電気推進航空機の実現に向けた液体窒素温度で運転するREBCO全超伝導同期機の設計

• 研究課題/領域番号: 21K20432
• 研究種目: 研究活動スタート支援
• 配分区分: 基金
• 審査区分: 0302:電気電子工学およびその関連分野
• 研究機関: 九州大学
• 研究代表者: 佐々 滉太 九州大学, システム情報科学研究院, 助教 (70906974)
• 研究期間 (年度): 2021-08-30 – 2024-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2023年度)
• 配分額: 2,860千円 (直接経費: 2,200千円、間接経費: 660千円); 2022年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円); 2021年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円)
• キーワード: 高温超伝導 / 全超伝導同期機 / 電気推進航空機 / 交流損失 / 液体窒素

研究開始時の研究の概要

地球温暖化防止に向け航空機を電気推進化するにあたり、小型軽量かつ高出力設計が可能な全超伝導同期機の開発が求められる。高出力化や高効率化を目的として液体水素(20K)を用いる構想があるが、落雷事故時に放電や昇温の危険性が高い。安全性の観点から、絶縁耐力に優れる液体窒素(63～77K)での冷却が妥当である。安全性を議論するにあたり、超伝導巻線に発生する交流損失を考慮する必要があるが、その特性は明らかになっていないため、定量的な予測が困難である。本研究では、超伝導線材の交流損失を定量的に予測することを可能にし、液体窒素温度で運転する航空機用の全超伝導同期機について設計指針を示すことを目的とする。

研究成果の概要

本研究では電気推進航空機向けの安全な全超伝導同期機(モータ、発電機)の設計に取り組んだ。超伝導巻線の昇温は重大な事故を起こしうるため、昇温リスクが低い液体窒素による冷却を想定した。そのような全超伝導同期機において最適な巻線構造の設計指針を決定することを目的とした。その一環として、磁界中の超伝導線材の交流損失特性を実験から得、その結果を基に特性の解明に取り組み、様々な条件の交流損失値を予測する手法を確立した。また、電磁界および熱の振舞いを再現する解析ソフトによる全超伝導同期機の設計において、交流損失の影響を導入した手法を確立した。この手法に基づき効率よく冷却が可能な巻線構造の設計指針を提案した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

本研究では、全超伝導同期機内の磁界状況を再現した実験により超伝導線材の交流損失特性を明らかにした上で、様々な条件における交流損失を予測することを可能にした。この成果は、全超伝導同期機のみならず、超伝導誘導機など交流環境で使用される様々な超伝導機器にも応用可能であり、超伝導機器の研究開発に広く貢献する成果である。さらに本研究では、電磁界・熱の解析ソフトを用いた同期機設計に交流損失の影響を導入した。交流損失の発生量の低減やその冷却方法は、航空機向け超伝導モータの実用化に向けた最大の課題の一つと言え、本研究で得られた成果を活用することでそれらの解決に向けて一歩前進したと言える。

研究成果

• [雑誌論文] Effectiveness of REBCO Trapezoidal Armature Coils Used in Superconducting Induction Motors (2024)
  • 著者名/発表者名: Tsumori Masahiko、Yamasaki Ryoto、Okade Yuta、Miyazaki Hiroshi、Miura Shun、Sasa Hiromasa、Yoshida Koichi、Iwakuma Masataka
  • 雑誌名: IEEE Transactions on Applied Superconductivity 巻: 34 号: 5 ページ: 1-6
  • DOI: 10.1109/tasc.2023.3345300
  • 査読あり
• [雑誌論文] Fabrication and Test of a 400 kW-Class Fully Superconducting Synchronous Motor Using REBCO Tape for an Electric Propulsion System (2024)
  • 著者名/発表者名: Miyazaki H.、Iwakuma M.、Emori Y.、Sasa H.、Yoshida K.、Sato S.、Miura S.、Sagara I.、Suzuki Y.、Konno M.、Hirai H.、Izumi T.
  • 雑誌名: IEEE Transactions on Applied Superconductivity 巻: 34 号: 5 ページ: 1-6
  • DOI: 10.1109/tasc.2023.3345291
  • 査読あり
• [雑誌論文] Current Sharing Among Three-Strand Parallel Conductors Composed of REBCO Tapes in Three-Phase Armature Coil Conditions (2024)
  • 著者名/発表者名: Miura Shun、Nakamura Kazuki、Masuda Yohei、Kawasaki Goki、Miyazaki Hiroshi、Kawagoe Akifumi、Sasa Hiromasa、Yoshida Koichi、Sato Seiki、Iwakuma Masataka
  • 雑誌名: IEEE Transactions on Applied Superconductivity 巻: 34 号: 5 ページ: 1-5
  • DOI: 10.1109/tasc.2024.3352521
  • 査読あり
• [雑誌論文] Electromagnetic Design of a REBCO Four-Pole Full-Pitched Armature Coil Composed of Trapezoidal Windings for Fully Superconducting Synchronous Motors (2024)
  • 著者名/発表者名: Emori Yuki、Miyazaki Hiroshi、Miura Shun、Sasa Hiromasa、Iwakuma Masataka
  • 雑誌名: IEEE Transactions on Applied Superconductivity 巻: 34 号: 5 ページ: 1-5
  • DOI: 10.1109/tasc.2024.3358250
  • 査読あり
• [雑誌論文] Current Distributions in Armature Coils Comprising Two Sizes of Racetrack Double-Pancakes with REBCO Striated Tapes (2024)
  • 著者名/発表者名: Takashima Atsushi、Miyazaki Hiroshi、Miura Shun、Yoshida Koichi、Sato Seiki、Sasa Hiromasa、Iwakuma Masataka
  • 雑誌名: IEEE Transactions on Applied Superconductivity 巻: 34 号: 5 ページ: 1-5
  • DOI: 10.1109/tasc.2024.3356439
  • 査読あり
• [雑誌論文] Current Distribution Among Transposed Eight- and 16-Parallel REBa2Cu3Oy Wires in Single-Phase Armature Coils (2024)
  • 著者名/発表者名: Miura Shun、Kobun Asato、Masuda Yohei、Kawasaki Goki、Miyazaki Hiroshi、Kawagoe Akifumi、Sasa Hiromasa、Yoshida Koichi、Sato Seiki、Iwakuma Masataka
  • 雑誌名: IEEE Transactions on Applied Superconductivity 巻: 34 号: 3 ページ: 1-6
  • DOI: 10.1109/tasc.2024.3356436
  • 査読あり
• [雑誌論文] Evaluation of the AC Loss Characteristics of Multifilamentary REBCO Tapes by the Mechanical Scratching of MgO Areas (2024)
  • 著者名/発表者名: Oishi Ryoma、Jingami Kodai、Miyazaki Hiroshi、Iwakuma Masataka、Miura Shun、Sasa Hiromasa、Yoshida Koichi、Daibo Masanori、Fujita Shinji
  • 雑誌名: IEEE Transactions on Applied Superconductivity 巻: 34 号: 5 ページ: 1-6
  • DOI: 10.1109/tasc.2024.3370097
  • 査読あり
• [雑誌論文] AC Loss Estimation Method for REBCO Superconducting Tapes in AC+DC Fields for Field Windings in Fully Superconducting Synchronous Machine for Electric Aircraft (2024)
  • 著者名/発表者名: Sasa Hiromasa、Jingami Kodai、Oishi Ryoma、Miura Shun、Miyazaki Hiroshi、Iwakuma Masataka
  • 雑誌名: Journal of Physics: Conference Series 巻: -
  • 査読あり
• [雑誌論文] Current Sharing Among Transposed Three-Parallel REBa2Cu3Oy Tapes in Single-Phase Armature Coils (2023)
  • 著者名/発表者名: Shun Miura , Asato Kobun , Yohei Masuda, Kazuki Nakamura, Hiroshi Miyazaki , Akifumi Kawagoe , Hiromasa Sasa , Koichi Yoshida , Seiki Sato, and Masataka Iwakuma
  • 雑誌名: IEEE TRANSACTIONS ON APPLIED SUPERCONDUCTIVITY 巻: 33 号: 5 ページ: 5200306-5200306
  • DOI: 10.1109/tasc.2023.3241824
  • 査読あり
• [雑誌論文] Basic Concept for Uniform Current Distribution in Parallel Conductors by Introducing a Small Number of Transpositions in REBCO Armature Coils (2023)
  • 著者名/発表者名: Kobun Asato、Masuda Yohei、Miura Shun、Miyazaki Hiroshi、Yoshida Koichi、Sato Seiki、Sasa Hiromasa、Iwakuma Masataka
  • 雑誌名: IEEE Transactions on Applied Superconductivity 巻: 33 号: 5 ページ: 1-6
  • DOI: 10.1109/tasc.2023.3242621
  • 査読あり
• [雑誌論文] Current Distribution of Armature Coils Combining Two Different Sizes of REBCO Racetrack Double Pancakes (2023)
  • 著者名/発表者名: Takashima Atsushi、Onamyuda Yuki、Kobun Asato、Miyazaki Hiroshi、Kawagoe Akifumi、Miura Shun、Yoshida Koichi、Sato Seiki、Sasa Hiromasa、Iwakuma Masataka
  • 雑誌名: IEEE Transactions on Applied Superconductivity 巻: 33 号: 5 ページ: 1-5
  • DOI: 10.1109/tasc.2023.3241822
  • 査読あり
• [雑誌論文] Thermal-Electromagnetic Coupled Analysis Considering AC Losses in REBCO Windings at 65 K of 10 MW Fully-Superconducting Synchronous Generators for Electric Aircraft (2022)
  • 著者名/発表者名: Sasa Hiromasa、Miura Shun、Miyazaki Hiroshi、Sasayama Teruyoshi、Yoshida Takashi、Yamamoto Kaoru、Iwakuma Masataka、Hase Yoshiji、Sasamori Yuichiro、Honda Hirokazu、Konno Msayuki、Izumi Teruo
  • 雑誌名: IEEE Transactions on Applied Superconductivity 巻: - ページ: 1-6
  • DOI: 10.1109/tasc.2022.3160660
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] REBCO Trapezoidal Armature Windings for Superconducting Induction Motors (2022)
  • 著者名/発表者名: Okade Yuta、Miyazaki Hiroshi、Sasa Hiromasa、Yoshida Koichi、Miura Shun、Sasayama Teruyoshi、Yoshida Takashi、Kawagoe Akifumi、Iwakuma Masataka
  • 雑誌名: IEEE Transactions on Applied Superconductivity 巻: 32 号: 6 ページ: 5201706-5201706
  • DOI: 10.1109/tasc.2022.3160146
  • 査読あり
• [雑誌論文] Experimental Evaluation of Current Distribution in Three-Strand Transposed Parallel Conductors Composed of REBCO Superconducting Tapes (2022)
  • 著者名/発表者名: Omanyuda Yuki、Sasa Hiromasa、Miyazaki Hiroshi、Miura Shun、Iwakuma Masataka
  • 雑誌名: IEEE Transactions on Applied Superconductivity 巻: 32 号: 6 ページ: 6601105-6601105
  • DOI: 10.1109/tasc.2022.3154338
  • 査読あり
• [学会発表] 大小2種類のREBCOダブルパンケーキコイルを組み合わせた電機子コイルの電流分流特性 (2023)
  • 著者名/発表者名: 高島 敦史, 宮崎 寛史, 川越 明史, 三浦 峻, 吉田 幸市, 佐藤 誠樹, 佐々 滉太, 岩熊 成卓
  • 学会等名: 2023年度春季低温工学・超電導学会
• [学会発表] 電機子コイルにおけるREBa2Cu3Oy並列導体の素線間電流分流の簡易解析手法 (2023)
  • 著者名/発表者名: 三浦 峻, 公文 麻人, 増田 陽平, 中村 一稀, 宮﨑 寛史, 川越 明史, 吉田 幸市, 佐藤 誠樹, 佐々 滉太, 岩熊 成卓
  • 学会等名: 2023年度春季低温工学・超電導学会
• [学会発表] 全節巻き及び 150 度短節巻き超伝導誘導モータの出力密度の比較検討 (2023)
  • 著者名/発表者名: 藏原昂平，佐々滉太，吉田敬
  • 学会等名: 2023年度(第76回)電気・情報関係学会九州支部連合大会
• [学会発表] 4 本並列導体を用いた REBCO 電機子コイルにおける三相通電時の電流分流率の実験的評価 (2023)
  • 著者名/発表者名: 増田陽平，中村一稀，三浦 峻，宮崎寛史，川越明史，吉田幸市，佐藤誠樹，佐々滉太，岩熊成卓
  • 学会等名: 2023年度(第76回)電気・情報関係学会九州支部連合大会
• [学会発表] 並列導体を用いた 2 種類のレーストラックコイルで構成された電機子コイルの電流分流特性 (2023)
  • 著者名/発表者名: 片岡小春，高島敦史，宮崎寛史，川越明史，三浦 峻，吉田幸市，佐藤誠樹，佐々滉太，岩熊成卓
  • 学会等名: 2023年度(第76回)電気・情報関係学会九州支部連合大会
• [学会発表] Current Distribution in Armature Coils Comprising Two Sizes of Racetrack Double-Pancakes with REBCO Striated Tapes (2023)
  • 著者名/発表者名: A. Takashima, H. Miyazaki, S. Miura, K. Yoshida, S. Sato, H. Sasa, M. Iwakuma
  • 学会等名: MT28
  • 国際学会
• [学会発表] Evaluation of the AC loss characteristics of multifilamentary REBCO tapes by the mechanical scratching of MgO2 areas (2023)
  • 著者名/発表者名: R. Oishi, K. Jingami, H. Miyazaki, M. Iwakuma, K. Yoshida, S. Miura, H. Sasa, M. Daibo, S. Fujita
  • 学会等名: MT28
  • 国際学会
• [学会発表] Electromagnetic design of a REBCO four-pole full-pitched armature coil composed of trapezoidal windings for fully superconducting synchronous motors (2023)
  • 著者名/発表者名: Y. Emori, H. Miyazaki, S. Miura, H. Sasa, M. Iwakuma
  • 学会等名: MT28
  • 国際学会
• [学会発表] Effectiveness of REBCO Trapezoidal Armature Coils Used in Superconducting Induction Motors (2023)
  • 著者名/発表者名: M. Tsumori, R. Yamasaki, Y. Okade, H. Miyazaki, S. Miura, H. Sasa, K. Yoshida, M. Iwakuma
  • 学会等名: MT28
  • 国際学会
• [学会発表] Estimation Method of AC Loss of REBCO Superconducting Tapes in AC+DC Field for Field Windings in Fully Superconducting Synchronous Machine for Electric Aircraft (2023)
  • 著者名/発表者名: Hiromasa Sasa, Koudai Jingami, Ryoma Oishi, Shun Miura, Hiroshi Miyazaki, Masataka Iwakuma
  • 学会等名: ISS2023
  • 国際学会
• [学会発表] Development of Fully Superconducting Propulsion System for Aircraft with REBCO Tapes (2023)
  • 著者名/発表者名: M. Iwakuma, H. Miyazaki, S. Miura, H. Sasa, S. Sato, K. Yoshida, Y. Suzuki, I. Sagara, Y. Hase, M. Konno, M. Ohaku, C. Ikeda, H. Honda, Y. Sasamori, T. Izumi, T. Machi, H. Hirose, S. Lee, S. Hasuo, M. Nakamura, H. Hirai, N. Midoh, K. Adachi, Y. Aoki, K. Shiohara, H. Kasahara
  • 学会等名: ISS2023
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Influence of magnetic shields on current distributions among REBCO parallel conductors in single-phase armature windings (2023)
  • 著者名/発表者名: Shun Miura, Yohei Masuda, Kazuki Nakamura, Goki Kawasaki, Hiroshi Miyazaki, Akifumi Kawagoe, Hiromasa Sasa, Koichi Yoshida, Seiki Sato, Masataka Iwakuma
  • 学会等名: ISS2023
  • 国際学会
• [学会発表] Electromagnetic design for high power density of fully superconducting synchronous motor with through-shaft type field coil for electric aircraft (2023)
  • 著者名/発表者名: Kaiji Uriu, Masataka Iwakuma, Hiroshi Miyazaki, Shun Miura, Hiromasa Sasa
  • 学会等名: ISS2023
  • 国際学会
• [学会発表] 交流損失予測に基づく電磁界・熱連成解析による電動航空機用REBCO全超伝導同期機の設計 (2023)
  • 著者名/発表者名: 佐々 滉太, 三浦 峻, 宮﨑 寛史, 岩熊 成卓
  • 学会等名: 2023年度秋季低温工学・超電導学会
• [学会発表] Experimental Evaluation of Current Distribution in Armature Coils Composed of REBCO Double Pancakes With Varying Number of Parallel Conductors (2022)
  • 著者名/発表者名: Asato Kobun, Atsushi Takashima, Koichi Yoshida, Hiromasa Sasa, Shun Miura, Hiroshi Miyazaki, Masataka Iwakuma
  • 学会等名: ASC2022
  • 国際学会
• [学会発表] An armature coil crossed with two different sizes of REBCO racetrack double pancakes (2022)
  • 著者名/発表者名: Atsushi Takashima, Asato Kobun, Hiromasa Sasa, Koichi Yoshida, Shun Miura, Hiroshi Miyazaki, Akifumi Kawagoe, Masataka Iwakuma
  • 学会等名: ASC2022
  • 国際学会
• [学会発表] Thermal-Electromagnetic Coupled Analysis Considering AC Losses in REBCO Windings at 65 K of 10 MW Fully-Superconducting Synchronous Generators for Electric Aircraft (2021)
  • 著者名/発表者名: H. Sasa, S. Miura, H. Miyazaki, T. Sasayama, T. Yoshida, K. Yamamoto, M. Iwakuma, Y. Hase, Y. Sasamori, H. Honda, M. Konno, T. Izumi
  • 学会等名: International Conference on Magnet Technology 27
  • 国際学会
• [学会発表] Design Study of 3f-10 MVA-6.9/1.0 kV REBCO Superconducting Transformers with Lightweight and Current-Limiting Function for an E-Aircraft Propulsion System (2021)
  • 著者名/発表者名: M. Sumida, H. Sasa, S. Miura, H. Miyazaki, M. Iwakuma, M. Konno, T. Izumi
  • 学会等名: International Conference on Magnet Technology 27
  • 国際学会
• [学会発表] Numerical Analysis of 2 MW Fully Superconducting Synchronous Motor for Electric Aircraft Considering AC Loss in Field Winding (2021)
  • 著者名/発表者名: K. Matsumoto, H. Sasa, S. Miura, K. Matsumoto, H. Miyazaki, T. Yoshida, T. Sasayama, K. Yamamoto, M. Iwakuma, A. Kawagoe, T. IZUMI, Y. Sasamori, H. Honda, M. Konno, Y. Hase
  • 学会等名: International Conference on Magnet Technology 27
  • 国際学会
• [学会発表] Study of REBCO Trapezoidal Armature Windings for Superconducting Induction Motor (2021)
  • 著者名/発表者名: Y. Okade, H. Miyazaki, H. Sasa, K. Yoshida, S. Miura, T. Sasayama, T. Yoshida, A. Kawagoe, M. Iwakuma
  • 学会等名: International Conference on Magnet Technology 27
  • 国際学会
• [学会発表] Experimental Evaluation of Current Distribution in Three-Strand Transposed Parallel Conductors Composed of REBCO Superconducting Tapes (2021)
  • 著者名/発表者名: Y. Omanyuda, H. Sasa, H. Miyazaki, S. Miura, M. Iwakuma
  • 学会等名: International Conference on Magnet Technology 27
  • 国際学会
• [学会発表] Estimation of Ac loss for a high-power density 10 MW REBCO superconducting synchronous generator cooled by sub-cooled liquid nitrogen (2021)
  • 著者名/発表者名: K. Noda, H. Sasa, H. Miyazaki, S. Miura, T. Yoshida, T. Sasayama, M. Iwakuma, A. Kawagoe, T. Izumi, M. Konno, Y. Sasamori, H. Honda, Y. Hase, M. Shutoh
  • 学会等名: International Symposium on Superconductivity 2021
  • 国際学会
• [学会発表] 電気推進航空機用の超伝導誘導モータにおける出力密度のヨーク厚み依存性 (2021)
  • 著者名/発表者名: 中村 亮太, 佐々 滉太, 吉田 敬
  • 学会等名: 2021年度(第74回)電気・情報関係学会九州支部連合大会
• [学会発表] 超伝導誘導モータにおける出力密度のコイルピッチ依存性 (2021)
  • 著者名/発表者名: 城間 洋人, 中村 亮太, 佐々 滉太, 吉田 敬
  • 学会等名: 令和4年電気学会全国大会