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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

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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。

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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]

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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

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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

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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）

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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