2017 Fiscal Year Annual Research Report
Development of high-frequency elctromechanical energy conversion
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17H06210
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Research Institution | Yokohama National University |
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Principal Investigator |
藤本 康孝 横浜国立大学, 大学院工学研究院, 教授 (60313475)
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| Project Period (FY) |
2017-06-30 – 2021-03-31
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| Keywords | 電気機械エネルギー変換 / 高周波 / 電気機器 / モータ / ワイヤレス電力伝送 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
電気エネルギーと機械エネルギーの相互変換の基礎理論は、電束電流が無視できる数十kHz以下の低周波数帯域において概ね確立しており、その応用機器であるモータや発電機は我々の生活に必要不可欠のものとなっている。モータや発電機は主に磁気回路を構成する鉄心と起磁力を発生させる銅線からなるため軽量化が難しい。本研究では、電気-機械エネルギー変換の基礎理論を原理から見直し、数MHz～数GHzまで駆動周波数を高周波化した場合の相互エネルギー変換理論の確立とその実験検証を目的とする。これは電気-機械エネルギー変換の原理を高周波に拡張するものであると同時に、ワイヤレス電力伝送の原理を機械エネルギー変換も扱えるように拡張するものであり、低周波数帯域から高周波数帯域まで現象を統一的に扱う新しい電気-機械エネルギー変換工学を開拓し、鉄心や銅線を用いない超軽量なモータや発電機の実現を目指すものである。
初年度は、応募者がこれまでに行ってきた磁界共振結合による電気-機械エネルギー変換のモデル、すなわち、MHz帯で駆動するモータの理論モデルの精緻化を行った。モータは共振回路を持つ誘導機として集中定数回路による表現が可能である。これまではモータ半径がギャップ長に対して十分大きいと仮定して、局所的なコイルをリニアモータとみなして自己インダクタンスおよび相互インダクタンスを導出していた。この理論モデルから求めた発生力はリニアモータモデルの有限要素解析と非常に良く一致することが分かっている。しかし、リニアモータモデルは回転型のコイル配置の場合には誤差が大きくなる。そこで、コイル配置について厳密な回転型モータとしてモデリングし、精密な自己インダクタンスおよび相互インダクタンスの数式モデルを導出した。これによりMHz帯の高周波回転型モータのトルクや周波数特性の数式モデルを導出し、モータの諸特性を明らかにした。
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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
初年度である2017年度は、理論モデルの構築を中心に研究を推進し、おおむね計画通りの進捗が見られた。特に研究の要となる理論モデルにおいて、コイル配置をリニアモータ型からより現実のモデルに即した回転型に拡張できた点は大きな進展であった。固定子・回転子ともに空芯で、回転周期性があるコイルに２相の電流を通電したときに生成される磁界分布は極対数に依存して複雑な数式モデルとなった。しかし、そこから求めたコイルの自己インダクタンスおよび相互インダクタンスは非常にシンプルな数式モデルとして一般化できることが分かった。これによりモータのトルク特性などの諸特性も容易に導出することができた。
以上から、当初の計画通りに研究が進捗している。
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| Strategy for Future Research Activity |
２年目の平成３０年度は実験的検証を中心に進める。初年度に精密な理論式を導出した回転型モータモデルについて、有限要素解析による検証を行うと共に、モータトルクやモータ出力の観点からモータの幾何パラメータの見直しを行う。具体的には重量当たりのトルクや出力が最大となるようパラメータの最適化を行う。その結果を踏まえてモータの製作を行う。また、初年度に13.56MHzで2相交流を出力可能な高周波電源の試作を行ったが、モータと電源間の整合器については未検討となっていたため、その設計と製作を行う。ネットワークアナライザを用いて試作モータのＳパラメータの測定を行い、そのモデルに基づき整合器を設計・製作する。その後、駆動試験を行い、試作モータの基本性能の確認を行う。
研究協力者として大学院博士課程学生１名の協力を得ながら研究を進めるとともに、進捗に応じて、IEEEの国際会議、電気学会に参加し、研究動向調査・資料収集、研究成果発表を行うとともに、ホームページやメディアに広く情報を発信する。
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Research Products
(1 results)
