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 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 ﾗﾑ技術開発ｾﾐﾅ レアアースレス巻線界磁形 レアア 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 ラック イッチング タ 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 400 販売台数 数（万台） 350 300 年度別 250 累計 200 150 100 50 0 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） （国内 6万台，海外 万台） http://www2.toyota.co.jp/jp/news/12/05/nt12_0514.html 国内メ カ のエコカ 関連技術は，世界的にも優れた水準 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 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 レアアース磁石 レアア ス磁石 NdFeB 固定子アッシ 固定子アッシー 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 ス問題の本質（NEOMAX磁石カタログ） 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 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 Dy Nd 尖閣諸島問題 2010/9 La 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 行抵抗 [[N] 駆動力及び走行 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 広範な速度 トルク運転領域を小形軽量モ タ１台でカバ 10000 ∝モ モータトル ルク 低速大トルク性能 低速大ト ク性能 8000 ・坂道発進 ・路肩乗り上げ 6000 高速高出力 ・高速道巡航 1速 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 インバ タ素子耐圧 2速 モータ設計上 4000 トルク ∝ I B l 3速 B：界磁磁束密度 2000 4速 高トルク化 ＝高界磁磁力化 モータ設計上 電圧 ∝ v B l 5速 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 車速[km/h] 速 高速高出力化 ＝低界磁磁力化 低界磁磁力化 ∝モータ回転数 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 行抵抗 [[N] 駆動力及び走行 広範な多用動作領域をモータ１台で高効率運転カバー 広範な多用動作領域をモ タ１台で高効率運転カバ 10000 ∝モ モータトル ルク 多用動作領域① 8000 低中速軽負荷領域 主損失：銅損 モータ設計上 銅損 ∝ 1/ B2 多用動作領域② 高速軽負荷領域 1速 6000 2速 主損失：鉄損 4000 3速 2000 モータ設計上 鉄損 ∝ B2 4速 5速 低銅損化 ＝高界磁磁力化 高界磁磁力化 低鉄損化 ＝低界磁磁力化 低界磁磁力化 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 車速[km/h] 速 ∝モータ回転数 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 層の高効率化 （イメ ジ図） より一層の高効率化へ（イメージ図） 90 89 90 91 92 93 94 95 96 97 効率[%] 効率 [%] 350 トルク ク[Nm] 300 250 200 150 100 50 0 0 2 4 6 8 回転数[[×1,000rpm] 回転数 1 000 ] 10 12 0 2 4 6 8 回転数[[×1,000rpm] 回転数 1 000 ] 10 12 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 磁力源として，永久磁石を用いると。。。 広範な多用動作領域をモータ１台で高効率運転カバー 広範な多用動作領域をモ タ１台で高効率運転カバ 行抵抗 [[N] 駆動力及び走行 10000 一般に永久磁石は固定磁力源なので，モータ設計上，両立は背反 ∝モ モータトル ルク 多用動作領域① 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 変 考 が 8000 低中速軽負荷領域 多用動作領域② 1速 高速軽負荷領域 6000 主損失：銅損 2速 主損失：鉄損 4000 モータ設計上 3速 2 銅損 ∝ 1/ B 2000 4速 モータ設計上 鉄損 ∝ B2 5速 低銅損化 ＝高界磁磁力化 高界磁磁力化 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 車速[km/h] 速 低鉄損化 ＝低界磁磁力化 低界磁磁力化 ∝モータ回転数 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 脱レアア スモ タ（ 切磁石を使用しないモ タ，可変磁力） 可変磁力） ◎誘導モータ（分布巻のみ） W V U U V ◎スイッチトリラクタンスモータ 課題： 低中速軽負荷 領域効率改善 W 課題：振動＆音 ・高速回転に好適 製造容易 ・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 ◎巻線界磁形同期モ タ（分布巻／集中巻） ◎ｼﾝｸ ﾅｽﾘﾗｸﾀﾝｽ ﾀ（分布巻／集中巻） ◎巻線界磁形同期モータ（分布巻／集中巻） ◎ｼﾝｸﾛﾅｽﾘﾗｸﾀﾝｽﾓｰﾀ（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 第2回TECH Biz EXPO 2012 セミナーH24_11_29－11 ７. 車載用脱 車載用脱ﾚｱｱｰｽﾓｰﾀの開発 ｱｱ ﾀ 開発 IEEE VPPC2010（Vehicle Power and Propulsion Conference） http://vppc2010.univ-lille1.fr/index.php?page=keynotes • K2.2: Electric vehicle p program g of the RENAULT-NISSAN alliance Dr. Jérôme PERRIN, Renault (France). To download the presentation of this Keynote, click here 第2回TECH Biz EXPO 2012 セミナーH24_11_29－12 ７. 車載用脱 車載用脱ﾚｱｱｰｽﾓｰﾀの開発 ｱｱ ﾀ 開発 P 17 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 63kWクラス（中型車種）は、巻線界磁形同期モ 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 スモ 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 ８. 巻線界磁形ﾌﾗｯｸ 巻線界磁形ﾌﾗｯｸｽｽｲｯﾁﾝｸﾞﾓｰﾀの開発 ｲｯﾁﾝｸ ﾀ 開発 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 スレスモ タ制御のためのソフトウ ア実装研究開発 「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 ８. 巻線界磁形ﾌﾗｯｸ 巻線界磁形ﾌﾗｯｸｽｽｲｯﾁﾝｸﾞﾓｰﾀの開発 ｲｯﾁﾝｸ ﾀ 開発 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 60 20mm Gap=0 8mm Gap=0.8mm Field Excitation Coil 194.4mm 264mm 3-Phase Armature Coil 第2回TECH Biz EXPO 2012 セミナーH24_11_29－15 ８. 巻線界磁形ﾌﾗｯｸ 巻線界磁形ﾌﾗｯｸｽｽｲｯﾁﾝｸﾞﾓｰﾀの開発 ｲｯﾁﾝｸ ﾀ 開発 ○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 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 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 ８. 巻線界磁形ﾌﾗｯｸ 巻線界磁形ﾌﾗｯｸｽｽｲｯﾁﾝｸﾞﾓｰﾀの開発 ｲｯﾁﾝｸ ﾀ 開発 ◎動作原理 巻線界磁直流励磁による発生界磁磁束分布 ◎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 ８. 巻線界磁形ﾌﾗｯｸ 巻線界磁形ﾌﾗｯｸｽｽｲｯﾁﾝｸﾞﾓｰﾀの開発 ｲｯﾁﾝｸ ﾀ 開発 ◎主な設計目標仕様 項 目 ステータ直径 モータコア積厚 エアギャップ長 インバータ最大直流母線電圧 インバータ最大電流 三相電機子巻線最大電流密度 Ja 界磁巻線最大電流密度 Je 最大トルク リダクションギヤ比 減速後 車軸ト 減速後の車軸トルク 最大回転数 最大出力 at 5,000-7,000 5,000 7,000 r/min 最大出力密度 ロータ許容応力 at 20,000 r/min 単位 比較基準機 開発機 mm mm mm V A A/mm2 A/mm2 Nm Nm r/min kW kW/kg MPa 264 70 0.8 650 360 >30 333 2.478 825 12,400 123 3.5 <300 264 70 0.8 650 260 21 21 210 4 840 20,000 >123 123 >3.5 <300 第2回TECH Biz EXPO 2012 セミナーH24_11_29－18 ８. 巻線界磁形ﾌﾗｯｸ 巻線界磁形ﾌﾗｯｸｽｽｲｯﾁﾝｸﾞﾓｰﾀの開発 ｲｯﾁﾝｸ ﾀ 開発 ◎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 最 最大トルク リダクションギヤ比 減速後の車軸最大トルク 最高 転数 最高回転数 最大出力 at 5,000-7,000 r/min モ タ重量（ｼｬﾌﾄ含まず） モータ重量（ｼｬﾌﾄ含まず） 最大出力密度 ロータ最大応力 ロ タ最大応力 at 20,000r/min 20 000r/min モータ効率（主要動作点） 単位 Nm Nm r/min kW k kg kW/kg MPa % 目標値 210 4 840 20,000 123 <35 >3.5 <300 >92 設計評価値 210.4 4 841.6 20,000 131.7 27 3 27.3 4.8 92 2 92.2 >92 第2回TECH Biz EXPO 2012 セミナーH24_11_29－19 ８. 巻線界磁形ﾌﾗｯｸ 巻線界磁形ﾌﾗｯｸｽｽｲｯﾁﾝｸﾞﾓｰﾀの開発 ｲｯﾁﾝｸ ﾀ 開発 ◎試作機諸元（極対数：10極対） 項 目 三相電機子巻線 界磁コイル 各部重量 測定値 巻線抵抗/相 Ra@20℃ 20.1[mΩ] d軸インダクタン Ld d軸インダクタンス 0 385[ H]（実装時は関数化） 0.385[mH]（実装時は関数化） q軸インダクタンス Lq 0.441[mH]（実装時は関数化） 逆起電力係数 Kf（If） 電流条件に対する関数化 抵抗/コイル Rf@20℃ 1.85[Ω] インダクタン Lf 56.3[mH] ステータコア 9.6[kg] ロータコア 8.0[kg] 全銅線 2.4[kg] シャフト 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 ８. 巻線界磁形ﾌﾗｯｸ 巻線界磁形ﾌﾗｯｸｽｽｲｯﾁﾝｸﾞﾓｰﾀの開発 ｲｯﾁﾝｸ ﾀ 開発 ■性能評価システム 三相インバータ （MWMES-111087） P-side Test motor S+ 650V Current sensor R PE-Expert3 Position detector PWM M SN-side θ DSP TMS320C6713-225 TMS320C6713 225 ＜三相電機子電流制御システム＞ フルブリッジDCチョッパ （MWINV-5022Aの2アーム使用） P-side Test motor Test R motor ＜フルスケール試作機の性能評価装置＞ S+ 200V Current sensor PE-Expert3 SS PWM シンフォニアテクノロジー社製 ォ ク 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/min 20 000r/min 最大吸収パワー 175kW DSP TMS320C6713-225 N-side ＜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 ８. 巻線界磁形ﾌﾗｯｸ 巻線界磁形ﾌﾗｯｸｽｽｲｯﾁﾝｸﾞﾓｰﾀの開発 ｲｯﾁﾝｸ ﾀ 開発 ◎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 180 5[DCA] 160 10[DCA] Torque[Nm]] 140 15[DCA] 120 20[DCA] 100 25[DCA] 80 35[DCA] 60 40[DCA] 30[DCA] 45[DCA] 40 50[DCA] 20 0 0 50 100 実トルク密度 : 7.8 [Nm/kg] 150 200 250 Armature current[Arms] 300 350 第2回TECH Biz EXPO 2012 セミナーH24_11_29－22 ８. 巻線界磁形ﾌﾗｯｸ 巻線界磁形ﾌﾗｯｸｽｽｲｯﾁﾝｸﾞﾓｰﾀの開発 ｲｯﾁﾝｸ ﾀ 開発 ＜ モータ効率特性（コイル占積率補正+ 鉄損補正後）＞ 薄板低鉄損電磁鋼板 Æ 鉄損値0.8倍 240 実出力密度 at 96.1kW(180Nm-5,100r/min) : > 4.1 [kW/kg] 210 74.7%(64.1%) 86.0%(79.4%) 88.7%(83.5%) Torqque[Nm] 180 79.4%(70.0%) 88.4%(82.8%) 90.3%(85.9%) 150 82.5%(74.0%) 90.0%(85.2%) 91.4%(87.6%) 120 84.8%(77.3%) 91.2%(86.9%) 91.9%(88.5%) 90 60 30 92.0%(89.2%) 88.9%(82.7%) 91.9%(88.3%) 91.3%(88.1%) 91.2%(88.2%) 89.2%(82.9%) 20Nm 90.2%(87.1%) 90 2%(87 1%) 0 0 × 87.2%(80.5%) 91.8%(88.1%) 92.5%(89.4%) 1500 1200r/min 91 4%(87 8%) 91.7%(88.7%) 91.4%(87.8%) 91 7%(88 7%) 3000 4500 Speed[r/min] 6000 7500 第2回TECH Biz EXPO 2012 セミナーH24_11_29－23 ９. 今後 今後の展望（個人的所感） 展望（個人的所感） ○高速化による小型軽量化（ 20,000rpm) ○高速化による小型軽量化（～20 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） 中 大容量 バ タ 高 波化（ ） ○省・脱レアアース技術 磁石量を低減するモ タ（省レアア ス） － 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） 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 産官学での省レアア 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）[email protected]
© Copyright 2024 ExpyDoc
