2018 Fiscal Year Research-status Report
極薄無方向性電磁鋼板を用いた高効率・高出力密度小型モータの開発
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18K04101
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| Research Institution | Ibaraki University |
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Principal Investigator |
祖田 直也 茨城大学, 理工学研究科(工学野), 准教授 (80323210)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | ベクトル磁気特性 / 鉄損 / 小型モータ / 高効率 / 高出力密度 / 固定子鉄心 / 形状設計 / 極薄電磁鋼板 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の課題は，極薄無方向性電磁鋼板を用いて高効率かつ高出力密度を有する小型モータの開発を目的とする。平成30年度は，解析に必要なベクトル磁気特性データベースを構築し，鉄損低減を可能とする固定子鉄心形状設計法および高出力密度化設計法を提案した。これまでの研究で固定子鉄心におけるティース先端およびバックヨーク内側のコーナー部にアールを付けることにより，磁束密度の流れを滑らかにし磁束密度の急激な変化を抑えることで鉄損低減を可能にすることを確認していた。そこで，本年度はコーナー部へのアール付けをベジェ曲線による曲線化に変更し，ティース先端からバックヨーク内側に対して連続的に滑らかな曲線で固定子鉄心を形状設計することにより，巻線領域を極端に減少させることなく鉄損低減可能な固定子鉄心形状を設計する方法を提案した。本手法を用いて小型モータの固定子鉄心形状の設計を行い，解析用ベクトル磁気特性データベースを考慮した有限要素解析により調査した結果，5%程度の鉄損低減効果を確認した。さらに，ベジェ曲線による固定子鉄心形状設計後にバックヨーク外側部に生じる低磁束密度領域を切取ることによりトルクを低下させずに固定子鉄心重量を削減させる高出力密度化設計法を提案した。本手法を小型モータに適用し解析を行った結果，初期の小型モータモデルに対して20～30%程度出力密度を向上させることが出来た。これらの研究は，平成30年10月のMAGDAコンファレンス（東京）や平成31年3月の電気学会全国大会（北海道）および電気学会マグネティックス研究会（大分）などで発表した。以上が，平成30年度の研究実績の概要である。
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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
本年度は鉄損低減を可能とする鉄心形状設計法を新しく提案し，さらに小型モータの高出力密度化設計法も同時に提案した。またそれらの手法により設計した固定子鉄心形状を使った小型モータの解析で5%程度の鉄損低減および20～30%程度の高出力密度化を確認した。そのため当初予定した以上の成果が得られたと考える。
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| Strategy for Future Research Activity |
鉄損低減のためのベジェ曲線による固定子鉄心形状設計に関しては最適な形状を決定していない。そこで，等積変形を利用して巻線領域を一定に保ったまま鉄損低減可能となる固定子鉄心形状の調査を行う。また高出力密度化のための固定子鉄心形状設計に関しても最適化は行っていない。これに関してはベクトル磁気特性を考慮した有限要素解析による固定子鉄心内の磁束密度分布および鉄損分布を詳細に調査し，バックヨーク外側部における低磁束密度領域をどの程度またどのような形状で切取るのが良いかを検討する。
本研究で用いているベクトル磁気特性を考慮した有限要素解析は，ベクトル磁気特性データベースを利用した非線形解析であり長時間の収束計算を必要とするため，メッシュモーフィング手法を用いた最適設計手法と組合せるには不向きである。そこで，効率改善に関しては本年度に提案した低鉄損・高出力密度化固定子形状設計とタグチメソッドのロバスト設計を組合せる事で，高出力密度かつ高効率な小型モータの設計を行う予定である。
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| Causes of Carryover |
ベクトル磁気特性の計測システムの改良を行うことにしたが、改良に必要なソフトウェアの選定に時間がかかってしまった。
必要なソフトウェアの選定は既に完了しているため次年度の早い時期に購入する。
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