haratkhr技報

SRモータ技術研究所

記事の見直し

今月は、これまでの記事の見直しをしていきます。

 

2017 06 24

自転車の発電機 を追加しました。

 

2017 06 21

トランスの励磁突入電流 を追加しました。

 

2017 06 20

100記事に際して  の巻線の電流方向を記号で示した図を修正しました。

 

2017 06 18

PFC回路 を追加しました。

 

2017 06 15

SRモータはエネルギ-蓄積機器  で

SRモータがSMモータになっていたのを訂正しました。

 

2017 06 11 

 位置検出  に

整流子(ブラシ)による位置検出を追加しました。

 

2017 06 02

電流インバータによるパワーコンディショナ回路  に

実用試験品の主要部分の回路図を追加しました。

 

2017 06 01

電流トランス型DC/DCコンバータ回路 

VCEの決まり方の追加及び訂正、

太陽電池モジュールを一次側に使用した回路の例を追加しました。

100記事に際して

以下の記事より数えて 100になりました

 

2016-12-21  はじめに

SRモータの開発を行っています。

 SRモータを試作し特性をもとめ、基本動作を見直すことにより、従来の課題を解決する方策が見えてきました。

実験、試作、思考により得られた、モータの基本動作、磁気回路、駆動回路、NewSRモータ等について書ていきます。

実際に、SRモータ、駆動回路を設計し、試作、試験を行うのに必要な知識、ノウハウをまとめたいと思っています。

(NewSRモータの設計者教育資料として)

 

100記事に際して、上記のNewSRモータを紹介します。

出願した特許に近いですが、同一でありません。

 2相のSRモータで、フルブリッジの交流駆動駆動、全節巻を特徴としています。

 

詳細は以下に追加、編集していきます。

 

2017-5-21 

このSRモータは

SRモータの弱点  2.巻線の稼働率が低い 標準の6/4突極3相SRモータの場合、働いているいる巻線は1/3で、2/3の巻線は休んでいす。」

の改善をめざし、2相で、1/2の休みにし、集中巻より全節巻にし、全巻線が常に働くようにしています。

 

2017-5-22

巻線を擬似的に示します。

ダンボール紙の4突極に

2相SRモータは集中巻で2ターンX4 = 8ターン

NewSRモータは全節巻で2ターンX2 = 4ターン と巻線との関係を示しています。

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NewSRモータの巻数は、2相SRモータの半分となるため、巻線の断面積を2倍に出来るため、銅損が1/2になります。

  

巻線の電流方向を記号で示します。

NewSRモータは、半分の巻線数で、2相SRモータと同一の電流が得られています。

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 2017-5-23

駆動回路の例を示します。

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 2017-5-24

多極化の例を示します。

全巻線が常に電流が流れています。

DC相は電流の方向が一定ですが、AC相は交互に正、負と反転します。

電流を取り巻く磁束が発生し、磁束が加算する極と、打ち消しあう極があります。

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 従来の2相SRモータと同一の仕組みで同一のトルクが発生しますが、巻線の断面積が2倍にできるため、抵抗値が1/2のなり銅損が1/2になります。

 

 2017-5-25

出願した特許の駆動回路の例を示します。

DC相は永久磁石又は、電磁石で構成しています。

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 2017-5-26

従来のSRモータは、励磁により磁束が多くなった固定子の突極に回転子の突極を吸引します。

特許のSRモータは、永久磁石の磁束にAC相の磁束が加算又は減算され、固定子の突極間での磁束量の差を生じさせ、磁束が多くなった固定子の突極に回転子の突極を吸引します。

 直流モータも、永久磁石の磁束に回転子の巻線の磁束が加算又は減算され、磁束量の差を生じさせ、トルクを発生させています。

 

特許のSRモータと 直流モータは同一のしくみでトルクを発生させていると考えています。

但し、直流モータは固定子に磁石、回転子に巻線が配置されていますが、特許のSRモータは固定子に磁石、巻線が配置され、回転子は突極構造になっています。

 

 2017-5-28

動作確認

New SRモータ のなかで「動作が確認できました。」の一例を示します。

ある条件下で、下記の回路で商用60Hzの同期運転ができます。

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 2017-5-31

New SRモータの用途

長寿命のモータが主ですが、オルタネーターも有効な用途と考えています。

 

車の発電機にオルタネーターが用いられています。

回転数が変化しても出力電圧が一定になるように、クロウポール構造の回転子の励磁電流を制御しています。

回転子の励磁にブラシを用いているため寿命があり、約10万Kmで交換が必要です。

New SRモータは励磁電流を可変制御できるため、ブラシレスオルタネータとして使用出来ます。

 

従来のSRモータも発電機になりますが、励磁と出力が分離できないため、オルタネーターとして使用することは困難です。

自転車の発電機

自転車の発電機には、リブダイナモとハブダイナモがありますが、どちらも出力は直流でなく交流です。

ダイナモとは、整流子を使った直流発電機を意味しますが、発電機がダイナモと呼ばれる場合があります。

 

自転車の発電機は、特殊な構造になっています。

巻線は円形ボビンに巻かれ、低磁束密度で表面積の広いの磁石を用い、ヨークの磁路は1mm厚の鉄板で構成されています。

 

リブダイナモの磁路構造とハブダイナモの磁路構造は異なりますが、基本は同一です。

 リブダイナモの磁路を構成している鉄板を一部変更すると、ハブダイナモの磁気構造になります。

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磁極の内側に磁石が配置されたのがリブダイナモ、外側に磁石が配置されたのがハブダイナモです。

ハブダイナモの回転数はリムダイナモの約1/35回と低いため、多極化と大型化、高性能磁石の採用で出力電圧を高めています。

極数は、ハブダイナモ32極、リブダイナモ8極(4極)が一般です。

 

リブダイナモは回転数の大きいため、電気特性は有利で小型ですが、機械損失が大きい構造になっています(ベアリングは不使用)。

 

リブダイナモの仕組みを詳しく見てみました。

 

構造

磁石はN4極、S4極、計8極のフェライト磁石です。(Φ25mmX12mm)

巻線推定 線径0.35mm 200ターン(ボビンのマド7X7mm、占積率38%より)

巻線抵抗値 2.1Ω 

巻線L値 3.3mH(5.6mH磁石無し時)

 磁路 1 x 7 x 4 = 28 平方mm

磁路表面積 7 x 12 平方mm

磁石表面の磁束密度の推定 1.5TX1mm/12mm=0.125T以下で約0.1Tと推定します。

ギャップ 0.5mm

 

定格出力 (JIS C9502 自転車用灯火装置より)

・15km/hのとき 定格電圧 6V 定格出力2.4W (出力電流0.4A)

 15Km/h=250m/m ローラ径2cm -> 回転数 250x100/2x3.14=4000rpm

 ・5km/hのときの出力電圧は、速度15km/hのときの41%以上のこと。

・30km/hのときの出力電圧は、速度15km/hのときの133%以下のこと。

低速でも明るく、高速で白熱電球が切れない事を要求しています。

交流発電機と整流器を組み合わせた、車のオルタネータがエンジン回転数が変化しても出力電圧が一定になる事に近い要求です。

オルタネータは電磁石の電流を変えて磁束を制御して、出力電圧を一定にしていますが、自転車の発電機は永久磁石で磁束を制御できません。

 

負荷

白熱電球

直流特性(実測) DC6V/0.37A (DC2.5V/0.23A DC8V/0.44A)

 

 動作試験

電動ドライバーで回して発電しました。

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出力電圧 3.8V0p-> 2.7Vrms

周期 14ms 71.4Hz

回転数 71.4/4 x 60 =1071rpm

巻線抵抗値 2.1Ω と 巻線L値 3.3mHのため、負荷時は出力電圧が1.5V低下し、波形が少しかわりました。

(抵抗分 0.33Ax2.1Ω=0.7v )

 (L値分 jωL=2X3.14x71.4Hzx3.3mH=1.5 0.33Ax1.5=0.5V)

 

4000rpmの出力電圧の推定

比例計算では10V(2.7v X 4000/1071 = 10V)になりますが、周波数が高く(277Hz)なるためL値による電圧降下が大きくなって6Vになると思います。

 

自転車の発電機は周波数が高くなると、巻線L値のインピーダンスが大きくなることを利用して、出力電圧が高くなるのを抑えていると推定します。

 

電子制御が一般でない時代の知恵だと思います。

LEDが光源のリブダイナモもありますので、機会があれば見てみたいと考えています。

ステップモーターの仕様

仕様を簡略にまとめてみました。

 

鉄心

固定子の鉄心はt0.5mm1枚とかきましたが、実際は3枚で構成されています。

巻線を組み込むため2分割された2枚と、つなぎめの影響をなくすための1枚で構成されています。

分解調査はしていませんが、つなぎめはコイルのセンターと推定しています。

磁路断面 3mmX0.5mm

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巻線

抵抗 470Ω

インダクタンス 1.63H

線径 0.1mmと推定

巻数 23X1.5X0.38 / 0.1x0.1X3.14/4 = 1700Tと推定

 

電流波形

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 回転子の回転に伴って速度起電力が発生し、電流波形が変化しています。

電流は電圧と抵抗値で決まっていますが、立ち上がり時のdI/dtは電圧とインダクタンスで決まっています。

 

磁束密度推定

Bm=1.2VX2ms/1700TX3mmX0.5mm

  =0.94T

クオーツ時計のステップモーター

磁石の回転子を一つのコイルで回転させます。

固定子の鉄心はt0.5mm1枚で形状に工夫があります。

固定子のギャップ寸法が一様でなく、狭い部分と広い部分があります。

コイルに通電していない時、回転子のN極S極はギャップの狭い固定子にリラクタンストルクにより引き寄せられ、45°の方向で停止します。

コイルに通電すると、固定子のN極と回転子のS極、固定子のS極と回転子のN極が引き合い135°回転し、通電停止後45°回転します。

コイルに通電する前は、回転子が45°の方向で停止しているため、回転方向が一方向になります。

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 コイルへの印加電圧は1秒毎の正、負のパルス電圧です。

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駆動回路はベアーチップの専用ICで、その他の部品は水晶振動子コンデンサ0.2μFです。

出力回路はCMOSのフルブリッジと思われます。

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 100円ショップの掛け時計のムーブメントです。

このモータのコストは驚くほど安いと思います。

 

New SRモータの詳細

要望はありませんでした。

詳細の紹介に代えて、出願した特許の考え方を紹介します。

 

トルクの法則 の内容は、出願した特許の構成と異なりますが、考え方は共通です。

回転子に巻線、磁石を配置しないでトルクを得る方法を考えています。

 

トルクの法則 の中の回転子、突極、巻線の構造と構成を、効率よくトルクが発生するように変更して、特許の構成要素としています。

 回転子に巻線、磁石を配置しない、直流モータの動作に近いリラクタンストルクモータです。

特別な機構は設けてなく、容易に思いつく構造、構成です。

誘導モータの強み

全てのモータは、電流を流す巻線を選択する機構を持っています。

直流モータは整流子、同期モータ、SRモータは位置検出器と半導体駆動回路で巻線を選択しています。

 

誘導モータには巻線を選択する機構が無いようにみえますが、トランスの2次巻線として、電流を流す巻線が自動的に選択されています。

この単純な無損失な巻線を選択する機構は誘導モータの最大の強みです。

 しかし、トランスはVAの面から最大の弱点です。

 

一ヶ月にわたって、モータの動作原理の見直し、New誘導モータの可能性について検討をしてきましたが、New誘導モータの更新は、始動トルクの試験が完了するまで中断します。

 

カゴ型ローター

カゴ型ローターの鉄心は珪素鋼板にします。

フェライトにしないのは、回転子には鉄損失がほとんどないとされているからです。

又、珪素鋼板でないと高速回転に耐えられません。

 

回転子の鉄心には滑り周波数が印加されます。

駆動周波数は15kHzですが滑りを5%とすると1/20の750Hzになります。

フェライトの飽和磁束密度は珪素鋼板よりひくいので、磁束密度は約1/4に下がります。

スーパーコア高周波用途電磁鋼帯の使用で、定格回転時は、750Hz、0.35テスラです。

 

楽観的に、珪素鋼板で特性は出せると推定しています。

 この推定が間違っていると、開発は困難になりますが、 課題が見つかり、乗り越えるチャンスを得る幸運と考えます。

 

模擬開発に使用した二相誘導モータのカゴの導体は18本でした。

単純計算すると、16極のモータのカゴの導体は64本必要ですが、今後、検討していきたいと考えています。

 

励磁のフェライトコアの機械的強度は、問題無しと考えています。 

フェライト磁石を使用したDCモータの磁石は接着剤で固定されており、磁石と回転子の吸引力に十分耐えています。

 

多極化の巻線法

三相交流発電機のシンプルな巻線法を電機設計の教科書より抜粋します。

 単層巻線、二段巻線でq=3、三相、4極の巻線の場合は36溝となりますす。

U,V,Wを端子とし、X,Y,Zを短絡して中性点とするとスター結線が得られます。

電流の方向と磁束の方向を書いてみました。

トルクを発生させる2次電流と直交磁束の関係が分かります。

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二相16極の巻線法

二相4極モータより単純計算すると16X(16/4)=64溝になりますが、三相、4極の巻線を参考にして、溝数が最小になる巻線法を推定しています。

 

q=1、二相16極の巻線の場合は32溝となります。

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q=2、二相16極の巻線の場合は64溝となります。

 

フェライトコアを組み合わせて、動作確認の試作方法を考えています。

 

駆動周波数は250倍(15kHz/60Hz=250)で、フェライトの飽和磁束密度が低いので、磁束密度を約1/4に下げる必要がありますが、それでも巻数は1/50以下にになります。