DCモーターの効率が高くなるモーター速度コントローラーの開発

• モーター効率が高くなると発熱量が少なくなり、モーターの長寿命化や低消費電力化に役立ちます。
• 都産技研と広島工業大学は、モーター速度コントローラーを工夫して、一般的なPWMコントローラー（Pulse Width Modulation：パルス幅変調）よりモーター効率^※1が高くなる速度コントローラーを共同開発しました。
• このコントローラーは、スパイク電圧が発生しないため、DCモーター（Direct Current：直流電流）の効率が高くなり、特に低速運転時にその効果を発揮します。

^※1 モーター効率：同じモーターに同じ電力を入力した際の、入力エネルギーに対しての出力エネルギーの割合

DCモーターの一般的な速度コントローラー（PWMコントローラー）

DCモーターは電圧を変化させることで回転数を制御します。一般的なDCモーターの速度コントローラーとして、PWMコントローラー^※2が普及しています。

^※2 PWMコントローラー：スイッチのON-OFFを繰り返し、ONの時間幅（パルス幅）を制御することで、モーターの平均電圧を変化させるコントローラー

本研究では、実験用のモーターとして、電動工具等に用いられる
・定格電圧：48 V
・出力：117 W
・定格トルク^※3：932 mN・m
・回転数  ：1200 r/min  
のDCモーターを用いました。開発品と性能比較するために、PWMコントローラーには、キャリア周波数約35 kHzの方形波PWM出力を持つ既製品を使用しました。

^※3 トルク：物を回す力（回転力）。定格トルクはモーターが安全に出せる最大の回転力を指します。

図1にPWMコントローラーから実験用のモーターに供給される電圧波形を示します。図の横軸は時間（1マス10 µs）を表し、縦軸は電圧（1マス20 V）を表しています。PWMコントローラーへの入力電圧 （図中の縦軸に記載された48 V）には、モーターの定格電圧を設定しています。

一般的なPWMコントローラーは矩形波電圧（一定の間隔でONとOFFを繰り返す波形の電圧）を出力します。図1左がモーターの低速運転時（平均電圧が10 Vで、無負荷状態の回転数が約300 r/min）、同図右が高速運転時（平均電圧が45 Vで、無負荷状態の回転数が約1400 r/min）の電圧波形です。左右の図を見比べると、左の方が右よりも48 Vの印加時間（図中横軸のON時間）が短いことがわかります。ON時間を短くすると平均電圧が下がり回転数が下がります。逆に長くすると平均電圧が上がり回転数が上がります。

また、図1から、両図とも、ON時間の立ち上がり直後にスパイクのように尖った波形の電圧（以下、スパイク電圧）が発生していることがわかります。

本研究で開発した速度コントローラー

本研究では、スパイク電圧が発生しない速度コントローラーの開発を目指しました。開発したコントローラーは、複数のコンバータ（直流電流に変換する装置）の出力電圧を同時に重ね合わせることで、モーターの電圧を制御します。

図２に開発したコントローラーの模式図を示します。複数のAC-DCコンバータ^※4の出力端子を直列に接続して、マイナス側の各出力端子をロータリースイッチで切り替えることにより、段階的な電圧調整を可能にしています。本研究ではDC出力端子の直列接続を可能とするため、一次側（AC入力）と二次側（DC出力）が電気的に分離（絶縁）されている絶縁型コンバータを使用しました。

安全対策として、出力端子間には逆電圧保護用ダイオードを入れています。

^※4　AC-DCコンバータ：AC（Alternating Current：交流電流）をDC（直流電流）に変換する装置。

図３に、開発したコントローラーから実験用のモーターに供給される電圧波形を示します。左が低速運転時で、右が高速運転時の波形です。低速運転時と高速運転時の運転条件は、図１と同じです。図から、開発したコントローラーは直流で一定電圧を出力することがわかります。スパイク電圧の発生も見られません。

実験用モーターの効率測定

都産技研の小型モーター試験装置を用いて、一般的なPWMコントローラー（既製品）と開発したコントローラーそれぞれで実験用のモーターを制御し、低速運転および高速運転したときのトルク-効率特性を測定しました。低速運転時と高速運転時の運転条件は、図１と同じです。

図４にその測定結果を示します。図の横軸は小型モーター試験装置が実験用モーターに与えた負荷トルク（ブレーキトルク）を、縦軸は小型モーター試験装置で測定した実験用モーターの効率特性を表しています。また、上側▲◇のグラフが高速運転時、下側●□のグラフが低速運転時です。高速運転時のモーターの効率はほぼ同じですが、低速運転時には、開発したコントローラーの方が一般的なPWMコントローラーよりも効率が高いことがわかります。
 

低速運転時においてモーター効率に差が出た理由

一般的なPWMコントローラーでは、低速運転時ほどONの時間幅（パルス幅）が短くなり、スパイク電圧が発生する時間の割合が相対的に大きくなります（図1参照）。一方、開発したコントローラーでは、回転数に関係なくスパイク電圧の発生は見られませんでした（図３参照）。

スパイク電圧によって発生するパルスピークの高い電流は、モーターのトルクとして有効に使われにくく、エネルギーのロスになります。したがって、PWMコントローラーでは、低速運転時にスパイク電圧を多く含むことでモーターのトルクが減少し、効率低下しやすく、開発したコントローラーの方がモーター効率は高くなります。

共同研究先や実施許諾先を募集しています。

本研究で開発した速度コントローラーは、図2のコンバータの出力電圧に、別途用意したパルス電圧の小さい汎用PWMから得る出力電圧を上乗せして組み合わせることで、連続的な電圧調整も可能です。本技術は特許出願済みであり、詳しくは参考文献をご覧ください。^1）

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