回転子が回転磁界より速い速度で回転する新しい高速モータの開発

2022 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 21K04008
• 研究機関: 東京都市大学
• 研究代表者: 土方 規実雄 東京都市大学, 理工学部, 講師 (70710507)
• 研究期間 (年度): 2021-04-01 – 2024-03-31
• キーワード: 同期電動機 / リラクタンスモータ / バーニアモータ / 高速回転

研究実績の概要

本研究は，回転磁界より回転子が速く回転する，これまでにない新しい高速モータの開発を目的としている。従来の同期モータは，回転子が回転磁界と同じ速度に同期して回転することでトルクを発生している。一方で，提案するモータは固定子と回転子の歯数の組み合わせによってモータ自身が磁気ギアのような効果を生じ，回転子が回転磁界より速く回転する増速の効果を得ることができる。本応募課題では，提案するモータについて，（１）回転の原理および発生するトルクの解析的検討，（２）有限要素法解析と実機試験によるトルクの検証，（３）実用化に向けた性能向上の基礎的検討，の実施を計画している。
２０２１年度においては、提案モータの特性に関する解析的検討を行うとともに、その性能を実証するために電動機試験を予定していた。しかし、コロナ禍により電動機試験の実施が一部にとどまっている状況であった。
２０２２年度においては、有限要素法解析によって提案モータのトルクや効率などの特性を明らかにした。また、コロナ禍により実施の遅れていた提案モータの電動機試験を20,000 r/minまでの範囲で実施した。その結果、提案モータの試作機がおおよそ有限要素法解析の結果通りの性能を有していることが確認できた。また、トルクについては２０２１年度の解析的な検討によって得られていた理論式と良い一致をすることが確認できた。提案するモータのトルクは、従来の同期リラクタンスモータと同様に突極比が重要なパラメータであること、トルクを表す式は従来の同期リラクタンスモータとほぼ同形で、係数としてZR/pが掛かった形になることを解析・実験の両面から確認した。

現在までの達成度 (区分)

3: やや遅れている

理由

コロナ禍により，２０２１年度の実験室の使用が大幅に制限されたために計画に遅れが生じている。
当初の予定において２０２１年度には，（１）提案する増速形バーニアモータの解析的検討，（２）提案モータの性能を評価するための電動機試験ベンチの製作，（３）実機試験による提案モータの性能評価，を実施予定であった。これらのうち，２０２１年度終了時点で（１）と（２）が完了し，（３）が未完了であった。このことによって、当初の予定が全体的に後ろ倒しになっている。

今後の研究の推進方策

２０２３年度においては、コロナ禍により実施が遅れている電動機試験を進めるとともに、実用化に向けた性能向上のための検討を行っていく。２０２２年度の実験結果や解析の結果をもとにして、有限要素法を用いた電磁界解析によって出力や効率の向上のための構造の最適化を行う。構造の最適化にあたっては、遺伝的アルゴリズムなどを取り入れ、計算にかかる時間を短縮することでコロナ禍による遅れを取り戻していきたい。構造の最適化や機械設計が早期に完了した場合は、2号試作機を制作し、その性能を評価する。

次年度使用額が生じた理由

研究代表者が２０２３年度の１年間、オーストリアのヨハネス・ケプラー大学に滞在することになったため、現地で研究活動を継続するための備品を調達するために予算の前倒し請求を行った。具体的には備品として提案モータの設計に必要な電磁界解析を行うためのモバイルワークステーションを調達した。予算の前倒し申請の段階で備品の金額が不明確であったために余裕のある金額を前倒し申請した。したがって、その余剰分が次年度使用額として生じている。
２０２３年度においては、モバイルワークステーションを用いて最適化した提案モータの試作機を制作するための費用と、実験に必要な計測機器および機械部品の調達に予算を充てる計画である。