2022 Fiscal Year Annual Research Report
10万rpmの超高速回転で高出力密度化と高効率化を両立する超高速モータの開発
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21H01312
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| Research Institution | Okayama University |
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Principal Investigator |
竹本 真紹 岡山大学, 自然科学学域, 教授 (80313336)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 超高速モータ / 超高速 / 高出力密度化 / 高効率化 / 磁石同期モータ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
モータへの高効率化と小型化・高出力密度化への要求は年々高まっている。そこで，本研究では，4極集中巻構造の超高速モータにおいて，10万rpmという超高速回転下で高出力密度化と高効率化を両立するために，(a) 電気伝導率が非常に小さいネオジムボンド磁石の採用，(b) 固定子にストレートティース形状を採用，(c) 回転子の磁石とシャフトの間に半径方向に薄い電磁鋼板のコアを挿入，(d) 巻線に使用する導線の線径を細くし，導線の並列数を増加，という4個の改善点を同時に備えた新構造を提案している。
2022年度は以下の内容について研究を実施した。
・「新構造を備えた超高速モータの製作」 前年度に設計した新構造を備えた超高速モータを実際に製作した。製作過程で注意した重要な事項が，コアを製作する際，加工した電磁鋼板を回し積みしながらの積層である。僅かな加工誤差や電磁鋼板の圧延方向とその直交方向における透磁率や鉄損特性の差が，超高速モータにおいて，無視できない損失分布の不平衡に直結するためである。加えて，安定な超高速回転の実現のために，回転子のバランスが重要であり，設計段階から注意した。
・「製作した新構造を備えた超高速モータとSiC-MOSFETを用いたドライブシステムを組み合わせることで，実機による実負荷試験の実施と新構造の有効性の検証」 SiC-MOSFETを用いた高周波スイッチングが可能なドライブシステムと新構造を備えた超高速モータの試作機を組み合わせ，100,000 rpmにおいて安定な運転が実現できる制御システムの作りこみを実施した。その結果，安定な超高速回転が実現でき，実負荷試験を実施した結果，提案構造とその設計手法の有効性を明らかにできた。
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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
2022年度の主な研究実施項目は，「新構造を備えた超高速モータの製作」，「製作した新構造を備えた超高速モータと前年度に製作したSiC-MOSFETを用いたドライブシステムを組み合わせることで，100,000 rpmという超高速運転の実現」，「実機による実負荷試験の実施と新構造の有効性の検証」の3つである。そして，この3つの項目すべてにおいて，順調に研究を進捗することができ，非常に良好な研究成果を挙げることができた。特に，新たに提案する新構造が，従来構造に比べて1.5倍という高出力密度化を達成しながらも，高効率化を両立できるという優れた特性を備えていることを実機試験により検証できたのは非常に大きな成果である。
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| Strategy for Future Research Activity |
2023年度は，実機試験より得た実験結果と解析結果の詳細な比較検討を実施し，更なる高性能化を検討する予定である。試験機を用いた実験結果と解析結果を詳細に比較検討することで，設計手法の精度向上を図る。そして，高精度化した設計手法により，モータ各部の損失密度分布を積極的に調整することで，更なる高出力密度化と高効率化を達成できる構造について検討を行い，実験による検証を行う。そのためには，高精度な電力測定が不可欠であるが，納期の関係で2022年度に購入できなかったプレシジョンパワーアナライザ横河電機WT5000を購入することで，強力に研究を推し進めたいと考えている。
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