平成 23年電気学会産業応用部門大会

3-8

パワー密度を向上した
低電圧大電流スロットレス超高速モータに関する検討
学生員

荻須崇文＊

正員

季彦 (静岡大学)

野口

Study on Low-Voltage and High-Current
Slotless Ultra High-Speed Motor with Improved Power Density
Takahumi Ogisu＊, Student Member, Toshihiko Noguchi, Member (Shizuoka University)
This paper describes an ultra high-speed permanent-magnet slotless motor design for a supercharger mounted on an automotiveengine. In this paper, a 1.5 kW , 150,000-r/min PM motor fed by 12-V battery is discussed. The motor is specially designed toachieve its efficiency over 97 % (excluding mechanical losses) and to raise its power density to 22.3 W/cm3 at the same time.
キーワード：スロットレスモータ，高速モータ，パワー密度
Keywords：Slotless motor, high-speed motor, power density

1. はじめに800

筆者らは車載用過給機の電動化を目的として，12 V 電源
Losses (W)で駆動される超高速永久磁石モータ（1.5 kW，150,000 r/min）の開発を推進してきた(1),(2)。このモータでは低電圧，大電流，高周波運転が行われるため，同期インダクタンスや漏れインダクタンスを極限まで低減するように固定子巻線のターン数を 2 ターンとしている。本稿では，これまでに開発しLeft side of equation
Right side of equation

700
600
10000.0てきた超高速永久磁石モータをスロットレス構造とするこ0.2とにより更なるパワー密度の向上を図ったので報告する。

2.

図1

スロットレス超高速モータの設計

0.60.81.0

パーミアンス係数に対する損失特性

Fig. 1. Losses characteristics with respect to permeance〈2･1〉最適パーミアンス係数
超高速永久磁石モータの駆動特性は，永久磁石の B-H 曲coefficient.

線上における動作点を決定するパーミアンス係数 pu に強く依存する。pu は次式のように近似することができる。
pu ≈ l m l g

0.4

Permeance coefficient

表 1

磁石厚さによる 5 種類の設計条件

Table 1. Five design conditions with respect to magnet thickness.
(1)

ここで ℓm は磁石厚さ，ℓg はエアギャップ長である。

Design type

#1

#2

#3

#4

#5

Permanent magnet
thickness ℓm (mm)34567

Air gap length ℓg (mm)4.35.77.18.6

10Current density (A/mm2)

100.739.1

20.6

12.88.5

一方，インバータを含めたモータ駆動システムの総合効率を改善するため，モータ損失だけでなくインバータ損失も考慮して検討しなければならない。モータ駆動システムの最大効率条件は以下のように記述することができる。
Wist + Wemag = Wc + WRon

(2)

ここで Wist は固定子鉄心の鉄損，Wemag は永久磁石内の渦電流損，Wc は固定子巻線の銅損，WRon はインバータの導通損である。本設計では(2)を満足する pu の最適値を求め，モータ駆動システムの効率最大化を狙う。図 1 に pu の変化に対する(2)の左辺と右辺に分けた損失解析結果を示す。この図より，pu = 0.69 が最適値であり，(2)を満たすことから総損失が最小になると予想される。

[III - 119]

平成 23年電気学会産業応用部門大会

3-85040807060Loss (W)Efficiency (%)

10090504030203010#4#501000

図2100200300
Output power (W)400

Iron loss (yoke)

20Copper loss(windings)

Eddy-current loss (PM)

45

図3500

67
Back yoke width (mm)89

継鉄幅に対する損失計算結果

Fig. 3. Loss analysis result with respect to back yoke width.

形状#4 と形状#5 の低出力範囲における電気的効率

Fig. 2. Electrical efficiency in low-output range of #4 and #5.
〈2･2〉磁石厚さとエアギャップ長表１に示したように pu = 0.69 となる磁石厚さ ℓm，エアギ
ャップ長 ℓg の異なる 5 形状のモータを想定し更に検討を進める。表より#1，#2，#3 の形状でモータを設計した場合，エアギャップ長が小さく，巻線を挿入するスペースが少ないため，電流密度が非常に高くなる。一方，#4，#5 の形状については電流密度は 10 A/mm2 前後であり，定格出力範囲において電気的効率に差は見られない。しかし，図 2 より電磁界解析の結果，500 W 未満の低出力範囲では#4 の形状をもつモータの方が電気的効率が良いため，#4 の磁石厚さ
図4ℓm= 6 mm とエアギャップ長 ℓg= 8.7 mm が最適値であると判

スロットレス超高速モータ断面形状断できる。

Fig. 4. Cross section diagram of designed ultra high-speed slotless〈2･3〉継鉄幅motor.

図 3 に固定子鉄心内径を一定として，継鉄幅を変化させCopper loss (Windings)
Eddy current loss (Shaft)Iron loss (Teeth)

たときの定格出力における損失計算結果を示す。図より，継鉄幅が小さいほど損失は低くなるが，継鉄幅 5 mm 以下では継鉄で磁気飽和が生じるため所望のトルクを出力するこ

Eddy current loss (PM)Iron loss (Back yoke)

Motorwith slotとができない。したがって，継鉄幅の最適値は 6 mm であると判断される。以上より，今回設計したスロットレス超高Slotless
Motor

速モータの各部寸法は図 4 のようになる。このモータは 67.2cm3 の体積で最大 3 kW を出力することができる。

01020Loss (W)

図 5 に本モータと従来試作を行ったスロットを有するモ
図5ータの定格運転時における諸損失（機械損は含まない計算

3040

定格運転時の諸損失計算結果（機械損は含まず）結果）を示す。このようにスロットレス構造とすることにFig. 5. Caluculated losses at rated operation (excluded mechanicalより，総損失は 3.7 W 増加する。巻線の銅損は電流密度が大losses ).

きくなったため約 2 倍に増加するものの，固定子鉄心の鉄損はティース鉄損がなくなるため 4.1 W 低減する。さらに空97.3 %と高効率を達成でき，パワー密度については従来の約間高調波を低減することで磁石渦電流損を 0.7 W 低減する

1.7 倍に相当する 22.3 W/cm3 を達成できると考えられる。今ことができる。

後，試作機により実験的に運転特性を検証する所存である。

3. まとめ
本稿では，12 V 電源で駆動されるスロットレス超高速モータにおいて，パーミアンス係数，固定子鉄心形状に関する最適化を検討した。電磁界解析の結果，本モータは従来のモ ー タ に 対 し て 電 気 的 効 率 で は 0.3 ポ イ ン ト 劣るが[III - 120]

文献(１) 鹿野・和田・野口 : 「12V 電源駆動超高速 PM モータの効率とパワー密度向上に関する検討」 電気学会全国大会, 5-011 (2008)(２) 鹿野・和田・野口 : 「12V 電源駆動超高速 PM モータの開発」電気学会全国大会, 5-010 (2008)