2019年電気学会産業応用部門大会

3-13

ギャップ構成に着目した小型 PM モータの高パワー密度化に関する検討
宇佐美和明＊

野口季彦 （静岡大学）

Investigation on High-Power-Density Design of Small PM Motors Focusing on Air Gap Configuration

This paper describes a case study of high-power-density design of small permanent magnet (PM) motors focusing on their air gap
configuration. Two types of the PM motors, i.e., a radial air gap PM motor and an axial air gap PM motor, are taken up for investigation.
The investigation has been done from the viewpoints of I-T characteristics, N-T characteristics, efficiency maps, torque ripple
characteristics, and so forth. It has been clarified that the axial air gap PM motor has great advantage to achieve the high-power-density
design under some limited conditions.
キーワード：アキシャルギャップモータ，PM モータ，小型化，軽量化

Keywords：Axial gap motor, PM motor, downsizing, weight saving

1.

はじめに
Radial gap motor

Axial gap motor

近年，様々な機器の電動化が精力的に行われている中，モータの高効率化と小型化は必須の課題となっている。高効率化を実現するために PM 同期モータが数多く採用される
100 mmのはもちろんのこと，さらなる高パワー密度化を目指して

120 mm

扁平型モータの開発も盛んに行われている。扁平形状のモータはアキシャルギャップ構造を用いるとラジアルギャップ構造のモータと比較して大幅に小型化できるメリットがある。扁平構造にした場合ラジアルギャップモータはトルクの発生面積が大きく減少してしまうが，アキシャルギャ33.8 mm

50 mmある。また，アキシャルギャップモータはラジアルギャップ

70 mm

ップモータはトルク発生面積が減少しにくいという利点がモータと比較して銅の占積率を高くしやすい構造であるため，銅損も低減できるという利点がある。本稿ではシミュレ
Fig. 1. Overview of designed motors.

ーションを用いて，既存のラジアルギャップモータと同等の性能のモータをアキシャルギャップモータで実現した場

・軟磁性体は鉄損がほぼ等しいものをする

合，どの程度の小型化，軽量化が可能であるか検討したので

これら 5 つの制約の下で，ラジアルギャップ構造のモータ報告する。

がアキシャルギャップ構造を用いることにより，どの程度2.

モータ設計の制約小型化または薄型化が可能であるか，電磁界解析ソフト（JMAG Designer 17.1TM）を用いて検討した。

設計をする際に設けた制約を以下に示す。

3.

・使用する磁石の体積を等しくする
・同じ磁石を用いる〈3･1〉モータの設計と外観・相抵抗を等しくする・コイル占積率を等しくする

三次元電磁界解析の諸条件

Fig. 1 に各モータの外観と主要な寸法を示す。SPM ラジア
ルギャップモータは電気学会のモデルをベースに縮尺を変［ III - 187 ］Ⓒ 2019 IEE Japan

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Table 1. Materials used in designed motors.

更したものを使用した。アキシャルギャップモータは SPM
ラジアルギャップモータの IT 特性と等しくなるように次節

Radial gap motor

Axial gap motor

35JN440

Somaloy 1000 SP

で述べた制約を満たすように設計したモータである。直径

Stator coreが 100 mm であると十分なトルクが得られなかったため、直Rotor core

35JN440

SUS304

径を 120 mm にしてモデルを作成した。

MagnetMNF12E

MNF12E〈3･2〉モータの材料と仕様

Shaft

S45C

S45C

Table. 1 に各モータで用いた材料を示す。ステータコア

Table 2. Specifications of designed motors.

は 400 Hz，1 T のときの鉄損がほぼ等しい材料（35JN440:178

Radial gap motor

Axial gap motor

kw/m3，Somaloy 1000 SP:220 kw/m3）を選択した。ラジアル

Motor type

SPM motor

SPM motor

ギャップモータは電磁鋼鈑を用いて，アキシャルギャップ

Outside diameterΦ100 mm

Φ120 mm

モータには SMC 材を用いた。鉄損が近いものを用いること

Air gap distance

0.637 mm

0.750 mm

により，鉄損の違いを可能な限り小さくすることを目的とSlot combination

12s8p

24s16p

している。また，ロータコアはラジアルギャップモータではCoil space factor

40 %40 %電磁鋼板を用い，アキシャルギャップモータでは非磁性体

Number of turns

30 T/slot

26 T/slotのステンレスである SUS304 を用いた。アキシャルギャップ

Conductor diameterΦ1.02 mm

Φ1.03 mm

モータはロータを導電性の磁性体にすると渦電流損が多く

Phase resistance

0.364 Ω/phase

0.353 Ω/phase

発生するため，非磁性体金属を用いている。マグネットは一Coil connection

Star connection

Star connection

6.14 Arms/mm2

6.02 Arms/mm2

般的なフェライト磁石を用いた。シャフトも一般的な炭素

Current density鋼を用いた。また，Table. 2 にそれぞれのモータの仕様を示(10Arms/phase)す。ラジアルギャップモータは電気学会の技術報告書に記Ld

2.01 mH

0.567 mH

載されていたモデルを元に縮尺を変更して直径 100 mm のLq

2.05 mH0.585 mHモデルとしている。アキシャルギャップモータは 24 スロッTable 3. Motor dimensions.

ト 16 極のものを用いている。
〈3･3〉モータの駆動条件
モータの解析の条件が以下の通りで行った。

Radial gap motor

Axial gap motor

Outer diameterΦ100 mm

Φ120 mmAxial length

50 mm

33.8 mm

70 mm

33.8 mm

392 cm3

382 cm3

550 cm3

382 cm3

Axial length【I-T 特性】

Including coil ends

・q 軸のみに通電し，進角は行わない

Volume・各相に 0～10 Arms を通電し，正弦波駆動する

Volumeincluding coil ends

・回転速度は 3000 r/min とする

Table 4. Estimated weights of parts and motors.

【N-T 特性】
・各相の最大電流を 10 Arms とする・インバータの直流バス電圧を 100 V とする
・正弦波駆動・インバータや配線での電圧降下などは考慮しない【効率マップ】

Radial gap motor

Axial gap motor

Stator core

1117 g868 g

Rotor core

697 g

130 g

Permanent magnet

223 g

223 g

Shaft

122 g

80 g

Windings

394 g

469 g

Total

2554 g1771 g・各相の最大電流を 10 Arms とする
・60 r/min で回転させる

・インバータの直流バス電圧を 100 V とする
・正弦波駆動・インバータや配線での電圧降下などは考慮しない【無負荷誘起電圧】

・導体の渦電流損は考慮しない

・3000 r/min で回転させる

4.

解析結果

【トルク波形】
・q 軸のみに通電し，進角は行わない〈4･1〉寸法の比較

・各相に 10 Arms を通電し，正弦波駆動する

Table. 3 に各モータの寸法を示す。アキシャルギャップモ

・回転速度は 3000 r/min とするータは直径でトルクが決定するため，ラジアルギャップモータと同じ直径で同じトルクを出すことは難しく，20％直【コギングトルク波形】径が増加することとなった。コイルエンドを含まない磁気［ III - 188 ］Ⓒ 2019 IEE Japan2019年電気学会産業応用部門大会

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回路の厚みはアキシャルギャップ化することにより，32.4 %4の薄型化が実現できた。また，ラジアルギャップモータはコ3.5

イルエンドがあるため，コイルエンドまで含んだ厚みは 70

3ップモータと比較すると 51.7 %の薄型化を実現できる。次に体積の比較であるが，それぞれのモータを円筒形とみなして計算を行った。コイルエンドを含まない磁気回路の大Torque (Nm)mm 程度になるため，コイルエンドを考慮したラジアルギャ

Radial gap motor

2.521.5

きさはほぼ同等となったが，コイルエンドを含んだ磁気回1路と比較すると 30.5 %の薄型化を実現できることが確認で0.5きた。

Axial gap motor

0〈4･2〉質量の比較

0246810Phase current (Arms)

Table. 4 に各モータの各部品と合計の質量を示す。CAD で

Fig. 2. Average torque and phase current.

デザインしたモータモデルから体積を求めて，それぞれの4材料に比重を乗じて質量を求めた。コイルの質量はさらに3.5

コイル占積率を乗じて計算している。ラジアルギャップモ

3が小さく，ロータコアだけで見ると 80 %程度の軽量化がで2.5きている。アキシャルギャップモータの場合スロット数が増加するため合計のモータの巻き数が増加し，コイルの質量が増加する傾向にある。ラジアルギャップモータと比較して 19 %の増加となった。磁気回路全体として 31 %の軽量

Torque (Nm)ータと比較してアキシャルギャップモータはロータの質量21.5Radial gap motor
1

Axial gap motor

0.5化ができることが確認できた。
〈4･3〉I-T 特性の比較

00Fig. 2 に各モータの I-T 特性を示す。両モータで特性が一1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

Rotation speed (r/min)

致していることが確認できる。モータのモデルを設計する

Fig. 3. Torque and rotation speed.

際に，ラジアルギャップモータとアキシャルギャップモータで等しくなるように設計したため特性が一致している。
〈4･4〉N-T 特性の比較

Radial gap motor

Fig. 3 に各モータの N-T 特性を示す。最大のトルクは同等

ルギャップモータの方が誘起電圧が小さいことに起因する

Torque (Nm)であることがわかる。これは Fig. 9 にもあるようにアキシャ

Efficiency (%)

で，アキシャルギャップモータの方が高速回転が実現可能と考えられる。
〈4･5〉効率マップの比較
Fig. 4 と Fig. 5 に各モータの効率マップを示す。アキシャ
ルギャップモータの方が高効率な動作領域が大きいことがわかる。しかし，アキシャルギャップモータは一般にオープRotation speed (r/min)

ンスロットであり，磁石の磁束がコイルに鎖交する領域がFig. 4. Efficiency map of radial gap motor.

存在し、コイルに導体渦電流損が生じる。本論文の効率マップの解析では導体の渦電流損が考慮されていないため，実Axial gap motor

度の効率になるのではないかと考えられる。
Fig. 6 に各モータのトルク波形を示す。このときのラジア
ルギャップモータのトルクリプル率は 19.5 %で，アキシャ

Efficiency (%)

〈4･6〉トルク波形の比較

Torque (Nm)際は効率が若干悪化してラジアルギャップモータと同等程

ルギャップモータのトルクリプル率は 14.5 %である。アキ
シャルギャップモータはラジアルギャップモータと比較して 25 %程度トルクリプルが小さいことが確認できた。
〈4･7〉コギングトルク波形の比較
Fig. 7 に二つのモータのコギングトルク波形を示す。ラジ［ III - 189 ］

Rotation speed (r/min)Fig. 5. Efficiency map of axial gap motor.

Ⓒ 2019 IEE Japan

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4

シャルギャップモータのコギングトルクは 0.45 Np-p であ

3.5

り，波形が正弦波に近い。ラジアルギャップモータとアキシ

3ャルギャップモータでほぼ同様の値となることを確認でき

2.5た。
〈4･8〉トルクリプル率の比較
Fig. 8 に各モータのトルクとトルクリプル率の関係を示

Torque (Nm)アルギャップモータのコギングトルクは 0.42 Np-p で，アキRadial gap motor

2

Axial gap motor
1.5す。低トルク域ではトルクリプル率は等しいが，アキシャル

1

トルクが増大するとともにトルクリプル率が小さくなるこ

0.5とが確認できた。

00〈4･9〉無負荷誘起電圧波形の比較

60120180240Fig. 9 に各モータの無負荷誘起電圧波形を示す。それぞれ0.3気角を示してある。ラジアルギャップモータの振幅は 60 V

Axial gap motor度である。アキシャルギャップモータは誘起電圧定数が低0.1
Torque (Nm)ータの誘起電圧波形はラジアルギャップモータの誘起電圧

Radial gap motor

0.2程度であるが，アキシャルギャップモータの振幅は 46 V 程転が可能であると考えられる。また，アキシャルギャップモ

360

Fig. 6. Torque waveform.のモータの U 相の電圧を解析したものであり，横軸には電く抑えられており，ラジアルギャップモータよりも高速回

300Electrical angle (deg)波形よりも正弦波に近く，高調波が少ないことを確認でき

0.0060120180240300

360-0.1た。
-0.25.

まとめ-0.3

ラジアルギャップモータを磁石量一定の条件でアキシャ

Ripple angle (deg)Fig. 7. Cogging torque waveform.

ルギャップモータに置き換えた場合，直径を 20 %程度増加60させることで，厚みを約 50 %低減，質量約 30 %低減できることが判明した。モータを実際に設計する際にはケースのはなるのではないかと考えられる。また，アキシャルギャッ
プモータはステータの中心部に空間があるため，その空間にベアリングを入れるなどの工夫をすることにより，ケース設計の際にも薄型化に貢献すると考えられる。また，磁石

Radial Gap Motor

50

Axial gap motor
Torque ripple rate (%)

大きさや質量も考慮する必要があるが，ある程度の目安に403020

量を一定としたが，アキシャルギャップ化する際に，フェラ
10イト磁石ではなく，ネオジムボンド磁石を用いることが可能であれば，直径をラジアルギャップモータと同様に Φ10000mm を保ったまま，コイルエンドを含む磁気回路比で 50 %程度の小型化が実現可能であることも判明している。低速

123Fig. 8. Torque ripple ratio and average torque characteristics.

回転域で動作させるモータであればアキシャルギャップ構

80造を用いることによって小型化が実現可能であること本研

60

究により判明した。

Radial gap motor
Axial gap motor

献(１) 神山博夢・野口季彦・服部晃尚・山田洋次・横山誠也：「高トルク密度車載用モータの開発」平成 29 年電気学会全国大会，No.5-004，pp.78(2017)(２) 三浦昂彦・茅野真冶・竹本真紹・小笠原悟司：「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，Vol.149，No. SPC-09-159，pp.59-64 (2009)(３) 電気学会：「回転機の電磁界解析高度化技術」，電気学会技術報告，No.942， pp.38 (2004)

Voltage (V)

40文4Torque (Nm)200060120180240300

360-20-40-60-80
Electrical angle (deg)Fig. 9. Induced voltage waveforms.

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