第 2 回 TECH Biz EXPO 2012 セミナーH24_11_29-1 第 2 回 次 世 代 ものづくり 基 盤 技 術 産 業 展 TECH Biz EXPO 2012 講 演 会 No.16 次 世 代 自 動 車 地 域 産 学 官 フォーラム 技 術 開 発 セミナー レアアースレス 巻 線 界 磁 形 フラックススイッチングモータの 開 発 小 坂 卓 ( 名 古 屋 工 業 大 学 大 学 院 工 学 研 究 科 情 報 工 学 専 攻 ) 平 成 24 年 11 月 29 日 ( 木 ) 第 2 回 TECH Biz EXPO 2012 セミナーH24_11_29-2 1. エコカーの 拡 大 普 及 期 へ 販 売 台 数 ( 万 台 ) 400 350 300 250 200 150 100 50 0 年 度 別 累 計 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 年 度 ( 西 暦 年 ) トヨタ 自 動 車 社 のHV 販 売 台 数 ( 国 内 146 万 台, 海 外 211 万 台 ) http://www2.toyota.co.jp/jp/news/12/05/nt12_0514.html 国 内 メーカーのエコカー 関 連 技 術 は 世 界 的 にも 優 れた 水 準 国 内 メ カ のエコカ 関 連 技 術 は, 世 界 的 にも 優 れた 水 準 支 えている1つの 要 素 技 術 がレアアース 磁 石 モータ
第 2 回 TECH Biz EXPO 2012 セミナーH24_11_29-3 2. エコカー 駆 動 用 レアアース 磁 石 モータ 回 転 子 アッシー 固 定 子 アッシー レアアース 磁 石 NdFeB ロータ 断 面 第 2 回 TECH Biz EXPO 2012 セミナーH24_11_29-4 3. レアアース 磁 石 の 原 材 料 高 保 磁 力 磁 石 の 問 題 =レアアース 問 題 の 本 質 (NEOMAX 磁 石 カタログ) HEVでは180 を 最 悪 想 定 高 保 磁 力 = 高 耐 熱 性 磁 石 で なければ 使 用 できない このネオジムを ディスプロシウム(Dy)に 置 換 ネオジムの 埋 蔵 量 は 豊 富 で, 中 国 に3 割,その 他 7 割 と 推 定 ディスプロシウムは, 現 在 中 国 のみが 供 給 元 であり, 採 掘 回 収 の 容 易 性 ( 採 算 性 ) を 考 えると, 事 実 上,1 国 支 配 1% 程 度 25% 前 後 75% 前 後
第 2 回 TECH Biz EXPO 2012 セミナーH24_11_29-5 4.レアアース 材 の 価 格 高 騰 供 給 不 安 D y N d 尖 閣 諸 島 問 題 2010/9 L 2010/9 L a 第 2 回 TECH Biz EXPO 2012 セミナーH24_11_29-6 5. エコカー 駆 動 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 小 形 軽 量 モータ1 台 でカバー 及 び 走 行 抵 抗 [N] 低 速 大 トルク 性 能 坂 道 発 進 路 肩 乗 り 上 げ モ モータトル ルク モータ 設 計 上 トルク I B l B: 界 磁 磁 束 密 度 駆 動 力 10000 8000 6000 4000 2000 高 トルク 化 = 高 界 磁 磁 力 化 1 速 2 速 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 高 速 道 巡 航 回 路 昇 圧 前 提 での 有 限 電 源 電 圧 制 限 インバータ 素 子 耐 圧 モータ 設 計 上 電 圧 v B l 高 速 高 出 力 化 = 低 界 磁 磁 力 化
第 2 回 TECH Biz EXPO 2012 セミナーH24_11_29-7 5. エコカー 駆 動 用 モータへの 要 求 と 設 計 ジレンマ 広 範 な 多 用 動 作 領 域 をモータ1 台 で 高 効 率 運 転 カバー 及 び 走 行 抵 抗 [N] 10000 多 用 動 作 領 域 1 8000 低 中 速 軽 負 荷 領 域 モ モータトル ルク 主 損 失 : 銅 損 モータ 設 計 上 銅 損 1/ B 2 駆 動 力 6000 4000 2000 低 銅 損 化 = 高 界 磁 磁 力 化 1 速 2 速 3 速 4 速 多 用 動 作 領 域 2 高 速 軽 負 荷 領 域 主 損 失 : 鉄 損 モータ 設 計 上 5 速 鉄 損 B 2 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 車 速 [km/h] モータ 回 転 数 低 鉄 損 化 = 低 界 磁 磁 力 化 第 2 回 TECH Biz EXPO 2012 セミナーH24_11_29-8 5. エコカー 駆 動 用 モータへの 要 求 と 設 計 ジレンマ より 一 層 の 高 効 率 化 へ(イメージ 図 ) 350 300 90 89 90 91 92 93 94 95 96 97 効 率 [%] トルク ク[Nm] 250 200 150 100 50 0 0 2 4 6 8 10 12 回 転 数 [ 1,000rpm] 0 2 4 6 8 10 12 回 転 数 [ 1,000rpm]
第 2 回 TECH Biz EXPO 2012 セミナーH24_11_29-9 5. エコカー 駆 動 用 モータへの 要 求 と 設 計 ジレンマ 磁 力 源 広 として, 範 な 多 永 用 久 動 磁 作 石 領 を 域 用 をモータ1 いると 台 で 高 効 率 運 転 カバー 一 般 に 永 久 磁 10000 石 は 固 定 磁 力 源 なので,モータ 設 計 上, 両 立 は 背 反 及 び 走 行 抵 抗 [N] 多 用 ということで, 動 作 領 域 1近 年, 可 変 磁 力 方 式 という 考 え 方 に 世 界 中 が 注 目 8000 低 中 速 軽 負 荷 領 域 多 用 動 作 領 域 2 1 速 6000 高 速 軽 負 荷 領 域 主 損 失 : 銅 損 2 速 4000 主 損 失 : 鉄 損 モータ 設 計 上 3 速 銅 損 1/ B 2 2000 4 速 モータ 設 計 上 5 速 鉄 損 B 2 モ モータトル ルク 駆 動 力 低 銅 損 化 = 高 界 磁 磁 力 化 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 車 速 [km/h] モータ 回 転 数 低 鉄 損 化 = 低 界 磁 磁 力 化 第 2 回 TECH Biz EXPO 2012 セミナーH24_11_29-10 6. 脱 レアアースモータの 候 補 脱 レアアースモータ( 一 切 磁 石 を 使 用 しないモータ タ, 可 変 磁 力 ) 誘 導 モータ( 分 布 巻 のみ) U W V V W U 課 題 : 低 中 速 軽 負 荷 領 域 効 率 改 善 スイッチトリラクタンスモータ 課 題 : 振 動 & 音 高 速 回 転 に 好 適 製 造 容 易 低 イナーシャ/トルク 比 軽 負 荷 時 に 比 較 的 高 効 率 シンクロナスリラクタンスモータ( タ( 分 布 巻 / 集 中 巻 ) 巻 線 界 磁 形 同 期 モータ( 分 布 巻 / 集 中 巻 ) 課 題 : 効 率 & 力 率 と 回 転 機 械 強 度 の 両 立 課 題 :?? 高 速 回 転 に 好 適 高 速 回 転 に 好 適 製 造 容 易 軽 負 荷 時 に 比 較 的 高 効 率
7. 車 載 用 脱 レアアースモータの 開 発 第 2 回 TECH Biz EXPO 2012 セミナーH24_11_29-11 IEEE VPPC2010(Vehicle Power and Propulsion Conference) http://vppc2010.univ-lille1.fr/index.php?page=keynotes K2.2: Electric vehicle program of the RENAULT-NISSAN alliance Dr. Jérôme PERRIN, Renault (France). To download the presentation of this Keynote, click here 7. 車 載 用 脱 レアアースモータの 開 発 第 2 回 TECH Biz EXPO 2012 セミナーH24_11_29-12 P17 P.17 言 わずと 知 れた 日 産 のEV-リーフ 搭 載 モータ 63kWクラス( 中 型 車 種 )は 巻 線 界 磁 形 同 期 モータ 30kWクラス( 小 型 車 種 )は スイッチトリラクタンスモータ 脱 レアアースモータ
第 2 回 TECH Biz EXPO 2012 セミナーH24_11_29-13 平 成 23 年 度 第 3 次 補 正 予 算 事 業 戦 略 的 基 盤 技 術 高 度 化 支 援 事 業 レアアースレスモータ 制 御 のためのソフトウェア 実 装 研 究 開 発 第 2 回 TECH Biz EXPO 2012 セミナーH24_11_29-14 レアアースレスモータ= 界 磁 巻 線 形 フラックススイッチングモータ 60mm 20mm Field Excitation Coil Gap=0.8mm 194.4mm 3-Phase Armature Coil 264mm
第 2 回 TECH Biz EXPO 2012 セミナーH24_11_29-15 界 磁 巻 線 形 フラックススイッチングモータの 特 長 1. 長 期 信 頼 性 優 -ブラシ&スリップリングが 一 切 不 要 自 動 車 用 オルタネータや 大 型 タービン 発 電 機 などの 界 磁 巻 線 形 同 期 モータと 異 なり, 回 転 子 側 巻 線 が 一 切 不 要 2. 低 損 失 - 低 渦 電 流 損 塊 状 鉄 心 ロータを 用 いた 自 動 車 用 オルタネータと 異 なり, 回 転 子 が 積 層 電 磁 鋼 板 で 構 成 されているため, 低 渦 電 流 損 3. 冷 却 容 易 固 定 子 側 に 全 巻 線 = 発 熱 部 が 配 置 されているので, 固 定 子 外 周 ウォータージャケットによる 冷 却 効 率 が 良 い 4. 高 速 回 転 に 好 適 回 転 子 が 電 磁 鋼 板 のみで 構 成 されるので, 構 造 的 に 堅 牢 第 2 回 TECH Biz EXPO 2012 セミナーH24_11_29-16 動 作 原 理 - 巻 線 界 磁 直 流 励 磁 による 発 生 界 磁 磁 束 分 布 W V U U V W W V U U V W 三 相 電 機 子 巻 線 配 置 界 磁 巻 線 配 置
第 2 回 TECH Biz EXPO 2012 セミナーH24_11_29-17 主 な 設 計 目 標 仕 様 項 目 単 位 比 較 基 準 機 開 発 機 ステータ 直 径 mm 264 264 モータコア 積 厚 mm 70 70 エアギャップ 長 mm 0.8 0.8 インバータ 最 大 直 流 母 線 電 圧 V 650 650 インバータ 最 大 電 流 A 360 260 三 相 電 機 子 巻 線 最 大 電 流 密 度 J a A/mm 2 >30 21 界 磁 巻 線 最 大 電 流 密 度 J e A/mm 2-21 最 大 トルク Nm 333 210 リダクションギヤ 比 - 2.478 4 減 速 後 の 車 軸 トルク Nm 825 840 最 大 回 転 数 r/min 12,400 20,000 最 大 出 力 at 5,000-7,000 r/min kw 123 >123 最 大 出 力 密 度 kw/kg 3.5 >3.5 ロータ 許 容 応 力 at 20,000 r/min MPa <300 <300 第 2 回 TECH Biz EXPO 2012 セミナーH24_11_29-18 設 計 結 果 (2 次 元 有 限 要 素 磁 場 解 析 によるシミュレーション 評 価 ) 項 目 単 位 目 標 値 設 計 評 価 値 最 大 トルク Nm 210 210.4 リダクションギヤ 比 - 4 4 減 速 後 の 車 軸 最 大 トルク Nm 840 841.6 最 高 回 転 数 r/min 20,000 20,000 最 大 出 力 at 5,000-7,000 r/min kw 123 131.7 モータ 重 量 (シャフト 含 まず) kg <35 27.3 最 大 出 力 密 度 kw/kg >3.5 4.8 ロータ 最 大 応 力 at 20,000r/min000r/min MPa <300 92.22 モータ 効 率 ( 主 要 動 作 点 ) % >92 >92
第 2 回 TECH Biz EXPO 2012 セミナーH24_11_29-19 試 作 機 諸 元 ( 極 対 数 :10 極 対 ) 三 相 電 機 子 巻 線 界 磁 コイル 各 部 重 量 項 目 巻 線 抵 抗 / 相 R a @20 20.1[mΩ] 測 定 値 d 軸 インダクタンス L d 0.385[mH]( 実 装 時 は 関 数 化 ) q 軸 インダクタンス L q 0.441[mH]( 実 装 時 は 関 数 化 ) 逆 起 電 力 係 数 K f (I f ) 抵 抗 /コイル R f @20 インダクタン L f ステータコア ロータコア 全 銅 線 シャフト 電 流 条 件 に 対 する 関 数 化 1.85[Ω] 56.3[mH] 9.6[kg] 8.0[kg] 2.4[kg] 3.2[kg] 総 重 量 (シャフト 含 ) 23.2[kg] 期 待 出 力 密 度 at 123kW: 5.3[kW/kg] 期 待 トルク 密 度 at 210Nm: 9.1 [Nm/kg] 第 2 回 TECH Biz EXPO 2012 セミナーH24_11_29-20 性 能 評 価 システム 三 相 インバータ (MWMES-111087) P-side Test motor 650V S+ Current sensor R PE-Expert3 S- N-side PWM Position detector θ DSP TMS320C6713-225225 < 三 相 電 機 子 電 流 制 御 システム> シンフォニアテクノロジー 社 製 高 速 大 容 量 ダイナモ 試 験 装 置 最 大 吸 収 トルク 400Nm 最 高 試 験 回 転 数 20,000r/min000r/min 最 大 吸 収 パワー 175kW Test motor <フルスケール 試 作 機 の 性 能 評 価 装 置 > R 200V フルブリッジDCチョッパ (MWINV-5022Aの2アーム 使 用 ) S+ Current sensor S- P-side N-side PWM Test motor PE-Expert3 DSP TMS320C6713-225 < 界 磁 電 流 制 御 システム>
第 2 回 TECH Biz EXPO 2012 セミナーH24_11_29-21 三 相 電 機 子 巻 線 電 流 トルク 特 性 ( 界 磁 電 流 パラメータ) 200 回 転 数 :1,200r/min 最 大 トルク:180Nm < 210.4Nm rque[nm] To 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 5[DCA] 10[DCA] 15[DCA] 20[DCA] 25[DCA] 30[DCA] 35[DCA] 40[DCA] 45[DCA] 50[DCA] 0 50 100 150 200 250 300 350 Armature current[arms] 実 トルク 密 度 : 7.8 [Nm/kg] 第 2 回 TECH Biz EXPO 2012 セミナーH24_11_29-22 < モータ 効 率 特 性 (コイル 占 積 率 補 正 + 鉄 損 補 正 後 )> 240 薄 板 低 鉄 損 電 磁 鋼 板 鉄 損 値 0.8 倍 実 出 力 密 度 at 96.1kW(180Nm-5,100r/min) : > 4.1 [kw/kg] Torq que[nm] 210 180 150 120 90 60 30 0 74.7%(64.1%) 86.0%(79.4%) 88.7%(83.5%) 79.4%(70.0%) 88.4%(82.8%) 90.3%(85.9%) 82.5%(74.0%) 90.0%(85.2%) 91.4%(87.6%) 84.8%(77.3%) 91.2%(86.9%) 91.9%(88.5%) 87.2%(80.5%) 91.8%(88.1%) 92.5%(89.4%) 92.0%(89.2%) 88.9%(82.7%) 91.9%(88.3%) 91.3%(88.1%) 91.2%(88.2%) 89.2%(82.9%) 91.4%(87.8%) 8%) 91.7%(88.7%) 7%) 20Nm 90.2%(87.1%) 0 1500 3000 4500 6000 7500 1200r/min Speed[r/min]
9. 今 後 の 展 望 ( 個 人 的 所 感 ) 第 2 回 TECH Biz EXPO 2012 セミナーH24_11_29-23 高 速 化 による 小 型 軽 量 化 (~20 20,000rpm) 000rpm) - 高 効 率 高 減 速 比 のリダクションギア - 低 摩 擦 損 失 の 高 速 対 応 ベアリング - 高 張 力 電 磁 鋼 板 の 加 工 - 中 大 容 量 インバータのPWM 高 周 波 化 (SiC) 省 脱 レアアース 技 術 - 磁 石 量 を 低 減 するモータ( 省 レアアース) - モータ 設 計 冷 却 技 術 ( 省 Dy 磁 石 ) - 圧 粉 磁 心 材 料 ( 高 機 械 強 度, 低 損 失 ) 第 2 回 TECH Biz EXPO 2012 セミナーH24_11_29-24 10. 産 官 学 での 省 脱 レアアースへの 取 り 組 み 産 官 学 での 省 レアアース 対 策 への 取 り 組 み EX) 経 済 産 業 省 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 H23 年 度 レアアース レアメタル 使 用 量 削 減 利 用 部 品 代 替 支 援 事 業 H24 年 度 次 世 代 自 動 車 向 け 高 効 率 モータ 用 磁 性 材 料 技 術 開 発
国立大学法人 名古屋工業大学 動的な複合運動の 物理学的表現 磁場解析 省レアアースモータ 脱レアアースモータ 試作SiC工具 ワイヤー放電加工で 高精度にトリミングが可能 4インチ径GaN/Si パワーデバイス 実績 233名 実績 148名(79社) 平成23年度修了時点 平成23年度修了時点 大手自動車部品メーカーOBによる指導 アドバイザーによる指導 お問い合せ先 名古屋工業大学 次世代自動車工学教育研究センター 山田裕昭 電話 052-735-5240 email yamada.hiroaki@nitech.ac.jp