振子型波力発電に関する研究

caption,造波水路での実験の様子

 太陽光や風力による発電が注目されている中,長崎大学では地域とともに海洋エネルギーの研究開発に力を入れています.この研究では,新しい海洋エネルギー利用の1つとして振子型波力発電方式を提案し,実用化に向けて研究開発を行っています.この方式は,「カチカチクラッカー」と呼ばれるおもちゃの機構を応用して,波の上下方向の運動を振子の回転運動に変換し,振子に取り付けた発電機をまわすことで,電気を生み出すというものです.単純な機構ですが,その運動は非常に複雑です.発電量を最大にする電気系ならではの研究課題だけでなく,振子の運動の把握や制御という機械系の研究課題に対しても取り組んでいます.

(2016年06月20日)

研究テーマ(作成中)

高性能永久磁石の材料であるレアアースの価格高騰や資源枯渇に備えた脱レアアースの次世代モータ・発電機の開発とエネルギー問題や地球温暖化問題に対応するための高効率モータの開発,風力発電用新型発電機の開発をメインテーマに行っています.

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セグメント構造スイッチトリラクタンス(SR)モータ

レアアースを使わない電気自動車や家電製品用の次世代のモータとして,新型セグメント構造SRモータを提案し実用化に向けて研究しています.SRモータは,簡単な構造でトルクが大きく堅牢という特長を有しています.提案するセグメント構造の回転子(下図)は,アルミブロックにセグメント鉄心を埋め込んだ構造で,従来のSRモータと比べてトルクが4割程度大きく,振動や騒音が小さくなります.

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#split(width=1%) }}               回転子

 
 
 

デュアルロータセグメント構造スイッチトリラクタンス(SR)モータ

下図のような回転子が固定子の内と外にあるデュアルロータタイプを提案し,最先端の研究開発を進めています.

3D-SRM.jpg

             解析モデル

 
 
 

方向性電磁鋼板を用いたセグメント構造(SR)モータ

 
 
 

4相セグメント構造スイッチトリラクタンス(SR)モータ

セグメント構造スイッチトリラクタンス(SR)モータでは,励磁切り替え時のトルクが小さく,大幅な平均トルク増加に伴いトルク脈動が大きくなるという問題があります.そこで,セグメント構造SRMを多相化することで同時に複数の相を励磁することが可能となり,励磁切り替え時のトルク不足を補う,トルク脈動低減法が考えられました。入力相数を4相としたときにトルク脈動が最小かつ平均トルクが最大であることから,4相セグメント構造スイッチトリラクタンス(SR)モータを提案しました.現在,さらなるトルク脈動低減,高効率化に向けて研究を進めています.

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4SRMexperimentalmodel.jpg
 
 
 

セグメント構造スイッチトリラクタンス(SR)発電機

レアアースレスでブラシとスリップリングを必要としないスイッチトリラクタンス電動機(Switched Reluctance Motor:SRM)を発電機として利用するスイッチトリラクタンス発電機(Switched Reluctance Generator:SRG) を提案しました. SRGは構造が簡単で堅牢,厳しい環境下でも使用可能,保守が容易,高速回転に適する,回転子銅損が無いため高効率が期待されるなどの利点があります.現在は高出力,高効率を目標に研究を進めています.

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電気機器の高効率化や自然エネルギー利用に関する研究

永久磁石モータの最適設計に関する研究

使用目的(速度やトルク)に応じた永久磁石モータの高効率化や低価格化を目的とした最適設計法の確立を目指して研究を行っています. 右図は材料費最小とパワーレート最大の多目的最適設計を行った時の設計例です.

小規模風力発電用低速発電機の開発

自然エネルギーの有効利用を目指して,本研究室では,ビルの屋上や離島等で用いる小容量風力発電用の発電機を開発しています. 左下写真は大村市に試験的に設置した,風速10m程度の風で最高効率を出せる垂直軸直線翼型風車と組み合わせた永久磁石発電機システムです. 右下写真は風車の下に取り付けている永久磁石同期発電機の中身を示したもので,鉄心には圧粉磁心を用いて低コスト化を図っています.

超高速永久磁石同期モータ・発電機の開発

自動車のターボチャージャーやエネルギーの高効率利用を目的としたガスタービン発電と給湯を組み合わせたコージェネレータシステムで応用するために,24万rpmという世界最速クラスの小型・超高速モータ・発電機及びその駆動システムを開発しています. 写真は5kWの実験機ですが,超高速モータは煙草の箱と同じくらい小さくなります.

自起動形永久磁石モータの開発

永久磁石同期モータと誘導モータの中間的な特性を持つ,自起動形永久磁石モータを新たに考案し,開発を進めています.

新型単相交流モータ

誘導機や同期機などの交流モータは,一般的に単相交流では駆動できません。単相交流モータは,コンデンサを介して位相を90°ずらした相を足し合わせた二相交流で駆動しますが,力率・効率が悪いという欠点があります.そこで,永久磁石を用いた高効率な単相交流モータの実現を目指します.

レアアースレス永久磁石発電機

発電機の効率向上に貢献するレアアースを用いた高性能な永久磁石は高価で入手困難という問題があります.廉価で調達が容易なフェライト磁石の構造にハルバッハ配列を採用し,最適な鉄密度の圧粉磁心を用いることで,低速で高効率なレアアースレス発電機の実用化に向けた研究を進めています.

不等間隔スロット巻線モータ

本研究では,通常等間隔に配置する固定子スロットの間隔を不等間隔に配置する不等間隔スロット巻線を用い,脈動トルクの低減を図ります.不等間隔スロット巻線を施すことにより電機子巻線の作る起磁力分布に自由度を持たせることができ,等間隔スロット巻線より任意の起磁力分布の生成が可能となる.これにより,起磁力分布の高調波成分を除去し脈動トルクの低減が望めます.現在,整数スロットにおける不等間隔スロット巻線の有効性を実験から観測した.今後は,分数スロットに対する不等間隔スロット巻線の有効性について研究を進めていきます.

リニアモータに関する研究

リニア誘導モータの最適設計に関する研究

東京の大江戸線や福岡の七隅線など新しい地下鉄では,トンネルの断面積を小さくし,さらに,急勾配,急カーブを走行可能なリニアモータ地下鉄が採用されています. 本研究室ではリニア誘導モータの設計に関する研究を行ってきました. 例えば,日本地下鉄協会との共同研究で,効率向上のための最適設計に関する研究を行いました.

半波整流自励方式リニア同期モータの開発に関する研究

写真は本研究室で試作した半波整流自励方式リニア同期モータです. 左下図のように普通の同期モータの界磁巻線をダイオードで短絡し,右下図のように電機子側に励磁電流Af(t)sinωtと推力電流Itcosωtを重畳したiaを流すことにより推進します. 永久磁石を使わないため安価で弱め界磁も簡単に行える特長があります.

セグメント構造リニアSRモータの開発に関する研究

「セグメント構造SRモータ」で紹介した,セグメント構造SRモータの原理を使った新型リニアモータの研究も行っています.

半波整流ブラシレス発電機の開発(作成中)

 回転子の巻線にダイオードを挿入することで,固定子の磁束の変化のみで界磁磁束を発生させる方式を提案しています.SR発電機同様,次世代の発電機として期待されています.

電動機・発電機の設計理論に関する基礎研究(作成中)

 一般的に,電動機・発電機の研究開発はその用途を限定して進めていきます.これは,電動機・発電機が製品として私たちの身近なものとなった現代において,その基本的な設計,製造,利用に関わる技術は成熟したものであると考えられているからです.その一方で,その設計には,経験則から常識として認識されているものの,理論的な裏付けがないような部分があります.この研究では,この常識にとらわれずに理論的な視点から,電動機・発電機の用途を限定しない基本的な設計を見直すことを目的に,電動機・発電機の新しい設計を検討しています.

研究成果



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Last-modified: 2016-07-13 (水) 20:23:10 (498d)