2015 Fiscal Year Annual Research Report
60000 rpm，50 kWの出力を持つ大容量高速ベアリングレスモータの開発
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15H03955
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
竹本 真紹 北海道大学, 情報科学研究科, 准教授 (80313336)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 省エネルギー / 省資源 / 高速回転 / 大容量 / 磁気浮上 / ベアリングレスモータ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
平成27年度は，まず，数百kWの大容量にも対応できる損失密度に基づいた大容量高速ベアリングレスモータの構造最適化とその設計手法の確立を行った。これまでのように，トルク・軸支持力，効率を高めるように，ただモータ構造を最適化するだけでは，大容量高速ベアリングレスモータの実現は難しい。そのため，本研究で検討した設計法は，モータ内の損失密度分布を設計段階でコントロールすることで，冷却面も含めたモータ構造の最適化を行うという方法である。
そして，確立した設計手法を用いて，60000 rpm，50 kWの大容量高速ベアリングレスモータの詳細設計を実施した。その結果，11.16 kW/Lという非常に高い出力密度を達成し，60000 rpmにおいて，目標とした出力50 kWを大きく上回る60 kWという高出力を実現した。その際の損失密度は，552.9 W/Lと比較的小さい値に抑制できており，強制空冷と水冷をハイブリットした冷却システムを用いれば十分に冷却可能な値となっている。加えて，軸支持性能に関しては，軸支持巻線にのみ電流を流した場合，52.01 Nと想定回転子自重16.4 Nに対して3.17倍と十分な軸支持力を発生できている。また，安定な非接触軸支持運転の実現に大きな影響を与える軸支持力の脈動率は，平均値に対して4.02%と非常に小さく抑制できている。さらに，電動機巻線に電流を流した場合の平均軸支持力は51.31 Nであり，電動機巻線に電流を流していない場合に対する軸支持力の減少率は僅か1.35%である。以上の結果より，高出力に加えて良好な軸支持特性を備えた大容量高速ベアリングレスモータを設計できた。
最後に，設計した大容量高速ベアリングレスモータを運転するために，TI社製のTMS320C6657（1.25 GHz）の高性能DSPシステムを備えた高性能ドライブシステムを製作した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
平成27年度の研究実施計画は，(1) 損失密度に基づいた大容量高速ベアリングレスモータの構造最適化とその設計手法の確立，(2) 確立した設計手法を用いた60000 rpm，50 kWの大容量高速ベアリングレスモータの詳細設計，(3) 大容量高速ベアリングレスモータを運転するための高性能ドライブシステムを製作，の3つであった。
そして，まず，(1)に関してであるが，モータ内の損失密度分布を設計段階でコントロールすることで，冷却面も含めたモータ構造の最適化を行うという，大容量高速ベアリングレスモータを実現するうえで欠かせない構造最適化と設計手法を確立した。
次に，(2)に関してであるが，確立した設計手法を用いて，目標とする出力50 kWを大きく上回る60000 rpm，60 kWの大容量高速ベアリングレスモータを詳細に設計した。設計した大容量高速ベアリングレスモータは，高出力であることに加えて，十分な軸支持力の大きさに加えて，軸支持力脈動の小さい，良好な軸支持特性も備えている。
最後に，(3)に関してであるが，設計した大容量高速ベアリングレスモータを運転するために必要なTI社製のTMS320C6657（1.25 GHz）の高性能DSPシステムを備えた高性能ドライブシステムを製作した。
したがって，おおむね順調に進展している。
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| Strategy for Future Research Activity |
・60000 rpm，50 kWの大容量高速ベアリングレスモータの試作
平成28年度は，まず，平成27年度に詳細設計した大容量高速ベアリングレスモータの試作機を実際に製作する。試作において，注意しなければならないのが，コアを製作する際，加工したケイ素鋼板を回し積みしながら積層することである。僅かな加工誤差やケイ素鋼板の圧延方向とその直交方向における透磁率や鉄損の差が，高周波となる高速機において，鉄損による無視できない損失分布の不平衡に直結する可能性が高いため，この点を注意して製作する。さらに，回転子の回転バランスと回転子に装着するギャップセンサターゲットの真円度と同心度が高精度になるように回転子を製作する。これらの精度が低いと，軸支持に必要な軸支持入力電力の増加に直結するため，高効率，すなわち，低損失なベアリングレスモータを製作するには，非常に重要なポイントである。
・製作した試作機による安定な高速回転運転の実現と負荷試験による提案するベアリングレスモータや設計手法の有効性の検証
次に，製作した試作機と平成27年度に製作したドライブシステムを組み合わせることで，60000 rpmという高速回転において安定な磁気浮上運転を実現できるように，制御システムの作り込みを実施する。その際，研究代表者が提案している仮想の座標系と電流の非干渉化制御を用いた電流制御システムを採用することで，1 kHzという高周波においても，安定な電流制御及び軸支持制御を実現させる。
次に，安定な高速回転運転が実現できたら，実負荷試験を実施することで，提案する永久磁石型ベアリングレスモータと設計手法の有効性を検証する。この検証実験において，大容量高速ベアリングレスモータ内の損失密度分布と冷却装置によるモータ内の各所の冷却性能を正確に測定する。
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