2018 Fiscal Year Annual Research Report
ラジアル方向電磁力のベクトル制御機能による革新的モータの振動騒音の低減方法の開拓
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18H05332
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
千葉 明 東京工業大学, 工学院, 教授 (30207287)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
朝間 淳一 静岡大学, 工学部, 准教授 (70447522)
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| Project Period (FY) |
2018-06-29 – 2021-03-31
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| Keywords | SRモータ / 電磁力 / 振動 / 騒音 / 力の和がフラット |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は、モータに作用するラジアル方向電磁力のベクトルを制御することにより、モータの振動騒音の低減を図り、この分野において世界に先駆けて、挑戦的な学術研究を推進することである。申請者らが世界に先駆けて発見した電磁力のベクトルを制御して騒音振動を低減する方法の適用可能性に挑戦している。
東京工業大学においてはハイブリッド自動車に搭載されている永久磁石モータと同等のトルク、効率、運転範囲を持つSRモータの電磁界解析を行い、固定子歯に作用する電磁力を解析し、その電磁力の和によって大きな振動騒音が発生する可能性を示した。さらに、電磁力の和を平滑にする電流波形を求め、その電流を供給することによって電磁力の和が平滑化することを明らかにし、その電流を供給すると騒音が大きく低減することを明らかにした。
このモータの試験を行うためには、負荷トルクを発生する負荷機械が必要である。負荷機械を選定し、負荷機械を駆動するインバータと電源装置、負荷機械を搭載するベッドなどについて選定を行った。色々候補はあったものの、詳細に調査するにつれて、試験を行う問題点が明らかになり、また、特殊な装置であるために納期が長いことが明らかになった。3月までに納入が難しいことが明らかになり、翌年度にやむなく繰り越すことになった。
静岡大学には、機械工学的な見地から、モータにおける電磁振動の理論の基礎と、ラジアル力の和がフラットとの関係の考察を依頼した。一般に、非常に細かい、例えば0.1deg毎の円筒座標系に、さらに、時間軸としても電気角の0.1deg毎に空間的に、時間的に分割し、発生する電磁力のデータを蓄積する。3Dグラフなどで表示するが、エクセルなどでは非常に重くなってしまうため、取り扱いが難しいことが明らかになった。このため、空間分割を、18の歯だけに分けることによって、大幅にデータを低減できることを模索した。
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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
研究代表者らは電磁応力が脈動しても、三相の電磁応力ベクトルの和が一定値になれば振動騒音を抑制できる例が存在することを世界に先駆けて発見した。この理論は、いくつかの欧米の大学等で実証試験が行われており、米国アクロン大学、リンカーン大学などで大きな効果があることが実証されつつある。また、国内メーカの研究所などでも検証されいている。この理論がなぜ成り立つのかは簡単な模式図によって説明されただけであり、より理論的な説明が要望されていた。
このような状況下で、SRモータを中心としてラジアル方向の電磁力ベクトルの和と振動騒音解析を行った。まず、18極12極の組み合わせについて磁界解析を行うとともに、実験準備を進め、実験による検証準備をした。
また、永久磁石モータなどの場合についても電磁界解析をスタートした。SRモータでは、3相の3つの歯の和がフラットであれば静音化することができた。しかし、分布巻の永久磁石モータでは、どの歯も一相の電流によって駆動されるわけではなく、二相、三相が寄与している。さらに、永久磁石の磁束によっても電磁力が発生し、その値は回転子の回転によって大きく変動する。すると、一体どの歯に着目すればいいのかが大きな問題になった。このような状況下で、48歯、8極の自動車等に多用されている永久磁石モータの場合、一極に対抗する歯、すなわち6つの歯の電磁力の和に着目すればよいのではないかとの仮説を立て、電磁界解析によって、その効果を明らかにした。さらに、極に対して対称であるため、6つの歯の電磁力の和が一定であることは、全ての歯の電磁力の和が一定であることと等しいことを明らかにした。
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| Strategy for Future Research Activity |
自動車駆動クラスのモータの負荷試験を行うことができるように実験装置を詳細に検討する必要があり、引き続き検討を行い、2019年度初頭には確定し、2020年度3月までには納入できる手はずを整える必要がある。繰越のおかげで、2020年度3月までには納入が終了し、2020年度からは実験には入れる予定である。
また、このSRモータの理論を永久磁石モータにさらに適用するとともに、誘導モータなどもスコープに入れていきたい。ラジアル力の和がフラットにするためには、SRモータでは、3つの歯の和を取ればよかった。一方、ハイブリッド自動車用のPMモータにおいては6つの歯が有効であった。なぜ、6つが有効であるのかは理論的には明らかにされてなく、また、効果があるのかどうかをまず明らかにして結う必要がある。
この理論に基づく研究成果を、世界に先駆けて論文として発表する。この分野では最も権威があるIEEEのTransactionなどに投稿する。この分野では、実験結果がないと論文掲載は容易ではなく、昨年度製作したモータテストベッドを活用して実験を行い理論を確認する予定である。
また、国内外の学会にも発表を行い、国内のメーカがこの理論を理解できるように研究発表を行う。この成果は、特に振動騒音が問題になる用途に有効で有り、ハイブリッド自動車、電気自動車などの次世代自動車などに適用が進むようにする必要がある。電気学会、自動車技術会、特に回転機技術委員会、モータ技術委員会、回転機技術研究会などで新しい理論の基礎を説明し、メーカのエンジニアに理解していただき、自動車関係、電気関係の産業などに広く世の中の役に立てていただけるように努力したい。
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