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[JAC318] 三相誘導電動機のダクト穴の設計最適化

2026-06-01

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概要

誘導電動機は構造が簡単で、安価、保守の手間が少ないという長所を持つため、産業用から家電製品に至るまで多く使われています。誘導電動機は、ステータ巻線の回転磁界により2次導体に誘導電流が流れ、その電流と回転磁界により2次導体が回転方向に力を受け回転するモータです。この際、誘導電流の影響でロータに大きなジュール熱が発生します。
誘導電動機の2次導体のジュール損失やコア鉄損、コイル銅損による温度上昇を正確に評価するためには、磁界解析で求めた損失を利用して熱解析で温度を求める連成解析が有用です。シミュレーションを用いることで、冷却のためのダクトの数や配置の変更による影響をパラメータの変更のみで評価できます。
ここでは、ベンチレーションによる冷却を考慮した誘導電動機において、トルクと温度の制約を満たしつつ、冷却ファンの流量とコア体積を最小化するダクト配置を最適化した事例を紹介します。

最適化条件

表1に設計要件、表2と図1に設計変数とその範囲を示します。

最適化結果

図2に実行可能解（すべての制約を満たした解）の分布を示します。
初期設計案よりも冷却ファンの流量、コアの体積が小さい設計案があることがわかります。以降では、初期設計案と図2に示した新設計案を比較します。

設計案の比較

初期設計案と新設計案を比較します。図3にモータ形状、図4に冷却ファンの流量、図5にコアの体積、図6に効率マップと温度を評価する動作点、図7に部品の温度変化を示します。
図3に示すように、新設計案は初期設計案よりもステータダクトの数を増やし、位置をコイルに近づけています。また、ステータダクト、ロータダクトともにダクト径を大きくしています。これらの設計変更により冷却効果を高め、コアの断面積を小さくしています。そのため、図4、図5に示すように初期設計案よりも新設計案のほうが冷却ファンの流量およびコアの体積を小さくできています。これにより、冷却ファンのコスト削減とモータの軽量化が期待できます。
図6、図7より、どちらの設計案でも、最大トルクおよび温度の要件を満たしていることがわかります。