株式会社日立製作所
株式会社日立産機システム
株式会社日立製作所(執行役社長：中西 宏明/以下、日立)と株式会社日立産機システム(取締役社長：椎木 清彦/以下、日立産機)は、独自に開発した最適設計技術などにより、1910年の日立創業製品である「5馬力(3.7kW)誘導モータ*1」に比べ、体積で15分の1となる、5馬力永久磁石同期モータ*2(以下、磁石モータ)を試作しました。本モータは、大幅な小型化を実現しながらも、連続運転試験では94%の高効率性能を実現しています。
日立と日立産機は、社会イノベーション事業を支えるキーデバイスであるモータに、今回開発した技術を適用し、さらなる小型化・高効率化を追求していきます。
1910年、日立製作所創業時の製品であったモータは、その後100年を経過し、現在、産業、家電、自動車などのキーデバイスとして広く利用されています。近年では、地球温暖化防止の観点から、モータのエネルギー消費を抑制するため、さらなる小型化、高効率化が求められています。
モータは主に、磁性材料(鉄心、磁石)と導電材料(コイル)および、これらを支える構造部材で構成されています。モータの小型化と高効率化を両立するには、モータ内で発生する様々なエネルギー損失を可能な限り抑制するとともに、小型化に伴う放熱性能の低下を補う必要があります。
このような背景から、今回、日立と日立産機は、最大40%の小型化を実現する高放熱化技術、磁石モータ内の磁束と熱の流れを同時に解析する磁界―熱連成解析技術、さらにはこの解析技術に基づく最適設計技術を開発しました。また、これらの技術を適用して試作した5馬力(3.7kW)磁石モータは、1910年の日立創業製品である「5馬力(3.7kW)誘導モータ」に比べ、15分の1の体積を実現するとともに、回転子に日立金属株式会社製の高残留磁束密度*3のNd-Fe-B焼結磁石*4を適用したほか、日立電線株式会社のエナメル線、日立化成工業株式会社の有機材料など、日立グループの先端材料を結集して開発しています。
開発した技術の詳細は、以下の通りです。
1. 磁界―熱連成解析技術
辺要素有限要素法*5による磁界解析と熱解析を組合せ、磁界と熱を同時に解析する磁界―熱連成解析技術を開発しました。これにより、温度上昇に伴う永久磁石の減磁*6や、材料物性値の温度依存性を考慮したモータ性能(トルク、電圧など)を、高い精度で予測することが可能になりました。
2. 最適設計技術
磁界―熱連成解析技術に数理計画法*7を応用した最適化アルゴリズムを組み合わせることで、減磁、電圧、コイル温度など、モータ設計における重要な要素を考慮した磁石モータの最適設計技術を開発しました。これにより、永久磁石などの磁性材料の特性を活かした小型で高効率なモータを実現することが可能となりました。
日立と日立産機は、今回のモータ開発で得られた知見を基に、顧客ニーズに即した付加価値の高い小形・高効率モータを、今後も開発していきます。
なお、本技術の詳細は、2010年5月28日開催の電気学会「回転機/半導体電力変換/モータドライブ合同研究会」(場所：東京、日本電機工業会会館)にて発表する予定です。
【写真】試作モータ、現行モータと創業モータの外観比較
株式会社日立製作所 日立研究所 企画室 ［担当：鈴木］
〒319-1292 茨城県日立市大みか町七丁目1番1号
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株式会社日立産機システム 企画統括部 販売推進部 広報・企画グループ ［担当：橋本］
〒101-0022 東京都千代田区神田練塀町3番地 AKSビル
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