1970年代の希土類永久磁石材料の発展に伴い、希土類永久磁石モータが誕生しました。永久磁石モータは希土類永久磁石を励磁に用い、永久磁石は着磁後に永久磁場を発生させることができます。その励磁性能は優れており、安定性、品質、損失低減の面で電気励磁モータを凌駕し、従来のモータ市場に大きな衝撃を与えました。

近年、現代科学技術の急速な発展に伴い、電磁材料、特に希土類電磁材料の性能と技術は徐々に向上しています。また、パワーエレクトロニクス、送電技術、自動制御技術の急速な発展と相まって、永久磁石同期モーターの性能もますます向上しています。

さらに、永久磁石同期モーターは、軽量、構造がシンプル、小型、特性良好、高出力密度といった利点を有しています。多くの科学研究機関や企業が永久磁石同期モーターの研究開発に積極的に取り組んでおり、その応用分野は今後さらに拡大していくでしょう。

1.永久磁石同期モータの開発基盤

a.高性能希土類永久磁石材料の応用

希土類永久磁石材料は、SmCo5、Sm2Co17、Nd2Fe14Bの3つの段階を経て発展してきました。現在では、NdFeBに代表される永久磁石材料が、その優れた磁気特性により、希土類永久磁石材料の中で最も広く使用されています。永久磁石材料の発展は、永久磁石モーターの発展を牽引してきました。

従来の電気励磁式三相誘導モータと比較して、永久磁石が電気励磁極に取って代わり、構造が簡素化され、回転子のスリップリングとブラシが不要になり、ブラシレス構造が実現され、回転子のサイズが縮小されます。これにより、モータの出力密度、トルク密度、作業効率が向上し、モータの小型軽量化が実現します。これにより、モータの応用分野がさらに拡大し、電動モータの高出力化が促進されます。

b.新しい制御理論の応用

近年、制御アルゴリズムは急速に発展しています。中でもベクトル制御アルゴリズムは、ACモーターの駆動戦略問題を原理的に解決し、ACモーターの優れた制御性能を実現しました。直接トルク制御の登場により、制御構造が簡素化され、パラメータ変化に対する回路性能が強く、トルクの動的応答速度が速いという特徴があります。間接トルク制御技術は、低速時の直接トルクの大きなトルク脈動の問題を解決し、モーターの速度と制御精度を向上させます。

c.高性能パワーエレクトロニクスデバイスおよびプロセッサの応用

現代のパワーエレクトロニクス技術は、情報産業と伝統産業をつなぐ重要なインターフェースであり、微弱電流と制御された強電流をつなぐ架け橋です。パワーエレクトロニクス技術の発展は、駆動制御戦略の実現を可能にします。

1970年代には、産業用周波数電力を連続的に周波数調整可能な可変周波数電力に変換できる一連の汎用インバータが登場し、交流電力の可変周波数速度制御の条件が整いました。これらのインバータは、周波数設定後にソフトスタート機能を備えており、周波数はゼロから設定周波数まで一定の速度で上昇します。また、上昇速度は広い範囲で連続的に調整できるため、同期モータの始動問題を解決しました。

2.国内外の永久磁石同期モータの開発状況

歴史上最初のモータは永久磁石モータでした。当時の永久磁石材料の性能は比較的低く、永久磁石の保磁力と残留磁気も低すぎたため、すぐに電気励磁モータに置き換えられました。

1970年代、NdFeBに代表される希土類永久磁石材料は、優れた保磁力、残留磁束密度、強力な消磁能力、そして大きな磁気エネルギー積を有し、高出力永久磁石同期モータが歴史の舞台に登場しました。現在、永久磁石同期モータの研究はますます成熟し、高速、高トルク、高出力、高効率へと発展しています。

近年、国内の学者や政府の強力な投資により、永久磁石同期モーターは急速に発展しました。マイコン技術と自動制御技術の発展に伴い、永久磁石同期モーターは様々な分野で広く利用されています。社会の発展に伴い、永久磁石同期モーターに対する人々の要求はますます厳しくなり、永久磁石モーターはより広い速度制御範囲とより高精度な制御へと発展してきました。現在の生産プロセスの改善により、高性能な永久磁石材料の開発がさらに進み、コストが大幅に削減され、徐々に生活の様々な分野への応用が進んでいます。

3. 現在の技術

a. 永久磁石同期モータの設計技術

通常の電気励磁モーターと比較すると、永久磁石同期モーターには電気励磁巻線、コレクターリング、励磁キャビネットがないため、安定性と信頼性だけでなく、効率も大幅に向上します。

その中で、内蔵永久磁石モーターは、高効率、高力率、高単位電力密度、強弱磁気速度拡張機能、高速動的応答速度などの利点があり、モーターの駆動に理想的な選択肢となっています。

永久磁石モータは永久磁石によって全ての励磁磁場を担っており、コギングトルクによってモータ運転時の振動や騒音が増加します。コギングトルクが過大になると、モータ速度制御システムの低速性能や位置制御システムの高精度位置決め性能に影響を及ぼします。そのため、モータ設計においては、モータの最適化によってコギングトルクを可能な限り低減する必要があります。

研究によると、コギングトルクを低減する一般的な方法としては、極弧係数の変更、ステータのスロット幅の縮小、スキュースロットと極スロットのマッチング、磁極の位置、サイズ、形状の変更などが挙げられます。ただし、コギングトルクを低減すると、電磁トルクの低下など、モーターの他の性能に影響を及ぼす可能性があることに注意する必要があります。したがって、設計時には、モーターの性能を最大限に引き出すために、様々な要素を可能な限りバランスよく考慮する必要があります。

b.永久磁石同期モータシミュレーション技術

永久磁石モータは永久磁石を使用しているため、設計者にとって無負荷漏れ磁束係数や極弧係数などのパラメータ計算が困難です。一般的に、永久磁石モータのパラメータ計算と最適化には有限要素解析ソフトウェアが用いられます。有限要素解析ソフトウェアはモータパラメータを非常に正確に計算できるため、モータパラメータが性能に与える影響を分析する際に非常に信頼性が高いと言えます。

有限要素法は、モーターの電磁場をより容易、迅速、かつ正確に計算・解析することを可能にします。これは差分法を基盤として開発された数値解析法であり、科学技術の分野で広く利用されています。数学的手法を用いて、連続した解領域を複数の単位に離散化し、各単位内で補間を行います。こうして線形補間関数が形成され、つまり有限要素を用いて近似関数をシミュレート・解析することで、モーター内部の磁力線の方向や磁束密度の分布を直感的に観察できるようになります。

c.永久磁石同期モータ制御技術

モータ駆動システムの性能向上は、産業用制御分野の発展においても重要な意義を有しています。これにより、システムを最高の性能で駆動することが可能になります。その基本特性は低速域で顕著であり、特に急速始動や静的加速時などにおいて大きなトルクを出力できます。また、高速駆動時には、広い範囲で定出力回転数制御を実現できます。表1は、いくつかの主要なモータの性能を比較したものです。

表1からわかるように、永久磁石モータは信頼性が高く、速度範囲が広く、効率が高いという特徴があります。適切な制御方式と組み合わせることで、モータシステム全体の性能を最大限に引き出すことができます。そのため、モータ駆動システムが比較的広い速度制御領域と定出力範囲で動作できるように、適切な制御アルゴリズムを選択して効率的な速度制御を実現する必要があります。

ベクトル制御法は、永久磁石モータの速度制御アルゴリズムに広く用いられています。速度制御範囲が広く、効率が高く、信頼性が高く、安定性に優れ、経済性に優れているという利点があり、モータ駆動、鉄道輸送、工作機械サーボなどに広く利用されています。用途の違いにより、現在採用されているベクトル制御戦略も異なります。

4.永久磁石同期モータの特性

永久磁石同期モータは構造が簡単で、損失が少なく、力率が高いという特徴があります。電気励磁モータと比較すると、ブラシや整流子などの素子がないため、無効励磁電流が不要で、固定子電流と抵抗損失が小さく、効率が高く、励磁トルクが大きく、制御性能が優れています。しかし、コストが高く、始動が難しいなどの欠点もあります。モータ制御技術、特にベクトル制御システムの応用により、永久磁石同期モータは広範囲の速度制御、高速な動的応答、高精度の位置決め制御を実現できるため、永久磁石同期モータはより多くの人々の注目を集め、広範な研究が行われるでしょう。

5.安徽明騰永久磁石同期モータの技術的特徴

a. モータは高い力率と電力網の品質係数を有しており、力率補償装置は不要で、変電所設備の容量を最大限に活用できます。

b. 永久磁石モーターは永久磁石によって励磁され、同期運転します。速度脈動がなく、ファンやポンプを駆動する際に配管抵抗が増加しません。

c. 永久磁石モーターは、必要に応じて高い始動トルク（3倍以上）と高い過負荷容量を持つように設計できるため、「大きな馬が小さな荷車を引っ張る」現象を解決できます。

d. 一般的な非同期モータの無効電流は、定格電流の約0.5～0.7倍です。Mingteng永久磁石同期モータは励磁電流を必要としません。永久磁石モータと非同期モータの無効電流は約50%の差があり、実際の動作電流は非同期モータよりも約15%低くなります。

e. モーターは直接始動するように設計でき、外部設置寸法は現在広く使用されている非同期モーターと同じであるため、非同期モーターを完全に置き換えることができます。

f. ドライバーを追加すると、ソフトスタート、ソフトストップ、無段階速度制御が実現でき、優れた動的応答とさらに向上した省電力効果が得られます。

g. モーターには多くのトポロジカル構造があり、広範囲かつ過酷な条件下でも機械装置の基本要件を直接満たします。

h. システム効率の向上、伝動チェーンの短縮、メンテナンスコストの削減を実現するために、ユーザーのより高い要求を満たす高速および低速ダイレクトドライブ永久磁石同期モーターを設計・製造することができます。

安徽明騰永久磁石機械電装有限公司（https://www.mingtengmotor.com/）は2007年に設立され、超高効率永久磁石同期モーターの研究開発、生産、販売を専門とするハイテク企業です。当社は、現代のモーター設計理論、専門的な設計ソフトウェア、自社開発の永久磁石モーター設計プログラムを活用し、永久磁石モーターの電磁場、流体場、温度場、応力場などをシミュレーションし、磁気回路構造を最適化してモーターのエネルギー効率レベルを向上させ、永久磁石モーターの信頼性の高い使用を根本的に確保しています。

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