JP5699797B2

JP5699797B2 - モータ鉄心用材料の選定方法

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Publication number: JP5699797B2
Application number: JP2011110345A
Authority: JP
Inventors: 操浪川
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2011-05-17
Filing date: 2011-05-17
Publication date: 2015-04-15
Anticipated expiration: 2031-05-17
Also published as: JP2012244683A

Description

本発明は、モータ動作点として多数の動作点を時間的に経回るパターンとなるモータの鉄心用材料を選定する上で好適なモータ鉄心用材料の選定方法に関する。

モータの技術分野では、従来から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主体であった。しかし、昨今は、環境問題や、省エネルギ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。
また、家電、エアコンなどのモータも、かつては商用周波数による定速運転が通常であったが、現在はインバータ電源を用いた可変速運転が常識となっている。このように、モータ動作点は、商用周波数による定速運転のように、定動作点運転が従来は主体であったが、インバータ電源を用いた可変速運転の普及により、現在は多数の動作点を時間的に経回る運転条件となってきている。

さらに昨今では、電気モータが、ハイブリッド自動車や電気自動車にも使用されるようになった。自動車は、頻繁に加減速を繰り返すことから、特に自動車分野で使用されるモータの動作点は時間の経過とともに変化し、多数の動作点を時間とともに経回ることになる。
ここで、モータ鉄損が最も低くなる鉄心素材を選定する手順は、まず、当該モータのスペックに従い材料性能判定用動作点を決定し、次に、その動作点におけるモータ特性を計算シミュレーションあるいは実際にモータを試作評価して求め、最も特性の良い素材を選定する、といった手順で行なわれる（例えば特許文献１ないし３参照）。

定常運転されるモータでは、その定常運転の動作点が材料性能判定用の動作点とされる。また、可変速運転されるモータ、たとえばエアコン用モータでは、最大出力動作点（急速冷房運転）や定常出力動作点（定常冷房運転）が多くの場合に材料性能判定用の動作点とされるのが通例である。

特開２００５−３１２１５５号公報特開２００４−１８３００２号公報特開平８−２４０５１３号公報特開平８−２４８１０４号公報

しかし、例えば自動車分野の場合、性能評価は特定の走行パターン（例えば１０−１５モードやＪＣ０８モードと呼ばれる走行パターン）に対してなされる。これらは実際に市街地などを走行した場合を想定・模擬したものであるので、例えばハイブリッド車を考えた場合に、当該モードでの走行は複数回の加減速と定常走行を繰り返している。そのため、モータ動作点としては多数の動作点を時間的に経回るパターンとなる。

したがって、従来のように最大出力動作点あるいは定常出力動作点を材料性能判定用の動作点としてその動作点においてモータ鉄損が最低となる鉄心素材を選定したとしても、走行モードの全時間帯に亘るモータ鉄損の総和が必ずしも最小とはならず、その結果、ハイブリッド車として最も重要とされる燃費が最良となるようにモータ材料の選定を行なったことにはならないという問題がある。

たとえば特許文献４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。しかし、このような試験を実施するためには特許文献４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。

そこで、本発明は、このような問題点に着目してなされたものであって、モータ動作点として多数の動作点を時間的に経回るパターンとなる場合において、パターン全時間帯に亘るモータ特性を最良とし得る鉄心材料を精度良く効率的且つ簡便に選定することのできるモータ鉄心用材料の選定方法を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明は、トルクと回転数で定義される動作点空間において一のトルクと一の回転数で指定されるモータ動作点が時間の経過とともに複数の点を経由する駆動条件で使用されるモータの鉄心用材料を選定する方法であって、前記動作点空間におけるモータ最大トルク曲線によって囲まれる領域を複数のボックス領域に分割する第一の工程と、前記モータ動作点を運転経過時間に従ってたどったモータ動作点毎に運転される動作継続時間を求めるとともに、当該動作継続時間に対応するモータ動作点毎に前記第一の工程で定めた複数のボックス領域のうちどのボックス領域に入るかを判定する第二の工程と、前記ボックス領域それぞれに入るモータ動作点の各動作継続時間の総和をとり、該総和の値を全モータ運転時間に対する当該ボックス領域の重み比率に定める第三の工程と、前記ボックス領域毎に代表動作点を定めて当該代表動作点におけるモータ特性を全てのボックス領域に対して求める第四の工程と、前記ボックス領域毎の重み比率とモータ特性との積の総和を、前記ボックス領域毎の重み比率の総和で割ることで全モータ運転時間における重み付きの平均モータ特性を求める第五の工程と、選定対象となっている材料毎に前記第一から第五の工程に基づく重み付きの平均モータ特性を求めて相互に比較することによって採用する材料を選定する第六の工程とを含むことを特徴とする。

ここで、本発明に係るモータ鉄心用材料の選定方法において、前記動作点空間におけるモータ動作点の個数に応じて、モータ動作点の個数の多いところではモータ動作点の個数の少ないところに比べてボックス領域に分割する領域を狭くなるように分割することは好ましい。
また、本発明に係るモータ鉄心用材料の選定方法において、前記第四の工程において前記ボックス領域毎に定める代表動作点は、各モータ動作点の動作継続時間で重み付けした重心を採用することは好ましい。

本発明に係るモータ鉄心用材料の選定方法によれば、従来のような最大出力動作点や定常出力動作点における材料性能判定に替えて、所定の重みの関数を採用した重み付き平均モータ特性による材料特性判定で代替できるようにしたので、従来の材料選定では達成できなかったパターン全時間帯にわたるモータ特性を最良とし得る鉄心材料の選定を精度良く効率的且つ簡便に行なうことができる。

上述のように、本発明によれば、モータ動作点として多数の動作点を時間的に経回るパターンとなる場合において、パターン全時間帯にわたる平均モータ性能を最良とする鉄心材料の選定方法として、従来のような最大出力動作点や定常出力動作点における材料特性判定に替えて、特定の重みの関数を採用した重み付き平均代表動作点における材料特性判定で代替できるようにしたので、従来の材料選定では達成できなかったパターン全時間帯にわたるモータ性能を最良とする鉄心材料の選定を精度良く効率的且つ簡便に行なうことができる。

また、モータを実際に試作して駆動パターン全時間帯にわたり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・容易にモータ用鉄心材料の選定をすることができる。

本発明のモータ鉄心用材料の選定方法に係るモータ鉄心用材料選定処理を実行するモータ鉄心用材料選定装置（コンピュータ）を説明する図である。モータ動作点として多数の動作点を時間的に経回るパターンとなる走行モードの一例（ＪＣ０８モード）を示す図である。図１の走行モードの一例（ＪＣ０８モード）に対し、モータスペック（モータ最大トルク曲線）によって囲まれる領域を複数のボックス領域に分割した例を示す図である。本発明に係るモータ鉄心用材料選定処理を説明するフローチャートである。実施例で用いた、モータ動作点として多数の動作点を時間的に経回るパターンを示す図である。実施例で示す３台のモータの、モータ損失の全駆動時間にわたる平均値を求めた試験結果のグラフである。実施例で示す３台のモータの、最大出力動作点におけるモータ損失を数値シミュレーションで計算した結果のグラフである。図５に示すパターンに対し、ボックス領域に区分した状態を示す図である。図８のボックス領域の一部の拡大図である。平均モータ損失（代表動作点としてボックス領域の中心点を選定した場合）の算出結果を示すグラフである。平均モータ損失（代表動作点として各ボックス内に含まれる動作点の重心を選定した場合）の算出結果を示すグラフである。図６、図１０、図１１の結果を１つにまとめて示すグラフである。

以下、本発明の一実施形態について、図面を適宜参照しつつ説明する。
図１に示すように、このモータ鉄心用材料選定装置１０は、所定の制御プログラムに基づいて演算およびシステム全体を制御するＣＰＵ３０と、所定領域にあらかじめＣＰＵ３０の制御プログラム等を格納している記憶装置４２およびＲＯＭ３２と、この記憶装置４２およびＲＯＭ３２等から読み出したデータやＣＰＵ３０の演算過程で必要な演算結果を格納するためのＲＡＭ３４と、入力装置４０、記憶装置４２、表示装置４４等に対してデータの入出力を媒介するインターフェース３８とを備えて構成されており、これらは、データを転送するための信号線であるバス３９で相互にかつデータ授受可能に接続されている。そして、ＣＰＵ３０、上記記憶装置４２やＲＯＭ３２の所定領域に格納されている所定のプログラムを起動させ、そのプログラムに従って以下のモータ鉄心用材料選定処理を実行するようになっている。

ところで、ハイブリッド自動車を例に考えた場合に、実車走行は複数回の加減速と定常走行を繰り返しているので、モータ動作点としては多数の動作点を時間的に経回るパターンとなる。例えば、自動車の性能試験が今後行なわれることとなるＪＣ０８モードと呼ばれる走行モードで走行した場合の、あるハイブリッド車種のモータ動作点の軌跡は図２に示すようになる。

本発明に係るモータ鉄心用材料選定処理では、同処理が実行されると、まず、図４のステップＳ１に移行して、トルクＴ（Ｎ・ｍ）と回転数Ｎ（ｒｐｍ）で指定される動作点（Ｎ，Ｔ）が時間の経過とともに図２のようにＡ１（Ｎ１，Ｔ１）、Ａ２（Ｎ２，Ｔ２）、・・・、Ａｎ（Ｎｎ，Ｔｎ）と複数の動作点を経回るような運転がなされる場合に対して、図３に示すように、トルクＴと回転数Ｎで定義される動作点空間におけるモータ最大トルク曲線によって囲まれる領域（Ｔｍａｘ）を、複数のボックス領域Ｂ１、Ｂ２、・・・、Ｂｍに分割する処理を行なう（第一の工程）。

次に、続くステップＳ２に移行して、モータが運転される動作点（Ｎ，Ｔ）を運転経過時間に従ってたどった各動作点で運転される継続時間をΔｔ１、Δｔ２、・・・、Δｔｎとして、動作点系列の各点Ａｊ（Ｎｊ，Ｔｊ）が、図３で定めた複数個のボックス領域Ｂ１、Ｂ２、・・・、Ｂｍのうちのどのボックス領域に入るかを判定する（第二の工程）。次いでステップＳ３に移行して、ｋ番目のボックス領域に入る動作点Ａｋ１、Ａｋ２、・・・、Ａｋｌの各動作継続時間Δｔｋ１、Δｔｋ２、・・・、Δｔｋｌに対してそれらの総和Ｗｋ＝Δｔｋ１＋Δｔｋ２＋・・・＋Δｔｋｌをとり、その値Ｗｋをその全モータ運転時間に対するｋ番目のボックスの重み比率とする処理を行なう（第三の工程）。

次に、ステップＳ４に移行して、各ボックス領域ごとに代表動作点を定めてその代表動作点における、選定対象となっている材料モータ性能を、当該選定対象となっている材料に対する数値シミュレーションで求める（第四の工程）。代表動作点としては、ｋ番目のボックス領域に入る動作点Ａｋ１、Ａｋ２、・・・、Ａｋｌの重心Ａｋｇ（Ｎｋｇ，Ｔｋｇ）をとる。そして、この動作点の重心Ａｋｇにおけるモータ特性（モータ鉄損またはモータ効率）を数値シミュレーションで求めて、その値を当該ボックス領域の代表性能値Ｐｋとする。以下、順次に全ボックス領域に対して同様の計算を実施する。

順次に全ボックス領域に対して同様の計算を実施した後、ステップＳ５に移行して、各ボックス領域の重み比率Ｗｋとモータ代表性能値Ｐｋとの積の総和を、ボックス領域毎の重み比率の総和で割ることで全モータ運転時間における重み付きの平均モータ特性Ｐａｖとして、Ｐａｖ＝（Ｐ１・Ｗ１＋Ｐ２・Ｗ２＋・・・＋Ｐｍ・Ｗｍ）／（Ｗ１＋Ｗ２＋・・・＋Ｗｍ）を求める（第五の工程）。

次に、ステップＳ６に移行して、選定対象となっている鉄心用材料を順次に替えて、数値シミュレーションを繰り返す。つまり、選定対象となっている次の鉄心用材料があれば（Ｙｅｓ）ステップＳ７で次の鉄心用材料を選択してステップＳ４に処理を戻す。一方、選定対象となっている次の鉄心用材料がなくなれば（Ｎｏ）、ステップＳ８に移行する。
つまり、上記の過程（ステップＳ１〜Ｓ７）を選定対象となっている鉄心用材料毎に行なわれたら、ステップＳ８に移行し、上記重み付き平均モータ特性を求めて鉄心用材料を相互に比較して、最も優れたモータ性能を示した鉄心用材料を選定する（第六の工程）。ここで、ステップＳ８での選定に際しては、モータ特性（モータ性能）としてモータ効率を重視する場合には、モータ効率が最大になる材料を選定すればよいし、また、モータ鉄損を重視する場合には、モータ鉄損が最小となる材料を選定すればよい。

以上実施例に基づき説明したように、このモータ鉄心用材料の選定方法によれば、トルクＴと回転数Ｎで指定されるモータ動作点（Ｎ，Ｔ）が時間の経過とともに複数の点を経回るパターン全時間帯にわたる平均モータ性能を最良とする鉄心材料の選定方法として、特定の重みの関数を採用した重み付き平均モータ特性による材料性能判定で代替できるようにしたので、従来のように最大出力動作点や定常出力動作点における材料特性判定による材料選定では達成できなかったパターン全時間帯にわたるモータ特性を最良とする鉄心材料の選定を精度良く効率的且つ簡便に行なうことができる。なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しなければ種々の変形が可能であることは勿論である。

例えば、上記実施形態では、前記第四の工程において各ボックス領域ごとに定める代表動作点は、各動作点の動作継続時間で重み付けしたモータ動作点の重心を採用した例で説明したが、これに限らず、各ボックス領域自体の重心を当該ボックス領域の代表動作点としてもよい。しかし、モータ特性を最良とする鉄心材料の選定を精度良く行なう上では、代表動作点を、各動作点の動作継続時間で重み付けしたモータ動作点の重心を採用することが好ましい。

また、例えば上記実施形態では、ボックス領域に分割する方法として、図３に示したように、Ｘ軸、Ｙ軸に沿って等間隔に分割線を設定した例を示しているが、これに限らず、ボックス領域に分割する方法も、種々採用可能である。例えば、Ｘ軸、Ｙ軸に対して斜めに分割線を設定してよいし、不等間隔に分割線を設定することもできる。特に、本発明において、モータ動作点（Ｎ，Ｔ）の移動する空間におけるモータ動作点の個数に応じて、モータ動作点の個数の多いところではモータ動作点の個数の少ないところに比べて分割されるボックス領域が狭くなるように分割することは好ましい。このよう構成とすれば、モータ特性を最良とする鉄心材料の選定を精度良く効率的且つ簡便に行なう上でより好適である。

本実施例では、１秒ごとのモータ動作点が図５に示される条件で使用されるモータを作成する。表１に示す板厚０．３５ｍｍの電磁鋼板ａ、ｂ、ｃの３種類を用意した。ステータ外径１５６ｍｍ、ロータ径１０５ｍｍ、１２極の埋め込み永久磁石式のＤＣブラシレスモータ鉄心をそれぞれａからｃの材料を用いて合計３台ワイヤカットにより作成した。磁石は高いトルク特性が得られるようにＮｄ系の焼結磁石を使用した。それぞれのモータを、モータａ、モータｂ、モータｃとした。

モータ性能試験装置のモータ駆動用インバータやブレーキモータを制御している指令装置に、図５に示す動作点系列でモータを駆動させるようにプログラム入力して製作した３台のモータの性能試験を順次行い、モータ損失の全駆動時間にわたる平均値を求めた。試験結果は図６に示すようにモータ損失平均値は、モータｂ＜モータａ＜モータｃの順で低くなり、鉄損Ｗ１５／５０が最も低い材料を用いたモータの鉄損が必ずしも最小になるとは限らない結果となった。このようなモータ損失の全駆動時間にわたる平均値を最小とする鉄心材料の選定に関する実験結果を再現できるか検討する。

図５に示される動作点群の中で最大出力となる動作点は、回転数１７４８ｒｐｍ、トルク３．７６Ｎ・ｍの動作点である。従来行なわれているように最大出力動作点におけるモータ損失を数値シミュレーションで計算した。結果は図７に示すようにモータ損失は、モータａ＜モータｂ＜モータｃの順で低くなり使用した素材の鉄損Ｗ１５／５０の低い順番と等しくなったが、図６の材料順を再現できていない。このように最大出力動作点における特性評価に基づき材料選定を行なっても、モータ損失の全駆動時間にわたる平均値を最小とする鉄心材料の選定を行なったことには必ずしもならないことが確かめられた。

次に本発明の方法を検討する。はじめにモータの動作点領域を図８に示すように等間隔のボックスに分割した（第１工程）。次に各ボックスごとにそのボックス内に含まれる動作点の個数をカウントした（第２工程）。１秒ごとのモータ動作点をとっているので、各動作点の継続時間Δｔは全て１秒と考えることにして、各ボックスごとにカウントした動作点個数をそのボックスの重み比率に定めた（第３工程）。

各ボックスごとに定める代表動作点として、ボックス領域の中心点を選定する。例として分かり易いように図８に示したボックスＡとボックスＢの部分を拡大した図を図９に示す。同図において、ボックスＡの中心点は回転数１６５０ｒｐｍ、トルク１．５Ｎ・ｍであり、回転数１６５０ｒｐｍ、トルク１．５Ｎ・ｍで運転したときのモータ損失を数値シミュレーションで計算した。同様にボックスＢの中心点は回転数１６５０ｒｐｍ、トルク０．５Ｎ・ｍであり、回転数１６５０ｒｐｍ、トルク０．５Ｎ・ｍで運転したときのモータ損失を数値シミュレーションで計算した。
以下同様にして各ボックスごとにボックス領域の中心点と中心点を動作点とするモータ損失を数値シミュレーションで計算した（第４工程）。

また、各ボックスごとに定める代表動作点として、各ボックス内に含まれる動作点の重心を選定する。図９に示すように、ボックスＡ内には動作点が７点含まれていて、それらの点の重心を計算すると回転数１６４９ｒｐｍ、トルク１．７７Ｎ・ｍとなったので、回転数１６４９ｒｐｍ、トルク１．７７Ｎ・ｍで運転したときのモータ損失を数値シミュレーションで計算した。
同様にボックスＢ内には動作点が９点含まれていて、それらの点の重心を計算すると回転数１６７５ｒｐｍ、トルク０．４５Ｎ・ｍとなったので、回転数１６７５ｒｐｍ、トルク０．４５Ｎ・ｍで運転したときのモータ損失を数値シミュレーションで計算した。
以下同様にして各ボックスごとにボックス内に含まれる動作点の重心を求めて、その点を動作点として運転したときのモータ損失を数値シミュレーションで計算した（第４工程）。尚、当然のことであるが、図８に示した各ボックス領域で内部に動作点を１点も含まないボックスに対しては上記一連の処理を行なう必要は無い。

上記第４の工程で求めた各ボックス代表点におけるモータ損失に上記第３工程で求めた各ボックスの重みを掛け算した値を全ボックスにわたって総和を取った値を、各ボックスの重みを全ボックスにわたって総和を取った値で割り算することによって重みつきの平均モータ損失を算出した（第５工程）。
第４の工程において代表動作点としてボックス領域の中心点を選定した場合の平均モータ損失算出結果を図１０に、代表動作点として各ボックス内に含まれる動作点の重心を選定した場合の平均モータ損失算出結果を図１１にそれぞれ示す。

図１０、図１１いずれの場合もモータ損失平均値は、モータｂ＜モータａ＜モータｃの順で低くなり、図６の結果を再現できることが確かめられた。さらに図６、図１０、図１１の結果を１つにまとめて図１２に示すと、代表動作点としてボックス領域の中心点を選定した場合よりも代表動作点として各ボックス内に含まれる動作点の重心を選定した場合の方がより精度よく図６の結果を再現できることも確かめられた。

１０モータ鉄心用材料選定装置（コンピュータ）
Ａｎ経回る複数の動作点のうちｎ番目の動作点
Ｂｍ分割する複数のボックス領域のうちｍ番目のボックス領域
ＴｍａｘトルクＴと回転数Ｎで定義される動作点空間におけるモータ最大トルク曲線によって囲まれる領域

Claims

トルクと回転数で定義される動作点空間において一のトルクと一の回転数で指定されるモータ動作点が時間の経過とともに複数の点を経由する駆動条件で使用されるモータの鉄心用材料を選定する方法であって、
前記動作点空間におけるモータ最大トルク曲線によって囲まれる領域を複数のボックス領域に分割する第一の工程と、
前記モータ動作点を運転経過時間に従ってたどったモータ動作点毎に運転される動作継続時間を求めるとともに、当該動作継続時間に対応するモータ動作点毎に前記第一の工程で定めた複数のボックス領域のうちどのボックス領域に入るかを判定する第二の工程と、
前記ボックス領域それぞれに入るモータ動作点の各動作継続時間の総和をとり、該総和の値を全モータ運転時間に対する当該ボックス領域の重み比率に定める第三の工程と、
前記ボックス領域毎に代表動作点を定めて当該代表動作点におけるモータ特性を全てのボックス領域に対して求める第四の工程と、
前記ボックス領域毎の重み比率とモータ特性との積の総和を、前記ボックス領域毎の重み比率の総和で割ることで全モータ運転時間における重み付きの平均モータ特性を求める第五の工程と、
選定対象となっている材料毎に前記第一から第五の工程に基づく重み付きの平均モータ特性を求めて相互に比較することによって採用する材料を選定する第六の工程とを含むことを特徴とするモータ鉄心用材料の選定方法。
前記動作点空間におけるモータ動作点の個数に応じて、モータ動作点の個数の多いところではモータ動作点の個数の少ないところに比べてボックス領域に分割する領域を狭くなるように分割することを特徴とする請求項１に記載のモータ鉄心用材料の選定方法。
前記第四の工程において前記ボックス領域毎に定める代表動作点は、各モータ動作点の動作継続時間で重み付けした重心を採用することを特徴とする請求項１または２に記載のモータ鉄心用材料の選定方法。