新技術説明会　様式例

レアアースを用いない新構造の50kWハイブリッド

自動車用フェライト磁石モータの開発

北海道大学 大学院 情報科学研究科

教授

小笠原 悟司

准教授

竹本 真紹

2010年9月29日（金）

研究背景

z小型化

z高出力化

z高効率化 etc.

HEV駆動用モータ

性能向上の要求

永久磁石

同期モータ

希土類磁石

永久磁石同期モータの性能向上に

大きく貢献

高性能永久磁石

原材料にレアアース（希土類元素）を使用

ハイブリッド自動車の駆動

システムにおいて重要な役割

ネオジウムやジスプロシウム

な ど の レ ア ア ー ス は ， 世 界

シェアの90%以上を中国に依

存するという偏在性をもつ

世界最大

シェア

中国

偏在性に起因する不安要素

現在上昇傾向にある価格のさらなる上昇や

輸出規制の強化などレアアース安定供給へ

の不安

環境への関心

の高まり

ハイブリッド化の促進

レアアース需要

拡大

研究背景

原材料にレアアースを使用

ネオジウムやジスプロシウム

な ど の レ ア ア ー ス は ， 世 界

シェアの90%以上を中国に依

存するという偏在性をもつ

世界最大

シェア

中国

偏在性に起因する不安要素

現在上昇傾向にある価格のさらなる上

昇や輸出規制の強化などレアアース安

定供給への不安

環境への関心

の高まり

ハイブリッド化の促進

レアアース需要

拡大

研究背景

原材料にレアアースを使用

NEDO 「次世代自動車用高性能蓄電

システム技術開発」の一環として

実車サイズの

脱レアアースモータ

の

研究・開発

本研究最終目的

フェライト磁石を使用

トルク低下

不可逆減磁

従来のロータバックヨークありアキシャルギャップモータ

回転子の偏心に伴う軸方向の

不平衡な磁気吸引力

アキシャルギャップ型

＋

セグメント構造

スロット数の最適化

セグメント構造

＋

セグメント構造

課題

対策

課題

対策

新たに提案するモータのコンセプト

ベアリングの劣化や機械損の増加の原因

希土類磁石に比べエネルギー積が約

_{1/10に低下}

新たに提案するモータ形状

モータ構造

インターナルロータ・エクスターナル

ステータ型

（ギャップ長

1 mm）

フェライト磁石

回転子構造

回転子にセグメント構造を採用したフェライト磁石アキシャルギャップ

モータ

フェライト磁石と圧粉鉄心が非磁性のス

テンレス鋼に交互に組み込まれる形と

なり，磁石と鉄心がそれぞれセグメント

を形成している。

圧粉鉄心

S

N

d 軸

q 軸

回転子

セグメント構造

セグメント構造を持つロータ形状

磁石自身を磁気障壁として活用

ロータバックヨークを無くし，

回転子をセグメント化する。

フェライト磁石

圧粉鉄心

従来構造

・磁石厚が薄く，加えて，磁石部分に弱め

磁束が通過しやすいので，減磁しやすい

・突極比が小さく，リラクタンストルクの

活用が難しい

・回転子が軸方向に偏心した場合，

ロータバックヨークがあるため，不平衡な

電磁力が発生しやすい。

提案する新構造

・

磁石厚を厚くでき

，加えて，磁石部分に

弱め

磁束が通過し難いので，減磁しにくい

・突極比が大きく，

リラクタンストルクを

活用できる。

・回転子が軸方向に偏心した場合でも，

ロータバックヨークが無いため，不平衡な

電磁力の発生を従来型に比べ抑制できる。

新構造の特徴・従来構造との比較

ロータバックヨーク

トルク・減磁・構造等の解析結果より，比較的良い結果が得られたため，

解析モデルに基づいて，

_{50kWサイズの}

試作機を設計・製作。

製作中の試作機

完成した試作機

試作機

固定子外径

＝

_{269 mm}

軸長

_156mm

試作機の寸法

希土類磁石を用いた

市販

_{HEV用50 kW IPMモータ}

と同体積（

_{8.81 L）}

実車サイズの試作機の製作

50 kW，１万r/min までの実負荷試験を実施できる

実負荷試験装置を製作

電気関係装置

機械関係装置

試作機を設置

高速誘導発電機

トルクメータ

試作機用インバータ

高速誘導発電機用インバータ

50kW実負荷試験装置の製作

¾電流位相角β: 0～40[deg]

¾回転数:300[rpm]

各電流位相角に対するトルクの推移を測定(ビルトインモータとして，

ベアリングによる損失は除外）

トルク

[Nm]

電流位相角

_[deg]

実験

：

22.0 A/mm

実験：

17.6 A/mm

実験：

13.2 A/mm

実験：

8.8 A/mm

実験：

_{4.4 A/mm}

実験：

_{301.1 Nm}

→ 34.2 Nm/Lを出力

希土類磁石に比べエネルギー積が約1/10のフェライト磁石を用いたレアアースフリー

モータにもかかわらず，希土類磁石を用いた市販HEV用50 kW IPMモータと

同体積で75.3%のトルクである301.1 Nm（34.2 Nm/L）を達成

実負荷試験（トルク特性の計測）

トルク

[Nm]

効率コンター

[%]

最高効率点

（13.2 Nm,

92.5%

）

軸出力 51.5 kWを達成

300～1700 rpm（基底速度）までの定トルク領域における効率マップを測定

(ビルトインモータとして，ベアリングによる損失は除外）

基底速度1700 rpmにおいて，希土類磁石を用いた市販HEV用IPMモータと同サイズ

で同等の

軸出力51.5 kW

を達成。今後，基底速度以上の速度領域である定出力領域

の試験も継続して行い，モータ全体の特性を明らかにする予定である。

実負荷試験（効率マップの計測）

表：試作機の実負荷試験結果

*注1：北海道大学における実測値

*注2：密度は上記体積の値を用いて算出

達成度

・市販

_{HEV用希土類磁石モータと}

同等の最大出力密度を達成

。

実負荷試験結果の比較

想定される用途や

_{PRポイント}

想定される用途

・ハイブリッド自動車

・電気自動車

・電動バイク

用駆動モータ

PRポイント

・レアアースを用いていないため，価格競争

力・安定供給などの面において優れている。

・希土類磁石モータで問題となっている高温

環境下での磁石の不可逆減磁の問題が

フェライト磁石では発生しない。

•

発明の名称 ：アキシャルギャップモータ

•

出願番号

：特願2009-239688

•

出願人

：国立大学法人 北海道大学

•

発明者

：竹本 真紹，小笠原 悟司

本技術に関する知的財産権

新たに提案する「ロータセグメント形アキシャルギャップモータ」の構造を

特許として出願中

This research has been conducted as a part of the

Li-EAD project titled as “Development of

High-performance Battery System for Next-generation

Vehicles / Elemental technology development / Rare

earth material free motor development/ high speed

switched reluctance motor and 3 dimensional motor/”,

supported by New Energy and Industrial Technology

Development Organization (NEDO) in Japan.