日立のモーターシステム技術に関する開発戦略

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わんどおおばま
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1 日立のモーターシステム技術に関する開発戦略 2010 年 8 月 4 日株式会社日立製作所電動力応用統括推進本部副本部長関秀明

2 日立のモーターシステム技術に関する開発戦略 1. 市場環境 2. 電動力応用統括推進本部の取組み 3. 技術開発戦略 4. まとめ 1

2050 モーター照明家電 40% 電子機器など ( 年 ) モーター及び将来の電動化市場 2025 年に 71 兆円発電民生 15 6 産業 5

3 1-1. 社会の動向地球温暖化の防止にはモーターシステムの高効率化と電動化 ( 億トン / 年 ) 280 世界の CO2 排出量半減シナリオ (IEA Blue Map) 電力供給側の抑制 IEA : International Energy Agency 電力需要側の抑制モーター照明家電 40% 電子機器など ( 年 ) モーター及び将来の電動化市場 2025 年に 71 兆円発電民生 15 6 産業 5 船舶航空他兆円鉄道 6 自動車 40 出典 : 日立総合計画研究所資料モーターシステムの高効率化エンジン油圧からモーターへ CO 2 排出抑制への対応 2

4 1-2. 世界的なモーターの省エネ規制各国では省エネ規制の対応が始まっており更なるモーターの効率化が求められている各国の対応日本策定中米国 2011 年までに IE3 中国 2011 年までに IE2 EU 2014 年までに IE3 100 IE1 対比 -15% 100 年間 CO 2 排出量モーター効率 ( % ) 90 86% 89% IE2 対比 -15% 91% 93% IE3 対比 -15% モーター損失 ( % ) 1 台当たり 1.9t 削減 (10% 削減 ) 20.3t 18.4t IE1 IE2 IE3 IE4 注 ) IE1~4 は IEA が提唱する高効率モーターの適用ガイド (IEC ) に記載された効率コード規制レベル IE1 IE3 出力 7.5kW 両モータ共インバータ駆動 IE1: 日立標準誘導モータ IE3: 日立磁石モーター ECOHEART 3

5 1-3. エンジン油圧からモーターへエンジンや油圧装置を搭載した移動体から電動化が進展し 2020 年には大きな市場に成長する電動自動車 (HEV, PHEV, EV) ハイブリッド建設機械ハイブリッド気動車 12 13M 12 12k 12 生産台数 8 7.8M 生産台 8 数生産台数 8 ( M 台 / 年 ) M ( K 4 台 1.6k / 年 0.02k ) 0 ) 年年 ( K 台 / 年 k 0.5k 2k 年 HEV: Hybrid Electric Vehicle PHEV: Plug-in Hybrid Electric Vehicle EV: Electric Vehicle 出典 : 日立調べ 4

6 1-4. エンジンシステムについて現状のエンジンシステムの仕組み応答遅れ高性能化燃料空気エンジン ( 燃焼制御 ) クラッチ変速機 ( ギア比切替 ) 機構燃費省エネ制御伝達損失指令高効率化エンジンシステム 5

7 1-5. モーターシステムについて電動化電源バッテリーモーターを工夫して使用 = モーターシステム指向電力 DC *1 電力 AC *2 機械力インバータ - モータ - 機構電流検出 *1 Direct Current ( 直流 ) *2 Alternating Current( 交流 ) 指令制御位置センサーモーターシステムシステム指向の工夫省エネ高効率化高性能化磁石モーター化と小型化インバーターのエネルギー変換 (DC AC) 改善モーターの高い応答性で機械を制御 6

8 日立のモーターシステム技術に関する開発戦略 1. 市場環境 2. 電動力応用統括推進本部の取組み 3. 技術開発戦略 4. まとめ 7

2-1. 日立のモーターの歴史 1910 年 5 馬力モーター完成日立は創業以来

(1935 年 ) (1951 年 ) (1955 年 ) (1963 年 ) (1970

9 2-1. 日立のモーターの歴史 1910 年 5 馬力モーター完成日立は創業以来モーターの開発製造を通じて社会の発展に貢献してきた 5 馬力モーター明治 43 年 (1910 年 ) 大正 5 年 (1916 年 ) 昭和 10 年昭和 26 年昭和 30 年昭和 38 年昭和 45 年平成 3 年平成 6 年平成 19 年 (1935 年 ) (1951 年 ) (1955 年 ) (1963 年 ) (1970 年 ) (1991 年 ) (1994 年 ) (2007 年 ) 5HP(3.7kW 4 極 ) 誘導モータの変遷 8

10 2-2. 日立グループの電動化事業広範囲にわたり電動化事業を展開オートモティブシステム家電民生機器産業用システム電動自動車用ステアリング用車載ポンプ用エアコン冷蔵庫洗濯機電動化事業モーターインバーター圧縮機ポンプショベル鉱山用ダンプトラック火力原子力水力用発電機風力発電機鉄道用エレベーターエスカレーター建設機械電力システム社会システム 9

11 2-3. 電動力応用統括推進本部の役割設立 : 2006 年 7 月本部長 : 角田義人開発人員 : 90 名 (10 年度 ) モーターをコアに電動化を強力に推進するため日立グループ関係部署から広く人財を結集し高度基盤技術からモノづくりまで技術仕掛けのイノベーションの推進役となる人財の育成 / 技術仕掛けのイノベーション高度解析制御技術新材料応用技術高度基盤技術研究開発本部電動力応用統括推進本部日立オートモティブシステムズ自動車用モーターサブシステム製品化応用技術電工生産技術モノづくり統括本部日立産機システム産業用モーターシステム 10

12 2-4. 電動力応用統括推進本部の活動経緯モーターの研究開発を通しシステム指向で事業拡大を推進 ~ 電動力応用統括推進本部設立モーター製造プロセス整備シミュレーション技術設計プラットホームモーターをシステム指向で事業拡大省エネ最高性能機械電気統合制御優れた顧客対応力システム対応の制御技術 11

13 日立のモーターシステム技術に関する開発戦略 1. 市場環境 2. 電動力応用統括推進本部の取組み 3. 技術開発戦略 4. まとめ 12

14 3-1. 電動化に向けた技術開発 (1) 各電動化事業に課題 ( ニーズ ) が存在する 100k ニーズ高性能化サーボ工作機トルク応答 10k 1k (Nm/s) 100 省エネルギ高効率化バッテリー負荷軽減熱軽減電動自動車建設機械鉄道 ( 気動車 ) 10 小型高効率化圧縮機ポンプ k 10k 100k 1M モーター定格出力 (W) 13

15 3-1. 電動化に向けた技術開発 (2) 各電動化事業の課題 ( ニーズ ) に対する技術開発技術開発トルク応答 100k 10k 1k (Nm/s) 磁石モタ基盤技術機構電気一体解析 PHM 制御 Pulse Harmonic Modulation 非線形制御圧縮機ポンプ電動自動車建設機械サーボ工作機鉄道 ( 気動車 ) k 10k 100k 1M モーター定格出力 (W) 14

磁石モーター S N モーターの小型化最大 20% 日立 *2 国内 A 社モーター体格 (%) 80 100 インパクトトルク *3 (%) 100 80 利用分野製品圧縮機

16 3-2. 非線形制御で小型化モーターが小型化で磁気飽和 *1 に至っても高効率に制御可能電磁界解析磁気飽和を考慮高効率に制御モーターの構造と磁気飽和の関係を抽出非線形関数式で近似磁束が高いほど回転力が強い磁束線形非線形電流小型化するほど電流が等価的に高い交流電源 ~ 電流からローター位置を推定して制御インバーターマイコンで演算電流ローター磁石モーター S N モーターの小型化最大 20% 日立 *2 国内 A 社モーター体格 (%) インパクトトルク *3 (%) 利用分野製品圧縮機ポンプ用モーター注 ) 平成 21 年電気学会産業応用部門大会にて発表済み *1 電流を増加しても磁束が増えず出力が飽和する磁性体の特性 *2 11 月発売予定機種 *3 負荷側の要求でトルクが急変する現象 15

17 3-3. 新方式 PHM 制御で高効率化新方式の PHM *1 制御でインバーター発熱を下げ駆動力を改善従来方式 (PWM *2 制御 ) の課題高周波スイッチングによるエネルギー損失高速時に磁石の逆電圧増加による出力の低減 PHM 制御パルス数の削減と電流波形のひずみ抑制により変換効率を向上従来新方式日立 HEV 用モーターとインバーターで実験モーター電圧 : 500V/div インバーターの発熱最大 40% 低減高速走行のモーターパワー 10% アップインバーター発熱 (%) モーター出力 (%) パルス数の比従来本方式利用分野製品電動自動車ハイブリッド建設機械注 ) PHM 制御は平成 22 年 8 月の電気学会産業応用部門大会にて発表予定 *1 Pulse Harmonic Modulation( 高調波変調省パルス駆動制御 ) *2 Pulse Width Modulation( パルス幅変調制御 ) 16

18 3-4. 機構電気一体解析で高性能化機械動作をモデル化し機械電気の一体解析でシステム性能を高度化従来のシステム設計仕様の摺り合わせ顧客日立新シミュレーション主導設計機械 ( 構造不明 ) モーターインバーター電源機械諸元質量減速比伝達効率 etc 部分最適モーター設計仕様トルク回転数脈動応答 etc 部分最適全体最適に向け設計プロセスの見直し初回だけセンサーで実際のトルクを計測インバーターでトルクと回転数を計測計測結果からで機械モデルを推定機械と電気を一貫設計開発期間 30% 短縮 ( 従来比 ) 利用分野製品プレス射出成形機などのサーボモーター 17

19 3-4. 機構電気一体解析で高性能化サーボプレスの例モータークランクシャフトスライダ金型 18

20 3-5. 磁石モーターのプロセス基盤技術省エネ高信頼性高生産性の実現に向けた基盤技術開発省エネ冷却振動化技術電工生産技術 HEV 用水冷モーター低振動化技術磁石溝 HEV 用電動モーターの量産ローターステーターステーターコイル磁石モノづくり力アモルファスステーターローターローター解析結果の磁束分布電磁界解析による高度設計アモルファスを用いた小型モーター新材料の応用 19

21 3-6. モーター関連特許の知財強化戦略 2007 年からモーター関連特許年間 100 件出願活動を開始 120 モーター関連特許の国内公開件数年間 100 件出願活動日立グループ ( 業界トップ ) 特許公開件数 ( 件 ) C 社 B 社 A 社年出典 : 日立調べ 20

22 3-7. 日立がめざすハーモニアスモーターシステムお客様に最適なモーターソリューションの提供環境性駆動性省エネ高効率化高性能化の追求電源インバーターモーター制御機構システム指向による技術開発 21

23 日立のモーターシステム技術に関する開発戦略 1. 市場環境 2. 電動力応用統括推進本部の取組み 3. 技術開発戦略 4. まとめ 22

24 4-1. モーターシステム技術開発戦略のまとめ目標幅広い電動化事業にモーターシステム技術で貢献技術仕掛けのイノベーションと人財の育成技術戦略磁石モーターをビークルとして基盤技術を確立省エネ小型化高効率高性能化に向けモーターシステムの新技術開発知財戦略年間 100 件以上の特許を出願し業界トップの知財力を構築 23

4-2. 日立モーターの小型化軽量化の取り組み体格 :1/6 重量 :1/8 5 馬力 (3.

26 地球との調和へ効率と調和機構と調和サイズと調和調和 Harmonious 資源と調和コストと調和技術と調和 25

27 26

EV のモーター技術 1 電源の分類技術の進歩と共に私たちの身近なところに多くのモーターが使用されています携帯電話や扇風機冷蔵庫やパソコンなど生活に身近な所はもちろんコンベアや工作ロボットなどの工業用としても数多く使用されています自動車の業界でも近年の省エネや二酸化炭素削減などが注目されハ

EV のモーター技術 1 電源の分類技術の進歩と共に私たちの身近なところに多くのモーターが使用されています携帯電話や扇風機冷蔵庫やパソコンなど生活に身近な所はもちろんコンベアや工作ロボットなどの工業用としても数多く使用されています自動車の業界でも近年の省エネや二酸化炭素削減などが注目されハ文部科学省委託事業次世代自動車エキスパート養成教育プログラム開発事業実証実験授業講座名次世代自動車基礎地域版 EV 車のモーター技術氏名 1 EV のモーター技術 1 電源の分類技術の進歩と共に私たちの身近なところに多くのモーターが使用されています携帯電話や扇風機冷蔵庫やパソコンなど生活に身近な所はもちろんコンベアや工作ロボットなどの工業用としても数多く使用されています自動車の業界でも近年の省エネや二酸化炭素削減などが注目されハイブリッド車や電気自動車