電磁力によるトルク計測技術を用いた回転トルクの精密測定に関する研究

• 研究課題/領域番号: 20K04510
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分21030:計測工学関連
• 研究機関: 国立研究開発法人産業技術総合研究所
• 研究代表者: 西野 敦洋 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 計量標準総合センター, 主任研究員 (40415724)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2023-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2022年度)
• 配分額: 4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円); 2022年度: 260千円 (直接経費: 200千円、間接経費: 60千円); 2021年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円); 2020年度: 2,730千円 (直接経費: 2,100千円、間接経費: 630千円)
• キーワード: 力学量計測 / トルク / 超精密計測 / 電磁力 / 回転速度 / キッブルバランス / 回転数 / 計測工学

研究開始時の研究の概要

モータのトルク－回転速度曲線や効率等の特性を評価するために、回転トルク計測機器及び回転計が用いられている。現在、回転トルク計測機器は、全てレバーとおもりを用いて回転しない状態で発生したトルクとの比較により評価されており、回転がトルク計測に及ぼす影響について検証したという報告はない。本研究では、一様な静磁場中に置かれたコイルに電流を流すことでトルクが発生する原理に基づいた、電磁力によるトルク発生装置を改良し、磁気回路と矩形コイルを同期回転させながら精密なトルクを発生させ、さらに自己校正型ロータリーエンコーダによる回転速度の評価も同時に行うことで、信頼性の高い回転トルク計測技術の確立を目指す。

研究成果の概要

本研究課題では、信頼性の高い回転トルク計測技術を確立することが目的である。まず、先行研究で開発した電磁力によるトルク発生装置を基に、磁気回路側及び矩形コイル側（回転式トルク変換器を含む）の両方が、同期して回転することができる回転式トルク発生装置を開発した。また、仮想軸を参照することで異なる2つの軸の回転速度を同期させることができる制御システムや、電圧・カウンタ等の同時計測システムを構築した。さらに、中空シャフトを採用した新しいトルク変換器の開発も行った。これらの成果により、回転速度の変化が回転式トルク変換器のトルク計測に及ぼす影響を評価するための準備を進めることができた。

研究成果の学術的意義や社会的意義

本研究の成果は、より信頼性の高い回転トルク計測技術の確立に寄与する。回転トルク計測技術は、IT機器や自動車など、様々な分野で使用されているモータの性能評価において極めて重要である。そのため、信頼性の高い回転トルク計測技術の確立は、モータの高度化に貢献することが期待できる。本研究の学術的意義は、回転速度の変化がトルク計測に及ぼす影響の解明につながり、モータの動作特性や効率に関する新たな知見が得られ、モータの設計や制御の最適化に役立つことが期待できる。また、社会的意義としては、高効率なモータの実現により、エネルギー効率の向上や環境への負荷低減など、持続可能な社会の実現に向けた重要な一歩となる。

研究成果

• [雑誌論文] Development of a nano-torque generating machine using electromagnetic force based on the principle of the Kibble balance (2022)
  • 著者名/発表者名: Nishino Atsuhiro、Kinoshita Moto
  • 雑誌名: Measurement 巻: 194 ページ: 111081-111081
  • DOI: 10.1016/j.measurement.2022.111081
  • 査読あり
• [雑誌論文] Development of a novel dynamic torque generation machine based on the principle of a Kibble balance (2022)
  • 著者名/発表者名: Hamaji Misaki、Nishino Atsuhiro、Ogushi Koji
  • 雑誌名: Measurement Science and Technology 巻: 33 号: 11 ページ: 115901-115901
  • DOI: 10.1088/1361-6501/ac8441
  • 査読あり
• [学会発表] UNCERTAINTY EVALUATION METHOD OF A DYNAMIC TORQUE GENARATION MACHINE USING ELECTROMAGNETIC FORCE (2022)
  • 著者名/発表者名: 濱地 望早来, 西野 敦洋, 大串 浩司
  • 学会等名: IMEKO 24th TC3, 14th TC5, 6th TC16 and 5th TC22 International Conference
  • 国際学会
• [学会発表] 電磁力を用いた動的トルク発生装置の開発 (2022)
  • 著者名/発表者名: 濱地 望早来, 西野 敦洋, 大串 浩司
  • 学会等名: 日本機械学会 関東支部 第29期総会・講演会
• [学会発表] Torque generating machine based on the principle of the Kibble balance at NMIJ (2022)
  • 著者名/発表者名: 倉本 直樹, 西野 敦洋, 濱地 望早来, 大串 浩司
  • 学会等名: CPEM2022
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] セシウム蒸気セルを用いたゼーマン効果による磁気測定システムの構築 (2022)
  • 著者名/発表者名: 西野 敦洋, 木下 基
  • 学会等名: 第38回センシングフォーラム 計測部門大会講演集
• [学会発表] Design of a new dynamic torque generation machine based on the principle of Kibble balance (2021)
  • 著者名/発表者名: Misaki Hamaji, Atsuhiro Nishino, Koji Ogushi
  • 学会等名: XXIII IMEKO World Congress
  • 国際学会
• [図書] Handbook of Metrology and Applications (2023)
  • 著者名/発表者名: Koji OGUSHI, Atsuhiro NISHINO, Marc-Antoine Drouin, Antoine Tahan, Battal Singh, Mansi, Harish Kumar, A. K. S. Singholi, Mansi, Harish Kumar, A. K. S. Singholi, Girija Moona, N. Garg, V. Ramnath, S. Yadav, Sushil Chandra, Abhinav Choudhury, Shadab Ahmad, Shanay Rab, Hargovind Soni, 他
  • 総ページ数: 2212
  • 出版者: Springer Verlag, Singapore
• [備考] 産総研-工学計測標準研究部門-力トルク標準研究グループ
  • URL: https://unit.aist.go.jp/riem/ja/teams/ft-std/index.html