成果報告書詳細
管理番号20110000000038
タイトル*平成21年度中間年報 次世代自動車用高性能蓄電システム技術開発/要素技術開発/脱レアアース次世代モータの研究開発(1)
公開日2012/6/27
報告書年度2009 - 2009
委託先名国立大学法人北海道大学
プロジェクト番号P07001
部署名スマートコミュニティ部
和文要約1. 研究開発の内容及び成果等
(1) 研究開発の内容
永久磁石同期モータは、現在のハイブリッド自動車駆動システムにおいて中核をなす存在であり、小型化・高出力化・高効率化などにおいて、極めて高い性能が要求されている。これまで永久磁石同期モータの性能向上に対し、大きく貢献してきたのがレアアースを原材料とする希土類磁石である。希土類磁石はエネルギー積が大きく、強力な磁石として永久磁石同期モータに頻繁に使用されているが、希土類磁石の原材料となるネオジウムやジプロシウムなどのレアアースは、世界シェアの90%以上を中国に依存するという偏在性に代表される懸念すべき事項が存在する。この偏在性に起因し、価格の高騰や輸出規制の強化が生じる可能性を否定することはできない。しかしながら、近年の環境問題に対する関心の高まりから、二酸化炭素の削減や燃費向上を目的とした自動車や大型建機などのハイブリッド化は急速に進む傾向にあり、今後、希土類磁石またはその原材料となるレアアースの需要は増加することが予想される。したがって、希土類磁石を用いない次世代自動車駆動用モータを開発することが強く望まれている。
以上のような理由から、本研究プロジェクトでは、脱レアアース次世代モータの開発を行う。
北海道大学と東京理科大学の2つの大学で連携しつつも異なったアプローチを取りながら研究開発を一緒に進める。いずれもレアアース使用量をゼロとする方式であり、目標としては従来のトヨタプリウス搭載のIPM モータと等しい大きさ、効率を実現するものである。すなわち、目標:直径269 mm、軸長156 mm(コイルエンドを含む)の寸法で軸出力50 kW、運転効率同等(負荷点により85-95%)を実現する。上記目標は、現在、市販されているレアアースを使用しない代表的なモータである軸出力55 kW の誘導電動機が、直径300 mm、軸長390 mm(コイルエンドを含む)程度の大きさであることを考えると、三分の一の体積で同等の軸出力を達成するという極めてハードルの高い目標である。従って、実現できれば社会的な貢献が大きく、それだけ意義深い研究開発である。この研究目標を実現するために、北海道大学では、以下の2 つのプロジェクトについて研究開発を行う。
英文要約Li-EAD
Title : Development of High-performance Battery System for Next-generation Vehicles / Elemental technology development / Rare earth material free motor development/ high speed switched reluctance motor and 3 dimensional motor/

Permanent magnet synchronous motors (PMSMs) are a key part of the current hybrid electric vehicle (HEV) drive system, and the sophisticated performance such as small size, high power density and high efficiency is needed to the PMSMs in the HEV drive system. Therefore, rare earth permanent magnet (rare earth PM), which has large energy product, is generally employed in the PMSMs in order to realize the sophisticated performance. However, rare earth materials contained in the rare earth PM has several concerns caused by uneven distribution, because the rare earth materials such as neodymium and dysprosium depend on China for 90% or more of the world share. Accordingly, the rare earth materials have the undeniable possibility of sudden rise of price or reinforcement of export restriction. On the other hand, the HEV tends to be promoted rapidly because of growing concern about environmental problems. Consequently, it is expected that the demand of the rare earth materials will extremely expand in the near future. Therefore, it is very important to develop rare-earth-free motors for the next generation HEV drive system.
In this research project, we propose a PMSM with ferrite permanent magnet (ferrite PM) as the substitution of the rare earth PM. However, the maximum energy product of the ferrite PM is called about its 10% of the rare earth PM. Thus, the coercive force and the remanence of the ferrite PM are much smaller than those of the rare earth PM. Consequently, magnet torque of the PMSM with the ferrite PM is significantly decreased. Because of the same reason, the irreversible demagnetization caused by field weakening flux arises easily in the ferrite PM. In case the ferrite PM is used in the PMSM for the HEV drive system which conducts a large motor current, the problem of the irreversible demagnetization in the ferrite PM is not negligible.
The proposed motor of this research project is an axial gap configuration which can be expected to achieve higher torque. In addition, the proposed motor has a segmented rotor structure which is composed of the ferrite PM segments and the soft magnetic composite (SMC) material segments, and does not have a rotor back yoke. The segmented rotor structure can make effective use of reluctance torque in order to compensate lower magnet torque. In addition, the decentralization of the stator winding magnetomotive force is attempted by increasing the number of concentrated winding stator slots. This prompts the reduction of the field weakening flux flowing into the ferrite PM. Consequently, the irreversible demagnetization of the ferrite PM can be not generated.
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