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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: 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。

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