誘導電動機の回転子スロットパラメトリック設計性能評価の解析モデル

この紹介資料の内容は、"[Publisher]"によって発行された論文「[An Analytical Model of Induction Motors for Rotor Slot Parametric Design Performance Evaluation]」に基づいています。

1. 概要:

• タイトル: 誘導電動機の回転子スロットパラメトリック設計性能評価の解析モデル (An Analytical Model of Induction Motors for Rotor Slot Parametric Design Performance Evaluation)
• 著者: アハメド・イブラヒム・シティ・ジュハニヤ、アフマド・アスル・イブラヒム、ムハンマド・アミルル・アティキ・モハド・ザイヌリ、モハド・アシラフ・ズルキフリー (Ahamed Ibrahim Sithy Juhaniya, Ahmad Asrul Ibrahim, Muhammad Ammirrul Atiqi Mohd Zainuri, Mohd Asyraf Zulkifley)
• 発行年: 2022年
• 発行ジャーナル/学会: (IJACSA) International Journal of Advanced Computer Science and Applications
• キーワード: 解析モデル; 効率; 誘導電動機; 回転子スロットパラメータ (Analytical model; efficiency; induction motor; rotor slot parameters)

2. 抄録:

誘導電動機は、投資コストが低いため、ほとんどの発電で一般的に使用されています。しかし、さまざまな用途における誘導電動機の性能は、回転子の設計と機械の形状に大きく依存します。たとえば、回転子バーの高さと幅を変更すると、回転子抵抗とリアクタンスが変化し、モーター効率の変動につながります。本研究では、かご形誘導電動機の効率に対するパラメータの影響を調査するために、開口部の高さ、回転子スロットの深さ、回転子スロットの幅などの回転子スロット形状パラメータに関するパラメトリックスタディを実施します。この研究は、5.5 kW、60 Hz、および460 Vの仕様を備えた汎用かご形誘導電動機を考慮した解析モデルに基づいています。解析モデルは、MATLABソフトウェア環境内で開発およびシミュレーションされます。誘導電動機の効率に対する各パラメータ変動の影響は、4D散布図を使用して個別に、また全体的に調査されます。結果は、初期設定から適切な回転子スロットパラメータ設定を設計した後、効率が最大0.1％向上する可能性があることを示しています。

3. 導入:

電気機械は、電気機械エネルギー変換に広く使用されており、発電機またはモーターとして動作します。[1] モータータイプの中で、誘導電動機は、低コスト、低メンテナンス、および自己始動能力により、住宅および産業用途で好まれています。[2], [3] しかし、誘導電動機は比較的効率が低いという欠点があります。[5] 効率の改善は非常に重要であり、最適なパラメータ設定を使用したモデリングが重要なアプローチです。[6] 回転子スロット形状パラメータは、モーターの抵抗と漏れリアクタンスを決定するため、モーターの性能に大きな影響を与えます。以前の研究では、誘導電動機の性能を向上させるために回転子スロットの再設計が検討されてきました。[2], [7], [8], [9], [10], [11], [12] しかし、以前の調査は主に2D解析と有限要素法（FEM）技術に基づいていましたが、これらは特に初期設計段階のパラメトリックスタディでは計算負荷が大きく、柔軟性が低く、効率に直接焦点を当てていないことがよくあります。本論文では、解析モデルを使用して回転子スロットパラメータの変更が誘導電動機の効率に与える影響を調査することにより、これらの制限に対処します。

4. 研究の概要:

研究トピックの背景:

誘導電動機は、投資コストが低いため、発電およびさまざまな用途で広く利用されています。性能は、回転子の設計と機械の形状に大きく依存します。回転子スロットの設計は、モーター効率に影響を与える重要な要素です。

以前の研究の状況:

以前の研究では、回転子バーの形状と材料を変化させるなど、誘導電動機の性能を向上させるための回転子スロットの再設計が検討されてきました。[2], [7], [8], [12] FEM技術と2D解析は、モーターの動作、磁束分布、電力損失、高調波歪み、および始動特性に対する回転子スロット設計の影響を研究するために使用されてきました。[8], [9], [10], [6], [11] しかし、これらの方法には、計算負荷、パラメトリックスタディに対する柔軟性の制限、および効率に対する不十分な焦点という欠点があります。

研究の目的:

本研究の目的は、回転子スロット形状パラメータ、特に開口部の高さ（Hor）、回転子スロットの深さ（Hr）、および回転子スロットの幅（Btr）の変化が、かご形誘導電動機の効率に与える影響を調査することです。本研究では、以前の方法の限界を克服するために解析モデルを利用しています。

コアスタディ:

本研究の核心は、5.5 kW、60 Hz、460 Vのかご形誘導電動機の効率を評価するために、MATLAB内で解析モデルを開発および適用することです。解析モデルは、回転子スロットパラメータを個別に、また組み合わせて変化させることにより、モーター効率への影響を評価するパラメトリックスタディを実施するために使用されます。この研究は、モーターの性能を向上させるために回転子スロット形状を最適化することに焦点を当てています。

5. 研究方法論

研究デザイン:

本研究では、誘導電動機の効率に対する回転子スロット形状パラメータの影響を調査するために、解析モデリングアプローチを採用しています。この研究は、開発された解析モデルを使用したパラメトリック設計評価に基づいています。

データ収集と分析方法:

かご形誘導電動機の解析モデルは、MATLABソフトウェアを使用して開発およびシミュレーションされます。モデルは、変化する回転子スロットパラメータに基づいてモーター効率を計算します。データは、回転子スロット開口部の高さ（Hor）、回転子スロットの深さ（Hr）、および回転子スロット歯幅（Btr）を個別に、および組み合わせて体系的に変更することにより、シミュレーションを通じて生成されます。次に、効率の変動をグラフと4D散布図を使用して分析および視覚化し、最適なパラメータ設定を決定します。

研究トピックと範囲:

研究は、かご形誘導電動機の回転子スロット形状のパラメトリックスタディに焦点を当てています。範囲には以下が含まれます。

• 効率計算のための解析モデルの開発。
• 回転子スロット高さ（Hr）、回転子スロット開口部高さ（Hor）、および回転子スロット歯幅（Btr）の個別のパラメトリック分析。
• 4D散布図を使用したHr、Hor、およびBtrの統合パラメトリック分析。
• パラメータの変動に基づく効率改善の評価。
• モーターの仕様は、5.5 kW、60 Hz、および460 Vに固定されており、特定の固定子スロット寸法は、論文の表IVで定義されているとおりです。

6. 主な結果:

主な結果:

• 回転子スロット高さ（Hr）: 効率はHrが22mmまで増加するにつれて増加し、初期設定から0.09％向上した最大効率89.79％を達成します。Hrを14mm未満に減らすと、最初は効率が低下しますが、漏れリアクタンスの減少により反発します。
• 回転子スロット開口部高さ（Hor）: 効率は最初はわずかに低下し、その後Hor = 5mmで最大89.715％に増加し、0.015％向上します。HorはHrと比較して効率への影響が少なくなります。
• 回転子スロット歯幅（Btr）: 効率の変動は、以前の結果とは完全に異なるパターンを示し、Btrの中間範囲で効率が大幅に低下します。最大効率89.78％はBtr = 3.75mmで達成され、0.08％向上します。
• 組み合わせパラメータ変動（Hr、Hor、Btr）: Hr、Hor、およびBtrがそれぞれ22mm、5mm、および5〜5.5mmに設定されている場合、最大効率は89.8％に達し、0.1％の向上を表します。Hrが効率向上に最も大きな影響を与え、次いでBtrが続きます。

図のリスト:

• Fig. 6. 初期設定における誘導電動機の性能 (Performance of the induction motor at initial settings)
• Fig. 7. Hr変化時の効率の個別変動 (Individual variation of efficiency when changing Hr)
• Fig. 8. Hor変化時の効率の個別変動 (Individual variation of efficiency when changing Hor)
• Fig. 9. Btr変化時の効率の個別変動 (Individual variation of efficiency when changing Btr)
• Fig. 10. 全パラメータ変化時の効率の4D散布図 (4D Scatter Plot of Efficiency when Changing All Parameters)

7. 結論:

本論文では、回転子スロット形状パラメータが誘導電動機の効率に与える影響を調査するための解析的アプローチを示しました。MATLABベースの解析モデルを使用した研究では、回転子スロット高さ（Hr）、回転子スロット開口部高さ（Hor）、および回転子スロット歯幅（Btr）の個別および組み合わせの変動の影響を調べました。個々のパラメータ変動は、Hr、Hor、およびBtrでそれぞれ最大0.09％、0.015％、および0.08％の効率向上を示しました。統合分析は、最適化されたパラメータ設定で最大0.1％の効率向上を示し、89.8％に達しました。調査結果は、回転子スロット形状が誘導電動機の効率に大きな影響を与え、適切なパラメータ選択を通じて大幅に改善できることを示しています。本研究では3つのパラメータに焦点を当てましたが、将来の研究では、より広範囲のパラメータを考慮した最適化アプローチを検討することができます。

8. 参考文献:

• [1] A. Boglietti, A.M. Elrefaie, O. Drubel, A.M. Omekanda, N. Bianchi, E.B. Agamloh, M. Popescu, A.D. Gerlando and J.B. Bartolo. "Electrical machine topologies: Hottest topics in the electrical machine research community," IEEE Industrial Electronics Magazine, vol. 8, no. 2, pp. 18-30, 2014.
• [2] Q. Ding, Z. Yang, X. Sun, Q. Zhao and H. Zhu. "Analysis of rotor slot width influence on a bearingless induction motor," Computers and Electrical Engineering, vol. 81, pp. 1-16, 2019.
• [3] M. Sellami and S. Tounsi. "Control of axial flux DC motor with permanent magnet dedicated to electric traction," International Journal of Electrical Components and Energy Conversion, vol. 1, no. 1, pp. 44-48, 2015.
• [4] R.J. Swaraj and T. Archana. "Comparison of electric motors for electric vehicle applications," International Journal of Research in Engineering and Technology, vol. 6, no. 9, pp. 12-17, 2017.
• [5] W. Zhikun, C.T.Z.E. Wood, H. Shaojia, W. Hongtao and X. Tao. "Challenges faced by electric vehicle motors and their solutions," IEEE Access, vol. 9, pp. 5228-5249, 2020.
• [6] E. Makhetha, M. Muteba and D.V. Nicolae. "Effect of rotor bar shape and stator slot opening on the performance of three phase squirrel cage induction motors with broken rotor bars," Southern African Universities Power Engineering Conference/Robotics and Mechatronics/Pattern Recognition Association of South Africa, 2019, pp. 463-468.
• [7] K.A.I. Daut, K. Anayet, N. Gomesh, M. Asri and Y.M. Irwan. "Comparison of copper rotor bars with aluminium rotor bars using FEM software: A performance evaluation," International Conference on Computer and Electrical Engineering, 2009, pp. 453-456.
• [8] V.A. Galindo, X.M. Lopez-Fedez, J.A.D. Pinto and A.P. Coimbra. "Parametric study of rotor slot shape on a cage induction motor," International Symposium on Electromagnetic Fields in Electrical Engineering, 2002, pp. 190-195.
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• [10] J. Kappatou, K. Gyftakis and A. Safacas "FEM study of the rotor slot design influences on the induction machine characteristics," Advanced Computer Techniques in Applied Electromagnetics, vol. 30, pp. 247-252, 2007.
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• [15] A.G. Yetgin, M. Turan, B. Cevher, A.İ. Çanakoğlu and A. Gün. "Squirrel cage induction motor design and the effect of specific magnetic and electrical loading coefficient," International Journal of Applied Mathematics Electronics and Computers, vol. 7, no. 1, pp. 1-8, 2019.
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• [18] I. Boldea and S.A. Nasar. "The induction machines design handbook," Taylor and Francis Group, 2010.
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• [20] A. Boglietti, A. Cavagnino and M. Lazzari. "Geometrical approach to induction motor design," The 33rd Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society, 2007, pp. 149-156.

9. 著作権:

• この資料は、「アハメド・イブラヒム・シティ・ジュハニヤ、アフマド・アスル・イブラヒム、ムハンマド・アミルル・アティキ・モハド・ザイヌリ、モハド・アシラフ・ズルキフリー」による論文です。「An Analytical Model of Induction Motors for Rotor Slot Parametric Design Performance Evaluation」に基づいています。
• 論文の出典: https://doi.org/10.5430/ijacsa.v13n12p883

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