1

ベクトル磁気特性を考慮した

電磁アクチュエータの最適構造化

(財)大分県産業創造機構

兼業研究員 戸 高 孝

（大分大学工学部准教授）

2

回転機鉄心モデルコア中の局所磁気特性の測定結果

V-Hプローブ

300 m

m

磁束密度ベクトル軌跡

磁界強度ベクトル軌跡 720 m

m

720 m

m

研究背景

3

三相誘導電動機モデルコア中の

ベクトル磁気特性測定結果

B

H

4

H B

H

B

qB qH

磁束密度ベクトル B

磁界強度ベクトル H

磁束密度ベクトルと

磁界強度ベクトルの

方向は異なる。

回転機鉄心中の磁界

Inclination angle:θ B

θ B

By

Bx

Inclination angle:θ B

θ B

By

Bx

Axis ratio: α＝Bmin/Bmax Bmax

Bmin

(Rolling direction)

Rotatingdirection

Bmax

(Rolling direction)

Inclination angle:θ B

θ B

By

Bx

Inclination angle:θ B

θ B

By

Bx

Axis ratio: α＝Bmin/Bmax Bmax

Bmin

(Rolling direction)

Rotatingdirection

Bmax

(Rolling direction)

交番磁束 回転磁束 a: 軸比

5

[W/kg]

回転機鉄心中の損失分布

6

-4000 -2000 0 2000 4000-4000

-3000

-2000

-1000

0

1000

2000

3000

4000

Magnetic field strength [A/m] x-axis

Mag

netic fie

ld s

trengt

h [

A/m

] y-

axis

B=1.3[T]B=1.4[T]B=1.5[T]B=1.6[T]

B-coil Double H-coil

ベクトル磁気特性測定装置

-1 -0.5 0 0.5 1-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

Magnetic flux density [T] x-axis

Mag

netic flu

x de

nsi

ty [

T]

y-ax

is

B=0.4[T]B=0.5[T]B=0.6[T]

磁束密度ベクトル軌跡

磁界強度ベクトル軌跡

新技術の基となる研究成果・技術

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Hmax Hmax

θHθH

H

M

磁壁移動

磁化回転

磁気飽和へ

測定可能範囲 0.4～1.9 T

初期磁化曲線

磁区

磁壁

磁区

磁化

B vector loci

H vector loci

無方性電磁鋼鈑 35A440 真円

0.4～1.2T 1.3～1.9T

H vector loci

B vector loci H vector loci

B vector loci H vector loci

Image

未知の領域

H vector loci

Rolling direction Rolling direction

≒ 90 deg ≒ 65 deg

電磁鋼鈑

65 deg

μ90°

μ0°

μ65°

μ90° μ65°

μ0°

0.4～1.2 T

＞ ＞

μ90° μ65° μ0° ＞ ＞

1.3～1.9 T

高磁束密度領域

高磁束密度領域

磁束密度レベルによる磁気透磁率 磁界強度ベクトル軌跡

Rolling direction

磁束密度レベルでθHが変化する

ベクトル磁気特性で見る磁化過程の変化

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ﾍﾞｸﾄﾙ磁気特性とは B

0 H

0 M

0 0

xx xy x

yx yy y

H

H

MHB磁性材料の構成方程式

0 0

0 0

xxxx xy

yx yy

rx x ix

y ry y yy iy

xB dB B

B

H

H B B d

積分型E&Sﾓﾃﾞﾙ

, , , , ,r rk B ik Bk ikf f q a q a B B

磁化容易方向 Bq

9

E&Sモデルと係数 x xr x xi xH B B d

y yr y yi yH B B d

2 11

m_ 0

sin 2 1

, , , ,sin

x

m

xn Hn

xr ham B

mx x

I n

B fB

q a

2 11

m_ 0

cos 2 1

, , , ,cos

x

m

xn Hn

xi ham B

mx x

R n

B fB

q a

2 11

m_ 0

sin 2 1

, , , ,sin

y

m

yn Hn

yr ham B

my y

I n

B fB

q a

2 11

m_ 0

cos 2 1

, , , ,cos

y

m

yn Hn

yi ham B

my y

R n

B fB

q a

磁気抵抗係数と磁気ヒステリシス係数

データベースの

ＢとＨのベクトル関係を磁界解析に

反映させる

sin

cos( )

x xm

y ym

B B t

B B t

1

1

cos{(2 1) )

cos{(2 1) )

x n n

n

y n n

n

H A n

H B n

a

0yy xx yx xy

A A A AJ

x x y y x y y x

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新しい磁気・構造設計・製造法の構築！

低重量高出力化

高出力軽量化

従来型の設計開発指針

これからの設計開発指針 ロボット

正確な磁気特性を考慮した

高磁束密度機器の設計・開発技術の構築

電磁アクチュエータの設計開発指針

11

Type-1 Type-2

Type-3 Type-4

鉄損分布

圧延方向

12

-0.5

-0.4

-0.3

-0.2

-0.1

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

[W/kg]

(a)Type-1

-0.5

-0.4

-0.3

-0.2

-0.1

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

[W/kg]

(b)Type-2

-0.5

-0.4

-0.3

-0.2

-0.1

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

[W/kg]

(c)Type-3

-0.5

-0.4

-0.3

-0.2

-0.1

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

[W/kg]

(d)Type-4

分割コア中の鉄損の増加＆減尐分％

1 0.5 0.3 0.2 0.15 0.1 0.05 0.0350

70

90

110

130

150

170

190

210

Slip

Conventional

Type-1

Type-2

Type-3

Type-4

Slip

Iro

n l

oss

P[w

/kg

]

負荷特性の比較

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2.55 ％の低減

Rolling direction

Xu Xv Xw

100 110 200

Unit: mm

200

720

1440

120

300

100 100 100

110210 210 200 100

U V W

三相五脚変圧器モデルコア

Maximum B [T] Maximum B [T]

α α

θB [deg] θB [deg]

Maximum H [A/m] Maximum H [A/m]

Iron loss [W/kg] Iron loss [W/kg] 最適構造

[ Xu = 10, Xv = 30, Xw = 70 ] 初期構造

[ Xu = 0, Xv = 0, Xw = 0 ]

最適構造 [ Xu = 10, Xv = 30, Xw = 70 ]

初期構造 [ Xu = 0, Xv = 0, Xw = 0 ]

B, Hの変化による鉄損低減

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• 表面磁石型磁気歯車の

トルク向上並びにコギング

低減構造の検討を行った。

θI

低速ロータのMCSPM構造化

鉄片を挿入 22%UP!

鉄片の幅の違いによるトルク変化

通常型 MCSPM型

磁気歯車装置

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BとHのベクトル関係を再現 （ヒステリシスループによる鉄損の導出）

Epstein 2D-vector magnetic measurement

スカラー磁気特性 （スカラー量）

ベクトル磁気特性 （ベクトル量）

従来のＦＥＭ （スカラーデータ）

SST

データ量

B

H

θ BH

B

H

θ BH

ベクトル評価

回転磁束や

圧延方向の

影響

(100~200MB) （10kB程度） “ベクトルデータを使って ベクトル場を解く”

BとHの関係がスカラー関係 （鉄損が分からない）

有限要素法を用いた解析手法

電磁鋼板の磁気特性評価法

標準測定

従来技術とその問題点

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最大磁束密度分布 最大磁束密度分布

磁気損失分布 磁気損失分布

スカラー磁気特性 による解析結果

べクトル磁気特性を 考慮した解析結果

全く異なる 損失分布

差異は 小さい

[T] [T]

[w/kg][w/kg]

現在の解析方法 新しい解析方法

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損失分布が直接計算できる

標準試験器に磁束密度と 磁気損失の関係を作成

磁気損失を算出

最大磁束密度分布 最大磁束密度分布

磁気損失分布 磁気損失分布

最大磁界強度分布 最大磁界強度分布

？

Bべクトル軌跡分布 Hべクトル軌跡分布

磁気特性は BべクトルとHべクトル の関係から決まる

12 10 8 6 4 2 0 ０ 0.5 1.0 1.5

2.0 磁束密度，B［T］

鉄 損

方向性鋼板

無方向性鋼板

新しい解析方法 現在の解析方法

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リング形状のモデルコア

圧延方向

環状試料 （無方向性電磁鋼板 50A470）

励磁コイル

積分型ダイナミックE&Sモデル （ベクトル磁気特性磁界解析）

従来のFEM 磁束密度分布[T] 磁界強度分布[A/m]

VHセンサによる測定結果

積分型ダイナミックE&Sモデルによる解析例

磁束密度分布[T] 磁界強度分布[A/m]

磁界強度分布[A/m] 磁束密度分布[T]

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新技術の特徴・従来技術との比較

• 従来技術の問題点であった、磁気損失分布の高精度評価を可能にした。

• 従来は磁束密度しか計算できないため、それに比例した磁気損失分布しか再現・評価できなかったが、磁界強度と磁束密度の両方を表現できるため、磁気損失分布を直接計算することが可能となった。

• 本技術の適用により、磁気損失の低減の検討が可能となる。

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想定される用途

• 本技術は、電磁力応用機器＇モータ・変圧器（の高効率化・高出力化・小型化へ向けた設計・開発に有効に利用できる。

想定される業界 • 利用者・対象

モータ・変圧器の製造メーカ＇家電用～産業用機器（

電装品の製造メーカ＇自動車用のモータ等（

ソフトウェアメーカ＇電磁界シミュレーション（

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実用化に向けた課題

• 現在、ベクトル磁気特性解析の汎用化に関しては、評価版を開発済み。しかし、ひずみ磁束密度条件の解析が可能なダイナミックモデルの汎用化が遅れており、応力効果の考慮については未解決である。

• 今後、ベクトル磁気特性解析の収束性の向上について改良を行い、高速化する。

• 応力効果の考慮についてはモデリングの開発を行う。

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企業への期待

• 未解決の応力効果の考慮については、応力ベクトル磁気特性データベースの構築とそのモデル化により克服できると考えている。

• 電磁力応用機器の高効率化・高出力化・小型化のための設計支援技術を持つ、企業との共同研究を希望。

• また、機器の高出力・小型化を検討中の企業、モータの内製化等を考えている企業には、本技術の導入が有効と思われる。

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本技術に関係する知的財産権

• 発明の名称 ：磁気歯車装置

• 出願番号 ：特願2010-063129

• 出願人 ：㈱ニッセイ, (財)大分県産業創造機構

• 発明者 ：藤田智之,長屋幸助,榎園正人

• 発明の名称 ：磁気歯車装置

• 出願番号 ：特願2010-257939

• 出願人 ： ㈱ニッセイ, (財)大分県産業創造機構

• 発明者 ：藤田智之,長屋幸助,榎園正人,戸高孝

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お問い合わせ先

（財）大分県産業創造機構 地域結集事業推進局

担当：コーディネータ 後藤 保広

ＴＥＬ ０９７－５９６ － ７１０５

ＦＡＸ ０９７－５９６ － ７１０８

e-mail y-gotho＠columbus.or.jp