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1
超伝導無誘導モーター及び発電機
岡山理科大学 工学部 電気電子システム学科
教授 河村実生
2
従来技術とその問題点
既に開発されている超電導発電機や超電導モーターには以下の課題がある
コアあり:
磁気飽和による制限、鉄損による発熱
コアなし:
磁束の利用効率、自己磁場による臨界電流の低下
冷却に必要なエネルギーを含めたシステム全体の効率が高くないため広く利用されるまでには至っていない。
3
超電導モーターの可能性
超電導モーターは抵抗がないため出力重量比を非常に大きくすることが可能である。
0.1mm×4mm×1000m×9g/cm3=3.6kg
100A×0.5T×1000m×1m=50,000Nm
2π×50Hz×50,000Nm≒15MW
1.5MW/3.6kg≒4200kW/kg
トルク
出力
重量
出力重量比
超伝導コイルと自己誘導起電力
BD
N
I
常伝導モーターの等価回路と出力特性
R
空間ベクトル表示
αβ座標系abc座標系a
従来の超伝導モーターの等価回路と出力特性
R=0I
~~
超伝導無誘導モーターの等価回路と出力特性
I
空間ベクトル表示
αβ座標系abc座標系a
b
c
出力‐回転速度特性の概念図
出力
回転速度
超伝導無誘導モーター
通常モーター
従来の超伝導モーター
Working Principle of Super Motor with Magnetic Core
NNSS
NNSS
Superconducting Current
Force
Lorenz Force
Force
Lorenz Force
Superconducting Current
ディスク型超伝導無誘導モーターの構造図
駆動回路
回転子
断熱層
熱電対
計測機
冷凍機
シャフト
PBI支持棒
バルブ
ディスク型固定子
真空ポンプ
リード線
超伝導ワイヤー白金測温抵抗体
アクリル
熱電対
Cancelation of Magnetic Flux Flow in Core
I1(0˚)
L1 L2 L3
CryoCooler固定子 Core
超伝導コイル
L1 L2
L3
I2(120˚)
I3(240˚)
バイポーラ電源2台(定電流モード)Kikusui PBZ 20‐20 (20A, 20V)
有限要素法による磁場解析結果
Density Plot: |B|, Tesla
1.945e+000 : >2.047e+0001.843e+000 : 1.945e+0001.740e+000 : 1.843e+0001.638e+000 : 1.740e+0001.536e+000 : 1.638e+0001.433e+000 : 1.536e+0001.331e+000 : 1.433e+0001.228e+000 : 1.331e+0001.126e+000 : 1.228e+0001.024e+000 : 1.126e+0009.213e-001 : 1.024e+0008.189e-001 : 9.213e-0017.166e-001 : 8.189e-0016.142e-001 : 7.166e-0015.118e-001 : 6.142e-0014.095e-001 : 5.118e-0013.071e-001 : 4.095e-0012.047e-001 : 3.071e-0011.024e-001 : 2.047e-001<1.807e-005 : 1.024e-001
Mag
netic F
lux
densi
ty [
T]
固定子の構造の変遷
Metal
Non‐Magnetic Core Magnetic Core
Ceramics
2009‐2011 2012‐2013 2014‐2015
1G HTS wire 2G HTS wire
TorusDisc
Epoxy resins LT‐Epoxy resinsWaxAdhesive:
Form:
Material:
SC Wire:
Thermal Contact
4mm 2mm
固定子の冷却実験
0
0.02
0.04
0.06
0.08
0.1
0.12
0 50 100 150 200 250 300
抵抗(Ω)
抵抗
(Ω
)
温度(K)0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
0 50 100 150 200 250 300
Resi
stan
ce[
ohm
]
Temperature[K]
0
500
1000
1500
2000
0 50 100 150 200 250 300
抵抗値[mΩ]
抵抗
値[m
Ω]
温度[K]
0
50
100
150
200
250
300
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600
固定子1[K]固定子2[K]固定子3[K]
温度
[K]
時間[min]
2009 2013‐present2010
1G HTS Wire 2G HTS Wire
Disk, MetalTorus, Ceramics
臨界電流 Ic の測定
1
10
100
1000
104
105
106
0 5 10 15 20
resis
tance [μ
Ω]
current [A]
Ic > 20A
Ic ~16A
Ic ~9A
2x10‐4 Pa
4.8x10‐4 Pa
~60K
~70K
回転時の超伝導モーター内の温度変化
クライオクーラーヘッド付近の温度
電流導入端子(銅線)の温度
0
50
100
150
200
250
0 500 1000 1500 2000
8[A] 0.4[Hz] wire9[A] 0.4[Hz] wire10[A] 0.4[Hz] wire8[A] 0.4[Hz]9[A] 0.4[Hz]10[A] 0.4[Hz]
tem
per
atur
e [K
]
time [s]
計測実験風景
トルクセンサーMax 200[Nm]
誘導モーター、11KW91kg, 定格トルク59[Nm]
トルク~2[Nm]
12.5W@60rpm
5A x 10V x 2 = 100W
8A x 0.8V x 2 = 12.8W
誘導モーター
超伝導モーター
回転速度 60rpm
2x88[mm]x50[turns]x0.313[T]x8[A]=22[N] 22[N]x86[mm]=1.9[Nm]
18
新技術と従来技術の比較
従来の超伝導モーター本技術の超伝導モーター
コア 無し コア 有り
磁束の利用効率 × ○ ○
鉄 損 ◎ × ○
出力重量比 ○ △ ◎
冷却効率 × × ○
高速回転 △ × ○
■コアを用いた無誘導化により高い冷却効率と高い出力重量比を達成
19
想定される用途
■高トルク、大出力用途
• 大型自動車、高速鉄道、高速エレベーター 等
• 回生エネルギー用発電機としても使用可
• 船舶エンジン 等
■発電用途
• 風力、水力発電 等
■その他・航空用途
• ジェットエンジン 等
低速から高速回転の広い領域で、最大効率、最大トルク、最大出力制御が可能
20
実用化に向けた課題と企業への期待
■本技術を利用した超電導モーターの用途に合わせた最適化
• モーター構造の最適化、断熱構造の最適化での共同研究
■本技術の実用化に向けた共同研究• 電気自動車や高速エレベーター
• 風力、水力発電
• 航空、船舶用途 など
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本技術に関する知的財産権
• 発明の名称 :超伝導モーター及び超伝導発電機
• 出願番号 :特願2015-109433• 出願人 :学校法人加計学園
• 発明者 :河村実生
取得済みの関連特許 第5669059号,第5700445号
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補助金等
• 2009年~2010年 JSPS 科学研究補助金
• 2010年 CIIC 産業創出研究会
• 2010年~2011年 私立大学補助金(QOL)
• 2013年~2016年 私立大学補助金(QOL)
23
お問い合わせ先
岡山理科大学 学外連携推進室
TEL: 086-256 - 9730
FAX: 086-256 - 9732
産学連携コーディネーター 桑本 誠
e-mail: m-kuwamoto@office.ous.ac.jp
産学連携コーディネーター 横溝 精一
e-mail: s-yokomizo@office.ous.ac.jp