宇宙・航空機用 高効率大出力モーターの開発

▼ご挨拶

 

このプロジェクトの目的は、宇宙・航空機用の高効率、大出力モーターの開発です。

宇宙、航空機用などの様々な産業のシーンで、新たな時代のスタンダードを創りだそうとする試みを革新的なテクノロジーで挑み未来を創りたい、そんな思いで開発に取り組んでいます。

未来には、どんな世界が待っているのか、宇宙と航空機産業に於ける課題を解決する、世界で唯一の高性能モーターの開発を通して、社会の基盤となる革新的なモーターを世に送り出す事を目的としています。 

　　

　　　　　

　　　　　　

　　　　　　　　　　　　　　使用している画像は全て使用許可を得ています

 

 

 

▼自己紹介

 

　　　　　　　　　　　　実施者 後藤一彦

 

名古屋の工業大学電気工学科を卒業して、東京で就職した事を期に１９８４年頃から特許の勉強を始めました。

当時はインターネットもまだ普及しておらず、特許庁には先願調査の為によく通っておりました。　最初の頃の特許は稚拙なものでしたが、だんだんと進歩したようです。　最初に特許が成立したのは１９９３年頃だったと思います、１９９１年頃から発電機・電動機の研究開発を開始して、現在に至って居ります。

 

 

 

 

▼プロジェクトを立ち上げたきっかけ

 

２００４年コギングトルクトルクゼロを目指して、モーターの研究開発が始まりました。

「技術の革新で世界を変える」という思いだけで、理論が分からぬまま手探りの状態で、試作を繰り返す日々が続きました。　当時は、高効率と大出力を同時に達成すると言う事は、全く考えて居りませんでした。　只々、コギングトルクの低減を実現して、ステータが３極でローターが２極の超高速で回転するモーターをどうしても創りたいと言う思いしか有りませんでした。　しかし、2022年の秋、磁気回路理論の完成と予想を遥かに超える結果が待っていました。

 

 

 

 

　　　　　　　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　本件試作モーター画像です

 

 

 

 

▼プロジェクトの内容

 

今回の挑戦ではどの様なモーターを開発するのか、宇宙と航空機産業に於ける優れたモーターは、軽くて小さくて大きな力を出す事が必要ですが、その為には高効率である必要があります。　　

小さくて損失が大きいとモーターが焼損してしまいます。

従来のモーターでは効率が低く損失が大きい為に、技術的な限界に達して居りました。　今回のＳＰＭモーターの構造は、従来のモーターと比較して構造がどの様に異なるのか説明致します。　下図は、従来のＩＰＭ（磁石内装型）モーターとＳＰＭ（表装型）モーターのローター断面構造です。　どちらの構造も、ローターの一部が磁石になっています。　従来のＩＰＭモーターもＳＰＭモーターも磁石の総量を節約する事は出来ますが、この構造が起因して、出力密度を上げる事が出来ない原因となっています。　又、高速回転時にローターが遠心力で破断しないように、いろいろな対策を必要としています。

 

 

 

　　　　　　　

 

 

下図は代表的なＩＰＭモーターと、本件のＳＰＭモーターのローター構造の断面を比較したものです。　ＩＰＭモーターは現在の電気自動車等に使用されている代表的な構造のモーターです。

ここでは１００Ｋｗクラスのモーターを例にして、ローターに使用する磁石の総量を同じとした場合にモーターの構造、回転数と出力密度がどのように変化するのか比較します。　ＩＰＭモーターの例では約７００ｇの総量のネオジム磁石を想定した場合に、ステータ直径が約２４０ｍｍモーター総重量が約１５Kgになり、最高回転数１５０００rpm時に、約９０Ｋｗの出力を発生し重量当りの出力密度は、６Ｋｗ/Ｋｇです。　一方、約７００ｇのネオジム磁石を想定した本件のＳＰＭモーターでは、ステータ直径が約９０ｍｍモーター総重量が約７Kgになり、最高回転数４００0０rpm時の出力は約９０Ｋｗの出力を発生し、重量当りの出力は１２ Ｋｗ/Ｋｇ以上になります。（電磁鋼板を使用した例です）　　従って、磁石の使用量が同じであれば、小さくても高速回転させる事で、高出力を達成する事が可能となります。

 

 

 

　　　　　　　

 

 

 

では、今回のプロジェクトで開発するモーターがどの様な構造のモーターになるのか説明いたします。　今回の宇宙、航空機用のプロジェクトモーターは、ＳＰＭ（表装型）モーターですが、しかし、従来のＳＰＭモ－ターの構造とは少し異なります 。　 ステータが３極とローターが２極の構造ですが、無励磁時に生じるコギングトルクを発生させない事を目的としています。　下図の様に、ティースの中央部を２本のスリットで分割する事により、ティースに３本の磁気回路を形成して、力の平滑化を実現してコギングトルクを無くす理論をこれまでに完成しています。　ローターは、２極リング状の磁石で形成された構造で、高速で回転させても破断しにくい構造です。 

 

 

 

　　　　　　　　　

 

 

 

ではどの様にして高効率を達成しているのか、それは、このステータの磁気回路形状がコギングトルクを無くす事と同時に、磁気回路の形状と磁石の磁束の配向が、トポロジーの最適化と磁束の物理的整合性を生み出し、高効率を達成しています。　　つまり、従来のモーターの磁気回路形状では発生していた、磁気回路の形状により起因する損失が全く無く、磁気回路の形状によるモーター効率の低下が発生しません。　損失は鉄損（機械損、風損を含む）と銅損だけという事になり、モーター効率の理論上の限界値を達成しています。　　　現在の技術では、鉄損と銅損をゼロにする事は出来ませんが、もしも小さくする事が出来るならば、効率は限りなく100％に近づく事の出来る、絶対効率を有するモーターです。

 

ではどの様にして高出力を実現しているのか、　これまでのＩＰＭやＳＰＭモーターとは異なり、ローターに占める磁石の割合が１００％です。　つまり、ローターはリング状の磁石で出来ていて、これを高速回転させる事で１２Ｋｗ/Ｋｇ以上の出力密度を達成しています。（電磁鋼板使用時）

この技術は、宇宙、航空機用モーターだけではなく、産業用のモーターとしても幅広く利用可能であり、従来の産業用モーターを互換する事が出来ます。

 

 

 

 

 

 

▼プロジエクトの展望・ビジョン

 

社会実装と波及効果について、下記の負荷特性試験データのグラフは、本件ＳＰＭモーターの一世代前のモーターのものですが、18000ｒｐｍ時に約400Ｗを出力して最高効率は、９２．１％です。（電磁鋼板使用）　　モーター単体での効率は９３．６％です。（モーター仕様Ｄ39ｍｍ、Ｗ500ｇ）下記のグラフは、東京都立産業技術研究センターにて計測した負荷特性試験の実測値グラフですが、計算式で効率を計算した値とも完全に一致しています。　この事からも、損失は鉄損（機械損、風損を含む）と銅損だけという事になり、このサイズのモーター効率の理論上の限界値である事を証明してます。

今回のプロジェクトでは、磁石と鉄心の条件を最適化して、更なる高効率を目指します。

 

 

 

 

　　　　　　　　負荷特性試験

 

 

 

 

 

本件のモーターを他の素材、例えば圧粉磁心で作製した場合には、 従来の産業用モーターの代表例である、インダクションモーターと互換する事が出来ます。　　従来のインダクションモーターと比較すると圧倒的な高効率を実現し、信じられない程の省エネを実現すると共に、低価格で製造する事が出来ます。

 

 

 

　　　　　　　　　　　　　　　

 

 

 

今回の宇宙、航空機用モーターの目標である高出力性能を達成する為に、ステータの素材には特殊素材であるパーメンジュールを使用する事が考えられます。　　軟質磁性体の中で、最も飽和磁束密度高く電磁鋼板よりも低損失である素材をモーターのコアに採用する事で、宇宙、航空機用モーターに要求される特性を満たすことが出来ます。　パーメンジュールは非常に高価な素材ですが、宇宙、航空機分野に於いては、その効果と利点が経済性を上回ります。

 

又、宇宙、航空機用モーターの目標としては、超高効率である事が要求されますが、超高効率を達成する為には、軟磁性材料の中で最も低鉄損である、アモルファス素材を使用する事が考えられます。

以上の様に社会的波及効果は広範囲であり、一日も早い社会実装の実現が望まれます。

 

 

 

　　　　　　　　　　　　　　　　　

 

 

 

▼取得済み特許

特開2011-250667、特開2021-069266

 

　　　　　　　　　　　　　　　　　

 

具体的に今回のプロジェクトでは、ＡタイプとＢタイプ及びＣタイプのモーターを作製して、負荷特性試験を実施して比較検討を致します。

 

Ａタイプ及びＢタイプモーターは、電磁鋼板を使用して、磁石の使用量は同じ量とします。

Ａタイプモーターは、直径約50ｍｍ重さ約800ｇ で18000ｒｐｍ時に、出力約500Ｗ、最高効率は９５％を目標にしています。

 

Ｂタイプモーターは、Ａタイプの外径を２倍にしたモーターです。　直径約100ｍｍ重さ約1500ｇで9000ｒｐｍ時に、出力約500Ｗ、最高効率は９４％を目標にしています。

 

Ｃタイプモーターは、電磁鋼板よりも低鉄損の素材を使用して作製します。　直径は約４０～５０ｍｍ、重さ約400～800ｇ で18000ｒｐｍ時に、出力400Ｗ前後、最高効率は９６％を目標にしています。 

 

 

　　　　　　　　　　　　　 　　　

 

▼プロジェクトの日程

 

　　　　　　　　

 

 

 

▼プロジェクトの内容は部品調達メーカーと情報共有致します

 

モーター設計及び特性データ。

 

 

▼プロジェクト達成のリスク

 

プロジェクト達成の時期は、作製の進行状況により、遅延する事が有ります。　モーターの特性は、調達先の素材特性に左右されて、目標の特性に至らない事が有ります。

　

 

 

　東京都立産業技術研究センター　

 

負荷特性試験

 

 

 

 

▼用語の説明

 

※アモルファス素材

軟質磁性体の中で最も低損失である素材です。モーターのコアに使用する事で超高効率を達成を達成する事が出来ます。

 

※パーメンジュール

軟質磁性体の中で最も飽和磁束密度高く、低損失である素材です。パーメンジュールをモーターのコアに使用すると、高効率と高出力を達成する事が出来ます。　パーメンジュールは非常に高価な素材ですが、宇宙と航空機分野に於いては、その効果と利点が上回ります。

 

※ネオジム磁石

永久磁石の中で最も磁力が強いネオジム磁石をモーターのローターに使用すると高出力を達成致出来ます。　ネオジム磁石は、資源量の観点から不安も有りますが、近い将来には代替えされる新素材磁石が開発される事が望まれます。

 

※コギングトルク

コギングトルクは、モーターが無励磁の状態でシャフトを回転させた時に、生ずる回転抵抗の事でモーターにとっては負の成分です。

 

※コイル

コイルは、コア、ローターと並ぶ主要部品ですが、最も単純な部品かもしれません。　材質は銅ですが重要なのは占積率です。　占積率とは、スロットつまりコイルを置く場所に、どれだけの割合でコイルを巻いているかという事ですが、モーターの効率を上げるためには、占積率を上げる事が必要です。