成果報告書詳細
管理番号20120000000753
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 2
公開日2012/7/12
報告書年度2008 - 2011
委託先名ダイキン工業株式会社
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の目的は、レアアース永久磁石の使用量がゼロで従来技術と同等の総合効率および出力密度となる、脱レアアース高性能リラクタンストルク応用モータを開発することである。フェライト磁石を補助的に用いる同期リラクタンスモータ(フェライト磁石補助型同期リラクタンスモータ:PMASynRM)において、高トルク化、および、実ギャップ長を短縮することなく狭ギャップモータと同等の性能となる等価狭ギャップ構造を組み合わせる設計技術と生産技術を開発する。(1)モータ試験評価装置の開発 脱レアアース高性能リラクタンストルク応用モータを正確に測定・評価し、設計に反映できるように、最大出力10kW、最高回転数10,000min-1まで測定が可能なモータ試験ベンチシステムを構築した。試験ベンチのトルク測定精度としては、静止状態でトルク最大20N・m、定格トルクまでの精度において±0.19%以内で測定できており、目標とする測定精度を達成した。(2)モータ生産方法の開発・研究 立体ギャップ構造のモータでは、平面ギャップ構造のようにロータをステータに軸方向から挿入して組み立てることができない。そこで立体ギャップ構造のPMASynRMについて、分割ステータコア形状として分布巻巻線が可能な巻線方法と3分割のステータ分割方法を開発した。本方式を開発することで、高トルクモータとなる立体ギャップ構造モータを実現することができた。また立体ギャップ構造の分割ステータコアの端面を段差状にして接合する構造とすることにより、軸方向吸引力に対するステータの剛性を高め、また、接合面で生じる渦電流損失を低減できることを確認した。ただし、立体ギャップにしたときのスロット巻線エリアの減少による銅損増加、エアギャップ部での鉄損の増加、スラスト方向磁気吸引力の発生などの課題を明らかにした。PMASynRMの多層スリットロータ構造において、耐遠心高強度ロータ構造を決めるためにロータに遠心力を印加したときの応力解析およびロータ変形試験を行い、回転数10,000min-1を満足できるロータ構造の設計を完了した。(3)試作モータの試験評価 試作した20kW-PMASynRMの性能試験を実施した。インダクタンス特性を測定し、モータの飽和特性を明らかにした。また、リラクタンストルク主体となるトルク特性についても測定し、設計最大トルク79.6Nmを達成できることを確認した。これにより最大トルク、最大出力を達成可能であることを確認した。効率についても測定し、目標効率94%を達成可能であることを確認した。また、損失分析のためにエアギャップ中の磁束密度の周波数分析を行い、モータの鉄損に含まれる周波数成分を明らかにした。またモータ駆動時の振動についても、突出した振動成分が無いことを確認した。(4)冷却構造・電磁加振力成分可視化の開発 20kW-PMASynRMの巻線温度上昇を抑制するために、巻線で発生した熱のモータフレームへの伝熱を促進する巻線モールド構造および、モータフレームを冷却する水冷フレーム構造の試作を行った。水冷試験結果より、定格運転時に安定して運転可能な冷却性能があることを確認した。また、PMASynRMの振動の原因となる電磁加振力の傾向を把握する必要がある。そこでPMASynRMのエアギャップ磁束密度分布を明らかにし低振動化設計を可能にすることを目的とし、サーチコイルの設計およびそれを用いた磁束密度分布の測定、電磁力分布の可視化を行った。
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 efficiency and power density as an IPMSM that uses rare-earth permanent magnets. A permanent magnet assisted synchronous reluctance motor (PMASynRM) that uses the ferrite magnet in the auxiliary was studied. The design method and production technology for a motor with an equivalent narrow air gap, which enables to have the same performance as a motor with a narrow air gap, were developed.(1) Development of a motor measurement system A motor test bench system with a maximum power of 10kW and a maximum speed of 10,000min-1 was developed to evaluate the performance of PMASynRMs. For the torque measurement up to 20Nm at a standstill, the accuracy rate within ±0.19% has achieved. (2) Research and development of production of PMASynRMs To assemble the motor having a step structure air-gap, a stator of the motor was divided into three cores and the winding method was developed to apply the distributed windings. It was confirmed that the motor structure has a high torque performance. A stator core with a step structure on the both circumferential ends was designed. It enables to connect divided stator cores accurately, and to endure the magnetic forces in the axis direction. The eddy current loss was reduced in the step connection structure cores than in the flat ones. Some technical issues regarding the step structure air-gap were confirmed, such as the increase in the copper loss due to the reduction in the slot winding area, the increase in the iron loss in the core facing the air-gap, and the generation of the magnetic pull force in the thrust direction. The stress analysis using FEA and the measurement of the elastic deformation of the rotor diameter were carried out when the centrifugal force was applied. A rotor structure was designed to satisfy the mechanical strength at a speed of 10000min-1. (3) Evaluation of a prototype motor The performance of a 20kW-PMASynRM was evaluated. The motor generated a torque of 79.6Nm, which was the designed maximum torque, and it shows the designed maximum power should be achieved. The motor efficiency was measured and it was confirmed that the higher efficiency than 94% should be achieved. The frequency components of the iron loss in the motor were evaluated by the measurement of the flux density in the air-gap. The motor vibrations were measured at a rated torque and significant vibration components were not generated. (4) Development of motor cooling system and visualization of electromagnetic forces A winding mold to increase the heat transmission from the winding, and a liquid cooling motor frame were designed and built. The cooling capability was confirmed enough to cool the motor at a rated torque. A measurement of the flux density in the air gap of a PMASynRM was carried out to clarify the magnitude and the distribution of the magnetic force.
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