モータやインバータの効率試験を解りやすく解説

このアプリケーションの電源は、ほとんどの場合バッテリですが、DCバスを作成するためにAC電源と整流器システムを使用することがあります。このDCバスはDC-DCコンバータを使用して、インバータに供給される電圧を上下できます。DCバスの電圧レベルを調整するため、DC-DC コンバータがバッテリシステムに組み込まれている場合があります。このバッテリは通常リチウムイオン方式で、自動車部品アプリケーション用の 200 V～400 V の範囲ですが、 600 V～800 V の可能性もあります。使用条件が難しくなるので大半のケースでは、DC電位はこのレベルを上回ることはありません。

モータ制御は、具体的にどのように行うのかについて、あまり公表されていません。それはソフトウェアであるため、内容を秘密にしやすい性格を持っています。コントローラは、トルクと速度の数値に対応して、スイッチング周波数、パルス幅変調（PWM）方式や効率を最適化する方法を決定します。この状況は、１サイクル以内で急速に変動します。モータの種類にかかわらず、ほとんどの制御タイプは、磁界方向制御（ FOC ）です。普及が進んでいる制御方式は、デッドビート電流制御ですが、すべての電流制御は閉ループ制御になります。

この制御ではdq0変換が使用されます。これは必要に応じて、3相PWMを視覚化して制御するための数学的変換です。3相を2相のように見せるための位置参照を使用する単純なサイン・コサインの操作で行えます（簡単ではありません）。

誘導モータを理解し制御するための数学の歴史を見ると、その研究は誘導モータの発明から約50年の歳月を要しました。誘導モータを理解できるようになる50年も前からモータは使用されていたことは驚くべきことです！

まずコンピュータモデルで検証します。モデルの製作は安価で、最適化されたモータを迅速にシミュレーションできます。実物のモータとコントローラの製作は、迅速にはできません。モータとコントローラの最適化はコンピュータモデルとFEAで行われています。実物を作る前に必ずこれを行います。コンピュータモデルはモータとインバータの特性の予測が非常に良くでき、信じられないほど便利なツールです。ほとんどの事業所では、モデルを検証する多数のエンジニアが所属するグループをもっています。研究者はモデルによる検証を行い、モデル段階での設計精度を確認できます。つまり、モデルを使用して、モータとコントローラの性能を予測することができます。HBM製品は、このコンピュータモデルを検証する分野で活用できます。

結局、ほとんどのアプリケーションでサイズの制限およびコスト制約があるので、性能を決める多くの変数はモータの設計が始まる前に決定します。

したがって、開発者が使用したい制御プランに基づいて、トポロジと細部の選択を事前に行います。また、冷却方式やモータの巻線の設計などの選択も行います。モータの主なタイプには、誘導、永久磁石、巻線、スイッチドリラクタンスがあります。誘導モータは制御が簡単で、最もよく理解されている分野で、産業を支えている主要な方式です。しかし、欠点は、磁場を励起する必要があり、その結果損失が生じます。永久磁石（PM）モータは、磁石がロータの磁界を供給するのでロータで損失が発生せず、より高い出力密度を持っています。このため、効率が重要でサイズが制限される用途では、たくさん使用されています。

PMモータを様々なモードで運転するためにはインバータが必要となり、強力な冷却などが必要になります。また簡単に磁場を弱めることができないので、定電力速度比(PSR)において損失が出る欠点があります。磁場の弱化は、モータ速度を上げるためにロータの磁場を低減する方法です。q軸電流を注入することによって、誘導モータまたはPMモータのロータの磁界を弱めることができます。FOCのd軸（トルク制御に使用）またはq軸（ロータ磁場の制御に使用）電流を制御する必要があるので、リアルタイムでdq0プロットを監視することが重要になります。PMモータでは、磁場の弱化の際に磁石が減磁された結果起こる逆起電力を監視する必要があります。 

同期式リラクタンス（ SR ）モータは、特定のパターンのラミネーションでできた非常に単純なロータを使用しています。このモータは、回転運動を行うためにリラクタンストルクの特性を利用します。このモータは構造が単純なため、さまざまなアプリケーションに使用されますが、騒音と振動が大きいのが欠点です。この欠点のため、特定の分野でのみ使用されています。このモータの試験においては、研究者は主に、どのトルクおよび速度で振動が最大になるかがわかる振動マップを作成します。

モータの温度が低いほど損失が少なくなり、損失が少ないほど効率がより良くなります。

さらに、磁石が高温になりすぎると特定の部分が消磁する場合があり、重大な故障につながる可能性があります。そのため、巻線とスイッチを低温に保つことが非常に重要です。スイッチは高温になりすぎると、損失が大きくなり爆発する場合もあります。研究者は、モータをより効率的にするために、冷却方式の設計に長い時間を費やしています。冷却システムは、熱を除去したい箇所に水、油、またはグリコールを循環させたり、スプレーしたりします。

冷却は重要なので、モータの温度監視は、運転と試験の重要な部分になっています。テストでは熱電対を使用して温度を監視するために、記録を取り、必要なら制御システムによりモータを停止します。この記録された温度データを他のデータと同期させて、いろいろな制御に応答して、いつどこで温度変化が起こったかを分析できます。これはモデル検証のためにデータを使用する一例です。