JMAGの1D熱解析を活用した、2輪車用パワーユニット小型化のための巻線方式と冷却方式の最適組み合わせに関する研究

ヤマハ発動機株式会社
パワートレイン開発本部　電動開発統括部　電動PT開発部
大滝　亮太

概要

市販されている電動バイクでは、出力の増加に伴い、冷却方式は空冷から水冷へ、巻線方式は集中巻から分布巻へと変化する傾向が見られる。この変化は8~10kW 付近で起こる。しかし、これらの冷却方式と巻線方式の組み合わせが最適であるかどうかを検証した研究は少ない。この傾向を検証するために、車両の要求出力と熱性能に応じてモータと冷却システムの合計容量と重量を比較できる検証モデルをJMAGの1D熱解析を活用して構築した。本モデルはモータ各部の熱抵抗やラジエータ・走行風による冷却などをJMAGの熱回路網により再現しており、モータのサイズや重量・発生損失等に応じた過渡的な温度上昇の違いを比較することができる。構築したモデルを用いて、巻線方式（集中巻またはセグメントコンダクタ（SC）分布巻）と冷却方式（水冷または空冷）の組み合わせの比較検証を行った。本研究で設計したモータにおいて、車両の最大出力が35kW 以下（欧州A2免許範囲）の場合、モータと冷却システムの合計体積は空冷集中巻モータが最も小さいことがわかった。しかし、15kW以上では、冷却装置（ラジエータ、ホース、ポンプ、リザーバタンク、冷却水）を含む水冷式SC モータの体積は、空冷集中巻モータの約110％であることが分かった。また、重量は約65％以下であった。本研究では、分布巻モータの一種としてSC モータを検討したが、分布巻モータの特徴として、スロット数が多く、巻線とステータコアの接触面積が大きく、放熱性が高いことが挙げられる。これらの特性は巻線種類に関係なく共通である。したがって、上記の知見は、定格出力が約10kW のEV において、水冷分布巻モータの採用が増加しているという市場傾向とおおむね一致している。