AlおよびCu導体を考慮した回転子バーおよびケージ数がハイブリッド電気自動車の非同期牽引モーターの性能に及ぼす影響

この紹介資料の内容は、[ICEMG 2023]が発行した論文「"Effects of Rotor Bar and Cage Numbers Considering Al and Cu Conductors on The Performance of Asynchronous Traction Motors in Hybrid Electric Vehicles"」に基づいています。

1. 概要:

• タイトル: AlおよびCu導体を考慮した回転子バーおよびケージ数がハイブリッド電気自動車の非同期牽引モーターの性能に及ぼす影響
• 著者: A. Mousaei, N. Rostami, M. B. Bannae Sharifian
• 発行年: 2023年
• 発行ジャーナル/学会: The Second International Conference on Electrical Motors and Generators - ICEMG 2023
• キーワード: 電気自動車、かご形回転子、トラクションモーター、回転子スロット、始動トルク

2. 概要:

電気自動車は、そのトルクプロファイルのおかげで比類のない体験を提供します。電気自動車は、都市内走行サイクル（頻繁な始動-停止）を考慮する場合、効率/性能の関係に敏感に対処することで最適化する必要があります。非同期モーターは、電気自動車で一般的に使用されています。固定子/回転子の形状、スロット数、使用材料などのパラメータは、効率/性能の関係において非常に重要です。本研究では、主に都市部で使用される電気自動車で使用される非同期モーターを設計することにより、モーター性能に対する固定子/回転子スロット数の変化の影響に焦点を当てました。その後、単層および二重層かご形構造で、銅またはアルミニウムのかご形材料がモーター性能に及ぼす影響を取得しました。最初に設計されたモーターは、初期トルク値が96.26 Nmであるのに対し、最適化されたモーターは、効率値と熱制限が変更なしに19.82％向上し、115.34 Nmの値を持っています。分析結果によると、二重層、34/46構造、およびアルミニウム材料を使用したかご形非同期モーターが、初期トルクで最高の性能を示しました。

3. 導入:

技術の発展により、人間の生活をより快適にする高効率で環境に優しい製品を設計および使用することが可能になりました。電気自転車や電気自動車は日々使用が増加しており、最高の例の1つです[1, 2]。自動車産業の発展と並行して、クリーンエネルギー源とエネルギー効率に関する研究により、電気自動車（EV）技術が加速しました。石油資源はほぼ枯渇状態にあり、車両用の代替推進システムに関する研究が強化されています。この研究の結果、車両への電気モーターの使用が問題になっています[3-6]。電気モーターは、駆動システムの最も重要な要素として定義できます。今日、電気自動車にはさまざまな種類の駆動モーターが使用されています。EVでは、主に非同期モーター（AM）および同期モーター（SM）（永久磁石型と突極型）、場合によってはDCモーターおよびスイッチトリラクタンスモーター（SRM）がトラクションに使用されます。磁石技術の進歩により、PMモーターの効率が向上しました。しかし、磁性材料の高価格と減磁のリスクは、依然として永久磁石モーターの欠点です。DCモーターは線形速度トルク曲線を持っていますが、整流子とブラシ構造を持っているという事実は、EVの使用を制限しています[7-9]。SRMでは、出力トルクの変動がEVでの使用を制限しています[10, 11]。メンテナンスの必要性が低く、制御が容易、高温耐性、製造が容易、低コストであるため、AMは最も好ましいモーターの1つです[12-14]。EV用電気モーターを比較する研究では、6種類の電気機械が比較されました。効率、重量、コスト、冷却、最高速度、故障許容度、安全性、耐久性の点で、AM、SRM、ブラシレスDCモーター、ブラシ付きDCモーター、SMを最も適切な電気モーターの選択のために検討しました。分析の結果、AMはSRMに次いで効率、重量、コストの点でEVで使用できる電気モーターであると判断されました[15]。GilinskyとAbu-Rubは、AMで駆動されるプロトタイプEVに関する実験を実施しました。DC電圧で駆動される三相かご形非同期モーターがシステムで使用されています。かご形非同期モーターの使用は、電気モーターよりもEVでより有利であることが判明しました[16]。MishraとSahaは、3.5kW AMを設計し、定常状態および過渡状態で磁気および電気分析を実行しました[17]。Kimらは、電気自動車用に設計した非同期モーターで、エアギャップと回転子バーの形状を最適化することにより、始動点および動作点特性を達成しました[18]。回転子スロット構造を調査した研究の最初の1つで、半閉鎖スロット構造を持つ非同期モーターのスロット上部にウェッジを追加することにより、エアギャップリラクタンスを低減しました。したがって、固定子電流と鉄損が減少します。さらに、機械の振動レベルが低下しました[19]。別の構造分析では、二重かご形および単一かご形非同期モーターの性能を調査しました。その結果、二重かご形構造は始動電流が低いことが判明しました。電流が低いため、銅損が減少し、モーターの効率が向上します[20]。回転子スロット構造が電流高調波に及ぼす影響を調べたところ、開放スロット非同期モーターでは、閉鎖回転子スロット構造よりも5次および7次高調波がはるかに高いことが判明しました[21]。異なるスロット数を調査した研究では、回転子スロット数は24、28、30、40、41、48と決定され、非同期モーターの性能を分析しました。28構造では効率が最も優れていますが、力率が低く、40構造では力率が最も高いですが、効率が低くなっています。41構造は、他の構造と比較して比較的平均的な性能を持ち、48スロット回転子は最高のトルクと電力を提供することが判明しました[22]。

4. 研究の概要:

研究テーマの背景:

効率的で環境に優しい輸送への需要の高まりが、EV技術の開発を推進しています。非同期モーターはEV駆動システムの重要なコンポーネントであり、その性能は固定子/回転子の形状、スロット数、材料の選択などの設計パラメータに大きく影響されます。特に頻繁な始動-停止動作が特徴の都市部走行サイクルでは、これらのパラメータを最適化することがEVトラクションモーターの効率と性能を向上させるために不可欠です。

以前の研究の状況:

以前の研究では、さまざまなモータータイプの比較、エアギャップと回転子バーの形状の最適化、単一および二重かご形回転子構造の分析など、EV用の非同期モーター設計のさまざまな側面を探求してきました。研究では、回転子スロット構造が電流高調波に及ぼす影響や、さまざまな回転子スロット数がモーター性能に及ぼす影響も調査しています。ただし、固定子/回転子スロット数組み合わせ、回転子ケージ構造（単一対二重）、回転子導体材料（アルミニウム対銅）の複合効果を同時に考慮した包括的な分析が文献に不足しています。

研究の目的:

本研究の主な目的は、特に都市部電気自動車用に設計された非同期モーターの始動トルクと公称動作効率を最適化することです。本研究では、さまざまな固定子-回転子スロット数組み合わせを調査し、単一および二重ケージ回転子構造を比較します。さらに、アルミニウムと銅を回転子導体材料として使用することが、モーター全体の性能に及ぼす影響を調べます。本研究は、これらの変数を組み合わせて考慮することにより、EVアプリケーションの非同期モーターに最適な回転子構造を特定することを目的としています。

コアスタディ:

本研究の核心は、さまざまな固定子/回転子スロット数組み合わせ（36/26、36/28、36/30、36/34、36/44、36/46）と単一および二重かご形回転子構造を使用して非同期モーターを設計および分析することです。分析は、ケージ材料としてアルミニウムと銅の両方を使用して実施されます。評価される性能指標には、効率、定格トルク、始動トルクが含まれます。本研究では、有限要素解析（FEA）を活用して、さまざまなモーター構成の電磁性能をシミュレーションおよび比較します。初期設計はNEMAクラスBモーターの特性に基づいており、最適化は始動トルクを最大化し、高い効率を維持することに重点を置いています。

5. 研究方法

研究デザイン:

本研究では、比較シミュレーションベースの設計研究を採用しています。初期モーター設計パラメータは、解析的手法を使用して確立しました。回転子スロット数とケージ構造（単層および二重層）を変更することにより、さまざまな非同期モーター構成を設計しました。かご形ケージには、アルミニウムと銅の2つの材料を検討しました。固定子スロット数は36で一定に保ちました。調査した回転子スロット数は、26、28、30、34、44、46です。単一および二重ケージ回転子設計の両方を、各スロット数組み合わせおよび材料について分析しました。

データ収集と分析方法:

性能データは、有限要素解析（FEA）シミュレーションを通じて収集しました。シミュレーションのために、モーターの2Dおよび3Dモデルを作成しました。シミュレーションから抽出された主要な性能指標には、効率、定格トルク、始動トルク、回転子抵抗損失が含まれます。トルク-速度特性と相電流波形も分析しました。次に、結果をさまざまな回転子スロット数、ケージ構造、および導体材料にわたって比較して、最適な構成を決定しました。

研究テーマと範囲:

本研究は、電気自動車トラクションアプリケーション用のかご形非同期モーターの電磁性能分析に焦点を当てています。範囲は次のとおりです。

• 単一および二重ケージ回転子構造の両方で、モーター性能に対するさまざまな回転子スロット数の影響を調査します。
• 単一および二重ケージ構成の両方で、アルミニウムおよび銅回転子導体の性能を比較します。
• 都市部EVアプリケーション向けに高い効率を維持しながら、始動トルクを向上させるための回転子設計の最適化。
• さまざまなモーター設計のトルク-速度特性と磁束密度分布の分析。

6. 主な結果:

主な結果:

• 最適な回転子構成: 二重層、34/46構造、およびアルミニウム材料を使用したかご形非同期モーターが、初期トルクの点で最高の性能を示しました。
• 始動トルクの向上: 最適化されたモーター（二重ケージ36/46アルミニウム）は、初期の単一ケージ36/30設計（96.26 Nm）と比較して19.82％増加した115.34 Nmの始動トルクを達成し、効率を損なうことはありませんでした。
• 効率: 効率値は、単一および二重ケージ設計の両方で、さまざまな回転子スロット数にわたって比較的一貫して維持されました。最適化された二重ケージ36/46アルミニウムモーターは、初期設計と同様に86.6％の効率を維持しました。
• 材料の影響: アルミニウムケージモーターは、銅ケージモーターと比較して、回転子抵抗と始動トルクが高くなりました。銅ケージモーターは、回転子損失は少ないものの、始動トルクは低くなりました。
• スロット数の影響: 固定子スロット数を一定に保ちながら回転子スロット数を増やすと、一般的に単一および二重ケージ設計の両方で始動トルクが増加しました。二重ケージ回転子モーターは、同じ固定子/回転子スロット組み合わせの単一ケージモーターよりも始動トルクが高いことを示しました。
• 磁束密度: FEA分析の結果、最適化された設計はコア材料で適切な磁束密度を維持し、初期設計（図7）と比較して回転子ティースで磁束密度が減少しました。

図のリスト:

• 図1. スロット構造
• 図2. 初期設計のモデル（1-固定子、2-巻線、3-回転子、4-かご形回転子）：a）2D、b）3D
• 図3. 単一かご形回転子のトルク-速度特性曲線
• 図4. 二重かご形回転子のトルク-速度特性曲線
• 図5. トルク-速度特性曲線 a）単一かご形、b）二重かご形
• 図6. モーターモデル a）初期設計、b）最適化されたモーター
• 図7. 磁束密度分布、a）初期設計、b）最適化された設計
• 図8. トルク-速度特性曲線
• 図9. 過渡状態におけるモーターの相電流波形

7. 結論:

本研究は、回転子設計を最適化し、特に36/46固定子/回転子スロット組み合わせの二重ケージ構造を採用し、ケージ材料としてアルミニウムを利用することにより、電気自動車用非同期モーターの始動トルクを大幅に向上させることができることを示しています。最適化された設計は、高い効率を維持しながら、始動トルクの実質的な向上を達成します。研究結果は、慎重に選択されたスロット数を持つ二重ケージアルミニウム回転子非同期モーターが、頻繁な始動-停止動作と高い始動トルクを必要とする都市部EVアプリケーションに最適であることを示唆しています。本研究は、回転子設計パラメータとモーター性能の間のトレードオフに関する貴重な洞察を提供し、効率的で高性能な非同期トラクションモーターの設計に関するガイダンスを提供します。

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