| 研究課題/領域番号 |
21H01315
|
|---|
| 研究機関 | 長崎大学 |
|---|
研究代表者 |
阿部 貴志 長崎大学, 工学研究科, 教授 (30222649)
|
|---|
| 研究分担者 |
浜崎 真一 長崎大学, 工学研究科, 准教授 (80363472)
横井 裕一 長崎大学, 工学研究科, 准教授 (80610469)
大道 哲二 長崎大学, 工学研究科, 助教 (50739175)
|
|---|
| 研究期間 (年度) |
2021-04-01 – 2024-03-31
|
| キーワード | 可変界磁モータ / 電池推進船 / 同期モータ / ダイオード整流 / ブラシ無し自己励磁 |
|---|
| 研究実績の概要 |
全研究期間では，(a)電磁界解析を用いて(a-1)低船速・低トルク領域と(a-2)高船速・高トルク領域での高効率・高トルク設計に取り組み，(a-3)全船速・全トルク領域へと展開した試作機を作成する。また，(b)船舶負荷に対応可能な制御法の確立と実機検証，さらに，(c)シミュレーションを用いた電池推進船に適用した際の特性検証を実施する。
昨年度において，
(a-1) 低船速・低トルク領域での高効率・高トルク設計：従来より検討していた出力2kW，速度1800min-1の4極，6極，8極のモータ形状だけでなく，この領域での検討に2極機を加え，鉄損・銅損を低減する高効率化を実現する設計検討を実施した。
(a-2) 高船速・高トルク領域での高効率・高トルク設計：自己励磁電流のバイアス周波数や位相について，高効率化とトルク脈動を低減する実機検証の結果を用いて，(a-1)で検討した各極数に対して，巻数比や回転子突極形状を再検討し，高船速領域における固定子巻線電流を最小にする設計を開始した。さらに，リラクタンストルクの併用を検討し，トルク電流の位相を制御する最大トルク／電流制御法を適用した実機検証と解析による検証を行った。
(b) 船舶負荷に対応可能な制御法の確立：自己励磁に必要な三角波のバイアス周波数を可変とし，励磁電流実効値を電機子電流が最小となるよう定め，鉄損と銅損を抑える制御法を検討し，双方向DC-DCコンバータを導入したシミュレーションシステムのモデル化を実施した。
(c) 電池推進船への適用を考慮したシステムシミュレーションによる検証：大学の実験室では再現不可能である電池推進船のエネルギーフローのモデル化のために，先進技術である電気自動車システムのモデルの流用を検討した。
|
| 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
(a-1) 低船速・低トルク領域での高効率・高トルク設計：従来より検討していた出力2kW，速度1800min-1の4極，6極，8極のモータ形状については，6極ににおいて高頻度の運航領域において90％近い高効率特性を維持したまま，トルクリプルを形状変化による改善で18%まで，さらに制御による手法を加えることで8.1%までの低減に成功している。また，この領域での検討に加えた2極機でも4極機と比べ同程度の特性を確認した。
(a-2) 高船速・高トルク領域での高効率・高トルク設計：自己励磁電流の実効値やバイアス周波数，位相を可変にすることで，インバータへの供給電圧もパラメータに加えた4極機での実機検証を実施し，80%～90%近い高効率を様々な出力と速度領域において維持できることが確認された。この結果を用いて，(a-1)で検討した各極数に対して，巻数比や回転子突極形状を再検討し，高船速領域における固定子巻線電流を最小にする設計を開始している。さらに，リラクタンストルクの併用を検討し，最大トルク／電流制御法を用いることで，高速度領域での運転領域拡大について解析により確認された。
(b) 船舶負荷に対応可能な制御法の確立：自己励磁に必要な三角波の実効値とバイアス周波数を可変できるように，昇圧形DC-DCコンバータを導入し，システムシミュレーションを構築し，共振リアクトルなどの設計を終了し必要な備品を購入した。ただし，納期の遅れにより実機検証は次年度への課題としている。
(c) 電池推進船への適用を考慮したシステムシミュレーションによる検証：電池推進船のエネルギーフローのモデルの構築を目指し，先進技術である電気自動車システムのモデルを流用し，駆動システムのモデル化は終了している。ただし，船舶の運動系モデルや燃費計算のモデル化は次年度の課題としている。
|
| 今後の研究の推進方策 |
2022年度においては，
(a-2) 高船速・高トルク領域での高効率・高トルク設計：自己励磁磁束によるモータ回転速度に起因する鉄損の増加，トルク電流だけでなく自己励磁に必要な励磁電流の増大による銅損の増加に着目し，昨年度(a-1)の低船速・低トルク領域で検討した各極数での巻数比や回転子突極形状について，新たに加えた研究分担者の形状最適化技術を利用して再検討し，この高船速領域における固定子巻線電流を最小にする設計指針を得る。さらに，高効率で高トルクを得るために検討を開始した，リラクタンストルクの併用について，昇圧DC-DCコンバータを考慮した解析結果を利用した設計指針を確立する。
(a-3) 試作機の作製と全船速・全トルク領域での特性検証：昨年度の成果(a-1)と上記(a-2)での検討結果により，固定子と回転子の巻数比や回転子突極形状が共有できる範囲であれば，(a-2)の結果を用いて試作する。それに反して大きく異なる場合は，固定子巻線を分割してモータ外部に引き出し，回転子巻線においてもブラシとスリップリングを用いて外部にてダイオードで短絡し，船速に応じて巻線数に変更可能な構造を検討する。
(b) 船舶負荷に対応可能な制御法の確立：昨年度の成果である昇圧DC-DCコンバータを導入した実験システムによる銅損の減少と自己励磁界磁磁束の増加を可能とする制御法を実験検証，さらに(a)の検討によって必要となる付加トルクの検証について，現有モータを利用した実験により確認する。
(c) 電池推進船への適用を考慮したシステムシミュレーションによる検証：昨年度の成果である電池推進船のエネルギーフローの基本モデルのモデル化と検証を継続し，大学の実験室では再現不可能である電池推進船の特性検討モデルを構築し，(a)の成果である試作するモータモデルを導入する。
|
