この紹介論文の内容は、[電気自動車アプリケーションで使用される誘導電動機の解析と有限要素法を用いたアルミニウムローターバーと銅ローターバーの比較]論文を[Publisher]が発行した内容に基づいています。
1. 概要:
- タイトル: Analysis of Induction Motor Used In Electric Vehicle Applications and Comparison of Copper Rotor Bars with Aluminium Rotor Bars Using Finite Element Method
- 著者: Doğukan Ayhan
- 発行年: 2023
- 発行学術誌/学会: (明記されていません)
- キーワード: Induction Motor, Aluminium Rotor Bars for Induction Motor, Copper Rotor Bars for Induction Motor, Analysis, Optimization, Finite Element Method, Electric Vehicle, ANSYS Motor-CAD
2. 抄録:
本論文では、まずTesla Model Sの誘導電動機の解析を行い、次にTesla Model Sの誘導電動機のローターバーの解析と比較のために2つの材料を使用しました。これらのローターバーの材料タイプは、アルミニウムと銅です。Tesla Model Sの誘導電動機ローターバーに対する2つの異なる材料の長所と短所を比較しました。最後に、解析と比較に基づいて評価と推論を行いました。
3. 序論:
本論文は、Tesla Model Sの誘導電動機を熱的および電磁的に解析し、有限要素法を用いてアルミニウムローターバーと銅ローターバーを比較することを目的としています。Tesla Model S誘導電動機の利用可能なすべてのデータを使用します。
今日、電気自動車に適したモーターを選択することは、電気自動車技術において非常に重要であり、モーターのすべての部品を考慮する必要があります。ローターバーの材料選択は、かご形誘導電動機の効率、温度、重量に直接影響するため、かご形誘導電動機の設計プロセスにおいて重要な部分です。Tesla Model Sのかご形誘導電動機を解析し、2つの異なる材料で作られたローターバーを持つ2つのローターを調べ、比較します。これらの比較されたロータータイプの長所と短所は、記事に記載されています。最初のモデルは銅ローターバータイプであり、2番目のモデルはかご形誘導電動機用のアルミニウムローターバータイプです。アルミニウムと銅を比較すると、銅はアルミニウムよりも39％導電性が高くなっています。一方、アルミニウムは銅よりも70％軽量です。したがって、モーターの重量が重要であり、コストが重要なアプリケーション領域では、ローターバーの材料選択においてアルミニウム材料が好ましい場合があります。焼きなまし銅の密度は8.933g/cm³で1083°Cで溶融し、鋳造アルミニウムの密度は2.95 g/cm³で660.3 °Cで溶融します。これらのデータはANSYS Motor-CADで利用できます。焼きなまし銅と鋳造アルミニウムの電気抵抗率は20°Cで1.724x10-8 Ωmと3.3x10-8 Ωmであり、これらの材料の抵抗率は材料の基準抵抗率として知られており、基準抵抗率は任意の温度で材料の抵抗を計算するための重要なパラメータです。「アルファ」（a）定数は、材料の抵抗温度係数として知られており、温度変化の度合いあたりの抵抗変化係数を象徴し、焼きなまし銅と鋳造アルミニウムの熱抵抗係数は3.93x10-3と3.75x10-3です。材料の抵抗は、式（1）によって任意の温度で計算できます。
R = Rref [1 + a(T – Tref)] (1)ここで、Rは温度「T」での材料の抵抗、Rrefは20°Cでの材料の電気抵抗率、aは1/°C単位の温度抵抗係数、Tは°C単位の温度です。
4. 研究の要約:
研究テーマの背景:
電気自動車（EV）技術におけるモーター選択の重要性が高まっており、特にローターバーの材料選択がモーターの効率、温度、重量に大きな影響を与えています。
既存研究の現状:
既存の研究では、さまざまなローターバー材料の長所と短所を比較し、特定のアプリケーションに適した材料選択に関する考慮事項を提示しました。
研究目的:
本研究は、Tesla Model Sの誘導電動機を解析し、ローターバー材料としてアルミニウムと銅を使用して性能を比較することを目的としています。
コア研究:
有限要素法（Finite Element Method）を使用して、Tesla Model S誘導電動機の熱的および電磁的特性を解析し、アルミニウムローターバーと銅ローターバーの性能を比較します。
5. 研究方法論
研究デザイン:
Tesla Model S誘導電動機をモデル化し、ローターバー材料をアルミニウムと銅に変更してシミュレーションを実行します。
データ収集と分析方法:
ANSYS Motor-CADソフトウェアを使用して有限要素解析を実行し、効率、トルク、損失などの性能指標を比較分析します。
研究テーマと範囲:
本研究は、Tesla Model S誘導電動機のローターバー材料による性能変化を分析することに焦点を当てています。
6. 主な結果:
主な結果:
- 銅ローターバーを使用したかご形誘導電動機は、アルミニウムローターバーを使用したかご形誘導電動機よりも性能が優れています。
- アルミニウムローターバーを使用すると、モーターの重量を減らすことができますが、銅ローターバーよりも損失が大きくなります。
- コスト面では、アルミニウムが銅よりも安価です。
図リスト:
- Fig.2.Winding pattern of stator
- Fig.3.IM 2D radial view
- Fig.4.IM 2D axial view
- Fig.5.FE model Efficiency map of first model
- Fig.6.FE model mechanical power map of first model
- Fig.7. 2D FE model with flux density levels and field lines of first model
- Fig.8.Mechanical power map of the maximum normal operation region of first model
- Fig.9.Back EMF waveforms of first model
- Fig.10.Inductances of first model
- Fig.11.Total losses and rotor cage losses maps of first model
- Fig.12. The price change plot of copper and aluminum elements [6]
- Fig.13.Efficiency map of second model
- Fig.14.Mechanical power map of the maximum normal operation region of first model
- Fig.15.The total losses and rotor cage losses maps of second model
- Fig.16.The lumped circuit nodal temperatures
- Fig.17.The 2-D steady state thermal analysis of first model for rotor
- Fig.18.The 2-D steady state thermal analysis of second model for rotor
7. 結論:
すべての状況に最適なローター材料を選択することは不可能です。解析の結果、銅ローターバーを備えたかご形誘導電動機は、予想どおり、アルミニウムローターバーを備えたかご形誘導電動機よりも優れた性能を発揮します。今日、銅のコストは重要です。したがって、かご形誘導電動機アルミニウムバーのケージ内にある銅導体バーの代わりに、次の利点があるため、さまざまなアプリケーションで推奨できます。
銅ローターバーを備えたかご形誘導電動機の重量は、アルミニウムローターバーを備えたかご形誘導電動機よりも大幅に重く、コストも高くなります。ただし、最初の（Fig.5）および2番目のモデル（Fig.13）の効率マップからわかるように、総損失が少ないため、銅バーを備えたかご形誘導電動機は、アルミニウムバーを備えたかご形誘導電動機よりもはるかに効率的です。
その結果、全体的な重要な利点により、銅ローターバーは、効率と熱の点で電気自動車アプリケーション用の誘導電動機の実装に最適な選択肢となります。
8. 参考文献:
- [1] Staton, D.A.; Goss, J. Open source electric motor models for commercial EV & Hybrid traction motors. Presented at Coil Winding, Insulation & Electrical Manufacturing Exhibition (CWIEME), Berlin, Germany, 20-22 June 2017.
- [2] M. Popescu, J. Goss, D. A. Staton, D. Hawkins, Y. C. Chong and A. Boglietti, "Electrical Vehicles-Practical Solutions for Power Traction Motor Systems," in IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 54, no. 3, pp. 2751-2762, May-June 2018.
- [3] H. Koke, "Comparative study of stranded and bar windings in an induction motor for automotive propulsion applications.", M.A.Sc thesis, McMaster University, Hamilton, Ontario, Canada, Aug. 2017.
- [4] Motor Design Limited, "Tesla Model S 60 benchmarking overview_V2," Ricardo eStore, 2013. [Online]. Available: https://estore.ricardo.com/en/tesla-model-s-60-benchmarking-overview---c-23-c-70-p-244. [Accessed: 03-Sep-2022].
- [5] J. Goss, M. Popescu, D. Staton, D. Hawkins and A. Boglietti, "Electrical vehicles practical solutions for power traction drive systems," 2017 IEEE Workshop on Electrical Machines Design, Control and Diagnosis (WEMDCD), 2017, pp. 80-88, doi: 10.1109/WEMDCD.2017.7947728.
- [6] E. Brocklehurst, "Scrap metals and auto recycling commodity performance August 2021," Advanced Remarketing Services, 21-Feb-2022. [Online]. Available: https://ec2-34-193-100-78.compute-1.amazonaws.com/low-value-vehicle-outlook-july-2021-2/. [Accessed: 11-Nov-2022].
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