使用事例

ベアリングレスモータの磁気支持制御

北海道大学　竹本　真紹先生

経歴
1999年　東京理科大学修士課程修了
1999年-2000年　東京工業大学工学部助手
2000年-2004年　東京工業大学理工学研究科助手
2004年-2005年　武蔵工業大学工学部助手
2005年-2008年　武蔵工業大学工学部講師
2008年　北海道大学情報科学研究科准教授、博士（工学）

研究内容

本研究室では、主に、モータと磁気軸受を一体化したベアリングレスモータとその制御システムに関する研究・開発を行っております。ベアリングレスモータは、一つの固定子に電動機巻線と軸支持巻線の2種類の巻線を備えることで、電動機と磁気軸受の機能を一体化したモータであります。このため、モータ単体でトルクの発生と回転子主軸の非接触磁気支持を同時に実現でき、磁気軸受の持つ非接触・無摩擦・無潤滑といった利点に加えて、磁気軸受を用いた場合よりも小型化できることから、高速化・低価格化といった利点も備えております。最近は、この様なベアリングレスモータの研究に加えて、通常の機械ベアリングを有する永久磁石同期電動機の高出力化・高効率化に関する研究も盛んに行っております。以上の研究を行うにあたり、実際に実験を行う前に、PSIMを用いてシミュレーションを行うことで、制御系の設計などを効率よく行うことができます。

PSIM使用事例

磁気軸受やベアリングレスモータの安定な軸支持運転を実現するには、磁気支持制御系を適切に設計する必要があります。そのため、これまでは、Matlab/Simulinkを用いてシミュレーションを行い、磁気支持制御系を設計しておりました。しかし、磁気支持制御系に及ぼすPWMインバータやデジタルコントローラの影響、さらには、(1)デットタイムの影響、(2)AD変換器の量子化誤差の影響、(3)インバータ容量の影響など、様々なドライブシステムの構成要素の影響を簡単に考慮するために、最近では、PSIMを用いてシミュレーションを行い、軸支持制御系を設計することが多くあります。

上図に、1軸能動制御型の磁気軸受の簡単な解析モデルを示します。図からも分かるように、PWMインバータなどを簡単に設計でき、大変重宝しております。図に示した解析モデルを用いて、回転子主軸を-500μmのタッチダウン位置から制御中心へ磁気浮上させた際の回転子変位波形の解析結果を下図に示します。青線が回転子変位の指令値、赤線が解析により求めた回転子変位であります。PSIMを用いて、磁気支持制御の解析が十分に行えることが確認していただけるかと思います。