ハルバッハ・アレイ・モーター

リラクタンストルクは、内部永久磁石同期モータ（IPMSM）を利用できるため、高性能・高効率な電動機として産業界で広く利用されている。しかし、一般的なIPMSMはその構造上、コギングトルクやトルク変動が発生する。コギング力を発生させるためにセンターが利用される。また、ギャップの磁束密度分布にかなりの数の空間高調波が存在するため、トルクリップルが発生する。機械系と制御系の共振発生により、これらのコギングトルクやトルクリップルは騒音や振動を発生させるだけでなく、システム全体に悪影響を及ぼします。ハードとソフトの両面から取り組むべく、研究成果が共有されている。

ローター形状の変更やリップル・キャンセラーの追加などである。

私たちの研究室では、ハードウェア戦略としてデュアルハルバッハアレイに着目しています。デュアルハルバッハアレイは、ギャップ内でより低い空間高調波を持つ磁場を生成し、強磁性体でできた中心部を必要とせずに非常に高い磁束密度を達成できるからです。デュアル・ハルバッハ・アレイを使用することで、高磁束密度と正弦波磁束密度パターンの両方を実現することが可能である。従って、コギングトルクとトルクリップルを非常に小さくしたコアレス電気モーターが実現可能である。

先行研究により、平行二重ハルバッハ界磁マグネットを円筒形状に曲げて二重ハルバッハ界磁マグネット同期モータを作成する場合、マグネット分割数とギャップ間隔がフラックスリンク数に与える影響が明らかになった。さらに、電磁界解析用ソフトウェアを用いて、本研究に基づく実機設計を行った。

この記事では、上記のアーキテクチャを使用して、45°回転デュアル・ハルバッハ・フィールドを持つコアレス同期モーターを作成するために使用したプロセスについて説明する。

デュアル・ハルバッハ・アレイの概要
ハルバッハアレイは、磁極方向に沿った所定の角度で形成された断面を持つ、予め設定された角度で回転する永久磁石の配置である。この配列の特徴は、強力な磁場が永久磁石の片側だけに現れることである。デュアルハルバッハアレイは、磁束密度が最も高いセクションが互いに平行になるように編成された2列のハルバッハアレイで構成される。デュアル・ハルバッハ・アレイの磁束線パターンを図1に示す。永久磁石の分極方向は図中の矢印で示されている。

第一に、ギャップは非常に高い磁束強度の分布を持つことがわかった。第二に、ギャップの中央部は磁束強度が正弦波状に広がっている。さらに、平行磁石の外側では磁束の損失がほとんどないため、保護ステップを縮小することができる。デュアル・ハルバッハ・アレイの磁化方位は、図1では90度回転しているが、整数倍することで、ギャップの中心で45度または22.5度、つまり360度に強力な正弦波磁場を発生させることができる。

典型的な固定磁石の形
デュアルハルバッハアレイに使用する永久磁石のアスペクト比が特別に大きくない限り、アレイ内の磁束は片側に集中します。デュアルハルバッハ磁場磁石を磁気回路で解析することにより、本研究では正方形の永久磁石を使用することにしました。デュアルハルバッハアレイと正方形磁石を用いた磁気回路を図2(a)に示す。y軸方向に磁化された永久磁石の弱い起磁力の半分が主磁力に寄与し、残りの半分が漏れ磁束に寄与すると仮定すると、この図において漏れ磁束を象徴する閉路の起磁力の和はゼロとなる。

これは磁束が逃げていないことを示している。一方、図2（b）は矩形磁石を用いたデュアルハルバッハアレイの磁気回路を示したものである。正方形磁石のように起磁力を規定すると、漏れ磁束を示す閉回路の起磁力の合計はゼロになりません。つまり、長方形の磁石を使うと漏れ磁束が発生する。

デュアルハルバッハアレイを紡糸機に使用する場合、永久磁石は扇形になります。しかし、先行例で等角変形を行うことで、この例でも角型磁石と同じ特性が得られます。

1%以下の位置精度が要求されるCMG（Control Moment Gyroscope）[1]のような要求の厳しい宇宙船向けのアプリケーションは、トルクリップルの悪影響を特に受けやすい。

アーク秒。このようなトルク変動は、回転数変動の原因となり、効率の低下を招く。さらに、トルク変動は、駆動システムの機械部分で聴覚的なノイズを発生させる共振を誘発する可能性がある。高トルク密度と高効率を達成することに加え、宇宙船用途の低速高性能トルクモーターを選択する際に最も重要な設計要素は、トルクリップルとそれに関連する高調波を低減することです。

この問題に対処するため、本稿では密閉型ロータラジアル磁束ハルバッハアレイ PMBLDC 機を提案し、検討する。いくつかのコア型ラジアル磁束デュアルロータ[2]、[3]およびデュアルステータPM機[4]が報告されているが、ハルバッハアレイを用いたラジアル磁束封入ロータコアレス設計の可能性についての文献情報はあまりない。
ブラシレス直流モーター（BLDC）は長寿命、高トルク、高効率であるため、航空宇宙用途では総合的に最も優れたモーターであることが示されている。

インドのケララ大学工学部電気学科の選抜グレード教授である。
経済的で熱損失が少ない [5]。ステッピングモータはリップル・トルクが大きいため、BLDCモータの一種であるが、航空宇宙用途には使用できない。
さらに、著者らの先行研究[6]は、ステッピングモーターの発生トルクのほぼ13%を占めるディテントトルクの大きさをまぎれもなく実証している。
機械が発生するコギングトルクと駆動回路に連動する転流トルクは、永久磁石BLDCモーターに見られるリップルトルクの構成要素です。モータの生産電力にリップルをもたらすコギングは、スロット付きモータ構造の欠点の1つです。

コギング PMの流れとローターの角度位置によるエアギャップ内に保持される磁気エネルギーの変化がトルクを発生させます。これは、ロータによって生成される磁束と、スロットによって誘発されるステータのリラクタンスの変化の相互作用から生じます。しかし、スロットレスBLDCモータの設計では、コギングの歯リップル成分が除去され、スロット高調波の影響が最小限に抑えられるため、アプリケーションで必要とされる滑らかな出力が実現しやすくなります。

しかし、スロットレス機は、一般的にモータのエアギャップを横切る磁束が少ないため、同等のスロット付き設計に比べて出力が低下します[7],[8]。ハルバッハ磁化の強力で一貫性のある磁場により、この出力低下を部分的に補うことができます。

ハルバッハアレイと密閉ロータによる永久磁石BLDCモータのコギングゼロ。この設計は、ハルバッハアレイの本質的な自己遮蔽能力を利用したもので、高い出力対慣性比を持つコアレス構成を可能にします。密閉型ローターBLDCモーターは、従来のノッチ型PMBLDCモーターとは対照的に、スロットレス固定子巻線を使用しています。
端巻きが少なく、相巻きの重複を防ぐことができるため、集中巻きが採用されている。この装置はエアコアであるため、スティクションがなく、コギング張力もない。フラックスフォーカシングマグネットを追加することで、コア損失とローターの鉄心を通る磁束の両方が排除される。さらに、平均エアギャップ磁束密度が上昇するにつれて、力も上昇する。

ステータ・ワイヤに循環電流が存在することは、低速シングルロータ・コアレス機の建設で遭遇する大きな困難の一つである。これは、機械の広いエアギャップを横切ってそれらを接続する磁束変動に起因します。クローズド・ローター・ハルバッハBLDCモーターは、機械の半径に沿って一定のエアギャップ磁束を分配することにより、ステーター・ワイヤーの循環電流を防止します。この機械は、その利点から、1秒角以下の位置精度が要求される低速、高トルクの宇宙船用途に最適です。機械の外周と軸方向の長さは、宇宙船用途のニーズに合わせて、それぞれ123mmと40mmに選ばれている。

その結果、CMGだけでなく、他の宇宙船用途の要件を満たす計画を作成しなければならない。