現状の電気飛行機と電気自動車用モータ性能を大幅に超える高出力密度で高効率のモータ

東洋大学

理工学部 電気電子情報学科教授 堺 和人
2023年8月29日

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新技術：２重給電の磁界共振結合モータ・発電機システム◇科学技術分野：
電気機器（モータ・発電機），パワーエレクトロニクス（インバータ）◇社会実装（応用）：
電気飛行機（空飛ぶ車・無人飛行機・電動航空機），電気自動車，鉄道，風力発電◇特許の目的と効果
移動体システム，風力発電等の要求→回転速度を広範囲に可変して省エネルギーで運転
特に移動体やモバイル機器→重量当たりの出力が最も重要〇発明技術の目的
10 ～20 kW/kg の高出力密度のモータ・発電機システムを得る
・現状市販の電気自動車・ハイブリッド自動車：1～2 kW/kg
・日本国家PJ：8 ｋW/kg，電動航空機（欧米）10～20 kW/kg（出力密度：モータ・発電機の出力／重量）2

これからは、「高出力密度」がなぜ重要か
・完全電気推進小型機・ハイブリッド中大型旅客機
・空飛ぶ自動車
・宅配ドローン
電動航空機の実用化
重量当たりの出力密度：10kW/kg 以上

高出力密度① 高速回転化
例：現状の２倍の 40,000 rpm によって出力密度２倍② モータと発電機のエネルギー変換を倍増

高速回転による大幅な小型化(省資源）

世界規模の電気自動車への転換
永久磁石のみでなく、電磁鋼板、銅も世界で不足
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飛躍的な高出力密度にするには？

出力密度モータの出力P＝N×Bg×ac×体積（N:回転速度，Bg:磁束密度，ac:周長当たりのアンペアコンダクタ)

出力密度Pd ＝ N×Bg×ac≒回転速度×磁力の密度×電流密度= ①の技術×②の技術

4飛躍的な高出力密度：①高速回転
高速回転化の課題◆回転子の機械強度
金属（磁性材）：高強度の電磁鋼板，高強度合金
非金属（非磁性材）：強化繊維樹脂C-FRP，G-FRP
C-FRP ＞ G-FRP ≫ 高強度磁性金属◆鉄損（磁気的損失）
磁気的損失は回転数の2乗に比例して急激に増加
磁気的損失∝N２
遠心力に対する機械強度と高周波における損失
大出力で高速化が困難

5飛躍的な高出力密度：①高速回転①大出力で高速回転を可能にするには？
・機械強度の問題に関しては，解決策：高強度で超軽量のC-FRP（非磁性材）→ C-FRPの非磁性材に伴う課題：出力は大幅に低下
・非磁性材適用に対する出力確保の問題に関しては，更なる解決策：磁界共振結合
2つのコイルが離れた空間において，電力を非接触で伝送

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①高速回転： 磁界共振結合モータ・発電機
新技術：ワイヤレス電力伝送原理＋誘導モータの誘導作用の回転磁界
U-phase winding
Rotor winding
V-phase winding

MIT

ワイヤレス電力伝送 *(1) +W-phase winding

誘導モータ

固定子の回転磁界と回転子の回転磁界が共振結合
Stator

Rotor

Coils

Capacitor

Capacitor

Wirelesspowertransfer

Resonance at ω1
Non-magnetic material(FRP)

Resonance at sω1
Non-magnetic material(FRP)
Rotation ωr

Rotating Magnetic Field generated byRotating Magnetic Field generated by load current : sω1magnetizing current : ω1
ω = sω + ω
11r＊（１）Experiment of wireless power transfer by MIT,. Science Express, 20077

①高速回転： 磁界共振結合モータ・発電機
磁界共振結合によるモータ内の磁力の増強

360Hz

1kHz (Resonant state in both stator and rotor)

非共振状態

共振状態

1kHz (Resonant state in only rotor)

Resonant frequency : 1kHz

Current density of stator windings:10A/mm28

①高速回転： 磁界共振結合モータ・発電機
さらに，大きなメリット：
無鉄心（エアコア）で構成するので磁気的損失はゼロ
Item2poles4poles8poles12polesPrimary frequency(Power source: f (Hz))

1750

1750

3460

3460

6920

6920

10510

10770

Secondary frequency(slip frequency : sf (Hz))

83.33

83.33

126.6

126.6

253.3

253.3

510

770

Slip: s0.0476

0.0476

0.0366

0.0366

0.0366

0.0366

0.04850.0715

Input voltage (V)

505

1214

511

1228

410

987

261

956

Primary current (A)

1740.81740.81740.81740.8Current density ofprimary coil (A/mm2)

1024

1024

1024

1024

Secondary current (A)

6.08

14.6

6.4

15.4

6.45

15.5

5.99

22.2

Torque (Nm)

2.18

12.6

2.30

13.4

1.8510.7

1.13

10.0

Output power (kW)

22.8

132

24.0

139

19.4

112

11.8

105

Efficiency (%)

88.8

88.8

92.5

92.5

92.9

92.9

90.6

89.8

9

飛躍的な高出力密度：②両側給電のモータ■回転電機の原理と作用磁界と電流で出力（トルク）を発生するように，固定子と回転子は，それぞれ役割を分担している。
・磁界を作る界磁の役目
・電流が磁界と作用してエネルギー変換する電機子のような役目
N固定子側で磁界を形成させ、回転子側に電流を流すと、接線力が発生

SS

固定子と回転子の役割はそれぞれ一つ１パターンのみN

飛躍的な高出力密度化にするには：界磁と電機子の両方の役割を，固定子と回転子とも同時に行う。
固定子と回転子の両方から電気エネルギーの入出力共に働き：役割分担ではなく助け合い10飛躍的な高出力密度：②両側給電のモータ

磁気結合した２つの回転磁界にエネルギー入力◆回転機のエネルギー変換を倍増
高出力密度化するには，界磁と電機子の両方の役割を，固定子と回転子とも同時に行う。
固定子と回転子の両方から電気エネルギーの入出力２つの回転磁界の相互作用で力を発生する。
〇固定子側の回転する磁界 (固定子多相巻線に多相交流電流で発生)〇回転子側の回転する磁界 (回転子多相巻線に多相交流電流で発生)
２つの回転磁界を磁気結合させ、回転磁界の位相差で互いに力が作用し、位相差の変化で発生力の大きさが増減する。

固定子と回転子の両方が磁界を形成、さらに固定子と回転子の両方がエネルギー変換する電流を流し、それぞれが両方の役割を待つ。

固定子と回転子の役割はいずれも界磁と電機子の両方の２つ，かつ複数パターン両方役割で両方から電気エネルギーの入出力を行う
両方エネルギー変換機
以降、ここでは、両側給電交流機と称す
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飛躍的な高出力密度：②両側給電のモータ

両側給電交流機の基本構成

Secondary multi-phase
inverterPrimary multi-phase
inverter

Motor

f1 (Hz)Primary multi-phasewindings

f2 (Hz)Secondary multi-phasewindings

Basic configuration of a doubly fed AC machine12飛躍的な高出力密度：②両側給電のモータ

２つの回転磁界で相互作用を生じるための速度条件
両側給電交流機の動作は、すべりで表現される４つの基本パターンになる。
両側給電のすべりは誘導機のすべりと同じように表されるが，すべる意味ではない。
すべり＝（２次回転磁界の回転速度）／（１次回転磁界の回転速度）
すべりが正の場合（１より小さい）すべりが正の場合（１より大きい）（一般的な）誘導機（回転子の速度＝２次に対する１次の相対速度）

すべりが負の場合すべりが ０ の場合

同期機・誘導機

13飛躍的な高出力密度：②両側給電のモータ同期機として作用を考えると回転子の速度 ＜ 固定子の回転磁界速度 の駆動

固定子の回転磁界の磁極が回転子の磁極を吸引し，回転子の回転磁界が同期して回転する．
この磁気吸引力と反発力で同期機と同様にトルクが発生する

回転子の回転磁界は，回転中の回転子の上に乗って、回転子の上を同方向に回っている
回転子の物体そのものは固定子の回転磁界よりも遅く回転する．

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飛躍的な高出力密度：②両側給電のモータ同期機として作用を考えると回転子の速度 ＞ 固定子の回転磁界速度 の駆動

固定子の回転磁界の磁極が回転子の磁極を吸引し，回転子の回転磁界が同期して回転する．
この磁気吸引力と反発力で同期機と同様にトルクが発生する

回転子の回転磁界は，回転中の回転子の上に乗って、回転子の上を逆方向に回っている

回転子の物体そのものは固定子の回転磁界よりも速く回転する．
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飛躍的な高出力密度：②両側給電のモータ

特徴・優位点①出力の倍増固定子と回転子の両側から電気エネルギーの入出力を行う②高速化の制約緩和
スイッチング周波数とマイコンの処理速度の制約は２倍に改善（高速回転時の周波数は従来モータの１／２が可能）③高性能な運転

下記の７つの制御パラメータによる運転自由度の拡大
固定子電流の大きさ、周波数回転子電流の大きさ、周波数固定子の回転磁界の方向
回転子の回転磁界の方向
固定子と回転子電流の電流位相差
これらのモータの駆動制御においても，７個のパラメータの組合せで、従来困難であった運転や新しい効果が得られる
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飛躍的な高出力密度：②両側給電のモータ

動作検証用の磁界解析のモデル
Secondary
multi-phase
inverterPrimary multiphase inverter

Primary
three-phase winding
f1 (Hz)Mo
torPrimary multi-phasewindings

f2 (Hz)Stator core

Secondary multi-phasewindings

StatorTable 1 Specification of an analytical model of the doubly-fed AC machine
StatorRotor

Pole/Phase

4/3

Effective length(mm)150

Gap length(mm)1Rotor coreOuter diameter(mm)

235

176

Magnetic ring thickness(mm)2020

Number of turns

60(/phase)56(/phase)

Series AT (at 1 pu)

Rotor

Secondary
three-phase winding

Fig. 1. Analytical model of a doubly-fed AC machine

2448(6.1 A/mm2) 2448(4.0 A/mm2)
17飛躍的な高出力密度：②両側給電のモータ

電流位相とトルクの関係・1次と2次の電流とトルク
6046.95 Nm （9倍）

40

Torque (Nm)

力行
15.65 Nm （3倍）
5.21 Nm

200090180270I1＝5 A

5Nm

I2＝5 A

I1＝15 A

15Nm

I2＝5 A

I1＝5 A

15Nm

I2＝15 A

1次側入力 ３倍 トルク３倍
360-20

回生-40-60I1＝15 A

トルク３倍
45Nm

1次側入力 ３倍 トルク９倍

２次側入力 ３倍I2＝15 A
２次側入力 ３倍Current-phase difference (degree)prim.
:1pu, sec. :1pu
1次：1pu,2次：1pu

prim.
:1pu, sec. :3pu
1次：1pu,2次：3pu

prim.
:3pu, sec. :1pu
1次：3pu,2次：1pu

prim.
:3pu, sec. :3pu
1次：3pu,2次：3pu

Enhancement of torque by increasing the primary and secondary current of the doubly-fed ACmachine18飛躍的な高出力密度：②両側給電のモータ

両側給電モータのまとめ

両側給電交流機◆２つの回転磁界の相互作用で力を発生する。
・固定子側の回転する磁界 (固定子多相巻線に多相交流電流で発生)
・回転子側の回転する磁界 (回転子多相巻線に多相交流電流で発生)◆２つの回転磁界を磁気結合させ、回転磁界の位相差で互いに力が作用し、位相差の変化で発生力の大きさが増減する。
◆固定子と回転子の両側から電気エネルギーの入出力を行うので、出力は倍増できる◆従来の１／２の周波数で高速回転できる◆モータの駆動制御に関係する７個のパラメータの組合せて制御する
ことで，従来困難であった運転や新しい効果が得られる
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飛躍的な高出力密度：①＋②両側給電磁界共振結合モータ

本発明の２重給電の磁界共振結合モータ・発電機の構成
磁界共振結合の固定子コイル
固定子構造体（強化繊維樹脂）
1次インバータ
キャパシタ

回転トランスの固定側はキャパシタ
ンスは不要

2次インバータ
キャパシタ

キャパシタ

f1 (Hz)3相交流電流磁界共振結合の回転子コイル
回転子（ＦＲＰ）
外部から回転子に非接触で送電する
磁界共振結合の回転子コイル（磁界共振結合の回転トランス）f2 (Hz)3相交流電流
キャパシタ
外部から回転子に非接触で送電する
磁界共振結合の固定子コイル（磁界共振結合の回転トランス）20

飛躍的な高出力密度：①＋②両側給電磁界共振結合モータ

本発明のシステムの基本的な回路の模式図
本発明のシステムの基本的な回路の模式図
非接触給電用キャパシタ
1次インバータ 1次のキャパシタ

1次側
電源

3相固定子
1次巻線

２次のキャパシタ

3相回転子
２次巻線

外部から回転子に非接触で送電する
磁界共振結合の回転子コイル

2次インバータ

２次側
電源

外部から回転子に非接触で送電する磁界共振結合の固定子コイル

両側給電の磁界共振結合回転電機の電気的基本構成
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飛躍的な高出力密度：①＋②両側給電磁界共振結合モータ

新技術：両側給電の磁界共振結合モータ・発電機システム◇社会実装（応用）：
電気飛行機（空飛ぶ車・無人飛行機・電動航空機），
電気自動車，鉄道，風力発電◇特に移動体やモバイル機器→重量当たりの出力が最も重要〇発明技術が生み出す能力
10 ～20 kW/kg の高出力密度のモータ・発電機システム
・現状市販の電気自動車・ハイブリッド自動車：1～2 kW/kg
・日本国家PJ：8 ｋW/kg，電動航空機（欧米）10～20 kW/kg（出力密度：モータ・発電機の出力／重量）22飛躍的な高出力密度：①＋②両側給電磁界共振結合モータ

新技術：両側給電の磁界共振結合モータ・発電機システム

企業への期待• 電気飛行機，小型高出力の次世代電気自動車を開発中の企業、電気推進システム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。

→ 技術ライセンスの供与23

飛躍的な高出力密度：①＋②両側給電磁界共振結合モータ

新技術：両側給電の磁界共振結合モータ・発電機システム

本技術に関する知的財産権• 発明の名称 ：二重給電型回転電機および二重給電型電磁共振回転電機• 出願番号 ：特願2022-131283• 出願人：学校法人東洋大学
• 発明者
：堺 和人
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お問い合わせ先東洋大学 産官学連携推進センター（研究推進部 産官学連携推進課）
TEL 03－3945－7564
FAX 03－3945－7906
e-mail ml-chizai＠toyo.jp

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