2021 Fiscal Year Research-status Report
Machine Based on Magnetic Resonance Coupling with the Word's Highest Power Density for Realization of Electrical Aircraft
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20K04452
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Research Institution | Toyo University |
Principal Investigator |
堺 和人 東洋大学, 理工学部, 教授 (40377099)
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Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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Keywords | 高出力密度 / 磁界共振 / 可変出力 / 磁性リング / インダクタンス / 透磁率 / 強度 / ハルバッハ |
Outline of Annual Research Achievements |
本研究はカーボンニュートラルへの貢献と3次元空間移動の革新的な移動システムを実現するため電気飛行機の推進用高出力密度モータと発電機、理論、設計手法の創出である。提案モータは出力密度(重量当たりの出力)を従来機の数倍に高めるために鉄心が無いエアギャップワインディングの巻線から構成され、磁界共振結合によって出力を確保する。初年度の令和2年度では、固定子巻線の外部に漏れる多量の磁束を減少させるため漏れ磁束抑制の磁性リングを固定子巻線の外周部と回転子巻線の内周部に覆う構成とすることで、磁界結合が高まり、出力は先行研究の8.3倍にも達した。令和3年度は、出力を可変した特性解析を行った結果、令和2年度のモータは定格出力点では磁界共振状態で動作するが、定格出力以外の動作点では磁性リングを適用したことで共振状態からずれて出力が減少することが判明した。そこで、出力が可変したときの磁性リングの磁気特性によるインダクタンスの変化を抑制できる設計方法を得た。さらに出力が変化した時の固定子と回転子の磁性リングの透磁率の変化を抑える磁気設計の検討と、電気装荷と磁気装荷の最適化を行い、周波数応答と過渡特性の磁界解析により共振状態を維持できて 43 kW/kg の高出力密度が得られることを確認した。この出力密度は令和2年度の研究で得た値の1.19倍であり、令和3年度の研究によって出力密度がさらに向上した。また、強度解析により 回転子が 100,000 rpm の超高速回転に耐えることを確認した。さらに、計画より先行して出力密度の向上と高性能化を目的に固定子巻線に第3のコイルをハルバッハ的に配列した新構成とし、回転子内周のみに磁性リングを配置した構成において、高出力化の効果が得られた。また、アキシャルギャップタイプのモータに本技術を適用した場合も検討し、磁性リングによる高出力化の効果が得られた。
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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
令和3年度は、出力を可変しても共振状態を維持し、かつ出力密度を向上できる磁気設計思想と手法が得られた。また、強度解析により超高速回転における回転子の強度を確保していることを確認した。さらに第3のコイル配置による出力向上の方法が得られ、アキシャルギャップ形にも磁性リングが有効であることも確認した。これらの成果から、令和3年度の提案モータの高出力密度は 43 kW/kg であり、目標値の 20 kW/kg(現状電気自動車用モータの出力密度 1.5~2 kW/kg の10倍)をクリアし、計画以上に進展している。
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Strategy for Future Research Activity |
令和4年度は令和3年度で得られた磁界共振結合モータ・発電機をさらなる高性能化を図る。また、実験モデルによる基本特性実験により、特性を検証する。そして、研究で得られた高出力密度化のための理論、設計思想と方法、解析手法、基本特性評価をまとめる。
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Causes of Carryover |
コロナウイルスによる海外渡航禁止と国内出張禁止、及び学会のWeb開催への変更によって国際会議と国内学会発表の旅費は未使用になった。研究を進める途中で明らかになった課題である出力を可変した場合に生じる磁界共振点のずれに対して、その検討と解決策を得てこれらを反映した高出力密度の技術が得られた。これらの新たな知見や考えなどの成果を取り入れて次年度の研究を進めるため未使用分は次年度の購入や実験費用に充てることにする。
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Research Products
(6 results)