当日配布資料(771KB)

小型クライオクーラを用いた超伝導
スーパーモーターの開発
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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研究背景
近年、高性能な超伝導ワイヤーや小型高効率
冷凍機の開発が進んできており超伝導モーター
の実用性が高まってきている。
超伝導モーターは従来のモーターに比べ高効
率であるだけでなく、高出力、高トルク、小型、軽
量、高速などの理想的な特性を持ったモーターの
実現の可能性を持っており、これらの特長を生か
した、これまでに無い使用法や、新たな分野への
電気モーターの進出も可能にすると考えられる。
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新技術の基となる研究成果・技術
z高性能高温超伝導ワイヤーの開発
実用化には高い冷却効率の実現が不可欠
(室温超伝導と同等の効果)
•高機能プラスチック
•高効率小型クライオクーラ
•磁性流体シール
•高機能セラミックス
高い冷却効率の実現
3
Superpower社資料
4
Sunpower社のクライオクーラー
5
6
PBIとステンレスの比較
ステンレス
(SUS304)
性質
単位
ポリベンゾイミダゾール
(PBI)
引張強度
MPa
{kgf/cm2}
160
{1,630}
520
{5,200}
熱伝導率
W/(m・k)
0.41
16.3
線膨張係数
×10-6/K
23
17.3
対ステンレス 強度∼1/3 熱伝導率∼1/40 膨張係数∼1.3
7
セラミックスの特性
性質
単位
アルミナ
窒化アルミ
銅
曲げ強さ
MPa
{kgf/cm2}
450
{4,500}
350
{3,500}
熱伝導率
W/(m・k)
34
90∼200
400
線膨張係数
×10-6/K
8.6
4.5
16
8
超伝導スーパーモータの原理
Pseudo Magnetic Monopole
A practical example
9
通常モータと超伝導スーパーモータの等価回路
通常モーター
超伝導スーパーモーター
電源
電源
誘導起電力
誘導起電力
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モータの回転速度と効率、トルク
超伝導スーパーモータ
超伝導スーパーモータ
100%
常伝導モータ
鉄損
回転速度
最大トルク
効率
銅損
常伝導モータ
回転速度
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冷却実験結果
超伝導モーター銀箔有無比較
300
250
熱電対180°の温度[K]銀箔あり
熱電対90°の温度[K]銀箔あり
熱電対180°の温度[K]銀箔なし
熱電対90°の温度[K]銀箔なし
絶対温度[K]
200
150
100
50
0
0
5
10
15
時間[h]
20
25
30
12
抵抗値の温度変化
0.12
抵抗(Ω)
抵抗(Ω)
0.1
0.08
0.06
0.04
0.02
0
0
50
100
150
200
250
300
温度(K)
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超伝導スーパーモータの特徴
•
•
•
•
•
•
高効率
高速
高トルク
高出力
小型
軽量
•回転速度依存性が小さい
•特に低速、高速での効率に大差
•エネルギーの効率的な回収が可能
従来のモータに比べ10倍以上の効果
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従来技術とその問題点
これまでに開発されているものは、大型冷凍機
の使用による液体窒素による冷却を前提とした
超大型のものがあるが、
冷却を含めたエネルギー効率やシステム全体
の小型軽量化が考慮されていないため、広く利
用されるまでには至っていない。
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新技術の特徴・従来技術との比較
• 新たな真空断熱構造を採用することにより、
断熱構造がシンプルで、効率的なトルクの発
生、および、高い断熱冷却性能の実現が可能
である。
• ローレンツ力を利用したコアレス構造であるた
め低電圧駆動や高速、軽量化が可能である。
• 従来は超大型のものに限られていたが、自動
車等への利用も可能である。
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想定される用途
• 本技術の特徴を生かすためには、回生エネル
ギーの利用が効果的な、自動車、列車、ク
レーン、エレベーター等での利用に適している
と考えられる。
• 上記以外に、回転速度が一定でない風力発
電などに適していると考えられる。
• また、高速・高トルクや小型軽量に着目すると、
航空の分野に展開することも可能と思われる。
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想定される業界
• 利用者・対象
自動車、列車製造メーカー
エレベーター、クレーン製造メーカー
風力発電機製造メーカー
• 市場規模
自動車 国内生産 886万台
(2009年 日本自動車工業会)
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実用化に向けた課題
• 現在、小型冷凍機を使って110Kまで到達して
いるが、冷凍機と固定子間の温度差が大きい
のでこれを1/3程度に軽減する必要がある。
• 今後、固定子の素材を変更することにより、冷
却効率の最適化を図る必要がある。
• 実用化に向けて、強度の検討や更なる性能
アップのため、磁気回路の最適化やイットリウ
ム系薄膜超伝導ワイヤーの利用の検討が必要。
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企業への期待
• 未解決の温度差については、チッ化アルミの
製造技術により克服できると考えている。
• 断熱、冷却冷凍の技術を持つ、企業との共同
研究を希望。
• また、高速列車を開発中の企業、電気自動車
分野への展開を考えている企業には、本技術
の導入が有効と思われる。
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本技術に関する知的財産権
• 発明の名称 :超伝導モーター又は超伝
導発電機
• 出願番号 :特願2010-109575
• 出願人
:学校法人加計学園
• 発明者
:河村実生
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産学連携の経歴
• 2009年-2010年 JSPS 科学研究補助金 採択
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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 横溝精一
e-mail: s-yokomizo@office.ous.ac.jp
産学連携コーディネーター 安井茂男
e-mail: s-yasui@office.ous.ac.jp
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