成果報告書詳細
管理番号20120000000751
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 等価狭ギャップ構造による脱レアアース高性能リラクタンストルク応用モータの研究開発 1
公開日2012/7/12
報告書年度2008 - 2011
委託先名公立大学法人大阪府立大学
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、永久磁石を使用しない同期リラクタンスモータ(SynRM)のロータ内部にフェライト磁石を挿入した永久磁石補助形同期リラクタンスモータ(PMASynRM)の高トルク・高出力化について検討し、希土類永久磁石を用いた車両駆動用永久磁石同期モータ(従来技術)と同等の出力密度および効率となる脱レアアース高性能リラクタンストルク応用モータの開発を実施した。
PMASynRMの発生トルクを向上するために高トルク化に適した極数,フラックスバリア構造,磁石埋込方法等を有限要素法による磁界解析で検討した。その結果,外径145mm、積厚30mmにて最大出力5kWを目標とするモデル(実性能モデル)では、6極構造が,外径250mm、積厚40mmにて最大出力20kWを目標とするモデル(実用出力モデル)では、8極構造が適していることが明らかになった。また,フェライト磁石の低温時における不可逆減磁を回避するとともに最高回転数10,000min-1において機械的強度を確保できるロータ構造を検討し,試作機を設計・製作して実験による特性評価を行った。その結果,フラックスバリア先端を尖らせる構造にすることにより、減磁が大幅に抑えられることが明らかになり,耐減磁性能と機械的強度を有するPMASynRMを設計できた。
等価的なギャップ長短縮効果が大きく、付加的損失を小さく抑えることができる立体ギャップ構造を明らかにするため、各種立体ギャップ構造による等価ギャップ長短縮効果について有限要素法による磁界解析および特性試験用実験機の試験で検討した。その結果,凸2段モデルが高出力用モータには適していること,立体ギャップ構造による等価的なギャップ長短縮効果および高トルク化の効果が確認できた。しかし,鉄損については立体ギャップ構造がギャップ長を短縮した平面ギャップ構造に比べて大きくなることがわかった。凸2段の立体ギャップ構造をPMASynRMに適用した試作機を製作したが,組立精度の確保や軸方向の吸引力に対する対応などが必要であることが明らかとなった。
最大出力20kWの実用出力脱レアアースPMASynRMの諸特性を解析で検討した結果,下記開発目標を達成できることを確認した。また,積厚を1/2にした試作機を用いて試験評価を行った結果,95%以上の最高効率が得られ,開発モータが目標仕様を満たす目処が得られた。
・定格出力     10kW
・最大出力     20kW
・出力密度     0.010W/mm3 (モータコア部体積当たりの出力)
・定格回転数    2,400min-1 
・最大回転数    10,000min-1
・モータピーク効率 94%以上
・レアアース(Nd, Dy, Tb)の使用量 ゼロ
英文要約The objective of this project is the development of a rare-earth-less high-performance reluctance motor which has the same performance such as power density and efficiency as an interior permanent magnet synchronous motor for automobile application that uses rare-earth permanent magnets. A permanent magnet assisted synchronous reluctance motor (PMASynRM) that uses the ferrite magnet in the auxiliary to improve the output power, the power-factor and the efficiency of a synchronous reluctance motor (SynRM) was studied.
A suitable structure of PMASynRM such as number of poles, flux barrier structure and burial method of permanent magnet was examined by the magnetic field analysis based on the finite element method (FEM) in order to improve the torque performance. As a result, it was clarified that the 6 poles and 8 poles are suitable for 5kW PMASynRM with outside diameter of 145 mm and 20kW PMASynRM with the outside diameter of 250 mm, respectively. Moreover, the rotor structure was examined to prevent the irreversible demagnetization of the ferrite magnets at low temperature and the destruction of rotor by centrifugal force at maximum speed of 10,000 min-1, and then the performance was evaluated by the experimental results of prototype PMASynRM. As a result, it was clarified that demagnetization was suppressed greatly by tapering the flux barrier, and PMASynRM that has the tolerance to irreversible demagnetization and the mechanical strength has been designed.
The effect of shortening the gap length equivalently is achieved by using a three-dimensional gap structure, and it is expected that the performance of PMASynRM is improved by three-dimensional gap structure. From the magnetic field analysis based on FEM and experimental evaluation, it was shown that the 2-convex model was optimal three-dimensional gap structure to equivalently shortening the gap length and was effective for increase of torque. However, it was also shown that the core loss of three-dimensional gap structure becomes larger compared with a flat-gap structure with shortened gap length. The prototype in which a 2-convex structure was applied to PMASynRM was produced and it was clarified that the assembly accuracy and the consideration of the thrust force are required.
It was confirmed that the proposed rare-earth-less PMASynRM with the maximum output of 20 kW can achieve the following development target from various characteristics examined by the analysis. Moreover, from the experimental evaluation of the prototype in which the stack length was adjusted to 1/2 the prospect that the developed motor achieves the target performance was obtained.
Rated output power: 10 kW
Maximum output power: 20 kW
Power density: 0.010 W/mm3 (output power per volume of motor core)
Rated speed: 2,400 min-1
Maximum speed: 10,000 min-1
Maximum efficiency: 94 % or more
Use of rare earth (Nd, Dy, Tb): none
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