Study of Air-Core Resonance Coupling Rotary Transformer Integrated Passive Variable Flux Motor Utilizing Carrier Harmonics

利用载波谐波的空心谐振耦合旋转变压器集成无源变磁通电机研究

基本信息

批准号：
22H01467
负责人：
青山真大
金额：
$ 11.32万
依托单位：
Shizuoka Institute of Science and Technology
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-04-01 至 2025-03-31
项目状态：
未结题

项目摘要

本研究は、研究代表者の2つの基盤技術「受動可変界磁」と「空芯非対称磁界分布」の研究成果の融合により創出された課題である。本年度は、提案する原理を小型試作機を試作して実機検証を行った。本研究の重要な要素技術は、モータ制御上不可避に発生するキャリア高調波を、受動駆動する回転トランスを介してロータ巻線に非接触給電する点である。上記を実機検証するために、電磁界解析によって回転トランスの磁気回路設計を行った。受動駆動するシステムにおいて、キャリア高調波を効率よく界磁エネルギー源に利用するためには極低インダクタンスな回転トランスとする必要がある。そのため、空芯構造を採用するが空芯構造の場合、漏れ磁束による電力伝送効率低下が懸念される。シミュレーションによってモータと組み合わせ可能で非対称磁界を形成する回転トランスを設計し、試作した。試作した回転トランスを巻線界磁形モータに組み合わせ、回転トランスの送電側は電力変換器を介することなく、電機子巻線に直接並列結線する構成とした。キャリア高調波のみが回転トランス側にバイパスするように送電側コイルはキャリア高調波を共振周波数とするLC直列共振回路を構成し、BPF（バンドパスフィルタ）によって受動的にキャリア高調波用のバイパスを構成した。試作機による実機検証では、①キャリア高調波を利用した受動可変界磁によるトルク向上、②可変速特性、③キャリア周波数可変による界磁調整を実証した。加えて、回転トランス単体での実験を行い、回転トランスを三相PWM制御で駆動させたときに空芯構造で漏れ磁束を低減しながら受動コイル側に電力伝送できることを実機で確認した。現在、回転トランスの構造の簡素化のため、PCB（プリント基板）化の検討および、システム効率の向上のため変調方式を変更したときの性能評価の検討を行っている段階である。研究計画に対して遅れることなく実施できている。

这项研究是结合了首席研究员“被动可变场磁”和“空心非对称磁场分布”两项基础技术的研究成果而创建的。今年，我们建造了一个小型原型，并在实际机器上验证了所提出的原理。这项研究的一项重要基本技术是通过无源驱动的旋转变压器将电机控制过程中不可避免地产生的载波谐波非接触地馈送到转子绕组。为了在实际机器上验证上述内容，我们利用电磁场分析设计了旋转变压器的磁路。在无源驱动系统中，为了有效地利用载波谐波作为场能源，需要使用电感极低的旋转变压器。因此，尽管采用了空芯结构，但是在空芯结构的情况下，存在电力传输效率可能由于漏磁通而降低的担忧。通过仿真，我们设计并制作了一个旋转变压器原型，该变压器可以与电机结合形成不对称磁场。该原型旋转变压器与绕线式励磁式电机相结合，旋转变压器的电力传输侧被配置为直接并联到电枢绕组，而不经过电力转换器。为了仅将载波谐波旁路到旋转变压器侧，电力传输线圈形成以载波谐波作为谐振频率的LC串联谐振电路，并使用BPF（带通滤波器）来无源旁路载波谐波。在使用原型的实际机器验证中，我们演示了（1）通过使用载波谐波的被动可变磁场来提高扭矩，（2）可变速度特性，以及（3）通过改变载波频率进行磁场调整。此外，我们使用单个旋转变压器进行了实验，并在实机中确认，当使用三相 PWM 控制驱动旋转变压器时，可以将电力传输到无源线圈侧，同时由于其空芯而减少漏磁通结构。我们目前正处于考虑使用PCB（印刷电路板）来简化旋转变压器的结构，并评估改变调制方法时的性能以提高系统效率的阶段。研究计划已立即实施。