2023 Fiscal Year Annual Research Report
Study of Air-Core Resonance Coupling Rotary Transformer Integrated Passive Variable Flux Motor Utilizing Carrier Harmonics
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22H01467
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Research Institution | Shizuoka Institute of Science and Technology |
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Principal Investigator |
青山 真大 静岡理工科大学, 理工学部, 准教授 (00824517)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Keywords | 可変界磁 / 回転トランス / 巻線界磁 / キャリア高調波 / プリント基板 / 自己励磁 / 電磁界解析 / 無線電力伝送 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、研究代表者の2つの基盤技術「受動可変界磁」と「空芯非対称磁界分布」の研究成果の融合により創出された課題である。本年度は、去年度の研究成果に基づき、主に回転トランスの構造簡素化と回転トランスを介した無線電力伝送効率の向上を重点的に実施した。具体的には以下の3項目を実施した。
①回転トランスのプリント基板化：去年度の研究成果では空芯構造で回転トランスを形成していた。今年度は三相コイルをプリント基板上にコイルパターンとして形成し、送受電側ともにプリント基板構造とした。受電側においては、整流回路も受電コイル側と同一基板上に回路を形成し、機電一体化による構造の簡素化を実現した。コイルパターン配置を電磁界解析によって最適化し、パターンの引き回しも電磁界解析によって性能予測しながら行った。コイルパターンを3D-CADでモデリングし、1枚の多層厚銅基板で送電側と受電側の回転トランス基板を設計した。基板CADで基板試作のデータを生成し、試作機の製作も行った。
②回転トランスによる無線電力伝送の高効率化：回転トランスの無線電力伝送効率の向上を実現するために、従来の空芯構造からフェライトコアを用いた準コアレス構造に変更した。電磁界解析によって電力伝送効率が最大になるように磁気回路設計を行い、フェライトコアの試作まで実施した。実機評価を行うためのテストベンチの構築と環境構築および回転トランスのアッセンブリまで実施した。
③プリント基板化した回転トランスを用いた巻線界磁モータシステムの構築：上記の①および②で構築した回転トランスを用いた巻線界磁モータへの給電効率の実機検証を行うため、同回転トランスをモータに組み込むことが可能な構造を設計し、磁気回路設計まで実施した。現在、試作を行うための試作図面の作成と実機評価環境の構築を行っている段階である。
研究計画に対して遅れることなく実施できている。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
研究実施計画では、本研究期間3年間のうち、2年目では4Q構成で提案モータのハードポテンシャルを最大限に引き出せる最適な制御モデルの構築と実機検証試験を行うとしていた。1Qでは回路シミュレータによる制御アルゴリズムの机上検討、2Qでは制御プログラムコードの作成および実装、3Qでは実機検証と駆動特性の定量評価、4Qでは課題整理である。本年度の研究成果として、去年度の実機検証結果から明らかになった回転トランス単体の性能向上を優先的に実施することにしたため、当初計画における1Qから3Qまでが完了した段階である。当初予定していなかった回転トランス単体の性能向上については、プリント基板化した回転トランス構造の考案とその最適化設計および試作機製作と実機評価環境の構築まで行い、現在は実機性能評価を行っている段階である。当初計画の2年目実施内容（最適な制御モデルの構築）においてはキャリア高調波成分の重畳割合が増える変調方式においてキャリア高調波自励原理に基づいて性能向上することが回路シミュレーションによって明らかになったため、新しく技術開発したプリント基板式回転トランスを用いてその実機検証を実施する準備を行っている段階である。
以上の理由により、研究実施計画に対して概ね順調に進展している。
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| Strategy for Future Research Activity |
研究実施計画では、3年目は4Q構成とし、ロータ側受電コイルとロータ巻線の一体化による構造の簡素化を行うとしていた。1Qで電磁界シミュレーションによる検討、2Qで構造設計、3Qで制御アルゴリズムの検討、4Qで実機定量評価であり、現在は1Qを実施している段階である。1年目の研究成果で明らかになった課題（回転トランスの効率向上）を2年目では追加で実施し、プリント基板式回転トランスを考案し、構造構築と試作および実機評価環境の構築まで実施した。現在はロータ巻線もプリント基板化し、2年目で構築したプリント基板式回転トランスの受電側基板と巻線界磁ロータをプリント基板コイル化した基板の統合を電磁界解析によって検討している段階である。
加えて、追加で実施したプリント基板式回転トランス技術の構築によって2年目計画における実施項目で途中になっていた最適な変調方式による界磁調整を行うことでのシステム効率向上の実機検証も3年目では継続して実施する。詳細には、回転トランスで構成しているBPFの共振周波数に対してキャリア周波数を変化させたときのシステム効率、トルクの関係性および、二相変調や鋸状波キャリアまたは三角波キャリアで変調したときのトルク向上効果、システム効率を評価する。
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