H22_3_25 NEDO プレスリリース -1 次世代自動車用高性能蓄電システム技術開発 / 要素技術開発 / 脱レアアースを目指す自動車用モータの研究開発 / レアアース使用量を半減する SMCコアを利用した高出力密度モーターを開発ハイブリッド界磁モータの研究開発 名古屋工業大学大学院工学研究科おもひ領域小坂卓 平成 22 年 3 月 25 日 ( 木 )
H22_3_25 NEDO プレスリリース -2 EV/HEV 用モータへの要求と設計ジレンマ 広範な速度 - トルク運転領域をモータ 1 台でカバー 及び走行行抵抗 [N] 低速大トルク 坂道発進 路肩乗り上げ モータトルルク モータ設計上トルク I B l 駆動力 B: 磁力 高トルク化 = 高磁力化 正確には磁束密度 10000 8000 6000 4000 2000 1 速 2 速 3 速 4 速 5 速 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 出典元 : 堀洋一他 : 自動車用モータ技術 p.185 日刊工業新聞出版 2003 年 車速 [km/h] モータ回転数 高速高出力 高速道巡航 モータ設計上電圧 v B l バッテリ電圧制限 高速高出力化 = 低磁力化 損失 B 2 低損失高効率化 = 低磁力化
H22_3_25 NEDO プレスリリース -3 EV/HEV 用モータへの要求と設計ジレンマ 磁力源として広範な速度, 永久磁石を用いると -トルク運転領域をモータ 1 台でカバー 一般に永久磁石は固定磁力源なので 10000, モータ設計上, 両立は背反 高速高出力低速大トルクということで, 近年, 可変磁力方式という考え方に世界中が注目 高速道巡航 8000 坂道発進 路肩乗り上げ 1 速 6000 モータ設計上 2 速電圧 v B l モータ設計上 4000 バッテリ電圧制限トルク I B l モータトルルク 及び走行行抵抗 [N] 駆動力 B: 磁力 高トルク化 = 高磁力化 正確には磁束密度 2000 3 速 4 速 5 速 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 車速 [km/h] モータ回転数 高速高出力化 = 低磁力化 損失 B 2 低損失高効率化 = 低磁力化
H22_3_25 NEDO プレスリリース -4 可変磁力方式を採用したモータ開発動向 磁石磁力可変方式 2009 年 : 東芝ホームアフ ライアンス日経エレクトロニクス2010 年 3 月 8 日号解説 3 巻線接続切替方式 2009 年 : 日立アフ ライアンス日経エレクトロニクス2010 年 3 月 8 日号解説 3 2009 年 : 安川電機日経エレクトロニクス2010 年 3 月 8 日号解説 3 永久磁石磁力と電磁石磁力の併用方式 ハイフ リット 界磁モータ 1995 年 : 明電舎, 電気学会論文誌,Vol.115-D, No.11, pp.1402-1411 2003 年 :Univ. of Wisconsin, Madison(USA) IEEE Trans. on IA,, vol. 39, No.6, pp. 1704-1709, 2003 2007 年 :SATIE - Ecole Normale Supérieure de Cachan (France) Proc. of the 12 th EPE 2007
H22_3_25 NEDO プレスリリース -5 省レアアースハイフ リット 界磁モータのコンセフ トタのコンセフト 1. 強め磁力制御による省レアアース化 磁石磁力 + 電磁石磁力 低速大トルクに要する磁力 B を 1 とすると 磁石磁力のみの場合 磁石磁力 1 磁石量 100% ハイフ リット 界磁の場合 磁石磁力 0.5+ 電磁石磁力 0.5 磁石量 50% 2. 弱め磁力制御によるバッテリ電圧拘束下での高速高出力化と低損失高効率化 磁石磁力 - 電磁石磁力 磁力 Bのゼロ化による逆起電力と損失 ( 鉄損 ) のゼロ化ハイブリッド界磁の場合 磁石磁力磁石磁力 0.5- 電磁石磁力 0.5 磁力ゼロ化課題磁石磁力と電磁石磁力を効率的に協調作用させるモータ構造の創出
H22_3_25 NEDO プレスリリース -10 本開発の省レアアースハイフ リット 界磁モータ SMC コア製界磁極 主モータ部 SMCコア製界磁極 N S 軸方向着磁永久磁石 N S シャフト ロータ内周 SMC コア トロイダルコイル電磁石 モータ巻線 薄板積層コア ステータ外周 SMC コア トロイダルコイル電磁石
H22_3_25 NEDO プレスリリース -11 本開発の省レアアースハイフ リット 界磁モータ SMC コア製界磁極 主モータ部 SMCコア製界磁極 N S 軸方向着磁永久磁石 特徴 1. 効率的な強め磁力 / 弱め磁力制御を実現する3 次元磁気回路構造 N S 軸方向に磁化された永久磁石を主モータ中心部に配置 磁石と向かい合うように軸方向両端に電磁石を配置( 無駄スヘ ースの利用 ) シャフト ロータ内周 SMC コア 2.3 次元磁気回路構造を効率的に実現する SMC コアを新材料として採用 トロイダルコイル電磁石 SMCコア Soft Magnetic モータ巻線 Composites( 薄板積層コア軟磁性複合材ステータ外周トロイダルコイル電磁石 ) SMC コア 微細鉄粉 ( 粒径 100μm) を圧縮成形したコア どの方向にも磁束を流し易く, うず電流損失が小さい
H22_3_25 NEDO プレスリリース -12 本開発の省レアアースハイフ リット 界磁モータ 試作機組み立て前概観
H22_3_25 NEDO プレスリリース -13 動作原理 - 強め / 弱め磁力制御 1 < 界磁非制御時 > < 強め磁力制御時 > N S N S 永久磁石磁力 + 電磁石磁力トルク 合成磁力 モータ電流 効率的な磁力の強め作用低速大トルク性能の付与
H22_3_25 NEDO プレスリリース -14 動作原理 - 強め / 弱め磁力制御 2 < 界磁非制御時 > < 弱め磁力制御時 > N S N S 磁束の流れを直流化かつ 無力化 = ゼロ化 高速回転時の電圧と鉄損軽減
H22_3_25 NEDO プレスリリース -15 強め / 弱め磁力制御性能の評価 < 実スケール設計機の <1/3ダウンスケール試作機の 300 250 磁力可変能力 ( シミュレーション )> +258% 150 磁力可変能力 ( 実測 )> +140% 実測値 200 100 3D-FEM 値 界磁調整整率 [%] 150 100 50 0-50 -100 ゼロ化 -5000-3000 -1000 1000 3000 5000 界磁アンペアターン [AT] 界磁調整整能力 [%] 50 0-50 -100 ほぼゼロ化 -94.7% ( 原点磁石磁力 ) -2500-1500 -500 500 1500 2500 界磁電流アンペアターン [AT] 弱め電磁石電流強め電磁石電流弱め電磁石電流強め電磁石電流
H22_3_25 NEDO プレスリリース -16 強め / 弱め磁力制御性能の評価 < 実スケール設計機の <1/3ダウンスケール試作機の 300 250 磁力可変能力 ( シミュレーション )> +258% 150 磁力可変能力 ( 実測 )> +140% 実測値 200 100 3D-FEM 値 界磁調整整率 [%] 150 界磁調整整能力 [%] 50 100 世界初の効率的な強め / 弱め磁力制御 ( 従来技術では不可能 ) 0 50 強め磁力制御: 磁力を約 2.6 倍ほぼゼロ化 0 弱め磁力制御 : 磁力のゼロ化に成功 -50-50 ゼロ化 -94.7% -100-100 試作機試験にて, その実現可能性を実証 -5000-3000 -1000 1000 3000 5000 界磁アンペアターン [AT] ( 原点磁石磁力 ) -2500-1500 -500 500 1500 2500 界磁電流アンペアターン [AT] 弱め電磁石電流強め電磁石電流弱め電磁石電流強め電磁石電流
本研究開発の成果 H22_3_25 NEDO プレスリリース -17 - 省レアアースハイフスハイフ リット 界磁モ界磁モータの性能 - 省レアアース - 従来モータ比磁石量半減以下 =550g 以下 高出力密度- 従来モータと同等 =3.5kW/kg( 推定 ) モータ効率 - 従来モータと同等 目標性能項目目標値設計結果達成度評価 磁石使用量 550[g] 以下 517[g](NMX38SH) OK 最大速度 20,000[r/min] 電圧制限, 機械強度クリア OK 最大トルク 210[Nm] 以上 183[Nm] 87% 出力 @6-7kr/min 123[kW] 以上 124 [kw] @6.5kr/min 101% 目標トルク密度 6[Nm/kg] 以上 4.9[Nm/kg] 81.6% 目標出力密度 3.5[kW/kg] 以上 3.4[kW/kg] 97.1[%] 期待される波及効果 低引き摺り損失 高効率 EV 四駆用後輪駆動モータの実現