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概要
EV/HEV駆動用モータの連続運転特性は、高速巡航走行や長時間の登坂走行といった車両性能に直結するため、非常に重要な要素の一つです。特に、時間定格を考慮した効率マップを作成する際には、損失による温度上昇や、高温環境下で発揮可能なトルクなど、磁界と熱の相互作用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用いたシミュレーションでは、磁界と熱の影響を同時に反映させることで、時間定格を考慮したより現実的な効率マップを作成することが可能です。JMAGでは、冷媒温度の変化を考慮したクーリングジャケットや、スプレーと組み合わせたシャフト軸心冷却など、多様な冷却モデルを用いて熱回路を構成できます。
ここでは、巻線界磁型同期モータを対象に、連続定格および短時間定格での運転時の部品温度に制約を設けた効率マップの作成を行います。
温度依存性を持つ効率マップを用いたシミュレーションでは、磁界と熱の影響を同時に反映させることで、時間定格を考慮したより現実的な効率マップを作成することが可能です。JMAGでは、冷媒温度の変化を考慮したクーリングジャケットや、スプレーと組み合わせたシャフト軸心冷却など、多様な冷却モデルを用いて熱回路を構成できます。
ここでは、巻線界磁型同期モータを対象に、連続定格および短時間定格での運転時の部品温度に制約を設けた効率マップの作成を行います。
解析フロー
連続定格の効率マップの作成では、まず磁界解析（効率マップ解析）を行い、その後に熱解析（連続運転特性解析）を実施します。
磁界解析（効率マップ解析）では、電機子コイルおよび界磁コイル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。
続く熱解析（連続運転特性解析）では、磁界解析（効率マップ解析）で得られた効率マップをもとに各動作点を割り当て、それぞれに対して熱定常解析を実施します。各動作点においては、熱定常解析を反復的に行うことで、磁界解析（効率マップ解析）で得られた部品の発熱量の温度依存性と、解析によって得られる定常温度との整合を図ります。このプロセスにより、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。さらに、このマップに温度制約を設定することで、制約温度を超える動作点が除外され、温度制約を反映した連続運転時のNT特性や効率マップを得ることが可能になります。
短時間定格の効率マップの作成も同様です。ただし、熱解析は短時間運転特性解析を実施し、各動作点に対して運転時間分の熱非定常解析を実施します。
磁界解析（効率マップ解析）では、電機子コイルおよび界磁コイル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。
続く熱解析（連続運転特性解析）では、磁界解析（効率マップ解析）で得られた効率マップをもとに各動作点を割り当て、それぞれに対して熱定常解析を実施します。各動作点においては、熱定常解析を反復的に行うことで、磁界解析（効率マップ解析）で得られた部品の発熱量の温度依存性と、解析によって得られる定常温度との整合を図ります。このプロセスにより、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。さらに、このマップに温度制約を設定することで、制約温度を超える動作点が除外され、温度制約を反映した連続運転時のNT特性や効率マップを得ることが可能になります。
短時間定格の効率マップの作成も同様です。ただし、熱解析は短時間運転特性解析を実施し、各動作点に対して運転時間分の熱非定常解析を実施します。
冷媒経路の概念図
図2に冷媒経路の概念図を示します。
各コイル温度60(deg C)固定、連続定格、短時間定格の特性比較
電機子コイルと界磁コイル温度を60(deg C)に固定した場合と、温度制約を考慮した連続定格と短時間定格のN-Tカーブを図3に、効率マップを図4に示します。なお、連続定格および短時間定格運転での温度制約は各コイルの温度上限180(deg C)としています。また、短時間定格の運転時間は900(sec)としています。
図3より、各コイル温度の上昇によるトルク低下および温度制約の影響により、各コイル温度60(deg C)固定の場合が最もトルクが大きく、続いて短時間定格、連続定格の順で小さくなっていることが分かります。
図4より、最高効率について、各コイル温度60(deg C)固定の場合に比べて連続定格では約1.1ポイント、短時間定格では約0.6ポイント低下していることが確認できます。
