本 論 文 で は 、 表 面 磁 石 型 同 期 モ ー タ (SPMSM：Surface Permanent Magnet Synchronous
Motor)、スイッチトリラクタンスモータ(SRM)、および分割コアタイプの埋込磁石型同期
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した。また、新規高磁束密度材(無方向性電磁鋼板 JNP シリ
ーズ)を用いて、3 相誘導モータでの評価を行い、新規材料の効果および利点を検証した。
さ ら に 、 ハ イ ブ リ ッ ド 車(HEV)用 モ ー タ と し て 、22 極 24 ス ロ ッ ト 永 久 磁 石 同 期 モ ー タ
(PMSM)と 24 極36 スロット PMSMの損失解析を行い、両者の比較、検討を行った。内容
を以下にまとめる。
第2章では、希土類磁石を用いた8極12 スロットSPMSM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した。基本周波数が約 100Hz程度であっても、そのモータ効 率とモータ鉄損は、従来の素材鉄損指標である磁束密度 1.5T、周波数 50Hz 時の素材鉄損
W15/50ではなく、磁束密度1.0T、周波数 400Hz時の素材鉄損W10/400と非常に良い相関を示
した。高トルク時には、素材磁束密度 B50が高いほどモータ銅損は小さい傾向を示したが、
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 B50の影響 はほとんど認められなかった。
また、ステータのティース部での磁束微分波形には、巻線電流の位相切替え時の影響と 考えられるパルス状の高調波成分が強く重畳していた。SPMSM の効率とモータ鉄損が高 周波素材鉄損 W10/400と非常に相関が良かった理由は、基本波が正弦波でないことに加え、
測定されたパルス状高調波成分の影響も考えられることを、有限要素法による磁界解析と モータ鉄損計算結果から示した。
第 3 章では、新規高磁束密度材(JNP シリーズ)を用いた 3 相誘導モータでの評価結果か ら、新規開発材は、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 (50JNE300)に比べて顕著なモータ効率向上が期待できることを示した。したがって、JNP シリーズ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。また、新規開発材には、比較的低 Si量の JNP5、および高 Si低鉄損材のJNP7 の 2素材があるが、モータ銅損比率が約 80%以上の場合、JNP5の方が 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高磁束密度材の選択
第 4章では、ステータ 6極、ロータ 4極の基本的な 3相 6/4型SRMの特性に及ぼす無方 向性電磁鋼板の磁気特性の影響を検討した。SRMでは、誘導モータに類似してモータ損失 に占め る銅 損比率 が比 較的高 いが 、モー タ効 率には モー タ鉄損 を介 した素材 鉄 損 W10/400
の影響が支配的であり、第 2章で検討したSPMSMの場合と類似の結果を得た。
トルクが高くなるにしたがい、電磁鋼板の磁束密度 B50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 W10/400と非常に良い相関を示した。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、高調波成分を非常に多く含むためである。
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方法を提案し、渦電流損比率
が高い 0.50mm厚材だけでなく、ヒステリシス損比率が高い0.20、0.35mm厚材でもモータ
鉄損計算値が、実測値と比較的よく一致する結果を得た。
第 5 章では、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を、
鋼板の圧延方向とその直角方向別に検討した。本検討に用いた分割コア IPMSM の場合、
モータ特性に及ぼす磁気特性の影響は、ステータのティース径方向の方がヨーク周方向よ り大きいため、ティース径方向が電磁鋼板素材の圧延方向と一致するように材料を用いる のがよく、そ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 W15/50ではなく、
高周波素材鉄損 W10/400と非常に良い相関を示した。
また、モータ鉄損の計算値と実測値の乖離の主因と考えられる打ち抜き時の磁気特性劣 化の影響を考慮した計算を行い、磁界解析を用いたモータ鉄損計算を精度良く行うために は、実際のモータ形状にほぼ等しい、すなわち、ステータのティース幅やヨーク幅等にほ ぼ等しい試料幅で測定した素材鉄損値とB-H曲線データの適用が必要であることを明らか にした。さらに、板厚の薄い電磁鋼板の方が、打ち抜き・せん断加工時の鉄損劣化は小さ いことを示した。
第 6 章では、同一電流で同一トルクを発生可能という条件で設計した HEV 用アシスト モータである 22 極 24 スロットのモジュラー型および 24 極 36 スロットの従来型 SPMSM を対象に、ロータの磁石部渦電流損の解析モデルを提案し、有限要素法による計算値(FE 計算値)との比較を行った。解析モデルによる予測値は、モジュラー型では負荷時の場合も FE計算値とよく一致したが、従来型ではその違いが大きかった。その理由は、従来型では 渦電流損全体のなかでステータの開口スロット起因による渦電流損の比率が大きく、その
影響は提示した解析モデルでは考慮していないからである。また、モジュラー型ではステ ータ起磁力に多数の低次高調波成分が存在するため、非常に大きい渦電流損が発生するが、
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ことを示した。
さらに、表面磁石型と埋込磁石型の違いも含めて、同一電流で同一トルクを発生可能と いう条件でモジュラー型と従来型モータの設計を行い、高速回転時(6000min-1)のステータ 無負荷鉄損の解析を行った。従来型では、IPMSM にすることで若干の鉄損低減が可能であ るが、磁束分布中の高調波成分が多くなるために、大幅な鉄損低減は図れなかった。一方、
モジュラー型では、特有の巻線配置のために IPMSM にしてもリラクタンストルクが得ら れにくく、IPMSM化による鉄損低減は図れないことを示した。従来型とモジュラー型を比 べた場合、モジュラー型の方が磁束分布中の高調波成分は多いものの、極数が少なく駆動 周波数が低いために全鉄損は低くなることを明らかにした。また、ステータに用いる電磁 鋼板の板厚を 0.35mmから0.20mmにすることで、鉄損はほぼ半減することを示した。
本論文では、誘導モータの場合と異なり、PMSM と SRM では、鉄心材料選択時の指標 として、従来の素材鉄損指標であるW15/50よりも高周波素材鉄損W10/400の方が良いことを 明らかにし、その妥当性を有限要素法による磁界解析およびモータ鉄損計算結果からも示 した。これらの成果により、現在、W10/400は無方向性電磁鋼板の鉄損指標として一般的に 使われつつある。
また、磁界解析にもとづくモータ鉄損計算値の精度向上には、実モータ形状に即した電 磁鋼板の B-H曲線や鉄損値を用いることが重要であることを明らかにした。ティース幅や ヨーク幅がエプスタイン試験片幅(30mm)より狭くて、打ち抜きままで鋼板を使用する場合、
一般的なエプスタイン試験片での磁気特性を用いるとモータ鉄損は過小評価になりえる。
しかし、実モータ形状に即した素材の磁気特性は、通常、容易には得難いため、簡便な推 定法の検討と提案が、今後、望まれると考える。さらに、鉄損計算精度には、実験的な経 験則に基づいている任意波形下でのヒステリシス損推定法の影響も大きい。この観点での 更なる検討も今後、必要かつその進展が期待される。
モータの高性能化のために、今後もその鉄心素材である電磁鋼板には更なる高性能化が 要求されると考える。それらの要望に応じた新材料の開発とともに、電磁鋼板の性能を充 分に発揮させるには、モータの駆動条件に適した材料を選択すること、また、モータ製造 工程に付随する加工や組み立て時の特性劣化を考慮し、かつその劣化量を小さくすること
参考文献
(1) 武 田 洋 次 ・ 松 井 信 行 ・ 森 本 茂 雄 ・ 本 田 幸 夫 ：「 埋 込 磁 石 同 期 モ ー タ の 設 計 と 制 御 」, オーム社 (2001)
(2) 森本雅之：「入門モーター工学」, 森北出版 (2013) (3) 日本工業規格JIS C 2552
(4) A. Honda, B. Fukuda, I. Ohyama and Y. Mine, "Effects of magnetic properties of nonoriented electrical steel sheets on motor efficiency,” Journal of Material Engineering, Vol. 12, No. 1, pp. 41-45 (1990)
(5) A. Honda, M. Kawano, M. Ishida, K. Sato and M. Komatsubara, "Efficiency of model induction motor using various non-oriented electrical steels,” Journal of Materials Science &
Technology, Vol. 16, No. 2, pp. 238-243 (2000)
(6) 石田昌義・志賀信勇・河野正樹・本田厚人・小松原道郎・大山勇：「高効率用無方向 性電磁鋼板のモータ特性評価」, 日本AEM学会誌, Vol. 7, No. 3, pp. 248-254 (1999) (7) S. W. Kwon, J. J. Lee, B. H. Lee, J. H. Kim, K. H. Ha, and J. P. Hong, “Loss distribution of
three-phase induction motor and BLDC motor according to core materials and operating,”
IEEE Transactions on Magnetics, Vol. 45, No. 10, pp. 4740-4743 (2009)
(8) K. E. Blazek and C. Riviello, "New magnetic parameters to characterize cold-rolled motor lamination steels and predict motor performance," IEEE Transactions on Magnetics, Vol. 40, No. 4, pp. 1833-1838 (2004)
(9) 澤畑隆夫・宮川雅晴・伊藤浩・守本康司・嶋崎哲夫：「ブラシレスモータの損失分析」, National Technical Report, Vol. 33, No. 5, pp. 617-625 (1987)
(10) 見城尚志：「SRモータ」, 日刊工業新聞社 (2012)
(11) 小川博久・福田健児：「CIVIC Hybrid用モータの開発」, Honda R&D Technical Review, Vol.
14, No. 2, pp. 25-30 (2002)
(12) 石上孝・北村正司・眞田一志：「EPS用モータのステータコア構造と巻線工法の考察」,
電気学会論文誌D, Vol. 128, No. 12, pp. 1411-1417 (2008)
(13) H. Toda, K. Senda, and M. Ishida, “Effect of material properties on motor iron loss in PM brushless dc motor,” IEEE Transactions on Magnetics, Vol. 41, No. 10, pp. 3937-3939 (2005) (14) H. Toda, K. Senda, S. Morimoto, and T. Hiratani, “Influence of various non-oriented electrical
steels on motor efficiency and iron loss in switched reluctance motor,” IEEE Transactions on Magnetics, Vol. 49, No. 7, pp. 3850-3853 (2013)
(15) H. Toda, M. Namikawa, N. Shiga, Y. Zaizen, Y. Oda, and S. Motomoto, “Effect of anisotropic magnetic properties in electrical steel sheets on IPMSM characteristics with segmented core,”
Proceedings of 21st Soft Magnetic Materials Conference (SMM21), C2-11, Budapest, Hungary, (2013)
(16) H. Toda, Y. Zaizen, M. Namikawa, N. Shiga, Y. Oda, and S. Motomoto, “Iron loss deterioration by shearing process in non-oriented electrical steel with different thicknesses and its influence on estimation of motor iron loss,” IEEJ Journal of Industry Applications, Vol.
3, No. 1, pp. 55-61 (2014)
(17) 戸田広朗・尾田善彦・河野雅昭・石田昌義・松岡才二：「新規・高効率モータ用無方向 性電磁鋼板JNPシリーズの開発」, 日本金属学会会報まてりあ, Vol. 50, No. 1, pp. 33-35 (2011)
(18) H. Toda, Y. Oda, M. Kohno, M. Ishida, and Y. Zaizen, “A new high flux density non-oriented electrical steel sheet and its motor performance,” IEEE Transactions on Magnetics, Vol. 48, No. 11, pp. 3060-3063 (2012)
(19) H. Toda, Z. P. Xia, J. Wang, and D. Howe, “Iron loss in different permanent magnet brushless machine topologies,” Proceedings of 18th International Workshop on High Performance Magnets and their Applications, pp. 385-391, Annecy, France (2004)
(20) H. Toda, Z. Xia, J. Wang, K. Atallah, and D. Howe, “Rotor eddy-current loss in permanent magnet brushless machines,” IEEE Transactions on Magnetics, Vol. 40, No. 4, pp. 2104-2106 (2004)
(21) T. J. E. Miller, “Switched Reluctance Motors and their Control,” Magna Physics Publications (1993)
(22) 百目鬼英雄：「高効率モータ技術」, 日刊工業新聞社 (2001)
(23) 堀洋一・寺谷達夫・正木良三編：「自動車用モータ技術」, 日刊工業新聞社 (2003)
(24) 高島稔・篠原雅典・本田厚人・岡村進・森戸延行：「高効率モータ用無方向性電磁鋼板
50RMA350の開発」, 日本金属学会会報まてりあ, Vol. 36, No. 4, pp. 385-387 (1997) (25) G. Bertotti, “General properties of power losses in soft ferromagnetic materials,” IEEE
Transactions on Magnetics, Vol. 24, No. 1, pp. 621-630 (1988)
(26) F. Fiorillo and A. Novikov, “An improved approach to power losses in magnetic laminations under non-sinusoidal induction waveform,” IEEE Transactions on Magnetics, Vol. 26, No. 5, pp. 2904-2910 (1990)
(27) K. Atallah, Z. Q. Zhu, and D. Howe, “An improved method for predicting iron losses in brushless permanent magnet dc drives,” IEEE Transactions on Magnetics, Vol. 28, No. 5, pp.
2997-2999 (1992)
(28) K. Atallah and D. Howe, “The calculation of iron losses in brushless permanent magnet dc motors,” Journal of Magnetism and Magnetic Materials, Vol. 133, pp. 578-582 (1994)
(29) 畑下潔：「三相誘導電動機のトップランナー基準について」, 第33 回モータ技術シンポ
ジウム, C3-1 (2013)
(30) 小俣剛：「産業用誘導電動機の高効率化動向」, 第33 回モータ技術シンポジウム, C3-2
(2013)
(31) 日本工業規格 JIS C 4210
(32) 鈴木隆博・齋藤和弘・渡辺忠昭・郭海蛟・一ノ倉理・菊池新喜：「スイッチトリラクタ
ンスモータの電気自動車への応用に関する検討」, 日本応用磁気学会誌, Vol. 25, No. 4-2, pp1211-1214 (2001)
(33) 千葉明：「スイッチドリラクタンスドライブの設計手法と実用化の例」, 日本応用磁気
学会誌, Vol. 26, No. 8, pp. 909-914 (2002)
(34) 鈴木貴紀・伊藤慎也・田中直輝・千葉明・深尾正・二宮弘憲：「高効率スイッチトリラ