2013 Fiscal Year Research-status Report

スイッチドリラクタンス発電機の試作、試験

Research Project

Project/Area Number	25630103
Research Category	Grant-in-Aid for Challenging Exploratory Research
Research Institution	Tokyo Institute of Technology
Principal Investigator	千葉明東京工業大学, 理工学研究科, 教授 (30207287)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	杉元紘也東京工業大学, 理工学研究科, 助教 (60613552)
Project Period (FY)	2013-04-01 – 2015-03-31
Keywords	スイッチドリラクタンス / SR発電機 / ハイブリッド自動車 / 小型 / 低コスト / 高ケイ素鋼板
Research Abstract	昨年度は，（１）目標とするIPM発電機の寸法，重量，特性を満たすSR発電機の設計，解析，と（２）試作，実機測定を行った。上記（１）について，SR発電機の設計に当たり，まずターゲットとなるIPM発電機の特性を知る必要があるため，IPM発電機の動作頻度の高い出力および回転数の解明を行った。エンジン回転数と車速のデータを参考にし，IPM発電機の回転数を推定した。その結果，9000 r/minや10000 r/min付近の使用頻度が高いことが明らかになった。特に走行モードによって運転速度がかなり広く変更になることが明らかになった。最大出力は42 kWであることが明らかになり，回転数10000 r/min，出力42 kWのポイントでの効率を重視したSR発電機の設計を行った。１８／１２の多極化，６．５％高ケイ素鋼板を用いた低鉄損材料の適用，巻線の直列数と並列数の工夫を行い，試作機を設計した。目標のIPM発電機と比較して，SR発電機は体積を12 %低減することができた。これまで，希土類永久磁石をもつ発電機に対して,SR発電機は大きくなる，あるいは重くなることが一般的であったが，SR発電機のほうが小さくできることを明らかにしたことは，これまでに無い，画期的な研究結果である。これまでは等しい大きさで同等のSR電動機が実現できることを報告していたが，SR機のほうが小さくできることが明らかになったことはレアアース問題の解決だけでなく，今後のハイブリッド自動車の小形化，低コスト化を進展する結果である。（２）については，当初計画よりスムーズに研究が進んだため，前倒し支払い請求を行い，試作機の製作および実機試験を行った。実サイズのSR発電機を試作し，設計通りに巻線等を巻回し，試作機を製作することに予定通り成功した。さらに，静止時の試験を行い，さらに，10000r/minまでの高速回転で実負荷試験を行った。実負荷試験の結果についてはデータを詳細に解析する必要がある。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 1: Research has progressed more than it was originally planned. Reason 昨年度の研究実施計画は，（１）目標とするIPM発電機の寸法，重量，特性を満たすSR発電機の設計および解析，（２）目標IPM発電機の鉄損の実機測定であった。上記（１）について，現物の寸法，重量測定を行い，IPM発電機の構造を明らかにした。さらに，エンジン回転数と車速から，動作頻度の高いIPM発電機の回転数を推定した。明らかになったIPM発電機の構造について動作頻度の高い点で解析を行い，目標性能を明らかにした。SR発電機の設計については，多極化，低鉄損材料の適用，巻線の直列数と並列数の工夫を行い，IPM発電機と比較して，体積を12 %低減することができた。設計が順調に進んだため，さらに，計画を前倒して，試作機の製作と試験を実行した。このため，予算の前倒し申請を行い，前倒し予算が認可されたので，実サイズの試作機の製作を行った。設計通りのスイッチドリラクタンスモータを製作することが可能であることを示した。また，静止状態での試験，１万ｒｐｍまでの実負荷試験を行った。上記（２）について，IPM発電機の無負荷鉄損の測定を行い，IPM発電機の解析と実機の鉄損誤差を明らかにした。また，ハイブリッド自動車に搭載した場合のエネルギー効率を計算した。SR発電機は，高速回転時の効率が高い，空転時の磁石の引きずり鉄損が発生しない特長があるため，US06などの高速走行モードで，IPM発電機より高効率であることが明らかになった。上記のように有益な新しい知見が得られている状況であり，当初計画以上に順調に進展している。
Strategy for Future Research Activity	今年度は，昨年度の実験結果を分析し，以下の研究を行う。（１）昨年度に製作した試作機を改良する。（２）IPM発電機とSR発電機の走行モードでのエネルギー効率を比較する。上記（１）について，昨年度の実験結果は，解析結果と比較して出力が小さく，鉄損が大きく増加していた。SR発電機は，固定子直径に対して積厚が小さく扁平構造である。したがってコイルエンド部での軸方向の漏れ磁束の影響が顕著になり，出力低下を引き起こす原因となる。また，回転子のエンドプレートで鉄損が発生し，鉄損の算出値が増加していたと予想される。したがって，本年度は以下の改良を検討し，性能向上を図る。（a）回転子の積厚を固定子に対して延長しオーバーハングさせることで出力の向上を試みる。（b）回転子のエンドプレートを薄板に改良し，渦電流損を低減する。上記（２）について，改良されたSR発電機の出力および効率を測定した後，実験結果を用いて走行モードでのエネルギー効率を算出する。さらに，IPM発電機とSR発電機の効率マップを作成し評価する。