2017 Fiscal Year Research-status Report
磁性材料の革新的活用技術を用いたステータモジュール型バーニアモータの開発
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17K06308
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| Research Institution | Oita University |
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Principal Investigator |
戸高 孝 大分大学, 理工学部, 教授 (50163994)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
佐藤 尊 大分大学, 理工学部, 助教 (90647554)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 電気機器工学 / 電子・電気材料 / 磁性 / 計測工学 / 金属物性 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，低鉄損磁性材料を用いた軽量・高効率モータの開発支援技術の構築を目的として，薄帯磁性材料の巻鉄心カットコアを利用したステータモジュール型ラジアルバーニアモータを開発する。低鉄損磁性材料が開発されてもその低い加工性や熱処理の困難性から，現状のモータ材料に置き換えることが難しい実状がある。そこで，材料を有効活用できる構造での加工組み立てを実現するために以下の検討を行った。①応力依存磁気特性の正確な把握とシミュレーション技術の構築，②低応力加工技術の開発，③応力制御焼鈍技術の開発。④試作機の製作による実証。
平成２９年度は，①応力依存磁気特性の正確な把握とシミュレーション技術の構築ため，アモルファス積層試料に対する高周波励磁が可能な磁気試験器を設計・製作し，アモルファス磁性材料並びに電磁鋼板の応力依存磁気特性を測定しデータベースを作成した。磁気試験器としてはダブルヨークの縦型と横型を試作しその測定精度の検証を行い，横型を最終的に採用した。並行して，独自開発の電磁界解析ソフトを用いてステータモジュール型バーニアモータの概要設計を行い，アモルファス磁性材料を用いた場合の低損失化を検証し，国際会議(Intermag 2018)に投稿した。また，②低応力加工技術の開発のため，耐熱接着剤を使用した積層鉄心ならびに巻鉄心により，加工方法と接着・積層試料の磁気特性の関係を明らかにした。③応力制御焼鈍技術の開発に向けて，応力下・磁場中熱処理装置を用いて，無方向性電磁鋼板とアモルファス磁性材料の応力下・磁場中熱処理を行って，磁気特性の回復や改善についての知見を得た。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
平成２８年度に，分割コアを利用することで効率よく磁気変調により空間高調波を発生できることから，分割コア型のバーニアモータを考案し，主に電磁界解析により特性計算を行ってきた。その結果，高速運転時の鉄損を低下させる目的で方向性電磁鋼板やアモルファス磁性材料で作製したカットコアの利用が可能であること，カットコアは組立前に焼鈍ができること，モジュール化により製作工程が簡易になるなどの利点が考えられた。
平成２９年度は，薄帯磁性材料の巻鉄心カットコアを利用したステータモジュール型ラジアルバーニアモータの構造設計のため，①独自開発の電磁界解析ソフトを用いて特性解析を行い，カットコア間ギャップの影響や材料の磁気特性が高周波鉄損に与える影響を明らかにした。試作機としては10Nmの平均トルクを目標値とし，モータ体格やコア寸法並びに巻線仕様を決定した。また，②低応力加工技術の開発のため，積層ならびに曲げ応力下の磁気特性を測定し，それらの試料に磁場中熱処理を行った後の磁気特性と比較検討した。さらに，③応力制御焼鈍技術の開発に向けて，応力下・磁場中熱処理を行い，無方向性電磁鋼板とアモルファス磁性材料の磁気特性の回復や改善についての知見を得た。以上の検討結果の一部は国際会議(Intermag 2018)に投稿した。
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| Strategy for Future Research Activity |
①初年度に得られた応力依存磁気特性の測定結果を基に応力下磁気特性の数値モデリングを構築する。これまで，応力ベクトル磁気特性のモデリングを開発してきたが，今回は巻鉄心利用で長手方向のみとなる。使用するパラメータ数を削減してニュートンラプソン法などの非線形アルゴリズムが適用できるようにする。数値モデルを独自開発の有限要素解析コードに組み込むことで，モータの損失や効率を高精度に予測できるようにする。各種低鉄損磁性材料を仮定したモータコア形状を細かく変えた解析結果を比較検討して試作機の仕様を決めていく。
②低応力加工技術の開発のため，形状や径を変えた巻鉄心材と接着積層材の磁気特性を評価し，各種整形条件での残留応力の影響を明らかにするとともに，熱処理の有無による磁気特性の変化を明らかにする。
③巻鉄心や単板並びに積層材に対して応力下・磁場中熱処理を行って得られた磁気特性を，磁区観察やX線回折で得られた微細データ等を参考にして評価・分析し，残留応力の緩和や異方性の発現，ならびに磁気特性の改善方法を明らかにする。また，接着方法や熱処理雰囲気の影響も合わせて検討を行い，最適な熱処理条件を明らかにする。
④以上の結果を基に試作するステータモジュール型バーニアモータの仕様を決定し，電気系設計をシミュレーション中心に行う。試作機に使用する鉄心材料は②，③の検討結果を精査して決定する。また，試作機を用いた無負荷ならびに負荷特性試験を行い解析結果と比較し検証を行う。
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