JP2013119295A - ハイブリッド自動車用モータの性能解析方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ハイブリッド自動車用のモータ設計にあたって、モータを試作してモータ試験装置を使用してモータ性能評価ならびにモータ設計を行うことなしに、コンピュータシミュレーションを用いてモータの性能評価ならびにモータ設計を行う簡便かつ安価な、ハイブリッド自動車用モータの性能解析方法を提供することを目的とする。
【解決手段】車両走行シミュレータを用いて、所望の登坂性能を具有させるために必要となるモータ最大トルクと所望の追い越し・加速性能を具有させるために必要となるモータ最高出力とを算出する第１ステップと、最大トルク、最高出力性能を具有するモータを設計する第２ステップと、モータの動作点を求める第３ステップと、モータの鉄損マップ、銅損マップをそれぞれ等高線マップの形で作成する第４ステップと、所望のモード走行時モータの鉄損、銅損の平均値を求める第５ステップとを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ハイブリッド車用モータの性能解析に関するものである。

かつてモータとしては、構造が単純で堅牢であることから誘導モータが広く使用され、使用条件も商用周波数による定速運転が一般的であった。そして、モータ鉄心用鋼板の選択にあたっては、例えば、特許文献１では、W15/50（周波数50Hz、磁束密度15ｋGにおける鉄損値、単位W／kg）を評価指標として選択を行っている。このように、商用周波数における性能を評価指標とした材料選定方法を採ることが一般的であった。

ところが昨今、環境問題・省エネルギーに対する関心の高まりとともに、モータの高効率運転が志向されるようになった。家電、エアコン用途など多くの分野では、磁石を使った高効率モータが使用されるようになり、運転条件もかつては一般的であった商用周波数・定速運転から、インバータ電源を用いた可変速運転へと広く切り替わっている。

さらに最近では、電気モータがハイブリッド自動車や電気自動車で広く使用されるようになってきている。しかしながら、自動車では頻繁に加減速を繰り返すことから、自動車分野で使用されるモータの動作点は、一定でなく時間の経過とともに複雑に変化する。

このように複雑な動作条件で使用されるモータでは、上述した特許文献１における場合のように、特定のモータ動作点のみにおけるモータ性能評価に従って、モータ鉄心用電磁鋼板の選択を行う方法は適切な方法とはいえないため、現在さまざまな工夫がなされている。

例えば、特許文献２では、自動車の走行モードデータに従ってモータを駆動運転させることのできるモータ試験装置を用いてモータ性能試験を実施することが行なわれている。

以下に、[発明を実施するための形態］で引用するものもあわせて、先行技術文献を記す。

特開２００５−３１２１５５号公報 特開平８−２４８１０４号公報

「仮想パワートレインモデルの開発」、口田ら、三菱自動車テクニカルレビュー、２００２、Ｎｏ．１４、ｐ２０−２６

しかしながら、モータ性能試験を実施するためには、上述した特許文献２に詳述されているように複雑なモータの駆動制御、負荷制御が必要であり、これを実現するための試験装置は複雑かつ高価なものとならざるを得ない。さらに、自動車の走行モードが複雑になるに従い、モータ試験も複雑かつ長時間を要する大掛かりなものとなってしまうという課題がある。

本発明では、これら従来技術の問題点に鑑み、ハイブリッド自動車用のモータ設計にあたって、モータを試作して複雑かつ高価なモータ試験装置を使用してモータ性能評価ならびにモータ設計を行うことなしに、コンピュータシミュレーションを用いてモータの性能評価ならびにモータ設計を行う簡便かつ安価な、ハイブリッド自動車用モータの性能解析方法を提供することを目的とする。

上記課題は、以下の発明によって解決できる。

［１］ ハイブリッド自動車に対してその基本走行性能が指定されている場合の、ハイブリッド自動車用モータの性能解析方法であって、
登坂走行と追い越し・加速走行時のエンジン動作、モータ動作、減速ギア動作のコンピュータシミュレーションが行える車両走行シミュレータを用いて、所望の登坂性能を具有させるために必要となるモータ最大トルクと、所望の追い越し・加速性能を具有させるために必要となるモータ最高出力とを算出する第１ステップと、
該第１ステップで得られた最大トルク、最高出力性能を具有するモータを設計する第２ステップと、
該第２ステップで設計したモータを搭載して走行する車両が所定の走行モードで走行する場合のエンジン動作、モータ動作、減速ギア動作のコンピュータシミュレーションが行える車両走行シミュレータを用いてモータの動作点を求める第３ステップと、
前記第２ステップで設計したモータの鉄損マップ、銅損マップをそれぞれ等高線マップの形で作成する第４ステップと、
前記第３ステップで求めた所望のモード走行時モータ動作点群の各動作点に対応するモータ鉄損、銅損を前記等高線マップの内・外挿により求め、逐次積算平均することで所望のモード走行時モータの鉄損、銅損の平均値を求める第５ステップとを有することを特徴とするハイブリッド自動車用モータの性能解析方法。

［２］ 上記［１］に記載のハイブリッド自動車用モータの性能解析方法において、
モータの鉄心に使用する電磁鋼板の複数候補について、
第４・５ステップを繰り返し行って得られたモータの鉄損と銅損との合計を比較して、最も低損失となる電磁鋼板を選定する第６ステップを有することを特徴とするハイブリッド自動車用モータの性能解析方法。

本発明によれば、ハイブリッド車用モータの性能評価を行うにあたって、車両の走行性能からモータスペックを決定するステップからモータの性能解析を行うステップまでの全ステップを全てコンピュータシミュレーションによって実施することができるので、モータを実際に試作してモータ試験装置を用いて評価を行う場合に比較して、試作の時間・手間と費用、複雑で高価なモータ試験装置を導入使用する手間と費用が省略でき、低コストでかつ迅速・容易にモータ性能を評価することができる。

また、前記［２］の手段を用いることで、モータを実際に試作してモータ試験装置を用いて評価を行う時間・手間と費用を省いてモータ用鉄心材料の選定を効率的かつ簡便に行うことができる。

本発明に係るハイブリッド自動車用モータの性能解析方法の処理フロー例を示す図である。 走行モードがJC08の場合におけるモータ動作点を示す図である。 モータ鉄心材料によるモータ鉄損＋銅損の違いを示す図である。

本発明を実施するための形態を、以下に説明を行う。本発明は、ハイブリッド自動車の基本車両コンセプトとして、車両重量と定員重量の総和である車両総重量、排気量やバルブ制御およびシリンダーの圧縮率（膨張率）などで決まるエンジン性能、登坂性能、追い越し性能、加速性能、および最高車両速度などの基本走行性能が指定されている場合に、当該車両に適したモータを開発する際に適用可能な技術である。

図１は、本発明に係るハイブリッド自動車用モータの性能解析方法の処理フロー例を示す図である。この処理フローに従って、以下に説明を行う。

先ず、本発明の適用を行なう準備段階として、たとえば非特許文献１に記載のシミュレータと同様の車両走行シミュレータを用意する。さらに、エンジンの最大トルク曲線およびエンジン効率マップを用意し、コンピュータのデータ記憶装置に記憶させ、車両走行シミュレータで読み込んで、シミュレーションで使用可能な状態にする。

次に用意した車両走行シミュレータに対して、既述エンジンを搭載した場合の登坂走行性能と追い越し・加速性能のシミュレーションを行えるように、必要に応じて改良・機能補強を行う。尚、この改良・機能補強は、走行パターン条件として登坂走行と発進加速・追い越し加速を加えるだけなので、容易に行うことができる。

このような準備を経て、本発明の第１ステップは、ハイブリッド自動車の最大登坂可能斜度として所望の斜度を登坂可能とするために必要なモータの最大トルクを既述シミュレータを用いて算出する。その後、所望の発進加速性能、追い越し加速性能を具有させるのに必要なモータ最大出力を算出する。

そして、本発明の第２ステップは、上記第１ステップで定められたモータスペック（最大トルク、最高出力）を満足できるモータを設計し、そのモータ形式、使用磁石、磁極数、スロット数、巻き線形式、鉄心寸法などを決定する。このモータ設計は広く行われているように磁界解析を用いて行えばよい。

次に、本発明の第３ステップは、前記車両走行シミュレータに対して、第２ステップで設計したモータを搭載して走行する場合のエンジン動作、モータ動作、減速ギア動作をシミュレーションできるように必要に応じて改良・機能補強を行う。尚、この改良・機能補強はシミュレータが具備しているモータ性能データを第２テップで設計しモータのデータに置き換えるだけなので、容易に行える。その後、車両走行モードとして所望の走行モードを選択して前記車両走行シミュレータを用いて当該モード走行時のモータ動作点を求める。

例えば、図２は、走行モードがJC08(自動車の燃費性能を試験するための試験走行モードの内の一つの試験走行モード)の場合におけるモータ動作点を示す図である。回転数とトルクをプロットした図であり、このようなモータ動作点群に対して必要に応じて平均値を計算して平均動作点などを求めておく。

さらに、本発明の第４ステップは、第２ステップで設計したモータの鉄損マップ、銅損マップをそれぞれ等高線マップの形で磁界解析などを用いて作成する。

そして、本発明の第５ステップは、第３ステップで求めた所望のモード走行時モータ動作点群の各動作点に対応するモータ鉄損、銅損を前記等高線マップの内・外挿により求め、逐次積算平均することで所望のモード走行時モータの鉄損、銅損の平均値を求める。

そして最終的に、本発明の第６ステップは、モータ鉄心材料として使用する電磁鋼板の種類を変えて第４・５ステップを繰り返し行って得られた結果を比較して、最も低損失（鉄損＋銅損）となる電磁鋼板を選定することによって、当該モータ鉄心に適した電磁鋼板を選択する。

尚、本発明の第５ステップとしてはモータの鉄損マップ、銅損マップを作成して所望のモード走行時のモータ全動作点に対して鉄損、銅損の平均値を求めることが好ましいが、簡便な方法として第４ステップで求めておいた平均動作点のみに対してモータ鉄損、銅損を算定し、モータ鉄心材料として使用する電磁鋼板を変えて繰り返し行い得られた結果を比較する方法で代用しても良い。

車両重量1250kg、定員5名、車両総重量1525kgのハイブリッド自動車用の電気モータを設計して性能評価を行うことに着手した。当該車両に搭載されるエンジンの排気量は1500cc、吸気バルブ遅閉じタイプのミラーサイクル制御を行う。実効膨張率は12.7、最大トルクは118N・mである。回転数0から6400rpmまでの当該エンジンの最大トルク曲線およびエンジン効率マップを用意し、コンピュータのデータ記憶装置に記憶させ、車両走行シミュレータで読み込んで使用可能とした。

非特許文献１に記載のシミュレータと同様の車両走行シミュレータに対して、前述のエンジンを搭載した場合の登坂走行性能と追い越しおよび加速性能のシミュレーションを行えるように必要に応じて改良・機能補強を行った車両走行シミュレータを用意した。

ハイブリッド自動車の走行性能を、最大登坂可能斜度26.5度、停止状態から時速100km/hまでの発進加速所要時間11.5秒、停止状態から距離400ｍまでの発進加速所要時間18.2秒、時速40km/hから時速80km/h への追い越し加速所要時間4.6秒として、上記走行性能を実現するために必要なモータ性能を用意した車両走行シミュレータを用いて求めたところ、モータの所要最大トルクは102.6N・ｍ、最高出力は15.2ｋWであることが分かった。

表１は、電磁鋼板AからFについての磁気特性B50(磁界強度5000Amp/meterの時の磁束密度テスラの値)と鉄損W15/50を示すものである。

最大トルク102.6N・m、最高出力15.2ｋW、最高回転数6000rpmのモータの設計を実施した。モータ鉄心材料として表１に示す電磁鋼板Aを使用するものとした。モータを極力小型・高効率化するためモータ形式はネオジウム系焼結磁石を使用するIPM（埋め込み磁石型モータ）とした。磁極数１２、スロット数18の集中巻き、ステータ外径260mm、ロータ径170mm、鉄心積厚46mmとすれば上記スペック（最大トルク、最高出力）を満足できることが磁界解析で確認できた。

車両走行シミュレータに対し、最大トルク102.6N・m、最高出力15.2ｋW の電気モータを搭載して走行する場合のエンジン動作、モータ動作、減速ギア動作をシミュレーションできるように必要に応じて改良・機能補強を行った。

車両走行モードとして前述のJC08モードを選択して、車両走行シミュレータを用いて当該モード走行時のモータ動作点を求めた。結果は、前述の図２のようであり、図２に示した一連の動作点群の平均を計算したところ、トルク21.5N・ｍ、回転数1239rpmであった。

上記で求めたJC08モード走行時の平均モータ動作点（トルク21.5N・ｍ、回転数1239rpm ）におけるモータ鉄損と銅損を磁界計算によって求めた。図３は、モータ鉄心材料によるモータ鉄損＋銅損の違いを示す図である。材料AからFを比較すると、材料Fのモータ鉄損＋銅損が一番少ないことが分かる。

前述した表１と図３を比較すると、表１からは鉄心素材としては電磁鋼板Cが最も低損失であるものの、モータ性能を示す図３からは電磁鋼板Fを用いた場合が最も低損失となることが分かり、最終的に電磁鋼板Fを選択した。

尚、本実施例では説明を容易にするため、モータ性能を算出する動作点としてモード走行に応じたモータ動作点群の平均動作点を用いたが、磁界解析などを用いてあらかじめモータの鉄損マップ、銅損マップを作成しておき、モード走行に応じたモータ動作点群の各動作点に対して、逐一各動作点のモータ鉄損マップ、銅損マップから鉄損、銅損を求め、その結果を当該モータ動作点群の全動作点にわたって積算合計してモータ損失を求めてモータ性能評価を行って鉄心材料を選択することがより好ましい。

Claims (2)

1. ハイブリッド自動車に対してその基本走行性能が指定されている場合の、ハイブリッド自動車用モータの性能解析方法であって、
   登坂走行と追い越し・加速走行時のエンジン動作、モータ動作、減速ギア動作のコンピュータシミュレーションが行える車両走行シミュレータを用いて、所望の登坂性能を具有させるために必要となるモータ最大トルクと、所望の追い越し・加速性能を具有させるために必要となるモータ最高出力とを算出する第１ステップと、
   該第１ステップで得られた最大トルク、最高出力性能を具有するモータを設計する第２ステップと、
   該第２ステップで設計したモータを搭載して走行する車両が所定の走行モードで走行する場合のエンジン動作、モータ動作、減速ギア動作のコンピュータシミュレーションが行える車両走行シミュレータを用いてモータの動作点を求める第３ステップと、
   前記第２ステップで設計したモータの鉄損マップ、銅損マップをそれぞれ等高線マップの形で作成する第４ステップと、
   前記第３ステップで求めた所望のモード走行時モータ動作点群の各動作点に対応するモータ鉄損、銅損を前記等高線マップの内・外挿により求め、逐次積算平均することで所望のモード走行時モータの鉄損、銅損の平均値を求める第５ステップとを有することを特徴とするハイブリッド自動車用モータの性能解析方法。
2. 請求項１に記載のハイブリッド自動車用モータの性能解析方法において、
   モータの鉄心に使用する電磁鋼板の複数候補について、
   第４・５ステップを繰り返し行って得られたモータの鉄損と銅損との合計を比較して、最も低損失となる電磁鋼板を選定する第６ステップを有することを特徴とするハイブリッド自動車用モータの性能解析方法。