成果報告書詳細
管理番号20120000000727
タイトル平成20年度~平成23年度成果報告書 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 脱レアアースを目指す自動車用モータの研究開発 1
公開日2012/6/29
報告書年度2008 - 2011
委託先名国立大学法人名古屋工業大学
プロジェクト番号P07001
部署名スマートコミュニティ部
和文要約本研究開発では,ハイブリッド自動車や電気自動車など次世代自動車に搭載される駆動用主機モータとして,省レアアースタイプの高出力密度モータの設計開発を行った。具体的には,ハイブリッド界磁モータを技術シーズに,現行市販ハイブリッド車搭載モータの性能仕様を従来技術として,これに対し(i)磁石使用量50%以下,(ii)出力密度150%化,(iii)総合効率同等を設計開発の最終目標とした。
平成20年度は,最終目標に向け,まず同等の出力密度(3.5kW/kg)を達成するためのハイブリッド界磁モータの設計を実施し,設計機のコンピュータ上での仮想性能評価により実現可能性を明らかにした。
平成21年度では,実車駆動の性能数値目標に適合する平成20年度に設計した実スケールハイブリッド界磁モータに対し,その約1/3サイズの準相似形スケールダウン機の設計試作と試験性能評価を実施した。試作機による実性能評価試験の目的は,コンピュータ上でのモータ設計ならびに仮想性能評価に用いた3次元有限要素磁場解析(3D-FEA,現株式会社JSOL社製JMAG-Studio Ver.9.0)の精度検証であり,解析精度が十分に高いことの確認をもって,平成20年度に設計した実スケールハイブリッド界磁モータの性能実現可能性(磁石使用量53%低減,出力密度3.4kW/kg)を明らかにした。
平成22年度では,現行市販ハイブリッド車搭載モータの性能仕様を従来技術として,これに対し最終目標である(i)磁石使用量50%以下,(ii)出力密度150%化,(iii)総合効率同等を設計開発目標とし,同等の出力密度を達成するためのハイブリッド界磁モータの設計を実施し,設計機のコンピュータ上での仮想性能評価により実現可能性を明らかにすることを試みた。結果,磁石使用量を53%低減した上で,出力密度の134%化(目標の88.7%)の実現可能性を示した。目標の150%に至らなかった理由は,最大トルクが目標の87.6%(140Nmに対し,122.6Nm)に留まったためであり,この克服にはエッジワイズ巻など高巻線占積率化が必要である。
平成23年度では,実車駆動の性能数値目標に適合する平成22年度に設計した実スケールハイブリッド界磁モータに対し,その約1/2.2サイズの準相似形スケールダウン機の設計試作と試験性能評価を実施した。試作機による実性能評価試験の目的は,コンピュータ上でのモータ設計ならびに仮想性能評価に用いた3D-FEAの精度検証であり,解析精度が十分に高いことの確認をもって,平成22年度に設計した実スケールハイブリッド界磁モータの性能実現可能性(磁石使用量53%低減,出力密度4.7kW/kg)を明らかにした。また,平成20年度に設計した実スケールハイブリッド界磁モータに対し,実スケール機の設計試作と試験性能評価を実施した。SMCコアの製造サイズ制約から,ステータ外周・ロータ内周SMCコアを除去し,界磁極SMCコアは,S45C製の塊状鉄心をベースにSMCコアを分割して埋設する構造を提案し,試作を行った。結果,最大トルクが設計値の90%程度に留まり,自動車としての多用動作点である低・中速中軽負荷領域で,設計効率値に対し2?5%程度低下することを明らかにした。これらの要因は,巻線占積率の低下による銅損増加とS45C塊状鉄心での鉄損増加が要因と推測している。エッジワイズ巻など高巻線占積率化,大型SMCコア製造技術と機械強度の改善により,これらの低下要因は除去できると考えられ,期待通りの性能が実現できると考えられる。
英文要約In this project, we have challenged design feasibility studies on development of less-rare-earth magnet and high power density hybrid excitation motor as traction drives for next-generation vehicles such as HEV. To make motor performance comparisons with the permanent magnet motor installed on a current SUV-type HEV, we let the design restrictions and final target specifications of the proposed machine be feasible values for the target application while reducing the permanent magnet usage less than half, increasing the power density by 150 percent and keeping the motor efficiency intact.
At the first year, a goal of the design feasibility studies as the first step of this project is set to achieve more than 3.5kW/kg of maximum power density under utilization of about only 550g rare-earth magnet while keeping the given design restrictions. We designed the proposed motor by trial and error using 3D-FEA electromagnetic solver. As a result, it is demonstrated that the designed motor achieves 3.4kW/kg at the maximum power operation with 124kW at 6,511r/min under utilization of 517g rare-earth magnet.
At the second year, we firstly designed the downsized motor, which was almost with similar form of the full-sized hybrid excitation motor designed at the first year. The error between the measured and the computed drive performances were in good agreement and therefore, it was concluded that the 3D-FEA based design and performance predictions were highly reliable.
At the third and the final years, we have worked on the electromagnetic design of hybrid excitation motor optimized as one with the maximum power density of 5.3kW/kg under the maximum torque and power operation of 140Nm and 123kW. As a result, we had a good prospect that the optimally designed hybrid excitation motor was a viable machine with the maximum power density of 4.7kW/kg while reducing the permanent magnet usage by 47 percent. Then, we designed and made a trial manufacturing of the downsized motor, which was almost with similar form of the full-sized hybrid excitation motor designed at the third year. The error between the measured and the computed drive performances were in good agreement again. As a result, the predicted performance of the full-sized machine at the third year was highly expected. As another subject, we have worked on trial manufacturing and experimental tests of the full-sized hybrid excitation motor with the maximum torque and power densities of 3.4kW/kg designed at the first year. As test results, the measured maximum torque of the full-sized machine remained 90% of the predicted one and the measured motor efficiency at frequent operating conditions with light load under low and middle speed ranges was a few percent lower than the predicted one. The reason for these degradations could be solved by introducing higher filling factor of the windings and innovation of SMC core technology, resulting in realization of the expected drive performances.
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