WO2022202085A1 - バッテリー駆動モータ及びモータ駆動システム - Google Patents

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邦浩 千田
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Definitions

  • the present disclosure relates to battery-powered motors and motor drive systems.
  • the present disclosure provides high speed battery powered motors and motor drive systems particularly suitable for use in battery powered cordless appliances, electric vehicles (EVs), cutting equipment and drones. Regarding.
  • the motor which is driven by the power supply from the battery, is required to be highly efficient and to be able to operate for a long time.
  • the weight and size increase.
  • the maximum number of revolutions can be increased. necessary. For example, as a method to secure high voltage for high-speed rotation, it is conceivable to install a booster circuit. Sometimes I end up doing it.
  • permendur has a relatively high cost, and the supply of Co may become unstable. Therefore, there is a demand for a technology that can optimize the efficiency, dimensions, and weight of the equipment as a whole by using highly available non-oriented electrical steel sheets.
  • An object of the present disclosure which was made to solve the above problems, is to provide a battery-powered motor and a motor drive system that achieve high power density without impairing the efficiency of the entire system.
  • the inventors of the present disclosure have extensively studied iron core materials having electromagnetic characteristics suitable for high-speed motors.
  • the magnetic flux density ( B50 ) at a magnetic field strength of 5000 A/m as a motor iron core material is premised on a motor drive system in which the battery supply current is 3.0 C or more for the maximum motor output requirement.
  • the loss in the entire system can be effectively reduced. It was found that it is possible to achieve both output density and efficiency by reducing the power consumption.
  • a battery-powered motor includes: A battery-driven motor that drives a load by being supplied with power from a battery via an inverter, The current supplied from the battery is 3.0 C or more when driven at maximum output, Equipped with a stator core using an electromagnetic steel sheet as an iron core material having a magnetic flux density of 1.65 T or more at a magnetic field strength of 5000 A / m and an iron loss of 40.0 W / kg or less at 1 kHz - 1.0 T sine wave excitation. .
  • a motor drive system includes: a battery; an inverter; a battery-driven motor that is supplied with power from the battery via the inverter to drive a load;
  • the battery-powered motor is The current supplied from the battery is 3.0 C or more when driven at maximum output, Equipped with a stator core using an electromagnetic steel sheet as an iron core material having a magnetic flux density of 1.65 T or more at a magnetic field strength of 5000 A / m and an iron loss of 40.0 W / kg or less at 1 kHz - 1.0 T sine wave excitation. .
  • FIG. 1 is a diagram schematically showing the configuration of a battery-driven motor according to one embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 2 is a diagram for explaining the evaluation flow of battery loss and the definition of battery loss Wb.
  • FIG. 3 is a diagram showing an example of measurement evaluation results of battery loss in a battery-driven motor.
  • FIG. 4 is a diagram showing a configuration example of a battery-driven motor manufactured as an IPM (interior permanent magnet) motor.
  • FIG. 5 is a diagram showing a configuration example of a battery-driven motor manufactured as an SPM (surface permanent magnet) motor.
  • FIG. 6 is a diagram showing the shape of the manufactured iron core.
  • FIG. 1 is a diagram schematically showing the configuration of a battery-driven motor 10 according to one embodiment of the present disclosure.
  • the battery-driven motor 10 is powered by a battery via an inverter that converts DC power to AC power to drive a load.
  • a battery-driven motor 10, a battery, and an inverter constitute a motor drive system 1, as shown in FIG.
  • the motor drive system 1 can be used, for example, in battery-powered equipment such as electric vehicles, vacuum cleaners and drones.
  • the battery-driven motor 10 has a load such as a rotating shaft provided in the battery-driven device.
  • the magnetic steel sheet that is the core material of the battery-driven motor 10 and the reasons for their limitations will be explained.
  • the type of battery-powered motor 10 is not limited.
  • the magnetic steel sheet is not limited in composition and manufacturing method as long as the specified magnetic properties are obtained. Further, in the following explanation, the simple indication of "%" for the amount of added component means “% by mass”.
  • a steel sheet that satisfies the requirements described below may be selected.
  • the supply current from the battery at maximum output is 3.0C or more.
  • a power source that can supply power with a large capacity, that is, a high voltage and a large current.
  • a booster circuit results in an increase in size and weight. Therefore, in the present embodiment, lithium-ion battery cells are connected in series, in parallel, or in a combination of series and parallel, depending on the voltage required to drive the motor, and current is supplied at a relatively high discharge rate of 3.0 C or higher.
  • a configuration that reduces the loss in the entire system.
  • a battery loss Wb which will be described later, increases in proportion to the square of this discharge rate (C rate) (see FIG. 3).
  • C rate indicates the speed of discharge, and is defined as 1C as the magnitude of the current that completely discharges the nominal capacity of the battery in one hour. For example, 2.0C is the amount of current that will fully discharge the battery's nominal capacity in 0.5 hours.
  • the maximum C rate is lower than 3.0C, it is difficult to obtain the effect.
  • the number of lithium-ion batteries connected in series may be adjusted according to the required voltage. Also, depending on the required dimensions and continuous drive time of the motor drive system 1, additional lithium ion batteries may be connected in parallel. Lithium-ion batteries are preferred for achieving high energy density and high power density. However, the type of battery is not limited.
  • FIG. 2 shows the evaluation flow of the battery loss Wb.
  • a CC (constant current) discharge characteristic is evaluated in a charge/discharge device. Specifically, according to the method specified in "JIS C 8711", a constant current discharge at a discharge rate of 0.2C (a current value that reaches the final discharge voltage in 5 hours) and a discharge rate when the motor is driven at the maximum output. A test is conducted. By integrating the curve of the obtained discharge capacity W (Ah) and terminal voltage V (V), the electrical work (Wh) given to the external system by the battery can be calculated.
  • the battery loss Wb (W) is calculated from the difference between the voltage drop curves at the C rate of 0.2C and the C rate at the maximum output. Specifically, battery loss Wb (W) at maximum output per unit time is obtained by dividing the difference (energy (Wh) shown in FIG. 2) by the discharge time (h).
  • the C rate at the maximum output (maximum C rate) is, for example, 3.0C
  • V(C max ) in the equation shown in FIG. 2 is V(3.0C).
  • 1/C max of the discharge time is 1/(3.0).
  • Fig. 3 shows an example of measurement results of battery loss Wb for a lithium-ion battery with a rated voltage of 21.6V and a rated capacity of 2.8Ah.
  • a charge/discharge device PFX2512 manufactured by Kikusui Denshi Kogyo Co., Ltd. was used for the measurement. Any evaluation apparatus may be used as long as a similar constant current discharge test can be performed according to the voltage/current capacity of the evaluation object. Also, since it is difficult to evaluate a large battery pack in which a large number of cells are connected, such as an electric vehicle, a charge/discharge test may be performed by extracting a part or a single cell. As shown in FIG. 3, as the discharge rate increases, the battery loss Wb increases.
  • the battery loss Wb is Wm ⁇ Wb with respect to the motor loss Wm (iron loss and copper loss). More preferably, Wm ⁇ 2.0 ⁇ Wb. Therefore, it is preferable to select the core material so as to satisfy such a relationship.
  • the magnetic flux density (B 50 ) of the selected iron core material should be 1.65 T or more.
  • the magnetic flux density (B 50 ) is the magnetic flux density at a magnetic field strength of 5000 A/m. There is no particular upper limit of the range.
  • the magnetic flux density (B 600 ) is preferably 1.95 T or more because it effectively contributes to high torque (that is, low current) in a state where the iron core material is close to magnetic saturation, especially when the motor is driven at maximum output. . More preferably, it is 2.00 T or more.
  • the magnetic flux density (B 600 ) is the magnetic flux density at a magnetic field strength of 60000 A/m.
  • iron loss (W 10/1000 ) is an effective indicator of iron loss reduction during motor driving. Therefore, the iron loss (W 10/1000 ) of the selected iron core material should be 40.0 W/kg or less. More preferably, it is 30.0 W/kg or less.
  • the iron loss (W 10/1000 ) is the iron loss in sinusoidal excitation of 1 kHz-1.0T.
  • the electrical steel sheet there are no other restrictions on the electrical steel sheet as long as the above magnetic properties are achieved.
  • the composition of the magnetic steel sheet and the difference in manufacturing method do not affect the effect.
  • the insulating coating there is no particular limitation as long as at least one surface is provided with a known insulating coating.
  • the application of a Co-Fe alloy (magnetic flux density B50 of 2.3 T or more) such as permendur which is known as a soft magnetic material with a high magnetic flux density, is assumed to be applied because the material cost is high and availability is poor.
  • the thickness of the magnetic steel sheet there are no restrictions on the thickness of the magnetic steel sheet, but it can be selected as appropriate to satisfy the above iron loss.
  • a core material containing Si can be selected.
  • the material grades of electrical steel sheets there is often a trade-off between magnetic flux density and iron loss. Since it is possible to reduce the iron loss at high frequencies, it is relatively easy to achieve both high magnetic flux density and low iron loss.
  • the processing and lamination methods of the electromagnetic steel sheets but a high lamination factor is preferable in order to effectively obtain an increase in motor torque (reduction in current) due to the high magnetic flux density characteristics of the material.
  • an electromagnetic steel sheet is cut into a desired motor core shape by laser processing, vacuum impregnated into an epoxy adhesive while applying pressure in the stacking direction, and work-hardened to obtain a space factor of 90% or more, which is preferable.
  • maximum motor speed As described above, increasing the rotation speed is an effective means for increasing the output density of the motor, so it is preferable to set the maximum rotation speed to 10000 rpm or more.
  • the rotation speed may be further increased according to the degree of demand for miniaturization and high speed, or according to the voltage value that can be supplied, and the maximum rotation speed is more preferably 20000 rpm or more.
  • the maximum rotation speed is more preferably 50000 rpm or more.
  • the iron core material is preferably selected so that the output (kW) with respect to the iron core weight (kg) of the motor exceeds 5 kW/kg. More preferably, it is 7 kW/kg. More preferably, it is 10 kW/kg.
  • the motor type of the battery-driven motor 10 is not limited, and effects can be obtained with any type.
  • an SPM (surface permanent magnet) motor using a magnet or an IPM motor is preferable in terms of increasing the output density of the motor and achieving high efficiency.
  • Example 1 An IPM motor having the shape shown in FIG. 4 was manufactured using the magnetic steel sheets shown in Table 1 as core materials.
  • the fabricated IPM motor comprises rotor core 11 , stator core 12 , shaft 13 and magnet 14 .
  • the iron core was processed by punching with a die and lamination by caulking.
  • a magnet 14 was inserted into the obtained rotor core 11 and a winding was applied to the stator core 12 .
  • 200 lithium-ion battery cells (3.6V) were provided to power the IPM motor.
  • a battery with a total voltage of 360 V was obtained by connecting 2 in parallel of 100 cells connected in series.
  • the battery and motor are controlled by a motor drive system 1 that includes an inverter, and the current supplied from the battery at maximum motor output is 4.0C.
  • a motor drive system 1 that includes an inverter
  • the current supplied from the battery at maximum motor output is 4.0C.
  • the battery loss Wb at 4.0C was 10W. That is, the battery loss Wb for the entire battery (200 cells) was 2 kW.
  • Table 2 shows the results of evaluating the output and motor loss Wm when operating the manufactured IPM motor at the maximum output (18000 rpm).
  • the motor of the example using the core material A having the magnetic properties within the predetermined range has a large maximum output, and the motor has a high maximum output density (kW/kg) with respect to the weight of the motor core.
  • the predetermined range means that the magnetic flux density (B 50 ) is 1.65 T or more at a magnetic field strength of 5000 A/m and the iron loss (W 10/1000 ) is 40 at sinusoidal excitation of 1 kHz-1.0 T. .0 W/kg or less.
  • Table 3 shows the results of measuring the time from the battery fully charged state to the motor stopping and the battery temperature immediately after stopping when the same motor was driven at a motor output of 12 kW (10000 rpm).
  • the example using the core material A has a continuous operation time longer by 10% or more than the comparative example using the core material B and the core material C, and is extremely excellent as a motor for battery-powered equipment. .
  • a reduction of 10° C. or more is achieved with respect to the battery temperature after the motor is stopped in the example. This is due to the reduction of battery loss, and it is expected that it will not only reduce the risk of failure due to thermal runaway of the battery, but also have a positive effect on cycle characteristics due to repeated use.
  • an SPM motor having the shape shown in FIG. 5 was manufactured using the magnetic steel sheets shown in Table 4 as iron core materials.
  • Core materials A to C are the same as above.
  • core material D a new electromagnetic steel sheet different from core materials A to C was used.
  • the iron core was processed by punching with a die and lamination by caulking.
  • the resulting rotor core consisted of a shaft and magnets, and the stator core was wound. These were assembled to produce an SPM motor. A lithium-ion battery cell (3.6 V) was also provided to power the SPM motor. Seven of these cells were connected in series (7 series) or 2 of the 7 series were connected in parallel (7 series ⁇ 2 parallel) to obtain a battery with a total voltage of 25.2V.
  • the battery and motor are controlled by a motor drive system 1 that includes an inverter, and the current supplied from the battery at the maximum output of the motor is 6.0C when 7 series are connected in series, and 3.0C when 7 series are connected in parallel with 2.
  • the battery loss Wb at 6.0C was 20W. That is, the battery loss Wb for the entire battery (7 cells) was 140W.
  • the battery loss at 3.0C was 5W. That is, the battery loss Wb for the entire battery (14 cells) was 70W.
  • Table 5 shows the results of evaluating the output and motor loss Wm when operating the manufactured SPM motor at the maximum output (100,000 rpm).
  • the motor of the embodiment using the core materials A and D having magnetic properties within the predetermined range has a large maximum output, and the motor has a high maximum output density with respect to the weight of the motor core.
  • the predetermined range means that the magnetic flux density (B 50 ) is 1.65 T or more at a magnetic field strength of 5000 A/m and the iron loss (W 10/1000 ) is 40 at sinusoidal excitation of 1 kHz-1.0 T. .0 W/kg or less.
  • Table 6 shows the results of measuring the time from the battery fully charged state until the motor stops and the battery temperature immediately after stopping when the same motor is driven at a motor output of 0.4 kW (90,000 rpm).
  • the examples using core materials A and D have a longer continuous operation time than the comparative examples using core materials B and C, and are extremely excellent as motors for battery-powered equipment.
  • a reduction in the battery temperature after the motor stops in the example is achieved. This is due to the reduction of battery loss, and it is expected that it will not only reduce the risk of failure due to thermal runaway of the battery, but also have a positive effect on cycle characteristics due to repeated use.
  • the battery configuration is seven series and the C rate is higher (Examples 2 and 3), compared with the comparative examples (Comparative examples 3 and 4)
  • the continuous operation time was extended by nearly 10%, and the battery temperature after the motor was stopped was also lowered by nearly 10°C.
  • a core having the shape shown in FIG. 6 was manufactured.
  • the motor type is a 14-pole outer rotor SPM.
  • the iron core weight is 35 g.
  • the iron core was laminated to a height of 10.5 mm by adhesive lamination to form a motor core. Insulating coating and winding were applied to the obtained motor core, and the motor was assembled.
  • Four lithium ion battery cells (3.7 V) were connected in series to supply power to the motor, and a battery with a total voltage of 14.8 V was obtained.
  • Table 7 also shows the results of evaluating the time until the motor drive can no longer be maintained by continuously driving the motor at 10000 rpm-0.31 Nm (325 W) for such a motor drive system.
  • Both core materials E and F are invention examples, and are materials having substantially the same magnetic properties. However, the core materials E and F are different in the presence or absence of the inclination of the Si component in the plate thickness direction. Although the magnetic properties are almost the same, the motor driving time of the iron core material F is improved by about 15%, and it can be seen that an excellent motor system can be constructed when the Si inclination is present in the plate thickness direction. This result is considered to be due to the effect of suppressing deterioration when the core material is processed into the core by having the Si inclination.
  • the material having the Si gradient suppresses the adverse effect on the magnetic properties of the stress applied to the motor core by the insulating coating and windings. From the above, in the battery-driven motor of the present disclosure, having a Si gradient not only makes it easier to satisfy the magnetic properties required as a material, but also effectively improves the performance of the entire system when assembled as a motor. do.
  • the battery-driven motor 10 and the motor drive system 1 according to the present embodiment can effectively reduce the loss in the entire system and achieve both output density and efficiency due to the above configuration. That is, the battery-driven motor 10 and the motor-driven system 1 according to this embodiment can achieve high power density without impairing the efficiency of the entire system. Also, by applying the battery-driven motor 10 and the motor drive system 1 according to the present embodiment, it is possible to realize compact and highly efficient battery-driven devices such as electric vehicles, vacuum cleaners, and drones.

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Abstract

システム全体の効率を損なうことなく高い出力密度を達成するバッテリー駆動モータ及びモータ駆動システムが提供される。バッテリー駆動モータは、インバータを介してバッテリーから電力を供給されて負荷を駆動するバッテリー駆動モータであって、最大出力での駆動時に、バッテリーからの供給電流が３．０Ｃ以上であり、鉄心材料として、磁界の強さが５０００Ａ／ｍにおける磁束密度が１．６５Ｔ以上かつ１ｋＨｚ－１．０Ｔの正弦波励磁における鉄損が４０．０Ｗ／ｋｇ以下である電磁鋼板を用いたステータコア（１２）を備える。

Description

バッテリー駆動モータ及びモータ駆動システム
　本開示は、バッテリー駆動モータ及びモータ駆動システムに関する。本開示は、特にバッテリーから電力を供給されるコードレスの家電機器、電動車（ＥＶ：ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｖｅｈｉｃｌｅ）、切削機器及びドローンなどでの使用に好適な、高速で駆動されるバッテリー駆動モータ及びモータ駆動システムに関する。
　バッテリーからの電力供給により駆動されるモータは、高効率であり長時間の運転が可能であることが要求される。一方で、機器全体での寸法及び重量の削減が強く求められている。これらがトレードオフの関係にあることが多く、両者の高度な両立は技術的に困難である。つまり、モータにおいて例えば寸法を大きくし鉄心の励磁磁束密度を低下させることによって比較的高効率が得やすいが、重量及び寸法が増大してしまう。また、モータを小型化するために最大回転数を高速化することがあるが、上記のようなバッテリーからの電力供給により駆動されるモータでは電源電圧の制約が存在するため、電源側の対応が必要となる。例えば、高速回転化の為に高電圧を確保する手法としては、昇圧回路を備えることなどが考えられるが、機器全体として寸法重量の増大は避けられず、結果としてモータ高速化による小型化と相殺してしまうことがある。
　ところで、上記のようなモータに限らず鉄心材料として、高磁束密度かつ低鉄損な材料を適用することが、モータ効率及び出力を改善するために有効であることが知られている。しかしながら鉄心材料の鉄損と磁束密度の改善には限界があり、また、同一モータであってもその動作状況によって要求される材料特性は変化する。特にバッテリー駆動という電源制約条件下での理想的な鉄心材料特性はこれまでに明確になっておらず、バッテリーで駆動されるモータに対して最適な材料を選択し、機器全体としての効率と寸法及び重量の最適化が出来ていなかった。このような状況に対して、自動車レースなどの一部の特殊な用途においては、飽和磁束密度の特性に優れるパーメンジュール（Ｆｅ－Ｃｏ合金）等の鉄心材料が使用されることがある（例えば特許文献１）。
特開２０１８－１７４６５０号公報
　ここで、パーメンジュールは、コストが比較的高く、Ｃｏの供給が不安定になることもあり得る。よって、入手性に優れる無方向性電磁鋼板を用いて、機器全体としての効率と寸法及び重量の最適化が可能な技術が求められている。
　以上の問題を解決すべくなされた本開示の目的は、システム全体の効率を損なうことなく高い出力密度を達成するバッテリー駆動モータ及びモータ駆動システムを提供することにある。
　本開示の発明者らは、上記の課題を踏まえ高速モータに適した電磁特性をもつ鉄心材料について鋭意検討を重ねた。その結果、最大モータ出力の要求に対してバッテリーの供給電流を３．０Ｃ以上とするモータ駆動システムを前提に、モータ鉄心材料として磁界の強さが５０００Ａ／ｍ時の磁束密度（Ｂ５０）が１．６５Ｔ以上かつ、１ｋＨｚ－１．０Ｔの正弦波励磁における鉄損（Ｗ１０／１０００）が４０．０Ｗ／ｋｇ以下である電磁鋼板を使用することで、効果的に系全体での損失を低減し出力密度と効率の両立を図ることができることを知見した。
　本開示の一実施形態に係るバッテリー駆動モータは、
　インバータを介してバッテリーから電力を供給されて負荷を駆動するバッテリー駆動モータであって、
　最大出力での駆動時に、前記バッテリーからの供給電流が３．０Ｃ以上であり、
　鉄心材料として、磁界の強さが５０００Ａ／ｍにおける磁束密度が１．６５Ｔ以上かつ１ｋＨｚ－１．０Ｔの正弦波励磁における鉄損が４０．０Ｗ／ｋｇ以下である電磁鋼板を用いたステータコアを備える。
　また、本開示の一実施形態に係るモータ駆動システムは、
　バッテリーと、
　インバータと、
　前記インバータを介して前記バッテリーから電力を供給されて負荷を駆動するバッテリー駆動モータと、を備え、
　前記バッテリー駆動モータは、
　　最大出力での駆動時に、前記バッテリーからの供給電流が３．０Ｃ以上であり、
　　鉄心材料として、磁界の強さが５０００Ａ／ｍにおける磁束密度が１．６５Ｔ以上かつ１ｋＨｚ－１．０Ｔの正弦波励磁における鉄損が４０．０Ｗ／ｋｇ以下である電磁鋼板を用いたステータコアを備える。
　本開示によれば、システム全体の効率を損なうことなく高い出力密度を達成するバッテリー駆動モータ及びモータ駆動システムを提供することができる。
図１は、本開示の一実施形態に係るバッテリー駆動モータの構成を模式的に示す図である。 図２は、バッテリー損失の評価フローとバッテリー損失Ｗｂの定義を説明するための図である。 図３は、バッテリー駆動モータにおけるバッテリー損失の実測評価結果の一例を示す図である。 図４は、ＩＰＭ（ｉｎｔｅｒｉｏｒ　ｐｅｒｍａｎｅｎｔ　ｍａｇｎｅｔ）モータとして製作されたバッテリー駆動モータの構成例を示す図である。 図５は、ＳＰＭ（ｓｕｒｆａｃｅ　ｐｅｒｍａｎｅｎｔ　ｍａｇｎｅｔ）モータとして製作されたバッテリー駆動モータの構成例を示す図である。 図６は、製作された鉄心の形状を示す図である。
　図１は、本開示の一実施形態に係るバッテリー駆動モータ１０の構成を模式的に示す図である。バッテリー駆動モータ１０は、ＤＣ電力をＡＣ電力に変換するインバータを介して、バッテリーから電力を供給されて負荷を駆動する。バッテリー駆動モータ１０、バッテリー及びインバータは、図１に示すように、モータ駆動システム１を構成する。
　モータ駆動システム１は、例えば電気自動車、掃除機及びドローンなどのバッテリー駆動機器で使用され得る。バッテリー駆動モータ１０は、バッテリー駆動機器が備える回転軸などを負荷とする。
　以下、バッテリー駆動モータ１０のコア材料である電磁鋼板の要件とその限定理由が説明される。ここで、バッテリー駆動モータ１０の形式に制限はない。また、電磁鋼板は指定の磁気特性が得られていれば成分及び製法について制限されない。また、以下の説明において、成分添加量について単に「％」と示したものは「質量％」を意味する。
　バッテリー駆動モータ１０のコア材料に用いる電磁鋼板としては、以下に説明される要件を満たしている鋼板を選択すればよい。
（最大出力時のバッテリーからの供給電流が３．０Ｃ以上）
　モータの高出力密度化には大容量、つまり高電圧かつ大電流での電力供給に対応した電源の適用が有利である。しかしながら、バッテリーからの電力供給で駆動する系では電圧制約が存在し、昇圧回路を具備することは寸法及び重量の増大を招く。そこで、本実施形態では、モータ駆動に必要な電圧に応じて、リチウムイオン電池のセルを直列若しくは並列又は直列と並列を組み合わせて連ねて、３．０Ｃ以上という比較的大きな放電レートでの電流供給によってモータの高出力密度化に適した系において、系全体での損失を低減させる構成を提案する。後述するバッテリー損失Ｗｂはこの放電レート（Ｃレート）の二乗に比例して大きくなる（図３参照）。しかし、本実施形態の構成を適用することで従来技術に比べて電流を低減しバッテリーにおける損失を効果的に低減することが可能となる。ここで、Ｃレートは、放電のスピードを示し、バッテリーの公称容量を１時間で完全放電させる電流の大きさが１Ｃと定義される。例えば２．０Ｃは、バッテリーの公称容量を０．５時間で完全放電させる電流の大きさである。バッテリーの最大放電条件のＣレート値が高いほどバッテリーにおける損失としては大きくなるが、この値が高いほどモータは高出力密度なものが得られ、本発明の技術を適用することによる系全体での損失改善の効果が得られやすい。よって、好ましくは５．０Ｃ以上であり、さらに好ましくは８．０Ｃ以上である。一方で、最大Ｃレートが３．０Ｃよりも低い場合には効果が得られにくい。
　また、バッテリーでの損失低減は、バッテリーの温度上昇の抑制に直接的に寄与するので、バッテリーの充放電サイクルによる劣化の抑制にも有効である。このことは、本実施形態に係るバッテリー駆動モータ１０及びモータ駆動システム１が有する大きな優位性の１つである。
　また、上記のように、要求される電圧に応じてリチウムイオン電池の直列数が調整されてよい。また、要求されるモータ駆動システム１の寸法及び連続駆動時間に応じて、並列にリチウムイオン電池が繋ぎ増しされてよい。バッテリーの種類は高エネルギー密度と高出力密度を達成する上でリチウムイオン電池が好適である。ただし、バッテリーの種類は限定されない。
（バッテリー損失Ｗｂについて）
　図２はバッテリー損失Ｗｂの評価フローを示す。まず、充放電装置にてＣＣ（定電流）放電特性が評価される。詳細に述べると、「ＪＩＳ　Ｃ　８７１１」に示されている方法にて、０．２Ｃ（５時間で放電終止電圧に至る電流値）及びモータ最大出力で駆動する時の放電レートでの定電流放電試験が行われる。得られた放電容量Ｗ（Ａｈ）と端子間電圧Ｖ（Ｖ）のカーブを積分することで、バッテリーが外部の系に与えた電気的仕事量（Ｗｈ）が算出できる。そして、０．２Ｃ及び最大出力時のＣレートにおける電圧降下曲線の差分からバッテリー損失Ｗｂ（Ｗ）が計算される。具体的に述べると、差分（図２に示されるエネルギー（Ｗｈ））を放電時間（ｈ）で除することで、単位時間当たりの最大出力時のバッテリー損失Ｗｂ（Ｗ）が得られる。ここで、最大出力時のＣレート（最大Ｃレート）が例えば３．０Ｃの場合には、図２に記載の式におけるＶ（Ｃｍａｘ）はＶ（３．０Ｃ）である。また、放電時間の１／Ｃｍａｘは、１／（３．０）である。
　図３は定格電圧２１．６Ｖ、定格容量２．８Ａｈのリチウムイオン電池を対象としたバッテリー損失Ｗｂの測定結果の一例を示す。測定には、菊水電子工業製充放電装置ＰＦＸ２５１２を使用した。なお、評価対象の電圧／電流の容量に応じて同様の定電流放電試験が実施できれば、いずれの評価装置で実施してよい。また、電気自動車のようにセルを多数接続した大型のバッテリーパックの評価は困難であるので、一部あるいは単一のセルを抜き出しての充放電試験を実施してよい。図３に示すように、放電レートが上昇すると、バッテリー損失Ｗｂが上昇する。ここで、バッテリー電流に比例するモータ電流を低下させる効果が有効に生じる形態としては、上記のバッテリー損失Ｗｂがモータ損失Ｗｍ（鉄損及び銅損）に対してＷｍ≦Ｗｂである。さらに好ましくは、Ｗｍ×２．０≦Ｗｂである。そのため、このような関係が満たされるように、鉄心材料が選択されることが好ましい。
（電磁鋼板特性について）
　磁束密度（Ｂ５０）が高い材料ほどモータの高トルク化が得られるので、同一のトルクで比較するとモータ電流を低減できる。そのため、選択される鉄心材料の磁束密度（Ｂ５０）は１．６５Ｔ以上とする。ここで、磁束密度（Ｂ５０）は、磁界の強さが５０００Ａ／ｍにおける磁束密度である。範囲の上限は特になくてよい。また、磁束密度（Ｂ６００）は、特にモータ最大出力時の駆動で鉄心材料が磁気飽和に近い状態での高トルク化（すなわち低電流化）に有効に寄与するので、１．９５Ｔ以上が好ましい。さらに好ましくは２．００Ｔ以上である。ここで、磁束密度（Ｂ６００）は、磁界の強さが６００００Ａ／ｍにおける磁束密度である。また、鉄損（Ｗ１０／１０００）は、モータ駆動時の鉄損低減を示す有効な指標である。そのため、選択される鉄心材料の鉄損（Ｗ１０／１０００）は４０．０Ｗ／ｋｇ以下とする。さらに好ましくは３０．０Ｗ／ｋｇ以下である。ここで、鉄損（Ｗ１０／１０００）は、１ｋＨｚ－１．０Ｔの正弦波励磁における鉄損である。
　電磁鋼板は、上記の磁気特性が達成されていれば他に制約が無い。例えば電磁鋼板の成分及び製法の違いは効果に影響を与えない。また、絶縁被膜については既知の絶縁被膜が少なくとも１面に備わっていればよく特別な制約は無い。ここで、高磁束密度な軟磁性材料として知られるパーメンジュールなどのＣｏ－Ｆｅ合金（磁束密度Ｂ５０が２．３Ｔ以上）の適用は、材料コストが高く入手性も悪いため適用を想定していない。
　電磁鋼板の板厚についても同様に制約は無いが、上記の鉄損を満たすために適宜選択すればよい。鉄心材料としてＳｉを含むものを選択することができる。電磁鋼板の材料グレードの中では多くの場合に、磁束密度と鉄損はトレードオフの関係にあるが、板厚方向にＳｉ濃度の分布を有することで、材料磁束密度の低下を最小限に抑制しつつ高周波での鉄損低減が可能となるので、高磁束密度と低鉄損の両立が比較的に容易となる。また、電磁鋼板の加工及び積層方式についても制約は無いが、材料の高磁束密度特性によるモータトルク増大（電流低減）を有効に得るため占積率が高い方が好ましい。例えば、レーザ加工により電磁鋼板を所望のモータコア形状に切り出し、積層方向に加圧しながらエポキシ系の接着剤へ真空含侵し、加工硬化させると９０％以上の占積率が得られ、好ましい。
（モータ最大回転数）
　上記のように高速回転化はモータの出力密度を高めるのに有効な手段であるため最大回転数を１００００ｒｐｍ以上とすることが好ましい。小型高速化の要求度合いに応じて、あるいは供給可能な電圧値に応じて、さらに高速回転化してよく、最大回転数は、より好ましくは２００００ｒｐｍ以上である。最大回転数は、さらに好ましくは５００００ｒｐｍ以上である。
　系全体での小型軽量化には重量物であるモータ、特に鉄心の小型化が有効である。そのため、モータの鉄心重量（ｋｇ）に対する出力（ｋＷ）が５ｋＷ／ｋｇを超えるように、鉄心材料が選択されることが好ましい。より好ましくは７ｋＷ／ｋｇである。さらに好ましくは１０ｋＷ／ｋｇである。
　上記のようにバッテリー駆動モータ１０のモータ形式に制限は無く、いずれの形式でも効果が得られる。ただし、モータの出力密度を高める、高効率とする上では磁石を用いるＳＰＭ（ｓｕｒｆａｃｅ　ｐｅｒｍａｎｅｎｔ　ｍａｇｎｅｔ）モータ又はＩＰＭモータが好ましい。
　以下、実施例及び比較例を示すが、本開示は以下の実施例に用いられた条件に制限されるものでない。
（実施例１）
　表１に示す電磁鋼板を鉄心材料として、図４に示す形状のＩＰＭモータが製作された。作製されたＩＰＭモータは、ロータコア１１と、ステータコア１２と、シャフト１３と、磁石１４と、を備える。鉄心の加工は金型による打抜き及びカシメによる積層とした。得られたロータコア１１には磁石１４が挿入されて、ステータコア１２には巻線が施された。これらが組み立てられてＩＰＭモータが製作された。また、ＩＰＭモータへの電力供給のために、２００個のリチウムイオン電池のセル（３．６Ｖ）が用意された。このセルを直列に１００個接続したものを、２並列で接続して、総電圧が３６０Ｖのバッテリーが得られた。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　バッテリーとモータを、インバータを含むモータ駆動システム１で制御し、モータ最大出力時のバッテリーからの供給電流が４．０Ｃとなる構成とした。ここで、使用したリチウムイオン電池のセルを図２に従って評価した結果、４．０Ｃでのバッテリー損失Ｗｂは１０Ｗであった。つまり、バッテリー全体（２００セル）でのバッテリー損失Ｗｂは２ｋＷであった。
　表２は、製作されたＩＰＭモータについて、最大出力（１８０００ｒｐｍ）で動作させた場合の出力及び、モータ損失Ｗｍを評価した結果を示す。所定の範囲に含まれる磁気特性を有する鉄心材料Ａを用いた実施例のモータでは最大出力が大きく、モータ鉄心重量に対するモータ最大出力密度（ｋＷ／ｋｇ）が高いモータとなった。ここで、所定の範囲とは、磁界の強さが５０００Ａ／ｍにおける磁束密度（Ｂ５０）が１．６５Ｔ以上かつ１ｋＨｚ－１．０Ｔの正弦波励磁における鉄損（Ｗ１０／１０００）が４０．０Ｗ／ｋｇ以下である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　一方、表３は、同じモータを用いて１２ｋＷ（１００００ｒｐｍ）のモータ出力で駆動時に、バッテリー満充電状態からモータ停止までの時間及び停止直後のバッテリー温度を測定した結果を示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
　鉄心材料Ａを用いた実施例は、鉄心材料Ｂ及び鉄心材料Ｃを用いた比較例に比べて１０％以上も連続運転時間が長く、バッテリー駆動機器用のモータとして非常に優れていることが分かる。また、実施例のモータ停止後のバッテリー温度に関しては、１０℃以上の低減が達成されている。これは、バッテリーの損失低減によるものであるが、バッテリーの熱暴走による故障リスク低減だけではなく、繰り返し使用によるサイクル特性へも好影響を与えることが期待される。
（実施例２～５）
　続いて、表４に示す電磁鋼板を鉄心材料として、図５に示す形状のＳＰＭモータが製作された。鉄心材料Ａ～Ｃは上記と同じである。鉄心材料Ｄとして、鉄心材料Ａ～Ｃと異なる新たな電磁鋼板が用いられた。鉄心の加工は金型による打抜き及びカシメによる積層とした。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
　得られたロータコアはシャフトと磁石で構成され、ステータコアには巻線が施された。これらが組み立てられてＳＰＭモータが製作された。また、ＳＰＭモータへの電力供給のために、リチウムイオン電池のセル（３．６Ｖ）が用意された。このセルを直列に７個接続（７直列）あるいは７直列を２並列とし（７直列×２並列）、総電圧が２５．２Ｖのバッテリーが得られた。
　バッテリーとモータを、インバータを含むモータ駆動システム１で制御し、モータ最大出力時のバッテリーからの供給電流が７直列時に６．０Ｃ、７直列を２並列時に３．０Ｃとなる構成とした。ここで、使用したリチウムイオン電池のセルを図２に従って評価した結果、６．０Ｃでのバッテリー損失Ｗｂは２０Ｗであった。つまり、バッテリー全体（７セル）でのバッテリー損失Ｗｂは１４０Ｗであった。一方で、３．０Ｃでのバッテリー損失は５Ｗであった。つまり、バッテリー全体（１４セル）でのバッテリー損失Ｗｂは７０Ｗであった。
　表５は、製作されたＳＰＭモータについて、最大出力（１０万ｒｐｍ）で動作させた場合の出力及び、モータ損失Ｗｍを評価した結果を示す。所定の範囲に含まれる磁気特性を有する鉄心材料Ａ及びＤを用いた実施例のモータでは最大出力が大きく、モータ鉄心重量に対するモータ最大出力密度が高いモータとなった。ここで、所定の範囲とは、磁界の強さが５０００Ａ／ｍにおける磁束密度（Ｂ５０）が１．６５Ｔ以上かつ１ｋＨｚ－１．０Ｔの正弦波励磁における鉄損（Ｗ１０／１０００）が４０．０Ｗ／ｋｇ以下である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000005
　一方、表６は、同じモータを用いて０．４ｋＷ（９万ｒｐｍ）のモータ出力で駆動時に、バッテリー満充電状態からモータ停止までの時間及び停止直後のバッテリー温度を測定した結果を示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000006
　鉄心材料Ａ及びＤを用いた実施例は、鉄心材料Ｂ及び鉄心材料Ｃを用いた比較例に比べて連続運転時間が長く、バッテリー駆動機器用のモータとして非常に優れていることが分かる。また、実施例のモータ停止後のバッテリー温度も低減が達成されている。これは、バッテリーの損失低減によるものであるが、バッテリーの熱暴走による故障リスク低減だけではなく、繰り返し使用によるサイクル特性へも好影響を与えることが期待される。また、上記の実施例の中でも、バッテリー構成が７直列でＣレートがより高い条件で使用される場合（実施例２及び実施例３）に、比較例（比較例３及び比較例４）と比べて連続運転時間が１０％近く長くなり、モータ停止後のバッテリー温度も１０℃近く低くなっており、バッテリー駆動機器用のモータとして顕著に優れていることが分かる。
　続いて表７に示す鉄心材料Ｅ及びＦを用いて、図６に示す形状の鉄心が製作された。ここで、モータ形式は１４極のアウターロータＳＰＭである。また、鉄心重量は３５ｇである。鉄心の加工は、打抜き後、接着積層によって１０．５ｍｍの高さに積層してモータコアとした。得られたモータコアへ絶縁塗装及び巻線が施されて、モータとして組み上げられた。また、このモータへの電力供給のためリチウムイオン電池のセル（３．７Ｖ）が４直列で接続されて、合計で１４．８Ｖの電圧となるバッテリーが得られた。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000007
　表７には、このようなモータ駆動システムに対して、モータを１００００ｒｐｍ－０．３１Ｎｍ（３２５Ｗ）で連続駆動させ、モータ駆動が維持できなくなるまでの時間を評価した結果が併せて示されている。鉄心材料Ｅ及びＦはいずれも発明例であり、ほぼ同等の磁気特性を有する材料である。しかし、鉄心材料ＥとＦとは板厚方向へのＳｉ成分の傾斜の有無の点で異なる。そして磁気特性としてほぼ同等でありながら、鉄心材料Ｆの方はモータ駆動時間が約１５％改善されており、板厚方向にＳｉ傾斜を有する場合に優れたモータシステムを構築できることがわかる。この結果は、Ｓｉ傾斜を有することで鉄心材料を鉄心へ加工した際の劣化を抑制した効果が得られたものと考えられる。あるいは、Ｓｉ傾斜を有する材料では、絶縁塗装及び巻線によってモータコアへ加えられた応力による磁気特性への悪影響が抑制されたことも考えられる。以上から、本開示におけるバッテリー駆動モータにおいて、Ｓｉ傾斜を有するということは、単に材料として要求される磁気特性を満たしやすいだけでなく、モータとして組み上げた際のシステム全体での性能向上に有効に作用する。
　以上のように、本実施形態に係るバッテリー駆動モータ１０及びモータ駆動システム１は、上記の構成によって、効果的に系全体での損失を低減し出力密度と効率の両立が可能である。つまり、本実施形態に係るバッテリー駆動モータ１０及びモータ駆動システム１は、システム全体の効率を損なうことなく高い出力密度を達成することができる。また、本実施形態に係るバッテリー駆動モータ１０及びモータ駆動システム１を適用することによって、小型で高効率な電気自動車、掃除機及びドローンなどのバッテリー駆動機器を実現することができる。
　本開示の実施形態について、諸図面及び実施例に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形又は修正を行うことが容易であることに注意されたい。従って、これらの変形又は修正は本開示の範囲に含まれることに留意されたい。
　１　モータ駆動システム
　１０　バッテリー駆動モータ
　１１　ロータコア
　１２　ステータコア
　１３　シャフト
　１４　磁石

Claims (7)

  1. 　インバータを介してバッテリーから電力を供給されて負荷を駆動するバッテリー駆動モータであって、
    　最大出力での駆動時に、前記バッテリーからの供給電流が３．０Ｃ以上であり、
    　鉄心材料として、磁界の強さが５０００Ａ／ｍにおける磁束密度が１．６５Ｔ以上かつ１ｋＨｚ－１．０Ｔの正弦波励磁における鉄損が４０．０Ｗ／ｋｇ以下である電磁鋼板を用いたステータコアを備える、バッテリー駆動モータ。
  2. 　前記バッテリーは、最大出力での駆動時において、前記バッテリー駆動モータのモータ損失Ｗｍに対して、バッテリー損失ＷｂがＷｍ≦Ｗｂとなる、請求項１に記載のバッテリー駆動モータ。
  3. 　前記バッテリーはリチウムイオン電池である、請求項１又は２に記載のバッテリー駆動モータ。
  4. 　最大回転数が１００００ｒｐｍ以上であって、鉄心重量（ｋｇ）に対する出力（ｋＷ）が５ｋＷ／ｋｇを超える、請求項１から３のいずれか一項に記載のバッテリー駆動モータ。
  5. 　前記電磁鋼板は、磁界の強さが６００００Ａ／ｍにおける磁束密度が１．９５Ｔ以上かつ１ｋＨｚ－１．０Ｔの正弦波励磁における鉄損が３０．０Ｗ／ｋｇ以下である、請求項１から４のいずれか一項に記載のバッテリー駆動モータ。
  6. 　前記鉄心材料は板厚方向にＳｉ濃度の分布を有する、請求項１から５のいずれか一項に記載のバッテリー駆動モータ。
  7. 　バッテリーと、
    　インバータと、
    　前記インバータを介して前記バッテリーから電力を供給されて負荷を駆動するバッテリー駆動モータと、を備え、
    　前記バッテリー駆動モータは、
    　　最大出力での駆動時に、前記バッテリーからの供給電流が３．０Ｃ以上であり、
    　　鉄心材料として、磁界の強さが５０００Ａ／ｍにおける磁束密度が１．６５Ｔ以上かつ１ｋＨｚ－１．０Ｔの正弦波励磁における鉄損が４０．０Ｗ／ｋｇ以下である電磁鋼板を用いたステータコアを備える、モータ駆動システム。
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