ROSE - Ibaraki University Academic Repository

田中, 裕

Japanese

鹿島・香取「神郡」成立の背景を景観復原からみる考古学的実証研究

中武, 彩香

川路, 智治

GRITと知的好奇心の関連分析

飯沼, 裕美

ミューオンｇ-2・EDMの同時測定に向けた、3次元螺旋ビーム入射の精密制御の確立

高井, 美智明

タカイ, ミチアキ

A Study on Strategic Accounting

豊崎, 仁美

トヨサキ, ヒトミ

The impact of enabling performance measurement system on happiness at work and team learning behavior

太田, 弘道

茨城大学・理工学研究科（工学野）・特命研究員
科学研究費助成事業　　研究成果報告書
様　式　Ｃ－１９、Ｆ－１９－１、Ｚ－１９ （共通）
機関番号：
研究種目：
課題番号：
研究課題名（和文）
研究代表者
研究課題名（英文）
交付決定額（研究期間全体）：（直接経費）
１２１０１
基盤研究(C)（一般）
2022～2019
鋳鉄用発熱スリーブの発熱量測定法の開発
Development of Method to  Measure Heat  Generated by Exothermic Sleeves for 
Steel Castings
７０１６８９４６研究者番号：
太田　弘道（Ohta, Hiromichi）
研究期間：
１９Ｋ０５１０７
年 月 日現在  ５   ６ ２６
円     2,800,000
研究成果の概要（和文）：鋳鉄用発熱スリーブの発熱量を実操業と同様な熱履歴のもとで測定する熱量計を開発
した。装置は急速な昇温状態下でスリーブの発熱現象を生じさせる発熱ユニットと、これを内部に組み込んだ発
熱量を計測するブンゼン氷熱量計からなる。発熱ユニットは発熱スリーブをニクロムリボンで巻き耐火煉瓦で周
囲を覆ったもので投入した電気量の計測装置に接続した。この装置を用い鋳鉄用スリーブの正確な発熱量を求
め、スリーブの発熱の機構を考察した。また、さらに銅の厚板で発熱ユニットを覆い銅の温度上昇量から発熱量
を求める簡便な断熱型の熱量計を新規開発した。
研究成果の概要（英文）：A calorimeter has been developed to measure the calorific value of a 
heat-generating sleeve for casting under a thermal history similar to that of the casting industry. 
The device consists of a heating unit, which generates heat in the sleeve under rapidly rising 
temperature conditions, and a Bunsen ice calorimeter that measures the calorific value  of the 
heating unit built in the calorimeter. The heating unit consists of a heat-generating sleeve wound 
with nichrome ribbon and surrounded by refractory bricks, which is connected to a device for 
measuring the amount of electricity input.  Using this device, the exact heating value of the 
casting sleeve was determined and the mechanism of the sleeve's heating was discussed. In addition, 
a simple adiabatic calorimeter was developed, in which the heating unit was covered with a thick 
copper plate and the heating value was determined from the temperature rise of the copper.
研究分野： 熱物性
キーワード： 鋳造　発熱スリーブ　テルミット反応　熱物性測定　ブンゼン氷熱量計　鋳造シミュレーション　断熱
型熱量計　熱量測定
  ２版
令和
研究成果の学術的意義や社会的意義
鋳鉄用発熱スリーブの発熱量を実操業と同様な熱履歴のもとで測定する熱量計を開発した。装置は急速な昇温状
態下でスリーブの発熱現象を生じさせる発熱ユニットと、これを内部に組み込んだ発熱量を計測するブンゼン氷
熱量計からなる。発熱ユニットは発熱スリーブをニクロムリボンで巻き耐火煉瓦で周囲を覆ったもので投下電気
量計測装置に接続した。この装置を用い鋳造用スリーブの正確な発熱量を求め、スリーブの発熱の機構を考察し
た。また、さらに銅の厚板で発熱ユニットを覆い銅の温度上昇量から発熱量を求める簡便な断熱型の熱量計を新
規開発した。
※科研費による研究は、研究者の自覚と責任において実施するものです。そのため、研究の実施や研究成果の公表等に
ついては、国の要請等に基づくものではなく、その研究成果に関する見解や責任は、研究者個人に帰属します。
様 式 Ｃ－１９、Ｆ－１９－１、Ｚ－１９（共通） 
 
１． 研究開始当初の背景 
鋼や鉄の鋳造工程では引け巣などの欠陥を含まない製品を作るために多くの工夫がなされて
いる。鋳型には溶湯を溜め高温に保つスリーブ、熱伝導率の大きい金属や黒鉛などを溶湯に接触
させて冷却を助ける冷やし金が組み込まれる。これらの位置と数を工夫し、凝固の位置および速
度を適正化することにより、健全な製品が得られる。それらの設定は経験と勘によるところが大
きい。しかし、複雑形状の製品に対するニーズが高まるにつれ、方案と呼ばれる鋳型の設計を経
験のみで行う事は困難になり計算機支援が導入されているが、欠陥の発生により最終的には実
操業を含めた試行錯誤により方案を決定せざるを得なくなっている。 
この課題を克服するため、鋳造シミュレーションシステムと鋳造方案設計ソフトウェアとを
組み合わせて鋳造方案を最適化する試みが行われている。しかし発熱スリーブは注湯に伴う急
激な温度上昇によって開始される大きな発熱反応であるテルミット反応をはじめとして、図 1 の
ように多くの反応が複雑に関与する。 
 図 1   発熱スリーブにおける様々な発熱反応 
 
このように複雑な発熱反応過程を伴っていることや、実操業条件では非平衡状態で反応が進行
しており DSC や TG などでは測定が困難であることが知られているが、現在までに以下のよう
なことが確認されている。1)高温で起こる急激で爆発的な発熱により発熱量が計測できない。つ
まり、反応が急激で試料からの飛沫などで測定装置を損傷するためバルクでの測定ができない。
また酸化鉄と金属アルミニウムとの接触による急激なテルミット反応を、示差走査熱量計（DSC）
のような少量の粉末試料でゆっくり昇温して測定すると、実際の操業時とは異なった反応が起
こる。2)雰囲気の影響が大きい。つまりスリーブは粘結剤として樹脂を含むため、急速に加熱さ
れる実際の操業の条件下では、樹脂の分解・炭化により、スリーブ内部の酸素ポテンシャルが著
しく低下する。 
 
２．研究の目的 
以上の状況を踏まえ、本研究では鋳造用発熱スリーブの実際の使用条件に即して、その発熱量
を正確かつ簡便に測定することを目的とする。具体的には高温金属融体の注入によりスリーブ
が急速昇温し、その後保温する過程で平衡に達することなく発熱が終了するといった過程を想
定し以下の 3 点を指針とする。 
１）鋳造現場の条件を踏まえ、大きな試料・大きな熱量を測定が可能であること 
２）「溶融金属を注ぎ込むことでスリーブが急激に温度上昇する」という、実際のシチュエーシ
 空気中の酸素との反応 
(アルミニウム→アルミナ) 
(炭素→CO2,CO) 
 
 
テルミット反応 
Fe2O3＋2Al ＝ 2Fe ＋ Al2O3 
 
残存する炭素 
  
樹脂の分解ガスの発生 
 
ョンを想定した急激な温度変化を試料に与えることができること 
３）操業における非定常性を直接反映できるように、種々の条件での測定が可能であること 
既存の熱量測定手法を表１にまとめた。
本研究ではブンゼン氷熱量計(以下、氷熱
量計)を基礎とする新しいシステムを作成
する。氷熱量計は入熱により氷が水に変
化する時の体積変化から熱量を検出す
る手法であり、簡便で正確であるが、一
般に広く用いられている DSC などと比
較すると感度が低く微小な熱量は測れ
ず数グラムの試料が必要である。これは
通常の測定装置としては大きなデメリ
ットになる。しかし、スリーブは mg オ
ーダの材料が相互に反応して発熱が生
ずるため、大きな試料が必須である。そ
のため、氷熱量計の「大きな試料が測定
の対象となる」という特性は本研究にお
いてはメリットとなる。また、氷を用い
て断熱条件を達成するため基準点は 0℃
以外の温度は選択できないということ
も、通常の測定では欠点となるが、本研
究で対象とする反応は 1000℃程度と高
い温度で生じ、またゼロ℃近傍の比熱と比較して圧倒的に反応による発熱量が大きいため、測定
の基準温度が測定値に与える影響は無視できる。また氷熱量計自体は原理も装置も単純で安価
である。このことから手軽に使える炉前分析用装置としても鋳造業界へのインパクトは極めて
高い。 
 
３．研究の方法 
 本研究で使用した氷熱量計の概略を 図 2 に示す。発熱スリーブ材を 20×20×5 mm3の試料に切
り出し、断面積 1.5×0.4mm2 のニクロムリボンを一定間隔で 5 回巻き付け、氷熱量計の中心にセ
ットした。試料とニクロムリボンの周囲には厚さ 10 mm の軽量アルミナ繊維レンガ断熱層を設
け、加熱部周辺の部品の過熱による破損を防止した。試料から発生した熱は断熱層をゆっくりと
通過して、厚さ 5 mm の銅板に到達し、燃焼ユニット下部の直径 110mm、厚さ 20mm の銅製熱
交換板を通して、氷を溶かす。プラグポールには 10V の交流電圧をつなぎ、燃焼ユニットの上
部に設置し、ニクロムリボンを接続して、試料を着火させた。電源は、燃焼ユニットからの熱漏
れを防ぐため、供給時のみプラグポールに接続する。ヒーターには約 30 秒間通電して、 1000 K 
以上まで加熱する。内容器は、外径 230mm、高さ 218 mm、厚さ 20 mm の円筒形で、厚さ 50mm
の上ぶたと下ぶたを備えたアクリル製である。外容器は発泡スチロールの箱で、大きさは
720×430×430mm3である。水位を測定するために、30 秒間隔で指示管の高解像度写真を自動的に
取得した。 交流電圧・電流の測定には、マルチファンクションモジュールを PC に接続した回
路を採用した供給電力を測定した。熱量計に流入する熱量は、指示管内の水位変化から求めた。
内容器は外容器を用いて、氷点に保たれた水に浸漬することで外界から断熱した。 
表 1 既存の熱量測定手法における本実験
条件の適合性検討 
基準温度
大きな
反応熱
の測定
昇温速度
制御
試料量
価格
（目安）
氷熱量計 ゼロ℃ ◎ ◎ 数g
100万円
(概算)
△
急速昇温
は困難
ドロップ
カロリメ
トリ
１回の測
定毎に選
択可
△ × 1g 1500万円
ボンベ熱
量計
１回の測
定毎に選
択可
○ × 1g 350万円
○
あまり
激しい
反応は
困難
カルベ式
熱量計
何度でも
可
○ 数百mg 5000万円
DSC
何度でも
可
△ 数十mg 700万円
 
 
 
 
 
 
 
 
電源 
 
 
 
 
電源プラグ      伝熱プレート           サンプル             位置決めネジ 
エポキシ蓋      内容器                 アルミナ層           固定用ボルト 
発泡スチロール蓋      外容器                 氷                   ガラスエポキシ板 
銅板          クランプ               水                   指示管 
                      ニクロムリボン 
 
 
実際の発熱量は測定された発熱量から給電ケーブルを伝わって散逸する熱量を加え、給電に
よって加えられた熱量を差し引くことにより求めら
れる。給電によって加えられた熱量は電流と電圧から
求めた。一方給電ケーブルを伝わって散逸する熱量は
次のように求めた。(1)ヒーターの温度と電気抵抗の関
係を熱電対とテスターにより測定。 (2)実際の測定時
に給電電圧と電流値から抵抗値を求めヒーターの抵
抗値を導出し、その抵抗値からヒーターの温度上昇を
推算。(3)発熱も吸熱も行わない熱的に中性なアルミナ
を用いて測定を行い、ヒーターの温度上昇と熱の散逸
量の関係を明らかにする。 (4)ヒーターの温度上昇と
給電ケーブルを伝わって散逸する熱量が比例すると
して、測定中に散逸する熱量を求める。 
 
４．研究成果 
測定した発熱スリーブの組成を表 2 に、測定結果を表 3 に示す。発熱量はメーカーにより 0.4
～2.9 kJ/g の範囲であり、平均値は 1.2 kJ/g であった。この平均値は、メーカーのカタログ値であ
る約 5 kJ/g や DSC の値である〜3 kJ/g と比較すると、かなり低い値であることがわかる。組成
と発熱量を比較すると、アルミニウムと酸化鉄のテルミット反応が主な発熱源と考えられる。具
体的には、アルミニウムの酸化剤として含まれる酸化鉄を、過剰に含有されているアルミニウム
がすべて消費すると反応が停止し、全体の発熱量は酸化鉄の量によって決まる。 アルミニウム
の酸化反応に対する空気中の酸素の寄与は大きくないと考えられる。これは、有機バインダから
発生する熱分解ガスが空気中の酸素をパージすることが他の実験で確認されていること、熱分
解の分解物である炭素がスリーブ内に常に残存しているため、スリーブ内の酸素ポテンシャル
 
 
化学組成 (質量 %) 
発熱スリーブ 断熱 
スリーブ S 試料 M 試料 F 試料 
Al 13.7 20–28 18–23 – 
Al2O3 31.4 12–20 13–23 60–70 
SiO2 14.8 19–25 28–38 25–35 
Fe Oxide 18.2 10–16 7–12(*) – 
Fe2O3 – < 2 – <0.05 
MgO 2.1 – – – 
CaO 4.0 – – – 
炭素 7.5 1–4 – – 
不明 8.3 3.5–9.5 4–34 <15 
表 2 測定したスリーブの組成 
(*) 不特定の酸化剤を含む 
図 2 発熱スリーブの発熱量測定装置 
は低く、酸素供給量が著しく少ないことが主な原因であると思われる。 また、本研究で得られ
た値は、数値シミュレーションと模擬鋳造条件下での部品温度分布実験に基づき、最近発熱スリ
ーブについて推定された熱量、約 1 kJ/g1)と整合することが確認された。 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
参考文献 
1) 鋳造工学 複雑形状鋳鉄鋳物の CAE シミュレーション法 伊藤 幸司, 山田 裕一, 中島 淳, 
ゴォ ニュ ホアン 2016 年 88 巻 12 号 p. 745-751 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
表 3 スリーブの発熱量の測定結果 
   発熱スリーブ 
断熱スリーブ 
   S M F 
   1 回目 2 回目 1 回目 2 回目 1 回目 2 回目 1 回目 2 回目 
給電ケーブルからの
熱損失               kJ 0.786  0.994  0.939  0.980  0.775  0.779  1.133  0.862  
試料の発熱量          kJ 1.381  2.169  1.047  0.672  0.448  0.536  0.732  0.542  
試料質量             g 0.791  0.740  1.231  1.075 1.137  1.120  1.190  1.220  
1g あたりの発熱量 kJ/g 1.746  2.931  0.850  0.625  0.394  0.478  0.615  0.444  
テルミット反応によ
る発熱量* kJ/g 0.974 0.696 0.508   –   – 
 
  
金属アルミニウムの
酸化による発熱量* kJ/g 2.356 6.076 5.871   –   – 
 
  
上記の発熱量の総和* kJ/g 3.330 6.772 5.363   –   – 
 
  
*金属アルミニウムおよび 鉄酸化物の含有率からの推算値  
５．主な発表論文等
〔雑誌論文〕　計2件（うち査読付論文　2件／うち国際共著　0件／うちオープンアクセス　2件）
2023年
2022年
〔学会発表〕　計4件（うち招待講演　0件／うち国際学会　0件）
2021年
2021年
 ２．発表標題
 ２．発表標題
第42回日本熱物性シンポジウム
日本鉄鋼協会　2021年第181回春季講演大会
 １．発表者名
 １．発表者名
ゴォ ニュ ホアン, 西 剛史, 加賀美 将
根崎史歩, 西剛史, 太田弘道
 ３．学会等名
オープンアクセスとしている（また、その予定である） －
氷熱量計を用いた鋳造用押湯スリーブ材の発熱量測定
氷熱量計を用いた鋳造用スリーブの発熱量測定
 ４．発表年
 ４．発表年
 ３．学会等名
10.1515/htmp-2022-0240
 ３．雑誌名  ６．最初と最後の頁
有
 オープンアクセス  国際共著
 ２．論文標題  ５．発行年
Evaluation of the calorific value of exothermic sleeve material by the adiabatic calorimeter
High Temperature Materials and Processes 599-604
 掲載論文のDOI（デジタルオブジェクト識別子）  査読の有無
 オープンアクセス  国際共著
オープンアクセスとしている（また、その予定である） －
 ４．巻
Ngo Nhu Hoang , Tsuyoshi Nish, Hiromichi Ohta 41
 １．著者名
Measurement of Exothermic Values of Casting-sleeve Materials Using an Ice Calorimeter
ISIJ International 678-686
 掲載論文のDOI（デジタルオブジェクト識別子）  査読の有無
10.2355/isijinternational.ISIJINT-2022-206
 ３．雑誌名  ６．最初と最後の頁
有
 ４．巻
Hoang Nhu Ngo, Tsuyoshi Nishi, Hiromichi Ohta 63
 １．著者名
 ２．論文標題  ５．発行年
2019年
2020年
〔図書〕　計0件
〔産業財産権〕
〔その他〕
－
６．研究組織
７．科研費を使用して開催した国際研究集会
〔国際研究集会〕　計0件
８．本研究に関連して実施した国際共同研究の実施状況
共同研究相手国 相手方研究機関
 ２．発表標題
 ２．発表標題
所属研究機関・部局・職
（機関番号）
氏名
（ローマ字氏名）
（研究者番号）
備考
 ３．学会等名
 ３．学会等名
第 40 回日本熱物性シンポジウム プログラム
日本鉄鋼協会第179回 春季講演大会 学生ポスターセッション
 ４．発表年
 １．発表者名
 １．発表者名
ゴォ ニュ ホアン, 須賀 美里, 森川 智仁, 太田 弘道, 西 剛史
須賀美里,太田弘道,西剛史
ブンゼンカロリメトリを原理とした氷熱量計開発
鋳造用スリーブの発熱量測定を目的とした氷熱量計の開発
 ４．発表年


鋳鉄用発熱スリーブの発熱量測定法の開発

車谷, 麻緒

V&Vに基づくコンクリート構造物の新しい評価体系の構築とその社会実装に向けた検討

北, 和之

森林バイオエアロゾル放出動態解明と福島事故による放射性セシウム飛散の定量的推定

竹田, 晃人

脳ネットワークにおける高速・高精度な機能的クラスタ/ハブ細胞の検出法の開発

岩路, 善尚

茨城大学・理工学研究科（工学野）・教授
科学研究費助成事業　　研究成果報告書
様　式　Ｃ－１９、Ｆ－１９－１、Ｚ－１９ （共通）
機関番号：
研究種目：
課題番号：
研究課題名（和文）
研究代表者
研究課題名（英文）
交付決定額（研究期間全体）：（直接経費）
１２１０１
基盤研究(C)（一般）
2022～2020
同期マイナーサンプリング処理によるチューニングレス・モータ制御法
Auto-Tuning Technique for Motor Drives by Synchronous Minor Sampling Method
９０６０４６４５研究者番号：
岩路　善尚（Iwaji, Yoshitaka）
研究期間：
２０Ｋ０４４３７
年 月 日現在  ５   ６ ２２
円     3,200,000
研究成果の概要（和文）：小型高効率な永久磁石同期電動機に対して、事前に調整作業を行うことなく、結線後
にすぐに起動可能となる制御技術を開発し、実験によって検証した。永久磁石同期電動機を回転位置センサレス
で起動する際の起動シーケンスを利用して、従来よりも短い電流サンプリング処理を追加することによって、通
常起動と同時にパラメータの計測を実行することが可能となり、目標を達成した。
研究成果の概要（英文）：We have developed a control technology for small, highly efficient permanent
 magnet synchronous motors that can be started immediately after wiring without prior adjustment 
work, and verified it through experiments. This was achieved by using the start-up sequence of a 
permanent magnet synchronous motor driven without a rotational position sensor, and by executing 
current sampling at a shorter cycle than conventional control processing, and by executing parameter
 measurement.
研究分野： パワーエレクトロニクス
キーワード： 永久磁石同期電動機　ベクトル制御　センサレス制御　パラメータ同定
  ２版
令和
研究成果の学術的意義や社会的意義
脱炭素化社会をめざす中、様々な用途においてエネルギー効率の高い電動機が動力源の中核になっていく必要が
あり、この電動機を使いこなす制御技術の役割は極めて重要である。また、制御を担うマイクロプロセッサーの
能力は今もって進化を続けており、この高性能化によって新たな付加価値が引き出せることを実証できた点にお
いても、今後の研究につながる成果であると言える。
※科研費による研究は、研究者の自覚と責任において実施するものです。そのため、研究の実施や研究成果の公表等に
ついては、国の要請等に基づくものではなく、その研究成果に関する見解や責任は、研究者個人に帰属します。
様 式 Ｃ－１９、Ｆ－１９－１、Ｚ－１９（共通） 
 
１．研究開始当初の背景 
(1)電動化の推進 
 地球環境に優しい動力として、世界規模で電動化が推進されている。この動きは自動車だけに
留まらず、ドローン，航空機の電動化などにも向けて，国内外で広く研究されている。また、産
業分野においても、よりエネルギー消費の少ない、高効率な電動機の採用が広がっている。 
 これらに適用する電動機としては、「永久磁石電動機（以下、ＰＭモータ（Permanent Magnet
モータ）と略）」が最有力な電動機であり、出力密度の向上や、さらなる高効率化をめざして、
多くの研究がなされている。 
 ＰＭモータは、非常に優れた性能を示す一方、その電気特性は千差万別であり、各々のＰＭモ
ータの特性に合わせた「制御」が必要である。ＰＭモータ本体の性能だけが突出しても、それに
制御が対応できなければシステムとして成立しない。ＰＭモータの性能を極めるほど、制御との
「合わせ込み作業」が重要になる。 
(2)モータ特性の合わせ込み（チューニング）技術 
 この「合わせ込み作業」を自動的に行う「オートチューニング機能」が、産業分野の汎用イン
バータにはすでに搭載されており、電動機の電気定数を自動的に計測することができる。 
 しかしながら、ＰＭモータは、設計によって極端な非線形特性を示す場合が多い。この非線形
特性は、ＰＭモータのメリットでもある「小型化」を追求すればするほど、顕在化する問題であ
る。このため、仮に事前にオートチューニングによって電気定数を取得したところで、ＰＭモー
タの動作状態によって特性が変化してしまったり、あるいは駆動中に発生する熱によって磁気
特性が変化し、電気定数がずれてしまうといった問題が生じる。よって、理想的には実運転中に、
運転動作と並行して実行される「オンラインチューニング」が望ましい。これまでにも、様々な
「同定技術」を導入したオンラインチューニングの報告はあるが、実用レベルでの「チューニン
グレス」の実現には至っていない。 
 
２．研究の目的 
 本研究の目的は、この事前のチューニング作業を完全になくし、理想的なオンラインチューニ
ングを実現することである。この結果、前述の非線形特性への対応も可能となり、如何なる設計
のＰＭモータに対しても、調整レスのロバスト制御を実現できるようになる。 
 ＰＭモータの応用システムは多種多様であるが、本研究では産業や家電分野で多く用いられ
ている「位置センサレス制御システム」を対象とする。ＰＭモータを駆動するには、原理的に回
転軸の位置角度センサ（パルスエンコーダやレゾルバなど）が必須であるが、それを排除したも
のが位置センサレス制御であり、ファン、ポンプ、圧縮機などに幅広く用いられている。この位
置センサレス制御では、センサの代わりにＰＭモータの電気定数を用いて、位置の推定演算を行
っている。言わば、電気定数の設定値が生命線であり、オンラインによる定数同定を検証するに
は最も適した対象である。 
 
３．研究の方法 
(1)従来のモータ制御処理 
 ＰＭモータの制御は、数 10～数 100μs の周
期（これを Ts とする(図 1)）で制御処理が行
われている。この周期 Ts は、ＰＭモータを駆
動するインバータのスイッチング周波数に連
動しており、この周期をベースに電流制御や
位置センサレス制御などが実行されている。 
 従来型のオンラインチューニング処理（定
数同定処理）も、この周期 Ts で得られた状態
量（電流や電圧、推定速度など）を用いて行わ
れていた。そのため、周期 Ts に対して 5～10
倍程度の時定数で同定値が収束することにな
る。実際には、何かしらの同定信号（例えば、
ホワイトノイズや、ステップ信号などの過渡
現象）を与える必要があり、同定までにはさら
に時間を要してしまう。また、同定信号自体
が、ＰＭモータの駆動システムとしては余分
な信号（外乱）であり、これも実用化から遠ざ
かっている要因の一つでもある。 
(2)提案手法 
 提案する手法は、ＰＭモータの基本制御周
期 Ts に対して、それを整数分割した短い演算
処理周期 Tsms で、定数同定処理を行う（これ
を“同期マイナーサンプリング処理と呼ぶ（以下、「SMS 処理（Synchronous Miner Sampling 処
理）」と略」）。この SMS 処理周期 Tsms は、従来の処理周期 Ts に対して、Tsms=Ts/k（k は整数）
のように設定して、Ts よりも短い処理周期においてＰＭモータの状態量（電流や電圧）のサン
プリングを行う。より早い周期によって処理を行うことで、ＰＭモータ本来の電流制御などへの
影響をなくし、また短時間で電気定数を同定する。例えば、モータの起動時に瞬間的に電気定数
を同定して、即座に制御ゲインに反映する。 
 従来に比べて演算負荷は増加するが、現在のハイエンドクラスのデジタル処理を用いれば、十
分に実現可能と考えている。例えば、音声信号処理の分野では、200kHz 近傍でのサンプリング
による信号処理がすでに実現されており、それらの技術を流用してＰＭモータ制御に数μs～10
μs 程度の制御処理を導入する。また、SMS 処理を周期 Ts に同期させること（k を整数とするこ
と）は重要なポイントである。この同期によって、サンプリングに伴うエイリアスを抑え、精度
よく状態量を検出することが可能となる。 
 
４．研究成果 
（1)実験の概要 
 本研究で開発したチューニングアルゴリズムを，ＰＭモータのセンサレス駆動に適用して実
験を行った。実験では，定数が全く未知の３つのモータを用いて，接続するだけで定格負荷の駆
動が実現できることを確認した。 
 図 2 は，ＰＭモータのセンサレス駆動における始動時のシーケンスである。センサレス駆動で
は，回転子位置の情報がないため，初めに停止状態で直流を流して，この直流の電磁力で回転子
を移動し，位置合わせを実施する。その後，電流を流したまま加速し，速度がある程度（約 10％）
まで到達したところで，回転位置を推定しながら駆動する「センサレス制御」に切り替える。こ
のセンサレス制御の範囲では，理想的な「ベクトル制御」が実現できるが，回転位置推定のため
にモータ定数を必要とする。 
 本研究では，この起動シーケンスの期間を利用して，制御に必要なモータ定数のすべてをチュ
ーニングする。システムのユーザーからは，通常のセンサレス駆動の一連のシーケンスと区別が
つかないが，実際には定数チューニングが実施されている。 
 図 2 に示すように，最初の直流位置決め期間においてモータの巻線抵抗 R1 を算出し，同時に
ｄ軸インダクタンス Ld を推定する。さらに，回転子位置が定まった状態で，その直交方向の q
軸のインダクタンス Lq も高調波を利用してチューニングする。最後に加速中に，発電定数 Ke を
求めて，制御に必要なすべての定数を得ることができる。また，ＰＭモータの極数が不明の場合
もあるため，加速時には速度ではなく，誘起電圧を基準にして指令を生成するようにしている。 
（2)実験結果 
 図 3 に，実施の起動時の波形を示す。図 2 に従ったシーケンスで起動を行っている。また，イ
ンダクタンス計測中の波形を図 4 に示す。従来の制御周期（ここでは 100μs としている）に対
して，8 分割した SMS 処理を追加し，同期マイナーサンプリングによっても求めた高調波電流か
らインダクタンスを算出している。図 4 におけるθh は，SMS 処理周期で更新される高調波の位
相であり，この位相に基づいて cosθh を電流サンプル値に乗算し，フーリエ積分を実施しイン
ダクタンスを計算している。 
 図 5〜7 は，３種類のモータを用いて定数をチューニングした例である。それぞれにおいて，
センサレス制御に至るまでに，すべての定数の計測が完了していることがわかる。これらは，す
べて同じソフトウエアで，事前設定は始動電流の設定のみである（始動電流の値は，モータ銘板
記載の値を使用している）。図中に記載した「ノミナル値」は，R1，Ld，Lq に関しては LCR メー
タで計測した値である。誘起電圧定数 Ke は，モータを空転させて端子電圧から求めた値である。
チューニング結果とノミナル値が若干ずれているケースがあるが，このチューニング値によっ
て定格負荷までの駆動が実現でき，また効率も最大点に一致していることから，ここでのチュー
ニング結果は正しいものと判断できる。 
 以上，通常の起動シーケンスを利用した定数チューニング技術を開発し，実験によって，定数
未知のモータを駆動できることを確認した。 
 
５．主な発表論文等
〔雑誌論文〕　計0件
〔学会発表〕　計2件（うち招待講演　0件／うち国際学会　0件）
2021年
2022年
〔図書〕　計0件
〔産業財産権〕
〔その他〕
－
６．研究組織
７．科研費を使用して開催した国際研究集会
〔国際研究集会〕　計0件
８．本研究に関連して実施した国際共同研究の実施状況
共同研究相手国 相手方研究機関
（一社）電気学会産業応用部門大会
（一社）電気学会産業応用部門大会
 ２．発表標題
 ２．発表標題
所属研究機関・部局・職
（機関番号）
氏名
（ローマ字氏名）
（研究者番号）
備考
同期マイナーサンプリング処理によるチューニングレス・ロバストモータ制御技術
起動シーケンスを利用した永久磁石同期モータの定数同定法
 ４．発表年
 ４．発表年
 １．発表者名
 １．発表者名
藤田智浩
藤田智浩
 ３．学会等名
 ３．学会等名


同期マイナーサンプリング処理によるチューニングレス・モータ制御法

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