1

大幅な省エネルギーを可能にする可変定数モータドライブ

東洋大学 理工学部 電気電子情報工学科

教授 堺和人

2

HEV 引用：Fordﾎｰﾑﾍﾟｰｼﾞ EV 引用：VWﾎｰﾑﾍﾟｰｼﾞ 高速鉄道 引用：JR東ﾎｰﾑﾍﾟｰｼﾞ

モータドライブ性能

【高効率の考え】 汎用 広範囲の可変速 広い可変速と連続運転 （定格）点 面 面×時間

研究背景

システムの省エネルギー化

全運転範囲で高効率のモータドライブシステム

近未来：環境とエネルギー問題 現状：電力不足

3

発進、渋滞時の低速域で高トルク 郊外道路、高速道路（特に欧州・米国）における高速域の効率アップ

回転力（トルク）

速度

自動車・鉄道で要求されるモータの駆動特性

理想の可変速ドライブシステムを目指して 適用例：電気自動車・ハイブリッド自動車,鉄道の可変速運転

低速域

高速回転域

大トルクのため高磁力

速度で誘起される高電圧

を抑制するため低磁力

時間の観点（電力消費の走行時間） 中速域で軽負荷、高速域

二律背反

4

永久磁石の磁束（一定） Magnetic flux of permanent magnet

誘導電圧 Induced voltage

電源電圧上限 （Maximum voltage of a source）

電圧，磁石の磁力

回転速度

弱め磁束制御 Flux weakening Control

可変速運転における永久磁石モータの課題

弱め磁束制御で

誘導電圧を電源電圧内に抑制できるが、

損失発生

5

システムの省エネルギー化

広範囲な可変速運転が可能であり、全運転範囲で高効率のモータドライブシステム

低速回転用モータ、高速回転用モータ、 小出力用モータ、大出力用モータ複数台組合せたシステム

高速，小出力域： 弱い磁力，極数変換で高速タイプ

低速，大出力域： 強い磁力，極数変換で低速タイプ

研究（発明）目的

理想：運転状態に応じて本来一定の特性を可変できるモータ

１台で実現

6

回転速度

電流 Current

磁力 Magnetic flux

損失 Loss

従来の永久磁石モータ

損失低減

弱め磁束制御に要する電流

可変磁力技術を適用したモータ

損失低減を実現する新概念の可変磁力技術

可変速運転で発生する損失

新技術の基となる研究成果・技術

7

永久磁石の磁束を可変 Magnetic flux of permanent magnet

モータの誘導電圧が変化Induced voltage

電源電圧上限 Maximum voltage of a source

電圧と磁力

回転速度 Rotational speed

新概念の可変磁力技術を適用した可変速運転

8

永久磁石の磁化を可変

高トルクかつ広い速度範囲で使用可能なモータ

永久磁石の磁気特性

-1.8

-1.2

-0.6

0

0.6

1.2

1.8

-400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400

Magnetic field [kA/m]

Mag

net

ic f

lux d

ensi

ty [

T]

永久磁石の ヒステリシス

磁気特性に注目

可変磁力技術のポイント

9

新技術：３モード極数変換永久磁石モータ ■磁石モータで極数変換可能

■磁石モータ（PMモータ）、リラクタンストルク併用磁石モータ

（IPMモータ）、リラクタンスモータ（RMモータ）として３種で駆動可能

トルク

4 極 RM mode

4 極 IPM mode

8 極 PM mode

低速域

中速域

高速域

運転状態に応じて、モータ特性定数や極数を可変

回転速度

10

3モード極数変換永久磁石モータの構成

回転子鉄心

可変磁力用永久磁石

コイル

固定子鉄心

シャフト

モータの断面形状（１／２）

11

極数変換とトルクモードの可変

８極PMモード

可変磁力用磁石

回転子鉄心

■可変磁力用磁石の磁化 方向は同極

■凸鉄心部に仮想の極が 形成

４極IPMモード

■電機子巻線を４極に切替

■短時間のパルス状の d軸電機子電流を通電

(a) ８ 極 PM mode

(b) ４ 極 IPM mode

12

極数変換とトルクモードの可変

４極RMモード

■d軸電機子電流で逆磁

界を発生させ、消磁

４極IPMモード → ８極PMモード

■d軸電機子電流による磁界で可変磁力用磁石を磁化

(c) ４ 極 RM mode

■電機子巻線を8極に切替

13

原理モータ諸元とコイルの巻線

解析モデル

固定子外径 104mm

回転子外径 51mm

鉄心長 50mm

エアギャップ長 0.3mm

定格電流 3.6Arms

永久磁石の磁気特性(保磁力) 245kA/m

永久磁石の厚み 2mm

電磁鋼板 JFE-35JN300

モータ諸元

(a) 8 極 (b) 4 極

巻線接続

14

2.8

2.4

2.0

1.6

1.2

0.8

0.4

0

2.8

2.4

2.0

1.6

1.2

0.8

0.4

0

2.8

2.4

2.0

1.6

1.2

0.8

0.4

0

(a) 8 極 PM mode ( I = 0 A )

(b) 4 極 PM mode ( I = 0 A ) (c) 4 極 RM mode ( Id = 5A )

磁極変化前後の磁気分布

磁束密度

[

T]

磁束密度

[

T]

磁束密度

[

T]

極数変換特性

N S

N N

N

N

S

S

S

S

15

極数変換による誘導電圧の可変特性

電圧可変幅30～100％

周波数は半分

16

0

20

40

60

80

100

8 pole PM mode 4 pole IPM mode

鉄損

[%]

ヒステリシス損失 渦電流損

57.2 ％ 低減

極数変換による磁気的損失の低減

固定子鉄損

17

従来技術とその問題点

可変速運転技術として既に実用化されているものには、コイルに通電して逆磁界で永久磁石の磁界をキャンセルする弱め磁束制御があるが、

弱め磁束電流による抵抗損や強制的な逆磁界による磁気的損失が発生し、

高速回転域や低出力時の効率が低下

定格出力点では高効率であるが、全運転範囲となる総消費電力量は増加する問題がある。

18

新技術の特徴・従来技術との比較

• 従来技術の問題点であった、高速回転域、低出力時の損失を低減できる。

• 従来は弱め磁束制御による損失の点で省エネ

ルギーに限界があったが、弱め磁束制御が不要になるため、損失を大幅に低減することが可能となった。

• 本技術の適用により、低速～高速回転、小出

力～大出力まで高効率に運転できるため、消費電力量の大幅な削減が期待される。

19

想定される用途

• 本技術の特徴を生かすためには、電気自動車やハイブリッド自動車用モータや風力発電機に適用することで燃費・走行距離や発電量増加のメリットが大きいと考えられる。

• 上記以外に、電池の容量削減によるコスト低減の効果が得られることも期待される。

• また、達成された省エネに着目すると、鉄道やエアコン等の家電といった分野や用途に展開することも可能と思われる。

20

想定される業界

• 利用者・対象

自動車製造メーカー 電力発生事業者 鉄道車両製造メーカ 電機・家電メーカ

• 市場規模

ハイブリッド自動車・電気自動車市場 風力発電市場 鉄道車両市場、家電市場

21

実用化に向けた課題

• 現在、原理モータを創出し、永久磁石の磁力や極性を反転できることを解析で検証済。しかし、固定子巻線を含めた極数変換の最適化は未着手である。

• 今後、極数変換の電子化を考慮した新技術も研究開発し、理想のモータドライブを実現する。

• 実用化に向けて、大出力と、磁石の磁力を可変する磁化電流の低減を両立できるよう技術を確立する必要もあり。

22

企業への期待

• 次世代デバイスＳｉＣの技術により本発明の磁化動作をさせるインバータが容易になる。

• 永久磁石の技術を持つ、企業や研究機関との共同研究を希望。

• また、電気自動車を開発中の企業、風力発電分野への展開を考えている企業には、本技術の導入が有効と思われる。

23

本技術に関する知的財産権

• 発明の名称 ：永久磁石回転電機及びその運転方法

• 出願番号 ：特願2011-169338

• 出願人 ：学校法人東洋大学

• 発明者 ：堺和人、橋本尚宣、倉持暁

24

お問い合わせ先

東洋大学 知的財産・産学連携推進センター

（研究協力課）

ＴＥＬ ０３－３９４５ － ７５６４

ＦＡＸ ０３－３９４５ － ７９０６

e-mail ｍｌ－ｃｈｉｚａｉ＠ｔｏｙｏ.ｊｐ