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大阪府立大学大学院 工学研究科
電気・情報系専攻　電気情報システム工学分野
森本　茂雄研究室



次世代の省エネルギー社会を支えるのはモータ技術
研究室では、さまざまなタイプのモータを試作しながら、特性を研究している。

エネルギー資源が変革期を迎えようとしている。動力源としてこれまで長く使われてきた内燃機関は、電動機関、すなわちモータへと移行する大きなパラダイムシフトが起きようとしている。

モータは、ハイブリッドカーなどのエコカーはもちろん、エアコンや冷蔵庫などの家電製品から、工作機械などの産業用製品、さらにはロボットまで、動力源を欲するデバイスに入り込んでいる。社会インフラのキーデバイスとして注目が集まっているだけに、さまざまな用途に対して最適の特性を持つモータ開発は、これからの社会に必要不可欠なのだ。

今回の研究室訪問は、モータとドライブ・制御システムを研究テーマに据えている森本茂雄先生の研究室を取材した。

電気によって回転する「電動機」。その回転を制御するシステム。そのシステムが出す指令によって、実際に電動機をコントロールする「ドライブ回路」。モータドライブシステムは、この3つのステージに分けられる。森本先生の研究室では、これらのモータドライブシステムについて、それぞれのステージを掘り下げたものを研究テーマとしている。

さらには、そのモータが回す対象も研究テーマだ。ロボットの動きを制御するモーションコントロールや、自然エネルギーでモータを回転させて発電する仕組み、さらにはリニアモータに関する研究もおこなっている。


産学共同で次世代モータを開発
回転特性、磁力特性などのモータが持つ性質を分析。

森本先生の研究室では、ダイキンなどの企業と共同で新しいモータの研究を行っている。例えば、永久磁石を回転子内部に埋め込む、埋込磁石同期モータ。これは、従来の表面を磁石で覆った表面磁石同期モータよりも、高効率で高トルク、高速運転が可能であるということを、理論として研究していた。このテーマをダイキンと共同で研究することで、実用化、さらには世界初の量産化にも成功した。これは、IPMモータと呼ばれ、エアコン、冷蔵庫、洗濯機、さらには産業用の工作機械など、さまざまな分野に適用されていった。

「このIPM同期モータの理論は、新しいだけに情報が少ない中で理論を組み立てていかねばならず、参考文献も少なく苦労しました。そして、理論ができても、実際に試作品を作って実験をするのが難しかった。そこに、ダイキンとの共同研究の話がきて、研究室としては理論の研究、実際のものづくりの部分はダイキンという役割分担で、産学共同での研究を進めました。お互いの強みを補完できたわけです」（森本先生）

こういった産学協同での研究体制を敷くことによって、研究室とメーカーの強みを発揮することが重要だと森本先生は言う。ダイキンのほかに、パナソニックとも共同研究を行い、違った仕組みのモータを実用化させている。

「IPM同期モータをベースにして、素材や磁石の埋込み方を変えたモータの研究、それらの特性に合わせたモータの使い方の研究も進めています」（森本先生）

高回転、高トルクといった性能面をアップさせる研究だけでなく、安価で手に入りやすい素材を使ったモータ、リサイクルしやすいモータなど、環境面に配慮したモータの研究なども積極的に進めているという。


センサレスで小型化を進める制御系の研究
試作、実験を繰り返す中で、最適解と論理を構築していく。

モータシステムに欠かせないのが、その回転を制御するシステムだ。高性能なモータも、それを効率良く回転させないとエネルギーを無駄に使ってしまう。また、エアコンと工作機械では、回転数の特性が異なるので、それらに合わせた制御も必要だ。

「IPM同期モータが同じ制約条件下で、高トルク、高効率、高出力を出せる制御アルゴリズムを研究しています。運転状態やモータのパラメータに応じた最適な電流の流し方などを理論と実験の面から実証していき、最終的にソフトウェアとして制御部分に実装して、製品に提供することができます。良いモータと良い制御は、性能を引き出す上で、両輪となる要素なのです」

モータの運転に対して、常に最適の制御をすることが求められるが、電流やモータの回転数や位置などの状態を制御系のシステムに伝えるためには、各種センサからデータをフィードバックしなくてはならない。

だが、センサの数が多くなればコストがアップするのと同時に、制御システムのサイズも大きくなってしまう。そこで考えられているのが、センサレスの制御システムだ。センサを無くしてしまうことで、部品点数が減り小型化と低コスト化が可能になってくる。また、エアコン用のモータの場合など、その設置環境上、センサを搭載することが難しい場合もある。そういったニーズに応えるのが、センサレス制御システムなのだ。

「センサで情報を取得するのではなく、モータの特性モデルから割り出した推定値によって制御するのがセンサレス制御です。そのために、電流や速度、位置などモータの動きを正確に把握できるモデルを研究しています」

モータがさまざまな条件のもとで、どんな動きをするのかを正確に把握していれば、モータの情報をセンサで取得しなくても、制御ができるようになる。この制御アルゴリズムを提案するのも森本先生の研究内容なのだ。

自然エネルギーの発電に生かすモータ技術

「効率の良いモータは、発電機としても効率の良いものとなります。同じ風力発電でも性能の良いモータを発電機として使えば、より多くの電力を生み出すことができます。そこに発電機効率を最大にできる最大効率制御や、センサレス制御などを実装した小型の風力発電システムなども研究テーマにしています」

クリーンエネルギーの発電も研究テーマとしている森本先生だが、波の力を使って発電する研究もユニークなものだ。その発電システムには、リニア発電機を使うのだという。

「波の上下運動でフロートが上下し、その上下運動でリニア発電機を動かすという仕組みを考えています。波の往復運動を直接電力に変換するダイレクトドライブ式なので、高効率で変換することができます」

まだ、理論の段階ではあるが防波堤などの脇に設置して発電すると、国土を海に囲まれた日本にとって有望なクリーンエネルギー発電の手段の一つになりえるのかもしれないと感じられる研究だった。

このように、森本先生の研究室では、電気エネルギーを効率的に発生、有効利用する研究。電気、機械エネルギー変換機の高性能化と高品質化を目指している。

「これらの研究は、21世紀の高度電気エネルギー利用社会と、エネルギー・環境問題の解決に不可欠な分野なのです。結果的に、我々の研究は、人と環境に優しい社会の実現に関わっていくはずだと考えています」

森本先生の研究室では、現在もダイキンなどとの産学共同での研究を進めている。電気自動車や介護・福祉機器といった新しい分野の産業に対応した新しいモータと制御法の研究。次世代自動車用高性能蓄電システム技術開発におけるレアメタルを使わない脱レアアースのモータ開発など、新しい分野への挑戦を続けている。

これからの電気エネルギー時代を担う研究が日々進められている。環境への配慮が求められる社会・産業構造に変革する中で、モータドライブシステムの研究はこれからの社会インフラを支える重要な役割になるはずだ。


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