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

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 http://hdl.handle.net/466/1414 Rights http://repository.osakafu-u.ac.jp/dspace/

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

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 5.4.1 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 5.5.1 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

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 6.3.1 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 6.4.1 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

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

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

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

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

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

. 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

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) 5JN3.5.7 1.67.16 1.67 5JN4.5 3.6 1.71.86 1.71 5JN13.5 5.63 1.78 5.16 1.77 35JNA5.35 4.13 1.73.36 1.7 5JNA3.5 4.3 1.73.63 1.73 5JNA35.5 5.11 1.76 3.17 1.76 (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

Maximum motor efficiency (%) 91 9 89 88 87 86 85 R =.78 :As sheared :After annealing 1 3 4 5 6 7 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) 5JN3.5.8 3.16 7.33 7.74 31.74.68 5JN4.5 3.47 3.75 9.74 33.73 34.83 1.5 5JN13.5 6. 7.44 17.34 67.6 63.88 37.1 35JNA5.35 4.6 4.63. 6.63 7.19 15.5 5JNA3.5 4.77 5.5 11.35 35.39 35.59 1.94 5JNA35.5 5.57 5.7 13.1 43.47 43.31 6.33 (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) 5JN3.5.31.47 6.6 1.67 3.1 15.86 5JN4.5.95.9 7.77 5.96 7.37 18.65 5JN13.5 5.33 6. 15.9 59.8 55.4 35.8 35JNA5.35.9.69 6.84 18.8.3 14. 5JNA3.5 3.7 3.39 8.48 8.33 9.37 19.78 5JNA35.5 3.56 3.65 9.91 34.13 35.3 4.58 (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

Maximum motor efficiency (%) 91 9 89 88 87 86 85 R =.77 :As sheared :After annealing 1 3 4 5 6 7 W15/5 W 15/5 (W/kg) Maximum motor efficiency (%) 91 9 89 88 87 86 85 R =.85 :As sheared :After annealing 3 4 5 6 7 8 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 (%) 91 9 89 88 87 86 85 R =.9 :As sheared :After annealing 5 15 W15/ W 15/ (W/kg) Maximum motor efficiency (%) 91 9 R =.94 89 88 87 86 :As sheared :After annealing 85 3 4 5 6 7 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 =.94 89 88 87 :As sheared 86 :After annealing 85 3 4 5 6 7 W5/1k W 5/1k (W/kg) Maximum motor efficiency (%) 91 9 R =.94 89 88 87 86 :As sheared :After annealing 85 3 4 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

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

91 91 Motor efficiency (%) 9 89 88 87 86 85 R =.75 :As sheared :After annealing 1 3 4 5 6 7 W15/5 W 15/5 (W/kg) Motor efficiency (%) 9 89 88 87 86 85 R =.84 :As sheared :After annealing 3 4 5 6 7 8 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 (%) 91 9 89 88 87 86 85 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 =.95 89 88 87 :As sheared 86 :After annealing 85 3 4 5 6 7 W/4 W /4 (W/kg) (d) 素 材 鉄 損 W /4 の 影 響 Motor efficiency (%) 91 9 R =.95 89 88 87 :As sheared 86 :After annealing 85 3 4 5 6 7 W5/1k W 5/1k (W/kg) (e) 素 材 鉄 損 W 5/1k の 影 響 Motor efficiency (%) 91 9 R =.94 89 88 87 :As sheared 86 :After annealing 85 3 4 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

4 35 Iron loss Copper loss 3 Motor loss (W) 5 15 5 5JN3 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) 5 15 5 5JN3 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

Motor iron loss (W) 35 3 5 15 5 :As sheared :After annealing R =.76 1 3 4 5 6 7 W15/5 W 15/5 (W/kg) Motor iron loss (W) 35 3 5 15 5 :As sheared :After annealing R =.85 3 4 5 6 7 8 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) 35 3 5 15 5 :As sheared :After annealing R =.94 5 15 W15/ W 15/ (W/kg) (c) 素 材 鉄 損 W 15/ の 影 響 Motor iron loss (W) 35 3 5 :As sheared :After annealing 15 R =.96 5 3 4 5 6 7 W/4 W /4 (W/kg) (d) 素 材 鉄 損 W /4 の 影 響 Motor iron loss (W) 35 3 5 :As sheared :After annealing 15 R =.95 5 3 4 5 6 7 W5/1k W 5/1k (W/kg) (e) 素 材 鉄 損 W 5/1k の 影 響 Motor iron loss (W) 35 3 5 :As sheared :After annealing 15 R =.94 5 3 4 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

Copper loss (W) 9 R =.6 8 7 6 :As sheared :After annealing 5 1.6 1.65 1.7 1.75 1.8 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 =.6 89 88 87 86 :As sheared :After annealing 85 1.6 1.65 1.7 1.75 1.8 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) 1.75 1.7 1.65 1.6 R =.58 :As sheared :After annealing 3 4 5 6 7 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

Motor efficiency (%) 91 9 89 88 87 86 85 R =.67 :As sheared :After annealing 1 3 4 5 6 7 W15/5 W 15/5 (W/kg) Motor efficiency (%) 91 9 89 88 87 86 85 R =.78 :As sheared :After annealing 3 4 5 6 7 8 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 (%) 91 9 89 88 87 86 85 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 =.9 89 88 87 86 :As sheared 85 :After annealing 3 4 5 6 7 W/4 W /4 (W/kg) (d) 素 材 鉄 損 W /4 の 影 響 Motor efficiency (%) 91 9 R =.91 89 88 87 86 :As sheared :After annealing 85 3 4 5 6 7 W5/1k W 5/1k (W/kg) (e) 素 材 鉄 損 W 5/1k の 影 響 Motor efficiency (%) 91 9 R =.89 89 88 87 86 :As sheared :After annealing 85 3 4 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

Motor iron loss (W) 35 3 5 15 R =.7 :As sheared :After annealing 1 3 4 5 6 7 W15/5 W 15/5 (W/kg) Motor iron loss (W) 35 3 5 15 R =.81 :As sheared :After annealing 3 4 5 6 7 8 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) 35 3 5 15 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 =.94 3 5 15 :As sheared :After annealing 3 4 5 6 7 W/4 W /4 (W/kg) (d) 素 材 鉄 損 W /4 の 影 響 Motor iron loss (W) 35 3 R =.93 5 15 :As sheared :After annealing 3 4 5 6 7 W5/1k W 5/1k (W/kg) (e) 素 材 鉄 損 W 5/1k の 影 響 Motor iron loss (W) 35 R =.9 3 5 15 :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

Copper loss (W) 18 R =.8 16 14 1 :As sheared :After annealing 1.6 1.65 1.7 1.75 1.8 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

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) 6 4 - -4-6 (a) 電 流 3.5A 条 件 6 4 - -4-6 (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

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 5JN3.5 1.695 6 76 9.9-3.5 7.68-5 5JN4.5.18 6 765.9-3.87 9.6-5 5JN13.5 6.667 6 785 14.3-3.3 19.4-5 5JNA35.5 3.15 6 78 11.6-3 3.3 13.9-5 Motor iron loss (W) 35 Measured 3 Calculated 5 R =.98 15 5 3 4 5 6 7 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 =.99 5 4 3 :As sheared :After annealing 3 4 5 6 7 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

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 =.96 89 88 87 86 :As sheared :After annealing 85 3 4 5 6 7 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 =.97 5 15 :As sheared :After annealing 5 3 4 5 6 7 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

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

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) 35JNP5.35.5. 1.75 35JNP7.35. 17. 1.7 5JNP5.5 3. 3. 1.75 5JNP7.5.6 6. 1.71 (Tests were conducted by using Epstein samples [L+C] as sheared.) B5 B (T) 1.76 1.74 1.7 1.7 5JNP Series 35JNP Series 5JNE Series 35JNE 1.68 Series 5JN Series 1.66 35JN Series 1.64 1.5..5 3. 3.5 4. 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

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

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) 5JNP5.5.93 1.76 5JNP7.5.6 1.71 5JNE3.5.7 1.7 (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

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

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 1 3 4 Torque (Nm) 1 3 4 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 5JNP7 1. 1. 1.4 1.6 1.8. 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 5JNP7 1 1. 1.4 1.6 1.8 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

Magnetic flux density(t). 1.8 1.6 1.4 1. 1..8.6.4.. 5JNP5 5JNE3 Magnetic field strength (A/m) 図 3.7 5JNP5 と 5JNE3 の B-H 曲 線 の 比 較 15 15 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

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

Increase in motor efficiency (%) 1 Operating flux density: 1.65 T Torque:3 Nm 5JNP5 5JNP7 4 6 8 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 (%) 8 6 4 Copper loss Iron loss 4 6 8 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

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

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

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

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) JNEH1..8 11.1 1.675 35JNE3.35.1 16. 1.69 35JNE5.35.3 19.5 1.76 35JNE3.35.61.3 1.7 35JN5.35. 17.4 1.661 35JN36.35.69 19.4 1.7 5JNE3.5.63 6.9 1.76 5JNE35.5 3.3 31.6 1.77 5JN13.5 6.49 65.9 1.761 (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 -4-6 -165-1 -45 1 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

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 (%) 95 9 85 8 75 JNEH1 35JNE3 5JNE35 5JN13 7 1. 1.5..5 3. 3.5 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

Motor efficiency (%) 88 R =.88 86 84 8 8 78 4 6 8 W15/5 W (W/kg) 15/5 (W/kg) (a) 素 材 鉄 損 W 15/5 の 影 響 Motor efficiency (%) 88 R =.96 86 84 8 8 78 4 6 8 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) 8 6 4 R =.91 4 6 8 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 =.97 8 6 4 4 6 8 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) 1 11 9 8 R =.1 7 1.6 1.65 1.7 1.75 1.8 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

Motor efficiency (%) 84 8 8 78 76 R =.86 Motor efficiency (%) 84 8 8 78 76 R =.91 74 4 6 8 W15/5 (W/kg) W 15/5 (W/kg) 74 4 6 8 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) 1 8 6 4 R =.9 Motor iron loss (W) 1 8 6 4 R =.96 4 6 8 W15/5 (W/kg) W 15/5 (W/kg) 4 6 8 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) 19 18 17 16 R =. 15 1.6 1.65 1.7 1.75 1.8 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

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 (%) 9 88 86 84 8 R =.95 Motor efficiency (%) 9 88 86 84 8 R =.99 8 4 6 8 W15/5 W 15/5 (W/kg) 8 4 6 8 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) 3 9 8 7 R =.41 4 6 8 W/4 W /4 (W/kg) (a) モータ 鉄 損 に 及 ぼす W /4 の 影 響 6 1.6 1.65 1.7 1.75 1.8 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

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

5-1 + 6 - - 3 4 + + 3 - - 5 + + 1-6 + 4 Current (A) Current (A) Current (A) 8 6 4 1 -.5.1.15. -4-6 6-8 Time (s) 8 6 4 -.5.1.15. -4-6 -8 8 6-4 -6-8 4 3 Time (s) 4 -.5.1.15. 5 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 JNEH1. 1.818 6 765 1.36 -.8 6.8-5 35JNE3.35.439 6 77 1.71-1.88 7.1-5 5JNE35.5.439 6 77 1.67-1.87.8-5 5JN13.5 6.5 6 785 3.9-1.73 8.5-5 W (W/kg) 3 5 15 Measured value 4 Hz Calculated value Hz 5 Hz 5 Hz..5 1. 1.5. B (T) (a) JNEH1 8 Measured value 4 Hz 6 Calculated value W (W/kg) 4 Hz Hz 5 Hz..5 1. 1.5. 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

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

Br [T] Bθ [T] 1.6 1.4 1. 1.8.6.4. -..4.45.5.55.6 Time [s].8.6.4. (a) r 方 向 -. -.4.4.45.5.55.6 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]. -. -.4 -.6 -.8 -.1.4.45.5.55.6 Time [s] (a) r 方 向 Bθ [T] 1.5 1.5 -.5-1 -1.5.4.45.5.55.6 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

Br [T].1.8.4 -.4 -.8 -.1.4.45.5.55.6 Time [s] (a) r 方 向 Bθ [T] 1. 1.8.6.4..4.45.5.55.6 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]..1 -.1 -. -.3.4.45.5.55.6 Time [s] 1.5 (a) r 方 向 -.5-1.4.45.5.55.6 Time [s] (b) θ 方 向 Br [T] 1.5 1.5 -.5-1 -1.5.4.45.5.55.6 Time [s] (c) r 方 向 Bθ [T].6.4. -. -.4 -.6.4.45.5.55.6 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

(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) 5 4 3 Measured Calculated 4 6 8 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

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

3 Motor iron loss (W) 5 15 5 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) 35 3 5 15 5 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

(a) JNEH1 (c) 5JNE35 (b) 35JNE3 (d) 5JN13 (W/kg) 19 18 17 16 15 14 13 1 1 9 8 7 6 5 4 3 図 4.1 素 材 別 の 鉄 損 分 布 の 比 較 ( 計 算 値 :W/kg 単 位 ) 46

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 = 1. 4 6 8 W W15/5 (W/kg) 15/5 (W/kg) 4 6 8 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

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