PowerPoint プレゼンテーション

Design of BLM using SPEED software (Ideal and reality in electric motor design) Jun. 3, 2015 ORIENTAL MOTOR Co., Ltd. Hiroshi Otsubo 1

Agenda 1. Company 2.SPEED & Oriental Motor 3. BLM Design Database Design Parameter Slot Combination 4. Thermal Simulation SPEED & STAR-CCM+ 5. Conclusion 2

1. Company 3

2. SPEED & Oriental Motor Scottish Power Electronics & Electric Drives 開発 英国 University of Glasgow T.J.E. Miller 開発オリエンタルモーターとは 長年にわたって協力関係 を築いてきた! SPEED Consortium 世界のメーカが出資してソフト開発支援 (Panasonic, Nidec, Bosch etc. 約 70 社 ) モーター設計ツール群 1.PC-SRD Switched reluctance motor 2.PC-BDC Brushless DC motor 3.PC-IMD Induction motor 4.PC-DCM DC commutator motor 5.PC-SREL Synchronous reluctance motor 6.PC-SLD Solenoid 7.PC-WFC Wound field commutator motor 8.PC-LPM Linear permanent magnet motor 9.PC-AXM Axial gap, Claw-pole, Ring-arc 4

3. BLM Design SPM-SM 三相表面磁石型同期電動機 ( Surface Permanent Magnet - Synchronous Motor ) Brushless Motor Servo Motor 5

Rating Design 制約条件下で 基本特性をクリア! SPM 定格点 : ポイント最適化 (q 軸電流 ) IPM NT マップ : 使用頻度高い領域 ( ベクトル制御 ) I d = 0 弱め界磁制御 From Oriental motor Specification Catalog 6

STEEL (Electrical Steel Laminate Sheet ) Catalog & Measure Input (SPEED) Point Magnetization Loss Mechanical Electrical Thermal 7

Magnet Input (SPEED) Point Spec Catalogue Temperature demagnetization NdFeB Alnico Sm-Co NdFeB-bond Ferrite 8

Loss [W] Mechanical (Ball Bearing) Measure 実力把握 ( 既存製品を参考 ) 粘性 摩擦 ( 流体潤滑 ) N [r/min] Iron Loss Mechanical Loss ボールベアリング グリス オイルシール 予圧 風損 Input (SPEED) 軸受損 摩擦損 Wmb W = a_mb + b_mb rpm c_mb Wwf W = WF0 ( RPM RPM0 )NWFT+1 SPEED 用同定値 a_mb = b_mb = c_mb = 9

Slot-Fill Factors 実力把握 ( 既存製品の占積率で制約 ) Ex 1-PEW φ0.4-37 線種 = 1 種 線径 = φ0.4mm 標準外径 = φ0.444mm 最大外径 = φ0.456mm 耐熱 = Fクラス (140 ) 材質 = ポリエステル皮膜 巻数 = 37 ターン 占積率 =? % 実力 理想 正味占有率 SFn = 2 TC D2 AslotLL 銅占有率 SFg = 2 TC πr2 Aslot = 2 TC (WireDia+2 InsThick)2 AslotLL = 2 TC (π WireDia2 ) 4 Aslot TC: ターン数 WireDia: 銅直径 InsThick: 絶縁皮膜厚 Liner: 絶縁厚 ( 断面 ) Ext: 絶縁厚 ( 積層 ) Aslot, ASlotLL: スロット面積 10

Adjustment Factor Adjustment Factor(0.9~1.1) Cause 1 カシメ 2 プレス歪 Adjustment Example Xfringe 3 焼きバメ 4 分割コア 5 着磁 / 配向 XBetaM XBrT Air Gap Flux Density 11

Slot Combination 三相集中巻き小型同期電動機 ( 数十 ~ 数百 W クラス ) Poles Slots 3 6 9 12 15 18 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Oriental Motor 6p9s, 10p9s, 10p12s, 12p9s A 社 :6p9s B 社 :8p12s C 社 :10p12s 様々なスロットコンビネーション Why? 12

Design Parameter Main Parameter 10pole 12slots I. Tooth width (Parameter1) Back Yoke Back Yoke tooth width = Const. ( by Slot Combination ) II. Diameter Ratio (Parameter 2) Diameter Ratio = Inner φ D Outer φd Tooth Width Inner Diameter Outer Diameter 13

Efficiency ( 1 Tooth width ) 10pole 12slots Flux density Saturation Efficiency 14

Efficiency ( 2 Diameter Ratio) 10pole 12slots Effective magnetic flux Max point Efficiency 15

1 Tooth width [mm] Efficiency ( 2 Diameter Ratio 1 Tooth width) 10pole 12slots 単峰性問題 Maximum efficiency point 2 Diameter Ratio 16

Design Result ( Maximum Efficiency ) 6Slots 9Slots 12Slots 4Poles 6Poles 8Poles 10Poles 12Poles 14Poles 6Slots 9Slots 12Slots

SPEED Result 検討 比較 1. 効率 発熱 寿命 小型 効率 効率 2. バックヨーク厚み 強度 振動 磁気漏れ コスト バックヨーク厚み コスト バックバックヨークヨーク厚厚みみ 3. ステータ全長 小型化 ( コイルエンド含む ) トルクリップル ステータ全長 トルクリップル ステータ全長 4. コギング 低速制御 振動 騒音 コギング コギング 5. トルクリップル 制御性 振動 騒音 6. 対称性 振動 騒音リラクタンストルク 7. コスト 巻線 マグネット 1 対称性悪い 2 無効磁束多い 重 3 多極化難 効率 & コギング を重視した場合 設計意図を明確に! FEM& 試作 ( 要確認 ) 検討から外す Group 18

FEM 鉄損 コギング 詳細検討 (12p9s) 有効磁束 (Slot Tip-arc) 無効磁束多い BEMF 高調波歪率 コギング Magnetic flux density

4. Thermal Simulation model Model Loss Parts Copper Conductor Iron Stator Mechanical Bearing 巻線 ステータ 軸受 シャフト 軸受 20

Thermal Circuit Analysis Result (SPEED Hot10) (Natural Convection Cooling) Conductor Stator Analysis 1. U (Flange Conduction) 2. V (Flange Convection) 3. R (Flange Radiation) Node 1. F(Flange) 2. Y(Stator Yoke) 3. T(Stator teeth) 4. C(Winding Coil) 5. E (Stator End) 6. S (Stator gap) 7. G (Air gap) 8. R (Rotor) 9. H (Shaft) 10. B (Bearing) Parameter=AirLiner スロットライナ周りの空気層の厚さ (0.01mm) 21

Thermal CFD Analysis Result ( STAR CCM+ ) Summary (Natural Convection Cooling) 温度分布 熱流束ベクトル Result (Steady-state temperature) SPEED CAE STAR CCM+ Conductor 74 75 70 Stator 67 68 59 Difference 7 7 11 STAR CCM+ について SPEED との比較 入力データ同等 ほぼ同じ Measure 側面 正面 モーター内部 (3,000r/min) メリット 温度分布 対策検討 ( 形状 材料 接触 ) 強制対流 Parameter = 接触熱抵抗 ( コイル & 絶縁材 )[K-m 2 /W] 22

5. Conclusion SPEED 設計の中心となるツール 設計の理想と現実 のギャップを補間計算してくれるツール Vibration Circuit Electromagnetic 要望 最適化ツールとの直接連携 CFD thermal(star CCM+) 有効性を実感! Mechanical FEM フィードバック 詳細検討 & メカニズム解明 etc. 23