Research Projects -
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10万rpmの超高速回転で高出力密度化と高効率化を両立する超高速モータの開発
Grant number：21H01312 2021.04 - 2024.03
日本学術振興会 科学研究費助成事業 基盤研究(B)
竹本 真紹
Grant amount：\17290000 （ Direct expense: \13300000 、 Indirect expense：\3990000 ）
研究代表者は，4極集中巻構造の超高速モータにおいて，10万rpmという超高速回転下で高出力密度化と高効率化を両立するために，(a) 電気伝導率が非常に小さいネオジムボンド磁石の採用，(b) 固定子にストレートティース形状を採用，(c) 回転子の磁石とシャフトの間に半径方向に薄い電磁鋼板のコアを挿入，(d) 巻線に使用する導線の線径を細くし，導線の並列数を増加，という4個の改善点を同時に備えた新構造を提案している。そこで，2021年度は以下の内容について研究を実施した。
・「新構造について電磁構造に加えて風損・冷却・危険速度の影響といった機械構造を連成した試作機の詳細な解析設計および設計手法の確立」
これまでは，新構造について電磁場解析のみで検討を行ってきた。しかし，実際に超高速モータの試作機を製作するには，風損・冷却・危険速度などの影響も考慮する必要があるため，電磁場解析に加えて，流体解析，熱解析，応力解析，振動解析といった機械構造についても連成して大規模に解析を実施することで，試作機を設計する必要がある。そこで，新構造について電磁構造に加えて風損・冷却・危険速度の影響といった機械構造を連成した試作機の詳細な解析設計を実施した。
・「SiC-MOSFETを用いた高周波スイッチングが可能な超高速モータ用のドライブシステムの製作」
100,000 rpmで4極駆動を実現し，スイッチングリプル電流などによる鉄損を抑制するには，高周波スイッチングによる高精度な電流制御を実現することで，3.33 kHzという非常に高い周波数の電流をひずみの少ない正弦波で通電する必要がある。そのために，SiC-MOSFETを用いたPWMインバータとそのコントロールシステムを製作し，その動作検証を行った。その際，速度制御系や電流制御系などの制御プログラムの製作も行った。 -
Developments of bearingless motors with one axis active regulation
Grant number：16H02324 2016.04 - 2019.03
Japan Society for the Promotion of Science Grants-in-Aid for Scientific Research Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
chiba akira, Sugimoto Hiroya
Grant amount：\44330000 （ Direct expense: \34100000 、 Indirect expense：\10230000 ）
The basic concept of bearingless motor proposed by the representative researcher has been wide spread in the world including notable universities such as MIT and ETH for 26 years since the beginning of the Heisei era. In European countries, there are active involvement of research with considerable funding, thus, it is not easy to have top quality researches in this country.
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In this situation, this research focus on the active one or two axis position regulation system, especially high stiffness, high torque, and resonance suppression. Active involvement of research members resulted in top quality research in the world. -
Development of a High Speed and High Power Bearingless Motor with 60000 rpm and 50 kW
Grant number：15H03955 2015.04 - 2018.03
Japan Society for the Promotion of Science Grants-in-Aid for Scientific Research Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
Takemoto Masatsugu
Grant amount：\16510000 （ Direct expense: \12700000 、 Indirect expense：\3810000 ）
In recent years, from the viewpoint of energy saving, demands for higher efficiency and higher output to electric motors are increasing year by year. The solution to this demand is to speed up the motor. In particular, there is a strong demand of high rotation speed for large output motors. Therefore, bearingless motors (BelMs), which integrates functions of an electric motor and a magnetic bearing, have been proposed and developed.
This research proposed the novel structure realizing low loss density, which is essential for a high speed and high power bearingless motor, by means of optimizing the structure of the bearingless motor based on loss density. In addition, the prototype machine with the proposed structure was developed, and the effectiveness of the proposed structure was verified by experiment and analysis. -
可変界磁機能を備えたハイブリッド界磁型永久磁石同期電動機の開発
2013.04
共同研究
竹本 真紹
Authorship：Principal investigator Grant type：Competitive
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Suspension and cost down of bearingless motor with wide gap length
Grant number：24246046 2012.04 - 2015.03
Japan Society for the Promotion of Science Grants-in-Aid for Scientific Research Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
CHIBA Akira, SUGIMOTO Hiroya, ASAMA Junichi, TAKEMOTO Masatsugu, HIJIKATA Kimio
Grant amount：\46410000 （ Direct expense: \35700000 、 Indirect expense：\10710000 ）
In the applications of implantable blood pumps, semiconductor and pharmacy process, needs of bearingless motor has been enhanced recent years. Bearingless motor combines motor and magnetical suspension systems. In pump applications, wide magnetic gap length is required between a rotor and a stator.
In general, motor and magnetic suspension performance become inferior if the gap length is enlarged. Thus, new structures in bearingless motors have been investigated. The gap ratio g/R, where g and R are a gap length and a rotor radius, respectively, more than 0.1, that is about 10 time the conventional motor has been researched and developed. -
Development of a 3-axis Active Control Type Magnetic Bearing with a Cylindrical Rotor
Grant number：23760250 2011 - 2012
Japan Society for the Promotion of Science Grants-in-Aid for Scientific Research Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
TAKEMOTO Masatsugu
Grant amount：\4420000 （ Direct expense: \3400000 、 Indirect expense：\1020000 ）
In recent years, high efficiency and high output power are demanded for electrical motors. One of solution is improvement in the speed of motors. Owing to realizing high speed motors, development of a small magnetic bearing with sufficient assembly characteristic is needed. Accordingly, the research representative have proposed a novel structure of a 3-axis active control type magnetic bearing with the cylindrical rotor. This novel magnetic bearing are characterized by integration of the thrust magnetic bearing without the large disk rotor and the 2-axis active control type radial magnetic bearing. It is found with experimental results that the novel magnetic bearing is equipped with the sufficient performance.
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Research and development of wide gap bearingless motor
Grant number：21360135 2009 - 2011
Japan Society for the Promotion of Science Grants-in-Aid for Scientific Research Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
CHIBA Akira, SUGIMOTO Hiroya, TAKEMOTO Masatsugu, ASAMA Junichi, OSHIMA Masahide
Grant amount：\16380000 （ Direct expense: \12600000 、 Indirect expense：\3780000 ）
In this research, the wide gap is defined as g/R must be more than 0. 1, where g is the gap length between a stator and a rotor, R is the rotor radius. Developments are focused on improving suspension force, torque and power factor. A novel winding structure, which combines motor windings and suspension windings, has been proposed.
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Development of Low-Noise and Low-Distortion Techniques for High frequency PWM Inverters Using Next Generation Switching Devices
Grant number：21560284 2009 - 2011
Japan Society for the Promotion of Science Grants-in-Aid for Scientific Research Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
OGASAWARA Satoshi, TAKEMOTO Masatsugu
Grant amount：\4680000 （ Direct expense: \3600000 、 Indirect expense：\1080000 ）
This study has develop low-noise and low-distortion techniques for high frequency PWM inverters using next generation switching devices, such as SiC and GaN. The developed dead-time compensation can almost completely compensate the voltage distortion without restriction of pulse width. A common-noise canceller, which has proposed by the project leader, is applied to the high frequency (100kHz) PWM inverter, and it is demonstrated that core weight is reduced to 1/8, compared with conventional one.
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Development of a Super-High-Speed Bearingless Motor Equipped with 2-pole Motor Windings and 2-pole Suspension Windings
Grant number：21760211 2009 - 2010
Japan Society for the Promotion of Science Grants-in-Aid for Scientific Research Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
TAKEMOTO Masatsugu
Grant amount：\4420000 （ Direct expense: \3400000 、 Indirect expense：\1020000 ）
Bearingless motors (BelMs) are characterized by integration of electrical motors and magnetic bearings. Driving in high-speed rotation and maintenance free are expected to these motors. However, super-high-speed bearingless motors are not still developed. This research project develops a prototype of a novel super-high-speed bearingless motor with 2-pole motor windings and 2-pole suspension windings. In addition, it is confirmed that the prototype can realize the stable operation at the super-high-speed rotation.
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レアアースフリーモータの開発
2007.04
共同研究
竹本 真紹
Authorship：Principal investigator Grant type：Competitive
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Development of a Normal Saliency PM type Bearingless Motoractualizing High-speed and High-power Operation
Grant number：19760201 2007 - 2008
Japan Society for the Promotion of Science Grants-in-Aid for Scientific Research Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
TAKEMOTO Masatsugu
Grant amount：\3300000 （ Direct expense: \3000000 、 Indirect expense：\300000 ）
永久磁石型ベアリングレスモータ(PM 型BelM)の研究・開発が国内外で盛んに行われており、さまざまな回転子構造を持つPM 型BelM が提案されている。しかし、従来から提案されているPM型BelMは、軸支持力を有効に発生できないという問題があった。そこで、研究代表者は、新たに提案している正の突極性を持つ順突極永久磁石型ベアリングレスモータ(順突極PM 型BelM)の試作機とそのドライブシステムを実際に製作し,従来型に比べて優れた特性を備えていることを明らかにすると同時に,高速回転・高出力運転を実現した。
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高出力・高効率な永久磁石同期電動機の開発
2005.04
共同研究
竹本 真紹
Authorship：Principal investigator Grant type：Competitive
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アキシャルギャップモータの開発
2005.04
共同研究
竹本 真紹
Authorship：Principal investigator Grant type：Competitive
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Development of a simple bearingless drive
Grant number：17360129 2005 - 2008
Japan Society for the Promotion of Science Grants-in-Aid for Scientific Research Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
CHIBA Akira, OOSHIMA Masahide, MASATSUGU Takamoto
Grant amount：\13320000 （ Direct expense: \12300000 、 Indirect expense：\1020000 ）
半導体製造装置、埋込型人工心臓、ケミカルポンプ、フライホイールなどに非接触で浮上するモータが要求されている。申請者らは平成元年より磁気浮上して回転するベアリングレスモータの研究を行ってきた。研究開始当初は人の背丈ほどのドライバ、コントローラが必要であった。本研究では、シンプルなベアリングレスモータとそのドライブ回路を試作し、A5程度の大きさに小型化した
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Development of Bearingless Drives Enabling to Reduce Environment loads
Grant number：17310052 2005 - 2006
Japan Society for the Promotion of Science Grants-in-Aid for Scientific Research Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
TAKEMOTO Masatsugu, TANAKA Yasuhiro
Grant amount：\14900000 （ Direct expense: \14900000 ）
Bearingless motors, which can regulate rotor radial positions with electromagnetic force, have been proposed and developed by applicants. These motors are characterized by integration of electrical motors and magnetic bearings. Not only torque but also electromagnetic suspension force can be generated in the same unit. Therefore, rotor shaft suspension can be realized without mechanical contacts or lubrication. Accordingly, bearingless motors are motors with a great value for industrial applications.
Research results of this grant-in-aid in order to make variable-speed drive systems with these bearingless motors for practical use are as follows;
(1)Development of a position sensorless method in these bearingless motors
Firstly, the relationship between rotor radial position and mutual inductances of motor windings and suspension windings was analytically and experimentally verified. Secondly, we developed a position sensorless method using switching harmonics voltage of a motor drive inverter in order to detect rotor radial position.
(2)Development of a bearingless motor with novel rotor structure enabling to generate sufficient suspension force under wide gap.
We proposed and developed a deeply-buried permanent magnet bearingless motor with 2-pole motor windings and 4-pole suspension windings. In addition, a design method, a control method and its drive system for the proposed motor are developed, and it is verified experimentally that the proposed motor can generate sufficient suspension force under wide gap. -
人工心臓およびキャンドポンプ用の高性能ベアリングレスモータの開発
Grant number：16760222 2004 - 2005
日本学術振興会 科学研究費助成事業 若手研究(B)
竹本 真紹
Grant amount：\3500000 （ Direct expense: \3500000 ）
ベアリングレスモータは、固定子に電動機巻線と支持巻線の2種類の巻線を備えることで、電動機と磁気軸受の機能を一体化したモータである。ベアリングレスモータ単体でトルクの発生と回転子主軸の非接触支持を同時に実現できる。従って、磁気軸受の利点に加えて、電動機と磁気軸受を併用した場合よりもコストダウン、小型化、軸長の短縮による危険速度の向上などが期待される。このように、ベアリングレスモータは非常に付加価値の高いモータである。現在、ベアリングレスモータの非接触・無潤滑・メンテナンスフリー・小型化といった特長を最大限に利用できる人工心臓やキャンドポンプに、ベアリングレスモータを適用する研究開発がヨーロッパや日本の企業・大学で盛んに行われている。そこで研究代表者は、人工心臓やキャンドポンプ用に大きな支持力を発生できる構造として、支持磁束が磁気抵抗の大きな永久磁石を通らない構造を持つ永久磁石型ベアリングレスモータを新たに提案している。
そこで、本年度は、以下の研究を行った。(1)前年度までに明らかにした磁気飽和を考慮した支持力と電流の関係を用いて、高出力運転に対応した軸支持制御系を構築した。(2)複数のCPUを用いることで、汎用のパーソナルコンピュータを用いても高速な演算能力を持つデジタルコントローラを開発した。(3)開発したデジタルコントローラに同期するインバータドライブを製作し、磁気飽和が発生するような高出力運転時に安定な軸支持を実現できる試作機とそのドライブシステムを開発した。(4)さらに、本研究テーマを実現する上で必要となる周辺技術の確立も行った。(5)開発したドライブシステムの実負荷試験により、研究代表者が提案しているベアリングレスモータの有効性を確認した。なお、これらの研究を通じて得た研究成果を学会などで報告した。 -
高速回転・高出力運転が可能なスイッチトリラクタンス型ベアリングレスモータの開発
Grant number：14750202 2002 - 2003
日本学術振興会 科学研究費助成事業 若手研究(B)
竹本 真紹
Grant amount：\3400000 （ Direct expense: \3400000 ）
回転機の持つ半径方向の磁気吸引力を回転子主軸の支持に利用してモータと磁気軸受機能を磁気的に一体化したベアリングレスモータが提案されている。スイッチトリラクタンスモータは、効率よく回転トルクを発生できるように、ギャップ長を短く設計することが多いので、特に大きな半径方向の磁気吸引力が固定子と回転子突部に作用する。この大きな磁気吸引力を利用してベアリングレスモータ化すれば、大容量、高速化、メンテナンスフリー化というベアリングレスモータの特長を最大限利用できる。そこで、研究代表者は、1つの固定子に電動機巻線と支持巻線の2種類の巻線を持つ差動巻線構造のスイッチトリラクタンス型ベアリングレスモータを提案している。昨年度までに、高出力運転時における安定な軸支持運転の実現に欠かせない磁気飽和領域における支持力と回転トルクの算定方法を明らかにした。そして、求めた算定方法に基づいて、高出力運転時に安定な軸支持運転を実現するための制御手法とドライブシステムを開発した。しかし、高出力運転に加えて、高速運転を実現するには、巻線の逆起電力による電流の遅れも考慮する必要がある。そこで、本研究の目的は、電流の遅れを考慮した制御手法を提案し、高速回転・高出力運転時においても安定な軸支持を実現するドライブシステムを開発することである。
スイッチトリラクタンスモータは、矩形波電流を電動機巻線に与えるのが一般的な駆動方法である。これまでの研究では、電動機巻線に指令値通りの矩形波電流が流れることを前提としていた。しかし、回転速度が上昇すると電動機巻線の逆起電力が増加し、電流の立ち上がり、立ち下がりが大きく遅れる。その結果、指令値通りの矩形波電流が流れないために、回転トルクと支持力は指令値通りに出力されない。従って、このような高速回転時は、高出力運転が行えず運転速度領域が制限され、また支持力の不足により安定な軸支持が困難となる。高速回転・高出力運転を実現するには、電動機巻線に流れる電流の遅れを正確に推定し、予め電流の遅れを考慮した電流指令値をドライブシステムに与える必要がある。そこで、平成15年度は、前年度までの研究成果に加えて、電流の遅れを正確に推定する制御手法を提案し組み合わせることで、高速回転・高出力運転時において、安定な軸支持を実現するドライブシステムを開発した。そして、実際に開発したドライブシステムを用いて高速負荷試験を行うことで、提案する制御手法とドライブシステムが有効であることを確認した。 -
Development of a doubly-fed generator for load leveling of a magnetic-flux deviation of a proton synchrotron
Grant number：12555077 2000 - 2002
Japan Society for the Promotion of Science Grants-in-Aid for Scientific Research Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
AKAGI Hirofumi, OGASAWARA Satoshi, TAKEMOTO Masatsugu, FUJITA Hideaki, SATO Yukihiko
Grant amount：\13000000 （ Direct expense: \13000000 ）
A flywheel energy storage system based on a doubly-fed induction generator basically consists of a wound-rotor induction machine and a voltage-source PWM rectifier/inverter used as an ac exciter.
This research focused on a doubly-fed induction generator intended for load leveling of a magnetic power supply for the next-generation proton synchrotron. A digital controller for the generator, developed in this research, is characterized by the combination of vector control and decoupling control. The controller enables the generator to perform active power control independent of reactive power control even in transient states. An experimental system rated at 7.5 kW was designed and constructed by combination of power electronics and motor drive technologies. The validity of the theory developed in this paper, along with the effectiveness and viability of the control strategy, is confirmed by the experimental system. The experimental system consists of a 7.5-kVA doubly-fed induction generator with a vertical axis.
In addition, this research discusses a transient behavior of a magnetizing current in the induction machine, and proposed a new control method for suppressing a magnetic-flux deviation that may occur in the doubly-fed induction generator. The viability and effectiveness of the proposed method is verified by experiments using the 7.5-kW prototype developed in this research. -
磁気浮上技術を活用したベアリングレスモータ・磁気軸受とそのドライブシステムの開発
1998.04
科学研究費補助金・共同研究
竹本 真紹
Authorship：Principal investigator Grant type：Competitive
-
Development of bearingless motor drive systems
1998
Grant-in-Aid for Scientific Research
Grant type：Competitive