効率的で静かなモータードライブの設計

YAMAKURA

この記事は、Designing efficient and silent Motor Drivesを日本語に翻訳したものです。

 

電気駆動装置の採用の主な原動力のひとつは、電気駆動装置が提供する高いレベルの効率性です。パワーエレクトロニクスとデジタル制御のおかげで、電気駆動装置は持続可能性を向上させ、機械的な動作を生み出すのに必要なエネルギー消費を削減するように調整・最適化することができます。電気自動車やその他の電気自動車にとって、これは車の航続距離に直結するため不可欠なことです。

電力変換器とその制御は、電気モーターに直接影響を及ぼします。これらのコンポーネントを別々に設計した場合、初めて接続したときに残念な動作に遭遇することがあります。これらの複雑な相互作用を詳細に理解するためには、設計プロセスの早い段階で仮想テストを行い、すべての性能要件が満たされていることを確認する必要があります。これは、モータードライブの効率だけでなく、温度上昇やノイズの問題を観察するためでもあります。

シミュレーション技術によって、ドライブの各コンポーネントとそれらがどのように相互作用するかを詳細に表現することで、このような評価が可能になりました。これにより、さまざまな状況を仮想的にテストすることができ、設計の遅れやコストの上昇を防ぐことができます。モータードライブのシミュレーションを行う場合、収束と妥当な解答時間を確保するために、モーターや電力変換器などのコンポーネントを簡略化して表現することがよくありますが、これは複数の設計要素が絡む詳細な解析には理想的ではありません。Altairのソリューションは、電力変換器やモーターの最適でないモデルの使用を可能にし、さまざまな設計上の決定がシステム性能に与える影響を把握します。 これは、自動車、航空宇宙、重工業用車両の電動化で使用されるすべてのモータードライブに広く適用できます。

モータードライブは、パワーエレクトロニクスおよびモーター制御設計専用のツールである Altair® PSIM™でシミュレーションすることができます。さらに、Altair® Flux®やAltair® FluxMotor®などの有限要素ベースのツールは、PSIMで直接使用できる電気機械の低次モデルを提供し、1次元で表現されたシステムの残りの部分と接続することができます。モータとインバータの両方に高忠実度モデルを使用することができます。主な関心事は、複合モータ駆動の効率、モータの制御性、機械の開発トルクへの影響です。特に、トルクの空間高調波リップルは、騒音、振動、ハーシュネス（NVH）の原因となるため、十分に大きく、十分に低い周波数で発生する可能性があるため、開発トルクは重要なポイントです。

Fig 1: PSIMにFluxを結合したフルモータードライブのシミュレーション

 

Fig. 2: モーター単体、インバーター、グローバルモータードライブの効率マップ

 

Fig. 3: 純正弦波電源とPWMの温度比較