7.2 誘導モータ設計のポイント
    1. 7.2.1 電機子起磁力の正弦波化
    2. 7.2.2 励磁電流の低減化設計
    3. 7.2.3 ロータ冷却設計
  3. 7.3 可変速用誘導モータ 用途例
    1. 7.3.1 V/f 制御およびベクトル制御の相違点
    2. 7.3.2 定トルク負荷特性用途 (エレベータ用)
    3. 7.3.3 2乗逓減トルク負荷特性用途 (送風機・コンプレッサ用)
    4. 7.3.4 定出力負荷特性用途 (工作機械主軸)
  4. 7.4 誘導モータの設計例
    1. 7.4.1 電機子仕様
    2. 7.4.2 ロータ仕様
    3. 7.4.3 磁気回路設計
    4. 7.4.4 その他の回路定数計算
    5. 7.4.5 設計結果まとめ

第8章 定数可変モータ

  1. 8.1 定数可変・界磁可変モータの研究動向
  2. 8.2 巻線切替えモータ
    1. 8.2.1 モータの概要
    2. 8.2.2 ドライバの概要
    3. 8.2.3 巻線切替え時の動作説明
  3. 8.3 可変界磁モータ
    1. 8.3.1 可変界磁モータの構造
    2. 8.3.2 モータ特性
    3. 8.3.3 駆動特性
  4. 8.4 半波整流ブラシなし同期モータ
    1. 8.4.1 モータ構成と特長
    2. 8.4.2 半波整流ブラシなし励磁法とトルク発生原理
    3. 8.4.3 実験機の試作と実験結果
    4. 8.4.4 定常特性解析結果

【参考文献】

  • T. Higuchi, Y. Yokoi, T. Abe, and T. Egawa, Fundamental Characteristics of a Novel Self-Starting Type Permanent Magnet Synchronous Motor, Proceedings of The 15th International Conference on Electrical Machines and Systems, No. LS4A-3 (2012.10)
  • 小山純、樋口剛、エネルギー変換工学、朝倉書店 (2013)
  • 森本茂雄、真田雅之、省エネモータの原理と設計法、科学情報出版株式会社 (2013)
  • 樋口剛、阿部貴志、小山純、アルミブロックに鉄心を埋め込んだ新型セグメント構造スイッチトリラクタンスモータの振動・騒音特性、日本AEM学会誌、Vol.15、No.4 (2007.12)
  • D. Yamaguchi, T. Higuchi, T. Abe, Y. Yokoi, A Characteristic Experiment of 4-phase Segment Type Switched Reluctance Motor, Proceedings of The 15th International Conference on Electrical Machines and Systems, No. LS5B-3 (2012.10)
  • O. Kaneki, T. Higuchi, Y. Yokoi, T. Abe, Y. Miyamoto, M. Ohto, Performance of Segment Type Switched Reluctance Motor using Grain-Oriented Electric Steel, Proceedings of The 15th International Conference on Electrical Machines and Systems, No. LS5B-4 (2012.10)
  • 内藤治夫:「実用モータドライブ制御系設計とその実際」、(株) 日本テクノセンター、2006年
  • 松瀬貢規:「電動機制御工学-可変速ドライブの基礎-」、電気学会、2007年
  • 片岡昭雄:「電動機の可変速駆動入門」、森北出版 (株)、2004年
  • 森本茂雄・真田雅之:「省エネモータの原理と設計法」、科学情報出版 (株)、2013年
  • 引原隆士・木村紀之・千葉明・大橋俊介:「パワーエレクトロニクス」、朝倉書店、2000年
  • (株) 日立製作所総合教育センタ技術研修所:「小型モータの技術」、オーム社、2002年
  • パワーエレクトロニクスハンドブック編集委員会:「パワーエレクトロニクスハンドブック」、オーム社、2010年
  • 電気学会:「電気工学ハンドブック第7版」、オーム社、2013年
  • 森本雅之:「入門インバータ工学」、森北出版(株)、2011年
  • 廣田幸嗣・足立修一・出口欣高・小笠原悟司:「電気自動車の制御システム」、東京電機大学出版、2009年
  • 多田隈進・石川芳博・常広譲:「電気機器学基礎論」、電気学会、2004年
  • 電気学会電気自動車駆動システム調査専門委員会:「電気自動車の最新技術」、オーム社、1999年
  • 竹内寿太郎原著、電機設計学、オーム社(1992)
  • T. Higuchi, J. Oyama and T. Abe, Design Optimization of Surface PM Synchronous Motor for Servo Usage, Con. Rec. of 15th International Conference on Electrical Machines, No. 604 (2002.8)
  • 見城尚志、SRモータ、日刊工業新聞社 (2012)
  • 宮本恭祐、永久磁石同期機における高効率化と実用化に関する研究、博士論文 (長崎大学) (2014.3)
  • 小山純、樋口剛:エネルギー変換工学、朝倉書店、2008
  • Philip H. Alger: Induction Machines, Second Ed., Gordon and Breach, Science Publishers, 1970
  • Essam S. Hamdi: Design of Small Electrical Machines, John Wiley & Sons Ltd., 1994
  • 磯部昭二 他:電気機器絶縁の実際、開発社、1988
  • 関井康夫:電気材料、丸善、2001
  • 速水敏幸:電気設備の絶縁診断、オーム社、2001
  • 広瀬敬一、炭谷英夫:電機設計概論[4版改訂]、電気学会、2007
  • 小山純、樋口剛、エネルギー変換工学、朝倉書店 (2013)
  • 榎本裕治他、国際高効率規格IE5レベルを達成したアモルファスモータ、日立評論、Vol.97、No.06-07、pp.50-55 (2015)
  • 三谷宏幸、次世代磁性材料 「磁性鉄粉」 への期待、神戸製鋼技報、Vol.65、No.2、pp.12-15 (2015)
  • 大川光吉、永久磁石回転機、総合電子出版社 (1978)
  • 見城尚志・永守重信:「第7章 DCサーボモータの動特性」"メカトロニクスのためのDCサーボモータ"、株式会社コロナ社、pp.157-176 (1982.06.21初版)
  • 岡田養二・長坂長彦:「第3章 電気サーボモータ」"サーボアクチュエータとその制御"、株式会社コロナ社、pp.59-110 (1985.11.20初版)
  • 宮本恭祐、猪ノ口博文:「低コギングトルクモータの開発」、技報安川電機、第53号 第4号 通巻205号、pp.304-312 (1989年)
  • 宮本恭祐、森下大輔、樋口剛、阿部貴志:「大型風力発電用中速型永久磁石同期発電機の開発」電学論D、Vol.134、第2号、pp.156-164 (2014-2)
  • Yasuhiro Miyamoto, Tsuyoshi Higuchi, Takashi Abe, Yuichi Yokoi : "Fractional Slot Winding Design Method of Permanent Magnet Synchronous Machines using Slot Star Diagram", Proc. of International Conference on Electric Machines and Systems (2013-10)
  • 宮本恭祐、田邊政彦、樋口剛、阿部貴志:「永久磁石型リニア同期モータにおけるコギング推力低減の検討」 電学論D、Vol.133、第11号、pp.1040-1047 (2013)
  • Yasuhiro Miyamoto, Tsuyoshi Higuchi, Takashi Abe, Yuichi Yokoi : "Fractional Slot Winding Design Method of Permanent Magnet Synchronous Machines using Slot Star Diagram", Proc. of International Conference on Electric Machines and Systems (2013-10)
  • Hitachi Material, Ltd. カタログNo.HG-A27 (2013.7)
  • 執行岩根:「分数スロット巻線」"電気機械設計論"、丸善出版株式会社、p.224 (1950)
  • 宮本恭祐、樋口剛、阿部貴志:「永久磁石同期機におけるモータ定数密度最大化設計の検討」 回転機研究会資料RM-13-124 (2013年11月)
  • ohannes Klamt : "Berechnung und Electrisher Maschunen", produced by Springer-Verlag pp.192-198 (1962)
  • 大山和伸:「リラクタンストルク応用電動機の高性能化動向」、電学論D、123巻2号、pp.63-66 (2003)
  • 沢村光次郎、山本栄治、宮本恭祐、沢俊裕:「工作機主軸ドライブへのIPMモータの適用」、半導体電力変換・産業電力電気応用合同研究会資料 SPC-97-122・IEA-97-14、pp.37-42 (1997.11.28)
  • Rudolf Richter 原著、廣瀬敬一監修:電気機械原論、コロナ社、pp.182-189 (昭和42年)
  • 竹内寿太郎、磯部直吉:「1.2 鉄心材料と磁化曲線および鉄損」"初等数学でわかる電気機器設計(第3版)"、株式会社オーム社、pp.2-5 (昭和61年03月30日第3版第5刷)
  • 村上孝一著 「大学課程 電気機器工学」、3.4 等価回路 (Equivalent circuit)、pp.48-50、オーム社出版局
  • 横関政洋、山口正人著 「[改訂版] 徹底解説 電動機・発電機の理論」、第4章同期機、第5章誘導機、pp.128-140、pp.228-246、Energy Chord出版 (2015年10月改訂版)
  • 宮本恭祐 長崎大学大学院学位論文 「永久磁石同期機における高効率化と実用化に関する研究」、第3章 高効率・高精度巻線方式~分数スロット巻線方式の検討~ (分数スロット巻線特性解析手法の研究)、pp.51-94、長崎大学電子リポジトリ
    (http://naosite.lb.nagasaki-u.ac.jp/dspace/handle/10069/34097)
  • 竹内寿太郎原著 「大学過程 電機設計学」、3.2 三相同期発電機の設計、pp.63-67、オーム社出版局
  • 安川モートル株式会社 中大容量高圧三相かご形誘導電動機NBシリーズ カタログ
  • 電気工学ハンドブック (第7版) 15編 同期機・誘導機8章、8.1節 3相誘導電動機、p.787、電気学会 (2013年9月20日)
  • 野田伸一、小山泰平、白石成智共著、第29回モータ技術シンポジウムテキスト、セッションF1 大容量モータの冷却技術、「省メンテナンス・低騒音を目指す鉄道車両の全閉外扇形主電動機の開発 (株式会社 東芝)」、日本能率協会 (2009年4月15日)
  • (株) 安川電機編 「インバータドライブ技術 (第3版)」、1.2 電動機の種類と動作原理、pp.12-15、日刊工業新聞社
  • (株) 安川電機 スーパー省エネ高圧インバータFSDrive-MV1S、FSDrive-MV1000カタログ
  • (株) 安川電機編 「インバータドライブ技術 (第3版)」、1.6 誘導電動機の高性能制御、pp.60-72、日刊工業新聞社
  • (株) 安川電機編 「インバータドライブ技術 (第3版)」、13.1 エレベータ、pp.279-287、日刊工業新聞社
  • (株) 安川電機編 「インバータドライブ技術 (第3版)」、6.1 ファン・ブロワの運転特性、pp.187-189、日刊工業新聞社
  • 三井三池製作所 トンネル送風機 ホームページ:
    https://www.mitsuimiike.co.jp/product/hydraulics/index.html
  • (株) 安川電機編 「インバータドライブ技術 (第3版)」、第8章 工作機械 (2) 主軸ドライブ、pp.211-224、日刊工業新聞社
  • 社団法人 日本工作機械工業会 「3.2 主軸関連の設計」"工作機械の設計学 (応用編) ―マザーマシン設計のための基礎知識―"、pp.179-214(平成15年6月10日)
  • (株) 安川電機 工作機械用主軸モータカタログ 「工作機械用AC主軸ドライブ VARISPEED-626M5 DRIVE ビルトインモータ対応形」 資料番号KA-S626-7.3B (2010年5月作成)
  • 竹内寿太郎著 「初等数学 電気機器設計」、3.6 かご形誘導電動機の設計、オーム社出版局
  • H. Sequentz著、三井久安、松延謙次、松井昌夫訳 「電機コイルの製作と保守」、同期機および誘導機の固定子コイル、開発社 (1990年1月初版)
  • 日野太郎編集「JIS使い方シリーズ 電気絶縁材料選択のポイント」、2 回転機、2.1 はじめに、pp.23-28、2.2 回転機への絶縁材料適用例、pp.28-43、日本規格協会 (1987年5月30日初版)
  • R. リヒター原著、廣瀬敬一監修、一木利信外訳「電気機器原論」、コロナ社、(昭和42年5月30日初版)
  • 竹内寿太郎原著「大学課程 電機設計学」、4.2 巻線形三相同期発電機の設計例、pp.81-38、オーム出版局
  • 前村明彦:「埋込み磁石形同期電動機の電子巻線切替えによる速度範囲の拡大方法」、平成22年電気学会産業応用部門大会、Vol.II、No.2-S8-6、pp.93-96 (2010)
  • V. Ostovic, "Memory motors", Industry Applications Magazine, IEEE, Vol.9, Issue.1, pp.52-61(2003)
  • 堺和人、結城和明、橋場豊、高橋則雄:「可変磁力メモリモータの原理と基本特性」、平成21年電気学会産業応用部門大会、No.3-10、pp.179-184 (2009)
  • 新田勇、前川佐理、志賀剛、「直列型可変磁力モータ」、電気学会全国大会、No.5-013、pp.20-21 (2010)
  • 金弘中、岡部悟、宮崎泰三、日野徳昭:「永久磁石を用いた可変磁束モータの動作原理と基本特性」、平成21年電気学会全国大会、No.5-160、pp.26-27 (2009-3)
  • 周広斌、宮崎泰三、川又昭一、金子大吾:「電気自動車に適用する磁束可変型永久磁石モータの性能評価」、平成22年電気学会全国大会、No.5-014、pp.22-23 (2010-3)
  • 野中剛、牧野省吾、平山雅之、大戸基道:「可変界磁モータの効率評価」、平成23年電気学会産業応用部門大会、Vol.I, No.1-O6-3、pp.91-94 (2011)
  • 大賀荘平、石井隆明、野中剛、大戸基道:「可変界磁モータの試作と評価」、平成25年電気学会産業応用部門大会、Vol.Ⅲ、No.3-32、pp.201-206 (2013)
  • 加藤崇、赤津観:「漏れ磁束制御型可変特性モータの磁石動作点特性」、平成27年電気学会産業応用部門大会、Vol.Ⅲ, No.3-1、pp.65-70 (2015)
  • Takashi Kato, Hiroki Hijikata, Masanao Minowa, Kan Akatsu, Robert D Lorenz:「Design Methodology for Variable Leakage Flux IPM for Automobile Traction Drives」、IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE), pp.3548-3555 (2014)
  • 加藤崇、簔輪昌直、土方大樹、赤津観:「可変漏れ磁束特性を利用した埋込磁石型同期モータの高効率化」、平成26年電気学会産業応用部門大会、Vol.Ⅲ、No.3-13、pp.139-142 (2014)
  • 井上正哉、黒田洋一、守田正夫、東道年、枦山盛幸:「脱レアアース②-クローポールモータの可能性」、平成22年電気学会産業応用部門大会、Vol.II、No.2-S8-3、pp.77-80 (2010)
  • 小山純、阿部貴志、樋口剛、山田英二:「永久磁石を併用した半波整流ブラシなし同期電動機の定常特性」、電学論D、109巻、7号、pp.507-514 (1989)
  • 小坂卓、松井信行:「省希土類系磁石ハイブリッド界磁モータのHEV応用への可能性」、平成22年電気学会産業応用部門大会、Vol.II、No.2-S8-4、pp.81-86 (2010)
  • 小坂卓、廣瀬孝明、松井信行:「省レアアース磁石HEMの実験運転特性検討」、平成23年電気学会産業応用部門大会、Vol.I、No.1-O6-2、pp.85-90 (2011)
  • 山田健二・前村明彦:「EV・HEV用モータドライブシステム」、技報安川電機、第74巻、第3号、pp.152-157 (2010)
  • 池田史亮・東川康児・川副洋介:「EV用モータドライブシステムの開発」、技報安川電機、第76巻、第3号、pp.134-136 (2012)
  • 野中剛、牧野省吾、平山雅之、大戸基道:「可変界磁モータ」、技報安川電機、第75巻、第4号 (2011)
  • 石井隆明、大賀荘平、野中剛、大戸基道:「可変界磁モータの制御と効率評価」、電気学会産業応用部門全国大会 Vol.Ⅲ、No.3-35、pp.223-228 (2014)
  • 小山純、鳥羽俊介、樋口剛、山田英二:「半波整流ブラシなし同期電動機の原理と基礎特性」、電学論D、107巻、10号、pp.1257-1264 (昭62)
  • 小山純、樋口剛、阿部貴志、山田英二:「永久磁石を併用した半波整流ブラシなし同期電動機の特性解析」、電気学会論文誌D、113巻2号、pp.238-246 (1993)
  • 阿部貴志,小山純,樋口剛:「半波整流ブラシなし同期電動機の位置センサレス始動位置検出法」、電気学会論文誌D、124巻、6号、pp.589-598 (2004)

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