| 研究課題/領域番号 |
19H00759
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| 研究機関 | 東京工業大学 |
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研究代表者 |
千葉 明 東京工業大学, 工学院, 教授 (30207287)
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| 研究分担者 |
鈴木 晴彦 福島工業高等専門学校, 電気電子システム工学科, 教授 (30201578)
朝間 淳一 静岡大学, 工学部, 准教授 (70447522)
土方 規実雄 東京都市大学, 理工学部, 講師 (70710507)
杉元 紘也 東京電機大学, 工学部, 准教授 (60613552)
大路 貴久 富山大学, 学術研究部工学系, 教授 (30334709)
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| 研究期間 (年度) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| キーワード | ベアリングレスモータ / 磁気支持 / 磁気浮上 / １軸能動制御 / ２軸能動制御 / 無制御 |
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| 研究実績の概要 |
研究代表者と共同研究者、研究協力者などと連携を取り、アーンショウの定理で不可能とされる領域に少しずつ近づくべく、2軸能動制御、1軸能動制御、そして1軸未満から完全無制御へと研究、試作、実証を行ってきた。特に、東京工業大学では、能動制御軸数を0とする方式を二つ模索した。中央リニア新幹線のように、速度が速くなると8字コイルに電流が自動的に流れて磁気支持力を発生する受動型磁気軸受とエレクトロダイナミックベアリングレスモータを試作し、理論を構築し、理論通りの軸方向力が発生していることを実験的にも明らかにした。
また、5軸の運動を受動的に安定化する反磁性体を利用したモータの製作に成功した。ハルバッハ永久磁石の上に突極形状の反磁性体を浮上させ、その上部に回転磁界を発生する固定子と巻線を配置した。完全非接触磁気浮上と回転を確認した。さらに、高速で回転した場合の特性を明らかにするため、別途PMモータを製作して3000r/min程度の反磁性体としては世界最高速度の実験を行った。
2軸を能動的に制御するベアリングレスモータの試作に成功し、半径方向力をゼロとする制御を適用することによって回転動作時のふれ回りを極めて小さくすることができることを新しく明らかにした。
交流アンペール式磁気浮上技術を適用したアルミニウムリング引上げに対し，完全受動支持および1軸能動制御支持を検討した。電磁界解析および安定性評価実験により，アルミ浮上体の完全受動による懸垂支持の可能性を見出した。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
1: 当初の計画以上に進展している
理由
1軸だけを能動的に制御するベアリングレスモータの試作を行い、能動１軸制御としては世界で最も高速回転である３万r/minで回転可能であることを実験的に明らかにした。３万r/minで数十Wのモータとしては極めて高い９０％弱の効率が実現できることを明らかにした。この効率は１軸能動制御のベアリングレスモータとしては世界で最も高効率である。これらの成果を、モータ関係では世界で最も難関である国際一流ジャーナルIEEE Transactions on Industry Applications に投稿した。
また、回転速度が高くなった場合にｚ方向の受動支持が無制御で可能なベアリングレスモータを試作し、５軸力センサに固定子を固定して回転子が発生する力を測定した。主要な構成部分は永久磁石を４層構造とした全く新しい構造であり、独自性がある。理論の構築を行い、実験結果により確認できた。この成果を、モータ関係では世界で最も難関である国際一流ジャーナルに投稿した。
さらに、750Wの一軸能動制御型ベアリングレスバーニアモータの性能評価のための試験ベンチを製作した。また，そのトルクと磁気支持力を解析的に導出し，ベクトル制御が可能であることを示した。安定な磁気浮上に成功すれば、世界で最も出力が高い能動１軸制御のベアリングレスモータを実現できる。
最後に、反磁性体の基礎的な実験を行った。PGシートを積層した円板の磁気支持現象を観察した。また、HOPG（高配向性熱分解グラファイトの磁気支持特性を観察した。
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| 今後の研究の推進方策 |
来年度は最終年度であるため、研究の成果を確認するとともに、国際一流ジャーナルに研究成果を発表する予定である。現在コロナウイルスが蔓延し、国際会議などでの発表はバーチャルとなっているが、中止されることはなく、順調にダイジェストの査読、投稿論文の査読が進んでおり、世界最高の結果を国際一流ジャーナルに発表することに問題はない。
東京工業大学では、清田准教授、藤井助教らと連携し、１軸能動制御のベアリングレスモータの高トルク化モデルの磁気浮上の実現をめざす。磁気浮上して回転すれば、世界で最もトルク密度が高いベアリングレスモータを実現することができ、国際一流ジャーナルに投稿したい。また、エレクトロダイナミックベアリングレスモータについては、完全非接触磁気浮上の実験を行うための実験装置の改善を行なう。実現すれば、世界で最も剛性が高いベアリングレスモータの非接触磁気浮上を実現でき、その結果を国際一流ジャーナルに投稿したい。さらに、反磁性体を利用したベアリングレスモータの研究においては、世界で最も高速回転を実現しているが、タッチダウンが避けられない状況にあり、実験装置の精度を向上して、完全非接触浮上をめざす。また、レーザセンサなどを用いて、どのような挙動が発生しているのかを明らかにする必要がある。現在、最も難関な国際会議IEEEのECCE( Energy Conversion Conference and Exhibition)にダイジェストを投稿し、受理され、論文を投稿予定である。投稿論文をさらに改善して国際一流ジャーナルに投稿する予定である。
共同研究者の各機関においても、これまでの成果を学会発表するとともに、限られた予算ではなるが、改善、改良を行い研究を進捗する予定である。
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