共同研究・競争的資金等の研究 - 竹本 真紹
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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
研究課題/領域番号：21H01312 2021年04月 - 2024年03月
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
配分額：17290000円 （ 直接経費：13300000円 、 間接経費：3990000円 ）
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。 -
一軸制御ベアリングレスモータの高度化に関する研究
研究課題/領域番号：16H02324 2016年04月 - 2019年03月
日本学術振興会 科学研究費助成事業 基盤研究(A)
千葉 明, 清田 恭平, 朝間 淳一, 土方 規実雄, 竹本 真紹, 杉元 紘也
配分額：44330000円 （ 直接経費：34100000円 、 間接経費：10230000円 ）
平成元年に研究代表者が提案したベアリングレスモータの基本概念は、二十数年を経て、世界各国に浸透し、MIT, ETHなどの工学系トップ大学を含めて世界各地の大学、研究機関で研究が行われている状況にある。研究代表者は、諸外国の研究機関に先駆けた研究を行ってきたが、特に、欧州では多額の研究費を得て研究を行っており、我が国の優位性を確保するのは容易でない状況にあった。
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このような状況下で、今後1軸だけを能動的に制御するベアリングレスモータの高剛性化、高出力化、共振回避などが重要テーマと位置づけ研究を行った。研究協力者、共同研究者と有機的に連携し、先駆的な研究を行うことができた。 -
60000 rpm，50 kWの出力を持つ大容量高速ベアリングレスモータの開発
研究課題/領域番号：15H03955 2015年04月 - 2018年03月
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
配分額：16510000円 （ 直接経費：12700000円 、 間接経費：3810000円 ）
近年，省エネルギー・省資源対策などから，モータへの高効率化・高出力化の要望が年々高まっている。その解決策として注目されているのがモータの高速化である。特に，大容量モータの高速化への要望は極めて強い。そこで，電動機と磁気軸受の機能を一体化したベアリングレスモータが注目されている。
本研究では，損失密度に基づいたベアリングレスモータの構造最適化を行い，大容量高速ベアリングレスモータを実現するために欠かせない低損失密度を実現できる構造を提案した。そして，大容量高速ベアリングレスモータの試作機を開発し，提案構造の有効性を実験により検証した。 -
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年04月
共同研究
竹本 真紹
担当区分：研究代表者 資金種別：競争的資金
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ワイドギャップをもつベアリングレスモータの安定化と低コスト方式の研究開発
研究課題/領域番号：24246046 2012年04月 - 2015年03月
日本学術振興会 科学研究費助成事業 基盤研究(A)
千葉 明, 杉元 紘也, 朝間 淳一, 竹本 真紹, 土方 規実雄
配分額：46410000円 （ 直接経費：35700000円 、 間接経費：10710000円 ）
埋込型補助人工心臓、半導体製造装置、薬液搬送などの分野で、ベアリングレスモータのニーズが高まっている。ベアリングレスモータはモータと非接触磁気力支持を一体化した電磁機械である。ポンプとして応用する用途では、ワイドギャップを隔てて回転子と固定子が対向する必要がある。
しかし、ギャップ長を大きくすると、モータ出力は低下し、磁気支持に必要な電磁力も低下してしまう。そこで、本研究では、従来のベアリングレスモータを超える新しい構造を考案した。回転子半径Rとギャップ長ｇの比g/Rをモータギャップ長評価指標とし、従来モータの１０倍程度大きい0.1以上を実現するベアリングレスモータの研究開発を行った。 -
円筒形回転子を備えた3軸能動制御型磁気軸受の開発
研究課題/領域番号：23760250 2011年 - 2012年
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
配分額：4420000円 （ 直接経費：3400000円 、 間接経費：1020000円 ）
近年,モータへの高効率化・高出力化の要望が年々高まっている。その解決策の一つがモータの高速化であり,モータを高速化する際に必要となるのが,組立性が良い小型の磁気軸受の開発である。そこで,研究代表者は,円筒形回転子を備えることで組立性を大きく向上し,半径方向の2軸と軸方向の1軸をそれぞれ支持する2種類の磁気軸受を一体化することで大幅な小型化を実現する「円筒形回転子を備えた3軸能動制御型磁気軸受」を提案している。本研究では,提案する磁気軸受の試作機を実際に製作し,その有効性を実験により検証した。
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ワイドギャップベアリングレスモータの研究開発
研究課題/領域番号：21360135 2009年 - 2011年
日本学術振興会 科学研究費助成事業 基盤研究(B)
千葉 明, 杉元 紘也, 竹本 真紹, 朝間 淳一, 大島 政英
配分額：16380000円 （ 直接経費：12600000円 、 間接経費：3780000円 ）
回転子半径Rと固定子回転子間のギャップ長gの比g/Rが0. 1以上のベアリングレスモータをワイドギャップと定義することを提案した。ワイドギャップでありながら、支持力、トルク、力率の改善を実現する方法を明らかにした。さらに、全く新しい電動機と支持の巻線を共通化する方式を発明した。
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次世代デバイスを用いるインバータのノイズ・ひずみ低減技術の開発
研究課題/領域番号：21560284 2009年 - 2011年
日本学術振興会 科学研究費助成事業 基盤研究(C)
小笠原 悟司, 竹本 真紹
配分額：4680000円 （ 直接経費：3600000円 、 間接経費：1080000円 ）
SiCやGaNなどを用いた次世代デバイスが普及した場合に問題となることが予想される,高周波PWMインバータのデッドタイムによる出力電圧ひずみ,ならびにスイッチングにより生じるノイズの問題を解決するための技術開発を行った。開発したデッドタイム補償法は,パルスが欠損する極細パルスの場合でも等価的に保証が可能であり,出力電圧ひずみをほぼ完全に保証できることをることを実験により示した。さらに,研究代表者が先に提案しているアクティブ・コモンノイズ・キャンセラ(ACC)を,高周波(100kHz)PWMインバータに適用し,コモンモードトランスのコアを従来の688gから79gに軽量化できることも示した。
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2極電動機・2極軸支持構造を持つ超高速永久磁石型ベアリングレスモータの開発
研究課題/領域番号：21760211 2009年 - 2010年
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
配分額：4420000円 （ 直接経費：3400000円 、 間接経費：1020000円 ）
ベアリングレスモータは,電動機と磁気軸受の機能を一体化したモータである。そのため,磁気軸受を用いた場合よりもコストダウン,小型化,高速化などが期待されているが,超高速回転を実現できるベアリングレスモータは未だ実現されていない。そこで,研究代表者が新たに提案する2極電動機・2極軸支持構造を持っ超高速永久磁石型ベアリングレスモータの試作機とそのドライブシステムを実際に製作し,超高速回転を実現する。
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レアアースフリーモータの開発
2007年04月
共同研究
竹本 真紹
担当区分：研究代表者 資金種別：競争的資金
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高速回転・高出力運転が可能な順突極永久磁石型ベアリングレスモータの開発
研究課題/領域番号：19760201 2007年 - 2008年
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
配分額：3300000円 （ 直接経費：3000000円 、 間接経費：300000円 ）
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年04月
共同研究
竹本 真紹
担当区分：研究代表者 資金種別：競争的資金
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アキシャルギャップモータの開発
2005年04月
共同研究
竹本 真紹
担当区分：研究代表者 資金種別：競争的資金
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シンプルなベアリングレスドライブの試作
研究課題/領域番号：17360129 2005年 - 2008年
日本学術振興会 科学研究費助成事業 基盤研究(B)
千葉 明, 大島 政英, 竹本 真紹, 大島 政英, 竹本 真紹, 深尾 正
配分額：13320000円 （ 直接経費：12300000円 、 間接経費：1020000円 ）
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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環境負荷を低減するドライブシステム実現のためのベアリングレスモータ装置の開発
研究課題/領域番号：17310052 2005年 - 2006年
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, 深尾 正, 田中 康寛, 竹本 真紹
配分額：14900000円 （ 直接経費：14900000円 ）
エネルギー起源の二酸化炭素削減には、可変速ドライブシステムの普及が最も効果的であるが、普及を妨げている原因はシステムのコスト高にある。従って、コスト上昇以上の機能の向上が可変速ドライブシステムに求められる。そこで、申請者等はこれらの問題を解決するために、モータと磁気軸受機能を一体化したベアリングレスモータを提案し、開発してきた。本研究の目的は、ベアリングレスモータを用いた可変速ドライブシステムを実用化するために、「1.回転子主軸の位置を独立した位置センサなしで検出するセンサレス方式を開発する」、「2.回転子と固定子の空隙を大きくしても軸支持力の低下が少ない回転子構造を開発し、安定な軸支持運転を実現する」である。以上の2点を研究目的として、平成17年度から18年度の二年間において、1.に関しては(1)モータ巻線と軸支持巻線間の相互インダクタンスの軸位置との関係を解析的、実験的に明らかにした。(2)軸支持巻線に誘導するモータ駆動用インバータのスイッチング高調波電圧を軸位置検出に用いる位置検出法を開発、信号処理のためのハードとソフトを提案した。2.に関しては、(1)モータ用に2極、軸支持用に4極の巻線を持ち、回転子には永久磁石を鉄心中に深く埋め込んだ新しい回転子構造を開発、(2)安定な軸支持運転を実現できるドライブシステムを開発、(3)磁気等価回路を用いた設計手法を提案し、試作機による実験により設計手法の妥当性を確認した。そして、(4)提案するベアリングレスモータがこれまでに開発された様々な形式のベアリングレスモータよりも幅広い空隙を必要とするノンシールポンプなどの可変速ドライブ用途において、大きな軸支持力を発生できることを軸支持方向の牽引試験により確認した。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。
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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
研究課題/領域番号：16760222 2004年 - 2005年
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
配分額：3500000円 （ 直接経費：3500000円 ）
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
研究課題/領域番号：14750202 2002年 - 2003年
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
配分額：3400000円 （ 直接経費：3400000円 ）
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。 -
加速器電磁石電源の電力変動を抑制する交流励磁フライホイール発電機システムの開発
研究課題/領域番号：12555077 2000年 - 2002年
日本学術振興会 科学研究費助成事業 基盤研究(B)
赤木 泰文, 小笠原 悟司, 竹本 真紹, 藤田 英明, 佐藤 之彦, 市川 修, 深尾 正, 数乗 有
配分額：13000000円 （ 直接経費：13000000円 ）
現在,高エネルギー加速器研究機構が中心になって計画を進めている大型ハドロン計画(JHL : Japan Hadron Facility)の50GeV陽子加速器には55MWの高性能・大容量の電磁石電源が必要となる。この電磁石電源は,電磁石電流が0〜5kA,有効電力が+55MW〜-55MW,周期約4秒で激しく変動する。しかも陽子加速器はひとたび実験に入ると,昼夜を問わず2,3週間の連続運転が行われる。このような連続した激しい電力変動は,周囲の配電系統だけでなく上位の電力系統に種々の障害を引き起こす恐れがあるため,電力変動の抑制を目的とした電力補償装置の設置が必要不可欠となる。
本研究では,加速器電磁石電源の電力変動を抑制する交流励磁フライホイール発電機システムの開発を目的としている。具体的には理論解析とコンピュータシミュレーションをベースに,7.5kW実験システムを設計・製作し,交流励磁フライホイール発電機システムの有効性を実証しようとするものである。
本研究の成果は,以下のように要約することができる。
1.立型フライホイール発電機を設計した。次に,交流励磁用PWMコンバータ・インバータを設計・製作し,7.5kW実験システムの基礎特性を評価した。
2.交流励磁フライホイール発電システムの新しい制御法として,交流電動機ベクトル制御と非干渉制御を融合した制御法を開発し,その有効性を実験によって確認した。
3.交流励磁フライホイール発電機の直流偏磁現象を実験的に検討し,直流偏磁を抑制する新しい制御法を開発した。さらに,その有効性を実験によって確認した。 -
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年04月
科学研究費補助金・共同研究
竹本 真紹
担当区分：研究代表者 資金種別：競争的資金
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Development of bearingless motor drive systems
1998年
Grant-in-Aid for Scientific Research
資金種別：競争的資金