富士電機株式会社 研究開発活動 (2024年3月期)

富士電機は、パワー半導体、パワーエレクトロニクス、計測・制御、冷熱などのコア技術を活用して、創エネルギーからエネルギー安定供給や省エネルギー、オートメーション、モビリティの電動化など、多くの先端的なシステムを手掛けています。
当連結会計年度における富士電機の研究開発費は36,059百万円であり、各部門の研究成果及び研究開発費は次のとおりです。
また、当連結会計年度において富士電機が保有する国内外の産業財産権の総数は13,268件です。

■エネルギー部門
発電プラント分野では、地熱発電プラントの発電効率や稼働率の向上に向けて、タービンの汚損抑制や高腐食性蒸気に対する耐久性向上などの要素技術を開発しました。タービン翼の汚損抑制のためDLC(Diamond-Like Carbon:非晶質炭素膜)コーティングによるスケールの付着量の低減技術を開発し、実機への適用を進めています。高腐食性蒸気対策では、腐食速度のシミュレーション技術を確立し、発電用蒸気中の腐食成分や温度圧力条件に適したタービン材料の選定が可能となり、タービンの耐久性向上を実現しました。また、地熱発電所向けメンテナンスサービスとして、発電機内に侵入する硫化水素ガスを測定し、金属ボルトやパッキンなど周辺部品の劣化状態を推定する技術を開発しました。運転中の発電機から、劣化要因となる腐食性ガスを測定して固定子巻線の劣化状態を推定する実用化済の技術と合わせることで、地熱発電プラントの寿命推定精度を向上し、保守・保全プランを提案します。また、工場・施設などの電源向けに、自動車用の固体高分子形燃料電池モジュールを適用した定置型の水素発電システムの開発を進めています。日本産業規格(JIS)に準拠した安全性試験(JIS C 62282-3-100)と性能試験(JIS C 62282-3-200)を完了し、加えて、連続運転試験を実施し、10年の耐久性が得られる見通しを得ました。
エネルギーマネジメント分野では、富士電機インド社において、業界最高レベルの変換効率98.8%を実現した太陽光発電向けのセントラル型PCS(Power Conditioning System)「PVI1500CI」(DC1,500V、1,000～4,000kVA)を開発し発売しました。インド政府は2030年までに二酸化炭素排出の50%削減を目指しており、インドの太陽光発電市場は年間8～10GW規模で拡大すると予想されています。PVI1500CIは、日本で販売実績のあるPVI1500CJをベースとし、1,000kVAの電力変換モジュールを4台組み合わせることにより、最大4,000kVAの大容量に対応します。国内では、再生可能エネルギーの普及拡大に向けた電力需給調整力の一つとして、定置用蓄電池の導入が期待されています。蓄電池システム向けに、重耐塩仕様の屋外設置型・2,600kVA蓄電池用PCS (PVI1400CJ-3)を開発し発売しました。また、蓄電池の高電圧化に対応し、最大入力電圧をDC1,500Vとした2,750kVA蓄電池用PCS「PVI1500CJ-3/2750B」を開発し発売しました。高電圧化により同一容量での電流値が下がることで接続配線を削減できます。さらに、電力市場で取引する事業者に対し、蓄電池の充放電計画の策定など運用を支援することにより、収益拡大に貢献する蓄電池運用システムの開発を進めています。蓄電池の充放電計画の策定機能を開発し、シミュレーションにより収益改善への有効性を確認しました。
変電分野では、設置面積を大幅に削減した154kV,200MVAの特別三相変圧器を開発しました。特別三相変圧器は、三相変圧器を3個の単相変圧器に分割して輸送し、現地で再組立てが可能な構造の変圧器です。今回、単相変圧器の構造を改良し、負荷時タップ切換器を単相変圧器内に収納することで、当社同仕様の三相変圧器に対して、本体部分の設置面積を20%削減しました。
施設・電源システム分野では、工場設備や医療設備、放送・通信設備向けに200V系の中容量無停電電源装置「UPS6600FX」(20～50kVA)に加えて、「UPS7600FX」(50～100kVA)を開発し発売しました。中容量UPSシリーズは、インバータやコンバータなどの電力変換部をユニット構造として交換を容易にし、冷却ファンや制御電源などの部品を長寿命化したことにより、メンテナンスコストの削減に貢献します。また、データセンターの大容量化のニーズに対応するため、業界最大クラスとなる単機容量2,400kVAの大容量モジュール型無停電電源装置「UPS7500WX」を開発し発売しました。商用電源が正常な際に、電力損失が少ない商用電源から給電する「高効率運転モード(HEモード)」を搭載し、電力交換効率98.5%を実現しました。また、周辺盤を組み合わせた一体設計とすることで、設置面積を従来比25%削減し、業界最小クラスを実現しました。
器具分野では、これまで業界を牽引してきた国内トップシェアの電磁開閉器を35年ぶりにフルモデルチェンジした「SC-NEXTシリーズ」の定格通電電流値11～18Aと20～38Aを開発し発売しました。内部構造の見直しにより横幅寸法を従来比で28%削減し、制御盤の小型化や高性能化に貢献します。また、コイルの改良により消費電力を従来比で最大73%削減し、業界トップの低消費電力を実現しました。さらに、プラスチック材料の98%にリサイクル可能な材料を採用し、環境に配慮した製品としました。
当連結会計年度における当部門の研究開発費は9,116百万円です。

■インダストリー部門
ファクトリーオートメーション分野では、工作機械やファン・ポンプ、搬送ライン向けの汎用インバータ「FRENIC-Ace シリーズ」を刷新し、発売を開始しました。海外で広く普及し、高速通信が可能な通信規格であるEthernetを標準搭載したタイプや、省スペース化が可能なフィンレスタイプなどの機種をそろえ、インバータのメンテナンスに有効な予兆保全機能を強化しました。本製品は、日本、東南アジア、欧米などにグローバルに展開していきます。
FAコンポーネント分野では、製造現場の装置・機械の監視・操作に用いられ、IoTシステムのゲートウェイ機器としても活用されるプログラマブル表示器「MONITOUCH V10シリーズ」を開発し発売しました。クアッドコアCPUの搭載とアプリケーションの最適化により、業界トップの操作性と視認性、通信処理の高速化を実現しました。また、ロボット・印刷機・金属加工機・搬送装置向けに中容量(2.9kW～7.5kW)対応のサーボシステム「ALPHA7」シリーズを開発し発売しました。国際標準規格IEC 61800-5-2などで定義された各種安全機能にも対応し、安全操業に貢献します。さらに、「ALPHA7」用の診断オプションを開発し発売しました。当社独自のアナリティクス・AI(MSPC)を適用した異常診断機能により、加工装置など設備の正常時のデータ(診断モデル)と稼働中のデータの差異を解析することで異常の検知や原因分析ができます。これにより、装置の安定稼働に貢献します。また、加工機械・包装機械向けのサーボシステム「ALPHA5 Smart」シリーズの後継品として、容量0.2kW～4.4kWの「ALPHA7S」シリーズを開発し、発売しました。「ALPHA5 Smart」シリーズに比べて周波数応答を2倍以上の3.2kHzに高速化し、モータの位置や速度を検出するセンサー(エンコーダ)の分解能を従来の20bitから24bitに高精度化したことで、機械のタクトタイム短縮と加工精度の向上に貢献します。
駆動制御システム分野では、鉄鋼、クレーン、自動車、石油化学など国内外の様々な産業向けに出力電圧400V及び690Vのプラント用インバータ「FRENIC-GS」を開発し発売しました。本製品は国際規格(IEC、CE、ULなど)に対応するとともに、冷却構造とスタック収納構造の刷新により、業界最高レベルの小型・高出力化、省配線化を実現しています。さらに、制御LANと情報LANを分離することで高速・高精度な制御を行いながら、詳細な設備の監視が可能となりました。これらにより、顧客の生産性向上、安定操業、保全作業の省力化に貢献します。また、国内鉄鋼圧延プラント設備を中心に1970年代に多数納入された直流電動機(日本電機工業会規格 JEM1109に準拠)の互換型として「800番/600番互換型鉄鋼圧延補機用誘導電動機」を開発し発売しました。本誘導電動機は既設の直流電動機に外形寸法を合わせたとともに、出力や回転速度及び過負荷耐量を含めた電気仕様、耐震強化構造や冷却方式についても既設の直流電動機と同等仕様としたことにより、短期間でのシステムの置き換えを可能としました。
計測制御システム分野では、ソフトセンサを構築するためのツールとして、業界で初めて自動機械学習を適用した「推算用モデル式構築/演算ツール」を開発し発売しました。ソフトセンサは、リアルタイムで測定することが難しい濃度や強度などの値を、温度や圧力、流量などの容易に収集できるデータを使って推算する技術で、化学や鉄鋼、製薬などのプラント・工場で用いられます。このソフトセンサを監視制御システムに実装することで、製造過程の製品状態をリアルタイムで推算でき、原料やエネルギーのムダを抑えることが可能となりますが、一方でソフトセンサを構築するためには多くの作業が必要で、構築に時間がかかっていました。今回開発した「推算用モデル式構築/演算ツール」は、ソフトセンサを構築する工程を自動化したことで作業の大幅な時間短縮を実現し、顧客の作業効率を改善します。
原子力分野では、原子力発電所の廃止措置で発生する廃棄物の円滑な処理に向けて、迅速に放射性元素濃度を分析するため、試料の前処理を含めた分析システムの開発を進めています。また、原子力発電所で発生する廃液や焼却灰を固化して処分するため、一般的に使用されているセメントに比べてセシウムの閉じ込め効果が高いジオポリマーを用いた安定固化技術の開発を進めています。
放射線機器・システム分野では、任意の場所で中性子線の線量率の測定が可能な可搬型モニタリングポストを開発し発売しました。内部機器の改良などにより小型軽量にしたことで、移動式架台に機器類を実装して容易に運搬できます。また、内蔵したGPSによって取得した位置情報と線量率データと合わせて保存することで、自然災害時などにおける安全管理を支援します。
情報制御システム分野では、製造業のDX(デジタルトランスフォーメーション)に貢献するため、MES(Manufacturing Execution System:製造実行システム)を提供しています。MESは、複数の「MainGATE」のパッケージで構成されています。従来は分かれていた製造の実行指示、製造管理、統合マスタ管理を一つに統合したパッケージを開発し発売しました。新たに搭載した製造実績データの連携機能により、操業の効率化・品質管理・設備保全などに活用できます。さらに、国際標準の通信規格OPC UAに準拠したことで、連携可能な監視制御システムや基幹業務システムが拡大しました。また、製造実績分析パッケージ「MainGATE/PPA」の機能を拡張した「MainGATE/MPA」を開発し発売しました。生産管理の国際標準規格ISO22400-2に準拠し、そこで定められた製造現場の主要な4つのオペレーション領域毎(品質/生産性/保全/在庫)に分析テンプレートを準備し、KPI(重要業績評価指標)からプロセスデータまでのドリルダウン分析を可能とすることで、データ活用による製造工程のDXを支援します。さらに、製造現場に設置される様々な機器のデータを収集するエッジコントローラ「FiTSAΣ B5」を開発し発売しました。メモリ容量を拡大したことで従来製品比2倍のデータを収集・蓄積することが可能となり、詳細な生産設備の監視や収集データの分析を支援し、生産性向上に貢献します。また、オフィス業務のDX実現に向けて、これまでオンプレミスのWEBシステムとして多数の導入実績のある、民間企業向けのワークフロー「ExchangeUSE」と行政向けの文書管理システム「e-自治体」について、クラウドを利用するSaaSサービスの製品として新たに開発し発売しました。オンプレミス製品として提供してきた豊富な機能から、顧客の業務に合わせて最適な機能を選択して利用できるため、短期間かつ低コストで導入可能です。
フィールドサービス分野では、回転機故障予兆監視システム「Wiserot」において、無線周波数帯域に315MHzに加えて912MHzを追加して無線式振動センサの無線通信距離を従来の20mから150mに延長した長距離版を開発し発売しました。これにより、高所を含め屋内外の様々な場所に設置された回転機に対応でき、予兆監視システムを容易に構築できます。
当連結会計年度における当部門の研究開発費は10,788百万円です。

■半導体部門
産業モジュール分野では、低損失で高温動作が可能な第7世代IGBT技術を適用した製品の系列を拡大しています。鉄道や再生可能エネルギー分野における高耐圧化の要求に応えるため、大容量モジュール「HPnC」(High Power next Core)パッケージに、最新の第7世代IGBT/FWD「Xシリーズ」チップを搭載した1,700V耐圧品、2,300V耐圧品を開発し発売しました。3,300V耐圧品のサンプル展開もあわせて進めています。風力発電システム向けには、電力安定化回路に対して最適化した第7世代IGBTモジュール1,700V/600A DualXTを開発し、量産を開始しました。このモジュールの適用により、電力変換装置の信頼性向上に貢献します。また、太陽光発電システム向けに最適化したIGBTモジュール1,200V/800A(M276パッケージ)を新たに開発し、サンプル展開を開始しました。従来の1200V/600Aから定格電流を拡大したことにより、装置の小型化に貢献します。エアコンやサーボシステム向けには、第7世代IGBT/FWDチップを搭載したモールドタイプの小容量IPM(Intelligent Power Module)650V/10～30Aを開発し発売しました。モールド構造の採用により高密度実装化することでモジュールの外形寸法を大幅に小型化(従来ケース構造比40%)しました。また、最新のチップを適用することで、従来製品に対して、電力損失を10%低減し、電磁ノイズも約1/3に低減しました。これらにより、機器の小型化と省エネに貢献します。さらに、鉄道や再生可能エネルギー分野向けのパワエレ機器の小型・軽量化、高効率化のため、第2世代SiCトレンチゲートMOSFETを搭載した1,700V/200,300,400A(M295パッケージ)のAll-SiCモジュールを開発し、量産を開始しました。また1,200V耐圧製品の開発も完了し、量産化の準備を進めています。第2世代SiCチップの適用により、従来のSi-IGBTチップに比べて総損失を約70%低減しました。また、今回新たに開発したM295パッケージは、従来の標準パッケージ(M276)に比べて配線インダクタンスを24%削減したことで、ノイズや故障の原因となるサージ電圧を低減できます。これらにより、インバータなどの顧客装置の効率向上や信頼性向上に貢献します。
車載モジュール分野では、中国の電動車市場向けに、RC-IGBTチップと冷却性能の改善により、電力密度をさらに高めた直接水冷型パワーモジュール750V/820A(M675パッケージ)を開発し、量産を開始しました。また、2026年以降のxEV(電動車)モデル向けに、損失を低減し信頼性を高めた次世代IGBT及びSiCの開発を進めています。これらの製品を通じて、電動車の高効率化と小型軽量化に貢献します。
IC分野では、LED照明用第4世代臨界PFC-ICを開発し、量産を開始しました。力率向上とTHD(全高調波歪率)改善機能により、国際標準規格IEC61000-3-2で定められた高調波電流規制Class Cに準拠しました。また、当第2四半期から量産を開始した第4.5世代LLC電流共振ICと組み合わせて適用することで、電源システムにおける軽負荷時の効率向上、待機電力の低減、電源部品の削減によるコストダウンに貢献します。また、スイッチング電源向けに、第7世代PWM制御ICの量産を開始しました。ICの間欠動作機能を追加することにより、電源待機時の消費電力を低減し、省エネルギーに貢献します。さらに高電圧入力端子の耐圧を従来の500Vから業界最高の710Vに高耐圧化したことで、海外の電力供給が不安定な地域でも適用可能になります。
感光体分野では、耐久性と画質を向上させたオフィス向けカラー複写機用感光体を開発し、量産を開始しました。高耐摩耗性の樹脂と高感度特性を備えた電荷輸送材を採用し、それらの配合比率を最適化することで、従来品よりも長期間にわたり安定した画像品質を実現しました。また、オフィス向け中速カラープリンタ用の有機感光体を開発し、量産を開始しました。添加剤の種類と量を最適化する事で感度を向上させるとともに、温湿度変化に対して特性変動が少ない電荷発生材を採用することで、従来品よりも色ムラの無い画像品質を実現しました。
当連結会計年度における当部門の研究開発費は12,452百万円です。

■食品流通部門
自動販売機(自販機)分野では、省エネルギー(省エネ)性能を向上させた「サステナ自販機」の機種拡大を進めました。2023年度は小型機を中心とした15機種を追加し、合計24機種に拡大しました。この自販機は、インバータ制御によるコンプレッサの高効率化、庫内構造と断熱材の最適化による侵入熱量の低減などを進めることにより、従来機と比べて年間消費電力量を最大20%削減しました。業界最高レベルの省エネを実現し、“2023年度省エネ大賞”の製品・ビジネスモデル部門において、経済産業大臣賞を受賞しました。
店舗分野では、外食産業やオフィス向けに、ドリップタイプの業務用全自動コーヒーマシン「Cafe Mania」を開発し発売しました。新規に開発した超微細ファインメッシュフィルタでコーヒーを抽出することで、豆本来の香りや風味を残しながら、雑味を極限までなくしました。また、レストランやオフィスでの使いやすさに配慮し、清掃やメンテナンスの際に取り外して洗浄する部品を減らすとともに、簡単に脱着できる構造としました。また、平型冷凍ショーケースの消費電力量削減のため、ショーケースの上部に取り付け可能な「省エネフード」を開発し発売しました。商品の取出しやすさを維持しながら、天井からの輻射熱による熱負荷の侵入を低減し、冷凍機の負荷を削減することで省エネを実現しました。
当連結会計年度における当部門の研究開発費は3,666百万円です。

■新技術・基盤技術分野
太陽光発電や風力発電で発電し、貯蔵した電力を電力取引市場で売買するビジネスが拡大しています。そこで、電力取引における独立系発電事業者(IPP)や特定卸供給事業者(アグリゲーター)などの収益最大化に向けて、EMS(Energy Management System)に搭載する、電力取引市場の価格予測技術を開発しています。主な電力取引市場には、取引当日の発電機不調や気温変化による発電量の需給を調整するための「時間前市場」や電力需給のバランスを調整するため、蓄電池の充放電量などを取引する「需給調整市場」があります。これらの市場向けに各々価格予測技術を開発し、高精度に予測できることを確認しました。また、卸電力や需給調整などの新たな電力取引市場での収益向上のため、充放電を計画的に行う蓄電池システムの制御技術を開発しました。その中で当社は、蓄電池に水素製造装置を組み合わせて、これらを最適に制御するハイブリッド制御技術を開発しました。水を電気分解して水素を生成する水素製造装置により、蓄電池に貯蔵できない余剰な電力を無駄なく水素として貯蔵し、これを活用することで、収益の最大化に貢献します。
エネルギー利用効率向上や生産性向上のため、デジタル技術を活用した製造現場のスマート化が進展しています。これに伴いネットワーク化が進んでいますが、外部からのサイバー攻撃による情報流出や生産停止のリスクは増大しており、サイバーセキュリティ対策の重要性が増しています。そこで、制御システムにおけるセキュリティの国際標準規格であるIEC62443への対応に向けたセキュリティ検証技術の開発を進めています。現在、当社コントローラ製品を対象として、規格に準拠するために必要な暗号化や電子証明書を用いたセキュアなプログラム起動技術などの要素技術を抽出し、認証取得に向けた機能を開発しました。今後は順次、当社製品への適用を進める予定です。
当社の半導体事業は、需要の拡大により多くの案件に対応するため、開発リードタイムの短縮が課題となっています。この課題を解決するため、シミュレーション技術の高度化を進めています。この中で、パワー半導体の電気回路と熱の連成解析において、従来の3Dモデルと同等の解析精度を維持し、かつ、1/1000の短時間で計算できる1Dモデルの技術を確立しました。今後、本技術をパワー半導体モジュールの設計ツールへ展開することで、開発リードタイムの短縮に貢献していきます。
近年、分散型電源の利用が拡大する中、太陽光発電や燃料電池、蓄電池など、直流で動作する電源設備が増えています。これらを直流バスで接続する直流配電システムの高効率化に向け、低損失かつ広範囲な電圧変動に対応可能なDC/DCコンバータを開発しています。現在、小型化・高効率化に向けて、当社SiCモジュールを適用して検証を進めています。試作機の性能評価の結果、変換効率は、定格電圧条件(入力600V/出力750V)で業界トップクラスの98%を達成しました。
SiCデバイスの性能を向上させるため、計算科学を用いて、デバイス特性の変動要因となる結晶欠陥の発生や抑制メカニズムの解明に取り組んでいます。今回、機械学習を活用した大規模な分子動力学計算(2千～1万原子規模)の技術を確立し、製造条件の違いによる結晶欠陥の発生メカニズムを明らかにしました。この技術を活用して製造プロセスの最適化を行い、デバイスの性能向上に貢献します。
カーボンニュートラルの実現に向けて、工場排熱を有効利用する産業向けのヒートポンプがこれまで以上に注目されています。これに対応すべく、工場の生産工程で廃棄されていた60℃から100℃の排熱を活用し、自動販売機で培ったヒートポンプ技術を適用して高効率に蒸気を生成する排熱回収型150℃蒸気発生ヒートポンプ技術を開発し、製品化に向けた取組を進めています。これにより、工場の省エネルギー化やCO2排出量の削減に貢献します。
将来の水素社会実現に向けて、水素製造装置のコスト低減が見込めるAEM(Anion Exchange Membrane)型水電解水素生成技術の開発に取り組んでいます。性能向上や長期信頼性などの技術課題の抽出と対策を検討するため、水電解セルの開発を進めており、現在、単セルの試作と耐久性の検証を行っています。本開発は、国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構(NEDO)の「燃料電池等利用の飛躍的拡大に向けた共通課題解決型産学官連携研究開発事業」において、「アニオン膜型アルカリ水電解セルの要素研究と実用化技術の確立」として採択され、2024年度末までにAEM型水電解スタックでの性能及び耐久性の検証を実施します。
水素と同様に次世代燃料として期待されているアンモニアの社会実装に向けた取り組みとしては、NEDOがグリーンイノベーション基金事業として公募した「次世代船舶の開発」プロジェクトへ「アンモニア燃料船サプライチェーン構築における周辺機器開発」を提案し、採択されました。本事業では、2024年度から2027年度にかけて、アンモニアの高感度漏えい検知などの安全対策技術の開発を実施します。

■その他部門
当連結会計年度における当部門の研究開発費は34百万円です。