2021.2.15 修士論文発表会 M20INO01
先進自動車研究所 令和２年度報告資料

統合電動駆動システム構築と車両外乱安定性に関する研究
神奈川工科大学
工学研究科 機械システム工学専攻
井上・小宮研究室
1984004 中沢 允
Kanagawa Institute of Technology, Vehicle System Engineering Dept., AD/ADAS Lab.

1目次
1. 背景； IED （Integrated Electric Drive system）とは？
2. 目的
3. 小型・高出力「駆動モータ」の設計
3.1 量産モータの性能予測に基づく目標設定
3.2 損失要因からの形状（軸長幅／外径比)の最適化
3.3 磁石配置のパラメータスタディとリラクアンストルクの最適化
3.4 進角制御での性能向上
3.5 総合的モータの設計結果

4. 外乱入力に対する IED ロバスト性に関する解析
4.1 従来型差動機構（従来デフ）の課題とIED
4.2 Matlab/Simulink Simscapeによる伝達特性の解析
4.3 シミュレーション結果と考察

5. まとめと今後

Kanagawa Institute of Technology, Vehicle System Engineering Dept., AD/ADAS Lab.

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1. 背景; ； IED （Integrated Electric Drive system）とは？
✓ 駆動モータ，新差動機構，T/M（減速機），駆動力配分機構が一体となった「統合電動駆動システム」✓ 新差動機構，駆動モータ軸，中間減速，駆動軸が全て平行軸で構成され，ギヤ噛合いを最適化✓ 駆動力配分モータ～駆動軸間の減速比を大きくとれる
一体化

Fig. 1 Conventional drive-train(4)久保愛三，杉谷伸芳：車両の駆動装置及び電気自動車 国際公開番号：WO 2020/250453

Fig. 2 Integrated electric drive system*4
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2. 目的① IEDの核となる駆動モータの小型・高出力を目指した最適設計の実施→シミュレーション（Speed）モデル作成による要因分析，磁場解析② IEDの高減速比構造による外乱入力に対する ロバスト性の明確化→Maltab/Simulink Simscapeモデル作成による伝達系解析② How is the robust effects of IED
on disturbances ?
① How is an optimal design of main
drive-motor performance and physique ?

？

？
？

設計目標（詳細後述）• リラクタンストルク比率；70[%]以上• 体積；5[L]以下• 最大トルク；270[Nm]• 最高速度；12,000[rpm]以上(180km/h相当）
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IED; Integrated electric drive system
43. 小型・高出力「駆動モータ」の設計

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3.1 量産モータの性能予測に基づく設計目標設定
最高レベルの３つ量産モータ（ EV/HV搭載）の基本諸元からシミュレーションモデルを作成し各性能を予測・分析→設計目標を設定
Type1（2009）-HV用
最高回転数：13480[rpm]
大径-軸長幅小（扁平型）

Φ264×50mm
Power：60[kW]Max. torque:207[Nm]Type2（2014）-EV用
最高回転数：12000[rpm]
大径-軸長幅

Type3（2015）-HV用
最高回転数：18000[rpm]
低トルク化で小型を実現(3)小外径で遠心力低減

Φ246×150mm
Power ：85[kW]Max. torque:270[Nm]Φ210×52mm
Power ：50[kW]Max. torque:200[Nm]Fig.3 Comparison of three mass production motors（3）春野健太郎他：小型ハイブリッド車用新型モータの開発，自動車技術会2016年春季大会学術講演会予稿集，p.1095-1099,2016年

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3.1 量産モータの性能予測に基づく設計目標設定リラクタンストルクとは？
•••ステータとロータ間の磁気抵抗による突極性により発生磁気抵抗を最小にするようトルクが働く同期モータ（回転磁界と回転子が同期）であるためこのトルクが発生し続ける．
磁気抵抗：磁場解析により磁束による磁気抵抗を改善
電流増加：進角制御により電流アップ

𝑇𝑟𝑒𝑙 =𝑚𝑝
𝐿𝑞 − 𝐿𝑑 𝐼𝑑 𝐼𝑞
2

Fig.4 principle of reluctance torque(1)m:相数P:対極数
Iq:q軸電流Lq:q軸インダクタンス

Ld:d軸インダクタンス
Id:d軸インダクタンス

Fig.5 Motor reluctance torque by simulation
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3.1 量産モータの性能予測に基づく設計目標設定
・体格の違うモータであるため単位体積当たりのトルク[Nm/L]で比較
・マグネットトルクとリラクタンストルクのトルク比率を比較→リアクタンストルクの比率を大きくすることでモータを 小型・高トルク化できる知見が得られた． →リアクタンストルク比率 70[%]以上を目標に設定
性能予測結果（シミュレーション）
1. Type3のモータが1[L]あたりのトルク[Nm/L]が最大
2. さらにType3はリラクタンス
トルク比率が59[%]と最大3. またType3は単位トルク当たりの磁石使用量が一番少ない
Fig.6 Comparison of torque output per motor volume and of magnet usage per unit torque

設計目標

••
•
•

リラクタンストルク比率；70[%]以上（Type3以上の効率）
体積；5[L]以下（Type2並みの最大トルクをType1,2の中間体積で）最大トルク；270[Nm]最高速度；12,000[rpm]以上(180km/h以上）

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3.2 損失要因からの形状（軸長幅／外径比)の最適化
同体積（５L）での形状違いによる損失を比較
・銅損と鉄損が主要因（他に，ヒステリシス損・渦電流損）→特に銅損が支配的である．
・大径-軸長小（φ300×70）が小径-軸長大（φ205×150）に比べ損失が少ない．
→同じ巻き数でも巻線長さが異なるため抵抗が増え銅損が増える．線径も小さくなる．
→同じ電磁鋼板だと積層数が多いほど鉄損増える．
・大径型は遠心力 大 → 高回転型に向かない．

𝑃𝑐 = 𝐼2 𝑅(2)ヒステリシス損𝑃ℎ = 𝑘ℎ 𝑓𝐵𝑚 2(3)渦電流損

𝑃𝑒 = 𝐾𝑒 𝑑𝑓𝐵𝑚 2 (4)

銅損

巻線抵抗

𝑅=𝜌𝐿
𝑆

(5)

→ Φ250×100 を選択
Fig.11 Comparison of copper and iron loss with different motor shapes
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3.3 磁石配置のパラメータスタディとリラクアンストルクの最適化
量産モータ分析に基づき磁石2層配列タイプを採用•

350[V]，3000[rpm]時の軸トルク出力値の最適値を抽出(FactorA)

Fig.7 Increasing shape of flux barrier length (Factor A)

𝑇𝑠ℎ𝑎𝑓𝑡 = 𝑇𝑔𝑎𝑝 −𝑀𝑒𝑐ℎ𝐿𝑜𝑠𝑠𝜔𝑚(6)𝑇𝑔𝑎𝑝 = 𝑇𝑒𝑖 + 𝑇𝑟𝑒𝑙(7)パラメータスタディにより246[Nm]，リラクタンストルク比率54.9[%]
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3.3 磁石配置のパラメータスタディとリラクアンストルクの最適化
外側の磁石配置の検討(Factor A)•

磁場解析シミュレーションにより磁束，磁束密度の飽和を解析•

磁石固定用リブを追加

2.3[T]

0[T]Fig.8 Magnetic flux density distribution result of Factor A in the outer layer

磁石の磁束が内周側へ漏れている

FactorMax. Torque[Nm]Factor A
246

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Reluctance Torque
Ratio[%]
54.9
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3.3 磁石配置のパラメータスタディとリラクアンストルクの最適化
外側の磁石配置の検討（Factor B の効果）

• 支持方法を変更し改善

2.3[T]
2.20[T]Fig.9 Magnetic flux density distribution result of Factor B in the outer layer

Factor

飽和磁束密度を超えている領域が存在

Max. Torque[Nm]Factor A
246
Factor B
265

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Reluctance Torque
Ratio [%]
54.9
58.1
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3.3 磁石配置のパラメータスタディとリラクアンストルクの最適化
外側の磁石配置の検討（Factor Cの効果）• フラックスバリア（磁束を通さない層）の幅を変更

6 mmから3 mmへ
2.3[T]
1.90[T]Fig.10 Magnetic flux density distribution result of Factor C in the outer layer

Factor

磁束の飽和を解消

Max. Torque[Nm]Factor A
246
Factor B
265
Factor C
277

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Reluctance Torque
Ratio [%]
54.9
58.1
62.9
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3.3 磁石配置のパラメータスタディとリラクアンストルクの最適化
Table 3 Reluctance torque improvement by factors

改良効果•

トルクとリラクタンストルク比率の推移•

トルク-回転数出力特性

FactorMax. Torque[Nm]Factor A
246
Factor B
265
Factor C
277

Reluctance TorqueRatio [%]
54.9
58.1
62.9

• 目標最大トルク270[Nm]を達成．
• しかしリラクタンストルク
比率 70[％]を未達．

加速限界• 約150[km/h]が限界となり不十分
9500(150km/h)
Fig.11 Improvement effect of motor torque by factors C
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3.4 進角制御での性能向上
進角制御•

d軸電流を誘起電圧より電気角を進めて流す制御•

d軸方向の磁束を減磁させることができ，誘起電圧を低くする•

電流を制御前より流すことができ最高回転数を上げることができる•

インバータ・電池の耐電圧を上げる必要がある

Fig.12 Principle of angle advance control

逆起電力を増大させないことを考慮し， Type3モータ（55[°]）より少ない制御量での目標達成を試みた
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3.4 進角制御での性能向上
35°～50°まで電気角を変更し，トルクを算出．

180km/hFig.18 Reluctance torque ratio improvement by total
improved motor

Fig.19 Advance angle control result• 50[°]でリラクタンストルク比率71.6[%]を達成• 45[°]で180[km/h]走行を達成
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3.5 総合的モータの設計結果
Type2と同等トルクを32%低減体積で達成することができ，小型高トルクのモータ設計を達成！
Table4 Improved motor specifications
設計項目
極数
スロット数
電圧[V]
最大出力[kW]
体積[L]最大トルク[Nm]リラクタンス
トルク比率[%]
最高回転数[rpm]
総質量[kg](水路含まず)電流密度[A/mm2]

達成結果
848350
120
4.95
277

目標
ーーーー5L以下
270以上

71.6

70%以上

12,00012,000以上

32.5

ー

15.6ー

Type1

Improved
motor

Type2

Type3

Fig.22 Volume-Torque plot

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3.5 総合的モータの設計結果•

小型高性能モータの設計によりIEDの搭載自由度が更に広がり，画期的PTを提案．

•

自動車駆動用の実用的な高効率 磁石型モータを出来た．

制御モータ

Φ250

駆動モータ

オフセットさせ100搭載性を確保歯車機構の外側にモータを配置

サスペンション設計の自由度
Fig.3 High installation ability of motor in IED
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4. 外乱入力に対する IED ロバスト性に関する解析Kanagawa Institute of Technology, Vehicle System Engineering Dept., AD/ADAS Lab.

194.1 従来型差動機構（従来デフ）の課題
２つの走行条件を設定．
（A） 高速走行中に左輪が，瞬時インパルス的（0.5sec間）に，μ=0.15路面を通過（B） 0km/hから50Nm駆動トルク加速中に，左輪が低μ路走行（跨ぎ路）
Open diff. （A）の場合，Open diff．は，低μ輪で一瞬，反力トルクを失い，スリップ～反力復帰
課題
過程で，車速（駆動力）の低下と，外乱による不安定をもたらす．

（B）では，スリップ輪で反力を失い，デフにより差動しトルクが逃げて加速できない.
（トラクションコントールシステムが必要理由）．
(A) 120km/h走行時 0.5sec間左輪が低μ=0.2

μ変化

直進時

接地
反力

左輪低μ

加速駆動トルク；50[Nm]（A）高速時 瞬時片輪外乱条件（B）0km/h発進加速中_片輪低μ路条件

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4.2 Matlab/Simulink SimscapeによるIED伝達特性の解析
・IEDは，Open deff.に比べ，高減速比がとれる．
(1) 逆入力特性；タイヤ入力から見て，制御モータ慣性モーメントが大きく，外乱に対して動きにくい．
(2) 正入力特性；制御モータの小さなトルクで応答性の良い左右トルク配分制御が可能．
→Simscapeシミュレーションを使い，(A)(B)走行条件での左右の車輪トルクと回転速度差を解析．
① Open Diff.
Tire

Divemotor

reducer

② IED
Tire

Tire

Total gear ratio≒9.25μ変化

左右制御モータ

駆動モータ

IED構成図Divemotor

reducer

Tire

Total gear ratio
接地≒9.25μ変化

接地gear ratio≒50
Diff Controlmotor⊿Rotational difference
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⊿Rotational difference214.2 Matlab/Simulink SimscapeによるIED伝達特性の解析
Simscapeにて物理モデルを作成(1) Open diff., IEDのモデル化(2) Drive shaft, Tire model, 各慣性モーメントもモデル化
Open diff.

Fig. Drive shaft modelOpen diff.

IED

Fig. Simulation modelFig. IED model
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4.3 シミュレーション結果と考察（A）高速時 瞬時片輪低μ条件

・Open diff.に比べ，IEDでは，低μ輪の接地が抜ける時，復帰時の両方でタイヤトルクの変動が大幅に低減されている．
→制御モータの慣性モーメントが外乱に対して変動を抑える効果がある．
① Open Diff.

変動トルク大；→従来デフの現象に傾向が合っている．

(A) 120km/h走行時 0.5sec間左輪が低μ=0.2② IED（制御モータ慣性モーメントのみ）

変動トルク小；→制御モータ慣性モーメントの効果大

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4.3 シミュレーション結果と考察 （B）0km/h発進加速中_片輪低μ路条件
・（B）条件でも，IEDは，制御モータ慣性モーメントを定義しただけで，Open diff.に比べ，低μ輪／高μ輪の左右回転数差は,270rpm→150rpmと大幅に減少．
→外乱に対して左右伝達がロバストな系になっていると言える．

800

Open Rightspeed

IED Rightspeed

Speed[rpm]600

Speed[rpm]600（B）0km/h発進加速中_片輪低μ路条件② IED（制御モータ慣性モーメントのみ）① Open Diff.
800

加速駆動トルク；50[Nm]400400200150rpm

200270rpm

000510Time[s]15200Kanagawa Institute of Technology, Vehicle System Engineering Dept., AD/ADAS Lab.

510Time[s] 152024正入力特性の確認；
IED制御モータにトルク10[Nm]を負荷

4.3 シミュレーション結果と考察

・（B）条件で，制御モータから正入力特性を確認．
・226[Nm]という大きなタイヤ駆動力を制御モータでの10[Nm]の小トルクで差動制限まで持っていける．
→正入力に対しても，従来にはない制御性能をもっていると言える．
800

加速駆動トルク；50[Nm]（B）0km/h発進加速中_片輪低μ路条件

500
400

Wheel Ttrque[Nm]Wheel speed[rpm]

IED Right speed Lock
IED Left speed Lock

600

300

400

IED Right torque Lock
IED Left torque Lock

200200100000510Time[s]15200510Time[s] 1520Fig. Control performance on active torque differential
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5. まとめと今後
１．統合電動駆動システム；IEDの核となる最高水準の「小型・高出力駆動モータ」の設計を完結できた．
・シミュレーションを駆使した要因分析/磁場解析の実施
・量産モータの性能予測による設計目標の設定
・設計目標を全て達成した高スペックなモータ完成→体格；φ250×100（4.95L)，リラクタンストルク比率；71.6%，
最大出力トルク；277Nm，最高回転数；12,000rpm（180km/h）

２．IEDの高減速比と新差動機構から，制御モータ慣性モーメントが外乱入力に対し従来にないロバスト性をもつことが解析できた．
・逆入力に動かされ難く，正入力で制御性の良いトルク配分機能であること
・Maltab/Simulink Simscapeモデル作成による伝達系解析の達成→今後，IEDの詳細な動特性解析を進め，車両性能向上を予測していく．
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