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平成 31 年電気学会全国大会

15 kW, 150,000 r/min PM モータのプロポーションに関する検討
藤田康平*，野口季彦（静岡大学）
Study on proportion of 15 kW, 150,000 r/min PM motor
Kohei Fujita*, Toshihiko Noguchi (Shizuoka University)

１．はじめにドエアギャップ構造が可能となり，周方向のパーミアンス近年，パワー密度を高めた高出力モータが盛んに開発さ変動を小さくすると同時に，同期インダクタンスを減らすれている。高パワー密度化の観点から希土類磁石を用いたことができる。また，超高速モータにおいてはパーミアンス永久磁石同期モータ（PMSM）がもっぱら採用されており，係数が小さいほど，損失が小さくなる傾向があるので，パー社会の隅々にまで普及している。モータの出力を増大する

ミアンス係数は 1.1 で統一した。ステータに関しては，漏れにはトルクと回転速度の増加を図らねばならないが，一般磁束を低減することと，パーミアンス変動を小さくして，ロに前者の改善ではモータ体格が大きくなる傾向がある。そータの熱減磁などの原因となる磁石渦電流を抑制するため，こで，さらなる高パワー密度化を達成するためには，モータ集中巻 6 ティース 6 スロット構造とする。ステータ巻線にの超高速（高周波駆動）化が有効である。しかし，超高速モは丸線を使用することを想定し，ティース先に厚さ 3 mm のータの場合，電圧や電流に加えて機械的制約から様々な問フィレットを設けている。

題が存在する。そこで，本稿ではそれらの問題を踏まえつ
つ，定格 15 kW，150,000 r/min の PM モータについて 3 種類のプロポーションを検討したので報告する。

２．超高速モータの要求仕様と設計<2.1> 要求仕様と解析方法設計する 15 kW，150,000 r/min PM モータの要求仕様を
表 1 に示す。また，モータプロポーションに関する機械的制約を図 1 に示す。表 1 の要求仕様において，指定された

表 1 15 kW，150,000 r/min PM モータの要求仕様
Table 1. Design specifications of 15 kW, 150,000 r/min PM motor.
Rated output power

15 kW

Rated speed

150000 r/min

Rated torque0.955 Nm

DC bus voltage

Less than 259.2 V

Rated current

75 A (Over load 200%)

Maximum current

150 A

Rotor diameter

Less than 37.3 mm

直流バス電圧，定格電流の条件を両立させる設計は理論上40かつ，図 1 の許容される範囲でモータをいくつか構築して，35その中から 3 種類のモータモデルを採り挙げる。これら 330モデルの主要諸元を表 2 に示す。また，今回検討する超高速モータではロータ直径が 37.3 mm で周速が音速に達するので，これを上限としてプロポーションを選択した。3 モデルでどのように損失や減磁特性が変化するのか調査するた
め JMAG-Designer

17.0TM を使用して解析を行った。

Stack length (mm)

不可能である。そこで，これらのうちどちらか一方を守り，Unacceptable

252015

Acceptable

105028303234363840

Rotor diameter (mm)<2.2> 基本設計方針
15 kW, 150,000 r/min PM モータの径方向断面を図 2 に示す。検討するモータ全てで表面磁石形同期モータ（SPMSM）を採用した。これは，誘導モータやリラクタンスモータのよ

図 1 15 kW，150,000 r/min PM モータの機械的制約
Fig. 1. Mechanical constrains of 15 kW, 150,000 r/min PM motor.
Rotor shaft
Permanentmagnet

Rotor core

Stator core
Windings

うに励磁電流が必要なく，効率が良いためである。また，ロータ直径やシャフト直径の制約から埋め込み磁石形同期モータ（IPMSM）とすることは困難で，回転子構造が簡単なSPMSM とした。ロータ磁極はインバータの駆動周波数を低減するため 2 極とする。磁石は最大エネルギー積 BHmax =350 kJ/m3 のネオジム磁石を使用している。これによりワイ

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図 2 15 kW, 150,000 r/min PM モータの径方向断面
Fig. 2. Cross section of 15 kW, 150,000 r/min PM motor.

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平成 31 年電気学会全国大会

表 2 超高速モータモデルの主要諸元
Table 2. Major specifications of ultra high-speed motor models.

3．電磁界解析条件と解析結果の比較検討する 3 モデルの性能を比較する。モータを評価する

#1

#2

#3

うえで重要になる性能として損失と減磁特性がある。損失

DC voltage

358.8 V

258.4 V

243.4 Vについては全損失が低いことが望ましいが，定格運転時にRated current
Rotor diameter

75 A107.2 A

107.2 A35.1 mm34.2 mm37.2 mmStack length25.2 mm30.0 mm30.3 mm

Winding3７2921

Shaft diameter

21 mm

21 mm

21 mm

モータ効率が最大となることも重要である。減磁特性に関しては減磁率が低いほど望ましい。このような背景から，本稿では損失，最大効率動作点，減磁特性の観点から解析結果を比較する。損失については，磁石とコイルの温度が 70 ℃のときを想定する。一方，モータの最大効率条件は下式で表される。
𝑊𝑖 + 𝑊𝑚𝑎𝑔 = 𝑊𝑐

Iron loss
Copper loss
Total loss

700(1)

600

渦電流損，𝑊𝑐 はステータ巻線の銅損である。この式より鉄500

損と銅損の比率がほぼ 1:1 になるとき最大効率が得られることがわかる。今回はこの条件に基づき解析結果を比較評価する。減磁特性については，磁石温度 200 ℃で－d 軸に最大電流が流れたときを想定し，減磁前と減磁後の 20 ℃無Loss (W)

ここで，𝑊𝑖 はステータ鉄心の鉄損，𝑊𝑚𝑎𝑔 は永久磁石内の4003002001000

負荷誘起電圧を比較する。総合損失の比較を図 3，鉄損と銅#1#2#3損の比率を図 4，減磁特性の比較を図 5 に示す。解析結果かMotor models

ら，損失に関しては#1 が最も優れている。他の 2 モデルよ図 3 総合損失の比較
Fig. 3. Comparison of total power losses.

り電流が小さいため銅損が少なくなっており，ロータ側面積が#3 と比較して小さいため，総合的な損失が小さくなっていると考えられる。また，定格運転が最大効率動作点に最2.5

きくロータ側面積が小さいため，銅機械寄りになっているためである。減磁特性に関しては#3 が最も優れている。他のモータと比較して磁石が厚いので保持力が大きくなっており，かつ，巻数も少ないので逆磁界が小さくなっているた

Iron loss/Copper loss

も近いモデルは#2 である。他のモータと比較して電流が大めと考えられる。しかし，減磁に関しては，減磁率が最低でも 17.2 %となっており，厳しい値となっていることがわか

2.01.51.00.50.0#1る。

#2#3Motor models

図 4 鉄損と銅損の比率
Fig. 4. Comparison of iron and copper loss ratio.

4. まとめ本稿では 15 kW, 150,000 r/min の超高速 PM モータのプロポーションを検討し，3 つのモータモデルに関して損失，最30

3 つのモータモデルはトレードオフの関係をもっており，すべての評価項目を高水準で達成することは非常に困難である。また，その中でも減磁対策が超高速モータにおいて喫緊の検討課題である。今後は，採用するモータを決めステータ構造の詳細設計を進めていく所存であり，実機の完成を目

Demagtization ratio (%)

大効率動作点，減磁特性の観点から述べた。解析結果から，252015105指す。
0文(1)

献

#1

#2

#3

Motor models

鹿野・和田・野口「12V 電源駆動超高速 PM モータの開発」電学全大, 5-010 (2008)

図 5 減磁特性の比較
Fig. 5. Comparison of demagnetization characteristics.

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