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 2.PC-BDC 3.PC-IMD 4.PC-DCM 5.PC-SREL 6.PC-SLD 7.PC-WFC 8.PC-LPM 9.PC-AXM Switched reluctance motor Brushless DC motor Induction motor DC commutator motor Synchronous reluctance motor Solenoid Wound field commutator motor Linear permanent magnet motor 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） Id = 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 Alnico NdFeB Sm-Co NdFeB-bond Ferrite 8 • Mechanical （Ball Bearing） Loss [W] 【Measure】 実力把握（既存製品を参考） • 粘性 • 摩擦 （流体潤滑） Iron Loss Mechanical Loss N [r/min] • • • • • 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 Wmb W = a_mb + b_mb × rpmc_mb • 摩擦損 Wwf W = WF0 × (RPM0)NWFT+1 RPM 【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 = ？ % • 理想 【正味占有率】 SFn = • 実力 2 𝑇𝐶×𝐷2 𝐴𝑠𝑙𝑜𝑡𝐿𝐿 = 2 𝑇𝐶×(𝑊𝑖𝑟𝑒𝐷𝑖𝑎+2×𝐼𝑛𝑠𝑇ℎ𝑖𝑐𝑘)2 𝐴𝑠𝑙𝑜𝑡𝐿𝐿 【銅占有率】 SFg = 2 𝑇𝐶× 𝜋𝑟 2 𝐴𝑠𝑙𝑜𝑡 • • • • • • = 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〕 〔Adjustment Example〕 ① カシメ ② プレス歪 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 Poles 3 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 ● ● （数十～数百Wクラス） Slots 9 6 12 15 18 ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● 【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 【10pole 12slots】 Main Parameter I. Tooth width （Parameter①） 𝐵𝑎𝑐𝑘 𝑌𝑜𝑘𝑒 𝑡𝑜𝑜𝑡ℎ 𝑤𝑖𝑑𝑡ℎ Back Yoke = Const. （ by “Slot Combination” ） Tooth Width II. Diameter Ratio （Parameter ②） Diameter Ratio = 𝐼𝑛𝑛𝑒𝑟 φ𝐷 𝑂𝑢𝑡𝑒𝑟 φ𝐷 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 • Efficiency （ ② Diameter Ratio – ① Tooth width） ① Tooth width [mm] 【10pole 12slots】 単峰性問題 Maximum efficiency point ② Diameter Ratio 16 • Design Result （ Maximum Efficiency ） 9Slots 12Slots 6Slots 4Poles 6Slots 9Slots 12Slots 6Poles 8Poles 10Poles 12Poles 14Poles • SPEED Result 【検討】 【比較】 効率 1. 効率 効率 発熱・寿命・小型 2. バックヨーク厚み バックヨーク 厚み コスト バック コスト バックヨーク ヨーク厚 厚み み 強度、振動、磁気漏れ 3. ステータ全長 小型化（コイルエンド含む） 4. コギング 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 コギング コギング 低速制御、振動・騒音 5. トルクリップル 制御性、振動・騒音 6. ③ 多極化難 検討から外すGroup ※ “効率” ＆ “コギング”を重視した場合 対称性 振動・騒音 リラクタンストルク 7. ① 対称性悪い ② 無効磁束多い コスト 巻線、マグネット 重 設計意図を明確に！ FEM＆試作 （要確認） 18 • FEM 【詳細検討（12ｐ９ｓ）】 〔有効磁束（Slot Tip-arc）〕 ※ 無効磁束多い ＢＥＭＦ 高調波歪率 Magnetic flux density コギング 鉄損 〔コギング〕 4. Thermal Simulation model 【Model】 Loss Parts Copper ⇒ Conductor Iron ⇒ Stator Mechanical ⇒ Bearing 巻線 ステータ 軸受 軸受 シャフト 20 • Thermal Circuit Analysis （Natural Convection Cooling） 【 Result （SPEED Hot10）】 Conductor 〔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） Stator ※Parameter=AirLiner スロットライナ周りの空気層の厚さ（0.01mm） 21 • Thermal CFD Analysis （Natural Convection Cooling） 【 Result （ STAR CCM+ ）】 〔Summary〕 Result （Steady-state temperature） CAE STAR CCM+ SPEED 熱流束ベクトル 温度分布 Measure 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 側面 モーター内部 （3,000r/min） 正面 ※ Parameter = 接触熱抵抗（コイル& 絶縁材）[K-m2/W] 〔メリット〕 • 温度分布 • 対策検討（形状、材料、接触） • 強制対流 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 CFD thermal（STAR CCM+） 有効性を実感！ Circuit Mechanical Electromagnetic ※ FEM フィードバック 「詳細検討」&「メカニズム解明」etc. 〔要望〕 最適化ツールとの直接連携 23
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