1 「知の拠点あいち重点研究プロジェクトⅢ期」公開セミナー V1 2020/03/19
分野テーマ名称︓⾼性能モータ駆動システムにおける⾰新的⾼電⼒密度インバータ設計と⽣産技術開発
分野リーダー ︓⼭本真義(名古屋⼤学 未来材料・システム研究所 教授)
・研究テーマ ︓航空機電動化に向けた⾼電⼒密度インバータ設計⼿法の確⽴と実証(V1)
研究リーダー ︓⼭本真義(名古屋⼤学 未来材料・システム研究所 教授)事業化リーダー︓井上岳(サイバネットシステム株式会社)
⾦澤康樹(株式会社ナチュラニクス)参加機関名 ︓名古屋⼤学,サイバネットシステム株式会社,
株式会社ナチュラニクス,三菱重⼯航空エンジン株式会社
プロジェクト名称︓「近未来⾃動⾞技術開発プロジェクト」
「知の拠点あいち重点研究プロジェクトⅢ期」公開セミナー令和2年3⽉19⽇
2 「知の拠点あいち重点研究プロジェクトⅢ期」公開セミナー V1 2020/03/19
研究テーマの⽬的研究テーマの⽬的⽬的︓航空機電動化に向けた⾼電⼒密度インバータ設計⼿法の確⽴と実証
全体図
3 「知の拠点あいち重点研究プロジェクトⅢ期」公開セミナー V1 2020/03/19
研究開発の概要研究開発の概要・⾼密度インバータシステム 出⼒︓20kW,10kW/kg以上・次世代システムシミュレーション ガスタービンモデルとのシステムシミュレーション
OFF
ON
解析⼒学ベースモデル理論
GaNパワー半導体
新ゲート駆動回路
拡張性のある基本コンポーネンツ⾼電⼒密度インバータシステム構築
(出⼒容量︓20kW)
モータ駆動システムへ適⽤評価
モデル抽出
機械系システム
電気系システム
⼤規模機電融合システムにおけるモデル化
GaNパワー半導体
次世代パワー半導体を搭載した電力変換器
GaNパワー半導体を航空機に適⽤した場合のシステム評価を可能とする
20kWインバータを⼤規模システム容量に合わせて拡張可能
4 「知の拠点あいち重点研究プロジェクトⅢ期」公開セミナー V1 2020/03/19
開発体制・役割分担開発体制・役割分担
名古屋⼤学
名古屋⼤学
ナチュラニクス
サイバネットシステム
三菱重⼯航空エンジン
・研究リーダ・⾼電⼒・⾼密度インバータ開発のリーダ
・GaNパワー半導体に適したゲート駆動技術の開発多並列ゲート駆動回路の提案と実証評価パワー半導体のモデリング
・航空機電動システムシミュレータの構築-GaNパワー半導体のモデリング及びパラメータ抽出-インバータのシステムシミュレーションモデル作成-システムシミュレーションの実施と検証
・次世代航空機電気システムにおける⾼効率性能評価-インバータ評価-ハイブリッドエンジンシステム設計
あいち産業科学技術総合センター
・インバータ/システム駆動時のノイズ評価-電波暗室を活⽤した測定-研究拠点として積極活⽤
⾼電⼒密度インバータシステムGr.
次世代システムシミュレーションGr.
事業化リーダ
・GaNパワー半導体を適⽤したインバータの構築⾼電⼒密度GaNインバータの作成GaN低ノイズ化技術の実証評価事業化リーダ
5 「知の拠点あいち重点研究プロジェクトⅢ期」公開セミナー V1 2020/03/19
全体構成での役割分担全体構成での役割分担
⾼電⼒密度インバータ Gr. 次世代システムシミュレーション Gr.
駆動技術
GaNを適⽤したインバータの構築
インバータ実機
GaNに適したゲート駆動技術
GaNインバータ
システム視点のインバータ性能要求
モジュール及びインバータ開発
GaN半導体駆動技術開発
ナチュラニクス
名古屋⼤学
GTE:ガスタービンエンジンSim.:シミュレーション
GaN/インバータモデル抽出
次世代システムシミュレータの構築
インバータモデル
サイバネットシステム
GTEモデル抽出GTE動作環境抽出
三菱重⼯航空エンジン
次世代航空機システムにおける⾼効率性能評価
①
②
④③
研究テーマの⽬的,開発ターゲットの必要性等・本プロジェクトでは,⾼電⼒密度インバータシステムの開発を担うグループと,次世代
シミュレーションの技術開発を⾏うグループからなり,プロジェクトを推進する。・知の拠点であるあいち産業科学技術総合センターの施設と技術も活⽤し,インバータ開発,
シミュレーション技術発展を狙うものとした。
6 「知の拠点あいち重点研究プロジェクトⅢ期」公開セミナー V1 2020/03/19
シミュレーションに関わる各機関の役割シミュレーションに関わる各機関の役割
サイバネットシステム名古屋⼤学 三菱重⼯航空エンジン
ガスタービンエンジンインバータ
ガスタービンエンジンモデル(AMESim︓Modelica⾔語)インバータ+システムSim.モデル
(TwinBuilder︓VHDL-AMS⾔語)
・モータ ・・・
モデルライブラリ・素⼦・インバータ・バッテリ・モータ ・・・
異種⾔語の連携,I/F作成
知恵実測結果
実装ノウハウプログラミング
FEMモデル
■主な役割分担【名古屋⼤学】・理論構築及び実験との検証・システムシミュレーションの構築と実施
【三菱重⼯航空エンジン】・ガスタービンエンジンモデル作成とシミュレーション実施
【サイバネットシステム】・モデルライブラリ構築作業(プログラミング)・異種⾔語の連携作業(プログラミング)データ分析
(BIGDAT@View)
7 「知の拠点あいち重点研究プロジェクトⅢ期」公開セミナー V1 2020/03/19
年次ロードマップ年次ロードマップ
GaNの基礎的評価を実施
ソフトの導⼊と基礎評価を実施
8 「知の拠点あいち重点研究プロジェクトⅢ期」公開セミナー V1 2020/03/19
研究開発の実施状況(1)研究開発の実施状況(1)
ダブルパルス⽤GaNハーフブリッジ ダブルパルス⽤GaNゲートドライバ
R1年度⽬標︓⾼電⼒密度インバータシステム基板試作,モジュール試作・評価
GaNの基本特性を評価するため,ダブルパルス評価試験を実施。
⼊⼒電圧︓400[V]出⼒電流︓0-50[A]
9 「知の拠点あいち重点研究プロジェクトⅢ期」公開セミナー V1 2020/03/19
研究開発の実施状況(2)研究開発の実施状況(2)
ダブルパルス試験結果
Ton時のスルーレート
Toff時のスルーレート試験結果︓・50[A]にて安定して
スイッチングできることを確認・Toff=15.8[ns]・ Ton=31.2[ns](50A時)
次年度の⽅針・課題︓■連続通電試験にてモジュールの熱評価
GaNから効率よく熱を引くための冷却⽅式の検討■スイッチングスピードの⾼速化
ゲートドライバを調整⇒スイッチング速度を更に向上
10 「知の拠点あいち重点研究プロジェクトⅢ期」公開セミナー V1 2020/03/19
研究開発の実施状況(3)研究開発の実施状況(3)●ガスタービンエンジンを対象としたシミュレーションモデルを構築
・シミュレーションの対象として社有ガスタービンエンジンを選定。
●明らかとなった課題や対応⽅針・シミュレーションソフトウェアの基本モデルを元にして,モデルを構築中。・この基本モデルの特性では,社有ガスタービンエンジンの特性を再現できないことを確認。
⇒各要素が社有ガスタービンエンジンの特性を再現できるよう,合わせ込みを実施。
圧縮機 低圧タービン
⾼圧軸回転数[%]空気
流⼊
量[k
g/s]
⾼圧軸回転数[%]
断熱
効率
[-]
⾼圧軸回転数[%]
低圧
ター
ビン
出⼒
[SHP
]
⾼圧軸回転数[%]
断熱
効率
[-]
解析結果
試験データ
※試験データは,ばらつきがあるため,⻘枠で記載
社有ガスタービンエンジンのシミュレーション概要
要素特性を把握するため,モデルを要素毎に分けて,解析を実施。
社有ガスタービンエンジン
11 「知の拠点あいち重点研究プロジェクトⅢ期」公開セミナー V1 2020/03/19
研究開発の実施状況(4)研究開発の実施状況(4)
バスバー及び実装状態の電磁界
インバータとシステムシミュレーション例ANSYS Academic Research EM
ANSYS Academic Research Mechanical and CFD
ANSYS TwinBuiler
ANSYS TwinBuiler モータの磁場解析とシステムシミュレーション
損失の解析と熱分布(熱流体)
ANSYS Academic Research EM
・導⼊したソフトウエア
12 「知の拠点あいち重点研究プロジェクトⅢ期」公開セミナー V1 2020/03/19
研究開発の実施状況(5)研究開発の実施状況(5)●電動航空機を対象としたシミュレーションモデルを構築
・シミュレーションの対象としてバッテリー駆動の⼩型電動機を選定。●明らかとなった課題や対応⽅針
・実測したパワー半導体(SiC-MOSFET)を⽤いて,損失を計算。・プログラム⾔語であるVHDL-AMSを⽤いて,シミュレータへ実装。
⇒ 今後,ナチュラニクスでの実測を参考にGaNへの適⽤を検討。⇒ 更に,三菱重⼯航空エンジンモデルを統合。
heat == 3 * (0.19931029 * Irms + 0.21350925 * (Irms ** 2) + 0.3266357)'INTEG;
実測により得られた損失を2次式で表現
VHDL-AMSでモデリング
13 「知の拠点あいち重点研究プロジェクトⅢ期」公開セミナー V1 2020/03/19
事業化に向けての取り組み (1)事業化に向けての取り組み (1)2020-2024 2025-2029 2030-
サイバネットシステム
三菱重⼯航空エンジン
ナチュラニクス
・⾼電⼒密度インバータへの開発︓10百万円/年・⼤型ドローンでの実証︓40百万円/年
・⼩型航空機での実証
①2023年3月⇒他の電動構成要素を取り込みモジュールレベルでの研究開発推進により50百万円/年単位の経済効果
②2025年3月⇒エンジンレベルでの研究開発推進により5億円/年単位での経済効果③2027年3月⇒同上・事業としてはその先の予定なるも,開発玉成の暁には”日本発の民間用航空機ハイブリッドエ
ンジン”という大きなインパクトあり。
① ② ③
航空業界の課題・低利⽤率の地⽅空港・騒⾳問題・リニア新幹線など代替⾼速交通機関の発展
ハイブリッドエンジン検討
電動機器性能確認フェーズ
全体システム確認フェーズ
国プロ国際共同開発へ
・ライブラリ販売︓5百万/年(GaNパワーデバイス/インバータ/ガスタービンエンジン)・モデリング/シミュレーションコンサル︓30百万円/年・航空機電動システムシミュレータの販売︓60百万円/年
・シミュレータの他業種販売︓1億円/年
14 「知の拠点あいち重点研究プロジェクトⅢ期」公開セミナー V1 2020/03/19
⾼電⼒密度インバータシステムGr.
次世代システムシミュレーションGr.
①市場性(ユーザー視点の導⼊)・インバータの全体設計,モータ制御プログラム開発を⾏う。
②事業化につながる体制づくりの状況・ NX量産製品への適⽤︓2,000台/年を⽬指す。
③プロジェクト終了後のビジネスプランへのつながり・(株)オートリテール︓コンデンサ基板の基板製造/GaNモジュールの基板製造。・⼤陽⼯業株式会社︓モータ制御基板の基板製造。・名古屋⼤学︓GaNモジュールのシミュレーション/安定動作の理論設計。
①市場性(ユーザー視点の導⼊)・現形態の航空機の市場動向とともに,電動化への期待を把握しつつ検討を進める。・機体,エンジンメーカおよび装備品メーカの動向や電動化関連技術の動向も⾒極める。
②事業化につながる体制づくりの状況・現在の研究開発体制とその成果を元に検討を進める。・社内外の技術的リソースの活⽤も視野に⼊れて検討していく予定。
③プロジェクト終了後のビジネスプランへのつながり・ハイブリッドエンジンシステムのシミュレーションによりコンセプトの最適化を推進。・他の電動構成要素を取り込みモジュールレベルでの技術開発。・エンジンシステムレベルでの技術実証。
事業化に向けての取り組み (2)事業化に向けての取り組み (2)
15 「知の拠点あいち重点研究プロジェクトⅢ期」公開セミナー V1 2020/03/19
研究実績研究実績
1.試作状況•GaNデバイスを⽤い,安定的に20 A駆動を確認
2.外部発表 5件•野⽥和寛, ⼭本真義, 今岡淳 : “フライングキャパシタを⽤いた3レベルインバータへのインターリーブ技術の適⽤” , 東海⽀部連合⼤会 I1-5,Sep.2019•野⽥和寛, ⼭本真義, 今岡淳, 佐藤伸⼆: “コモンフライングキャパシタコンバータ⽅式(CFCC)の提案 第⼀報”,平成31年度電気学会全国⼤会, Mar.2020•⼤河内裕太, 中原健, ⽩井慎也, 岩城聡明, ⼭本真義︓”インダクタを⽤いたSiC-MOSFET⽤ハイブリッド形ゲート駆動回路の実機検証”, 平成31年度電気学会全国⼤会,Mar.2020• Shinya Shirai, Yuta Okawauchi, Ken Nakahara, Toshihiro Iwaki, Masayoshi Yamamoto: “Current Source Gate Drive Circuit with Voltage Source to Stable Driving for SiC-MOSFETs” ICMaSS 2019•⼀柳直志, 福岡智司, Samantha Voon, 重松浩⼀, 今岡淳, ⼭本真義:パワー半導体を⽤いた電動航空機へのシステムシミュレーションの応⽤”, 平成31年度電気学会全国⼤会, Mar.2020
3.情報発信 3件•キックオフセミナー,メッセナゴヤ,公開セミナー
4.特許 1件•新規提案コンバータ,ゲートドライバで特許化を準備中
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