2012 Fiscal Year Annual Research Report
ワイドギャップをもつベアリングレスモータの安定化と低コスト方式の研究開発
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24246046
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Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
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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, 理工学研究科, 教授 (30207287)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
杉元 紘也 東京工業大学, 理工学研究科, 助教 (60613552)
竹本 真紹 北海道大学, 情報科学研究科, 准教授 (80313336)
朝間 淳一 静岡大学, 工学部, 准教授 (70447522)
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| Project Period (FY) |
2012-04-01 – 2015-03-31
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| Keywords | ベアリングレスモータ / ワイドギャップ / シングルドライブ / 磁気浮上 / 磁気支持 / 非接触 |
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| Research Abstract |
磁気浮上して非接触で回転するベアリングレスモータでは、回転子半径Rに対して、固定子と回転子の間のギャップ長gの比g/Rは0.01以下が多い。単にギャップ長を大きくすると、(a)能動的な支持力が減少し、タッチダウン状態からスタートアップできない恐れがある。(b)ギャップ磁束密度が低下し、受動的な支持力が低下する。(c)ギャップ磁束密度が低下し、トルクが低下する。本研究では、g/Rが0.1以上のワイドギャップベアリングレスモータを実現するため、大型の4軸及び5軸制御ベアリングレスモータ、中型2軸制御ベアリングレスモータ、小型1軸制御ベアリングレスモータの研究開発を行った。
大型5軸制御ベアリングレスモータについては、支持巻線とモータ巻線を一体化する新しい巻線構造を提案し、ワイドギャップ化に伴う支持力、トルクの減少を克服するベアリングレスモータの設計、試作を行った。
また、大型4軸制御ベアリングレスモータについては、ワイドギャップ長においても、十分な大きさの軸支持力を発生できると同時に、10万rpm, 2kWの出力を有する構造を3D-FEMにより設計した。
中型2軸制御ベアリングレスモータについては、回転子半径R=40mm，磁気ギャップg=8mm（g/R=0.2）のワイドギャップベアリングレスモータの新構造を提案した．定格出力300W（トルク0.5Nm，回転数3000r/min）を得るように，三次元有限要素法を用いた電磁界解析により寸法・形状を検討した．
小型1軸制御ベアリングレスモータについては、新しく提案したベアリングレスモータを設計、試作した。反発磁石を用いることで、ワイドギャップにおいても回転子自重の8.8倍の高い受動的な支持力が得られることが実験的に明らかになった。提案方式の有効性が示された。また、この新しい方式の発明で特許を出願した。
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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
初年度の研究実施計画は、基本コンセプトを明らかにし、3次元有限要素法による設計を行い、設計が早く終了したプロジェクトから、試作機、コントローラの製作、第一次試験を行うことであった。
大型5軸ベアリングレスモータでは、ワイドギャップに適したモータ巻線並列型構成を新たに提案した。さらに、モータ巻線を並列に巻回する設計を行い、試作機を製作し、実現可能であることを明らかにした。さらに、この試作機では、スラスト方向の電磁力がラジアル方向の励磁を利用して発生できる新方式を適用している。
小型一軸ベアリングレスモータでは、設計を終え、試作機の製作を行い、コントローラ等を接続し、磁気浮上可能であることを明らかにした。シングルドライブベアリングレスモータとして横長形状では世界で初めての成果である。剛性もこれまで報告されている文献に比較して２倍程度大きい特長がある。しかしながら、試作を急いだため、シャフトのゆがみなどの問題により回転速度は１０００rpm以下と制限される状況にあり、改善改良が必要である。なお、本件については基本的な重要な発明を行ったため、特許を出願した。これまでのベアリングレスモータと異なり、ｄ軸電流でスラスト力を発生し、ｑ軸電流でトルクを発生するための構造上の工夫が行われている。ディスク型ではなく、円筒形の回転子でスラスト方向力をトルクとともに発生する構造に工夫がある。
4軸制御ベアリングレスモータでは設計を終え、試作機の部品の製作に取りかかっている。また、中型2軸制御ベアリングレスモータも電磁界解析を終え、ワイドギャップで磁気浮上可能な方式の新たな発案が生まれている状況にあり、試作機の製作が順調に進みつつある。
したがって、計画はおおむね順調に進展している。
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| Strategy for Future Research Activity |
今年度は、初年度に解析、設計したワイドギャップのベアリングレスモータを試作し、実機試験を行う。既に実機試験を行っているプロジェクトでは、性能向上、小型化を目指し、3次元有限要素法による解析、設計を行い、改良機の製作、実験を行う予定である。
５軸のベアリングレスモータでは、まず、１ユニットの２軸の能動制御の実現可能性を検証する。たわみ軸に取り付けることによりラジアル力を発生して振動抑制効果を明らかにする。その後、５軸ベアリングレスモータの組み立て、コントローラなどの接続を行う予定である。
１軸のシングルドライブベアリングレスモータでは、主軸長を短くし、さらに主軸直径を増加して剛性を向上する。さらに、トルク発生メカニズムを見直し、出力トルクが従来モータに近い値まで向上する予定である。
４軸ベアリングレスモータは試作機の製作を行い、センサの取り付け、コントローラのプログラムの開発などを経て、磁気浮上の検証を行う予定である。また、２軸制御ベアリングレスモータも試作機を製作し、コントローラドライバを開発し、磁気浮上の検証と改善改良を行う予定である。
また、東京工業大学、北海道大学、静岡大学の各大学で得られた知見やノウハウを共有し、本研究を迅速に推進するため、研究発表会を開催する予定である。さらに、ベアリングレスモータの知見が高い東京工業大学名誉教授深尾正氏、カナダのメモリアル大学のリサーチプロフェッサラーマン教授らと研究の方向、論文発表の方向性等についてアドバイスをいただく予定である。研究を遂行する上での問題点は特になく、当初の計画通り順調に進むと考えられる。幾つかの国際学会での発表と、国際ジャーナル論文誌に論文投稿を行う予定である。
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