JARI Research Journal 20150706 【技術資料】 モータ内部温度測定時の熱電対信号のノイズ低減 Noise Reduction of Thermocouple Signal when the Motor Internal Temperature Measurement 島村 和樹 *1 Kazuki SHIMAMURA 2. モータ定格出力に関する試験法 1. 背景と目的 現在，地球温暖化等の環境問題から自動車の燃 国内外で運用もしくは検討中であるモータの定 費改善への要望が強くなっている．自動車メーカ 格出力に関する代表的な規格および基準を表 2 に は，その一つの解として，車両の電動化を進めて 示す． 試験法としては，いくつかの種類に分類す いる．電動化により必要となるモータやバッテリ ることができる．一つは，産業用のモータ用とし などの要素部品の評価も重要となり，性能や耐環 て長年に渡り使用されている IEC の 60034-1 が 境，安全など多岐にわたる評価試験が実施されて ある．これは，小さなモータから大きなモータま いる． でを網羅した試験法である．この方法は，モータ モータの性能評価試験の一つとして，定格出力 を定格出力で運転した際の巻線温度を測定し，巻 の測定がある．定格出力は，長時間に渡り連続で 線温度が安定した際に耐熱クラスで規定されてい 運転できる出力であり，その際のモータの耐久性 る温度上昇限度まで達していることを確認する方 において支配的な要素には，巻線の温度上昇によ 法である．日本では，JIS C4034 がほぼ同じ方法 る絶縁劣化がある．そのため，代表的な定格出力 で運用されている．また，審査事務規程別添試験 の試験法として定められているのは，モータを定 規 程 （ TRIAS ） で も 定 格 出 力 試 験 法 と し て 格出力で運転し，巻線温度が安定した際に絶縁の 99-018-01 が制定されており，巻線温度を測定す 耐熱クラスで規定されている温度上昇限度に達し る方法となっている．もう一つの測定方法として， ていることを確認する方法である．表 1 に示すよ 自動車のカテゴリ M,N*1 用の UN R85 がある．こ うにモータ製造メーカが定めたモータの耐熱クラ れはモータを定格出力で運転し，指令値は変更せ ス毎に定格出力試験法で温度上昇限度が規定され ずに 30 分後の出力変化率を測定する方法である． ている．弊所では巻線の温度測定には，サーミス 欧州のカテゴリ L*1については，EU 指令 No.168 タなどよりも測定精度の高い熱電対を用いている． において，UN R85 を参照することになっている． しかし，この信号上に数 Hz 程度の低周波のノイ 中国の推奨国家標準の GB/T でも巻線温度を測定 ズが発生する．試験法では，温度の測定精度は± する試験法が制定されている． 1℃が求められているが，ノイズにより±1℃程度 の変動がみられるため，対策を講じないと試験精 3. モータの定格出力試験での温度測定 度が確保できない条件が出てくる可能性がある． 3.1 課題 そこで，このノイズの発生源について調査し， 巻線温度が温度上昇限度に達していることを判 ノイズ低減のための対策とその効果について，検 定基準とする定格出力試験法では，熱電対を使用 討を行うことにした． して巻線温度を測定する場合，ノイズの影響を大 きく受けてしまう．更に、このノイズは，インバ 表 1 モ-タ巻線の耐熱クラスと温度上昇限度の例 耐熱クラス A E B F H 200 220 250 温度上昇限度 ℃ 65 80 85 110 130 150 165 195 ＊1 一般財団法人日本自動車研究所 JARI Research Journal FC・EV研究部 ータなどから出る kHz オーダーの高周波のノイ ズとは異なり数 Hz 以下の低周波であるためノイ ズフィルタでの対策が難しい．また，周辺機器に このような低周波のノイズを出す機器はないため， 発生原因の特定が困難である． － 1 － (2015.7) 表 2 モータ定格出力に関する代表的な規格および基準 規格 定格出力 番号 名称 対象 基準 判定基準 IEC 60034-1 Rotating electrical machines-Part1:Rating and Performance JIS C4034-1 回転電気機械-第一部：定格および特性 モータ全般 TRIAS GB/T UN 巻線の温 度上昇 99-018-01 電動機定格出力試験 18488.2 R85 自動車用 The electrical machines and controllers for electric vehicles-Part2:Test methods Uniform provisions concerning the approval of internal combustion engines or electric drive カテゴリ M*1 trains intended for the propulsion of motor vehicles of categories M and N with regard to the カテゴリ N *1 出力変動 measurement of net power and the maximum 30 minutes power of electric drive trains No.168 THE EUROPEAN PARLIAMENT AND OF THE COUNCIL of 15 January 2013 on the approval /2013 and market surveillance of two- or three-wheel vehicles and quadricycles EU *1 自動車用 カテゴリ L *1 欧州で用いられている自動車を区分するカテゴリ カテゴリ M：Vehicles with at least 4 wheels designed to carry passengers カテゴリ N：Vehicles designed to carry goods, grouped by size. カテゴリ L：Mopeds and motorbikes, as well as all-terrain vehicles (quads) and other small vehicles with 3 or 4 wheels. 3.2 試験設備 試験に用いたモータダイナモメータ（以下、モ ータダイナモという）には，定格容量 150kW，最 高回転数 20000min-1の DC ダイナモメータを用 いた。外観を図 1 に，仕様を表 3 に示す．また， イ ン バ ー タへ の 電 源供給 装 置 に は， 最 大 電圧 500V，最大電流±500A の直流電源を用いた。仕 様を表 4 に示す． 今 回 ， 試験 で 供 試した モ ー タ は， 最 大 出力 図 1 モータダイナモメータの外観 150kW，定格出力 67kW，最高回転数 10000min-1 の誘導モータである．供試インバータとしては， 表 3 モータダイナモメータ仕様 入力側定格電圧 650V，定格電流 250A であり， 吸収/駆動容量 150kW/4000～20000min-1 モータと同一メーカ製のものを用いた。また，出 速度制御 範囲:1～100%FS 力基本周波数は 1kHz，スイッチング周波数は 10kHz である． 精度:±0.1%FS±速度検出精度（±1 min-1） トルク制御 範囲:動力計定格全範囲 精度:±0.2%FS±トルク検出精度（±0.2%FS） 走行抵抗制御 範囲:動力計定格全範囲 精度:±0.2%FS±トルク検出精度（±0.2%FS） 電気慣性制御 精度:設定完成に対し±2% 応答性:63%応答/0.1s 0 速度制御 JARI Research Journal － 2 － 電気ロック（100min-1以下、15Nm 以下） (2015.7) 表 4 電源装置仕様 た．そのうち 1 箇所の熱電対近傍に光ファイバ式 電圧/電流/電力 DC50～500V / 0～±500A / 0～±250kW 温度測定器を取り付けた．これは，光ファイバの 精度 定電流±0.5%FS 以下 温度測定部分に一定の間隔の回折格子を加工した 過渡応答 20ms 以下（63%応答） もので，この回析格子の部分が温度変化による熱 リップル ±約 5A 以下 膨張し，反射光の波長がシフトすることを利用し 充放電切替 0.2ms 定電力±1.0%FS 以下 た装置である．今回使用した光ファイバ式の温度 測定部は熱容量が大きいため，反応が遅く，同じ 3.3 温度信号へのノイズ発生についての調査方法 図 2 に示すように，被覆長さ 5m の T 型熱電対 時刻での温度は熱電対の温度とは異なるが，ノイ ズの影響調査としては問題ないと考えられる． と被覆長さ 1m の T 型熱電対＋中継器，光ファイ バ式の温度測定器の 3 種類を用いて，温度測定時 のノイズの影響を調査することにした．熱電対の 3.4 調査結果 長さは，モータから計測器までの距離を考慮した 3.4.1 ノイズ発生状況 5m と長さの短い全長 1m の 2 種類とし，モータ 外部でのノイズの影響を評価した．1m の熱電対 では計測器までは届かないため，中継器を用いる ことにした．中継器と計測器間はデジタル信号で あるため，ノイズの影響は小さいと考えられる． 1m の熱電対をモータ表面にも設置することで， モータ内部と外部でのノイズの影響を評価した． するため，ノイズの影響が最も大きい条件（モー タ回転数 3000min-1，モータトルク 120Nm）で の結果を図 3 に示す．光ファイバ式の温度測定器 は，ノイズが全く見られず，ノイズ対策には効果 的なことがわかった．熱電対を用いたケースでは， 長さ 5m の場合は±1℃程度のノイズが見られる が， 1m の場合は±0.5℃程度であった． すなわち， モータ外部の熱電対の長さを短くすることでノイ ステータコイル 熱電対 ノイズの大きさは回転数やトルクによって変化 ズが減少したことから，ノイズの一部はモータ外 部から影響を受けていることがわかった． 60 熱電対_1m_A点 90 88 86 中継 器 T型熱電対（内部）_被覆長さ5m 0.5m モータ T型熱電対(内部） モータ内部温度 ℃ 光ファイバー（内部） 計 測 器 被覆長さ1m 0.5m 中継 器 T型熱電対（表面） 被覆長さ1m 84 ±0.5℃ ±0.5℃ ±1℃ 82 56 54 80 50 ±1℃ ±0.5℃ 78 モータ内部：熱電対 48 46 モータ表面温度：熱電対 74 また，ノイズの影響を受けない光ファイバ式の 温度測定器もモータ内部に設置した．モータ内部 の温度測定箇所は，ステータ側コイルに 120 度間 隔で A 点，B 点，C 点の 3 箇所とした．それぞれ， 1m と 5m の熱電対を同じ場所に接着剤で固定し － 3 － 熱電対_5m_B点 熱電対_1m_C点 熱電対_5m_C点 光ファイバー 熱電対_モータ表面 52 76 図 2 供試モータの温度測定概要 JARI Research Journal 58 熱電対_1m_B点 44 ±0.1℃ 72 モータ表面温度 ℃ 光ファイバー温度測定部 熱電対_5m_A点 ±1℃ 42 モータ内部：光ファイバー 70 800 805 810 40 815 時間 s 図 3 モータ温度測定結果 (2015.7) また，モータ表面に設置した 1m の熱電対のノ かった． イズは±0.1℃程度であり，モータ内部に設置した 以上のことから，このノイズの共振分が低周波 1m の熱電対のノイズが±0.5℃程度であることか のノイズとして測定されているものと考えられる． ら，モータ内部のノイズの影響も受けていること 3.4.2 ノイズ発生源についての調査結果 これまでの調査から，ノイズは数 Hz 以下の低 周波であることがわかった．周辺機器にこのよう な低周波のノイズを発生する機器はなく，またノ イズの特性が，モータの電流に依存する傾向を示 すことから，ノイズの発生源としてはモータ，イ ンバータ，およびモータダイナモなどであると考 熱電対信号のノイズ電圧 V がわかった． 0.8 モータ内部 測定室内 0.6 0.4 0.2 0.0 -0.2 -0.4 -0.6 0 えられる．これらの機器からは高周波のノイズが 20 40 発生することがわかっているため，オシロスコー プを用いて熱電対の信号に乗るノイズの影響を調 60 80 100 120 140 時間 ms 図 4 インバータ起動時におけるノイズ波形 査した． まず，モータダイナモの電源のみを入れた場合 熱電対信号のノイズ電圧 V はノイズは見られなかったことから，ノイズの発 生源がモータダイナモではないことがわかった． モータダイナモの電源を入れた後，さらに供試モ ータ用のインバータの電源を入れた際のノイズを 調査した。その結果を図 4 に示す．青色の線は， モータ内部に設置した熱電対の信号である．赤色 の線は，ノイズの影響を受けにくいインバータか ら 4m ほど離れた別室の測定室内で測定した熱電 対の信号である．モータ内部の熱電対の信号に最 大で 0.6V 程度のノイズが見られたが，測定室内 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 -0.1 -0.2 -0.3 -0.4 -0.5 モータ内部 測定室内 0 1 の熱電対の信号にはほとんどノイズが見られない ことから，ノイズは供試インバータの起動に起因 2 時間 μs 3 4 図 5 オシロスコープで観測した熱電対のノイズ波形 していることがわかった． 次に，大きなノイズが見られるモータ回転数 3000min-1，モータトルク 4. まとめと今後の課題 60Nm の条件において 今回の調査により，熱電対の信号に発生したノ オシロスコープを用いてノイズの詳細を調査した． イズは，インバータの起動に起因するノイズであ そのノイズ波形を図 5 に示す．ピークで 0.4V 程 り，モータおよびインバータが発生源であること 度のノイズが見られ，使用している T 型熱電対の が確認できた． 起電力がおおよそ 45μV/℃であることを考慮する モータの定格試験法における熱電対に発生する と短時間のノイズではあるが，大きな影響を及ぼ ノイズ対策として，これらの発生源に対する対策 す可能性があることがわかった．このノイズの周 （エミッション対策）と発生源からのノイズを受 波数は 1.2kHz 程度であり，この時のインバータ ける側での対策（イミュニティ対策）の両面から のスイッチング周波数は 11kHz 程度であること の対策が必要であることがわかった。 から，約 1/10 の周期でノイズが発生することがわ JARI Research Journal － 4 － 発生側のエミッション対策としては，供試した (2015.7) インバータは市販品であることから，ノイズ対策 は行われていると考えられる．インバータに関し ては，ノイズの遮蔽が可能な箱に入れることによ り，ある程度の効果は期待できるが，モータ内部 で発生するノイズに対しての対策は非常に難しい． 一方，電対の被覆長さや補償導線を極力短くす ることはイミュニティ対策として有効であり，今 回の結果からも，50%程度のノイズ低減効果が得 られ，試験法で定められている精度も満足するこ とが可能となった． また，イミュニティ対策として，シールド線の 利用やアースの接地などの対策も有効であると考 えられる．さらに，光ファイバ式の温度測定器の 場合は，ノイズの影響を受けないため，発生源に 対するノイズ対策が不要なため，試験準備や解析 の工数削減が可能となる．しかし，熱電対と比較 すると測定部の熱容量が大きく反応が遅いことや， 非常に高価であることなどの課題がある．今後， 被測定物の表面から放出される赤外線放射エネル ギを計測する非接触式や光ファイバ式などの情報 収集も含めて検討する必要がある． JARI Research Journal － 5 － (2015.7)
© Copyright 2024 ExpyDoc
