ＮＥＤＯ 省エネルギー技術フォーラム 2014

研究開発期間：2011年9月～2014年2月

芝浦工業大学、岐阜大学、北九州工業高等専門学校、住友ベークライト(株)

委託先：日本インター株式会社

汎用誘導機に置き換え可能な インバータ内蔵高性能ＳＲモータの研究開発

省エネルギー革新技術開発事業 先導研究

2

＜社会的必要性等＞

＜技術的状況等＞

•モータの消費電力 5500億kWh/1兆kWh •産業用モータ → 3600億kWh（75%) : 三相誘導機がほとんどでIE1の低効率機 •インバータ化率は10%程度（導入コストが高い） •日本でもIE3トップランナー規制(750W 82.5%） •IE3を満足する中-小形機は大型化した誘導機 （２０～６０％コストアップ）および永久磁石モータ 置き換えコスト（初期投資）1兆円 → 低コストモータ＋低コストインバータの開発が必要

米国 IE3(2011) EU IE3(2014) 中国 IE2(2011)

•永久磁石同期モータに置き換え可能なモータ • 誘導機 → 効率に難あり • ＳＲモータ → ＰＭ同等となる可能性あり

１．研究開発の背景、目的、目標 １．１．背景

70

75

80

85

90

95

100

0.1 1 10 100 1000Output power (kW)

Effi

cien

cy (%

)

IE4IE3IE2IE1

Nd 価格の推移 下がったものの高止まり

PMSM IM SRMトルク →速度 効率 →コスト × 振動 ×→温度 インバータコスト （不要） →

3

研究開発の課題

SRモータの普及阻害原因をモータ，制御，パワエレを駆使して解決する。

• 大きなトルクリップルと振動 • 効率がPMモータに対して低い • トルク密度がPMモータの約1/2 • 専用駆動インバータが必要

1.2 課題・目的 目的

誘導機のコストで永久磁石モータ同等の性能実現を目的 低コストインバータを内蔵した低コストモータを開発 •スイッチドリラクタンスモータ（SRモータ）の高性能化 •小容量単相インバータのクラスタ化 → 低コスト化

4

プロジェクトリーダー

芝浦工業大学 工学部 電気工学科

准教授 赤津 観

岐阜大学 工学部人間情報システム工学科 教授 内藤 治夫

准教授 石川 裕記

北九州工業高等専門学校 電気電子工学科

教授 開道 力

住友ベークライト株式会社

日本インター株式会社

再委託

クラスタインバータの実現と方向性 低振動SRの高効率駆動制御法の開発 電磁鋼板SRモータの開発

低振動SRの高効率駆動制御法の開発

低鉄損高トルク鉄心の開発

クラスタインバータ用放熱およびパッケージ素材（樹脂等）および実装技術の開発

三次元実装構造設計

２．１．研究開発体制

5

（１） 高トルク高効率技術

方向性電磁鋼板（0.2mm）による高トルク高効率化

電流形インバータ駆動による高効率化

12極12スロット多段モータによる高トルク化

（２）低振動技術

電流制御による低振動化

（３）インバータ技術 擬似電流形インバータによる高効率化 プリント基板化による低コスト化 熱解析，樹脂材料による小型化

２．技術内容と進捗 ２．２．研究開発内容

6 高トルク高効率技術

20%トルクUp （銅損25%減）

350W 10Nm 5000rpm

0.2mm方向性電磁鋼板 ティースに採用

鉄損1/2

最高効率93.5% 軽負荷で10%以上の効率改善

44

47

50

53

56

7 8 9 10 11 12

Mover position ｘ [mm]

Thru

st [

N] α：β

0゜ 0ﾟ10ﾟ 10ﾟ20ﾟ 20ﾟ30ﾟ 30ﾟ 0ﾟ 20ﾟ20ﾟ 0ﾟ11

10 kA Gap=0.3 mm

10ﾟ 10ﾟ

30ﾟ 30ﾟ

20ﾟ 20ﾟ

0ﾟ 20ﾟ

Statorα, mover β=20ﾟ 0ﾟ

Stator α β Moverｘ

0ﾟ 0ﾟ

0

5

10

15

20

25

30

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

Torq

ue [N

m]

Electric angle [deg]

Conventional SRMProposed SRM

50556065707580859095

100

500 1500 2500 3500 4500 5500 6500

Eff

icie

ncy

(%)

speed (rpm)圧延方向最適化

磁気異方性トルク

50

60

70

80

90

100

400 500 600 700 800 900 1000

Tot

al E

ffic

ienc

y[%

]

output power (w)

最高効率95%(6000rpm 600W)

総合効率90%(6500rpm 650W) クラスタインバータ使用

（電圧形）

7 低振動制御技術

0.6

-4.7

-13.5

-16

-12

-8

-4

0

4

ヒステリシス制御 正弦半波電流＋ＰＷＭ 直流オフセット正弦波電流

振動

加速

度[d

B]

機械角２４次成分 ５．３ｄＢ減 １４．１ｄＢ減

5kW SRモータにて振動14.1dB減

同トルク出力での電流制御

10.83Arms

11.82Arms

12.27Arms

8 振動と騒音の比較

0

4

8

-4

0

4

8

12

16

20

0 0.005 0.01 0.015 0.02

Elec

tric

ang

le [r

ad]

Curr

ent [

A]

Time [s]

0

4

8

-4

0

4

8

12

16

20

0 0.005 0.01 0.015 0.02

Elec

tric

ang

le [r

ad]

Curr

ent [

A]

Time [s]

-100

-80

-60

-40

-20

0

20

40

0 5000 10000 15000 20000

Vibr

atio

n ac

cele

ratio

n [d

B]

Frequency [Hz]

-60

-40

-20

0

20

0 300 600 900 1200 1500

Vibr

atio

n ac

cele

ratio

n [d

B]

Frequency [Hz]

２４次 ４８次７２次

9 インバータ技術

モータ一体放熱解析 による小形化実現

プリント基板化（クラスタ化） による低コスト化実現

擬似電流形インバータ 平角銅線コイル

4kW出力時に95%達成 封止樹脂A 封止樹脂D 封止樹脂E高流動性 パワーデバイス

用途（販売中）高熱伝導

樹脂流動性（ｽﾊﾟｲﾗﾙﾌﾛｰ) cm １６０ ９０ ６１

硬化性（ゲル化時間） sec. ５５ ４０ ３５

熱膨張係数(< Tg) 10-6/K ９ １８ １０

熱伝導率(25) W/m・K ０．９ ２．２ ５．０

曲げ強度(25) MPa １５０ １５０ ２００

曲げ弾性率(25) GPa ２８ ２０ ５１

体積抵抗率(150) Ω・cm １x１０１２ １x１０１３ １x１０１３

検討結果

放熱性

絶縁性

成形性

Ｃｕ箔 35→210μm 絶縁樹脂層

アルミ板

放熱解析，樹脂材料最適化による小型化実現

大電流対応・高放熱アルミ基板

高熱伝導封止樹脂

大幅なシステム体積低減

10

全体計画 最終目標（値） 開発当時の 技術レベル 到達レベル

誘導機のコストでPMモータなみの性能をもった機電一体SRモータ

モータ効率95% インバータ効率95% 総合効率90% 振動 従来比-9dB

モータ効率88%程度 インバータ効率93%程度 総合効率81%程度 騒音 80dB程度

モータ単体IE4クリア インバータ込 IE3クリア コストIMなみ

個別課題についても最終課題は同上

３．１．成果 ３．成果、実績、展望等

11

日付 学会名 発表題目2012/8/8 電気学会 静止機・回転機合同研究会 開道,” プランジャ型電磁アクチュエータにおける方向性電磁鋼板による推力向上“

2012/8/21 平成24年度 電気学会 産業応用部門大会 菅原，赤津，“方向性電磁鋼板を用いたSRモータに関する基礎研究”

2012/8/21 平成24年度 電気学会 産業応用部門大会 永井，赤津，“電流形インバータによるSRM駆動と電圧クランプ法”

2012/9/11 電気学会静止器・回転機合同研究会 開道：方向性電磁鋼板鉄心におけるリラクタンストルク発生モデル

2012/6/3 IPEMC (International Power Electronics andmotion Control Conference)

Nagai, Ando, Akatsu, “Consideration of CSI Drive for SRM Compared with VSI Drive”

Oct-12 International Conference on ElectricalMachines and Systems 2012

N. Nakao and K. Akatsu, “Simple Unipolar Excitations for SR Motors ConsideringFundamental Component of Self-inductance Distribution”

Jun-13 IEEE Energy Conversion Congress andExposition Asia 2013

N. Nakao and K. Akatsu, “A Simple Unipolar Excitation Strategy for SwitchedReluctance Motors by Using PWM Current Control

Jun-13 IEEE Energy Conversion Congress andExposition Asia 2013

Yutaro Sugawara and Kan Akatsu, “Characteristics of a Switched Reluctance Motor usingGrain-Oriented Electric Steel Sheet”

Aug-13 平成25年度 電気学会 産業応用部門大会 菅原, 赤津 ,”方向性電磁鋼板を用いたSRモータの諸特性”Nov-13 IEEE International Future Energy Electric

Conference 2013T. Takahashi and K. Akatsu, “High Efficiency SRM drive using a Current Source Inverter”

Oct-13 International Conference on Electric Machine andSystems 2013

Y. Sugawara and K. Akatsu, “Characteristics of a Switched Reluctance Motor using Grain-Oriented Electric Steel Sheet”

2013/12/18 電気学会マグネティックス研究会 開道、鉄心素材によるリラクタンスモータ性能向上

2014/3/1 電気学会マグネティックス研究会 開道、方向性電磁鋼板リラクタンスモータ鉄心の最適設計

May-14 IPEC (International Power ElectronicsConference)

R. Matsui, N. Nakao and K. Akatsu, "Torque/Current Ratio Improvement andVivration Reduction of Switched Reluctance Motors Using Multi-stage Structure

３．２．実績等 ３．成果、実績、展望等

12

項目 形態

実用化開発 技術開発 萩原電気株式会社 主導 ﾙﾈｻｽ代理店ﾓｰﾀ制御開発実績

芝浦工業大学 共同研究 先導研究時中心的開発

パワー素子開発 ﾙﾈｻｽｴﾚｸﾄﾛﾆｸｽ株式会社 外注 先導研究時よりその他IC開発 ﾊﾟﾜｰ素子開発供給信頼性開発 株式会社横浜ﾓｼﾞﾚｰﾄ 外注 NECパワーデバイス

外注評価実績開発項目外 既開発材 住友ベークライト株式会社 購入 先導研究にて開発（本テーマ外 （外注） 独自量産準備で必要な体制） 研究外 伊藤電機株式会社 販売 電動工具メーカへの

ﾏｰｹﾃｨﾝｸﾞ 部品販売実績あり既に本開発品の販売アプローチ

最終組み付け 鹿島ｴﾚｸﾄﾛ産業株式以外社 製造 ファブレス最安工場を選択株式会社クリオ 左記2社は先導研究時他 試作実績あり（有力候補）

有力候補として

•受託製造会社を利用した電動工具用としたテスト販売（固定速小型モータ） •量産技術課題をクリアしたのち汎用モータへの適用開始

３．成果、実績、展望等 ３．３．今後の展望

13

•産業用モータ使用電力 約3600億kWh （損失を計算すると出力3095億kWh） • 効率改善により損失 505億kWh → 344億kWh, 161億kWh の電力削減 • 152万kL/年

•2015年試作検証修了 •5年間で量産体制確保 （年間700万台＠2020 = 7%, 累計1億台) •2030年で70%普及目標

指標A：単位当たりの省エネルギー効果量

指標B：市場規模(導入量）

定格出力 IE1 IE2 IE30.75kW 75.80% 80.50% 82.50%11kW 88.90% 90.20% 91.40%90kW 93.00% 94.10% 95.20%平均 85.9 88.3 89.7

2020年 2030年

指標Ａ'（効果量） 152万kL/年 152万kL/年

指標Ｂ'（導入量） 0.07 0.7

省エネルギー効果量（kＬ/年） 10.6万ｋL/年 106万kL/年

３．４．原油換算省エネ効果 ３．成果、実績、展望等