磁性線材を適用したシングルステータ
ダブルアキシャルギャップ PM モータ
宇佐美

和明＊

野口季彦（静岡大学）

Single Stator with Double Axial-Gap PM Motor Employing Ferromagnetic Wire
Kazuaki Usami＊, Toshihiko Noguchi (Shizuoka University)
In general, an axial-gap permanent magnet (PM) motor employs soft magnetic composite (SMC) for the statorcores. Complicated shape of the stator cores with three-dimensional magnetic circuits can easily be achieved withthe SMC, but the poor magnetic permeability of the SMC is a major concern. This paper proposes a new structureof the stator cores of the axial-gap PM motor, which introduces use of ferromagnetic wires to compose the stator
cores. Operation characteristics such as the delivered torque and the eddy current loss of the motor are examinedthrough three-dimensional electromagnetic field analyses, which proves feasibility of the proposed approach.
キーワード：永久磁石同期モータ，アキシャルギャップモータ，磁性線材，アモルファス，磁性材料(PMSM, axial-gap motor, ferromagnetic wire, amorphous, ferromagnetic material)

1.

はじめに
Ferromagnetic wires

筆者らは Fig. 1 のようなシングルステータダブルアキシャルギャップ PM モータのコア材料と構造について検討しRotor back yokeてきた。このようなアキシャルギャップモータはステータ

Windingsの磁路が三次元となるため，一般的に磁性材料として SMC（Soft Magnetic Composite）が広く用いられている。しかし，Permanent magnets

SMC は磁性鉄粉の製造に高度な技術を必要とするため，一般に高価で製造時に大型のプレス機も必要とする。そこで，シングルステータダブルアキシャルギャップ PM モータのステータ内磁束が軸方向に交番するだけであることに着目し，ステータコアの新構造を提案する。ステータコアに磁性線材を束ねたものを用いることで，磁性材料としての特性と製造面での優位性を両立することを目的とする。以降，新構造のステータコア材料として磁性線材を想定する。磁性線材は構造が単純であるため，アキシャルギャップモータ120mmとができる。本稿では磁性線材の材料や構造の観点から種々の検討を行い，提案するコア材料と構造がモータの運転特性に与える影響を明らかにしたので報告する。

2.

ステータコアの渦電流損発生原因

〈2･1〉

渦電流経路

ここで検討するダブルアキシャルギャップ PM モータの磁束は中央に置かれたステータコアを軸方向に流れるため，交番磁界によって発生する渦電流はコア断面を環状に32mmで使用が難しかったアモルファスなどの新素材を用いるこFig. 1. Overview of investigated motor.
流れる。ステータコアが導電性のブロック材の場合はその最外周を渦電流が流れる。磁性線材を結束してダブルアキ
シャルギャップ PM モータのステータコアに適用した場合

は，それぞれの磁性線材の断面に沿って渦電流が流れる。
SMC を利用した場合は磁性粉粒中に渦電流が流れ，いずれの場合も鉄損としてモータの効率を劣化させる大きな要因となる。
〈2･2〉

Block

渦電流損の低減方法

渦電流の低減には渦電流経路を小さくすることが有効である。電磁鋼板の場合は磁性板材の表面を絶縁し，積み重ねCylinder

ることで板材断面に流れる磁束で生ずる渦電流の経路を小さくし渦電流損の低減を図っている。SMC は導電性の磁性

Cylinder 2.0mm

粉粒を絶縁コーティングすることで渦電流経路を小さくしQuadrangular prismている。SMC は粉粒を絶縁コーティングしているため，磁束の方向にかかわらず磁気特性が等方性をもつ一方，非磁性体であるコーティングが磁性粉粒の全方向を覆っている

Prism 2.0mm

Fig. 2. Overview of stator core structures.

ため透磁率が低くなりやすく，飽和磁束密度も電磁鋼板と比較して劣る。シングルステータダブルアキシャルギャッ
プ PM モータのステータコアは磁束の流れが一定方向であるため，渦電流が生じない経路である軸方向の絶縁をする

Block
Eddy current

必要がない。そのため，Fig. 2 の円柱や角柱のような断面をもつ線材を束ねた構造とすることによって磁束方向の磁気特性の劣化が少ない材料を作ることができる。
Fig. 3 はステータコアに流れる渦電流密度をベクトルプロットしたものである。青色（小さなコーン）の部分は電流密度が小さく，赤色（大きなコーン）の部分は電流密度が大き

Cylinder 2.0mm

い。ただし，モデルごとに電流密度のスケールを調整して表示している。ステータコアを分割しない場合は大きな渦電流経路が生じており，分割した場合はそれぞれの線材断面を環状に渦電流が流れていることが確認できる。また，線材の断面を小さくすると，渦電流の経路も小さくなっていることが確認できる。渦電流を小さくするには材料の電気抵抗率を上げるとともに線材の断面積を小さくすることが有Quadrangular prism 2.0mm

効である。

3.

三次元電磁界解析の諸条件〈3･1〉

解析モデルの諸条件

電磁界解析ソフト JMAG Designer 18.1TM を用いて解析を行った。前述の Fig. 1 が解析対象とするモータである。解析対象の磁気回路の直径は 120 mm，厚さは 32 mm，出力は 1Cylinder 1.0mm

kW で，スロットコンビネーションは 12s16p の SPM モータである。q 軸のみに通電し，電流値は 4.0 Arms/phase で回転数は 3000 r/min とする。また，永久磁石は NMX-S45SH（日立金属）で，温度は高温下での運転が想定されるため 120 ℃として解析した。モータ特性の基準は Hoganas 700HR-5P（SMC）を用いたブロックモデルである。ステータコアの構造を 5 種類（ブロック, 円柱 2.0mm, 角柱 2.0mm, 円柱

Quadrangular prism 1.0mm1.0mm, 角柱 1.0mm）とステータコアの材料を 5 種類（SUY1 純鉄, S45C 炭素鋼, JFE スチール 50JN400 電磁鋼板, JFE
スチール 50JN1300 電磁鋼板, 日立金属 YEP-2V パーメン
ジュール）の計 25 通りで解析を行った。なお，本検討はステータコア構造によるトルク特性と渦電流損に関しての検討であるため，ロータバックヨークの材料はすべてのモデ

Fig. 3. Vector plot of eddy current density.

ルで共通の 700HR-5P としており，ロータバックヨーク，ス

Table. 1. Space factors of stator core.

テータコアのヒステリシス損は考慮しない。解析メッシュ

Stator core structure

Stator core space factor

Block100%

Cylinder 2.0mm

66.8%

Quadrangular prism 2.0mm

68.1%

Cylinder 1.0mm

78.0%

Quadrangular prism 1.0mm

83.1%については十分な事前検討を行い，必要な解析精度が得られるメッシュサイズを採用している。1 モデルあたり 300～400 万要素である。
〈3･2〉

ステータコアの占積率

ブロックモデルのステータコアの空間に占める絶縁材料を含む各材料の割合を 100 %としたときの各モデルの占積率を Table. 1 に示す。すべてのモデルで表面の絶縁被膜のTable. 2. Electrical resistivity of stator core.

厚さは一定としており，円柱モデルでは磁性線材を俵積み間が生ずるため占積率が著しく低下するが，線材の断面積を小さくすることによって角柱 1.0 mm モデルでは占積率を83.1 %まで改善することができる。占積率の向上には線材断面積を小さくすることが有効である。
〈3･3〉材料の電気抵抗率

Table. 2 に各材料の電気抵抗率を示す。鉄基アモルファ
ス で あ る 2605SA1 以 外の電 気 抵 抗率 は JMAG Designer
18.1TM の材料データから引用した。電気抵抗率は渦電流損に大きく関与し，渦電流損は電気抵抗率に反比例するため，電気抵抗率の大きな材料を用いることが望ましい。
SUY-1 の電気抵抗率が最も小さく 0.12 μΩm である。一方，0.5 mm 厚の電磁鋼板である 50JN1300 の電気抵抗率が 0.47 μΩm で，SUY-1 と比較しておよそ 4 倍となっている。また，2605SA1の電気抵抗率は 1.3 μΩm で SUY-1 と比較して 11 倍程度の抵抗率をもっており，渦電流損の低減が期待できる。
〈3･4〉

SUY-1S45C

50JN400

50JN1300

YEP-2V

2605SA10.12 μΩm0.21 μΩm0.47 μΩm0.15 μΩm0.39 μΩm

1.3 μΩm

2.5YEB-2V
SUY-150JN1300
50JN400S45C
Somaloy 700HR 5P
2605SA1

Magnetic flux demsity (T)している。線材の断面積が大きいとコア外周部に無駄な空2.01.5
1.00.50.0
110100100010000
Magnetic field (A/m)
Fig. 4. Magnetic characteristics of stator core material.
的な磁気特性はカタログ公称値の 90%未満であり，磁気特性の劣化によってトルクがおよそ 5％低下することもあっ

材料の磁気特性

Fig. 4 に各材料の磁気特性を示す。2605SA1 以外の材料のた。また，SMC の内部は理論上，電気抵抗率が大きく渦電の材料データから引用し流損が小さいはずであるが，表面処理によっては表面の抵た。基準モデルの材料は 700HR 5P であり，他の材料と比較抗率が低下し渦電流が生じることが判明している。そのたして初期透磁率が低いことが確認できる。飽和磁束密度でめ，トルク特性が最も高い円柱 1.0mm, YEP-2V モデルで基は YEP-2V が最も大きく 2.2 T 以上である。2605SA1 の飽和準モデルと比較して 6 %の平均トルク減少となっているが，磁束密度は 1.5 T であるが，初期透磁率が最も高くヒステリ占積率が 78.0 %であることを考慮すると，平均トルクの減シス損が極めて小さいため高周波駆動に適している。

少度合いは少なく，良好な結果が得られたと考える。

磁気特性は JMAG Designer 18.1TM

4.

解析結果

〈4･1〉

トルク特性の比較〈4･2〉

ステータコアの渦電流損の比較

Fig. 6 にステータコアの渦電流損に関する比較結果を示す。ブロックモデルは渦電流経路が大きく 800～2000 W のFig. 5 に各モデルの平均トルク比較結果を示す。SMC 以

渦電流損が発生する。そのため，グラフでは数値の表示を省外の材料を用いたブロックモデルは渦電流損が過大で，ト略した。円柱や角柱の 1.0 mm モデルは 2.0 mm モデルと比ルクが負値をとるモデルもあったため，そのようなモデル較して渦電流損が 1/3 程度低減している。理論的には磁性材は非表示とした。トルク特性は飽和磁束密度も影響するが，料の断面寸法を 1/2 にすると損失は 1/4 に低減するが，1/3それ以上に電気抵抗率が大きく関係する。YEP-2V は飽和磁程度の低減にとどまった。断面寸法が大きなモデルは渦電束密度が大きいが，電気抵抗率が 50JN400 より低いため，流が断面の外側に集中して流れる傾向にあり，中心部は電平均トルクとしては同程度となる。そのため飽和磁束密度流が小さく電流密度が不均一になるためと考えられる。の大きな YEP-2V に特段の優位性は確認できなかった。以材料ごとの渦電流損は概ね電気抵抗率に反比例してい上の検討結果から，磁性線材の材料には電気抵抗率が大きる。理論的には電気抵抗率に反比例するが，実際は SUY-1 をな材料を用いることを優先させるべきと思われる。

基準とした電気抵抗率から計算される理論値よりも 15%損基準モデルの 700HR 5P との比較ではどのモデルもトルク失が大きくなった。電気抵抗率の大きな 50JN400 や YEP-2V特性が劣っている。しかし筆者らは 700HR 5P を用いてアキで誤差が大きく，理論値よりも 20～30％の損失増加がみら

シャルギャップ PM モータを試作した実績があるが，現実れた。

〈4･3〉

永久磁石の渦電流損の比較

Fig. 7 に永久磁石の渦電流損に関する比較結果を示す。磁損の違いはわずかに見られる程度であった。しかし，全体的にブロックモデルと比較して他のモデルは永久磁石の渦電流損が大きくなる傾向にある。磁性線材は線材断面に対して垂直方向以外の磁束を通しづらく，永久磁石からの磁束を線材断面に対して垂直に流す傾向が SMC よりも強い。そのため永久磁石からステータコアへ達する磁束の変化率がSMC と比較して大きくなるため，マグネットの渦電流損がわずかに増加したと考えられる。

Average torque (Nm)

性線材を用いたステータ構造や材料による永久磁石渦電流

5.0
4.5
4.0
3.5
3.0
2.5
2.0
1.5
1.00.50.0

4.51

4.224.23
4.204.20
4.094.04
4.07
3.833.84
3.93 4.00
3.793.81 3.97
3.53
3.50
3.36 3.26
3.38
3.23

1.391.48

SUY-1
S45C
50JN400
50JN1300
YEP-2V
Somaloy 700HR 5P

0.00
0.000.00

Block

5.

Cylinder Prism Cylinder Prism
2.0mm 2.0mm 1.0mm 1.0mm

まとめFig. 5. Average torque comparison.

特性やステータコア，永久磁石の渦電流損について明らかにした。ステータコアのメッシュを細かくする必要がある
ため，解析時間が膨大になる問題や，線材の入手性の問題があるが，磁性線材のステータコアへの適用は大きな利点を有している。磁性線材を切断して結束するだけで比較的簡
単にステータコアを製造でき，大型のプレス機や特殊な製法で作られた材料を必要としないため，低コストを実現できる。本稿では解析時間の観点からφ1～2 mm の材料を用いて解析を行ったが，φ0.2～0.5 mm の材料を用いることで占積率が更に向上するとともに渦電流損の低減が期待でき

Eddy current loss of stator core (W)

本稿では磁性線材の材料と構造について検討し，トルク30026624325022820017310795 98

10030Fig. 6. Eddy current loss of the stator core.

6.56.02

Eddy current loss ofpermanentmagnet (W)ク特性が SMC のモデルより上回る可能性が大いにある。ま33 380.860

導電率の大きな SUY-1 でもφ0.2 mm とすることができればと，磁性線材は更なる微細化と占積率の向上によってトル35Block Cylinder Prism Cylinder Prism
2.0mm 2.0mm 1.0mm 1.0mmなり，SMC の実測で確認された損失と同程度となる。また，材料表面の渦電流損の考慮を行っていないことを考慮する

898255線材を用いてステータコアを作れば渦電流損は 10 W 程度とルク特性が劣る結果となったが，SMC は磁気特性の劣化や10092 916250になると推測できるため，50JN400 や YEP-2V のφ0.5 mm

磁性線材を用いたモデルは SMC を用いたモデルよりもト

169150る。解析より線材の断面寸法が 1/2 になると渦電流損が 1/3

渦電流損を 10 W 程度に抑えることができる。

211

SUY-1
S45C
50JN400
50JN1300
YEP-2V
Somaloy 700HR 5P

6.05.55.40
5.23

5.0
4.5

4.47
4.23
3.98

た，本稿ではモータの駆動条件としてステータコアの磁束4.0密度が高い動作点を選択したが，動作点の変更やヒステリ

3.5

シス損を考慮することでアモルファスの優位性が高くなる

6.19
6.16
6.096.13
6.05
6.02
6.016.09
5.96 5.94 5.94
5.85
5.89
5.80
5.75 5.77
5.77 5.80
5.70
5.73

SUY-1
S45C
50JN400
50JN1300
YEP-2V
Somaloy 700HR 5P

Block Cylinder Prism Cylinder Prism
2.0mm 2.0mm 1.0mm 1.0mm

ため，更なる高周波駆動と低損失化の実現が期待できる。

Fig. 7. Eddy current loss of permanent magnet.

文(1)

(2)

(3)

献

K.Takishima, K.Sakai:”Starting Characteristics of Axial andRadial Type Ultra-Lightweight Motors Based on Magnetic
Resonance Coupling”,IEEJ J. Industry Applications, vol. 8, no. 3,pp. 471-479 (2019)
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(4)
(5)
(6)

榎本・王・正木・相馬：「鉄基アモルファス鉄心を適用したアキシャ
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神山・野口・服部・山田・横山：「高トルク密度車載用モータの開発」
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三浦・茅野・竹本・小笠原：「次世代ハイブリッド自動車用フェライ
ト磁石アキシャルギャップモータの提案」半導体電力変換研究会，
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