大 阪 府 立 大 学 博 士 論 文 各 種 モータの 特 性 に 及 ぼす 無 方 向 性 電 磁 鋼 板 の 磁 気 特 性 の 影 響 に 関 する 研 究 14 年 1 月 戸 田 広 朗

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1 Title 各 種 モータの 特 性 に 及 ぼす 無 方 向 性 電 磁 鋼 板 の 磁 気 特 性 の 影 響 に 関 する 研 究 Author(s) 戸 田, 広 朗 Editor(s) Citation Issue Date 14-1 URL Rights

2 大 阪 府 立 大 学 博 士 論 文 各 種 モータの 特 性 に 及 ぼす 無 方 向 性 電 磁 鋼 板 の 磁 気 特 性 の 影 響 に 関 する 研 究 14 年 1 月 戸 田 広 朗

3 目 次 第 1 章 緒 論 第 章 表 面 磁 石 型 同 期 モータの 特 性 に 及 ぼす 素 材 磁 気 特 性 の 影 響.1 緒 言. 表 面 磁 石 型 同 期 モータの 仕 様 および 無 方 向 性 電 磁 鋼 板 の 磁 気 特 性.3 表 面 磁 石 型 同 期 モータの 効 率 と 鉄 損 に 及 ぼす 鉄 心 材 料 の 磁 気 特 性 の 影 響.4 モータ 鉄 損 に 及 ぼす 素 材 高 周 波 鉄 損 の 影 響 に 関 する 考 察.5 結 言 第 3 章 誘 導 モータの 特 性 に 及 ぼす 新 規 高 磁 束 密 度 材 の 磁 気 特 性 の 影 響 3.1 緒 言 3. 新 規 高 磁 束 密 度 材 の 磁 気 特 性 3.3 モデル 誘 導 モータの 仕 様 および 検 討 方 法 3.4 モータ 特 性 に 及 ぼす 新 規 高 磁 束 密 度 材 の 磁 気 特 性 の 影 響 3.5 結 言 第 4 章 スイッチトリラクタンスモータの 特 性 に 及 ぼす 素 材 磁 気 特 性 の 影 響 4.1 緒 言 4. モデル SRM の 仕 様 および 実 験 方 法 4.3 SRM の 特 性 に 及 ぼす 無 方 向 性 電 磁 鋼 板 の 磁 気 特 性 の 影 響 4.4 SRM の 鉄 損 計 算 結 果 および 考 察 4.5 結 言 第 5 章 分 割 コアタイプ 埋 込 磁 石 型 同 期 モータの 特 性 に 及 ぼす 素 材 磁 気 特 性 の 影 響 5.1 緒 言 5. モデル 分 割 コア IPMSM の 仕 様 および 実 験 方 法 5.3 分 割 コア IPMSM の 特 性 に 及 ぼす 無 方 向 性 電 磁 鋼 板 の 磁 気 特 性 の 影 響 5.4 無 方 向 性 電 磁 鋼 板 のせん 断 時 鉄 損 劣 化 に 及 ぼす 板 厚 の 影 響 実 験 方 法 5.4. 実 験 結 果 および 考 察 5.5 分 割 コア IPMSM のモータ 鉄 損 計 算 結 果 および 考 察 モータ 鉄 損 計 算 方 法 5.5. モータ 鉄 損 計 算 結 果 および 考 察 i

4 5.6 結 言 第 6 章 ハイブリッド 自 動 車 用 モータの 損 失 解 析 6.1 緒 言 6. HEV 用 アシストモータの 基 本 設 計 6.3 HEV 用 アシストモータのロータ 磁 石 部 渦 電 流 損 の 解 析 解 析 モデルによる 渦 電 流 損 の 計 算 法 6.3. 渦 電 流 損 の 計 算 結 果 および 考 察 6.4 HEV 用 アシストモータの 鉄 損 に 及 ぼすモータ 構 造 の 影 響 モータ 鉄 損 計 算 方 法 6.4. 鉄 損 計 算 結 果 および 考 察 6.5 結 言 第 7 章 結 論 参 考 文 献 謝 辞 ii

5 第 1 章 緒 論 無 方 向 性 電 磁 鋼 板 は モータや 発 電 機 などの 鉄 心 材 料 として 用 いられており 今 日 の 社 会 を 支 える 重 要 な 軟 磁 性 材 料 である 近 年 エネルギーの 効 率 的 利 用 の 観 点 から 各 種 モ ータに 対 する 高 性 能 化 と 省 エネルギー 化 への 要 求 はますます 厳 しくなっている なぜなら ば 日 本 における 発 電 量 の 半 分 以 上 はモータによって 消 費 され モータの 効 率 を 平 均 1% 向 上 させれば 5 万 kw クラスの 発 電 所 一 基 相 当 分 の 電 力 が 削 減 できるからである (1)() 更 に 地 球 温 暖 化 や 大 気 汚 染 などの 環 境 問 題 の 観 点 から 自 動 車 に 対 する CO 削 減 や 燃 費 規 制 が 強 化 されるなかで 自 動 車 業 界 ではハイブリッド 自 動 車 (HEV)や 電 気 自 動 車 (EV) の 開 発 と 実 用 化 が 急 速 に 進 展 している これらに 使 われるモータには 小 型 化 高 出 力 化 や 高 効 率 化 が 強 く 求 められるため 永 久 磁 石 同 期 モータ(PMSM : Permanent Magnet Synchronous Motor)が 多 く 採 用 されている したがって 鉄 心 材 料 である 無 方 向 性 電 磁 鋼 板 にも その 目 的 に 適 した 特 性 の 改 善 が 強 く 求 められている 一 方 各 種 モータの 高 性 能 化 と 高 効 率 化 のためには モータの 特 徴 にあった 鉄 心 材 料 の 選 択 や 最 適 な 材 料 利 用 が 必 要 と 考 えられる 無 方 向 性 電 磁 鋼 板 の 磁 気 特 性 は JIS 規 格 において 磁 束 密 度 の 振 幅 1.5T 周 波 数 5Hz で の 鉄 損 値 W 15/5 磁 界 の 強 さ 5A/m での 磁 束 密 度 B 5 によって 示 されている (3) そして.35mm.5mm.65mm 厚 の 3 種 類 の 板 厚 と 鉄 損 に 応 じて 35A~44 5A3~13 65A8~16 の 4 種 類 が 規 定 されている 規 格 記 号 の 先 頭 の 数 字 桁 は 呼 称 厚 さ(mm)の 倍 を 示 し A は 無 方 向 性 電 磁 鋼 板 を 表 す 記 号 続 く 3 桁 の 数 字 は W 15/5 (W/kg)の 最 大 値 の 倍 を 示 す 一 般 に 低 鉄 損 の 高 級 品 は Si 含 有 量 が 多 く 低 級 品 は Si 含 有 量 が 少 なく 鉄 損 が 高 い そして 電 磁 鋼 板 の 飽 和 磁 束 密 度 は Si 含 有 量 が 増 すほど 低 下 するため 磁 束 密 度 B 5 は Si 含 有 量 が 多 いほど 低 下 する 傾 向 を 示 す すなわち 一 般 的 に 無 方 向 性 電 磁 鋼 板 の 磁 束 密 度 B 5 は 低 鉄 損 化 と 共 に 低 下 する 従 来 から 広 く 使 用 されてきた 誘 導 モータの 特 性 に 及 ぼす 無 方 向 性 電 磁 鋼 板 の 影 響 につ いては 主 に 上 記 鉄 損 W 15/5 の 観 点 から 種 々の 検 討 が 行 われている Honda らは 6W の 単 相 誘 導 モータ および 4W の 3 相 誘 導 モータの 特 性 に 及 ぼす 電 磁 鋼 板 の 影 響 を 調 査 し その 効 率 は 鉄 心 素 材 の 鉄 損 W 15/5 が 低 いほど 向 上 する 傾 向 を 示 す が 同 時 に 磁 束 密 度 B 5 にも 強 く 依 存 するため 設 計 条 件 により 最 適 素 材 が 異 なると 報 告 1

6 している (4)(5) すなわち 誘 導 モータには 永 久 磁 石 は 用 いられず 励 磁 はステータの 巻 線 電 流 のみによってなされ 回 転 子 (ロータ)に 次 銅 損 も 発 生 するため モータ 損 失 に 占 め る 銅 損 比 率 が 大 きい 前 述 したように 素 材 Si 量 が 増 加 することにより 鉄 損 は 減 少 するが 一 方 磁 束 密 度 が 低 下 して 励 磁 電 流 が 増 加 するため 銅 損 は 高 くなる したがって 銅 損 比 率 が 高 い 場 合 素 材 磁 束 密 度 の 影 響 が 大 きくなるので 比 較 的 Si 量 の 低 い 素 材 の 方 がモ ータ 効 率 は 高 くなるためである (6) Kwon らも 3 相 誘 導 モータにて 磁 束 密 度 が 高 くて 周 波 数 が 低 い 動 作 条 件 では 高 Si 素 材 の 高 級 品 を 適 用 しても 必 ずしもモータ 効 率 は 向 上 しな いことを 示 している (7) また Bleak らは 単 相 および 3 相 誘 導 モータの 特 性 に 及 ぼす 電 磁 鋼 板 の 影 響 を 網 羅 的 に 調 査 し 1.5T での 鉄 損 と 1.T での 透 磁 率 を 素 材 特 性 として 用 いることで モータ 効 率 を 精 度 良 く 予 測 できると 報 告 している (8) しかし 近 年 エアコン 冷 蔵 庫 洗 濯 機 などの 家 電 製 品 や HEV EV の 駆 動 モータへ の 適 用 が 拡 大 している PMSM の 特 性 に 及 ぼす 鉄 心 材 料 の 影 響 に 関 する 系 統 だった 報 告 は ほとんどない PMSM では 誘 導 モータに 比 べて 銅 損 が 顕 著 に 減 少 するため (9) モータ 特 性 に 及 ぼす 無 方 向 性 電 磁 鋼 板 の 影 響 は 異 なると 考 えられる また 前 述 したように 誘 導 モータでは 素 材 磁 束 密 度 の 改 善 による 高 効 率 化 の 効 果 が 大 きいと 考 えられている したがって 従 来 よりも 高 磁 束 密 度 の 無 方 向 性 電 磁 鋼 板 を 用 いて 磁 気 特 性 の 影 響 を 明 確 にすることは 省 エネルギー 化 に 大 きく 貢 献 すると 思 われる 一 方 希 土 類 磁 石 の 原 料 であるレアアース 資 源 の 問 題 から 磁 石 を 使 用 しないスイッチ トリラクタンスモータ(SRM)への 関 心 が 高 まっている () SRM の 高 効 率 化 のためには 鉄 心 材 料 である 電 磁 鋼 板 の 鉄 損 低 減 が 必 要 と 考 えられるが 実 際 に 種 々の 電 磁 鋼 板 を 用 いて SRM を 試 作 し そのモータ 特 性 に 及 ぼす 磁 気 特 性 の 影 響 を 調 べた 報 告 はほとんどない さらに 巻 線 時 の 能 率 向 上 と 電 磁 鋼 板 を 打 ち 抜 く 際 の 素 材 の 歩 留 り 向 上 のために モー タの 固 定 子 (ステータ)を 分 割 鉄 心 にする 場 合 が 増 えつつある (11)(1) 無 方 向 性 電 磁 鋼 板 は 完 全 な 等 方 性 材 料 ではなく ある 程 度 の 異 方 性 を 有 しているため (4)(5) その 磁 気 特 性 は 通 常 素 材 の 圧 延 方 向 とその 直 角 方 向 の 試 験 片 の 平 均 値 で 評 価 されている したがって 分 割 コ アモータの 特 性 に 及 ぼす 素 材 磁 気 特 性 の 影 響 について 圧 延 方 向 とその 直 角 方 向 別 の 磁 気 特 性 がモータ 特 性 に 及 ぼす 影 響 を 検 討 した 結 果 はほとんど 報 告 されていない 以 上 に 述 べた 課 題 を 考 慮 し 本 論 文 では PMSM と SRM の 効 率 とモータ 鉄 損 に 及 ぼす 無 方 向 性 電 磁 鋼 板 の 磁 気 特 性 の 影 響 を 検 討 し それらの 鉄 心 材 料 選 択 時 に 最 適 な 磁 気 特 性

7 指 標 を 提 示 するとともに その 理 由 を 明 確 化 することを 目 的 にする そのために 8 極 1 スロットの 表 面 磁 石 型 同 期 モータ (SPMSM:Surface Permanent Magnet Synchronous Motor) ステータ 6 極 ロータ 4 極 の 3 相 SRM および 1 極 18 スロ ットの 分 割 コアタイプ 埋 込 磁 石 型 同 期 モータ(IPMSM : Interior Permanent Magnet Synchronous Motor)の 特 性 に 及 ぼす 無 方 向 性 電 磁 鋼 板 の 磁 気 特 性 の 影 響 を 検 討 する そして モータの 基 本 周 波 数 が 約 Hz 程 度 であっても モータ 効 率 とモータ 鉄 損 は 従 来 の 素 材 鉄 損 指 標 である W 15/5 ではなく 磁 束 密 度 1.T 周 波 数 4Hz 時 の 素 材 鉄 損 W /4 と 非 常 に 良 い 相 関 を 示 すことを 明 らかにし PMSM と SRM では 鉄 心 材 料 選 択 時 の 指 標 として W /4 が 良 いことを 提 案 する (13)~(16) さらに その 確 証 のため 有 限 要 素 法 による 磁 界 解 析 に 基 づ くモータ 鉄 損 の 計 算 を 行 い 測 定 値 との 比 較 と 検 証 を 行 う (13)(14)(16) また 従 来 製 品 より 同 一 鉄 損 での 磁 束 密 度 を 高 めた 無 方 向 性 電 磁 鋼 板 (JNP シリーズ) (17) を 用 いて 3 相 誘 導 モータでの 評 価 を 行 う これにより 新 規 開 発 材 は 高 磁 束 密 度 設 計 のモータおよび 小 型 化 や 高 トルクが 要 求 されるモータに 有 利 に 適 用 できることを 示 す (18) さらに エンジン 回 転 数 3min -1 以 下 でのトルクアシストを 目 的 にした HEV 用 モータ である 極 4 スロット PMSM と 4 極 36 スロット PMSM の 損 失 解 析 を 行 い 鉄 損 低 減 には 前 者 の 方 が 有 利 であり (19) また 特 に 前 者 で 問 題 となる 磁 石 部 渦 電 流 損 の 低 減 には 1 個 の 磁 石 を 周 方 向 に 分 割 するのが 効 果 的 であることを 提 案 する () 本 論 文 の 第 章 以 降 の 概 要 は 以 下 の 通 りである 第 章 では 8 極 1 スロット SPMSM の 特 性 に 及 ぼす 無 方 向 性 電 磁 鋼 板 の 影 響 を ステ ータ 用 材 料 に 種 々の 電 磁 鋼 板 を 用 いて 検 討 する その 結 果 モータ 効 率 とモータ 鉄 損 は 素 材 鉄 損 W /4 と 非 常 に 良 い 相 関 にあることを 示 す その 一 因 として 磁 束 微 分 波 形 に 高 調 波 が 強 く 重 畳 していることが 考 えられ 磁 界 解 析 計 算 によってその 理 由 を 説 明 する また 素 材 磁 束 密 度 B 5 はモータ 銅 損 に 影 響 するが モータ 効 率 への 影 響 は 素 材 鉄 損 が 支 配 的 で あり 素 材 磁 束 密 度 の 影 響 は 小 さいことを 示 す 第 3 章 では 新 規 高 磁 束 密 度 材 (JNP シリーズ)の 磁 気 特 性 を 示 し 3 相 誘 導 モータに 適 用 した 結 果 から 新 規 開 発 材 は 既 存 の 高 磁 束 密 度 材 に 比 べて 動 作 磁 束 密 度 が 1.6T 以 上 の 場 合 にモータ 効 率 改 善 量 が 大 きいことを 示 す そして 両 者 の 磁 束 密 度 (B) 磁 界 の 強 さ(H) 特 性 の 比 較 から その 理 由 を 明 らかにする また 駆 動 周 波 数 を 変 更 して 評 価 した 結 果 から モータの 銅 損 比 率 が 8% 以 上 の 場 合 低 Si 量 の 開 発 材 の 方 が 高 Si 量 の 開 発 材 よりモー タ 効 率 は 有 利 になることを 示 す 3

8 第 4 章 では ステータ 6 極 ロータ 4 極 の 3 相 SRM の 特 性 に 及 ぼす 無 方 向 性 電 磁 鋼 板 の 影 響 を 検 討 する ステータとロータに 同 一 材 料 を 用 いて 検 討 した 結 果 SRM は 誘 導 モー タに 類 似 して 銅 損 比 率 が 高 いにもかかわらず モータ 効 率 への 影 響 は 素 材 鉄 損 が 支 配 的 で あり モータ 効 率 とモータ 鉄 損 は W 15/5 よりも W /4 と 良 い 相 関 を 呈 することを 示 す また SRM ではモータの 各 部 において 磁 束 密 度 波 形 が 大 きく 異 なり かつ 高 調 波 を 多 く 含 む 複 雑 な 波 形 をしているため (1) モータ 鉄 損 を 簡 便 かつ 精 度 良 く 求 める 手 法 は 充 分 に 確 立 していない ここでは モータ 各 部 を 磁 束 密 度 波 形 パターンによって 分 類 し その 特 徴 に 応 じて 異 なる 鉄 損 算 出 式 を 適 用 する 方 法 を 提 案 する 第 5 章 では 1 極 18 スロットの 分 割 コア IPMSM の 特 性 に 及 ぼす 無 方 向 性 電 磁 鋼 板 の 影 響 を ステータのティース 径 方 向 を 素 材 の 圧 延 方 向 に 揃 えて 検 討 する モータ 効 率 は モ ータ 鉄 損 を 介 して 素 材 鉄 損 W /4 によってほぼ 決 定 されており さらに ヨーク 周 方 向 よ りもティース 径 方 向 の 磁 気 特 性 を 改 善 した 方 がモータ 特 性 の 改 善 量 が 大 きいことを 示 す また モータ 鉄 損 の 計 算 値 と 実 測 値 の 乖 離 の 一 因 として 通 常 の 磁 気 特 性 評 価 法 で 使 用 する 幅 3mm 長 さ 8mm のエプスタイン 試 験 片 と 実 際 のモータ 形 状 の 違 いが 考 えられ る ここでは モータのティースやヨーク 幅 とほぼ 同 等 幅 ( 5mm)にせん 断 した 試 験 片 を 測 定 して 得 た 素 材 の 磁 気 特 性 を 用 いてモータ 鉄 損 を 計 算 し 実 測 値 とほぼ 等 しい 値 が 得 られることを 示 す 第 6 章 では 最 大 出 力 が 求 められる 17min -1 時 に 同 一 電 流 で 同 一 トルクを 得 るという 条 件 で 設 計 した 極 4 スロット PMSM と 4 極 36 スロット PMSM のモータ 損 失 を 検 討 する 無 負 荷 6min -1 での 鉄 損 は 前 者 の 方 が 極 数 が 少 なく 駆 動 周 波 数 が 低 いために 小 さい 一 方 負 荷 時 の 磁 石 部 渦 電 流 損 は 前 者 の 方 が 大 きいが 磁 石 を 周 方 向 に 分 割 するこ とで 渦 電 流 損 は 効 果 的 に 減 少 できる 後 者 でも 過 度 の 温 度 上 昇 を 防 ぐには 磁 石 を 周 方 向 に 分 割 以 上 する 必 要 があるため モータ 損 失 低 減 の 観 点 から 前 者 の 採 用 が 適 当 であるこ とを 示 す 第 7 章 では 結 論 として 以 上 の 章 の 総 括 を 行 う 4

9 第 章 表 面 磁 石 型 同 期 モータの 特 性 に 及 ぼす 素 材 磁 気 特 性 の 影 響.1 緒 言 近 年 地 球 温 暖 化 や 大 気 汚 染 などの 環 境 問 題 エネルギー 問 題 などへの 関 心 が 世 界 的 に 高 まりつつある その 中 でも 地 球 温 暖 化 防 止 には CO の 排 出 削 減 とエネルギーの 効 率 的 利 用 が 必 須 であるため モータ 効 率 の 向 上 が 強 く 求 められている したがって 従 来 広 く 使 用 されてきた 誘 導 モータに 対 し エアコンなどの 家 電 製 品 に 使 われるコンプレッサモー タやハイブリッド 自 動 車 (HEV) 用 駆 動 モータなどでは 永 久 磁 石 同 期 モータ(PMSM: Permanent Magnet Synchronous Motor)の 適 用 が 急 速 に 進 展 している ()(3) PMSM はロータ に 永 久 磁 石 を 使 用 して 次 導 体 回 路 を 持 たないため 誘 導 モータに 比 べて 銅 損 が 顕 著 に 減 少 し モータ 効 率 が 高 くなるという 特 徴 を 有 する (9) したがって 効 率 向 上 に 有 利 な 種 々 のモータ 構 造 や 駆 動 方 法 が 多 く 研 究 されているが 一 方 鉄 心 材 料 である 無 方 向 性 電 磁 鋼 板 に 要 求 される 特 性 についても 誘 導 モータとは 鉄 損 と 銅 損 の 比 率 が 大 きく 異 なるため 最 適 な 特 性 条 件 が 変 化 すると 考 えられる 無 方 向 性 電 磁 鋼 板 の 磁 気 特 性 は JIS 規 格 では 鉄 損 W 15/5 と 磁 束 密 度 B 5 によって 規 定 さ れている (3) 誘 導 モータの 効 率 に 及 ぼす 鉄 心 材 料 の 影 響 に 関 しては 素 材 鉄 損 W 15/5 が 低 いほどモータ 効 率 は 向 上 する 傾 向 を 示 すが 素 材 磁 束 密 度 B 5 の 影 響 も 大 きいと 報 告 され ている (4)~(6) すなわち モータ 鉄 損 は 鉄 損 W 15/5 と 銅 損 は 磁 束 密 度 B 5 と 強 い 相 関 を 示 すが 一 般 的 に 無 方 向 性 電 磁 鋼 板 の 磁 束 密 度 は 低 鉄 損 化 と 共 に 低 下 する したがって あ る 程 度 以 上 の 低 鉄 損 材 を 用 いた 場 合 モータ 効 率 の 向 上 量 は 飽 和 する 傾 向 にあり また モータ 駆 動 条 件 や 設 計 磁 束 密 度 により 素 材 Si 量 の 低 い 材 料 の 方 がモータ 効 率 は 高 くなり えると 報 告 されている (4)(5) 本 章 では PMSM の 効 率 向 上 に 有 利 な 素 材 条 件 を 明 らかにするために モデルモータと して 希 土 類 磁 石 を 用 いる 表 面 磁 石 型 同 期 モータ(SPMSM: Surface Permanent Magnet Synchronous Motor)を 選 択 し 種 々の 無 方 向 性 電 磁 鋼 板 を 用 いてステータ 鉄 心 を 作 製 して モータ 特 性 に 及 ぼす 鉄 心 材 料 の 磁 気 特 性 の 影 響 を 検 討 する また 有 限 要 素 法 による 磁 界 解 析 およびモータ 鉄 損 の 計 算 を 行 って 測 定 結 果 と 比 較 することで 得 られた 実 験 結 果 の 妥 当 性 を 検 証 する 5

10 . 表 面 磁 石 型 同 期 モータの 仕 様 および 無 方 向 性 電 磁 鋼 板 の 磁 気 特 性 モデルモータとして 用 いた 表 面 磁 石 型 同 期 モータの 諸 元 を 表.1 に 示 す 定 格 出 力 3W ロータは 8 極 ( 希 土 類 永 久 磁 石 を 使 用 ) ステータは 1 スロット 巻 線 は 3 相 スター 結 線 の 集 中 巻 である ステータの 外 観 写 真 を 図.1 に 示 す 鉄 心 素 材 がモータ 特 性 に 及 ぼす 影 響 を 明 確 にするために ロータはすべての 測 定 を 通 じて 同 一 のものを 用 いた 各 素 材 につき 製 品 板 からステータ 積 層 板 を 打 ち 抜 いて 所 定 の 高 さに 積 層 後 そのままの 状 態 および N 雰 囲 気 中 75 時 間 の 焼 鈍 ( 歪 取 焼 鈍 )を 施 した 後 に それぞれ 巻 線 を 施 した ステータ 鉄 心 材 料 としては JIS 規 格 準 拠 の 標 準 品 JN 材 3 種 類 と 歪 取 焼 鈍 後 に 鉄 損 が 大 きく 低 減 する JNA 材 3 種 類 (4) を 用 いた 磁 気 測 定 は 製 品 板 の 圧 延 方 向 および 圧 延 直 角 方 向 に 平 行 にせん 断 した 幅 3mm 長 さ 8mm のエプスタイン 試 験 片 を 用 い JIS (3) に 準 拠 し て 行 った エプスタイン 試 験 片 にせん 断 後 および 上 述 条 件 での 歪 取 焼 鈍 後 の 磁 気 特 性 (W 15/5 と B 5 )を 表. に 示 す 表.1 供 試 モータの 諸 元 Item Specification M otor type Surface permanent magnet type Rated power 3 W Input voltage 48 V dc Stator dimensions φ178 (OD) φ75 (ID) 3 (H) mm Number of slots 1 Stator teeth width 9 mm Stator yoke width 9.5 mm Rotor dimensions φ74 (OD) 3 (H) mm Number of poles 8 Winding 3-phase star connection 4 coils / phase 図.1 供 試 モータのステータ 外 観 6

11 表. ステータ 鉄 心 材 料 の 磁 気 特 性 Material Thickness As sheared After stress relief annealing (mm) W 15/5 (W/kg) B 5 (T) W 15/5 (W/kg) B 5 (T) 5JN JN JN JNA JNA JNA (Tests were conducted by using Epstein samples [L+C].) Tested motor Tachometer Torque meter Load motor Power supply CPU Power supply 図. 測 定 装 置 のブロック 図 図. に 使 用 したモータ 特 性 測 定 装 置 のブロック 図 を 示 す モータ 特 性 の 測 定 はステー タの 温 度 を 4 とした 後 駆 動 電 圧 を PWM パルス 幅 により 設 定 し 負 荷 モータによりト ルクを 印 加 して 回 転 数 をスイープして 行 い(-14min -1 ) その 結 果 からステータ 鉄 心 材 料 別 に 最 大 モータ 効 率 を 求 めた その 後 15 min -1 Nm の 定 回 転 条 件 および 出 力 4W 条 件 ( 高 トルク 条 件 )での 特 性 評 価 を 行 った なお 駆 動 方 法 は 1 度 通 電 矩 形 波 である モータ 損 失 の 分 離 については 1 次 巻 線 抵 抗 と 電 流 値 からジュール 損 失 を 求 めて 銅 損 と し 全 損 失 から 銅 損 と 機 械 損 ( 風 損 を 含 む)を 減 じて 鉄 損 とした なお 機 械 損 は 無 着 磁 の 磁 石 を 用 いたロータを 別 途 用 意 し 澤 畑 らの 方 法 (9) にしたがって 求 めた.3 表 面 磁 石 型 同 期 モータの 効 率 と 鉄 損 に 及 ぼす 鉄 心 材 料 の 磁 気 特 性 の 影 響 スイープ 試 験 から 求 めた 最 大 モータ 効 率 に 及 ぼす 素 材 鉄 損 W 15/5 の 影 響 を 図.3 に 示 す 低 鉄 損 材 料 ほどモータ 効 率 が 高 くなる 傾 向 は 明 らかであるものの 相 関 はあまり 良 くなく W 15/5 が 材 料 選 択 時 の 鉄 損 指 標 として 最 適 とは 考 えにくい そこで モータ 効 率 との 相 関 がよい 素 材 鉄 損 指 標 を 見 出 すため ステータのティース 幅 とヨーク 幅 が 共 に 約 mm であ ることを 考 慮 し 各 素 材 で 外 径 55mm 内 径 35mm のリング 試 料 を 作 製 して 打 ち 抜 きま 7

12 Maximum motor efficiency (%) R =.78 :As sheared :After annealing W15/5 W 15/5 (W/kg) 図.3 最 大 モータ 効 率 と 素 材 鉄 損 W 15/5 の 関 係 表.3 リング 試 料 の 打 ち 抜 きままの 鉄 損 測 定 結 果 Material Thickness W 15/5 W / W 15/ W /4 W 5/1k W 1/5k (mm) (W/kg) (W/kg) (W/kg) (W/kg) (W/kg) (W/kg) 5JN JN JN JNA JNA JNA (Tests were conducted by using ring samples.) 表.4 リング 試 料 の 歪 取 り 焼 鈍 後 の 鉄 損 測 定 結 果 Material Thickness W 15/5 W / W 15/ W /4 W 5/1k W 1/5k (mm) (W/kg) (W/kg) (W/kg) (W/kg) (W/kg) (W/kg) 5JN JN JN JNA JNA JNA (Tests were conducted by using ring samples.) まと N 雰 囲 気 中 75 時 間 の 歪 取 焼 鈍 後 に 様 々な 周 波 数 で 鉄 損 を 測 定 し それらと 最 大 モータ 効 率 との 関 係 を 調 べた なお 最 大 モータ 効 率 が 得 られたモータ 回 転 数 は いずれ の 材 料 でも 約 15min -1 程 度 (ステータの 基 本 周 波 数 Hz 程 度 )であったので W 15/5 以 外 の 鉄 損 測 定 時 の 周 波 数 は Hz 以 上 を 選 んだ 表.3 に 打 ち 抜 きまま 表.4 に 歪 取 焼 鈍 後 のリング 試 料 での 鉄 損 測 定 結 果 を 示 す 次 に これらの 鉄 損 値 と 最 大 モータ 効 率 の 関 係 について 調 べた 結 果 を 図.4 に 示 す 鉄 損 測 定 周 波 数 が 5Hz より 高 い 場 合 最 大 モータ 効 率 と 素 材 鉄 損 値 との 相 関 は W 15/5 との 相 関 より 良 いことがわかる また 周 波 数 4Hz 8

13 Maximum motor efficiency (%) R =.77 :As sheared :After annealing W15/5 W 15/5 (W/kg) Maximum motor efficiency (%) R =.85 :As sheared :After annealing W/ W / (W/kg) (a) 素 材 鉄 損 W 15/5 の 影 響 (b) 素 材 鉄 損 W / の 影 響 Maximum motor efficiency (%) R =.9 :As sheared :After annealing 5 15 W15/ W 15/ (W/kg) Maximum motor efficiency (%) 91 9 R = :As sheared :After annealing W/4 W /4 (W/kg) (c) 素 材 鉄 損 W 15/ の 影 響 (d) 素 材 鉄 損 W /4 の 影 響 Maximum motor efficiency (%) 91 9 R = :As sheared 86 :After annealing W5/1k W 5/1k (W/kg) Maximum motor efficiency (%) 91 9 R = :As sheared :After annealing W W1/5k 1/5k (W/kg) (e) 素 材 鉄 損 W 5/1k の 影 響 (f) 素 材 鉄 損 W 1/5k の 影 響 図.4 最 大 モータ 効 率 と 各 鉄 損 指 標 の 関 係 (リング 試 料 ) 9

14 以 上 の 鉄 損 値 と 最 大 モータ 効 率 との 相 関 係 数 はいずれも.94 であり 非 常 に 良 い 相 関 を 示 していることがわかる 但 し この 最 大 モータ 効 率 はスイープ 試 験 の 結 果 であり 最 大 効 率 が 得 られた 回 転 数 トルクはステータ 素 材 により 若 干 異 なっている そこで 次 に 回 転 数 15min -1 トルク Nm の 定 回 転 条 件 (ほぼ 定 格 3W 出 力 相 当 )で モータ 特 性 の 測 定 を 行 い その 結 果 と 素 材 磁 気 特 性 の 比 較 を 行 った モータ 効 率 とリング 試 料 で 測 定 した 素 材 鉄 損 の 関 係 を 鉄 損 指 標 ごとに 図.5 に 示 す モータ 効 率 は 材 料 の 歪 取 焼 鈍 の 有 無 にかかわらず 素 材 鉄 損 W /4 W 5/1k と 最 も 良 い 相 関 を 示 していることがわかる モータ 損 失 の 分 析 結 果 を 打 ち 抜 きままの 鉄 心 に 対 して 図.6 歪 取 り 焼 鈍 後 の 鉄 心 に 対 して 図.7 に 示 す モータ 銅 損 はほとんど 一 定 であるが モータ 鉄 損 がステータ 鉄 心 材 料 ごとに 大 きく 異 なっているのがわかる したがって 素 材 鉄 損 の 影 響 はモータ 鉄 損 を 介 し て B 5 の 影 響 はモータ 銅 損 を 介 してモータ 効 率 に 影 響 すると 考 えられる モータ 鉄 損 と 素 材 鉄 損 の 関 係 を 図.8 に 示 すが この 場 合 モータ 鉄 損 は 素 材 鉄 損 W /4 と 最 も 良 い 相 関 を 呈 していることがわかる また モータ 銅 損 と 素 材 磁 束 密 度 B 5 の 関 係 を 図.9 に 示 すが モータ 銅 損 に 及 ぼす B 5 の 影 響 はほとんどみられなかった なお モータ 効 率 と 素 材 磁 束 密 度 B 5 の 関 係 を 調 べると 図. のようになり B 5 の 影 響 がある 程 度 大 きいようにみえるが 緒 論 で 述 べたように B 5 は Si 量 増 加 による 素 材 の 低 鉄 損 化 とともに 低 下 する 傾 向 にある 実 際 本 検 討 に 用 いた 材 料 の B 5 と W /4 の 関 係 を 図.11 に 示 すが その 相 関 係 数 は 図. に 示 した 相 関 係 数 と 同 程 度 である したがっ て 図. に 表 される 関 係 は 偽 相 関 と 判 断 できる 次 にモータ 出 力 4W 条 件 ( 回 転 数 約 14 min -1 トルク 約.7Nm)でのモータ 特 性 と 素 材 磁 気 特 性 の 比 較 を 行 った モータ 効 率 とモータ 鉄 損 に 及 ぼす 素 材 鉄 損 の 影 響 を 図.1.13 に 示 すが いずれも 素 材 鉄 損 W /4 と 最 も 良 い 相 関 を 示 していることがわかる また モ ータ 銅 損 に 及 ぼす 素 材 B 5 の 影 響 を 図.14 に 示 す B 5 が 高 いほどモータ 銅 損 が 小 さい 傾 向 は 認 められるものの 素 材 鉄 損 の 変 化 がモータ 鉄 損 に 及 ぼす 影 響 に 比 べて 素 材 B 5 の 変 化 が 銅 損 の 絶 対 値 に 及 ぼす 影 響 は 小 さい 前 述 した 15min -1 Nm の 定 回 転 条 件 との 違 い すなわち モータ 銅 損 に B 5 の 影 響 が 現 れた 理 由 は トルクが 高 いことによる 電 流 値 増 大 の 影 響 と 考 えられる 以 上 の 結 果 から 表 面 磁 石 型 同 期 モータでは 素 材 高 周 波 鉄 損 がモータ 鉄 損 を 通 じてモ ータ 効 率 に 支 配 的 な 影 響 を 与 え 素 材 磁 束 密 度 B 5 が 銅 損 を 通 じて 及 ぼす 影 響 は 小 さいと 判 断 できる また 素 材 高 周 波 鉄 損 の 指 標 としては W /4 が 最 も 良 いと 考 えられる

15 91 91 Motor efficiency (%) R =.75 :As sheared :After annealing W15/5 W 15/5 (W/kg) Motor efficiency (%) R =.84 :As sheared :After annealing W/ W / (W/kg) (a) 素 材 鉄 損 W 15/5 の 影 響 (b) 素 材 鉄 損 W / の 影 響 Motor efficiency (%) R =.9 :As sheared :After annealing 5 15 W15/ W 15/ (W/kg) (c) 素 材 鉄 損 W 15/ の 影 響 Motor efficiency (%) 91 9 R = :As sheared 86 :After annealing W/4 W /4 (W/kg) (d) 素 材 鉄 損 W /4 の 影 響 Motor efficiency (%) 91 9 R = :As sheared 86 :After annealing W5/1k W 5/1k (W/kg) (e) 素 材 鉄 損 W 5/1k の 影 響 Motor efficiency (%) 91 9 R = :As sheared 86 :After annealing W1/5k W 1/5k (W/kg) (f) 素 材 鉄 損 W 1/5k の 影 響 図.5 定 回 転 条 件 (15min -1 Nm) 時 のモータ 効 率 と 各 鉄 損 指 標 の 関 係 (リング 試 料 ) 11

16 4 35 Iron loss Copper loss 3 Motor loss (W) JN3 5JN4 5JN13 35JNA5 5JNA3 5JNA35 Stator material as sheared 図.6 定 回 転 条 件 (15min -1 Nm)でのモータ 損 失 分 析 結 果 (ステータ 鉄 心 : 打 ち 抜 きまま) 4 35 Iron loss Copper loss 3 Motor loss (W) JN3 5JN4 5JN13 35JNA5 5JNA3 5JNA35 Stator material after stress relief annealing 図.7 定 回 転 条 件 (15 min -1 Nm)でのモータ 損 失 分 析 結 果 (ステータ 鉄 心 : 歪 取 焼 鈍 後 ) 1

17 Motor iron loss (W) :As sheared :After annealing R = W15/5 W 15/5 (W/kg) Motor iron loss (W) :As sheared :After annealing R = W/ W / (W/kg) (a) 素 材 鉄 損 W 15/5 の 影 響 (b) 素 材 鉄 損 W / の 影 響 Motor iron loss (W) :As sheared :After annealing R = W15/ W 15/ (W/kg) (c) 素 材 鉄 損 W 15/ の 影 響 Motor iron loss (W) :As sheared :After annealing 15 R = W/4 W /4 (W/kg) (d) 素 材 鉄 損 W /4 の 影 響 Motor iron loss (W) :As sheared :After annealing 15 R = W5/1k W 5/1k (W/kg) (e) 素 材 鉄 損 W 5/1k の 影 響 Motor iron loss (W) :As sheared :After annealing 15 R = W1/5k W 1/5k (W/kg) (f) 素 材 鉄 損 W 1/5k の 影 響 図.8 定 回 転 条 件 (15min -1 Nm) 時 のモータ 鉄 損 と 各 鉄 損 指 標 の 関 係 (リング 試 料 ) 13

18 Copper loss (W) 9 R = :As sheared :After annealing B B5 5 (T) (T) 図.9 定 回 転 条 件 (15min -1 Nm) 時 のモータ 銅 損 と 素 材 磁 束 密 度 B 5 の 関 係 Motor efficiency (%) 91 9 R = :As sheared :After annealing B5 B 5 (T) 図. 定 回 転 条 件 (15min -1 Nm) 時 のモータ 効 率 と 素 材 磁 束 密 度 B 5 の 関 係 1.8 B5 B (T) R =.58 :As sheared :After annealing W/4 W /4 (W/kg) 図.11 定 回 転 条 件 (15min -1 Nm) 時 の 素 材 鉄 損 W /4 と 素 材 磁 束 密 度 B 5 の 関 係 14

19 Motor efficiency (%) R =.67 :As sheared :After annealing W15/5 W 15/5 (W/kg) Motor efficiency (%) R =.78 :As sheared :After annealing W/ W / (W/kg) (a) 素 材 鉄 損 W 15/5 の 影 響 (b) 素 材 鉄 損 W / の 影 響 Motor efficiency (%) R =.86 :As sheared :After annealing 5 15 W15/ W 15/ (W/kg) (c) 素 材 鉄 損 W 15/ の 影 響 Motor efficiency (%) 91 9 R = :As sheared 85 :After annealing W/4 W /4 (W/kg) (d) 素 材 鉄 損 W /4 の 影 響 Motor efficiency (%) 91 9 R = :As sheared :After annealing W5/1k W 5/1k (W/kg) (e) 素 材 鉄 損 W 5/1k の 影 響 Motor efficiency (%) 91 9 R = :As sheared :After annealing W1/5k W 1/5k (W/kg) (f) 素 材 鉄 損 W 1/5k の 影 響 図.1 出 力 4W 条 件 時 のモータ 効 率 に 及 ぼす 各 鉄 損 指 標 の 影 響 (リング 試 料 ) 15

20 Motor iron loss (W) R =.7 :As sheared :After annealing W15/5 W 15/5 (W/kg) Motor iron loss (W) R =.81 :As sheared :After annealing W/ W / (W/kg) (a) 素 材 鉄 損 W 15/5 の 影 響 (b) 素 材 鉄 損 W / の 影 響 Motor iron loss (W) R =.89 :As sheared :After annealing 5 15 W15/ W 15/ (W/kg) (c) 素 材 鉄 損 W 15/ の 影 響 Motor iron loss (W) 35 R = :As sheared :After annealing W/4 W /4 (W/kg) (d) 素 材 鉄 損 W /4 の 影 響 Motor iron loss (W) 35 3 R = :As sheared :After annealing W5/1k W 5/1k (W/kg) (e) 素 材 鉄 損 W 5/1k の 影 響 Motor iron loss (W) 35 R = :As sheared :After annealing 3 4 W1/5k W 1/5k (W/kg) (f) 素 材 鉄 損 W 1/5k の 影 響 図.13 出 力 4W 条 件 時 のモータ 鉄 損 に 及 ぼす 各 鉄 損 指 標 の 影 響 (リング 試 料 ) 16

21 Copper loss (W) 18 R = :As sheared :After annealing B5 B 5 (T) 図.14 出 力 4 条 件 時 のモータ 銅 損 に 及 ぼす 素 材 磁 束 密 度 B 5 の 影 響.4 モータ 鉄 損 に 及 ぼす 素 材 高 周 波 鉄 損 の 影 響 に 関 する 考 察 15min -1 Nm の 定 回 転 条 件 の 基 本 周 波 数 は Hz であり また 出 力 4W 条 件 時 の 回 転 数 は 約 14 min -1 であったので その 基 本 周 波 数 は 約 93Hz である それにもかかわらず モータ 鉄 損 に 周 波 数 4Hz 以 上 の 高 周 波 鉄 損 が 強 く 影 響 する 原 因 としては 磁 束 高 調 波 の 影 響 が 考 えられる そこで ステータ 鉄 心 ティース 部 にサーチコイルを 巻 き 15min -1 Nm 条 件 ( 電 流 8.4A) 時 の 磁 束 微 分 波 形 の 測 定 を 行 った 結 果 を 図.15 に 示 すが 基 本 波 に 強 いパルス 状 の 高 調 波 成 分 が 重 畳 していることがわかる したがって 基 本 波 が 正 弦 波 でな いために 高 調 波 を 含 むことに 加 え 測 定 されたような 強 い 高 調 波 成 分 の 存 在 がモータ 鉄 損 に 強 く 影 響 したと 考 えられる この 強 いパルス 状 高 調 波 成 分 の 発 生 原 因 を 調 べるために 供 試 モータの 有 限 要 素 法 によ る 磁 界 解 析 計 算 を 行 ったところ 図.16 に 示 すように 強 いパルス 状 成 分 の 発 生 が 逆 起 電 力 波 形 に 予 測 され その 発 生 位 置 は 測 定 結 果 とほぼ 同 じであった また 電 流 値 が 高 くなる にしたがい パルス 強 度 は 増 加 したことから このパルス 状 高 調 波 は 巻 線 電 流 に 起 因 し その 重 畳 位 相 ( 基 本 波 に 対 する 発 生 位 置 )から 電 流 の 位 相 切 替 え 時 (ON OFF 時 )に 生 じて いると 考 えられる 次 にモータ 鉄 損 に 及 ぼす 素 材 鉄 損 の 影 響 を 検 証 するために モータ 鉄 損 の 計 算 を 行 った モータ 鉄 損 は 電 磁 界 解 析 で 磁 束 密 度 変 化 を 求 めた 後 下 記 の(.1) (.) 式 に 基 づいて 算 出 した すなわち 鉄 損 はヒステリシス 損 [(.1) 式 の 右 辺 第 1 項 ] 古 典 渦 電 流 損 [(.1) 式 の 右 辺 第 項 ]および 磁 壁 の 影 響 による 異 常 渦 電 流 損 [(.1) 式 の 右 辺 第 3 項 ]の 総 和 で 表 すこと ができる (5)~(7) 17

22 Back-emf (V) Back-emf (V) 図.15 ステータ 鉄 心 ティース 部 での 磁 束 微 分 波 形 ( 電 流 8.4A) (a) 電 流 3.5A 条 件 (b) 電 流 6.66A 条 件 図.16 逆 起 電 力 波 形 に 及 ぼす 巻 線 電 流 の 影 響 ( 磁 界 解 析 結 果 ) P t = k h f B m K(B m ) + ( /1) (d f / ) 1/f (db/dt) dt+ k e f 1/f db/dt 1.5 dt (.1) K(B m ) = 1 + (.65 / B m ) B i (.) ここで B i はマイナーループ 内 での 磁 束 密 度 の 変 化 B m は 磁 束 密 度 の 最 大 値 f は 周 波 数 を 示 す d は 各 々 鋼 板 ( 鉄 心 )の 電 気 伝 導 度 質 量 板 厚 を 表 す また k h と α はヒステリシス 損 係 数 k e は 異 常 渦 電 流 損 係 数 であり ここではリング 試 料 の 鉄 損 測 定 デ ータから 算 出 した また 回 転 磁 界 による 鉄 損 は モータの 周 方 向 および 径 方 向 別 に 鉄 損 を 算 出 した 後 両 者 を 足 し 合 わせることによって 求 めた (7) 表.5 に 計 算 に 用 いた 鋼 板 (5JN3 5JN4 5JN13 5JNA35 の 歪 取 焼 鈍 後 )の 上 記 値 を 示 す 18

23 表.5 鉄 損 計 算 時 の 材 料 定 数 ( 歪 取 焼 鈍 後 ) Material Thickness Conductivity Mass density (mm) (1/[Ωm]) (kg/m 3 ) k h α k e 5JN JN JN JNA Motor iron loss (W) 35 Measured 3 Calculated 5 R = Material iron loss W/4 W /4 (W/kg) 図.17 モータ 鉄 損 の 実 測 値 と 計 算 値 の 比 較 W5/1k W (W/kg) (W/kg) 7 6 R = :As sheared :After annealing W/4 W /4 (W/kg) 図.18 素 材 鉄 損 W /4 と W 5/1k の 関 係 図.17 にモータ 鉄 損 の 実 測 値 と 計 算 値 の 比 較 を 示 す 計 算 結 果 は 実 測 値 と 良 く 一 致 して いることがわかる また (.1) 式 からわかるように 上 記 のモータ 鉄 損 の 計 算 は 磁 束 高 調 波 の 影 響 を 考 慮 している (7)(8) したがって これらの 結 果 は モータ 鉄 損 やモータ 効 率 が モータの 同 期 周 波 数 より 高 い 周 波 数 の 素 材 鉄 損 W /4 と 良 い 相 関 にあるという 実 験 結 果 の 妥 当 性 を 裏 付 けていると 考 えられる また 図.18 に 示 すように 素 材 鉄 損 W /4 はそれより 高 周 波 の 素 材 鉄 損 W 5/1k と 非 常 に 良 い 相 関 にあるため 同 期 周 波 数 が 4Hz よ り 高 い 場 合 でも W /4 はモータ 鉄 損 やモータ 効 率 と 良 い 相 関 を 示 すと 推 定 できる した がって PMSM の 鉄 心 材 料 選 択 時 の 指 標 として W /4 は 非 常 に 良 いと 考 えられる 19

24 なお 上 記 検 討 時 の 素 材 鉄 損 測 定 では 外 径 55mm 内 径 35mm のリング 試 料 を 用 いたが JIS に 規 定 されている (3) 幅 3mm 長 さ 8mm のエプスタイン 試 験 片 を 用 いた 高 周 波 鉄 損 W /4 測 定 値 とモータ 効 率 およびモータ 鉄 損 の 関 係 を 調 べても 図.19 に 示 すように 非 常 に 良 い 相 関 を 示 している Motor efficiency (%) 91 9 R = :As sheared :After annealing W/4 W /4 (W/kg) (a) モータ 効 率 への W /4 の 影 響 Motor iron loss (W) 35 3 R = :As sheared :After annealing W/4 W /4 (W/kg) (b) モータ 鉄 損 への W /4 の 影 響 図.19 15mpm -1 Nm 条 件 時 のモータ 特 性 に 及 ぼす 素 材 鉄 損 の 影 響 (エプスタイン 試 験 片 ).5 結 言 希 土 類 磁 石 を 用 いた 8 極 1 スロットの 表 面 磁 石 型 同 期 モータ(SPMSM)のモータ 効 率 と モータ 鉄 損 は 従 来 の 素 材 鉄 損 指 標 である W 15/5 ではなく 磁 束 密 度 1.T 周 波 数 4Hz 時 の 素 材 鉄 損 W /4 と 非 常 に 良 い 相 関 を 示 した また 高 トルク 時 には 素 材 磁 束 密 度 B 5 が 高 いほどモータ 銅 損 は 小 さい 傾 向 にあるが その 銅 損 の 変 化 がモータ 効 率 に 及 ぼす 影 響 は 小 さいため モータ 効 率 に 及 ぼす B 5 の 影 響 はほとんど 認 められなかった 永 久 磁 石 同 期 モータ(PMSM)では 磁 束 高 調 波 の 影 響 などにより モータ 鉄 損 を 介 してモ ータ 効 率 に 及 ぼす 素 材 高 周 波 鉄 損 の 影 響 が 大 きい 素 材 鉄 損 W /4 は より 周 波 数 の 高 い 鉄 損 との 相 関 も 良 いため PMSM の 鉄 心 材 料 選 択 時 の 指 標 として 利 点 が 大 きい

25 第 3 章 誘 導 モータの 特 性 に 及 ぼす 新 規 高 磁 束 密 度 材 の 磁 気 特 性 の 影 響 3.1 緒 言 無 方 向 性 電 磁 鋼 板 はモータや 発 電 機 などの 鉄 心 として 用 いられており それらの 効 率 を 左 右 する 材 料 として 重 要 な 地 位 を 占 めている 近 年 エネルギーの 効 率 的 利 用 の 観 点 から 各 種 のモータに 対 する 高 性 能 化 と 省 エネルギーへの 要 求 はますます 厳 しくなっており 鉄 心 材 料 である 無 方 向 性 電 磁 鋼 板 にも 更 なる 高 性 能 化 が 求 められている 産 業 用 モータには 誘 導 モータが 主 に 使 用 されているが 産 業 用 誘 導 モータを 対 象 にした 高 効 率 規 制 (IE3 レベル)が 日 本 では 15 年 に 実 施 予 定 である この 規 制 は 国 際 効 率 基 準 で ある IEC( 国 際 電 気 標 準 会 議 ) 規 格 にしたがった 効 率 規 制 で IE1( 標 準 効 率 ) IE( 高 効 率 ) IE3(プレミアム 効 率 )の 段 階 に 分 かれており 米 国 では 年 に IE3 規 制 欧 州 では 11 年 に IE 規 制 が 実 施 済 みであり 15 年 には 欧 州 でも IE3 規 制 が 実 施 予 定 である (9)(3) 誘 導 モータの 効 率 は 素 材 鉄 損 (W 15/5 )が 低 いほど 向 上 する 傾 向 を 示 すものの 同 時 に 素 材 磁 束 密 度 B 5 にも 強 く 依 存 する その 理 由 は 誘 導 モータの 励 磁 はステータの 巻 線 電 流 のみよって 担 われ かつロータに 次 銅 損 も 生 じるので モータの 全 損 失 に 占 める 銅 損 比 率 が 高 いためと 報 告 されている (4)~(6) すなわち 素 材 鉄 損 の 低 い 高 Si 材 を 用 いることで モータ 鉄 損 は 減 少 するが 逆 にモータ 銅 損 は 増 加 する これは 素 材 Si 量 の 増 加 により 素 材 鉄 損 は 減 少 するが 飽 和 磁 束 密 度 が 減 少 して 高 磁 場 での 素 材 磁 束 密 度 が 低 下 し 励 磁 電 流 が 増 加 するためである したがって 永 久 磁 石 同 期 モータとは 異 なり 誘 導 モータでは 銅 損 比 率 が 高 いために モータの 設 計 磁 束 密 度 や 駆 動 条 件 次 第 で 高 Si の 低 鉄 損 材 よりも 比 較 的 低 い Si 量 で 磁 束 密 度 の 高 い 材 料 の 方 がモータ 効 率 は 高 くなる 場 合 があると 考 えら れている 要 約 すると モータ 鉄 損 は 素 材 鉄 損 W 15/5 と 銅 損 は 素 材 磁 束 密 度 B 5 と 強 い 相 関 を 示 すため 同 一 鉄 損 での 高 磁 束 密 度 材 はモータ 効 率 の 向 上 に 寄 与 する また 比 較 的 低 い Si 量 で 磁 束 密 度 の 高 い 材 料 を 開 発 することも 有 益 と 考 えられる 本 章 では 新 規 高 磁 束 密 度 材 (JNP シリーズ)の 磁 気 特 性 を 示 した 後 誘 導 モータの 特 性 に 及 ぼす 新 規 高 磁 束 密 度 材 の 適 用 効 果 を 定 格 出 力 4W のモデル 誘 導 モータを 用 いて 検 討 し 新 規 材 料 の 磁 気 特 性 の 影 響 を 明 確 にする 1

26 3. 新 規 高 磁 束 密 度 材 の 磁 気 特 性 新 規 開 発 した (17) 高 磁 束 密 度 無 方 向 性 電 磁 鋼 板 (JNP シリーズ)の 磁 気 特 性 例 を 表 3.1 に 示 す 前 述 した 考 えに 基 づき モータ 用 途 に 応 じた 最 適 材 料 を 提 示 するために 比 較 的 低 Si 量 の JNP5 および 高 Si 低 鉄 損 材 用 の JNP7 と 称 する 成 分 が 異 なる 素 材 がある 板 厚 は 従 来 の 標 準 材 (JN シリーズ[JIS 規 格 準 拠 材 ])や 高 効 率 用 無 方 向 性 電 磁 鋼 板 (JNE シリーズ)と 同 様.35.5mm 厚 の 種 類 である 図 3.1 に 鉄 損 W 15/5 と 磁 束 密 度 B 5 の 関 係 を 従 来 材 料 (JN JNE シリーズ)と 比 較 して 示 す JNE シリーズと 比 べて JNP シリーズの 方 が 同 一 鉄 損 での 磁 束 密 度 が 約.T 向 上 し ていることがわかる この JNP シリーズは Si Al Mn 等 の 合 金 添 加 量 を 適 正 化 すると ともに S N 等 の 不 純 物 量 を 低 減 かつその 影 響 を 緩 和 する 技 術 を 適 用 して 開 発 された さらに 粒 界 偏 析 元 素 の 活 用 や 中 間 工 程 の 最 適 化 によって 磁 気 特 性 に 有 害 な(111) 集 合 組 織 を 低 減 し () (1) 集 合 組 織 を 増 加 させる 技 術 も 適 用 されている 表 3.1 新 規 開 発 材 (JNP シリーズ)の 磁 気 特 性 例 Material Thickness W 15/5 W /4 (mm) (W/kg) (W/kg) B 5 (T) 35JNP JNP JNP JNP (Tests were conducted by using Epstein samples [L+C] as sheared.) B5 B (T) JNP Series 35JNP Series 5JNE Series 35JNE 1.68 Series 5JN Series JN Series W15/5 W (W/kg) 図 3.1 JN JNE シリーズと JNP シリーズの 磁 気 特 性

27 3.3 モデル 誘 導 モータの 仕 様 および 検 討 方 法 検 討 に 用 いたモデル 誘 導 モータの 諸 元 を 表 3. に 示 す 定 格 出 力 4W 3 相 6 極 のスタ ー 結 線 で ステータのスロット 数 は 36 である ステータの 外 観 写 真 を 図 3. に 示 す 通 常 産 業 用 等 の 誘 導 モータ 用 鉄 心 材 としては.5mm 厚 材 が 多 く 使 用 されている そこで ステータ 鉄 心 材 料 としては 開 発 材 の 5JNP5 5JNP7 および 鉄 損 W 15/5 が 5JNP7 とほぼ 同 等 である 既 存 の 高 磁 束 密 度 材 5JNE3 を 比 較 材 に 選 んで 使 用 した それらの 磁 気 特 性 を 表 3.3 に 示 す なお 鉄 心 ステータ 素 材 がモータ 特 性 に 及 ぼす 影 響 を 明 確 にするために ロータはすべての 測 定 を 通 じて 同 一 のものを 用 いた また ステータは 各 素 材 につき 製 品 板 から 積 層 板 を 打 ち 抜 いて 所 定 の 高 さに 積 層 後 巻 線 を 施 して 作 製 した すなわち 鋼 板 の 歪 取 焼 鈍 は 行 っていない 表 3. 供 試 誘 導 モータの 諸 元 Item Specification Motor type 3-phase induction motor Rated power 4 W Stator dimensions φ14 (OD) φ84 (ID) 66 (H) mm Number of slots 36 Rotor dimensions φ83 (OD) 66 (H) mm Number of poles 6 Winding Star connection 図 3. 供 試 誘 導 モータのステータ 外 観 3

28 表 3.3 供 試 機 のステータ 素 材 の 磁 気 特 性 Material Thickness (mm) W 15/5 (W/kg) B 5 (T) 5JNP JNP JNE (Tests were conducted by using Epstein samples [L+C] as sheared.) 使 用 したモータ 特 性 測 定 装 置 の 外 観 を 図 3.3 に 示 す 装 置 のブロック 図 は 前 章 の 図. に 示 した 通 りである モータ 特 性 の 測 定 は 入 力 電 圧 波 形 を 正 弦 波 とし 電 圧 波 高 値 と 周 波 数 を 可 変 として 鉄 心 の 磁 束 密 度 ( 無 負 荷 時 )を 制 御 して 行 った モータ 損 失 の 分 離 は JIS 規 格 (31) に 則 って 行 った すなわち 無 負 荷 試 験 により 1 次 電 流 と 巻 線 抵 抗 値 から 1 次 銅 損 (W c1 )を 算 出 し 機 械 損 は 入 力 電 圧 と 入 力 電 力 の 関 係 曲 線 から 電 圧 をゼロとして 求 めた 鉄 損 (W h )は 無 負 荷 時 の 入 力 電 力 から 上 記 の1 次 銅 損 と 機 械 損 を 差 し 引 くことで 求 め 次 銅 損 (W c )は 下 記 に 示 す(3.1) 式 より 算 出 した W c =s (P 1 W c1 W h ) (3.1) s:すべり P 1 : 負 荷 時 の 入 力 電 力 Test motor Tachometer Torque meter Load motor 図 3.3 モータ 特 性 測 定 装 置 の 外 観 4

29 3.4 モータ 特 性 に 及 ぼす 新 規 高 磁 束 密 度 材 の 影 響 モータ 鉄 損 と 銅 損 の 測 定 結 果 例 を 図 3.4 に 示 す この 図 は ステータ 素 材 が 5JNP5 5JNE3 で 動 作 磁 束 密 度 が 1.4T 1.65T 時 の 損 失 結 果 である いずれの 場 合 も 鉄 損 は ほぼ 同 等 であるが 動 作 磁 束 密 度 が 1.4T 時 の 銅 損 差 は 小 さいものの 動 作 磁 束 密 度 が 1.65T と 高 い 条 件 では 5JNP5 適 用 時 の 銅 損 が 明 らかに 低 いことがわかる 開 発 材 5JNP5 5JNP7 使 用 モータの 5JNE3 に 対 するモータ 効 率 向 上 量 の 動 作 磁 束 密 度 依 存 性 を 図 3.5 に 示 す 動 作 磁 束 密 度 が 1.4T 以 下 の 場 合 には 5JNP5 5JNP7 による 効 率 改 善 効 果 は 小 さいが 1.6T 以 上 では 高 磁 束 密 度 ほど 効 率 改 善 量 が 大 きく 特 に 5JNP5 では 1% 以 上 の 効 率 改 善 が 得 られている 5JNP5 5JNP7 使 用 時 の 5JNE3 に 対 する 銅 損 低 減 量 を 図 3.6 に 示 すが 動 作 磁 束 密 度 が 1.6T 以 上 で 5JNP5 適 用 の 場 合 銅 損 は 4% 以 上 減 少 していることがわかる 高 磁 束 密 度 時 に 銅 損 低 減 量 が 大 きくなる 理 由 は 磁 束 密 度 (B) 磁 界 の 強 さ(H)の 材 料 比 較 から 考 えることができる 図 3.7 に 5JNP5 と 5JNE3 の B H の 関 係 を 示 すが 磁 束 密 度 1.T 以 上 では 同 一 磁 束 密 度 を 得 るための 磁 界 の 強 さが 5JNP5 の 方 が 低 くなる そ して 高 磁 束 密 度 になるほどその 差 は 大 きくなり その 結 果 モータ 銅 損 の 大 幅 な 低 減 を もたらすと 言 える 実 際 磁 束 密 度 1.6T を 得 るのに 5JNE3 の H=A/m に 対 し 5JNP5 では H=A/m でよいことがわかる したがって このような 理 由 により モータの 動 作 磁 束 密 度 が 1.6T 以 上 と 高 い 場 合 に 新 規 開 発 材 によるモータ 効 率 向 上 が 顕 著 になったと 考 えられる 5

30 5 5JNP5 Copper loss 5JNE3 Copper loss 5JNP5 Iron loss 5 Copper loss Motor loss (W) 15 5JNE3 Iron loss Copper loss Motor loss (W) 15 5JNP5 Copper loss 5JNE3 Copper loss 5JNP5 Iron loss 5JNE3 Iron loss 5 Iron loss 5 Iron loss Torque (Nm) Torque (Nm) (a) 動 作 磁 束 密 度 1.4T (b) 動 作 磁 束 密 度 1.65T 図 3.4 モータ 鉄 損 と 銅 損 の 測 定 結 果 例 Increase in motor efficiency (%) 1 Power supply frequency: 6 Hz (Synchronous speed:1 min -1 ) Torque:3 Nm 5JNP5 5JNP Operating flux density (T) 図 3.5 誘 導 モータの 効 率 改 善 ( 対 5JNE3)に 及 ぼす 動 作 磁 束 密 度 の 影 響 Decrease in copper loss (%) 6 4 Power supply frequency: 6 Hz Torque:3 Nm 5JNP5 5JNP Operating flux density (T) 図 3.6 誘 導 モータの 銅 損 改 善 ( 対 5JNE3)に 及 ぼす 動 作 磁 束 密 度 の 影 響 6

31 Magnetic flux density(t) JNP5 5JNE3 Magnetic field strength (A/m) 図 3.7 5JNP5 と 5JNE3 の B-H 曲 線 の 比 較 Loss (W) 5 Stray-load loss Iron loss Rotor copper loss Stator copper loss 5JNP5 5JNP7 5JNE3 Stator core material Loss (W) 5 Stray-load loss Iron loss Rotor copper loss Stator copper loss 5JNP5 5JNP7 5JNE3 Stator core material (a) 動 作 磁 束 密 度 1.4T (b) 動 作 磁 束 密 度 1.65T 図 3.8 周 波 数 6Hz( 同 期 回 転 数 1min -1 ) トルク 3Nm 時 の 誘 導 モータの 損 失 分 析 計 算 結 果 この 検 討 結 果 の 妥 当 性 を 検 証 するために 動 作 磁 束 密 度 1.4T と 1.65T 条 件 でモータ 解 析 ソフト SPEED-IM により 計 算 した 損 失 分 析 結 果 を 図 3.8 に 示 す 1.4T での 全 損 失 はどの 鉄 心 材 料 でもほぼ 同 等 であるのに 対 して 1.65T では 特 に 5JNP5 で 全 損 失 とステータ 銅 損 (1 次 銅 損 )が 低 くなっており 実 験 結 果 と 定 性 的 に 一 致 することがわかる したがって 銅 損 低 減 によるモータ 効 率 向 上 の 観 点 では モータ 動 作 磁 束 密 度 での B-H の 関 係 比 較 が 重 要 であり 素 材 B 5 の 大 小 が 必 ずしも 銅 損 低 減 の 大 小 には 直 結 しない 場 合 もあると 考 えられる すなわち 素 材 B 5 が 低 くても 低 磁 場 域 での B が 高 く 対 象 モータ の 動 作 磁 束 密 度 が 低 磁 場 域 である 場 合 は 銅 損 は 低 減 し 鉄 損 値 が 同 等 レベル 以 下 であれ ばモータ 効 率 は 向 上 すると 考 えられる また 誘 導 モータの 特 性 に 及 ぼす 素 材 B 5 の 影 響 に 関 する 既 存 の 報 告 (4)~(6) では JIS グレード 準 拠 の 標 準 品 と 歪 取 焼 鈍 後 に 低 鉄 損 となる 材 料 で 比 較 検 討 しており 後 者 の 磁 束 密 度 は B 5 のみならず 低 磁 界 領 域 を 含 む 全 磁 場 領 域 7

32 で 前 者 よりかなり 高 いために (4) 素 材 B 5 の 観 点 で 整 理 できたと 考 えられる 次 に モータ 特 性 に 及 ぼす 新 規 開 発 材 料 の 影 響 を 一 層 明 確 にするために モータ 動 作 磁 束 密 度 1.65T 条 件 で 駆 動 周 波 数 の 影 響 を 検 討 した 開 発 材 5JNP5 5JNP7 適 用 モータの 5JNE3 使 用 モータに 対 するモータ 効 率 向 上 量 に 及 ぼす 駆 動 周 波 数 の 影 響 を 図 3.9 に 示 す 低 周 波 側 (4Hz)では より 高 い 磁 束 密 度 を 有 する 5JNP5 使 用 時 の 効 率 改 善 量 が 大 きく 1% 以 上 の 改 善 が 得 られている 一 方 高 周 波 側 (8Hz)では より 鉄 損 の 低 い 5JNP7 使 用 時 の 効 率 改 善 量 が 大 きくなることがわかる こ の 条 件 では 5JNE3 より 高 磁 束 密 度 かつ 低 鉄 損 の 5JNP7 適 用 時 に 1% 以 上 の 効 率 改 善 効 果 が 得 られている この 理 由 は 低 周 波 (4Hz)では 損 失 に 占 める 銅 損 比 率 が 大 きいため より 高 い 磁 束 密 度 を 有 する 5JNP5 が 有 利 になるが 高 周 波 (8Hz)では 損 失 に 占 める 鉄 損 比 率 が 増 加 するため に 低 鉄 損 の 5JNP7 が 有 利 になるためと 考 えられる 図 3. に 比 較 材 である 5JNE3 使 用 時 のモータ 銅 損 と 鉄 損 の 比 率 を 求 めた 結 果 を 示 すが 周 波 数 が 高 くなるにしたがい モ ータ 鉄 損 比 率 が 増 加 しており 周 波 数 8Hz では 約 %であることがわかる 上 記 の 実 験 結 果 の 妥 当 性 を 検 証 するために モータ 解 析 ソフト SPEED-IM で 計 算 した 損 失 分 析 結 果 を 図 3.11 に 示 す 周 波 数 4Hz での 全 損 失 は 5JNP5 適 用 時 が 最 も 低 く 特 に ステータ 銅 損 (1 次 銅 損 )が 顕 著 に 低 いことがわかる 4Hz と 8Hz での 比 較 では 後 者 の 方 が 鉄 損 比 率 は 高 いことが 見 てとれる また 周 波 数 8Hz での 全 損 失 は 5JNP7 適 用 時 が 5JNP5 適 用 時 より 若 干 小 さく 鉄 損 が 他 材 料 の 適 用 時 より 小 さいこともわかる したがっ て モータ 特 性 に 及 ぼす 素 材 磁 気 特 性 の 影 響 に 関 する 本 実 験 結 果 は 計 算 結 果 と 定 性 的 に よく 一 致 するといえる 以 上 の 実 験 および 解 析 結 果 から 新 規 開 発 材 料 の 5JNP5 と 5JNP7 は モータ 動 作 磁 束 密 度 が 1.6T 以 上 で 銅 損 比 率 が 大 きい 場 合 に 既 存 の 高 磁 束 密 度 低 鉄 損 材 である 5JNE3 に 比 べて 大 きなモータ 効 率 向 上 が 期 待 できると 考 えられる また 5JNP5 の 適 用 は モー タ 銅 損 比 率 が 約 8% 以 上 の 場 合 に より 有 利 になると 考 えられる 8

33 Increase in motor efficiency (%) 1 Operating flux density: 1.65 T Torque:3 Nm 5JNP5 5JNP Power supply frequency (Hz) 図 3.9 誘 導 モータの 効 率 改 善 ( 対 5JNE3)に 及 ぼす 駆 動 周 波 数 とステータ 鉄 心 材 料 の 影 響 Loss fraction (%) Copper loss Iron loss Power supply frequency (Hz) 図 3. 動 作 磁 束 密 度 1.65T トルク 3Nm 時 のモータ 銅 損 と 鉄 損 の 比 率 に 及 ぼす 駆 動 周 波 数 の 影 響 (ステータ 鉄 心 材 料 :5JNE3) 15 Power supply frequency: 4 Hz (Synchronous speed:8 min -1 ) 15 Power supply frequency: 8 Hz (Synchronous speed:16 min -1 ) Loss (W) 5 Stray-load loss Iron loss Rotor copper loss Stator copper loss 5JNP5 5JNP7 5JNE3 Stator core material Loss (W) 5 Stray-load loss Iron loss Rotor copper loss Stator copper loss 5JNP5 5JNP7 5JNE3 Stator core material (a) 駆 動 周 波 数 4Hz (b) 駆 動 周 波 数 8Hz 図 3.11 動 作 磁 束 密 度 1.65T トルク 3Nm 時 の 誘 導 モータの 損 失 分 析 計 算 結 果 9

34 3.5 結 言 従 来 材 より 同 一 鉄 損 (W 15/5 )での 磁 束 密 度 (B 5 )が 高 い 無 方 向 性 電 磁 鋼 板 (JNP シリーズ)に は 比 較 的 低 Si 量 の JNP5 および 高 Si 低 鉄 損 材 の JNP7 の 素 材 があり 板 厚 も 従 来 材 と 同 様.35mm と.5mm 厚 の 種 類 がある.5mm 厚 の 新 規 高 磁 束 密 度 材 は モータ 動 作 磁 束 密 度 が 1.6T 以 上 の 場 合 に 既 存 の 高 磁 束 密 度 低 鉄 損 材 (5JNE3)に 比 べて 顕 著 な モータ 効 率 向 上 が 期 待 できることを モデル 誘 導 モータ 評 価 によって 明 らかにした これらの 新 規 材 料 は 高 磁 束 密 度 設 計 のモータおよび 小 型 化 や 高 トルク 化 が 要 求 される モータに 有 利 に 適 用 できると 考 えられるが モータ 銅 損 比 率 が 約 8% 以 上 の 場 合 比 較 的 低 Si 量 の JNP5 の 方 が 高 Si 低 鉄 損 材 の JNP7 よりモータ 効 率 向 上 には 有 利 なことを 明 ら かにし 誘 導 モータ 用 材 料 としての 新 規 開 発 材 の 選 択 基 準 を 明 確 にした 3

35 第 4 章 スイッチトリラクタンスモータの 特 性 に 及 ぼす 素 材 磁 気 特 性 の 影 響 4.1 緒 言 スイッチトリラクタンスモータ(SRM)は ステータ ロータともに 突 極 状 に 加 工 した 電 磁 鋼 板 を 積 層 して 製 造 でき 永 久 磁 石 同 期 モータ(PMSM)や 誘 導 モータと 異 なり ロータ には 永 久 磁 石 や 導 体 を 必 要 としない したがって 近 年 のパワーエレクトロニクス 技 術 の 発 展 に 伴 い 低 コストかつ 堅 牢 で しかもリサイクル 性 に 優 れる 可 変 速 モータとして 様 々 な 分 野 での 応 用 が 期 待 されている (3)(33) また 最 近 では 希 土 類 磁 石 の 原 料 であるレアアー ス 資 源 の 問 題 から 磁 石 を 使 用 しない SRM への 関 心 が 高 まっている () 但 し SRM の 実 用 化 促 進 のためには モータ 効 率 やトルク 密 度 の 向 上 が 重 要 な 課 題 にな っている SRM は 永 久 磁 石 を 用 いないため PMSM に 比 べて 原 理 的 に 効 率 は 低 いと 考 えら れている したがって 高 効 率 化 のためには 鉄 心 材 料 である 電 磁 鋼 板 の 素 材 鉄 損 ある いは 巻 線 抵 抗 低 減 等 による 銅 損 低 減 が 必 要 と 考 えられる 実 際.mm 厚 の 6.5%Si 鋼 を 用 いて 非 常 に 効 率 の 高 い SRM を 試 作 した 結 果 が 報 告 されている (34)(35) しかし 実 際 に 種 々の 無 方 向 性 電 磁 鋼 板 を 用 いて SRM を 試 作 し その 特 性 に 及 ぼす 素 材 磁 気 特 性 の 影 響 を 調 べた 報 告 はほとんどない 第 1 章 で 述 べたように 銅 損 比 が 高 い 誘 導 モータでは 効 率 は 素 材 鉄 損 W 15/5 とともに 素 材 磁 束 密 度 B 5 にも 強 く 依 存 すると 報 告 されている 一 方 第 章 で 明 らかにしたように 鉄 損 比 が 高 く かつ 磁 束 密 度 波 形 に 高 調 波 を 多 く 含 む PMSM では 効 率 に 及 ぼす 影 響 は 素 材 高 周 波 鉄 損 W /4 が 支 配 的 で B 5 の 影 響 はみられなかった SRM では 誘 導 モータに 類 似 してモータ 損 失 に 占 める 銅 損 比 が 比 較 的 高 いが その 磁 束 密 度 波 形 は 正 弦 波 とは 大 きく 異 なり 高 調 波 を 多 く 含 む (1) ことから その 点 では PMSM に 類 似 している したがって SRM の 効 率 に 影 響 の 大 きい 素 材 磁 気 特 性 の 指 標 を 明 確 化 する ことは 最 適 な 鉄 心 材 料 選 択 の 一 助 として 非 常 に 有 益 と 言 える また SRM では モータ 各 部 における 磁 束 密 度 波 形 が PMSM で 一 般 的 な 両 方 向 励 磁 の 他 に 一 方 向 励 磁 や 直 流 偏 磁 下 での 交 番 磁 界 のような 様 々な 波 形 パターンを 呈 している (36) ため 精 度 が 良 く かつ 実 用 的 なモータ 鉄 損 計 算 方 法 の 確 立 が 課 題 になっている このた め 磁 気 回 路 法 や 有 限 要 素 法 を 用 いた 鉄 損 計 算 方 法 が 各 種 提 示 されている (36)~(4) が 有 限 要 素 法 を 用 いた 方 法 について 実 用 的 で 簡 易 な 計 算 法 が 確 立 されているとは 言 えない 31

36 本 章 では モデルモータとして ステータ 6 極 ロータ 4 極 の 基 本 的 な 3 相 SRM を 用 い 種 々の 無 方 向 性 電 磁 鋼 板 を 使 用 してモータ 鉄 心 を 試 作 し モータ 特 性 に 及 ぼす 素 材 磁 気 特 性 の 影 響 を 検 討 する また 有 限 要 素 法 で 求 めた 磁 束 密 度 変 化 からモータ 鉄 損 を 計 算 する 方 法 について モータ 各 部 を 磁 束 密 度 波 形 パターンによって 分 類 し その 特 徴 に 応 じ て 異 なるヒステリシス 損 計 算 式 を 適 用 することで モータ 鉄 損 の 計 算 値 が 実 測 値 と 比 較 的 よく 一 致 することを 示 す 4. モデル SRM の 仕 様 および 実 験 方 法 検 討 に 用 いたモデル SRM の 諸 元 を 表 4.1 形 状 を 図 4.1 に 示 す 基 本 的 な 3 相 6/4 型 で 巻 線 配 置 は 図 4.1(a)に 示 す 非 対 称 励 磁 (38) の 集 中 巻 である 表 4. に 用 いた 材 料 の 磁 気 特 性 を 示 す..35.5mm 厚 の 無 方 向 性 電 磁 鋼 板 を 計 9 種 類 用 意 し ステータとロータ には 同 じ 材 料 を 用 いて 打 ち 抜 きのままで 使 用 した モータ 特 性 の 測 定 は ステータの 温 度 を 4 とした 後 負 荷 モータによりトルクを 印 加 し 回 転 数 をスイープして 行 った (5-mim -1 ) また その 後 3mim -1 1Nm での 定 回 転 条 件 での 特 性 評 価 を 行 った 測 定 装 置 のブロック 図 は 第 章 で 示 した 図. と 同 様 である なお 励 磁 開 始 は 図 4. に 示 すように インダクタンスが 増 加 する 位 置 より 進 角 が 45( 電 気 角 )になるように 制 御 した モータ 損 失 の 分 離 は 1 次 巻 線 抵 抗 と 電 流 値 からジュール 損 失 を 求 めて 銅 損 とし 全 損 失 から 銅 損 と 機 械 損 ( 風 損 を 含 む)を 減 じて 鉄 損 とした 表 4.1 モデル SRM の 諸 元 Item Specification Stator outer diameter 8 mm Stator teeth width mm Stator york width 7 mm Rotor outer diameter 4 mm Rotor pole width 11 mm Rotor slot-bottom diameter 6 mm Stator-rotor gap.15 mm Stack length 51 mm Shaft diameter 1 mm 3

37 U U V V W W (a) ステータ 形 状 と 巻 線 配 置 (b) ロータ 形 状 図 4.1 供 試 SRM の 形 状 表 4. 鉄 心 材 料 の 磁 気 特 性 Material Thickness (mm) W 15/5 (W/kg) W /4 (W/kg) B 5 (T) JNEH JNE JNE JNE JN JN JNE JNE JN (Tests were conducted by using Epstein samples [L+C] as sheared.) Aligned position between the stator and rotor poles Start of overlapping between the stator and rotor poles Inductance Voltage excitation Electrical angle of rotor -3 3 Mechanical angle of rotor 図 4. 巻 線 インダクタンスの 変 化 と 励 磁 範 囲 の 関 係 33

38 4.3 SRM の 特 性 に 及 ぼす 無 方 向 性 電 磁 鋼 板 の 磁 気 特 性 の 影 響 無 負 荷 5min -1 から 負 荷 トルクを 加 えてスイープ 試 験 を 行 った 測 定 結 果 例 を 図 4.3 に 示 す 板 厚 の 薄 い 低 鉄 損 材 料 適 用 時 の 方 がモータ 効 率 は 高 いが 入 力 電 流 が 高 くなるにし たがい その 効 率 差 は 小 さくなることがわかる トルク.4Nm ( 入 力 電 流 : 約 1.6A) 約 174min -1 時 のモータ 効 率 に 及 ぼす 素 材 鉄 損 W 15/5 と W /4 の 影 響 を 図 4.4 に 示 す 174min -1 時 のステータのティース 部 磁 束 密 度 波 形 の 基 本 周 波 数 は 116Hz であるが モータ 効 率 は W 15/5 よりも W /4 と 非 常 に 良 い 相 関 を 示 すこと がわかる 図 4.5 にモータ 鉄 損 と W 15/5 W /4 の 関 係 を 示 すが モータ 効 率 同 様 W 15/5 よりも W /4 と 良 い 相 関 を 呈 している 図 4.6 に 銅 損 と 素 材 磁 束 密 度 B 5 の 関 係 を 示 すが 本 条 件 の 場 合 銅 損 に 及 ぼす 磁 束 密 度 の 影 響 は 認 められなかった 図 4.7 に トルク.7Nm ( 入 力 電 流 : 約.A) 約 137 min -1 時 のモータ 効 率 に 及 ぼす 素 材 鉄 損 W 15/5 と W /4 の 影 響 を 示 す この 場 合 もモータ 効 率 は W 15/5 よりも W /4 と 非 常 に 良 い 相 関 を 示 している(ステータのティース 部 磁 束 密 度 波 形 の 基 本 周 波 数 は 約 91Hz) モ ータ 鉄 損 についても 図 4.8 に 示 すように W 15/5 よりも W /4 と 良 い 相 関 を 呈 している 図 4.9 に 銅 損 と 素 材 磁 束 密 度 B 5 の 関 係 を 示 すが この 場 合 B 5 が 高 い 方 が 銅 損 は 低 下 す る 傾 向 がみられた しかし 検 討 した 電 磁 鋼 板 の 磁 気 特 性 変 化 の 範 囲 では W /4 の 違 い によるモータ 鉄 損 の 変 化 量 の 方 が B 5 の 変 化 に 伴 う 銅 損 の 変 化 量 より 大 きかったため モータ 効 率 に 対 しては 素 材 鉄 損 W /4 の 影 響 が 支 配 的 であったと 考 えられる Motor efficiency (%) JNEH1 35JNE3 5JNE35 5JN Input current (A) 図 4.3 モータ 効 率 に 及 ぼす 素 材 と 入 力 電 流 の 影 響 34

39 Motor efficiency (%) 88 R = W15/5 W (W/kg) 15/5 (W/kg) (a) 素 材 鉄 損 W 15/5 の 影 響 Motor efficiency (%) 88 R = W/4 (W/kg) W /4 (W/kg) (b) 素 材 鉄 損 W /4 の 影 響 図 4.4 モータ 効 率 と 素 材 鉄 損 の 関 係 (スイープ 試 験 :トルク.4Nm 約 174min -1 ) Motor iron loss (W) R = W15/5 (W/kg) W 15/5 (W/kg) (a) 素 材 鉄 損 W 15/5 の 影 響 Motor iron loss (W) R = W/4 (W/kg) W /4 (W/kg) (b) 素 材 鉄 損 W /4 の 影 響 図 4.5 モータ 鉄 損 と 素 材 鉄 損 の 関 係 (スイープ 試 験 :トルク.4Nm 約 174min -1 ) Copper loss (W) R = B5 (T) B 5 (T) 図 4.6 銅 損 に 及 ぼす 素 材 磁 束 密 度 の 影 響 (スイープ 試 験 :トルク.4Nm 約 174min -1 ) 35

40 Motor efficiency (%) R =.86 Motor efficiency (%) R = W15/5 (W/kg) W 15/5 (W/kg) W/4 (W/kg) W /4 (W/kg) (a) 素 材 鉄 損 W 15/5 の 影 響 (b) 素 材 鉄 損 W /4 の 影 響 図 4.7 モータ 効 率 と 素 材 鉄 損 の 関 係 (スイープ 試 験 :トルク.7Nm 約 137min -1 ) Motor iron loss (W) R =.9 Motor iron loss (W) R = W15/5 (W/kg) W 15/5 (W/kg) W/4 (W/kg) W /4 (W/kg) (a) 素 材 鉄 損 W 15/5 の 影 響 (b) 素 材 鉄 損 W /4 の 影 響 図 4.8 モータ 鉄 損 と 素 材 鉄 損 の 関 係 (スイープ 試 験 :トルク.7Nm 約 137min -1 ) Copper loss (W) R = B5 (T) B 5 (T) 図 4.9 銅 損 に 及 ぼす 素 材 磁 束 密 度 の 影 響 (スイープ 試 験 :トルク.7Nm 約 137min -1 ) 36

41 スイープ 試 験 結 果 では トルクが 高 くなると 銅 損 に 及 ぼす 磁 束 密 度 B 5 の 影 響 が 明 確 に なったこと また SRM は 高 速 領 域 の 適 用 に 有 利 と 考 えられている () ため 定 回 転 試 験 は トルク 1Nm ( 入 力 電 流 : 約.7A) 3min -1 の 条 件 で 行 った モータ 効 率 に 及 ぼす 素 材 鉄 損 W 15/5 と W /4 の 影 響 を 図 4. に 示 す この 条 件 でもモー タ 効 率 は W 15/5 よりも W /4 と 非 常 に 良 い 相 関 を 示 した 図 4.11(a)にモータ 鉄 損 に 及 ぼす W /4 の 影 響 図 4.11(b)に 銅 損 に 及 ぼす B 5 の 影 響 を 示 す B 5 が 高 い 方 が 銅 損 は 低 減 する 傾 向 にあるが その 効 果 はモータ 鉄 損 に 及 ぼす W /4 の 影 響 より 小 さいことがわかる 以 上 の 結 果 から SRM のモータ 効 率 は モータ 鉄 損 を 介 して 素 材 鉄 損 W /4 によって ほぼ 決 定 されていると 言 える すなわち SRM の 効 率 は 高 周 波 鉄 損 が 支 配 的 に 影 響 してお り その 理 由 は 次 節 で 示 すように SRM 各 部 の 磁 束 密 度 波 形 は 高 調 波 を 多 く 含 む 正 弦 波 とは 大 きく 異 なる 複 雑 な 波 形 をしているためと 考 えられる Motor efficiency (%) R =.95 Motor efficiency (%) R = W15/5 W 15/5 (W/kg) W/4 W /4 (W/kg) (a) 素 材 鉄 損 W 15/5 の 影 響 (b) 素 材 鉄 損 W /4 の 影 響 図 4. モータ 効 率 と 素 材 鉄 損 の 関 係 ( 定 回 転 試 験 :トルク 1Nm 3min -1 ) Motor iron loss (W) 4 3 R =.99 Copper loss (W) R = W/4 W /4 (W/kg) (a) モータ 鉄 損 に 及 ぼす W /4 の 影 響 B5 B 5 (T) (b) 銅 損 に 及 ぼす B 5 の 影 響 図 4.11 モータ 損 失 に 及 ぼす 素 材 磁 気 特 性 の 影 響 ( 定 回 転 試 験 :トルク 1Nm 3 min -1 ) 37

42 4.4 SRM の 鉄 損 計 算 結 果 および 考 察.4 節 の(.1) 式 で 示 したように モータ 鉄 損 は ヒステリシス 損 古 典 渦 電 流 損 および 磁 壁 の 影 響 による 異 常 渦 電 流 損 の 総 和 で 表 すことができる (5)~(8) そのうち 古 典 渦 電 流 損 (P cl )と 異 常 渦 電 流 損 (P ex )は 任 意 の 磁 束 密 度 波 形 に 対 して 下 記 の(4.1) (4.) 式 で 算 出 で きることが 理 論 的 に 提 示 されていて 実 験 値 とよく 一 致 することが 示 されている (5)(6) P cl = ( /1) (d f / ) 1/f (db/dt) dt (4.1) P ex = k e f 1/f db/dt 1.5 dt (4.) ここで f は 周 波 数 であり d は 各 々 鋼 板 ( 鉄 心 )の 電 気 伝 導 度 質 量 板 厚 を 示 す また k e は 異 常 渦 電 流 損 係 数 であり 素 材 鉄 損 測 定 データから 算 出 できる しかし 任 意 波 形 に 対 するヒステリシス 損 の 計 算 方 法 は 理 論 的 に 充 分 確 立 されていな いため 実 験 的 に 求 めた 経 験 則 が 一 般 的 に 用 いられている そのうち 磁 束 密 度 が-B m か ら B m に 変 化 する PMSM で 一 般 的 な 両 方 向 励 磁 のヒステリシス 損 (P hys )は.4 節 の(.1) (.) 式 で 示 したように 下 記 式 で 表 され 実 験 値 とよく 一 致 すると 報 告 されている (7)(8) P hys = k h f B m K(B m ) (4.3) K(B m ) = 1 + (.65 / B m ) B i (4.4) ここで B i はマイナーループ 内 での 磁 束 密 度 の 変 化 B m は 磁 束 密 度 の 最 大 値 を 示 す また k h と α はヒステリシス 損 係 数 であり 素 材 鉄 損 測 定 データから 算 出 できる SRM ではモータ 部 位 により 磁 束 密 度 波 形 が 大 きく 異 なる すなわち 上 述 の 両 方 向 励 磁 以 外 に 例 えば 磁 束 密 度 が から-B m あるいは から B m に 変 化 する 一 方 向 励 磁 や B a ± B b あるいは-B a ± B b (B a >B b )のように 変 化 する 直 流 偏 磁 下 での 交 番 磁 界 のような 磁 束 密 度 波 形 を 呈 する 部 位 が 存 在 する そこで 本 研 究 では ヒステリシス 損 の 計 算 に 際 して モータ 各 部 位 を 磁 束 密 度 波 形 パ ターンによって 分 類 し その 特 徴 に 応 じて 異 なる K(B m ) 式 を 適 用 することで 定 回 転 条 件 (3min -1 1Nm)でのモータ 鉄 損 を 計 算 し 実 測 値 と 比 較 した 図 4.1 に 有 限 要 素 法 の 要 素 モデルと 入 力 電 流 波 形 例 を 示 す 入 力 電 流 波 形 には 実 測 デー タを 用 いた 表 4.3 に 計 算 した 鋼 板 (JNEH1 35JNE3 5JNE35 5JN13)の 材 料 定 数 と 鉄 損 係 数 を 示 す 素 材 鉄 損 測 定 値 と 求 めた 鉄 損 係 数 を(4.1) (4.) (4.3) 式 に 適 用 し て 得 た 計 算 値 について 材 料 が JNEH1 と 5JNE35 の 場 合 に 比 較 した 結 果 を 図 4.13 に 示 すが 両 者 はよく 一 致 していることがわかる 38

43 Current (A) Current (A) Current (A) Time (s) Time (s) Time (s) 図 4.1 SRM の 磁 界 解 析 要 素 モデルと 入 力 電 流 波 形 例 表 4.3 鉄 損 計 算 時 の 材 料 定 数 と 鉄 損 係 数 Material Thickness Conductivity Mass density (mm) (1/[Ωm]) (kg/m 3 ) k h α k e JNEH JNE JNE JN W (W/kg) Measured value 4 Hz Calculated value Hz 5 Hz 5 Hz B (T) (a) JNEH1 8 Measured value 4 Hz 6 Calculated value W (W/kg) 4 Hz Hz 5 Hz B (T) (b) 5JNE35 図 4.13 素 材 鉄 損 測 定 値 と 鉄 損 係 数 を 用 いた 計 算 値 の 比 較 39

44 図 4.14 に 有 限 要 素 法 で 計 算 したステータのティース 部 の 磁 束 密 度 変 化 を 示 す r 方 向 ( 径 方 向 )は 一 方 向 励 磁 θ 方 向 ( 周 方 向 )は 両 方 向 励 磁 の 波 形 パターンをしていることがわかる 図 4.15 にステータのヨーク 部 の 磁 束 密 度 変 化 を 示 す この 位 置 も 磁 束 密 度 レベルや 変 化 の 様 子 は 異 なるが r 方 向 は 一 方 向 励 磁 θ 方 向 は 両 方 向 励 磁 の 波 形 パターンに 分 類 できる 図 4.16 に 別 位 置 のステータのヨーク 部 の 磁 束 密 度 変 化 を 示 す この 位 置 では r 方 向 は 両 方 向 励 磁 θ 方 向 は 直 流 偏 磁 下 での 交 番 磁 界 に 特 徴 的 な 波 形 パターンをしていることがわ かる 図 4.17 にはロータでの 磁 束 密 度 変 化 を 示 すが この 場 合 r θ 方 向 とも 両 方 向 励 磁 の 波 形 パターンに 比 較 的 大 きなマイナーループが 重 なっているとみなせる このような 計 算 結 果 から 磁 束 密 度 波 形 パターンによって モータ 各 部 位 を 図 4.18 に 示 すように 分 類 した 表 4.4 に 部 位 別 の 磁 束 密 度 波 形 パターンを 示 す 波 形 パターン 自 体 は 両 方 向 励 磁 一 方 向 励 磁 直 流 偏 磁 下 の 交 番 磁 界 の 3 種 に 分 類 できた このうち 両 方 向 励 磁 のヒステリシス 損 の 補 正 項 K(B m )は 前 述 の(4.4) 式 で 表 すことができる また 磁 束 密 度 が から-B m あるいは から B m に 変 化 する 時 のヒステリシス 損 は 磁 束 密 度 が-B m から B m に 変 化 した 際 のヒステリシス 損 の 約 4%であると 報 告 されている (36) したがって 一 方 向 励 磁 時 の 補 正 項 K(B m )は 両 方 向 励 磁 時 と 同 様 にマイナーループ での 損 失 も 考 慮 すると (41) 次 の(4.5) 式 で 表 されると 考 えられる K(B m ) =.4 + (.65 / B m ) B i (4.5) 直 流 偏 磁 下 の 交 番 磁 界 については メジャーループが 存 在 せず マイナーループのみを 考 慮 すればよいので 補 正 項 K(B m )は 次 の(4.6) 式 で 表 されると 考 えられる (36)(39)(41) K(B m ) = (.65 / B m ) B i (4.6) 以 上 の 検 討 を 基 に 有 限 要 素 法 で 求 めた 各 要 素 別 の 磁 束 密 度 変 化 データから モータ 鉄 損 を 計 算 した なお 回 転 磁 界 による 鉄 損 は モータの 周 方 向 および 径 方 向 別 に 鉄 損 を 算 出 した 後 両 者 を 足 し 合 わせることによって 求 めた (13)(7)(8)(39) モータ 鉄 損 の 測 定 値 と 計 算 値 の 比 較 を 横 軸 を 素 材 鉄 損 W /4 にして 図 4.19 に 示 す いずれの 材 料 でも 計 算 値 は 測 定 値 より 若 干 小 さいが 両 者 の 値 は 比 較 的 よく 一 致 している といえる 両 者 の 違 いの 理 由 としては せん 断 や 打 ち 抜 き 加 工 による 歪 の 電 磁 鋼 板 の 磁 気 特 性 への 影 響 が 考 えられる すなわち 通 常 無 方 向 性 電 磁 鋼 板 の 磁 気 特 性 は 素 材 を 幅 3mm 長 さ 8mm のエプスタイン 試 験 片 にせん 断 後 に 測 定 評 価 されているが 今 回 用 いた SRM の 形 状 は 例 えばステータのティース 幅 が mm とそれより 狭 いので 実 際 の 4

45 Br [T] Bθ [T] Time [s] (a) r 方 向 Time [s] (b) θ 方 向 図 4.14 ステータのティース 部 での 磁 束 密 度 変 化 の 計 算 結 果 の 一 例 Br [T] Time [s] (a) r 方 向 Bθ [T] Time [s] (b) θ 方 向 図 4.15 ステータのヨーク 部 での 磁 束 密 度 変 化 の 計 算 結 果 の 一 例 41

46 Br [T] Time [s] (a) r 方 向 Bθ [T] Time [s] (b) θ 方 向 図 4.16 ステータのヨーク 部 での 磁 束 密 度 変 化 の 計 算 結 果 の 一 例 Br [T] Bθ [T] Time [s] 1.5 (a) r 方 向 Time [s] (b) θ 方 向 Br [T] Time [s] (c) r 方 向 Bθ [T] Time [s] (d) θ 方 向 図 4.17 ロータでの 磁 束 密 度 変 化 の 計 算 結 果 の 一 例 4

47 (e) (c) (h) (g) (f) (c) (d) (g) (h) (f) (a) (b) (f) (h) (g) (d) (c) (f) (g) (h) (c) (e) 図 4.18 モータ 各 部 位 の 磁 束 密 度 波 形 パターンによる 分 類 表 4.4 モータ 各 部 位 での 磁 束 密 度 波 形 パターン Portion Radial Tangential (a) Bipolar alternating Bipolar alternating (b) Unipolar alternating Bipolar alternating (c) Unipolar alternating Bipolar alternating (d) Bipolar alternating DC-biased bipolar (e) Unipolar alternating Bipolar alternating (f) Unipolar alternating DC-biased bipolar (g) Unipolar alternating Unipolar alternating (h) Unipolar alternating Bipolar alternating Motor iron loss (W) Measured Calculated W/4 W /4 (W/kg) 図 4.19 モータ 鉄 損 の 実 測 値 と 計 算 値 の 比 較 43

48 磁 気 特 性 は エプスタイン 測 定 値 より 悪 いと 考 えられる (4) エプスタイン 試 料 の 測 定 で 得 た 磁 気 特 性 と 実 際 のモータ 形 状 に 近 い 細 幅 試 料 で 測 定 した 磁 気 特 性 の 違 いが モータ 鉄 損 計 算 結 果 に 及 ぼす 影 響 については 分 割 コア IPMSM を 用 いて 次 章 で 検 討 する ロータとステータでの 損 失 比 較 ( 計 算 値 )を 図 4. に 示 す W 単 位 での 損 失 はステータの 方 が 大 きいが W/kg 単 位 での 損 失 はロータの 方 が 大 きい (ステータとロータの 重 量 比 は 約 3.4) 鉄 損 分 布 計 算 結 果 (W/kg 単 位 )を 図 4.1 に 示 すが ロータの 突 極 先 端 部 での 損 失 が 大 きいことがわかる 図 4. にモータ 鉄 損 計 算 値 の 内 訳 を 示 すが 最 も 素 材 鉄 損 の 低 い JNEH1 では ヒ ステリシス 損 の 比 率 が 最 も 高 く 半 分 以 上 を 占 めていることがわかる 一 方 最 も 素 材 鉄 損 の 高 い 5JN13 では 古 典 渦 電 流 損 の 比 率 が 最 も 高 いことがわかる このことは 鉄 損 の 低 いハイグレードの 電 磁 鋼 板 を 用 いる 場 合 モータ 鉄 損 予 測 精 度 の 向 上 には ヒステリ シス 損 の 計 算 精 度 向 上 が 必 要 なことを 意 味 している したがって 磁 束 密 度 波 形 パターンの 違 いによってモータ 部 位 を 種 々の 領 域 に 分 類 し それに 応 じたヒステリシス 損 計 算 式 ( 補 正 項 )を 用 いてモータ 鉄 損 を 計 算 したことが 渦 電 流 損 比 率 が 高 い.5mm 厚 材 だけでなく ヒステリシス 損 比 率 が 高 い..35mm 厚 材 で も 比 較 的 実 測 値 と 計 算 値 が 一 致 した 理 由 と 考 えられる なお 前 節 で SRM の 効 率 とモータ 鉄 損 は 素 材 鉄 損 W /4 と 非 常 に 良 い 相 関 があること を 示 し その 理 由 については SRM 各 部 の 磁 束 密 度 波 形 は 高 調 波 を 多 く 含 む 正 弦 波 とは 大 きく 異 なる 複 雑 な 波 形 をしているためと 考 えた そこで 4Hz よりも 高 い 周 波 数 時 の 素 材 鉄 損 として W /1k を 測 定 し その 値 と W 15/5 W /4 の 関 係 を 調 べた その 結 果 を 図 4.3 に 示 すが W /4 は W /1k と 非 常 に 良 い 相 関 を 呈 していることがわかる このように W /4 はより 高 い 周 波 数 時 の 素 材 鉄 損 と 非 常 に 相 関 がよいことも モータ 効 率 やモータ 鉄 損 と 良 い 相 関 を 示 す 理 由 と 考 えられる 44

49 3 Motor iron loss (W) Rotor iron loss Stator iron loss JNEH1 35JNE3 5JNE35 5JN13 Core material (a) W 単 位 での 損 失 比 較 Motor iron loss (W/kg) Rotor iron loss Stator iron loss JNEH1 35JNE3 5JNE35 5JN13 Core material (b) W/kg 単 位 での 損 失 比 較 図 4. ロータとステータでの 鉄 損 比 較 ( 計 算 値 ) 45

50 (a) JNEH1 (c) 5JNE35 (b) 35JNE3 (d) 5JN13 (W/kg) 図 4.1 素 材 別 の 鉄 損 分 布 の 比 較 ( 計 算 値 :W/kg 単 位 ) 46

51 Motor iron loss fraction % 8% 6% 4% % % Excess eddy current loss Classical eddy current loss Hysteresis loss JNEH1 35JNE3 5JNE35 5JN13 Core material 図 4. モータ 鉄 損 計 算 値 の 損 失 内 訳 W/1k W (W/kg) (W/kg) 4 3 R =.95 W W/1k (W/kg) 4 3 R = W W15/5 (W/kg) 15/5 (W/kg) W/4 W (W/kg) /4 (W/kg) (a) W /1k vs W 15/5 (b) W /1k vs W /4 図 4.3 素 材 鉄 損 W /1k と W 15/5 W /4 の 関 係 47

52 4.5 結 言 ステータ 6 極 ロータ 4 極 の 基 本 的 な 3 相 6/4 型 SRM の 特 性 に 及 ぼす 素 材 磁 気 特 性 の 影 響 を 調 べた 結 果 銅 損 比 率 が 高 いにもかかわらず モータ 効 率 にはモータ 鉄 損 を 介 した 素 材 鉄 損 W /4 の 影 響 が 支 配 的 であり 第 章 で 検 討 した SPMSM の 場 合 と 類 似 の 結 果 が 得 られた トルクが 高 くなるにしたがい 電 磁 鋼 板 の 磁 束 密 度 B 5 が 高 い 方 が 銅 損 は 低 減 する 傾 向 を 示 したが 電 磁 鋼 板 の 素 材 鉄 損 の 違 いがモータ 鉄 損 に 及 ぼす 影 響 の 方 が 大 きく モータ 鉄 損 は W /4 と 非 常 によい 相 関 を 示 した その 理 由 は SRM 各 部 の 磁 束 密 度 波 形 は 正 弦 波 とは 大 きく 異 なり 高 調 波 成 分 を 多 く 含 むが W /4 はより 高 い 周 波 数 時 の 鉄 損 と 非 常 に 相 関 がよいためと 考 えられる したがって SRM の 鉄 心 材 料 選 択 時 の 指 標 としては W /4 が 最 もよいと 考 えられる また 磁 束 密 度 波 形 パターンの 違 いによってモータ 部 位 を 種 々の 領 域 に 分 類 し それに 応 じたヒステリシス 損 計 算 式 を 用 いてモータ 鉄 損 を 計 算 することで 渦 電 流 損 比 率 が 高 い.5mm 厚 材 だけでなく ヒステリシス 損 比 率 が 高 い..35mm 厚 材 でも モータ 鉄 損 計 算 値 は 実 測 値 と 比 較 的 よく 一 致 した 48