限りあるエネルギー資源を有効活用するために，電気，磁気，機械，熱などのエネルギー変換技術を中心に研究をすすめています。特に電気エネルギーを変換する技術として高効率パワーコンディショニング回路，電気－磁気－熱エネルギー変換として高周波誘導加熱，電気－磁気－機械エネルギー変換としてレアアースレスモータや非接触支持機構について，新規技術を創出し，実機設計・解析・製作・評価を行なっています。

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http://kiki.eng.u-toyama.ac.jp/

エネルギー変換工学講座
電磁応用研究（磁気浮上技術，非接触電力伝送）の紹介
研究概要
電気－磁気－機械変換機器として，モータや発電機，リニアモータなどが有名である。一方，電気－磁気－電気変換機器には変圧器がある。これらの一次側（固定部）と二次側（可動部）との間にある部品を除外し，非接触で電磁力や電気エネルギーを伝達させることで新しい機能を持つ電気機器が創造できる。本発表では，磁気浮上技術を応用展開した回転機（界磁を持つ磁気反発ベアリング）や搬送機（三次元移動磁気浮上，非磁性金属薄板磁気浮上搬送），磁界共鳴式非接触電力伝送（高速走行を模擬できる非接触電力伝送評価装置）などを紹介する。

磁気浮上応用機器

三次元移動用磁気浮上装置「非接触」で力を伝える
磁気浮上の利点・・・非接触で対象物に力を与えることができる
摩擦がない，機械損がない，帯電がない，メンテナンスフリー，特殊環境下（異媒質間）で使用可能

能動制御軸の数多い：高精度，高制御性，高価，ギャップ小，強力少ない：簡素・安価，柔らかい，ギャップ大，微小力

磁気浮上された物体を広域的に三次元運動させるには？

2×2electromagnet

大ギャップ＋バイアス磁石＋I型電磁石配列
Displaceme
nt sensor

Levitated body• 2×2配置• 1×3配置（直線軌道）• L字配置（直角軌道）➢モデル追従型サーボ➢ゼロパワー制御➢ゼロパワー併用制御

永久磁石反発型磁気浮上回転装置
UnstableStable永久磁石により半径方向は受動安定，軸方向のみ不安定→ 軸方向の運動を制限
軸方向のみを能動制御すれば完全非接触となる

Pointcontact（周辺設備の省コスト化，省スペース化）
永久磁石反発浮上（1点接触）※ Earnshaw の定理に従って能動制御軸数を最小化

ゼロパワー制御実験

交流アンペール式磁気浮上搬送装置

従来の誘導反発力
i1i2
f2

Chamber

Displacement sensor

螺旋移動軌跡と制御電圧変化

A

2

1ie1

A’zyx

RTMB withfieldmagnets

Inductiontype

薄板内の渦電流と外部磁束との外 積 に よ る 力（ ア ン ペ ー ル力）

Ampere type

RTMB

アルミ薄板製品を非接触搬送

Tachometer

永久磁石軸受部＋モータ界磁

非接触電力伝送評価装置
EV等の非接触給電 → 磁界共鳴方式を採用（ケーブルレス，コアレス，中距離，位置ズレに強い）

100km/h程度の高速走行を模擬する
伝送効率評価装置を作るには？
➢地中埋設側（送信側） → 回転系➢対向時のみ通電，コンパクト設計

伝送方式

周波数

レーザー送電方式

THz

マイクロ波送電方式

GHz・伝送距離は数km超
・効率はマイクロ波送電で15～39%，レーザー送電は原理的に太陽電池と同程度の効率

磁界共鳴方式

MHz・コアやフェライト無し，伝送距離1m以下での効率が90%以上と高く，位置ズレに強い。双峰特性

電磁誘導方式kHzHz

・実用化されている(電動ハブラシの充電器等)
・Hz帯で1cm以下，kHz帯で10～20cmの伝送距離・密着させないと効率は悪く，位置ズレに弱い。

徴

給電時の停車時間を無くし，走行中に給電する
走行中の電力伝送効率を評価すべき

まとめ・今後の展望「交流アンペール式」

浮上力解析比較高速走行時を模擬した非接触電力伝送評価装置「非接触」でエネルギーを送る

特薄板の発熱を抑制しつつ浮上力を増大

Transmitting efficiency [%]ポリゴンミラへの応用（~ 50,000 rpm）

605040

Average 24%3020
100-4504590135

 [deg]

180225270315

実験結果（上：静止時，下：速度と効率）
実験装置（左）と計測環境（上）【その他のテーマ，キーワード】 FEM解析（電磁界，構造，熱），極低支持剛性とセンシング，制御電磁石設計，磁気軸受の回転挙動，反磁性材料の磁気浮上移動，etc.

電磁場を介した二物体間のエネルギー授受を非接触で行う例として，磁気浮上技術と電力伝送を取り上げた。電磁場と非接触状態は親和性が高く，新規アクチュエータやセンサを生み出す可能性を秘めている。

エネルギー変換工学講座
パワーエレクトロニクス（高効率電力変換、誘導加熱）の紹介
研究概要
電気は、発生源の原理や構造によって様々な形態で生み出され、その用途に応じて直流や交流、また振幅の大小や周波数の高低など、様々な形態へと変換される。例えば、太陽電池から発電される電圧は直流であり、それを用いてｴｱｺﾝを駆動するには、直流から交流への変換が必要になる。しかし、異なる形態へ変換するには少なからず損失が発生する。本研究では、効率のよい電力変換と、装置の長寿命化、小形・軽量化、低騒音化を目指した研究が行われている。また、従来の技術では為し得なかった様々な可能性を具現化し、ｴﾈﾙｷﾞｰの有効利用と利便性の向上を図り、社会へ貢献している。

再生可能ｴﾈﾙｷﾞｰから最大限にかつ効率よく電気ｴﾈﾙｷﾞｰを取り出すための電力変換回路
電力変換：逆変換（直流→交流）、系統連系

再生可能ｴﾈﾙｷﾞｰを電気ｴﾈﾙｷﾞｰへ変換

電力変換：整流（交流→直流）、昇圧●太陽光発電●ｲﾝﾀｰﾘｰﾌﾞ制御を用いた長寿命ﾊﾟﾜｰｺﾝﾃﾞｨｼｮﾅ ●双方向ｽｲｯﾁを用いた単相13ﾚﾍﾞﾙｲﾝﾊﾞｰﾀ➢電解ｺﾝﾃﾞﾝｻﾚｽ化→長寿命（10年→20年）➢非干渉制御→部分影による発電電力低下を抑制

太陽光のｴﾈﾙｷﾞｰ: P[W] = P0 [W / m ]  S[m ]P0 : ｴﾈﾙｷﾞｰ密度（ 1000、日本の晴天時）
S : 受光面積2➢13ﾚﾍﾞﾙの階段状の波形→低歪み(約3%)➢高周波ｽｲｯﾁﾝｸﾞなし→高効率(97.9%)

2

直流電圧

効 率=98.5%
歪み率=3.5%

直流電圧
150

●風力発電

100

ﾘﾌﾟﾙ率=1.3%

ﾘﾌﾟﾙ率=0.53%

ﾘｱｸﾄﾙ電流ﾘｱｸﾄﾙ電流Voltage [V]500-50-100-150-0.02-0.01

0.00

0.010.02

Time [s]出力電圧波形(700W時)●部分スイッチング回路の高効率化

 

1
風のｴﾈﾙｷﾞｰ: PW  =    A m 2  v 3 m / s 2
 : 空気密度( 1.225)、A : 受風面積、v : 風速

●水力発電



ｲﾝﾀｰﾘｰﾌﾞなし

ｲﾝﾀｰﾘｰﾌﾞあり➢部分スイッチング＋同期整流→高効率(97%)➢整流・昇圧・高調波抑制を実現●制御回路ﾚｽ三相倍電圧整流回路➢制御回路不要→無駄な待機電力なし➢あらゆる速度域で最大電力点を追尾

水のｴﾈﾙｷﾞｰ: PW  = 9.8 10−3  Q m3 / s  H m
Q : 流量、H : 落差

高周波誘導加熱方式を用いた加熱装置
缶飲料加熱装置に誘導加熱技術を導入

加熱時間：21.6秒（常温から55℃まで）
電力変換効率：97.5%、加熱効率：80.6%●従来の加熱装置●提案する加熱装置【問題点】➢保温時の電力浪費➢賞味期限が2週間（乳成分を含む飲料）【特長】➢瞬時加熱→保温不要＝電気代の節約➢常温保存＝賞味期限は1年間

高周波ｲﾝﾊﾞｰﾀ

加熱ｺｲﾙ【その他のテーマ】➢単相5ﾚﾍﾞﾙﾚﾍﾞﾙｲﾝﾊﾞｰﾀの高効率化➢部分ｽｲｯﾁﾝｸﾞの最適位相の導出➢誘導加熱の広範囲な応用➢非接触給電の磁極位置補正➢Matlabを用いた最適ｽｲｯﾁﾝｸﾞ位相の導出➢風力発電,太陽光発電の最大電力点追従制御、模擬ｼｽﾃﾑ【基礎技術】➢ﾏｲｸﾛﾌﾟﾛｾｯｻを用いたﾊﾟﾜｴﾚｸﾄﾛﾆｸｽ回路の制御➢回路ｼﾐｭﾚｰｼｮﾝ技術

まとめ・今後の展望再生可能ｴﾈﾙｷﾞｰから最大限にかつ効率よく電気ｴﾈﾙｷﾞｰを取り出すための電力変換回路と、高周波誘導加熱方式を用いた加熱装置を取り上げ、概要をまとめた。新しい回路構成や制御方式を構築したり、SiCやGaNなどの最新の半導体素子を使用することにより、さらなる高効率化や小形・軽量化が期待される。

エネルギー変換工学講座
電気機器（リラクタンスモータ，磁気浮上モータ）の紹介
電気機器（リラクタンスモータ，磁気浮上モータ）の紹介
研究概要
省エネルギーや温室効果ガスの削減には，消費電力の大半を占めるモータの更なる高効率化や低コスト化が必要不可欠である。
本研究室では，永久磁石が不要なリラクタンスモータや機械的ベアリングが不要な磁気浮上ベアリングレスモータなどによって，これらの課題の解決を目指している。
本稿では本研究室にて研究を進めている ，ハイブリッド自動車駆動用
スイッチトリラクタンスモータや小型ベアリングレスモータなどを紹介する。

リラクタンスモータ

温室効果
ガス削減

省エネルギー

次世代の革新的モータ
高効率・低消費電力

ハイブリッド自動車用スイッチトリラクタンスモータ

ハイブリッド自動車やサーボモータの主流：永久磁石を用いて駆動する永久磁石同期電動機

しかし，永久磁石にネオジウムやジスプロジウムなどのレアアースが含まれている 供給不安
価格急騰

レアアースを用いない
スイッチドリラクタンスモータ(SRM) の研究
SRMの特徴固定子鉄心

鉄心と巻線のみで構成
鉄心形状がシンプル

現行型HEV用IPMSMと同等の寸法･電流実効値で同等以上の出力、トルク、効率、運転範囲を目指す
IPMSM
SRM
実験結果
外径
264 mm・目標トルク207 Nm以上の210 Nm達成
ｺｲﾙｴﾝﾄﾞ＋積厚108 mm
・目標IPMSMの最大出力を67%以上上回る出力100 kWを達成
電流実効値
141 A
136 A ・100 kW出力を5400-13900 r/minで達成
トルク 207 Nm
211 Nm ・目標最高効率96%以上の96.4%を達成
Efficiency (%)
60 kW
出力60 kW
100 kW
SRMの100 kW
出力密度 10.1 kW/l 16.9 Nm/l
95% of the効率マップ
target IPMSM
最高効率
97%
97%
shaft

設計
SRM

96% of thetarget IPMSMTorque (Nm)

研究背景

bearing

96.4%

stator90

shroud

95

rotor

巻線

◎製造が簡単◎低コスト◎高速・高温に強い

winding

Rotational speed (r/min)

特性切替可能なリラクタンスモータ

回転子鉄心

SRMモードSRMの課題×効率特性が悪い
×機械的寸法が大きい
×振動・騒音が大きい

SynRMモード ➢ SRMモード：電流あたりのトルクは大きいが回転子で鉄損が発生しやすい

極性を切替

課題を解決可能な構造や制御の検討➢ SynRMモード：回転子で鉄損が発生しにくいが電流辺りのトルクが低い動作領域によりモードを切り替えることでモータの高効率領域を拡大

ベアリングレスモータ
ベアリングレスモータとはモータと磁気軸受が磁気的に一体化された回転機

アキシャルギャップ型シングルドライブリラクタンスモータ
アキシャルギャップ型リラクタンスモータ

機械的な軸受がなく，非接触で磁気浮上しながら回転する。

モータ価格が上昇≒コスト重視な用途では使用困難

ベアリングレスモータの利点と応用
利点✓ 無汚染✓ 無摩擦・無摩耗✓ 潤滑油レス✓ メンテナンスフリー

従来の小型ﾍﾞｱﾘﾝｸﾞﾚｽﾓｰﾀ
モータ部にﾚｱｱｰｽ永久磁石を使用➢ クリーンルームで使用可能な
遠心ポンプ，回転テーブル➢ 電力貯蔵用フライホイール，風力発電機➢ 冷却ファン，ブロアモータ

ﾘﾗｸﾀﾝｽ型ﾍﾞｱﾘﾝｸﾞﾚｽﾓｰﾀ
反発型磁気軸受
B phase force

ベアリングレスモータの種類

A phase force

C phase force➢ アキシャルギャップ型モータとすることにより, 通常の3相の巻線のみで, 軸方向の磁気支持力とトルクを両方発生可能➢ 軸方向の磁気支持力の制御はスイッチ
トリラクタンスモータの騒音低減手法を応用して制御が可能

本研究室では，主に小型のベアリングレスモータの研究開発を行っている。

出力 コストインバータ数
制御軸5軸Belm x, y, z, θx, θy 大
高3相3台，単相1台
x,y2軸Belm中中
3相2台
z1軸Belm小
低3相1台

まとめ・今後の展望

変位センサ数
5台Stator
2台1台

低コストでシンプルなベアリングレスモータを実現Sum :Fullmodel

FEM解析により解析⇒実機試験により検証（今後）【その他のテーマ，キーワード】
ｽｲｯﾁﾄﾘﾗｸﾀﾝｽﾓｰﾀの一般的なインバータ駆動化，A
ﾘﾗｸﾀﾝｽﾓｰﾀの低騒音化（電流制御・モータ構造），ｼﾝｸﾛﾅｽﾘﾗｸﾀﾝｽﾓｰﾀ，etc.
B

最新のモータとして，永久磁石を使用しないリラクタンスモータや，磁気浮上により非接触で回転するベアリング
61.5 mm
Cレスモータを取り上げた。モータは長い歴史を持っているが，今日でも未だに進化が進んでいる。今後も最新の材料や解析技術、制御を使用することにより，さらなる高効率化・低騒音化が期待される。
Rotor

Small
model