CNTの適用により軽量化したモータにおけるロータのアスペクト比が巻線長さへ及ぼす影響の検討
Study on Effect of Rotor Aspect Ratio on Winding Length in Lightweight Motors with Application of CNT

佐藤廉, 野口孝浩, 遠藤央, 中村裕司, 田中真平, 藤井勇介, 清田恭平, 千葉明, 森伸介 / Ren Sato, Takahiro Noguchi, Mitsuru Endo, Hiroshi Nakamura, Shimpei Tanaka, Yusuke Fujii, Kyohei Kiyota, Akira Chiba, Shinsuke Mori

令和5年電気学会全国大会 IEEJ2023 Program

5-109

Nagoya University, March 15 - 17, 2023.

背景 - Background

研究室で取り組んでいるカーボンナノチューブ（CNT: Carbon Nano Tube）をSPMSMの巻線として利用することに取り組んでいる．CNT自体は長さが短く長い糸状にするためには紡績したCNT糸を利用する．現状製造可能なCNT糸はCNTそのものの電気伝導率に遠く及ばないため，長尺なCNTが望ましい．2021年までに14 cm程度の長さのCNTが製造されている．技術の発展にともない長尺化が進んだことを前提とし，本研究発表ではSPMSMの軽量化について議論した．CNT糸ではなくCNTを利用することで高い電気伝導率が望めるが，無制限に長いものは想定できないため，コイル長さと質量に着目して議論を進める．

In our lab, we’re working on using Carbon Nanotubes (CNT) as winding for SPMSMs. CNTs themselves are short, so spun CNT yarn is used to create a longer thread-like structure. The currently producible CNT yarns don’t come close to the electrical conductivity of CNT itself, so longer CNTs are desirable. As of 2021, CNTs with a length of about 14 cm have been produced. Assuming that the technology has advanced and longer lengths are available, this research presentation discussed the lightweight of SPMSMs. While using CNT instead of CNT thread might provide higher electrical conductivity, assuming they can be infinitely long is unrealistic. Therefore, the discussion focuses on coil length and mass.

手法 - Method

長尺なCNTをコイル巻線として利用し，コイル長さとモータ質量について議論する．先行研究[1]ではロータのアスペクト比が巻線抵抗へ大きな影響を及ぼすことを指摘している．このことからロータのアスペクト比に着目し，それをパラメータとして変化させて設計することで，コイル長さとモータ質量の関係を示した．

We’ll use the longer CNTs as coil windings and discuss the relationship between coil length and motor mass. Previous research [1] pointed out that the rotor’s aspect ratio has a significant impact on winding resistance. Focusing on the rotor’s aspect ratio and using it as a variable in our design, we demonstrated the relationship between coil length and motor mass.

結果 - Result

図1に設計したCNT巻線を用いたモータを示す．また図2にアスペクト比ごとの1相あたりのコイルの長さを示す．アスペクト比が高いほど胴体は短くなることがわかった．さらに図3には銅巻線を用いたときとの質量の低減率をアスペクト比ごとに示す．高いアスペクト比であるほど軽量化の効果が下がるが，いずれも銅巻線を用いた設計より軽量化できることが示された．このことよりアスペクト比をパラメータにすると軽量化と胴体長さはトレードオフとなることがわかった．

Figure 1 shows the motor designed using CNT winding. Figure 2 displays the coil length per phase for each aspect ratio. It was found that the higher the aspect ratio, the shorter the body becomes. Furthermore, Figure 3 shows the weight reduction rate compared to when using copper winding for each aspect ratio. While the lightweight effect decreases with a higher aspect ratio, it was shown that all designs are lighter than those using copper winding. This indicates that there’s a trade-off between lightweight and body length when considering aspect ratio as a parameter.

Fig.1 各アスペクト比での寸法比較 / Dimension comparison at various aspect ratios

Fig.2 1相あたりのコイル長さ / Coil length per phase

Fig.3 銅と比較した質量低減率 / Mass reduction rate compared to copper

結論 – Conclusion

CNT巻線を用いたモータについて，アスペクト比をパラメータとし巻線長さと質量への影響を調べた．アスペクト比によりそれぞれが変化し，巻線長さの短縮と軽量化はトレードオフになることがわかった．しかしながら，いずれにせよ銅巻線を用いるケースより軽量化が実現できることを示した．

We examined the effects on winding length and weight for motors using CNT winding, using aspect ratio as a parameter. We found that the winding length and weight vary based on the aspect ratio, revealing a trade-off between shortening the winding length and reducing weight. Nonetheless, our results show that, in any case, using CNT winding results in a lighter design compared to using copper winding.

参考文献 - References

[1] H. Kim, J. Jeong, M. Yoon, J. Moon, and J. Hong: ”Simple Size Determination of Permanent-Magnet Synchronous Machines,” in IEEE Trans Ind Electron, vol. 64, no. 10, pp. 7972- 7983 (2017)

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