パワエレ技術の応用で企業との大型共同研究を推進―赤木泰文教授

2030年までに電気の8割がパワエレ技術を利用

「パワエレ」という言葉をご存知だろうか。私たちに身近なところでは、エアコンや冷蔵庫、洗濯機、蛍光灯など、多くの家電製品に採用されている。エアコンの圧縮機を駆動するモーターの回転数を制御する省エネシステム「インバータ^※1」の技術がこのパワエレ、つまり「パワーエレクトロニクス技術」の代表例である。

「Power Electronics（パワーエレクトロニクス）を直訳すると、『電力電子工学』となります。インバータはパワエレの一部であり、広くは半導体を用いて直流から交流への電力変換を行ったり、電力量を調整するなど、電力変換と制御を中心とした応用システム全般の技術を指します。太陽光発電で、パネルからの直流電力を50/60Hzの交流電力に交換し電力系統に送電する技術も、パワエレなのです。」

学生時代から数えてこの道一筋43年になるパワエレの第一人者、赤木はこのように語った。

「2030年までに、すべての電気の80%にパワエレ技術が利用されるという予測がアメリカの学会でも発表されています。パワエレ技術は『省エネ』や『創エネ』はもちろん、環境問題やエネルギー問題をも解決する非常に重要な基幹技術なのです。」

気難しいだけに開発しがいがある大型建機

このように、家庭から交通手段まで、私たちの生活に広く活用されているパワエレ技術だが、赤木が最近、特に注力しているのは、家庭で馴染みのあるものではなく、工事現場などで使われる建設機器などの大型機材だ。

「普通自動車では、すでにハイブリット自動車にインバータが使用されていますが、建設機械についても、各メーカーが電動化を進めています。私も建設資材企業と共同で、鉱山機械や建設機械、重機開発のハイブリッド建機の研究を行っているのですが、これがとても面白いです。普通車のハイブリッド車でしたらインバータも50kW程度なのですが、海外の鉱山で使用している超大型ダンプになると、1,000kW前後のインバータを使用します。これは新幹線の各車両の床下にあるインバータに匹敵します。」

そんな高圧大電力の分野では、回路は一見複雑でも、電力変換が「自然で無理のない」あるいは「筋が良い」ことが、必須条件だと赤木は続ける。

「私の趣味は囲碁ですが、囲碁の世界でも、『筋が良い、筋が悪い』という言葉をよく使います。電力の世界に戻せば、筋の悪い電力変換回路は、たとえ特許を取得できたとしても誰も利用してくれません。この『筋が良い、筋が悪い』という感覚を学生レベルで理解するのは非常に難しいです。とにかく、電力変換の本質を理解し、経験を積むことが肝要です。」

そんな背景もあってか、実際に企業との共同研究を進める際には、5年～10年先を睨んだ研究テーマを設定するよう心がけている。1年、2年先の研究テーマならば、当然企業だって取り組んでいる。それでは、到底企業に勝つことはできない。しかし、10年先まで見据えて単独で研究を行っている企業は、そうそうない。莫大な研究コストを全て企業が自費で負担しなければならないからだ。その点、大学は、研究費を確保すれば、5年、10年と研究を続けられる。企業が負担するコストは10分の1程度であり、赤木が次々と企業との共同研究を成功に導いている秘訣と言ってもいい。

ものつくりの原点は「ゴム動力の紙飛行機」

パワエレに出会ったのは大学時代だが、工学に興味を持つきっかけは、幼少時から整っていたのかもしれない、と赤木は振り返る。父親が国鉄職員であったという赤木は、岡山市で生まれ育ち、毎日のように蒸気機関車の勇姿を目にしていた。家族旅行では、京都駅で当時最新の旧151系特急電車「こだま号」と遭遇。その時の記憶は今でも鮮明に覚えていると目を輝かせる。

小学校時代には、ゴム動力の紙飛行機もよく作ったと顔をほころばせる赤木。

「まず、竹ひごをお湯で曲げて、紙を張り、主翼、尾翼、垂直尾翼を作ります。完成品に霧吹きをしておくと、翌朝、翼の紙がピーンと張って締まり、破れにくくなるんです。実際に飛ばしてみると、急上昇・急降下したり、木や障害物にぶつかって壊れてしまいます。これを何度も繰り返して改良を続けるうちに、安定して遠くまで飛ぶようになったんです。これが私の『ものつくり』の原点になっています。」

こうして、ものつくりにすっかり魅了されていった赤木は、名古屋工業大学の電気工学科に進学。電気機器、制御理論、電力系統工学などの電力エネルギー関連の科目に興味を抱いたが、その中で最も興味を持ったのが「電力変換工学」であった。ここで赤木は、後にパワエレ技術と呼ばれる、シリコン半導体で大電力を制御する技術と運命的な出会いを果たす。高校時代には全く知り得なかった世界。それが、1,500V直流電車を駆動する直流電動機のトルクを制御する基幹技術であることに衝撃を受け、1973年4月に電気工学科4年次の卒業研究配属で迷わずパワエレ研究室を選択する。ここから、赤木のライフワークとも言えるパワエレの飽くなき研究が始まった。

逆転の発想で難問を解決した「pq理論」

「結果として、この定義と物理的意味は、専門家がなんとなく抱いていたイメージに合致していたので、すんなりと受け入れられました。現在では、瞬時無効電力理論は国内外で『pq理論』と呼ばれています。」

「pq理論」が完成すると直ちに三相電力変換装置へ応用し、従来の無効電力理論では実現不可能な運転特性を世界で初めて実証する。これらの研究成果をまとめた論文は、電気電子工学の分野では世界で最も権威あるIEEE^※4論文誌（1984年7月号）に掲載。世界のパワエレ研究者・技術者を唸らせる。1983年の国際会議論文と1984年のIEEE論文誌論文の被引用件数の合計は4,000に達し、発表から30年以上を経過した現在も被引用件数は年々増加の一途をたどっている。

世界に冠たる鉄道王国を支えるパワエレ技術