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 1 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。 2 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 10 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 11 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) 13 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 14 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。 15 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。 16 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。 17 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) 18 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。 19 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。 20 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 21 産学連携の経歴 • 2009年-2010年 JSPS 科学研究補助金採択 22 お問い合わせ先岡山理科大学学外連携推進室ＴＥＬ：０８６−２５６ − ９７３０ＦＡＸ：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 23