| Project/Area Number |
23K13307
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Review Section |
Basic Section 21010:Power engineering-related
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
藤井 勇介 東京工業大学, 工学院, 助教 (70882356)
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| Project Period (FY) |
2023-04-01 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000)
Fiscal Year 2024: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000)
Fiscal Year 2023: ¥3,770,000 (Direct Cost: ¥2,900,000、Indirect Cost: ¥870,000)
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| Keywords | 磁気支持 / 4軸制御形ベアリングレスモータ / 2軸制御形ベアリングレスモータ / 統合巻線 / 零相電流 / 中性点 / コンシクエントポール形 / 単相モータ駆動 / 磁気軸受 |
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| Outline of Research at the Start |
本研究では，「インバータ2台のみ（従来は3台以上必要）で浮上・回転可能な4軸制御形ベアリングレスモータの最小駆動システムの開発」を目的とする。提案方式では，2組の三相支持巻線の中性点間に単相モータ巻線を配置し，この中性点間に流れる零相電流によりモータ駆動を行う。単相モータ巻線を中性点間に配置する結線法，その中性点間の零相電流を利用して単相モータを駆動する点で，学術的独自性・新規は高く，過去に例がない。本研究が実現できれば，4軸制御による高支持剛性と低コスト化を両立できる革新的なベアリングレスモータを創出可能である。
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| Outline of Annual Research Achievements |
2軸制御形ベアリングレスモータは，インバータ2台で浮上・回転するため小形低コストであるが，特に傾きの受動支持剛性は低く，共振を避けられないことが問題である。一方で，4軸制御形ベアリングレスモータは，傾きの運動も位置決め制御するため，支持の安定性は高いが，合計3台以上のインバータを必要とする。
本研究では，「インバータ2台のみで浮上・回転可能な4軸制御形ベアリングレスモータの最小駆動システムの開発」を目的とし，「小形・低コスト化」と「磁気支持の安定性」のトレードオフ関係の打破を目指す。
このシステムは，同一の2軸制御形ベアリングレスモータ2台から構成されるため，2軸制御形（三相磁気支持，単相モータ駆動）の理論構築，解析に取り組んだ。まず，三相支持巻線と零相モータ巻線の2種類が固定子に施された分割巻線を検討し，2極6スロット4極支持，2極12スロット4極支持，6極6スロット4極支持，6極12スロット8極支持において支持力・トルクが発生することを解析により明らかにした。
次に，巻線の簡素化を目指し，支持巻線と零相モータ巻線の機能を一体化した統合巻線システムを検討した。理論式の導出により，統合巻線化には，巻線に零相モータ駆動用に3の倍数次成分が必要であることを明らかにし，複数のスロットコンビネーションが可能であることがわかった。上記の検討は全て表面張付永久磁石形である。
最後に，さらなる簡素化として，任意の磁気支持力発生に回転角度情報が不要なコンシクエントポール形の統合巻線化を検討した。その結果，6極6スロット2極支持の統合巻線形において，磁気支持力・トルクともに表面張付形に匹敵する性能を有することを，解析により明らかにした。三相支持・単相モータ駆動システムにおいてコンシクエントポール形を適用した前例はなく，パワー回路・ドライブの観点からも簡素化に適する。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
2023年度の当初予定は，1) 表面張付永久磁石形において三相支持・零相モータ駆動の理論式導出，2) その理論式に基づき零相モータ電流の支持力に及ぼす影響が小さいモデルを検討，3) 有限要素法解析により，1), 2)の妥当性を明らかにすること，であった。
当初予定1)～3)において，表面張付永久磁石形のスロットコンビネーションを検討し，6極6スロット4極支持モデルが，支持・モータ性能が良好，かつ零相モータ電流の支持力に及ぼす干渉が小さいことを，理論・解析から明らかにした。この点で，当初の計画を達成している。
さらに，三相支持巻線と零相モータ巻線の機能を一体化した統合巻線化を検討した。この検討により，統合巻線により単相モータを零相電流で駆動するためには，巻線に3の倍数次数成分が必要であることを明らかにした。例えば，6極モータ，12極モータなどである。この統合巻線化を検討する中で，任意の磁気支持力を発生する際に，回転角度情報が不要なコンシクエントポール形構造も検討した。その結果，6極6スロット2極支持モデルの統合巻線コンシクエントポール形ベアリングレスモータが可能であることを明らかにし，支持力およびトルク性能が，表面張付形に匹敵することを有限要素法解析から示した。三相支持・単相モータ駆動システムにおいて，統合巻線形コンシクエントポール構造を採用した前例はなく，この点で，本研究は当初の計画以上に進展している。
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| Strategy for Future Research Activity |
2024年度は，実機での実証試験を最終目的に，まずは，その他のモータ種別を検討する。2023年度は，表面張付永久磁石形に加えて，磁気支持力の発生に回転角度不要なコンシクエントポール形を検討した。いずれも回転子に永久磁石を備えるため，高速回転時の回転子の発熱に対する冷却が困難である。また，磁石の飛散防止対策も必要である。そこで，固定子側に永久磁石を配置するフラックススイッチング形を検討する。固定子側に永久磁石を配置し，回転子は突極形鉄心で構成されるため，高速回転時の永久磁石の冷却が容易となる。
これら三つのモデルを有限要素法解析により性能比較することで，各種の用途指向性を明らかにする。
次に，4軸制御形ベアリングレスモータとして，高速回転時に良好な特性を示すモデルの実機製作を行う。試験では，はじめに支持力測定を行い，試作機が解析と同様な支持力性能を有するか検討する。次に，磁気浮上時のモータ負荷試験を行う。本システムは，同一の2軸制御形ベアリングレスモータを2台使用するため，1ユニットを電動機として，もう一方のユニットを発電機動作させることで，容易に負荷試験ができる。超高速回転時のトルク測定は困難であるため，この2ユニットの動作から，トルクを推定し，効率を算出する。さらに，零相モータ電流駆動による影響を検討するために，中性点電位を計測することで，必要なモータ電圧・支持電圧を明らかにする。
最後に，加速試験を行うことで，零相モータ電流の応答性を検討する。以上が，今後の研究の推進方策である。
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