リアプノフ直接法を用いた磁気軸受フライホイールの非線形ゼロパワー制御

2002 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 13555061
• Research Institution: Chiba University
• Principal Investigator: 野波 健蔵 千葉大学, 工学部, 教授 (30143259)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 平田 光男 千葉大学, 工学部, 助手 (50282447) ; 西村 秀和 千葉大学, 工学部, 助教授 (70228229) ; 斉藤 忍 石川島播磨重工業株式会社, 技術開発本部, 技監
• Keywords: 磁気軸受 / 電力貯蔵フライホイール / 非線形制御 / ゼロバイアス / リアプノフ安定理論 / バックステッピング / ジャイロ効果 / 不つり合い振動

Research Abstract

本研究は「非線形制御を適用して電力をほとんど必要としない,損失のほとんど無い全く新しいタイプの磁気軸受で支持されたフライホイールの研究開発」を実施した.小容量フライホイールの開発は総合的な技術力を必要とする総合的な研究で広範囲な分野をカバーするが,本研究では電流をほとんど流さない新方式の磁気軸受を実現することで,本来のフライホイールのエネルギー効率を格段に向上しようとするものである.そして,以下に述べる視点から焦点を絞った研究を行った.
すなわち,(1)バイアス電流を必要としない電磁石のみの全く新しい非線形ゼロパワー磁気軸受の実現と動特性の解明,(2)この画期的な制御アルゴリズムで実現される超低損失フライホイールのエネルギ貯蔵効率についての検討,(3)フライホイール・常電導磁気軸受の最適設計とその性能の解明,(4)フライホイール・磁気軸受系の剛体モード危険速度通過応答と運動安定性の解明,(5)一般産業用・商業用フライホール,とくに、クリーンエネルギーへ大きな期待がかかっているハイブリッド自動車、電気自動車への実現化可能性について基礎研究を行った.
まず,(1)に関して,電磁石のみを用いてバイアス電流をほとんど流さないゼロパワー制御を実験的に実現した.著者らはすでに基礎研究においてこの技術を完成させており,本基盤研究ではエネルギ貯蔵用のフライホイールシステムへの適用をターゲットにして,縦型4軸ラジアル制御を8入力の非線形制御系として実現した.その際,閉ループ系の安定性はリアプノフ安定理論により大域的漸近安定性は保証された.本研究では,ジャイロ効果の影響や非干渉非線形ゼロパワー制御や分散型と集中型非線形ゼロパワー制御などについて研究し、実験的にいくつかの新しい知見を得た.(2)はバイアス電流を全く必要としないことから,渦電流損失が激減し、超低損失フライホイールが実現できることを実験的に検証した.(3)は常電導磁気軸受とフライホイールの同時最適化に関する研究できわめて重要な課題であるが、今後の課題としたい.(4)は超高速回転時のフライホイールが剛体モードの危険速度を通過する際の振動制御の性能に関する問題で、振動制御に関しては別途、新しいアルゴリズムが必要であることが明らかとなった.

Research Products

• [Publications] K.Nonami, Zi, Liu: "Zero Power Nonlinear Control of Magnetic Bearing System"Proceedings of the 8th International Symposium on Magnetic Bearings. 83-89 (2002)
• [Publications] Y.Xu, K.Nonami: "A FUZZY MODELING OF ACTIVE MAGNETIC BEARING SYSTEM AND SLIDING MODE CONTROL WITH ROBUST HYPERPLANE USING MU-SYNTHESIS THEORY"Proceedings of the 8th International Symposium on Magnetic Bearings. 451-458 (2002)
• [Publications] Q.Fan, K.Nonami: "ROBUST SWITCHING CONTROL STRATEGY FOR A CLASS OF SECOND ORDER UNCERTAIN SYSTEMS WITH APPLICATION IN ACTIVE CONTROL OF UNBALANCING VIBRATION FOR MAGNETIC BEARING"Proceedings of the 8th International Symposium on Magnetic Bearings. 495-500 (2002)
• [Publications] H.Kameno, K.Nonami: "BASIC DESIGN OF 1KWH CLASS FLYWHEEL ENERGY STORAGE SYSTEM"Proceedings of the 8th International Symposium on Magnetic Bearings. 575-580 (2002)
• [Publications] Y.Zhang, K.Nonami: "ZERO POWER CONTROL OF 0.5KWH CLASS FLYWHEEL SYSTEM USING MAGNETIC BEARING WITH GYROSCOPIC EFFECT"Proceedings of the 8th International Symposium on Magnetic Bearings. 587-592 (2002)
• [Publications] S.Sivrioglu, K.Nonami: "NONLINEAR ADAPTIVE CONTROL FOR A FLYWHEEL ROTOR-AMB SYSTEM WITH UNKNOWN PARAMETER"Proceedings of the 8th International Symposium on Magnetic Bearings. 593-598 (2002)