A-4-3 シミュレーションによる電気自動車用モータの 性能評価に関する

A-4-3
シミュレーションによる電気自動車用モータの
性能評価に関する基礎的研究
我妻
純子
(高木・家名田研究室)
1. はじめに
近年、電気自動車[1]に関する研究は自動車業界だ
けでなく、様々な分野で行われており、その中でも、
ドライブシステムを含めたモータに関する研究は
特に注目を集めている。既に数社から電気自動車が
市販され話題を集めているが、従来のガソリン車と
エネルギー供給の面で比較した場合、ガソリン車へ
の燃料補給は短時間で行えるが、電気自動車では充
電に長時間を要し、性能で劣る面が存在する。しか
しながら、大気汚染や騒音問題を引き起こさない電
気自動車は、地球温暖化や化石燃料の枯渇など環境
問題が騒がれている現代社会において、今後ますま
す需要は高くなることが予測される。
電気自動車に関する実験は大規模かつ高額な実
験装置が必要になるが、近年のシミュレーション技
術の発達に伴い、シミュレータを利用した研究も行
われつつある。本研究では、MATLAB/Simulink を
使用し、モータのシミュレーションを行い、電気自
動車用モータとしての性能評価を行う。
2. モータの選択
ガソリン自動車においてエンジンが欠かせない
ように、電気自動車ではモータ[2]～[6]が重要にな
ってくる。モータは大別すると、直流(DC)モータと
交流(AC)モータになるが、それぞれに得失が存在し、
一概に最適なモータは決定できない。ここで、電気
自動車用モータとして要求される事項を考えると、
①電池の直流を電源とすること、②起動時のトルク
が大きいこと、③構造が簡単で機械的耐久性が高い
こと、④速度制御が容易であること、⑤危険性がな
いこと、⑥小型軽量であることなどが挙げられるが、
本研究では主に速度制御性に着目し、交流モータを
対象に MATLAB/Simulink を用いてシミュレーショ
ンによる検討を行った。
3. シミュレーションによる検討
3.1 誘導電動機（インダクションモータ）
モータの出力が電源からの誘導作用にだけ依存
しているモータで、構造が簡単で、保守が容易であ
り、堅牢であるため広く一般に使用されている。回
転磁界の速度を同期速度といい、一般に 1 分間の回
転数 N s [rpm]で表す場合が多い。
Ns =
120
f
p
[rpm]
ここで、p は極数、f は電源周波数である。回転
子の回転速度を N [rpm]とすると、同期速度よりも
数%遅く回転する。これをすべりといい、誘導電動
機特有の性質である。最初に誘導電動機に関して検
討を行った。
誘導電動機は固定子に単相または 3 相交流電源
を流すことによって、磁界ができるしくみになって
いる。3 相誘導電動機の場合は、3 組のコイルが必
要であり、各コイルは空間的に 120 度隔てて巻かれ
ている。それらに時間的に 120 度位相差をもつ 3 相
交流を流せば、円形回転磁界を生じる。インバータ
を用いる場合には、単相誘導電動機では速度制御が
うまくできず使用できない。また、クローズドルー
プ制御で回転子の位置情報を知らせる必要がある。
シミュレーションに使用したブロック図を図 1
に示す。周波数特性を図 2 に、速度－トルク特性を
図 3 に示す。
図 3 の電圧はモータの入力電圧であり、
電圧が高いほど、トルクが大きいことが分かる。
3.2 同期電動機（シンクロナスモータ）
同期電動機の場合、固定子の磁界は誘導電動機と
同様、3 相、2 相、またはコンデンサなどを用いて
単相交流によって作られる回転磁界の同期速度で
回転する。一方、回転子の磁界は誘導電動機と異な
り固定子からの誘導作用ではなく、固定子として用
いている電磁石や永久磁石によって発生している。
図 1. 誘導電動機(インダクションモータ)のブロック図
回転数 [rpm]
3600
最近の電気自動車の研究では、永久磁石型同期電
動機が数多く使用されている。このモータの始動は、
かご形導体による誘導電動機としてのトルクを利
用して行う。回転子が同期速度近くになると、回転
磁界の速度 N s と回転磁石の速度 N r との相対速度
3000
2400
1800
1200
がきわめて小さくなり、固定子で作られる磁界 H s
600
に回転子で作られる磁界 H r が引っ張り込まれて同
0
0
20
40
60
80
100
120
周波数 [Hz]
図 2. 周波数特性
なる。この後、周波数を上昇させて希望の速度まで
速度制御することができる。シミュレーションに使
用したブロック図を図 4 に示し、速度制御した結果
を図 5 に示す。図 5 の基準値は速度指令値であり、
所望の回転数の 1/10 の値としている。同図を見る
と、速度指令値に回転数が追従していることが了解
される。
80
70
200[V]
トルク [Nm]
60
50
40
150[V]
30
20
100[V]
10
50[V]
0
1000
期電動機となる。
インバータを用いて、極低周波の交流にすると、
N s を小さくできるため、同期状態になるのが早く
1200
1400
回転数 [rpm]
図 3. 速度－トルク特性
12000
4. まとめ
電気自動車用として考えた場合、様々な面からの
評価が必要になるが、本研究では、誘導電動機と同
期電動機を取り上げ、各々のモータの特性について
主に速度制御性に関して検討を行った。
誘導電動機は、すべりが存在するため走行状況に
より回転数を予測する必要がある。その反面、同期
電動機においては、速度制御が容易になると考えら
れる。
回転数 [rpm]
10000
8000
6000
4000
2000
0
0
200
400
600
800 1000
文献
[1] 田中雄治,館山輝夫,吉川真利:自動車電気装置(明現
社 ,1977) ， [2] 野 中 作 太 郎 : 電 気 機 器 ( 森 北 出 版 株 式 会
社,1971)，[3] 新村佳久,坪井和男,小沢彰:小型モータの基礎知識
(オーム社,1985)，
[4] 松谷守康:制御システムと制御モータの
選び方･使い方(技術書院,1989)，[5] 村上孝一:電気機器工
学(オーム社,1990)，[6] 内田隆裕:モータがわかる本(オー
ム社,2000),
基準値
図 5. 速度制御
図 4. 同期電動機(シンクロナスモータ)のブロック図