平成 28 年電気学会産業応用部門大会

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車載用高トルク密度アキシャルギャップ PM モータの損失要因と高効率化
服部 晃尚＊a)

山田 洋次

神山 博夢

横山 誠也（アスモ株式会社）

野口 季彦（静岡大学）

Loss Analysis and Efficiency Enhancement of High-Torque Density Axial-Gap PM Motor for
Automotive Applications
Akihisa Hattori＊, Yoji Yamada, Seiya Yokoyama (ASMO Co, Ltd)
Hiromu Kamiyama, Toshihiko Noguchi (Shizuoka University)
キーワード：アキシャルギャップ，モータ，鉄損，渦電流損，効率，フェライト磁石
Keywords：Axial-gap, motor, iron loss, eddy-current loss, efficiency, ferraite magnet

1. まえがき
近年，アキシャルギャップ形 PM モータの研究が活発に行われている(1)。特にパンケーキ形モータの場合，ラジアルギ
ャップ形に比べ，アキシャルギャップ形はトルク発生面が大きいため，高トルク密度化が期待できる。車載用小形モータにおいては，減速機を含む回転機構を小型化でき，車(a) Benchmark radial-gap motor.

両の軽量化と燃費の改善が可能となる。自動車の燃費改善(b) Proposed axial-gap motor.

Fig. 1. Motor structures.

による CO2 排出量削減のため，車載用モータの高効率化は(2)重要な課題である 。著者らは，これまでにダブルステータ

3. 三次元電磁界解析による性能予測

アキシャルギャップ形 PM モータを試作し，ベンチマークモータに対し，同一電流密度で 2.1 倍のトルクを出力できるこ

実機測定に先立って，有限要素法に基づく電磁界解析シとを実機検証にて明らかにした(3)。しかし，その損失要因とミュレーションを行った。使用したソフトウェアは効率特性に関しては明らかにしていない。そこで，本稿でJMAG-Designer Ver. 14.1 である。図 2 に解析により求めたベは高トルク密度アキシャルギャップ形 PM モータの効率測

ンチマークモータと提案モータの効率マップを示す。ベン

定結果と損失要因分析に加え，損失低減策について検討しチマークモータの効率マップと比べ，提案モータは高効率たので報告する。

領域が広いことがわかる。これは，提案モータの全損失に占める銅損の比率がベンチマークモータより小さく，逆に2. ベンチマークモータと提案モータの構造

鉄損の割合が比較的大きいため，出力トルクの増大に応じ

図 1 に従来のラジアルギャップモータと検討対象であるほぼ二乗に比例する銅損の増加が緩やかなためである。しダブルステータアキシャルギャップモータの構造を示す。

たがって，銅損と鉄損が拮抗する高効率領域が広くなる。

提案モータは 16 極のロータをもち，その両側に 12 スロッ

これに対し，ベンチマークモータは銅損と鉄損の割合が逆トを有するステータを配した 2 ステータ，1 ロータ方式のパ転する領域が広く，出力トルクの増大とともに銅損が急激

ンケーキ形両面アキシャルギャップ構造を採用している。に増加するため効率特性が先鋭化する。また，ベンチマー

このモータは三次元磁路を有するためステータコアは SMC

クモータの解析における最大効率は 85 % （@T = 0.2 Nm，を用いてバックヨークとティースを一体整形しており，ロN = 2300 r/min）であるのに対し，提案モータの最大効率はータコアには S10C を用いている。なお，使用している磁石

80 %（@T = 0.4 Nm，N = 2300 r/min）であり，提案モータのは両モータともフェライト磁石であり，提案モータの使用最大効率がベンチマークモータに対して約 5 point 低いこと

磁石量はベンチマークモータに対して 1.01 倍である。

がわかった。

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Torque (Nm)

2.0
1.8

Eff.(%)
90

1.6

80

1.4704. 実機による運転特性の検証
試作機を用いて種々の回転速度，電流密度で実負荷試験

60

1.210

1.00.840600.6回転数より求めた平均動力と，モータへの平均入力電力か2070300.2を行い効率を測定した。効率はモータの出力トルクおよび

4030200.45010800.00500

1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500

ら算出した。解析と実測値で効率マップを比較したところ，解析に対して低トルク領域の実測値が約 3 point 高い数値であったが，効率分布は同等の特性が得られた。

Speed (r/min)

最高効率点における損失について，解析値をもとに要因(a) Benchmark radial-gap motor.
2.0

別に分析した。図 3 (a)にトルク 0.4 Nm, 回転数 2300 r/min

60201.8Eff.(%)
90（最高効率点）における損失割合を示す。機械損は実測の無80負荷時トルクより算出した係数を用いて求めた。図 3 (a)よTorque (Nm)

1.6501.47070301.21.04060り全損失中鉄損の占める割合が 54 %と最も大きく，鉄損の50中でもロータコアにおける渦電流損の割合が全損失比で400.8300.6

20800.430 %と最大である。

5. 損失分布とその低減対策

100.2

6005000.01000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500
Speed (r/min)(b) Proposed axial-gap motor.

線の界磁磁束がロータコアアキシャル面に対して垂直に貫Fig. 2. Efficiency map (analysis).

通するため，ロータコアに渦電流が流れる。特に，バック30ヨークとロータコア外周部における渦電流損が大きくなっステータ 渦損

Loss (W)20

図 4 (a)に試作モータの〈5･1〉 ロータ渦電流損の分布

ロータコアにおける渦電流損分布を示す。試作モータは巻鉄損ている。

ステータ 渦損

ロータ 渦損ロータ 渦損〈5･2〉ロータ渦電流損対策後の構造と効果

鉄損

ヒス損ヒス損

銅損

銅損

機械損

機械損

(a) Proposed motor.

(b) Improved motor.

で，ロータコアのバックヨークを除き，コア外周部を潰し100ロータコ

アにおける渦電流損が顕著であることが明らかになったの加工することで，どの程度の損失低減が期待できるのかを解析的に検証した。図 3 (b) に対策後のトルク 0.4 Nm, 回転数 2300 r/min における損失割合を示す。図 4 (b)に対策後のロータコア渦電流損分布を示す。外周部を潰し加工するこFig. 3. Loss analysis results at highest-efficiency operation point.とで，渦電流経路の一部の電気抵抗を大きくできるため，渦電流大ロータコアに流れる渦電流が小さくなっていることがわかる。結果，ロータコアにおける渦電流損を 65 %低減でき，効率を 4 %改善できることがわかった。図 5 に対策後の効率マップを示す。このようにロータ渦電流損の対策を施すことにより，高効率領域をさらに拡大することができる。
(a) Proposed motor.

6. まとめ(b) Improved motor.

本稿では高トルク密度アキシャルギャップ形 PM モータ

Fig. 4. Eddy current loss distribution at θ ＝ 5.25 deg (mech.).
2.0
30

1.850

1.6Eff.(%)
90の効率測定と損失要因分析に加え，電磁界解析に基づく損80

失低減策を検討した。その結果，最高効率点における鉄損70の主要因はロータコアの渦電流損であることを明らかに

60

Torque (Nm)

40

1.4

60

1.2
1.00.850し，対策を施すことでそれを 65 %低減（効率＋4 %）できる40ことを示した。今後，更なる損失低減策を講じて実機検証

30800.620700.4により効果を確認していく。

100.20.00500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500

文Speed (r/min)

献(１) 曽根広太，他：電学産応大，Vol .3, No.3-37 pp.193-198 (2012)(２) 水谷良治，他：電学論文誌，Vol.135，No.9 pp.884-891 (2015)(３) 李志剛，他：電学全大，Vol .5, No.5-017 pp.29-30 (2016)

Fig. 5. Efficiency map (improved motor).

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