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電気自動車用モータの電気自動車用モータの除熱特性に関する研究
除熱特性に関する研究

エンジニアリングエンジニアリング■ はじめに■ はじめに電気自動車(以下EV)では、モータの駆動・回転中にお電気自動車(以下EV)では、モータの駆動・回転中における熱の発生が問題となっている。EVモータは、コイルがける熱の発生が問題となっている。EVモータは、コイルが巻かれているステータと永久磁石が埋め込まれているロ巻かれているステータと永久磁石が埋め込まれているロータから成り立ち、コイル間に樹脂を埋め固めることで、単ータから成り立ち、コイル間に樹脂を埋め固めることで、単純な二重管構造となっている。駆動中の損失熱によるEV純な二重管構造となっている。駆動中の損失熱によるEVモータの温度上昇から、コイルの減磁が懸念されるため、モータの温度上昇から、コイルの減磁が懸念されるため、EVモータには除熱を促進するような機構が求められる。
EVモータには除熱を促進するような機構が求められる。
伝熱は流動構造と密接な関係があるため、EVモータ内部伝熱は流動構造と密接な関係があるため、EVモータ内部の熱特性だけでなく、流動特性についての知見も重要での熱特性だけでなく、流動特性についての知見も重要であるが、EVモータ内部の様な狭隘流路の熱流動特性のあるが、EVモータ内部の様な狭隘流路の熱流動特性の知見は少なく、除熱に最適な設計は難しい。
知見は少なく、除熱に最適な設計は難しい。
本研究では、EV モータ構造を模擬した内円筒回転時
本研究では、EV モータ構造を模擬した内円筒回転時における同心二重円筒狭隘流路内の流動特性を明らかにおける同心二重円筒狭隘流路内の流動特性を明らかにすることを目的とし、EV モータ構造を模擬した実験装置にすることを目的とし、EV モータ構造を模擬した実験装置
において扁平粒子を用いたロータ円筒面の流動の可視において扁平粒子を用いたロータ円筒面の流動の可視化を行なった結果について述べる。
化を行なった結果について述べる。
■ 実験装置および可視化方法■ 実験装置および可視化方法
実験装置の概略図および可視化実験における光源・カ実験装置の概略図および可視化実験における光源・カメラの配置図をFig. 1に示す。実験装置はEVモータの二メラの配置図をFig. 1に示す。実験装置はEVモータの二重円筒管を模擬している。EVモータ内の流体は空気であ重円筒管を模擬している。EVモータ内の流体は空気であるため可視化は困難であり、EVが時速60 km程度でEVモるため可視化は困難であり、EVが時速60 km程度でEVモータは3000 rpmと高速で回転する。本実験では可視化のータは3000 rpmと高速で回転する。本実験では可視化の容易な水を使用し、Re数の相似則を適用して200 rpm程容易な水を使用し、Re数の相似則を適用して200 rpm程度の低回転数でEVモータ内の流動を模擬する。Re数の度の低回転数でEVモータ内の流動を模擬する。Re数の定義式は以下の式(1)で定義する。
定義式は以下の式(1)で定義する。

r dRe  rii dRe  

■ 実験結果および考察■ 実験結果および考察
ロ ー タ 円 筒 面 の 可 視 化 画 像 を Fig. 2 に 示 す 。
ロ ー タ 円 筒 面 の 可 視 化 画 像 を Fig. 2 に 示 す 。
Figure 2(a)に示すRe = 236のとき、流動の変化は見られFigure 2(a)に示すRe = 236のとき、流動の変化は見られないが、Fig. 2(b)に示すRe = 503ではロータの円筒面上ないが、Fig. 2(b)に示すRe = 503ではロータの円筒面上に縞模様の流動が発生した。この縞模様は、既存のテイラに縞模様の流動が発生した。この縞模様は、既存のテイラと同様である。また、軸方向の隙間内(長さ40 mm)ー渦(1)ー渦(1)と同様である。また、軸方向の隙間内(長さ40 mm)に発生した縞模様の数は20対(40個)であり、ロータ円筒とに発生した縞模様の数は20対(40個)であり、ロータ円筒とステータ円筒間の隙間d と同じ大きさの渦(幅1 mm）が存
ステータ円筒間の隙間d と同じ大きさの渦(幅1 mm）が存在することを示された。Figure 2(c)に示すRe = 898では、在することを示された。Figure 2(c)に示すRe = 898では、発生した縞模様の流動が軸方向に局所的に揺動し、発生した縞模様の流動が軸方向に局所的に揺動し、Fig. 2(d)に示すRe = 1544まで増加させると、複雑な流動Fig. 2(d)に示すRe = 1544まで増加させると、複雑な流動場が見られた。このように、EVモータの同心二重円筒管場が見られた。このように、EVモータの同心二重円筒管の隙間内ではテイラー渦が発生していると考えられる。まの隙間内ではテイラー渦が発生していると考えられる。また、Re = 503のように縞模様が発生する流動では、隙間内
た、Re = 503のように縞模様が発生する流動では、隙間内の流体の滞留と同時に、熱も滞留しEVモータの除熱が妨の流体の滞留と同時に、熱も滞留しEVモータの除熱が妨げられる可能性が考えられる。
げられる可能性が考えられる。
■ 参考文献■ 参考文献(1) N. Abcha, et al., Exp Fluids 45 (2008) pp.85-94(1) N. Abcha, et al., Exp Fluids 45 (2008) pp.85-94
Rotor
Rotor

(1)
(1)

Water jacket
Water jacket
Rotor
Rotor

Stator edge face
Stator edge face
2ri2r
=i 218
= 218

Rotor
Rotor
end
end
partpart
StatorStator

Unit：[mm]Unit：[mm]Rotor cylinder face
Rotor cylinder faced =d 1= 1

2ro2r=o 220= 220

式中の ri はロータ半径[mm]、d はロータ円筒とステー
式中の ri はロータ半径[mm]、d はロータ円筒とステー
はロータの角速度[rad/s]、は動タ円筒間の隙間[mm]、はロータの角速度[rad/s]、は動タ円筒間の隙間[mm]、粘度[mm22/s]を示す。実験時には、ステータの内側は体積粘度[mm /s]を示す。実験時には、ステータの内側は体積分率0.6 %となるよう扁平粒子を混入した水で満たす。水分率0.6 %となるよう扁平粒子を混入した水で満たす。水を満たした後、モータに連結したロータを回転させ、メタルを満たした後、モータに連結したロータを回転させ、メタルハライドライトを光源に用いて、ハイスピードビデオカメラハライドライトを光源に用いて、ハイスピードビデオカメラによって流動を可視化した。
によって流動を可視化した。

Motor
Motor

Rotating
Rotating
direction
direction40 mm

InverterInverter

Li = 40
Li = 40
Lo = 100
Lo = 100

Light Camera
Light Camera

LightLight

Pump
Pump

Tank
Tankof the flow
Fig. 1 Exprimental apparatus for observation

Fig. 1 Exprimental apparatus for observation of the flow
代表発表者 阿部 豊 （あべ ゆたか）
代表発表者 阿部 豊 （あべ ゆたか）
所
属 筑波大学 システム情報工学研究科
所
属 構造エネルギー工学専攻
筑波大学 システム情報工学研究科
構造エネルギー工学専攻
問合せ先 〒305-8573 つくば市天王台 1-1-1
問合せ先 〒305-8573
つくば市天王台1-1-1室筑波大学 第三エリア
F 棟 3F323

Rotor
Rotor
end
end
part
part

Axial
Axial
direction
40 mm
direction(a) Re = 236 [-](a) Re = 236 [-](b) Re = 503 [-](b) Re = 503 [-]

Axial
Axial
direction
direction(c) Re = 898 [-](c) Re = 898 [-](d) Re = 1544 [-](d) Re = 1544 [-]Fig. 2 Flow structure at the rotor cylinder face and the end partFig. 2 Flow structure at the rotor cylinder face and the end part
■キーワード： （1）電気自動車用モータ■キーワード： （2）テイラー渦（1）電気自動車用モータ（2）テイラー渦（3）流動特性（3）流動特性筑波大学 第三エリア FAX：029-853-5266
F 棟 3F323 室
TEL：029-853-5266
TEL：029-853-5266
abe@kz.tsukuba.ac.jp FAX：029-853-5266
abe@kz.tsukuba.ac.jp

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