概要

EV/HEV駆動用モータの連続運転特性は、車両の高速巡航運転や連続登坂運転の性能に直結するため、非常に重要な特性の一つです。特に連続運転を考慮した効率マップを求める際には、損失によってどれほど温度が上昇するか、高温でどれだけのトルクを発揮できるかなど、磁界と熱の相互の影響を考慮する必要があります。
温度依存性を持つ効率マップを使ったシミュレーションにより、磁界と熱の相互の影響を考慮することで、連続運転を考慮した効率マップを作成できます。JMAGでは、冷媒の温度変化を考慮したクーリングジャケットや、スプレーと複合したシャフト冷却などの冷却モデルを用いて熱回路を構成できます。
ここでは、IPMモータにおいて、連続運転を考慮し部品温度に制約を与えた効率マップを作成します。

解析フロー

連続運転を考慮した効率マップの作成では、磁界解析（効率マップ解析）と熱解析を順に行います。
磁界解析（効率マップ解析）では、コイルと磁石の温度の組み合わせに応じて、損失情報を含む複数の効率マップを生成します。
熱解析では、磁界解析（効率マップ解析）で生成した効率マップをもとに動作点を割り振り、熱定常解析をその動作点の数だけ行います。各動作点においては、熱定常解析を反復計算することで、磁界解析（効率マップ解析）の部品の発熱量の温度依存性と定常温度との整合を取ります。そこから連続運転を考慮した電流や損失などのマップが得られます。このマップに温度制約を設定することで、制約を超える温度の動作点が除かれ、温度制約を設けた連続運転時のNT特性や効率マップが得られます。

連続運転特性

部品温度が室温(20(deg C))の短時間運転の場合と、温度制約(コイル温度上限140(deg C)、磁石温度上限180(deg C))を考慮した連続運転の場合のN-Tカーブを図2に、効率マップを図3に示します。なお、連続運転の場合の冷媒流量は2(L/min)としています。
図2より、磁石温度の上昇によるトルクの減少と温度制約によって、連続運転トルクが小さくなっています。
図3より、短時間運転に比べ連続運転では最高効率が約1ポイント減少しています。

冷媒の流量が連続運転特性にもたらす影響

連続運転を考慮した効率マップを、冷媒の流量が異なる2つの水準(0.5および10(L/min))で作成しました。コイルおよび磁石の温度に制約を加えた効率マップを図4に、コイル温度のマップを図5に、コイル銅損のマップを図6に示します。
図4より、冷媒の流量、つまりモータの冷却能力が大きくなると、それに伴い連続運転トルクも増加していることが分かります。また、冷媒の流量が少ない(0.5(L/min))場合は、回転数の低下によってシャフト冷却の冷却能力が低下する超低速領域でトルクが減少しています。
図5より、冷却能力の増大によって同じ動作点で比較した場合にコイルの温度が低く抑えられていることが分かります。また、冷媒の流量に依らず、外側のN-Tカーブポイント付近では制約に近いコイル温度になっています。このことから、冷媒の流量が多くなることで拡大した領域は、冷媒の流量が多くなることで冷却能力が向上し、温度が低下したことで制約から解放されていることが分かります。
図6より、冷媒の流量が多い(10(L/min))場合は、少ない(0.5(L/min))場合に比べ、よりコイル銅損が大きい動作点がマップに表示されています。これは、冷却能力の増大によって、コイル銅損がより大きい動作点においても発熱を許容できていることを意味します。