タグチ直交配列を用いた天井扇風機用高効率単相誘導電動機の設計と開発

本紹介資料は、['IEEE International Conference on Computing, Power and Communication Technologies (GUCON)'] が発行した「Design and Development of Energy Efficient Single Phase Induction Motor For Ceiling Fan Using Taguchi's Orthogonal Arrays」という論文に基づいています。

Fig. 1 Cross section of ceiling fan SPIM
Fig. 1 Cross section of ceiling fan SPIM

1. 概要:

  • タイトル: Design and Development of Energy Efficient Single Phase Induction Motor For Ceiling Fan Using Taguchi's Orthogonal Arrays (タグチ直交配列を用いた天井扇風機用高効率単相誘導電動機の設計と開発)
  • 著者: Utkarsh Sharma, Bhim Singh
  • 発行年: 2020
  • 発行ジャーナル/学会: 2020 IEEE International Conference on Computing, Power and Communication Technologies (GUCON)
  • キーワード: AC Fans, Taguchi's Orthogonal Array, Single Phase Induction Motor, Home Appliances (ACファン、タグチ直交配列、単相誘導電動機、家電製品).

2. 要約 (Abstract):

従来の単相誘導電動機(SPIM)ベースの天井扇風機は、電磁構造に固有の非線形性のため、解析的な手順を用いて設計することが困難です。低次高調波の影響を除去するためのローターバーの高いスキューは、2D磁気回路に基づく解析的解を非常に不正確にします。この論文は、天井扇風機アプリケーション用のエネルギー効率の高いSPIMの体系的な設計と実験的検証を扱います。2D有限要素解析を用いてモーターの効率を改善するために、既存のSPIMから始まる体系的なアプローチが提示されます。このプロセスには、エネルギー効率の高いモーターを得るための一連の実験設計(2Dマルチスライス時間ステッピング過渡有限要素解析)が続く、既存の天井扇風機モーターの設計検証が含まれます。タグチ直交配列は、モーターの性能向上のために使用されます。

3. 序論 (Introduction):

主要内容の要約:

1895年にPhilip Diehlによって発明された天井扇風機は、主に冷却を提供するために空気を循環させます。永久コンデンサ単相誘導電動機(PCSPIM)は、製造の容易さ、良好な力率、および長い寿命のために一般的に使用されます。これらのモーター、特に天井扇風機に使用されるアウターロータータイプを設計することは、巻線配置、固定子飽和、回転子スロットサイズ、および材料体積の妥協などの制約のために複雑です。既存の設計文献は、主にインナーローターSPIMに焦点を当てています。天井扇風機SPIMの正確な解析的モデリングは、不均等な磁気回路長、高い回転子バースキュー、および突出した巻線オーバーハングのために困難です。

4. 研究概要:

研究テーマの背景:

単相誘導電動機(SPIM)を用いた天井扇風機の設計は、固有の非線形性と高い回転子バースキューの必要性のために困難です。

従来の研究状況:

既存の文献は主にインナーローターSPIMに焦点を当てており、天井扇風機に使用されるアウターローター設計に関する研究は限られています。解析的モデリングは、不均等な磁気回路長や高い回転子スキューなどの要因によって複雑になります。

研究目的:

天井扇風機アプリケーション用のエネルギー効率の高いSPIMの体系的な設計と実験的検証を提示すること。

コア研究:

2D有限要素解析(FEA)とタグチ直交配列を用いたSPIM効率の改善。

5. 研究方法論

研究デザイン:

タグチ直交配列を用いてFEAシミュレーションの回数を最小化する、5段階の多段階ロバスト設計プロセス。

データ収集と分析方法:

2Dマルチスライス時間ステッピング過渡有限要素解析シミュレーション。タグチメソッドは、設計変数がモーター効率に及ぼす影響を分析するために使用されました。統計的関係は、各設計変数に対する最適レベルを予測するために使用されました。

研究テーマと範囲:

既存の商用SPIM天井扇風機の検証。直交行列を用いた固定子および回転子パラメータの最適化。性能向上のためのパラメータの追加チューニング。

6. 主要な結果:

主要な結果:

  • 既存の商用天井扇風機モーターはFEAを用いて検証されました。
  • 固定子および回転子パラメータは、タグチのL18直交配列を用いて最適化されました。
  • L4およびL8配列を用いて、さらなる改善が行われました。
  • 効率が大幅に向上した最終設計が達成されました。
  • 改善された設計は、磁束密度プロットで飽和レベルの低下を示しました。
Fig. 2 (a) Airgap flux density (b) Air gap MMF in a 16 Pole ceiling fan SPIM
Fig. 2 (a) Airgap flux density (b) Air gap MMF in a 16 Pole ceiling fan SPIM
Fig. 3 Commercial ceiling fan stator (b) rated performance of the motor
Fig. 3 Commercial ceiling fan stator (b) rated performance of the motor
Fig. 5 Stages of formation of Orthogonal Arrays of Runs
Fig. 5 Stages of formation of Orthogonal Arrays of Runs
Fig. 6 Analysis of averages plot for (a) First L18 OA (b) Second L18 OA
Fig. 6 Analysis of averages plot for (a) First L18 OA (b) Second L18 OA
Fig. 9 (a) Flux density plot for the improved design motor (b) flux lines plot for the improved design motor.
Fig. 9 (a) Flux density plot for the improved design motor (b) flux lines plot for the improved design motor.
Fig. 10 (a) Air gap radial flux density plot wrt mechanical angle (b) Harmonic spectrum of the air gap flux density (c) winding currents (d) Torque vs Speed characteristics of motor and load for improved design
Fig. 10 (a) Air gap radial flux density plot wrt mechanical angle (b) Harmonic spectrum of the air gap flux density (c) winding currents (d) Torque vs Speed characteristics of motor and load for improved design

図表名リスト:

  • Fig. 1 Cross section of ceiling fan SPIM (天井扇風機SPIMの断面図)
  • Fig. 2 (a) Airgap flux density (b) Air gap MMF in a 16 Pole ceiling fan SPIM (16極天井扇風機SPIMの(a)空隙磁束密度(b)空隙MMF)
  • Fig. 3 Commercial ceiling fan stator (b) rated performance of the motor (商用天井扇風機固定子(b)モーターの定格性能)
  • Fig. 4 Flux density plot of the existing ceiling fan motor at rated loading (定格負荷時の既存の天井扇風機モーターの磁束密度プロット)
  • Fig. 5 Stages of formation of Orthogonal Arrays of Runs (実行の直交配列の形成段階)
  • Fig. 6 Analysis of averages plot for (a) First L18 OA (b) Second L18 OA ((a)最初のL18 OA (b)2番目のL18 OAの平均プロット分析)
  • Fig. 7 Analysis of averages plot for (a) L4 OA (b) L8 OA ((a)L4 OA (b)L8 OAの平均プロット分析)
  • Fig. 9 (a) Flux density plot for the improved design motor (b) flux lines plot for the improved design motor. (改善された設計モーターの(a)磁束密度プロット(b)磁束線プロット)
  • Fig. 10 (a) Air gap radial flux density plot wrt mechanical angle (b) Harmonic spectrum of the air gap flux density (c) winding currents (d) Torque vs Speed characteristics of motor and load for improved design (改善された設計の(a)機械角に対する空隙半径方向磁束密度プロット(b)空隙磁束密度の高調波スペクトル(c)巻線電流(d)モーターと負荷のトルク対速度特性)

7. 結論 (Conclusion):

天井扇風機アプリケーション用の単相誘導電動機が設計、開発、およびテストされました。タグチ直交配列は、複雑な非線形挙動と離散的な設計変数を処理するために使用されました。固定子と回転子は、シミュレーションによって広範囲に調整されました。

効率とサービスファクターが改善された天井扇風機アプリケーション用の単相誘導電動機が設計、開発され、満足のいく性能でテストされました。モーターの改善された設計は、モーターの複雑な非線形挙動と実行可能な製造のための設計変数の離散的な性質のために、タグチの直交配列を使用してアプローチされます。固定子と回転子は、より多くのシミュレーション実行を伴うシミュレーションセットで広範囲に調整されます。さらに、それらは性能向上のために微調整されます。入力ワット数は、既存のファンよりもはるかに低くなっています。したがって、天井SPIMの実現可能な改善された設計が達成されます。

8. 参考文献 (References):

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9. 著作権 (Copyright):

  • この資料は、「Utkarsh Sharma, Bhim Singh」による論文です。「Design and Development of Energy Efficient Single Phase Induction Motor For Ceiling Fan Using Taguchi's Orthogonal Arrays」に基づいています。
  • 論文の出典: [DOI: 論文には提供されていませんが、IEEE会議論文です。]

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