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 )
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
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
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
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
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 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
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 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)
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
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 301.1 Nm(34.2 Nm/L) を達成
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 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 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 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 2009-239688 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 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.