電気航空機の増加に向けた永久磁石同期モーターの最適化

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序章

More Electric Aircraft (MEA) は、燃料消費量、排出量、騒音を削減する可能性のある環境に優しい航空機を提供し、それによって航空の環境への影響を軽減する有望な市場です [1]。電気航空機の電気モーターは、内燃エンジンの対応物よりも軽量であり、航空機の重量を直接削減し、エネルギー変換効率を向上させます [2]。 MEA 電動モーターは、従来のシステムよりも高い出力密度と信頼性を提供します。ラジアル磁束を使用する永久磁石同期モーター (PMSM) は、低速でも効率と電力密度が高いため、推奨されるオプションです [3]。これは、離着陸時の高発電に欠かせません。 PMSM はローターに電流を必要としないため、ジュール損失が減少し、エネルギー変換効率が向上します。それらの使用は、熱生成の低下とエネルギー変換の向上により、航空に革命をもたらす可能性があります[3]。航空宇宙モーターに適した材料と構造設計を選択することは、極端な航空宇宙環境で安全かつ効率的に動作するために重要です。アルミニウム合金は、軽量で強度があり、耐食性があるため、一般的に使用されています。設計を最適化して、電力密度を向上させることができます [4]。いくつかの設計および製造要因により、モーターの出力密度を高めることができます。この分析では、固定子と回転子のバック ヨークの厚さが永久磁石モーターの電力密度にどのように影響するかを具体的に調べます。

航空宇宙モーター設計上の課題

電気航空機用の電力密度 PMSM の改善が意図された目的です。軽量構造の手法は、所望の定格トルクを満足し、トルクリップルを低減しながら、出力密度を高める手段です。モーターの構造設計を最適化することで、剛性と強度を維持しながら軽量化を実現します。したがって、コンパクトな構造設計を実現し、電力密度とサイズ/重量の適切なバランスを見つけることは困難な場合があり、航空宇宙モーターにとって大きな課題となっています。

図 1. 電気航空機アプリケーションのモータ設計上の制約

EMWorks ソリューション

コンピューター支援設計ソフトウェアと高度なシミュレーション ツールにより、エンジニアは目的の構造を設計、最適化、解析できます。この検討では、EMWorks2D 製品を使用して航空宇宙モーターの 2 つのモデルの電力密度を改善することを検討します。検討は、検討対象のモデルに最適な軽量ソリューションを提供するために、ポール アーク係数とコア バック ヨークの厚さであるさまざまな幾何学的パラメーターで構成されます。ポール アーク係数とコア バック ヨークの厚さは、モーターの性能と重量に大きな影響を与える重要なパラメーターです。磁極アーク係数は、モーターの磁極のサイズを決定し、モーターのトルクと効率に影響を与える可能性があります。一方、コア バック ヨークの厚さは、モーターのコアが運ぶことができる磁束の量に影響を与えます。さまざまな幾何学的パラメータを含む非定常スタディを実行すると、特定の電磁気システムに最適な軽量ソリューションを特定するのに役立ちます。さまざまなパラメータ値に対する電磁界と電流の経時的な挙動を分析することで、性能と重量の最適なバランスを提供する設計を特定することができます。

設計仕様

PMSM の 2 つのモデルは、次の図に示すように、スロット/極の組み合わせが異なると考えられています [4]。モデル I は 6 スロットと 8 極の組み合わせを表し、モデル II は 12 スロットと 10 極を含みます。両方のモデルのジオメトリと電磁シミュレーションは、下の表の仕様に基づいて実行されます [4]。

図 2. 提案された PMSM のトポロジ: (a) モデル I: 6 スロット - 8 極、(b): モデル II: 12 スロット - 10 極

表 1. PMSM スタディ モデルの仕様

シミュレーション結果

1. 初期モデルの磁束密度と平均トルク

設計されたモデルの電磁シミュレーションにより、磁束密度の可視化と平均トルクの計算が可能になります。これらのシミュレーションにより、システム内の電磁界と電流の挙動を詳細に分析できるため、設計を最適化し、望ましい性能基準を確実に満たすことができます。
次の図に示すように、モデル I と II の平均トルクは、それぞれ 10.8 Nm と 11.78 Nm です。平均トルクは、両モデルとも希望する定格トルクをほぼ満たしています。トルクリップルは、モデル I で 4.26%、モデル II で 3.9% です。モデル II のトルクリップルは低く、推定電力密度はモデル I よりも優れています。

図 3. PMSM モデルの平均トルクと電気角の関係

図 4 は、コア バック ヨークのほとんどの領域の磁束密度が 1.58 T ～ 2.1 T であることを示しています。HipeCo50 材料の場合、飽和磁束密度は 2.35 です。これは、高透磁率、低コア損失、優れた熱安定性など、他のタイプの磁性材料に勝るいくつかの利点を提供する高性能磁性材料です。これらの特性により、幅広い電磁アプリケーションで使用するための一般的な選択肢となっています。したがって、鉄心材料は十分に使用されておらず、2 つのモデルを最適化して電力密度の高いモーターを実現する必要があります。最適化プロセスは、ポール アーク係数とコア バック ヨークの厚さを変化させることにより、モーターの質量を最小限に抑えることから成ります。主な最適化の目的は、より低いトルクリップルで目的の定格トルクを満たす、改良された航空宇宙モーターを実現することです。

図4 PMSMの研究モデルにおける磁束密度

2. 最適化されたモデルの平均トルクとトルク リップル

極アーク係数の変化による最適化

次の図によると、極弧係数の最適値は、モデル I と II でそれぞれ 0.945 と 0.917 です。これらの値により、最小のトルクリップルで目的の定格出力トルクが保証されます。

図 5. 異なる極アーク係数での出力トルクとトルク リップル

ステータ バック ヨークの厚さを変化させることによる最適化

ローター バック ヨークの厚さの異なる値での出力トルクとトルクリップルは、モデル I と II の両方で、最適化目標に関するローター ヨークの厚さの最適値が 5.5 mm と 4 mm であることを示しています。ステータバックヨークの厚さが最適値を超えると、平均出力トルクとトルクリップルは最適点とほとんど変わりません。一方、トルクリップルが最適点よりも大きく、厚さが最適厚さを下回る場合、平均トルクは最適値よりも小さくなります。

図 6. ローター バック ヨークの厚さが異なる場合の出力トルクとトルク リップル

ローターバックヨークの厚みを変えて最適化

最適化目標を検証するステータバックヨーク厚の最適値は、モデル I で 5 mm、モデル II で 4 mm です。ローターバックヨークの厚みが最適値よりも大きい場合、平均出力トルクとトルクリップルは最適点と比較してほぼ同じ値になります。一方、トルクリップルが最適点よりも大きく、肉厚が最適肉厚よりも小さい場合、平均トルクは最適値より小さくなります。

図 7. ステータ バック ヨークの厚さが異なる場合の出力トルクとトルク リップル

推定質量による解析

前の結果によると、最適化モデル I および最適化モデル II とラベル付けされた表 2 に示すように、3 つの最適パラメーターを組み合わせて採用した 2 つの最適なマシンが提示されます。

表 2. 最適化されたモデルのパラメーター

上記で検討したモデルの出力トルクを次の図に示します。各モデルの出力トルクと最適化された構造は実質的に同じです。モデル I と最適化モデル I の唯一の違いは、モデル II と最適化モデル II と同様に軽量構造の採用です。軽量構造設計による出力トルクへの影響はないと判断できます。

図8 検討モデルの平均出力トルク

表 3 に示すように、マシンの質量の計算は、PMSM モデル I がモデル II と比較してより多くの質量を削減できることを証明しています。最適化されたモデルの場合、最適化された PMSM モデル II は、最適化されたモデル I に対応するマシンよりも質量が少なくなります。

表 3. 最適化前後の PMSM モデルの推定質量

結果の比較: EMWorks2D-参照文献 [4]:

EMWorks2D を使用したシミュレーション結果は、参照記事に基づく結果と比較して以下の表に示されています。最初の表は、ポール アーク係数と鉄心バック ヨークの厚さの関数として平均出力トルクを表します。 2 番目の表は、最適化前後の調査対象モデルの出力平均トルクを再グループ化したものです。結果は近く、エラー率は低いです。