電気自動車アプリケーション用BLDCモータの性能向上

本入門資料は、"[電気自動車アプリケーション用BLDCモータの性能向上]"（"[www.isteonline.in]"発行）という論文に基づいています。

1. 概要:

• タイトル: 電気自動車アプリケーション用BLDCモータの性能向上
• 著者: Sohel Mulla, Paridhi Dahake, Pranav Shelke, Yogesh B. Mandake, Deepak S. Bankar
• 発行年: 2023年7月
• 発行ジャーナル/学会: www.isteonline.in, Vol. 46, Special Issue
• キーワード: Ansys maxwell software, BLDC モータ, コントローラ, 効率, 電気自動車, 性能向上, シミュレーション, 速度トルクパラメータ

2. 抄録:

今日の技術的に進んだ社会において、人々はますます現代的で便利、かつ環境に優しい選択肢を求めています。この傾向が特に顕著な分野の1つは輸送産業です。従来のガソリン動力車は、環境に深刻な脅威をもたらすCO2排出に大きく貢献しているためです。したがって、電気自動車（EV）への関心が、最近、その環境上の利点、高いエネルギー効率、および低騒音により高まっています。DCモータ、誘導モータ、永久磁石同期モータ、スイッチトリラクタンスモータ、およびブラシレスDCモータは、過去に電気自動車で使用されてきたさまざまな種類の電気モータです。しかし、ブラシレスDCモータは、その高出力密度、高い出力重量比、瞬時の速度制御、および高い効率性により、電気自動車にとって最も効率的な選択肢です。本論文では、Ansys Maxwell RMxprtを使用したシミュレーションを通じてBLDCモータの性能を向上させるためのさまざまな方法論を提案することにより、500W、2000rpm、および48V定格のブラシレスDCモータの分析を提示します。Ansys Maxwellを使用して、トルク、損失、トルクリップル係数、電力、および効率などのさまざまな設計パラメータをシミュレーションします。

3. 序論:

電気自動車（EV）の導入は、現在の燃料自動車に取って代わるものであり、輸送システムは新たなレベルの輸送システムへと進歩するでしょう。ガソリン車から電気自動車への転換は、既存の汚染問題の緩和に役立つでしょう。環境汚染を削減するための継続的な努力により、電気自動車市場は近年拡大しています。燃料資源が枯渇するにつれて、エネルギー効率の高い電気ドライブの使用が化石燃料に取って代わると予測されています。EVは、ICE（内燃機関）[8]と比較して環境への負荷が最も少ないです。政府のシンクタンクであるNITI AAYOGによると、EVは2030年までにインドのCO2排出量を1ギガトン削減できる可能性があります。電気自動車、特にバッテリ駆動の電気自動車の効率を向上させるためには、電力電子システムと制御技術が効果的である必要があります[1]。永久磁石モータ、誘導モータ、スイッチトリラクタンスモータ、または電気自動車で機能できるあらゆる種類の機械装置を使用することが提案され、調査されてきました。現在、BLDCモータは、産業界、特に自動車分野で広く使用されています[2]。過去数十年にわたり、電気自動車の開発は、信頼性の高い電気モータアクチュエータの需要を生み出しました。電気自動車のアクチュエータは、高い抵抗、シンプルな設計、および高速での動作能力のためにBLDCモータを検討する必要があります。

4. 研究の概要:

研究テーマの背景:

従来のガソリン動力車に関連する環境への懸念の高まりと、持続可能な輸送への世界的な推進により、電気自動車への関心が高まっています。BLDCモータは、効率と性能における固有の利点により、EV推進のための有望な技術として認識されています。

先行研究の状況:

DCモータ、誘導モータ、永久磁石同期モータ（PMSM）、およびスイッチトリラクタンスモータ（SRM）を含む、さまざまな種類の電気モータがEVアプリケーション向けに検討されてきました。しかし、BLDCモータは、その高出力密度、効率、および制御性により際立っています。先行研究では、EV性能を最適化するための効果的な電力電子システムと制御戦略の必要性が強調されています。

研究の目的:

本研究は、特に電気自動車アプリケーション用のBLDCモータの性能特性を分析し、向上させることを目的としています。研究は、シミュレーションツールを使用した設計パラメータの最適化を通じてモータ性能を向上させることに焦点を当てています。

コアスタディ:

本研究の核心は、500W、2000rpm、および48V定格のBLDCモータの性能分析を含みます。Ansys Maxwell RMxprtソフトウェアを活用して、研究はモータ性能に対するさまざまな設計パラメータの影響を調査します。調査対象の主要な性能指標には、トルク、損失、トルクリップル係数、電力、および効率が含まれます。この研究では、これらのパラメータを最適化し、EVアプリケーション用のBLDCモータの全体的な性能を向上させるためのさまざまな方法論を探求します。

5. 研究方法論

研究デザイン:

本研究では、シミュレーションベースの設計アプローチを採用しています。Ansys Maxwell RMxprtソフトウェアを利用して、BLDCモータの性能をモデル化およびシミュレーションします。この方法により、初期段階で物理的なプロトタイプを作成する必要なく、さまざまな設計パラメータとそのモータ特性への影響を分析できます。

データ収集と分析方法:

データは、Ansys Maxwell RMxprtで実施されたシミュレーションを通じて収集されます。固定子および回転子の材料、ワイヤゲージ、エアギャップなどのさまざまな設計パラメータが、シミュレーション環境内で変更されます。ソフトウェアは、効率、速度、トルク、および損失などの主要な性能指標に関するデータを計算して提供します。次に、このデータを分析して、各パラメータの変動がBLDCモータの性能に与える影響を評価します。

研究テーマと範囲:

本研究は、次のテーマを調査することにより、BLDCモータの性能向上に焦点を当てています。

• 材料の最適化: 損失を最小限に抑え、効率を向上させるために、さまざまな固定子および回転子材料を分析します。検討された材料には、冷間圧延鋼板、アルミニウム鋼板、および提案された鋼板（Steel_1010、Steel_1008、M43_29G、DW540_50）が含まれます。
• ゲージサイズの変動: モータ性能、特に効率とトルクに対するさまざまなワイヤゲージサイズの影響を評価します。22〜18 AWGのワイヤゲージを検討します。
• エアギャップ調整: トルク、効率、および速度特性に対するエアギャップ変動の影響を調査します。0.6mmから0.375mmの範囲のエアギャップをシミュレーションします。
• コギングトルク低減技術: スキューイングや磁極成形などの方法を検討してコギングトルクを緩和しますが、シミュレーション結果は主に材料と寸法の最適化に焦点を当てています。

6. 主な結果:

主な結果:

シミュレーション結果は、材料の選択、ワイヤゲージ、およびエアギャップの最適化がBLDCモータの性能に大きな影響を与えることを示しています。

• 材料の選択: Steel_1010は、好ましい固定子および回転子材料として特定され、85.259％の効率、1986.66rpmの速度定格、および2.40307N.mのトルク定格で、総損失は86.438Wでした（表2）。
• ワイヤゲージ: 21 AWGのワイヤゲージを使用すると、85.259％の効率、1986.66rpmの速度定格、および2.40307N.mのトルク定格で、総損失は86.438Wでした（表3）。ゲージサイズを小さくすると、効率と速度は向上しましたが、トルクは低下しました。
• エアギャップ: 0.6mmのエアギャップは、85.259％の効率、1986.66rpmの速度定格、および2.40307N.mのトルク定格で、総損失は86.438Wでした（表4）。エアギャップを大きくすると、一般的にトルクと効率は向上しましたが、速度は低下しました。
• 最適化されたBLDCモータ構成は、2000rpmの定格速度で85.259％の効率を達成し（図3）、2000rpmで0.49kWの出力電力（図4）と、定格速度で2.40307Nmの出力トルク（図5）を提供しました。

表 2: BLDC固定子および回転子材料の比較

表 3: BLDCモータのワイヤゲージ比較

表 4: BLDCモータのエアギャップ比較

図の名前リスト:

• Fig. 1. Ansys Maxwell BLDC 2-D simulation
• Fig. 2. BLDC driver circuit
• Fig. 3: Efficiency vs Speed
• Fig. 4. Output Power vs Speed
• Fig. 5. Output Torque vs Speed
• Fig. 6. Material consumption data
• Fig. 7: Full load operation data

7. 結論:

本研究では、シミュレーションベースの最適化を通じて、電気自動車アプリケーション用のBLDCモータの性能向上を実証することに成功しました。Ansys Maxwell RMxprtを使用して、固定子および回転子の材料、ワイヤゲージ、およびエアギャップを体系的に変化させ、分析することにより、研究は、モータ効率、速度、およびトルク特性を大幅に向上させる最適な設計パラメータを特定しました。結果は、固定子および回転子にSteel_1010、21 AWGワイヤゲージ、および0.6mmのエアギャップが、検討中の500W、48V BLDCモータに優れた性能バランスを提供することを示しています。達成された85.259％の効率は、BLDCモータが、電力比に優れ、追加のコンバータを必要としないEV用の非常に効率的な推進ソリューションとしての可能性を強調しています。本研究は、材料の選択と寸法の最適化が、損失を最小限に抑え、電気自動車アプリケーション用のBLDCモータの全体的な性能を向上させる上で重要な要素であることを示唆しています。

8. 参考文献:

• [1] Pallavi Rodge, Kantilal Joshi, "Electric Vehicles in India: Current Status, Future Trend and Environmental Impact". 2018 International Conference on Smart Electric Drives & Power System.
• [2] Vishnu Sidharthan P, Yashwant Kashyap, "Brushless DC Hub Motor Drive Control for Electric Vehicle Applications", 2020 First International Conference on Power, Control and Computing Technologies (ICPC2T)
• [3] Nasser Hashernnia and Behzad Asaei "Comparative Study of Using Different Electric Motors in the Electric Vehicles" Proceedings of the 2008 International Conference on Electrical Machines.
• [4] Mustafa Yaz and Emrah Cetin, "Brushless Direct Current Motor Design and Analysis" DOI - 10.31031/ COJEC.2021.02.000534, https://www.researchgate.net/publication/35510 7964,
• [5] Praveenkumar CHANDRAN*, Kaliamoorthy MYLSAMY, Prabha UMAPATHY, “Conceptual Design and Material Analysis of BLDC Motor Using FEA Tools for Electric Vehicle Applications" https://doi.org/10.17559/TV- 20210425201219.
• [6] Y.B. Adyapaka Apatya, Aries Subiantoro and Feri Yusivar "Design and Prototyping of 3- Phase BLDC Motor", 2017 IEEE. DOI - 978-602- 50431-1-6/17
• [7] Pranoti K. Khanke and Sangeeta D. Jain “Comparative Analysis of Speed Control of BLDC Motor Using PI, Simple FLC and Fuzzy – PI Controller” International Conference on Energy Systems and Applications (ICESA 2015).
• [8] Shivam Tiwari and S. Rajendran "Four Quadrant Operation and Control of Three Phase BLDC Motor for Electric Vehicles" 2019 IEEE, DOI - 978-1-5386-7434-5/19
• [9] Ramachandran R, Ganeshaperumal D & Subathra B "Closed-loop Control of BLDC Motor in Electric Vehicle Applications” 2019 IEEE, DOI - 978-1-7281-4407-8/19.
• [10] T. A. Anuja, Arun Noyal Doss M., R. Senthilkumar, Rajesh K. S., (Member, Ieee), And R. Brindha "Modification of Pole Pitch and Pole Arc in Rotor Magnets for Cogging Torque Reduction in BLDC Motor" September 2022, DOI-10.1109/ ACCESS.2022.3217233

9. 著作権:

• This material is a paper by "Sohel Mulla, Paridhi Dahake, Pranav Shelke, Yogesh B. Mandake, Deepak S. Bankar". Based on "Performance Enhancement of BLDC Motor for Electric Vehicle Applications".
• Source of the paper: [DOI URL] (Note: DOI URL is not provided in the paper).

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