PMSM (永久磁石同期モーター) 電気モーターのサプライヤーとして、私はこれらの高性能機械の複雑な仕組みについてよく質問を受けます。このブログでは、PMSM 電気モーターの固定子巻線がどのように機能するかを深く掘り下げ、その構造、動作原理、モーターの全体的な性能において固定子巻線が果たす重要な役割を探ります。
PMSMの固定子巻線の構造
ステータは PMSM の固定部分であり、その巻線は重要なコンポーネントです。固定子巻線は、導線 (通常は銅) で作られた複数のコイルで構成されています。これらのコイルは慎重に配置され、ステーター スロット内で特定のパターンで接続されます。
PMSM の固定子巻線の最も一般的なタイプは三相巻線です。で3相PMSMモーター、3 つの相は通常、U、V、W とラベル付けされます。各相のコイルはステーターの周囲に均等に配置され、交流電流が印加されると回転磁界を生成します。
巻線は集中または分散することができます。集中巻では、コイルのすべての巻数が隣接するスロットに配置され、製造が比較的簡単です。一方、分布巻きでは、コイルの巻数が複数の非隣接スロットに分散されます。分布巻には、磁場の正弦波分布の改善、高調波成分の低減、効率の向上など、いくつかの利点があります。
固定子巻線が回転磁界を生成するしくみ
固定子巻線がどのように機能するかを理解するには、まず回転磁界の概念を理解する必要があります。三相交流が PMSM の固定子巻線に供給されると、各相電流が独自の磁場を生成します。
三相電流が正弦波であり、相互に 120 度の位相差があると仮定します。いつでも、3 つの相によって生成される磁場はベクトル的に結合します。電源の交流特性により電流の大きさと方向が時間の経過とともに変化すると、結果として生じる磁場がステーターの周りを回転します。
数学的には、3 相の電流が次のように与えられるとします。
[i_U = I_m\sin(\omega t)]
[i_V = I_m\sin(\omega t - 120^{\circ})]
[i_W = I_m\sin(\omega t - 240^{\circ})]
ここで、(I_m) は最大電流、(\omega) は角周波数、(t) は時間です。各相によって生成される磁場は、それぞれの相電流に比例します。合成磁界 (\vec{B}_r) は、3 相の磁界 (\vec{B}_U)、(\vec{B}_V)、および (\vec{B}_W) のベクトル和です。
時間が経過しても、結果として生じる磁場の大きさは一定のままですが、その方向は交流の周波数によって決定される速度で回転します。回転磁場の同期速度 (n_s) は次の式で求められます。
[n_s=\frac{120f}{p}]
ここで、(f) は Hz 単位の電源周波数、(p) はモーターの極対の数です。
回転磁界とローター間の相互作用
PMSM のローターには永久磁石が含まれています。これらの磁石は固定磁場を生成します。ステータ巻線によって生成される回転磁界がロータ磁石の磁界と相互作用すると、トルクが生成されます。
磁気吸引と反発の原理によれば、ステーターの回転磁界の N 極はローターの永久磁石の S 極を引き付け、その逆も同様です。これにより、ローターは回転磁界と同じ方向に回転します。ローターは回転磁界と同じ速度で回転するため、PMSM は同期モーターと呼ばれます。
モーターで生成されるトルク (T) は、ステーターの磁界の強さ、ローターの磁界の強さ、およびそれらの間の角度の正弦の積に比例します。この角度は負荷角度として知られています。モーターに負荷がかかると、負荷角が増加し、負荷に打ち勝つためにより多くのトルクが生成されます。
PMSM の性能における固定子巻線設計の重要性
固定子巻線の設計は、PMSM の性能に大きな影響を与えます。適切に設計された巻線により、効率が向上し、損失が低減され、モーターの出力密度が向上します。
効率はモーターの性能にとって重要な要素です。分布巻を使用し、巻数とワイヤゲージを最適化することにより、磁界内の高調波成分を低減できます。これにより、ステータコアの渦電流損失とヒステリシス損失が低減され、効率が向上します。
電力出力と体積の比である電力密度も、適切な巻線設計によって改善できます。コイルあたりの巻き数を増やし、高品質の導電性材料を使用することにより、磁界の強度を高めることができ、モーターがより小さな体積でより多くの電力を生成できるようになります。
固定子巻線に基づくさまざまなタイプの PMSM
PMSM には、固定子巻線の構成に基づいてさまざまなタイプがあります。例えば、PMSM DC モーター多くの場合、インバータの助けを借りて DC 電源から電力を供給できる特殊なタイプの固定子巻線が使用されます。インバータは、DC 電力を固定子巻線に適した三相 AC 電力に変換します。
もう一つのタイプは、モーター出力 - ブラシ付きモーター。ブラシ付きモーターはブラシレス設計に比べて PMSM アプリケーションではあまり一般的ではありませんが、これらのモーターの固定子巻線は依然としてトルク生成のための磁界を生成する上で重要な役割を果たしています。
固定子巻線製造における課題
PMSM の固定子巻線の製造には課題がないわけではありません。主な課題の 1 つは、コイルの適切な絶縁を確保することです。コイルは動作中に高電圧と高温にさらされるため、絶縁が破壊されると短絡やモーターの故障につながる可能性があります。
もう 1 つの課題は、安定した巻線品質を達成することです。巻き数、巻きの固さ、コイルの配置を正確に制御する必要があります。これらのパラメータに変動があると、モーターの性能に影響を与える可能性があります。
結論
結論として、PMSM の固定子巻線は、モーターの動作において中心的な役割を果たす重要なコンポーネントです。回転磁界を生成し、ローターの永久磁石と相互作用してトルクを生成し、モーターを回転させます。固定子巻線の設計と製造は、モーターの効率、電力密度、および全体的な性能に大きな影響を与えます。
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参考文献
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- クラウス、PC、ワシンクズク、O.、およびサドホフ、サウスダコタ州 (2013)。電気機械および駆動システムの分析。ワイリー。