第 204 号・2024 年 1 月

住友電工テクニカルレビュー

特集

トラクションモータの性能向上を目的としたステータアーキテクチャ
Stator Architecture Advancements for Improved Traction Motor Performance
＊明上周平

森野慎太郎

Shuhei Myojo

Shintaro Morino

三次悠介

池田和寛

Volker Uwe Strueken

Yusuke Mitsugi

Kazuhiro Ikeda

近年、e-mobility では「地球温暖化防止対策」が重要な焦点となっている。そのため、自動車業界におけるトラクションモータでは、より高速で、高トルク、高効率なモータが求められる。㈱オートネットワーク技術研究所はステータの巻線とスロットの冷却性能について新規技術を組み合わせることで、トラクションモータの最大トルクを維持しつつ、大幅な小型化を実現するステータアーキテ
クチャの開発に成功した。また本開発ステータの生産工程では、従来ステータと比較して約30％の CO2排出削減を可能にする。

The growing emphasis on mitigating global warming has highlighted the need for sustainable solutions in the e-mobility
sector. In response, the automotive industry requires traction motors that deliver increased speed, torque, and efficiency.
Through the integration of advanced technologies in stator windings and slot cooling, we have successfully developed adownsized stator architecture for traction motors. This novel design maintains maximum torque while achieving significant
size reduction. Furthermore, the production process for this stator contributes to a reduction in CO2 emissions byapproximately 30% compared to conventional stators.
キーワード：電気自動車、モータ、平角線、絶縁、冷却

1.

緒

言

効率化を目指してさらなる開発が進められている。近年、運輸部門は CO2排出の主な原因の一つであるため、数トラクションモータのステータには、ほぼ正方形の断面を多くの対策や規制が必要とされている。排出量削減のため持つ銅線（平角線）の分布巻きが使用されている。この平に必要な対策として、ハイブリッド自動車や電気自動車な角線をステータに挿入する技術をヘアピン技術と呼び、こど、さまざまな駆動方式がすでに登場している。これら電の技術によりスロット内の占積率※2は大幅に改善され、効気自動車市場は急速に成長しており、持続可能性のトレン果的にサイズと重量を削減し、全体として必要な銅の量をドに伴い、今後も成長が見込まれている。このため、各社減らすことができる。㈱オートネットワーク技術研究所は、はトラクションモータ※1のさらなる研究への投資を促してい

占積率をさらに向上させることでステータサイズの小型化

る 。高性能化、低消費電力化、低コスト化の要求に応えに成功したため（実際の試作品を写真1に示す。）、以下にるため、トラクションモータは、高速化、高トルク化、高詳細を報告する。

（1）

2.
2－1

巻線の課題

絶縁と占積率電気自動車の重要な購入基準である高速化とバッテリー充電時間の短縮には、より高い電圧が必要である。例えば、充電ステーションでは800V 電圧の技術が普及すると予想されている。この場合、モータ巻線の絶縁はより高い電圧に耐えなければならない。この目的に対して、一般には厚い絶縁皮膜が使用され、その結果、占積率は低くなる。また、モータに高トルクを発生させるためには、巻線に流れる電流を増やす方法が一般的に知られている。そのため、巻線における銅の断面積を増やし、大電流に伴う発熱を抑える必要がある。巻線の絶縁皮膜を厚くし、銅の断面積を増やすことは、モータのサイズを大きくすることになり、小型化やモータケースの最適化というトレンドに逆行する
写真1

試作ステータの写真ことになる。このため、巻線における銅の断面積、絶縁、トラクションモータの性能向上を目的としたステータアーキテクチャ

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熱伝達率の間で最適解を見つける必要がある。またコストより、一般的にトラクションモータに使用されるポリアミと持続可能性の観点から製造工程も考慮する必要がある。

ドイミド（AI）巻線と比較して、高電圧下における皮膜の2－2厚みを大幅に低減することができ、占積率の低下を防ぐこ部分放電開始電圧（PDIV）

インバータのサージ回路が発生する急峻なサージ電圧は、インバータとモータ間の配線の長さが長くなるにつれて増とが可能となった。
4－2

巻線形状の改善加する。そして、ピーク値はインバータ電圧の2倍に達す

従来の平角線に比べ、さらに角 R を小さくする製造方法

ることがある 。巻線間に高電圧が印加され、部分放電開を開発した。この技術により、ステータのスロットサイズ※3
始電圧（PDIV）
を超えると、巻線皮膜の表面に微小な放を変えることなく、占積率を4.4％向上させることに成功

電（部分放電）が発生することがある。この部分放電が発した。

生し続けると、皮膜が侵食されて徐々に劣化し、最終的に4－3（2）高い放熱性を持つスロット設計は絶縁破壊に至る。従って、モータの寿命を向上させるた

熱抵抗を低減して冷却性能を向上させながら、銅充填率をめには、高周波・高電圧でも部分放電の発生を抑制できるさらに高めて大電流を目指した。スロット構造における熱巻線が必要である。PDIV は絶縁性能の指標であり、その抵抗を調査したところ、ワニスと絶縁紙の熱抵抗が支配的特性は Dakin の式とよく一致することが知られている。

であることが判明した。このワニスと絶縁紙を取り除き、代わりにスロットをエポキシ樹脂で埋めることにより、放【Dakin 式】
V ＝ A ×（2× t/εr ）0.46.......................................（1）

熱性が大幅に向上し、冷却性能の向上につながった（4）。
㈱オートネットワーク技術研究所が開発したステータアー

A ：定数

キテクチャは、最適化された絶縁皮膜、占積率の向上およV ：部分放電開始電圧［Vp］び冷却性能の向上に基づいており、従来ステータとの比較

εr：絶縁皮膜の比誘電率※4について図1に示す。

t ：絶縁皮膜の厚さ［µm］

4－4トレードオフの改善

上記の解決策を適用した後、絶縁性と放熱性（冷却能力）式（1）は、皮膜の厚さが PDIV に対して二次関数的に増のトレードオフがどの程度改善されたかを図2に示す。同加することを明確に示しており、高電圧システム（例えば800V）では皮膜厚さが増加し、スロット内における銅の断面積は減少する（3）。
開発ステータ従来ステータ3.

冷却システムについて

トラクションモータの冷却には、油冷式と水冷式の2種類銅がある。油冷式は、モータに電動ポンプでオイルを供給してワニスいく方式である。しかし、油冷式は非常に複雑でコストがかかるため、多くのトラクションモータでは水冷式が採用スロットされている。水冷の場合、冷却水はステータを囲むウォー

絶縁紙

AI皮膜

銅空孔PI皮膜

エポキシ樹脂 角Rの小型化
 皮膜の薄膜化 (同等の PDIV)

タージャケットの中を流れ、冷却水と発熱源である巻線のスロット4.4%の占積率の向上

 ワニスと絶縁紙の代わりにエポキシ樹脂

間にはコア、絶縁紙、ワニスが存在している。特に絶縁紙とワニスは熱抵抗が大きく、冷却性能を低下させている。

図1

冷却性能の向上

従来ステータと開発ステータの構造比較

さらに、絶縁性能を確保するために巻線の絶縁層の厚みを増すと、冷却性能はさらに低下する。つまり、絶縁性能と冷却性能（放熱性）はトレードオフの関係にある。

4－1

高電圧・大電流への取り組み

低誘電率巻線の開発

前述の式（1）からもわかる通り、比誘電率を下げるとPDIV [V]4.

3000

絶縁層の厚さを増やさず PDIV を向上させることができる。絶縁皮膜の比誘電率を大幅に下げる手法として、比誘2500
2000
1500
1000

電率が1.0の空気を皮膜に導入することが知られている。

絶縁紙とワニス (AI)
エポキシ樹脂 (PI)0.20.511.5

熱伝達率 [W/(m2・K)]

当社は巻線のポリイミド（PI）皮膜に、気泡を均一に、かつサイズを制御して導入する技術を開発した。この技術に

図2

PDIVと熱伝達率の改善

トラクションモータの性能向上を目的としたステータアーキテクチャ

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じ PDIV で熱伝達率が約3倍になっていることがわかる。こ= +10,9 %の結果、高電圧・大電流に対応したステータの開発に成功

トルク:
100%

冷却性能の検証

ステータの U、V、W 相にそれぞれ200A の直流電流をトルク:
110.9%

トルク:
100%

-9,6%

径方向の寸法は等しい

流した場合、今回開発したステータの最高温度は、従来方従来ステータ式のステータよりも4.0℃低くなることが熱解析の結果で判明した。この熱解析の結果を確認するため、独立した外

図4

積厚: 90,4%5.

積厚: 100%

した。

開発ステータ開発ステータ(従来ステータと同サイズ)(従来ステータと同トルク)

従来ステータとのトルクとサイズの比較部研究所による温度測定試験を実施した。この試験結果により、開発ステータの最高温度は、従来ステータよりも2.6℃低いことが確認された。これにより、熱解析結果の7.

正確性が確認できた。また、さらなる冷却性能を検証する

環境負荷物質の削減ため、1相400A の直流電流を流す熱解析を実施した。そさらなる調査により、今回開発したステータは、使用さの結果、開発ステータの最高温度は、従来ステータの最れる銅などの原材料の量だけでなく、トラクションモータ高温度よりも34.0℃低くなることが確認できた。さらに、で使用される環境に有害な物質の量も削減できることが確㈱オートネットワーク技術研究所内で温度測定試験を実施認できた。ステータ製造時のワニス乾燥をエポキシ樹脂にした。その結果により、開発したステータの最高温度は従置き換えることで、生産工程におけるトラクションモータ

来方式のステータの最高温度よりも39.3℃低いことが確認あたりの CO2排出量を約30％削減に貢献できる（図5）。

できた（図3）。これらの結果により、ステータの大幅な温度低減の効果を確認することに成功した。

従来ステータ開発ステータ

219.4

180.1

CO2 排出量 (%)

1000,2880

18,910,357080,81
従来ステータ

図5

図30,06050

最大温度：219.4℃

Scope 3 : 原材料
Scope 2 : 電気使用量
Scope 1 : 燃料使用量

9069,7

開発ステータCO2排出量の大幅削減

開発ステータにおける CO2 削減

最大温度：180.1℃

サーマルカメラで測定したステータ温度8.

結言

新たなステータアーキテクチャの開発により、モータサイ

6.

性能向上と小型化

ズと有害物質量の両方を削減できる。さらに、ワニスと絶縁が不要になるため、従来のモータ設計と比較して低コス占積率の増加と冷却性能の向上による温度の低下より、トを実現しながら高性能化できる可能性がある。現在、こステータ設計の自由度は大幅に向上する。これらの新しいの開発はまだ初期段階にあり、他の革新的な技術と同時に技術を組み合わせることで、今回開発したステータを適応克服すべき未解決の課題はある。しかしながら、今回の結したモータは従来のモータと比較して最大トルクを10.9％果を踏まえて、㈱オートネットワーク技術研究所は持続可増加させることを、磁気解析により確認することができた。

能なモビリティに向けたよりパワフルで、より高効率で、また、この結果を応用して、基準値に対する最大トルクをより低コストで、そして脱炭素化への需要に応えるための維持しながらモータを小型化した場合の効果についても検設計アプローチを自動車業界に提供していく。

証した。同一条件下でトルクがモータの積厚に比例すると考えると、同じ出力であれば長さを9.6％短縮できる。この比較を図4に示す。

トラクションモータの性能向上を目的としたステータアーキテクチャ

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用 語 集 ーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーー

執 筆 者 ーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーー※1

明上周 平＊ ：㈱オートネットワーク技術研究所

三次悠 介 ：㈱オートネットワーク技術研究所
グループ長

トラクションモータ

ハイブリッド自動車や電気自動車など駆動する電動機。主機モータとも言われる。
※2

占積率

モータのコアで、巻線が収まるスロットの断面積に対する巻線導体の断面積の比。これが大きいほど大きさあたりのモータの出力は大きくなる。
※3

部分放電開始電圧（PDIV）

巻線間で放電が開始する電圧。放電が発生した場合、絶縁

Volker Uwe Strueken：Sumitomo Electric Wiring
Systems Components andElectronics Europe Ltd.

皮膜が劣化しモータ寿命が短くなる恐れがある。
※4

比誘電率

森 野 慎 太 郎 ：㈱オートネットワーク技術研究所

絶縁体の分極のしやすさを示す値。比誘電率が低いと部分放電開始電圧（PDIV）が高くなる。
池田参 考 文 献（1）	赤津観、「EV/HV 用トラクションモータとインバータの今後の展開」、自動車技術会誌 Vol.76、No.6、pp. 46-53（2022年）（2）	辻孝誠 他、「インバータサージの伝搬と電動機内電圧の解析」、電気学会論文誌産業応用126巻、6号、pp. 771-777（2006年）（3）	太田槙弥、山内雅晃、溝口晃、吉田健吾、田村康、「HEV/EV 用駆動モータ向け平角線の開発」、SEIテクニカルレビュー第194号、pp. 41-45（2019年1月）（4）	S . Y a m a m o t o , A . N i s h i k a w a , T . H a r a d a , W . K o s a k a ,“Development of Direct Cooling Stator Structure Using High
Thermal Conductive Epoxy Molding Compounds.”In: 2022
International Power Electronics Conference (IPEC-Himeji2022- ECCE Asia), pp. 407-414（2022）

和 寛 ：Sumitomo Electric Industries
A u t o m o t i v e E u r o p e G m b H ,General Manager
博士（理学）

ーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーー＊主執筆者

トラクションモータの性能向上を目的としたステータアーキテクチャ

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