新技術説明会　様式例

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えいじろういくのや
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1 1 レアアースを用いない新構造の 50kW ハイブリッド自動車用フェライト磁石モータの開発北海道大学大学院情報科学研究科教授小笠原悟司准教授竹本真紹 2010 年 9 月 29 日 ( 金 )

2 研究背景ハイブリッド自動車の駆動システムにおいて重要な役割永久磁石同期モータ希土類磁石 HEV 駆動用モータ性能向上の要求小型化高出力化高効率化 etc. 原材料にレアアース ( 希土類元素 ) を使用高性能永久磁石 Hokkaido University 永久磁石同期モータの性能向上に大きく貢献 2

3 研究背景原材料にレアアースを使用世界最大シェア中国ネオジウムやジス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をもつ偏在性に起因する不安要素現在上昇傾向にある価格のさらなる上昇や輸出規制の強化などレアアース安定供給への不安 Hokkaido University 環境への関心の高まりハイブリッド化の促進レアアース需要拡大 3

4 研究背景世界最大シェア中国原材料にレアアースを使用 NEDO 次世代自動車用高性能蓄電システム技術開発の一環として実車サイズのネオジウムやジス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をもつ脱レアアースモータの研究開発偏在性に起因する不安要素現在上昇傾向にある価格のさらなる上昇や輸出規制の強化などレアアース安定供給への不安 Hokkaido University 本研究最終目的環境への関心の高まりハイブリッド化の促進レアアース需要拡大 4

スロット数の最適化従来のロータバックヨークありアキシャルギャップモータ課題 Hokkaido

5 新たに提案するモータのコンセプトフェライト磁石を使用希土類磁石に比べエネルギー積が約 1/10 に低下対策トルク低下アキシャルギャップ型 + セグメント構造課題不可逆減磁セグメント構造 + スロット数の最適化従来のロータバックヨークありアキシャルギャップモータ課題 Hokkaido University 回転子の偏心に伴う軸方向の不平衡な磁気吸引力ベアリングの劣化や機械損の増加の原因対策セグメント構造 5

6 新たに提案するモータ形状回転子にセグメント構造を採用したフェライト磁石アキシャルギャップモータ回転子構造モータ構造インターナルロータエクスターナルステータ型 ( ギャップ長 1mm) フェライト磁石と圧粉鉄心が非磁性のステンレス鋼に交互に組み込まれる形となり, 磁石と鉄心がそれぞれセグメントを形成している Hokkaido University 圧粉鉄心フェライト磁石 6

7 7 セグメント構造を持つロータ形状 q 軸フェライト磁石圧粉鉄心 d 軸 N S ロータバックヨークを無くし, 回転子をセグメント化する磁石自身を磁気障壁として活用回転子セグメント構造

8 新構造の特徴従来構造との比較従来構造提案する新構造ロータバックヨーク磁石厚が薄く, 加えて, 磁石部分に弱め磁束が通過しやすいので, 減磁しやすい突極比が小さく, リラクタンストルクの活用が難しい回転子が軸方向に偏心した場合, ロータバックヨークがあるため, 不平衡な電磁力が発生しやすい Hokkaido University 磁石厚を厚くでき, 加えて, 磁石部分に弱め磁束が通過し難いので, 減磁しにくい突極比が大きく, リラクタンストルクを活用できる回転子が軸方向に偏心した場合でも, ロータバックヨークが無いため, 不平衡な電磁力の発生を従来型に比べ抑制できる 8

9 9 実車サイズの試作機の製作トルク減磁構造等の解析結果より, 比較的良い結果が得られたため, 解析モデルに基づいて,50kW サイズの試作機を設計製作試作機の寸法製作中の試作機軸長 156mm 固定子外径 =269 mm 試作機完成した試作機希土類磁石を用いた市販 HEV 用 50 kw IPM モータと同体積 (8.81 L)

10 50kW 実負荷試験装置の製作 50 kw,1 万 r/min までの実負荷試験を実施できる実負荷試験装置を製作高速誘導発電機高速誘導発電機用インバータトルクメータ Hokkaido University 機械関係装置試作機を設置試作機用インバータ電気関係装置 10

4 A/mm 2 電流位相角 [deg] 電流位相角 β:0~40[deg] 回転数 :300[rpm] 希土類磁石に比べエネルギー積が約 1/10

11 11 実負荷試験 ( トルク特性の計測 ) 各電流位相角に対するトルクの推移を測定 ( ビルトインモータとして, ベアリングによる損失は除外 ) 実験 :301.1 Nm 34.2 Nm/Lを出力トルク [Nm] 実験 :22.0 A/mm 2 実験 :17.6 A/mm 2 実験 :13.2 A/mm 2 実験 :8.8 A/mm 2 実験 :4.4 A/mm 2 電流位相角 [deg] 電流位相角 β:0~40[deg] 回転数 :300[rpm] 希土類磁石に比べエネルギー積が約 1/10 のフェライト磁石を用いたレアアースフリーモータにもかかわらず, 希土類磁石を用いた市販 HEV 用 50 kw IPM モータと同体積で 75.3% のトルクである Nm(34.2 Nm/L) を達成

12 12 実負荷試験 ( 効率マップの計測 ) 300~1700 rpm( 基底速度 ) までの定トルク領域における効率マップを測定 ( ビルトインモータとして, ベアリングによる損失は除外 ) 軸出力 51.5 kw を達成トルク [Nm] 効率コンター [%] 最高効率点 (13.2 Nm, 92.5%) 基底速度 1700 rpm において, 希土類磁石を用いた市販 HEV 用 IPM モータと同サイズで同等の軸出力 51.5 kw を達成今後, 基底速度以上の速度領域である定出力領域の試験も継続して行い, モータ全体の特性を明らかにする予定である

13 13 実負荷試験結果の比較表 : 試作機の実負荷試験結果 * 注 1: 北海道大学における実測値 * 注 2: 密度は上記体積の値を用いて算出達成度市販 HEV 用希土類磁石モータと同等の最大出力密度を達成

14 14 想定される用途や PR ポイント想定される用途ハイブリッド自動車電気自動車電動バイク用駆動モータ PRポイントレアアースを用いていないため, 価格競争力安定供給などの面において優れている希土類磁石モータで問題となっている高温環境下での磁石の不可逆減磁の問題がフェライト磁石では発生しない

15 15 本技術に関する知的財産権新たに提案するロータセグメント形アキシャルギャップモータの構造を特許として出願中発明の名称 : アキシャルギャップモータ出願番号 : 特願出願人発明者 : 国立大学法人北海道大学 : 竹本真紹, 小笠原悟司

16 16 Acknowledgements This research has been conducted as a part of the Li- EAD project titled as Development of Highperformance Battery System for Next-generation Vehicles / Elemental technology development / Rare earth material free motor development/ high speed switched reluctance motor and 3 dimensional motor/, supported by New Energy and Industrial Technology Development Organization (NEDO) in Japan.

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<8D8291AC B837B B835E82CC8A4A94AD> 1 / 4 SANYO DENKI TECHNICAL REPORT No.11 May-2001 特集小市伸太郎 Shintarou Koichi 川岸功二郎 Koujirou Kawagishi 小野寺悟 Satoru Onodera 1. まえがき工作機械の主軸駆動には高速化と高加速度化が要求され主軸用モータは高速回転と高トルクを両立する必要がある近年益々モータの高速高トルク化

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