Study on Structure Optimization and Control Method of Low Speed Fully-superconducting Induction/synchronous Generator

2017 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 17H03218
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 中村 武恒 京都大学, 工学研究科, 特定教授 (30303861)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2020-03-31
• Keywords: 高温超伝導 / 誘導同期発電機 / 全超伝導化 / 低速発電機 / 直流通電特性 / 交流通電特性

Outline of Annual Research Achievements

回転磁界を発生する三相固定子巻線の試作に使用する希土類系高温超伝導短尺テープ材について、テープ面に垂直な磁界を印加した際の液体窒素中における直流通電特性(電圧－電流特性)を詳細に測定した。また、同測定結果を理論評価式(パーコレーション遷移モデル；九州大学・木須ら提唱)によって定式化して、電磁設計に利用した。さらに、上記テープ材が固定子コア内に設置される状況を想定して、その直流通電特性のケイ素鋼板スロット内における磁気的特性を電磁界解析に基づいて明らかにした。現在は、同線材の交流通電特性評価(印加周波数: 60 Hz以下)を実施しており、同理論評価は世界的に殆ど報告例が無いものの、三相固定子巻線の定量評価に必須であることから、経験式の導出を中心に検討している。
市販コアの使用を想定して、それを利用した1 kW級プロトタイプ機@200 rpmの装荷分配の検討を行った。また、同分配に基づいて、2次元電磁界解析による電磁設計を実施するとともに、必要な高温超伝導線材長を決定した。並行して、液体窒素冷却を想定したベアリングの選定、ケーシングの構造、および冷却構造を検討した。特に、高温超伝導固定子巻線には強制交流通電することから、できるだけ均一かつ確実に冷却できる構造を検討した。
試作するプロトタイプ機を冷却・試験するための縦置きメタルクライオスタットについて、液体窒素冷却して、温度65 K程度～77 Kの温度範囲で安定して温度制御できることを確認した。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

固定子巻線に使用する高温超伝導短尺テープ材の直流通電特性を測定し、その理論評価式による定式化を完了した。また、上記特性がケイ素鋼板のスロット内で受ける磁気的影響も検討できた。
市販のケイ素鋼板を対象にして、それを利用した1 kW級プロトタイプ機@200 rpmの装荷分配を検討した。また、同分配に基づいて、2次元電磁界解析による電磁設計を実施するとともに、必要な高温超伝導線材長を決定した。並行して、液体窒素冷却を想定したベアリングの選定や、ケーシングの構造を検討した。特に、高温超伝導固定子巻線には強制交流通電することから、できるだけ均一かつ確実に冷却できる構造を検討した。
上記試作するプロトタイプ機を冷却・試験するためのクライオスタットについて、液体窒素冷却して、温度65 K程度～77 Kの温度範囲で安定して温度制御できることを確認した。

Strategy for Future Research Activity

今後は、1 kW級全超伝導誘導同期低速発電機を試作し、液体窒素浸漬冷却条件下(65 K程度～77 K)における各種試験（無負荷試験、回転子拘束試験、実負荷試験、他）を実施する。また、上記試験結果から等価回路パラメータを導出し、可変速回転特性を検討する。可変速特性は、風力発電他の分散電源への応用に際して重要なデータとなる。
上記特性を、電磁界解析に基づいて再現する。特に、高温超伝導コイルの鉄心コア内における交流通電特性の定量評価は難しい問題であるが、経験式の導出を含めて検討を進める。さらに、固定子が銅巻線の場合との比較検討を通して、全超伝導化の優位性を検証する。
上記基礎特性結果をもとに、特に最大効率制御を重視した最適励磁方法を検討する。本検討は、上記導出した等価回路パラメータを用いて実施し、試験によって確認する。