5-017

平成 28 年電気学会全国大会

車載用高トルク密度アキシャルギャップ PM モータの実機検証
李 志剛＊ 野口 季彦
服部 晃尚
山田 洋次

神山 博夢（静岡大学）
横山 誠也（アスモ株式会社）

Experimental Verification of High-Torque-Density Axial-Gap PM Motor for Automotive Applications
Zhigang Li, Toshihiko Noguchi, Hiromu Kamiyama (Shizuoka University)
Akihisa Hattori, Yoji Yamada, Seiya Yokoyama (ASMO Co, Ltd)

1.

まえがき

近年，アキシャルギャップ形 PM モータの研究が活発に行われている(1)~(3) 。特にパンケーキ形モータの場合，ラジアルギャップ形に比べ，アキシャルギャップ形はトルク発生面が大きく，さらに平角銅線を使用することで占積率も高くなるため，高トルク密度化が期待できる。車載用小形モータにおいては，減速機を含む回転機構を小形化でき，車両の軽量化と燃費の改善が可能となる。そこで，本稿ではダブルステータアキシャルギャップ形 PM モータを試作し，Fig. 1. Benchmark model.

Fig. 2. Proposed model.

その運転特性を実験検証したので報告する。
4.0

ベンチマークモデルと提案モデルの構造
Normalized average torque2.

Fig. 1 にベンチマークモデルを示す。ラジアルギャップ形
PM モータで 8 極 12 スロットとし，三相集中巻が施されている。ステータコアもロータコアも 0.5 mm 厚の電磁鋼板が使用されている。
Fig. 2 に示すように提案モデルは 16 極のロータをもち，その両側に 12 スロットを有するステータを配したパンケー
キ形両面アキシャルギャップ構造を採用している。このモータは三次元磁路を有するためステータコアには SMC，ロ

3.0
2.52.0

Reference point(Optimum designed benchmark)1.5
1.00.50.0ータには S45C を用いている。また，車載用小形モータと言Benchmark simulation
Proposed simulation@1000 r/min

3.505101520253035402Current density (A/mm )う用途からスペース的に余裕がないため，今回は作りやすさの観点から両ステータ巻線は並列接続されている。なお，

Fig. 3. Torque-current density characteristics (simulation).

ベンチマークモデルと提案モデルは同一直径,同程度の高さ（積厚）であり，ほぼ同じ体積のフェライト磁石を使用

5000

3.

Rotational speed (r/min)

している。

三次元電磁界解析による性能予測

実機検証に先立って，有限要素法に基づく電磁界解析シミュレーションを行った。使用したソフトウェアは
JMAG-Designer Ver.14.1 である。
Fig. 3 に規格化された 1000 r/min 時のトルク－電流密度特性を示す。ほぼ同じ体格のベンチマークモデルに比べ，提案モデルの方が 2.4 倍以上のトルクを出力できることがわ（黒点）として以後の議論を進める。

1000

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

Fig. 4. Speed-torque characteristics (simulation).

-29仙台

2000

Normalized average torque度 20 A/mm2 における限界出力トルクを規格化トルクの基準

2016/3/16～18

3000

00.0

かる。なお，最適設計されたベンチマークモデルの電流密Benchmark simulation
Proposed simulation

4000( 第 5 分冊 )©2016 IEE Japan5-017平成 28 年電気学会全国大会

Fig. 4 に規格化された回転速度－トルク特性を示す。提案
モデルでは,両ステータの巻線が並列になっているため,ベンチマークモデルに比べ，同じ電流密度のときに高回転高トルク特性となっている。
なお，モータの性能をより精度良く予測できるように，ベンチマークモデルも提案モデルも三次元解析を行い，ケース，フレームエンド，接着剤などを考慮した。また，ベンチマークモデルに比べ提案モデルでは極数が倍であり，(a) Stator

しかも電磁鋼板も使用しないため鉄損の増大が予想され，(b) Rotor

Fig. 5. Prototype machine.

トルク低減の原因にもなるので，それらも考慮してシミュ
4.0

Normalized average torqueレーションを行った。

4. 試作機の概要
Fig. 5 に試作機のステータ及びロータを示す。SMC ステー
タコアは切削加工後に絶縁物でコーティングを行っている。ステータの内部空間を有効に利用するためベアリングを入れ，ケースやフレームエンドを含むモータ全体の高集積化を図った。ロータについては，トルク密度を上げるた
めにロータコアを極限まで薄くし，短絡磁束が発生する磁石極間ギャップには鉄リブを挿入してロータコアの強度を

Benchmark experiment
Proposed experiment
simulation

3.5
3.0
2.5
2.0

Reference point(Optimum designed benchmark)1.5
1.0
0.50.0

上げた。また，遠心力による磁石の飛び出しを防ぐために，

05

10152025303540

Current density (A/mm2)

外周にも鉄リブを設けて保護した。

Fig. 6. Torque-current density characteristics (experiment).

5. 実機検証結果
5000

Fig. 6 にベンチマークモデルと提案モデルの実機検証を

Benchmark experiment
Proposed experiment
simulation

Rotational speed (r/min)

行った結果として，規格化されたトルク－電流密度特性を示す。ベンチマークモデルも提案モデルも解析と実測の結果の乗離が 5%以内となり，実測結果においても同じ電流密度のときに提案モデルの方が約 2 倍のトルクを出力できることを確認した。また，試作機においては，負荷側のエアギャップが設計値より 0.1 mm 小さくなり，反負荷側では 0.1mm 大きくなったため，負荷側のトルク定数が解析値より大4000
3000
20001000きくなり，反負荷側では小さくなるはずであるが，両方と00.0も約 3%，8%低下した。これはベアリングが磁石に非常に近0.5い位置にあるため，ベアリング経由でケースとフレームエ

2.02.53.03.54.0

Fig. 7. Speed-torque characteristics (experiment).
Normalized torqueFig. 7 に両実機の規格化された回転速度－トルク特性を示す。ベンチマークモデルも提案モデルも，解析と実測の結果が良く一致した。
Fig. 8 に試作機のトルクリプルを示す。電流密度 20 A/mm2において，リップル率が 5 %以内になっており，アキシャルギャップ形 PM モータで問題となるトルクリプルも十分に2.62.42.22.01.81.60抑制することができた。

60120180240300360Rotational phase (deg)Fig. 8. Torque ripple (experiment).

6. まとめション通りの運転特性を試作機でも確認できた。また，ト

本稿では，ほぼ同体格のベンチマークモデルに比べ，2.1ルクリプルも 5 %以内に抑制され，良好な運転特性を得るこ倍以上のトルクを出力できるアキシャルギャップ形 PM モとができた。

ータの実機検証を行った。

文

同じ電流密度で運転し，試作機はベンチマークモデルの

(1)
(2)
(3)

およそ 2 倍のトルクを出力できることを確認した。このとき実測と解析結果の乗離は 5 %以内であり，ほぼシミュレー

-30仙台

1.5

Normalized average torqueンドへ磁束が漏れたためであると考えられる。

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1.0( 第 5 分冊 )献

荒川俊史, 他： 電学産応大，3-45，pp.283-284 (2007)
曽根広太, 他： 電学全大，5-025，pp.42-43 (2012)
青山・野口 ： 「空間高調波を界磁エネルギー源とするレアアースフリーモータの基礎検討」，H25 年度電学全大， no.5-051(2013)©2016 IEE Japan