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コアレス回転子構造を用いたアキシャルギャップモータの高効率化に関する研究
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| Title: | コアレス回転子構造を用いたアキシャルギャップモータの高効率化に関する研究 |
| Other Titles: | Investigation of Enhancing Efficiency of Axial Gap Motor Employing Coreless Rotor Structure |
| Authors: | 綱田, 錬 Browse this author |
| Keywords: | 永久磁石同期モータ | | アキシャルギャップモータ | | ネオジムボンド磁石 | | コアレス 回転子構造 | | 高効率化 | | 高速重負荷領域 | | 圧粉磁心(SMC) | | Permanent magnet synchronous motor | | Axial gap motor | | Nd bonded PM | | Coreless rotor structure | | Enhancing efficiency | | High-speed and high-torque region | | Soft magnetic composite (SMC) |
| Issue Date: | 25-Mar-2021 |
| Publisher: | Hokkaido University |
| Abstract: | 我が国において家庭用や産業用に使用されているモータは約1 億台あると言われており，それらの電力消費量は，全体の約55%を占めている。したがって，モータのエネルギー効率を向上させることができれば，高い省エネルギー効果を見込めるため，高効率特性を有するモータが強く求められている。また，上記のモータの電力消費の中でも産業用途のモータが占める割合が高く，より高効率化が重要であることが考えられる。その一方で，システムの小型化も重要であり，モータを組み込むシステムによっては，システムの小型化のために扁平な形状を有するモータが望まれる場合もある。これまでの技術の進歩によって，近年は高効率のみならず，扁平な形状を有するといった付加価値の高いモータが求められるようになっている。そこで，本研究では，産業用途のモータにおいて，扁平形状かつ高効率を有するモータの実現を目的としている。また，モータ本体の小型化も実現するため，ターゲットとする運転領域は小型化に有効である高速回転領域としている。
現状，一般的に使用されているモータの多くはエアギャップが径方向に存在するラジアルギャップモータと呼ばれる構造である。しかし，ラジアルギャップモータは本研究でターゲットとしている扁平形状においては，構造上，高いトルク及び効率を実現することが難しい。そこで本研究では，扁平形状において高いトルクを実現しやすいアキシャルギャップモータの採用を検討している。アキシャルギャップモータは回転軸方向にエアギャップが存在し，扁平形状でも高いトルクを実現できる。これまでに我が国を含め世界中の研究・開発機関によって検討されてきた従来のアキシャルギャップモータは一般的にネオジム焼結磁石を採用している。ネオジム焼結磁石は残留磁束密度が高いため，トルク密度を高くすることに有効である。しかし一方で，電気伝導率が高いため，ターゲットの高速回転領域では磁石内で渦電流損が大きくなり，効率が非常に悪いモータとなっていた。また，従来構造は回転子の磁気抵抗を小さくするために，回転子コアとして磁性材を用いていたが，高速回転領域ではそこで発生する渦電流損も効率低下の一因となっていた。
そこで本研究では，まずコアレス回転子を採用することによって，より回転子構造を簡単にしつつ，回転子コアでの渦電流損の抑制を検討した。加えて，電気伝導率の低いネオジムボンド磁石を採用することで，アキシャルギャップモータにおいて高速領域において高効率化することを検討した。本研究においては，提案モータの有効性を3 次元の電磁場解析及び試作機による実験の双方で明らかにしている。
また，提案モータの今後の更なる高効率化のために，固定子コアに用いる圧粉磁心(SMC)の適
切な開発方針に関しても検討を行った。 | | In recent years, more than half of the electric power generated in the country is being consumed by electrical motors. Therefore, it is extremely important to enhance the efficiency of motors from perspective of the energy saving. In addition, ratio of energy consumption in industry applications is much larger than other applications. On the other hand, in order to reduce the system size including motors, flat-shape motors are sometimes desired. Accordingly, the target of this study is to achieve motors having both high efficiency and flat-shape at the same time for industry applications. In addition to that, the target of operating area is set to high-rotational-speed region because an increase in the rotational speed is very effective in reducing motor size under constant output power.
In general, most motors employ the radial gap structure which has the air gap in radial direction. However,motors having the radial gap structure cannot generate enough torque in flat-shape application. Therefore,in this study, the axial gap motor, which has the air gap in axial direction, is chosen because it can generate high torque in flat-shape. Conventional axial gap motors frequently employ Neodymium sintered permanent magnets (Nd sintered PMs) which has very high residual magnetic flux density in order to achieve high torque density. Whereas, Nd sintered PMs have high electric conductivity, hence, this means that the eddy current loss in PMs might be large in high-speed region. Accordingly, conventional axial gap motors employing Nd sintered PMs have low efficiency in high-speed region. Moreover, the rotor of conventional models consists of PMs and the rotor core. The magnetic resistance is small because magnetic materials are used for the rotor core, but large eddy current occurs in the rotor core.
In this study, two measurements are proposed for improving the above problems of conventional axial gap motors. First, the coreless rotor structure is employed for axial gap motors. The coreless rotor gives the axial gap motors more simply structure and much smaller eddy current loss than that of the conventional one. Second, Nd bonded PMs which have almost zero conductivity is chosen for a PM material. Therefore, axial gap motors employing Nd bonded PMs can restrain the eddy current in PMs in high-speed region.
Eventually, the proposed axial gap motor employing both the coreless rotor structure and Nd bonded PMs dramatically improves the efficiency in high-speed region. Validity of the proposed axial gap motor is evaluated by three-dimensional finite element analysis (3D-FEA) and experiments.
Furthermore, in order to get higher efficiency of axial gap motors, suitable development policy of soft magnetic composite (SMC), which is used for the stator core, is indicated. |
| Conffering University: | 北海道大学 |
| Degree Report Number: | 甲第14579号 |
| Degree Level: | 博士 |
| Degree Discipline: | 工学 |
| Examination Committee Members: | (主査) 教授 小笠原 悟司, 教授 北 裕幸, 教授 五十嵐 一, 教授 竹本 真紹（岡山大学 大学院 自然科学研究科） |
| Degree Affiliation: | 情報科学院(情報科学専攻) |
| Type: | theses (doctoral) |
| URI: | http://hdl.handle.net/2115/81139 |
| Appears in Collections: | 学位論文 (Theses) > 博士 （工学）
課程博士 (Doctorate by way of Advanced Course) > 情報科学院(Graduate School of Information Science and Technology)
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