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2013 年度 実績報告書

超高効率磁気ギアの開発と小型風力発電への応用に関する検討

研究課題

研究課題/領域番号 12J04456
研究機関東北大学

研究代表者

福岡 道成  東北大学, 大学院工学研究科, 特別研究員(DC1)

キーワード磁気ギア / 最適設計 / 磁束変調 / 複合モータ / ギアードモータ
研究概要

本年度では, 磁束変調型磁気ギアのポールピースに着目し, 磁気ギアの高効率化を図った。また, 磁気ギアと永久磁石同期回転機を一体化させた磁束変調型二軸モータを提案した。
これまで先行研究において, 磁気ギアの回転子形状や, 低損失化, 設計変数等に関する検討が進められているが, 磁気ギアの最適設計に関する検討は未だ不十分である。特に, 磁石磁束の変調を担うポールピースが特性に及ぼす影響については, 詳細な検討が必要である。本研究では, 有限要素解析を用いて, ポールピースが低速側回転子に近づくほどトルクが増加することを明らかにした。得られた知見に基づき, ポールピースを改良した磁気ギアを試作したところ, 最大トルクが約45%向上し, 最大効率が約99%に達したため, 本研究目的の一つである超高効率磁気ギアの開発を達成したと言える。
次いで, 永久磁石モータと磁束変調型磁気ギアを磁気的に組み合わせた磁束変調型二軸モータを提案した。本モータは, 固定子, 磁石回転子, 変調子の3つの要素から構成される。これまでに論文および特許等で提案された磁束変調型二軸モータは, 永久磁石モータと磁束変調型磁気ギアを機械的に組み合わせた構成である。本研究で提案する磁束変調型二軸モータは, 磁石回転子と変調子の位置を入れ替えた構造をとり, 従来型で問題となっていた変調子磁極片の保持を容易にした。有限要素解析を用いて, 従来の磁束変調型二軸モータ(Type1)と提案する磁束変調型二軸モータ(Type2)の最適設計を行い, 比較・検討を行った。最適化後の変調子の平均トルクは, Type2の方がType1よりも約5%大きくなった。また, 磁石使用量を比較すると, Type2の方がType1よも約20%少ない。すなわち, Type2はより少ない磁石量で同等以上のトルクを達成していることから, 提案する磁束変調型二軸モータの優位性を明らかにした。また, 提案する磁束変調型二軸モータのトルク密度は71N・m/Lを達成した。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

磁束変調型磁気ギアのポールピースについて詳細な検討を行うことで, 試作磁気ギアの最大効率が約99%に達し, 本研究目的の一つである超高効率磁気ギアの開発を達成した。また, 風力発電への応用に向け, 永久磁石モータと磁束変調型磁気ギアを磁気的に組み合わせた磁束変調型二軸モータを提案し, 検討を行った。提案した二軸モータに対し解析だけでなく, 実機検証を行ったことから, 本研究はおおむね順調に進展していると言える。

今後の研究の推進方策

前年度では提案した磁束変調型二軸モータに対し, 有限要素解析および実機試験の両者から検討を行ったが, 実験的検証は基礎特性に限られていた。今後, 磁石減磁や効率について詳細な実験的検証を行い, 解析との比較・検討が必要である。また, 提案した磁束変調型二軸モータのモータとしての特性だけでなく, 発電機としての特性について検討を行い, 磁束変調型発電機と, 従来のギアード発電機および多極発電機などと比較・検討を行う。
得られた検討結果を用いて, 磁束変調型磁気ギアと永久磁石発電機を磁気的に組み合わせた磁束変調型発電機の開発を行い, 現有の小型風車に実装し, 特性試験を行う。

  • 研究成果

    (8件)

すべて 2014 2013

すべて 雑誌論文 (3件) (うち査読あり 3件) 学会発表 (5件)

  • [雑誌論文] Experimental Tests and Efficiency Improvement of Surface Permanent Magnet Magnetic Gear2014

    • 著者名/発表者名
      Michinari Fukuoka, Kenji Na kamura, Osamu Ichinokura
    • 雑誌名

      IEEJ Journal of Industry Applications

      巻: 3 ページ: 62-67

    • DOI

      10.1541/ieejjia.3.62

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Performance improvement of magnetic gear and efficiency comparison with conventional mechanical gear2014

    • 著者名/発表者名
      Kenji Nakamura, Michinari Fukuoka, Osamu Ichinokura
    • 雑誌名

      Journal of Applied Physics

      巻: 115 ページ: 17A314

    • DOI

      10.1063/1.4863809

    • 査読あり
  • [雑誌論文] RNA-Based Optimum Design method for SPM type Magnetic Gears2013

    • 著者名/発表者名
      Michinari Fukuoka, Kenji Na kamura, Osamu Ichinokura
    • 雑誌名

      Journal of the Magnetics Society of Japan

      巻: 37 ページ: 264-267

    • DOI

      10.3379/msjmag.1212R001

    • 査読あり
  • [学会発表] 磁気変調型二軸モータの最適構成と実機試験2014

    • 著者名/発表者名
      福岡 道成
    • 学会等名
      電気学会マグネティックス研究会
    • 発表場所
      岩手大学
    • 年月日
      2014-03-28
  • [学会発表] 磁気変調型二軸モータの最適構成に関する一考察2013

    • 著者名/発表者名
      福岡 道成
    • 学会等名
      電気学会回転機研究会
    • 発表場所
      東北大学
    • 年月日
      2013-11-14
  • [学会発表] 遊星型磁気ギアのポールピースが特性に及ぼす影響2013

    • 著者名/発表者名
      福岡 道成
    • 学会等名
      電気学会A部門大会
    • 発表場所
      横浜国立大学
    • 年月日
      2013-09-12
  • [学会発表] Loss Analysis and Performance Improvement of Trial SPM type Magnetic Gear2013

    • 著者名/発表者名
      Michinari Fukuoka
    • 学会等名
      15th European Conference on Power Electronics and Applications (EPE 2013)
    • 発表場所
      Lille Grand Palais, France
    • 年月日
      2013-09-04
  • [学会発表] 磁気ギアのポールピースが特性に与える影響に関する考察2013

    • 著者名/発表者名
      福岡 道成
    • 学会等名
      電気学会東北支部連合大会
    • 発表場所
      会津大学
    • 年月日
      2013-08-22

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公開日: 2015-06-25  

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