Development of Claw Pole Motor for ISG based on Deterioration Prediction of Iron Core due to Machining Process by using Crystal Grain

• Project/Area Number: 19J20572
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Review Section: Basic Section 21010:Power engineering-related
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 羽根 吉紀 東北大学, 工学研究科, 助教
• Project Period (FY): 2019-04-25 – 2022-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥3,100,000 (Direct Cost: ¥3,100,000); Fiscal Year 2021: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000); Fiscal Year 2020: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000); Fiscal Year 2019: ¥1,100,000 (Direct Cost: ¥1,100,000)
• Keywords: クローポールモータ / 磁気回路網解析（RNA） / 鉄損 / 磁歪力 / 磁気ヒステリシス / 表皮効果 / プレイモデル / Cauer回路 / マイナーループ / 磁気回路網解析 / 開磁路 / LLG方程式 / 磁気特性予測 / 磁気回路法

Outline of Research at the Start

本研究の目的は，電磁鋼板の加工時の応力による磁気特性の劣化まで考慮したISGシステム用クローポールモータの最適設計手法の確立と，さらなる高性能化の達成である。
初めに，電磁鋼板の加工劣化予測手法を構築する。具体的には，加工を施した電磁鋼板の結晶配向を観測し，得られた情報を，磁性体内部の磁化の挙動や分布を表現可能なLLG方程式に与えることで，実測せずに，任意の大きさの応力を加えた電磁鋼板の磁気特性を算定する。
その後，モータ鉄心各部の加工劣化まで考慮したクローポールモータの最適設計を行う。さらに，実証機の試作・実験を行い，最適設計手法の妥当性と有用性を明らかにする。

Outline of Annual Research Achievements

本年度は，前年度に引き続き，ISGシステム用クローポールモータの最適設計を目的として，磁気回路網解析（RNA）に基づく，磁気ヒステリシスや表皮効果を含む鉄損や，モータの振動の原因となる磁歪力を高精度に算定可能な手法の確立に関する検討を行った。
まず，鉄損の算定については，前年度には磁気ヒステリシスを表現可能なプレイモデルと表皮効果の影響を考慮可能なCauer回路を取り入れた磁気回路モデルを提案したが，本年度は本モデルを改良し，表皮効果の影響を磁気回路素子のみで表現可能な磁気回路モデルを導出した。さらに，モータなどより複雑な形状を有する機器への適用を目指して，本手法をRNAに発展させ，スイッチトリラクタンスモータや永久磁石モータの解析を行った。その結果，提案RNAモデルによる鉄損など基礎特性の計算値は実測値と良好するとともに，計算時間も比較的短時間であることから，本提案手法の妥当性と有用性を明らかにした。
次いで，磁歪力の算定については，前年度に提案した鉄心のRNAモデルより求めた各部の磁束密度分布より磁歪力を近似計算する手法を用いて，本年度はステップラップ接合構造を有する積層鉄心の解析を行った。その結果，鉄心全体のRNAモデルは，有限要素法（FEM）と同等の精度で，なおかつ非常に短時間で計算可能であることを明らかにした。さらに，全体RNAモデルより得られた結果をステップラップ接合部の部分RNAモデルに入力して解析を行うことで，接合部の局所的な磁束密度および磁歪力の分布をより詳細に模擬可能であることを明らかにした。

Research Progress Status

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Hysteresis Modeling for Power Magnetic Devices Based on Magnetic Circuit Method (2022)
  • Author(s): Y. Hane
  • Journal Title: Journal of the Magnetics Society of Japan Volume: 46 Issue: 2 Pages: 22-36
  • DOI: 10.3379/msjmag.2203RV001
  • NAID: 130008166326
  • ISSN: 1882-2924, 1882-2932
  • Year and Date: 2022-03-01
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Dynamic Hysteresis Modeling Taking Skin Effect into Account for Magnetic Circuit Analysis and Validation for Various Core Materials (2022)
  • Author(s): Y. Hane and K. Nakamura
  • Journal Title: IEEE Transactions on Magnetics Volume: 58 Issue: 4 Pages: 7300412-7300412
  • DOI: 10.1109/tmag.2022.3145101
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Reluctance Network Model of Interior Permanent Magnet Motor with Polar Anisotropic Magnet (2021)
  • Author(s): Y. hane and K. Nakamura
  • Journal Title: Journal of the Magnetics Society of Japan Volume: 45 Issue: 5 Pages: 125-130
  • DOI: 10.3379/msjmag.2109R002
  • NAID: 130008082676
  • ISSN: 1882-2924, 1882-2932
  • Year and Date: 2021-09-01
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] A Novel Reluctance Network Model Applicable for Open Magnetic Circuits (2021)
  • Author(s): Y. Hane, K. Sugahara, and K. Nakamura
  • Journal Title: Journal of the Magnetics Society of Japan Volume: 45 Issue: 4 Pages: 112-117
  • DOI: 10.3379/msjmag.2107R006
  • NAID: 130008060717
  • ISSN: 1882-2924, 1882-2932
  • Year and Date: 2021-07-01
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] A Consideration of Magnetostriction Force Calculation for Transformer Core by Using Reluctance Network Analysis (2021)
  • Author(s): Y. Hane, K. Nakamura, and N. Kurita
  • Journal Title: Journal of the Magnetics Society of Japan Volume: 45 Issue: 3 Pages: 56-60
  • DOI: 10.3379/msjmag.2105R009
  • NAID: 130008033369
  • ISSN: 1882-2924, 1882-2932
  • Year and Date: 2021-05-01
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Hysteresis Analysis under DC-Bias by using Magnetic Circuit Model Combined with Play Model (2021)
  • Author(s): 細野雄也，羽根吉紀，中村健二
  • Journal Title: Transaction of the Magnetics Society of Japan Special Issues Volume: 5 Issue: 1 Pages: 27-31
  • DOI: 10.20819/msjtmsj.21TR301
  • NAID: 130008033619
  • ISSN: 2432-0471
  • Year and Date: 2021-05-01
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Prediction Accuracy Improvement of Magnetic Properties of Heavy Rolled Silicon Steel Sheet by using LLG Equation (2020)
  • Author(s): 羽根吉紀，中村健二，川瀬剛志， 細川徳一，栗本直規
  • Journal Title: Transaction of the Magnetics Society of Japan Special Issues Volume: 4 Issue: 1 Pages: 57-61
  • DOI: 10.20819/msjtmsj.20TR403
  • NAID: 130007839706
  • ISSN: 2432-0471
  • Year and Date: 2020-05-01
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Dynamic Hysteresis Modeling for Magnetic Circuit Analysis by Incorporating Play Model and Cauer’s Equivalent Circuit Theory (2020)
  • Author(s): Y. Hane and K. Nakamura
  • Journal Title: IEEE Transactions on Magnetics Volume: 56 Issue: 8 Pages: 6703306-6703306
  • DOI: 10.1109/tmag.2020.3004355
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] LLG方程式による高圧延加工された電磁鋼板の磁気特性予測精度向上に関する検討 (2020)
  • Author(s): 羽根吉紀，中村健二， 川瀬剛志，細川徳一，栗本直規
  • Journal Title: 日本磁気学会論文特集号 Volume: -
  • NAID: 40022701855
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Prediction Method of Magnetic Properties in Magnetic Core due to Machining Process by Using LLG Equation (2019)
  • Author(s): 羽根吉紀，中村健二，吉岡卓哉， 川瀬剛志，石川智一
  • Journal Title: Transaction of the Magnetics Society of Japan Special Issues Volume: 3 Issue: 1 Pages: 90-94
  • DOI: 10.20819/msjtmsj.19TR318
  • NAID: 130007641702
  • ISSN: 2432-0471
  • Year and Date: 2019-05-01
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Reluctance Network Model of Three-Phase-Laminated-Core Variable Inductor Considering Magnetic Hysteresis Behavior (2019)
  • Author(s): Y. Hane, K. Nakamura, T. Ohinata, and K. Arimatsu
  • Journal Title: IEEE Transactions on Magnetics Volume: 55 Issue: 7 Pages: 8401306-8401306
  • DOI: 10.1109/tmag.2019.2900527
  • Peer Reviewed
• [Presentation] A Novel Reluctance Network Analysis Applicable for Open Magnetic Circuits (2022)
  • Author(s): Y. Hane, K. Sugahara, and K. Nakamura
  • Organizer: MMM-INTERMAG 2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Iron Loss Calculation Method of Interior Permanent Magnet Motor Taking Carrier Harmonics into Account Based on Reluctance Network Analysis Representing Dynamic Hysteresis Characteristics (2022)
  • Author(s): Y. Hane and K. Nakamura
  • Organizer: MMM-INTERMAG 2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] myRIOによる簡易波形制御技術を用いた磁気特性測定システムの開発 (2022)
  • Author(s): 川口正隆，羽根吉紀，中村健二
  • Organizer: 電気学会マグネティックス研究会
• [Presentation] LLG方程式による直流ヒステリシスループの計算精度に関する諸検討 (2022)
  • Author(s): 渡部樹，羽根吉紀，中村健二
  • Organizer: 電気学会静止器/回転機合同研究会
• [Presentation] リラクタンスネットワーク解析に基づく大容量変圧器のステップラップ接合部における磁歪力算定法 (2022)
  • Author(s): 羽根吉紀，中村健二，小林千絵，栗田直幸
  • Organizer: 電気学会静止器/回転機合同研究会
• [Presentation] 磁気ヒステリシスと磁気余効が加速器用電磁石の発生磁場に与える影響に関する実験的検討 (2022)
  • Author(s): 浦田知希，恩知誼武，菅原賢悟，羽根吉紀，中村健二，石禎浩
  • Organizer: 電気学会静止器/回転機合同研究会
• [Presentation] 磁気回路法に基づく電気機器のヒステリシス解析技術 (2022)
  • Author(s): 羽根吉紀，中村健二
  • Organizer: 2022年電子情報通信学会総合大会
  • Invited
• [Presentation] Reluctance Network Model of Switched Reluctance Motor Considering Magnetic Hysteresis Behavior (2021)
  • Author(s): Y. Hane, K. Mitsuya, and K. Nakamura
  • Organizer: INTERMAG 2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Dynamic Hysteresis Modeling Considering Skin Effect for Magnetic Circuit Analysis (2021)
  • Author(s): Y. Hane and K. Nakamura
  • Organizer: INTERMAG 2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 簡略化の仮定を取り入れたLLG方程式の計算精度に関する一考察 (2021)
  • Author(s): 渡部樹，羽根吉紀，中村健二
  • Organizer: 電気学会A部門大会
• [Presentation] 簡易波形制御技術を用いた磁気特性測定システムの開発 (2021)
  • Author(s): 川口正隆，羽根吉紀，中村健二
  • Organizer: 電気学会A部門大会
• [Presentation] 動的ヒステリシス特性を表現可能な磁気回路モデルを用いた種々の鉄心材料の解析 (2021)
  • Author(s): 羽根吉紀，中村健二
  • Organizer: 電気学会A部門大会
• [Presentation] リラクタンスネットワーク解析に基づく埋め込み磁石モータの特性算定手法に関する基礎検討 (2021)
  • Author(s): 羽根吉紀，内山裕太郎，中村健二
  • Organizer: 電気学会静止器/回転機合同研究会
• [Presentation] 動的ヒステリシス特性を表現可能な磁気回路網モデルによる埋込磁石モータのキャリア高調波まで考慮した鉄損算定 (2021)
  • Author(s): 羽根吉紀，内山裕太郎，中村健二
  • Organizer: 電気学会静止器/回転機合同研究会
• [Presentation] 簡略化の仮定を取り入れたLLG方程式の計算精度向上に関する基礎検討 (2021)
  • Author(s): 渡部樹，羽根吉紀，中村健二
  • Organizer: スピニクス特別研究会
• [Presentation] 磁気ヒステリシスが加速器用電磁石のギャップ磁場に与える影響に関する基礎検討 (2021)
  • Author(s): 浦田知希，菅原賢悟，羽根吉紀，中村健二，石禎浩
  • Organizer: 電気学会 静止器/回転機合同研究会
• [Presentation] プレイモデルを取り入れたスイッチトリラクタンスモータの磁気回路網モデル (2021)
  • Author(s): 羽根吉紀，三ツ谷和秀，中村健二
  • Organizer: 電気学会 静止器/回転機合同研究会
• [Presentation] Dynamic Hysteresis Modeling for Magnetic Circuit Analysis by Incorporating Play Model and Cauer’s Equivalent Circuit Theory (2020)
  • Author(s): Y. Hane and K. Nakamura
  • Organizer: INTERMAG 2020
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] プレイモデルとCauer回路を取り入れた磁気回路法に基づく種々の鉄心材料のヒステリシス解析 (2020)
  • Author(s): 羽根吉紀，中村健二
  • Organizer: 電気学会 静止器/回転機合同研究会
• [Presentation] 開磁路に適用可能な磁気回路網解析 (2020)
  • Author(s): 羽根吉紀，中村健二
  • Organizer: 電気学会 静止器/回転機合同研究会
• [Presentation] リラクタンスネットワーク解析による変圧器用鉄心の磁歪力算定に関する一考察 (2020)
  • Author(s): 羽根吉紀，中村健二，栗田直幸
  • Organizer: 日本磁気学会学術講演会
• [Presentation] プレイモデルを組み込んだ磁気回路モデルによる直流重畳リアクトルのヒステリシス解析 (2020)
  • Author(s): 細野雄也，羽根吉紀，中村健二
  • Organizer: 日本磁気学会学術講演会
• [Presentation] リラクタンスネットワーク解析に基づく変圧器用鉄心の磁歪力算定に関する基礎検討 (2020)
  • Author(s): 羽根吉紀，中村健二，栗田直幸
  • Organizer: 電気学会静止器/回転機合同研究会
• [Presentation] プレイモデルを組み込んだ磁気回路モデルによる直流重畳リアクトルの解析 (2020)
  • Author(s): 細野雄也，羽根吉紀，中村健二
  • Organizer: 電気学会静止器/回転機合同研究会
• [Presentation] 磁気回路法に基づく最新の損失算定技術 (2020)
  • Author(s): 中村健二，羽根吉紀
  • Organizer: 電気学会全国大会
• [Presentation] Dynamic Hysteresis Modeling for Magnetic Circuit Analysis by Incorporating Play Model and Cauer’s Equivalent Circuit Theory (2020)
  • Author(s): Y. Hane and K. Nakamura
  • Organizer: Intermag2020
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 磁気ヒステリシスを考慮可能な磁気回路モデルを用いた直流重畳リアクトルの解析 (2019)
  • Author(s): 細野雄也，羽根吉紀，中村健二
  • Organizer: 電気関係学会東北支部連合大会
• [Presentation] プレイモデルとCauer回路を取り入れた磁気回路モデルを用いたマイナーループの算定精度向上に関する検討 (2019)
  • Author(s): 羽根吉紀，中村健二
  • Organizer: 電気学会A部門大会
• [Presentation] LLG方程式による高圧延加工された鉄心の磁気特性の予測精度向上に関する検討 (2019)
  • Author(s): 羽根吉紀，中村健二，川瀬剛志， 細川徳一，栗本直規
  • Organizer: 電気学会静止器/回転機合同研究会
• [Presentation] プレイモデルとCauerの等価回路理論を取り入れた磁気回路解析 (2019)
  • Author(s): 羽根吉紀，中村健二
  • Organizer: 電気学会静止器/回転機合同研究会
• [Presentation] LLG方程式を用いた磁気特性の加工による変化の予測精度向上に関する検討 (2019)
  • Author(s): 羽根吉紀，中村健二，川瀬剛志， 細川徳一，栗本直規
  • Organizer: 日本磁気学会学術講演会
• [Presentation] プレイモデルとCauerの等価回路理論を取り入れた磁気回路モデル (2019)
  • Author(s): 羽根吉紀，中村健二
  • Organizer: マグネティックス/モータドライブ/リニアドライブ合同研究会