住友電気工業株式会社が、より持続可能な電動モータの設計をサポートするためにAnsys向け材料ライブラリを提供開始

地球温暖化の状況に対処するために、各メーカーは、私たちが運転する自動車から使用する家電まで、さらには産業機器においてさえも、いたるところでより高い効率を追い求めています。これらすべての用途の背後には電動モータがあり、それを可能な限り小型化、軽量化し、効率を高めることが目標となっています。こうした用途の多くに動力を提供するための望ましい代替案として、各メーカーはアキシャルギャップモータ（AGM）に関心を寄せています。たとえば、Mercedes社とFerrari社は、次世代の自動車でAGMを使用することに興味を示しています。しかし、アキシャルギャップモータを実現するためには3D磁気回路が求められ、それを実現するための鉄心材料は容易に製造できなかったため、広く入手可能というわけにはいきませんでした。アキシャルギャップモータ実現に貢献する鉄心材料である軟磁性複合材料(SMC) のメーカーである住友電気工業株式会社 (SEI) は、Ansys Grantaを支援し、独自の材料と高密度、高精度のモデリング技術をAnsysのシミュレーションに適した材料ライブラリとして提供しました。

ラジアルギャップモータ（RGM）は、現在最も一般的なタイプのモータです。その性能は大幅に改善されてきましたが、モータ構造が薄型形状であるためにトルクが低下するなどの欠点があります。各メーカーは今、AGMに注目してさまざまな電気の用途で効率を向上させようとしています。薄型形状であるにもかかわらず高いトルクを実現する能力があり、それは各メーカーがサポートする用途において非常に重要な要素だからです。AGMを製造する際の課題は、3次元形状のコアを必要とする設計にあります。このジオメトリは、RGMで通常利用される電磁鋼板を使用して製造することが困難です。

AGM開発の材料に関する課題の克服

この材料に関する課題を克服するために、SEI社はSMCを開発しました。SMCは磁気特性に優れ、電動モータ設計におけるジオメトリの自由度が電磁鋼板に比べて大幅に高くなっています。最終製品を作り出すには、絶縁被覆した鉄粉をプレス成形し、絶縁を損なわずに損失を下げるように最適化された温度で熱処理をします。独自の圧粉成形によってSEI社は、電磁応用に必要な望ましい磁気特性を達成することができました。これらの特性によってSEI社が達成したジオメトリの自由度が、AGM、自動車の燃料注入バルブ、ブーストコンバータ反応器（バッテリーからの電圧を上昇させる要素）、イグニッションコイルを支えています。  

SEI社のアキシャルモータに使用されている材料の詳細については、上記の動画を参照してください。

AGMに適したモータのコアは、磁束密度（電界強度の測定値）を高くし、コア内のエネルギー損失を低くして、全体的な効率を向上させる必要があります。材料組成が電磁鋼板とは異なるため、温度上昇による鉄損は著しく小さくなります。つまり、温度が高くなるほど、機械の動力損失に寄与する鉄損が少なくなるということです。

Ansys Grantaで材料の妥当性確認の精度が向上

Ansys Granta Materials Data Libraryの材料データには、SEI社は、各使用温度環境に応じた材料特性を掲載しています。バインダを含んでいないため、高温環境でも材料の強度が低下しないです。

Grantaを使用して、SEI社の独自の材料の材料特性と、高密度、高精度のモデリングデータを提供します。この技術によってSEI社は、AGMをより大規模に支えるために必要な磁束密度と機械的強度の増強、鉄損の低減を実現するSMCを提供します。

電磁鋼板はパンチングや積層によって材料が歪むため、Ansys Grantaで考慮される磁気特性は大幅に変化する可能性があります。SMCは基本的な特性評価および製品形状と同じ方法で製造されるため、Ansys Grantaにおけるこれらの特性の相違（解析および実際の製品評価に使用した場合）は最小限となり、材料の妥当性確認の精度が大きく向上します。

SMCの損失が電磁鋼板と比較して優れていることは、高周波数範囲でより顕著になります。SEI社のSMCは、高周波数範囲における高調波に応じて、鉄損抑制にも関与します。

SMCの材料特性により、3D磁気回路を必要とするアキシャルモータを、より簡単かつ合理的に、従来の平らな扁平ラジアルモータよりも大幅に小型化、軽量化して製造する可能性も高まります。その結果、生産効率が大きく向上し、電気自動車、家電、産業機器の各メーカーが切望する軽量化も実現されます。

より効率的なモデリングとモータサイズ

自社のSMCを開発の基礎として使用することにより、SEI社はアキシャルモータの磁極片、歯、ヨークを一体的にモデル化する技術をも生み出しました。この技術では、わずか1種類の金型で、構成部品によって以前より簡単にアキシャルモータを製造できます。また、SMCには3D磁気等方性特性が含まれているため、磁界に不可欠な磁極片ヨークを半径方向に張り出して使用し（電磁鋼板では製造が困難なタスク）、ロータから大量の磁束を収集することが可能です。SMCにAnsys Grantaを活用することにより、巻線への磁束の流入も管理可能になり、電磁鋼板を使用する場合と比較してモータサイズの小型化と効率化も実現できます。

より持続可能な材料ソリューション

おそらく、材料の識別にAnsys Grantaを使用することの最大のメリットの1つは、SEI社が独自のSMCに対応する環境に優しい材料を特定できることです。主に高炉で製造される電磁鋼板とは対照的に、スクラップ鉄が主原料です。さらに、ニアネットシェイプであるため、SMCの原料が関与する材料歩留りは高く、製造プロセスにおけるCO₂排出は少量です。また、コアは使用後に粉砕し、SMCやその他の粉末冶金製品の原料として再利用できます。

Ansys Grantaで材料およびそれに関連する特性を正確に識別することは、未来の持続可能なソリューションの新発見につながります。こちらで、材料主導型のエコデザインに向けた正しいステップに関するAnsysの材料チームの見解を参照してください。