SPEED/JMAG/STAR-CCM+ によるモータの熱管理株式会社 CD-adapco

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ゆきわくや
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1 SPEED/JMAG/STAR-CCM+ によるモータの熱管理株式会社 CD-adapco

2 モータの熱管理なぜモータの熱管理が必要か許容温度の維持絶縁性を維持するための絶縁材について許容温度が設定されている絶縁等級許容最高温度 ( ) Y 90 A 105 E 120 B 130 F 155 H 180 C 180を超えるもの潤滑部の粘度変化ベアリングの潤滑は温度依存性が大きい 1

3 モータの熱管理なぜモータの熱管理が必要か電気抵抗の増大温度上昇とともにコイルの導体抵抗が上がり銅損を増大させる永久磁石の減磁温度上昇により永久磁石の減磁が生じ性能低下につながる. 小型化の要求材質温度係数キュリー温度巻線 0.4%/ フェライト -0.2%/ ( 可逆 ) >450 ネオジム -0.1%/ ( 可逆 ) >310 サマリウムコバルト -0.03%/ ( 可逆 ) >700 小型化とともに単純な構造では放熱性を十分に確保できない 2

4 モータの熱管理放熱経路モータの熱回路 ( トポロジ ) 3

5 モータの熱管理温度上昇させる因子重要な要素温度上昇させる因子は? 損失過大な熱抵抗放熱のために必要な要件とは? 熱抵抗を減らすことを考える表面積を増やす良好な熱伝導経路の確保熱伝達係数を上げる冷媒の変更流量の変更新たな冷却方式の検討放熱を実現するために取りえる構造は? 手計算では見積もりレベル特に新たな冷却方式の検討は見積もりレベルの手計算もままならない 4

モータの熱管理損失の分類銅損巻線抵抗による損失 W c = i 2 3R 温度上昇はさらに損失を増大させる方向に進む ρ T = ρ T ref 1 + 0.

6 モータの熱管理損失の分類銅損巻線抵抗による損失 W c = i 2 3R 温度上昇はさらに損失を増大させる方向に進む ρ T = ρ T ref (T T ref ) 鉄損ヒステリシス損内部磁極の転向により生じる損失スタインメッツの式は正弦波による推定式渦電流損内部の磁束密度の変化を打ち消すための誘導電流周波数導電率板厚に依存風損機械損その他の損失風損流体仕事による損失として現れる機械損はシャフトベアリングの摩擦によるもの W h = k h fb m W w = μ eff S 2 W e = k e ρ f2 B m 2 5

7 モータの熱管理損失を効率的に取り込むには鉄損の評価は難しい電磁界解析ソフトウェアによる評価が必要モータ解析における電磁界解析ソフトウェアとしては JMAG が最も広く使用されているジオメトリの取り込みも電磁界解析モデルを利用できればより効率的合理的なアイデアとして JMAG と STAR-CCM+ を組み合わせることがもっとも近道 6

誘導加熱装置センサシールドその他解析機能磁界解析電界解析構造解析熱解析連成解析インタフェース主要 CAD ソフトウェア

8 JMAG とは JMAG は電気機器の設計開発のためのシミュレーションソフトウェアです機器内部の複雑な物理現象を正確にとらえ高速に分析します EV/HV 開発を含むモータ開発における標準解析ツールです適用分野モータ / 発電機アクチュエータトランス誘導加熱装置センサシールドその他解析機能磁界解析電界解析構造解析熱解析連成解析インタフェース主要 CAD ソフトウェア制御回路シミュレータ最適化システムその他 CAE ツール開発元 : 株式会社 JSOL

9 SPEED 磁気回路網 ( パーミアンス法 ) をベース材料の選択, 寸法 / 構造の設定により瞬時に計算実行できる初期検討はパラメータ検討を含めて 10 分程度寸法 / 構造の入力パネル, 巻線の設定パネル等, モータに特化した専用の GUI

10 CD-adapco 製品と JMAG を用いた熱管理フロー各ツールの連携 PC-FEA 9

11 SPEED JMAG STAR-CCM+ GoFER を経由し SPEED で検討した構成を JMAG にエクスポート STAR-CCM+ のために xgdf ファイルを使用 JMAG のために xgdf ファイルを使用 10

12 SPEED JMAG GoFER を経由し SPEED で検討した構成を JMAG にエクスポート 11

13 JMAG 多目的ファイル入出力ツール JMAG の解析結果を他のソフトウェアで利用可能他ソフトウェアの結果を JMAG で利用可能機能解析に必要な物理量を入出力 CSV, Nastran, Universal フォーマットに対応他のメッシュにマッピング静解析周波数解析過渡解析に対応入出力可能な物理量損失熱伝達係数電磁力応力ひずみ変位速度 A B 加速度温度磁束密度 JCF ASCII 磁界磁化電流密度パーミアンス電界 E D C 12

14 連携解析の流れ多目的ファイル入出力ツール ->STAR-CCM+ 損失電磁力 CSV 他の構造 / 流体ソフトウェア 13

15 JMAG STAR-CCM+ (JMAG 側の作業 ) 多目的ファイルにて発熱量 QVOL とエレメント情報を出力 ASCII 形式 Nastran ファイル (.nas) 2 次元形式は 3 次元に押し出し変換対象軸対象モデルはミラーリングが可能損失情報は全区間損失または平均損失としてエクスポートできる 14

16 SPEED STAR-CCM+ 形状のインポート SPEED インポートウィザードを用いて xgdf ファイルをインポート 15

17 SPEED STAR-CCM+ 形状のインポート 3D-CAD パーツ領域物理連続体が準備されるメッシュ連続体はサイズに合わせて調整が必要 16

18 JMAG STAR-CCM+ JMAG と STAR-CCM+ のみの場合 JMAG からエクスポートできる IGES を STAR-CCM+ に取り込みコイル端の修正や簡略化は STAR-CCM+ で行う 17

19 JMAG STAR-CCM+ CAE モデルのインポートにて.nas ファイルを読み込み 18

20 JMAG STAR-CCM+ 読み込まれた CAE モデルにさらに発熱量を取り込み 19

21 JMAG STAR-CCM+ データマッパーを使ってインポートした発熱量をフィールド関数に割り当て 20

22 放熱経路の検討発熱量の推定ができればあとは放熱経路の検討実はモータは構造として難しいところが多いモデル化が必要構成部品巻線電磁鋼板ロータステータ間冷却方式ファン液冷油冷冷却方式によって得られる熱伝達係数 W/(m 2 K): 空冷 Air 液冷 LLC 油 ATF 等 ,000 20, ,000 21

23 放熱経路の検討巻線のモデル化と異方性熱伝導率巻線巻線を直接モデル化することは困難しかしバルクで簡単に扱っていいものではない異方性熱伝導率の定義軸方向とそれ以外 Slot liner Housing contact 22

24 放熱経路の検討フィーチャーカーブに沿った軸方向 STAR-CCM+ の異方性の考慮 23

25 放熱経路の検討異方性熱伝導の有無によるコイルエンドの温度コイルエンドの温度を評価するには異方性熱伝導率の評価は重要一定熱伝導率異方性熱伝導率 24

26 放熱経路の検討積層電磁鋼板電磁鋼板渦電流のキャンセルのため積層部ごとに絶縁層が組み込まれている軸方向に対して 1/3~1/6 の異方性 25

27 放熱経路の検討エアギャップロータステータ間エアギャップの存在単純な回転 2 重円筒としても流れ場は 2 次流れを含む複雑な状態となる 26

28 放熱経路の検討エアギャップの熱抵抗回転二重円筒ギャップの熱伝達係数は回転数に依存軸方向に流れがない場合のヌセルト数の見積もり Ta = ρωrd μ d r i Nu = 1 (Ta < 41) 0.106Ta 0.63 Pr 0.27 (41 < Ta < 100) 0.193Ta 0.5 Pr 0.27 (100 < Ta) 実験式から等価熱伝導率を与える方法も有効 27

29 放熱経路の検討空冷 :MRF ファン MRF または Sliding Mesh MRF は現実的な落としどころしかし MRF では流れ場としては旋回流のモデル化に十分であるがメッシュの不足ブレードの構造によっては流量を低く見積もる傾向がある Sliding Mesh は精度は良いが非定常で計算するため回転の時間スケールと過渡熱の時間スケールが大きく異なることに注意 28

30 放熱経路の検討空冷 :MRF 風損 STAR-CCM+ は粘性加熱を標準で考慮している STAR-CCM+ においてひずみ速度と実効粘性係数からフィールド関数を作成 29

31 放熱経路の検討液冷液冷一定流量を定義する上では比較的 CFDで取り扱いのしやすい領域ケーシングを通過する流路の圧力損失と熱伝達係数のバランスが重要特にケーシングを通過する曲がり流路は複雑な流れを示す少ないメッシュは熱伝達係数圧損ともに低く見積もる結果となる冷媒物性の温度依存性に注意 30

32 放熱経路の検討油冷油冷の一例コイルエンドを冷却するために局所的に油を噴霧するような検討ラグランジェ+ 液膜非定常解析が必要ロータステータ間の熱抵抗を減らすために油を攪拌する 31

検討例 H/EV 用トラクションモータモータ仕様 http://www.jmag-international.com/solutions/rt/modellibrary/019.html Model Model name Max.

33 検討例 H/EV 用トラクションモータモータ仕様 Model Model name Max. Power Voltage/Current Rotor Stator (Outside Diameter) Stator (Inside Diameter) Stator Height Magnet 10k_D_D_IV PMSM 10(kW) DC240(V)/60(A) IPM 185(mm) 105(mm) Distributed winding 37(mm) Neodymium sintered Inertia Moment 2.79e-3(kg m 2 ) Mass Max. Current 9.35(kg) 84.8(Apeak) 32 JSOL 様との共同で検証

34 損失分布 ( 銅損鉄損 ) 銅損 Low speed:600 rpm Medium speed:4,000 rpm High speed:8,000 rpm 鉄損 Low speed:600 rpm Medium speed:4,000 rpm High speed:8,000 rpm 33

35 損失分布 ( 磁石 ) 永久磁石の損失 ( 渦電流損 ) Low speed:600 rpm Medium speed:4,000 rpm High speed:8,000 rpm 34

loss Low speed rpm A Nm kw W W W 600 84.8 22.8 14.3 334.4 17.2 0.20 4000 60.0 18.

36 回転数と損失の関係 Low speed (600 rpm) 銅損が支配的 Medium speed (4,000 rpm) 銅損と鉄損のオーダーが同程度 High speed (8,000 rpm) 鉄損が支配的 Speed Current Torque Output Copper loss Iron loss Magnet loss Low speed rpm A Nm kw W W W Medium speed High speed

37 発熱の考慮方法特に鉄損が支配的な高回転の領域では発熱密度分布を与えることで局所温度上昇が大きくなる特に永久磁石の温度上昇が重要の場合には発熱分布が有効一定発熱発熱分布 36

38 結果の比較 600 RPM 4000 RPM 8000 RPM 37

39 温度のエクスポート STAR-CCM+ から温度を Nastran ファイル形式にマッピングして JMAG にエクスポート JMAG 側で温度分布を考慮した計算を再度実行 38

40 まとめモータの熱管理を行うには正しい損失の見積もり JMAG を使う適切なモデリング異方性熱伝導率の考慮 STAR-CCM+ の機能を駆使するポイントを抑えた冷却構造の構築損失の割合を考慮した低回転にも高回転にも対応できる冷却構造 STAR-CCM+ の物理モデルには様々な冷却を検討できる 39

41 お問い合わせ先株式会社 CD-adapco 横浜オフィス Tel: Fax: 横浜市港北区新横浜新横浜スクエアビル 16F 大阪オフィス Tel: Fax: 大阪市淀川区宮原新大阪ブリックビル 9F 40

42 Your CAE Partner for Success

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ACモーター入門編サンプルテキスト技術セミナーテキスト AC モーター入門編目次 1 AC モーターの位置付けと特徴 2 1-1 AC モーターの位置付け 1-2 AC モーターの特徴 2 AC モーターの基礎 6 2-1 構造 2-2 動作原理 2-3 特性と仕様の見方 2-4 ギヤヘッドの役割 2-5 ギヤヘッドの仕様 2-6 ギヤヘッドの種類 2-7 代表的な AC モーター 3 温度上昇と寿命 32 3-1 温度上昇の考え方

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