2016 Fiscal Year Annual Research Report
Research on application of hybrid superconducting armature for ship electric propulsion system
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16H06136
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| Research Institution | National Institute of Technology, Toyota College |
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Principal Investigator |
都築 啓太 豊田工業高等専門学校, 情報工学科, 講師 (40713045)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 超伝導 / 船舶推進 / 極低温 / バルク超電導体 / 回転機 / モータ / 電磁界解析 / 電機子 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究における初年度の研究計画として、まず電磁解析を用いたハイブリット超電導電機子の構造設計を実施した。
電源の切替により目的に応じて直流・交流運転が可能であるハイブリット超電導電機子を用いた超電導回転機の構造の検討を実施した。年度当初の計画通り有限要素法を用いた電磁解析ソフトMagNet 7を調達し、ラジアルギャップ型の超電導コイルに最適な巻数および構造を決定した。
解析ソフトに付随する静磁場解析ソルバ一を用いて、U・V・W相に当たる電機子コイルに着磁に適した直流電流を印加し、着磁コイルとしての動作検証を行った。15kW試作機において最大値0.8テスラの磁束密度分布を得た。検討を実施するなかで巻線構造などが複雑化したが、巻線の形状に新たな仕組みを取り入れることにより実現可能な構成を確立した。
次に、電磁解析シミュレーション上で回転機としての運転時の動作検証し、原理検証モデルである15kWクラスの出力を有する回転機の設計を行った。練習船「鳥羽丸」実機の出力相当であるメガワットクラスの回転機の電機子コイル配置も検討し、概念設計も完了した。
実証実験の準備として、電機子コイルの一次プロトタイプ機の製作と、液体窒素温度条件下における評価を実施した。回転機に最適な強磁場分布を生成する電機子構造のプロトタイプの支持構造についても検討し、電磁解析結果を踏まえて、適切な超電導線材および形状を選択し電機子コイル形状に巻線した超電導コイルアセンブリを調達した。
低電圧大電流が通電可能なリニアバイポーラ電源を調達した。またプロトタイプコイルを液体窒素で浸漬冷却し、77Kにおける通電電流および端子間電圧測定により十分な通電が可能であることを確認した。また極低温冷凍機1機およびそれに伴う圧縮機、熱回収のためのDCインバータチラーを調達し、次年度に実施する極低温下での試験の準備を整えた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
平成28年度当初に計画した事項については完了することができた。
具体的には年度前半に本研究の鍵となる技術であるハイブリット超電導電機子構造の概念設計を実施、ラジアルギャップ型の超電導コイルに最適な巻数および構造の決定、原理検証モデルであるキロワットクラスの出力を有する回転機の概念設計、練習船実機の出力相当であるメガワットクラスの回転機の電磁設計を完了した。
また年度後半には電機子コイルの一次プロトタイプ機を調達し、77Kにおける通電電流および端子間電圧測定極低温条件下での評価試験を実施した。
調達物件においても年度当初の計画通り次年度の研究に必要な大型物品も滞りなく納品されており、順調に進展している。有限要素法を用いた電磁解析ソフトMagNet 7も調達を完了した。ハイブリット電機子に用いる電源に関しては当初の計画では研究協力者との内製を検討していたが、研究の推進状況や、予期せぬトラブルの発生、既製品のコストメリットを見直した結果、年度途中から既製品の検討を開始した。複数の電源を他機関から借用して慎重に選定を行うなど適切な対応をとった。
以上のことからおおむね順調に進展していると判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
次年度には導入した電源装置を用いて三相交流印加時の超電導電機子特性評価システムの構築を完了する。その知見を活かし、上記プロトタイプの直流および三相交流印加時の特性評価を行う直流評価では直流電源と極低温磁場センサを用いて着磁コイルの磁東密度測定を行い、実機での目標値である最大1テスラの着磁への目途を立てる。交流評価として三相交流に対応する低圧大電流対応の交流電源を用いる。通電時の各相における電圧特性を記録・評価を実施する。これに強電・弱電用電気部品を組み付ける事で、三相交流計測システムを確立する。次に、電機子のクエンチ保護対策システム開発と対処法確立を実施する。
超電導コイルの保護システムを導入した三相交流波形を連続に記録する計測システム開発によりクエンチ時の電流制御を行う。既存システムを改良し、三相の電機子コイルより連続デ一タを取得・自動保存・電力分析可能なシステムの構築を行う。試作コイルを用いてクエンチ試験を行い、使用限界と傾向から対策を立てる。電機子運転の安全基準を設け、異常電流検出時の対処法を確立する。
全超電導回転機では電機子と界磁子がそれぞれ極低温に冷却される。そのため、これまで主流であると考えられてきた超電導界磁を用いた回転機とは異なる冷却構造・着磁の仕組みを用いる。本研究では実機の部分モデルを想定した大型二次プロトタイプ機を構築し、液体窒素浸漬冷却 77 K(ケルビン)および極低温冷凍機を用いた伝導冷却である30 Kにて実証実験を行う。巻線に関しては超電導コイル化に熟練している技士の協力のもと行う。製作した試作機を調達しており、電機子表面および想定界磁子表面に、極低温対応の磁場センサを取り付けて、直流および三相交流の通電条件下でハイブリット電機子の成立性を検討する。
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Research Products
(2 results)
