| 研究課題/領域番号 |
20K04449
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| 研究機関 | 足利大学 |
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研究代表者 |
横山 和哉 足利大学, 工学部, 教授 (60313558)
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| 研究期間 (年度) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| キーワード | 超伝導バルク体 / パルス着磁 / 軟鉄ヨーク / 回転機応用 |
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| 研究実績の概要 |
超伝導バルク磁石は小型・安価な装置で2テスラを超える磁場を容易に発生することができるため，航空機用電気推進装置や船舶用モーター，大型風力発電機等への応用も検討されている。これらの応用では電機子の役割をなす鉄心コアの電磁石で，界磁となるバルク磁石を着磁する手法がとられる。ここで，着磁方法にはパルス磁化法が用いられるが，鉄心をヨークとして用いることで捕捉磁場を大きくできることを確認している。一方で，実用化に向けてはモーターの出力と重量の比である出力密度が重要なパラメータとなっている。軽量化のためには，上記の鉄心を減らす必要があるが，それによりバルク磁石の捕捉磁場が減少することが懸念される。本研究では，ヨークの大きさや形状を変更することで，高い捕捉磁場を維持しつつ，軽量化を実現することを目指す。令和2年度は従来の円柱型のほか，リング型，クロス型ヨークについて，印加磁場の大きさと試料の温度を変えて単一パルス磁場を印加する実験を行った。その結果，リング型では捕捉磁場が低下したが，円柱型とクロス型ではほぼ同じ捕捉磁場となった。そこで，ヨークの単位重量当たりの総磁束量を比較したところ，クロス型ヨークで大きな優位性を示した。
これらの結果について，ASC2020（応用超伝導国際会議，オンライン，2020.10.24～11.7），第100回秋季低温工学・超電導学会（京都大学＋WEB，2020.12.8～10），令和3年電気学会全国大会（オンライン，2021.3.9～11）で発表すると共に，情報収集及び意見交換を行った。
また，軟鉄ヨークの効果を理論的に検証するために，(株)フォトン社のphoto-Seriesを用いて数値解析を行う準備を始めている。これまでに，超伝導バルク体，着磁コイル，軟鉄ヨークをモデル化し，基本的な解析を行ってモデルの妥当性を確認した。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
本研究は，以下の3つの内容を中心に研究を進めることとしている。①リング状，または非対称形状のヨークによる着磁特性を評価する。これにより，意図的に印加磁場の高低を形成し，バルク体の特性の低い部分から磁束を侵入させることができるか確認する。②数値解析により磁場侵入の過程や捕捉磁場特性等について詳細に検討し，着磁メカニズムを理論的に明らかにする。③本研究室所有の冷凍能力の異なる冷凍機を用いた磁石装置を用いて捕捉磁場特性を調査する。
令和2年度は，特に①について実験を進めた。軟鉄ヨークの形状や大きさが捕捉磁場特性に及ぼす影響を検討するため，円柱型（φ64×47 mm），リング型（OD64×ID20×t47 mm），クロス型（W15 mm，t47 mm）の純鉄製のヨークを作製した。これらのヨークを用いて，φ64×20 mmのGdBa2Cu3Oxバルク体の着磁実験を行った。実験は印加磁場を3.9～6.2 T，試料の温度を20～50 Kに変えて単一パルス磁場を印加し，着磁中の試料表面中央の磁束密度及び温度を測定するとともに，磁場印加後の磁極表面における磁束密度分布を測定した。更に磁場分布の実測データから総磁束を算出した。実験の結果，リング型ヨークは，円柱型と比較すると数％低い捕捉磁場となった。これは中心部に軟鉄がないために，印加磁場が小さくなってしまったことが要因であることが考えられた。一方，クロス型は円柱型とほぼ同じ捕捉磁場となり，ヨークの重量が約67%であることから，単位重さ当たりの総磁束量を比較すると約50%の向上が確認できた。これは，クロス型ヨークにより，印加磁場が不均一になり，バルク体に磁束が入りやすくなったことが考えられた。
また，②について本システムをモデル化して，簡単な数値解析を行い，モデルの妥当性について確認した。現在，本格的な解析に向けて準備を進めている。
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| 今後の研究の推進方策 |
令和3年度は，厚みの異なるヨークについて検討を行う予定である。現在は直径64 mm×厚さ47mmのものを用いているが，直径は変えずに厚さを20，10，5 mmの純鉄製のヨークを作製して，着磁特性を評価する予定である。
また，これまでに着磁シミュレーションの準備を行ってきたが，本格的に数値解析を行う予定である。これまでに実験を行ってきた円柱型，リング型，クロス型ヨークについてシミュレーションを行い，実験結果と比較検討を行う予定である。更に，当初の目的である捕捉磁場を維持しつつヨークの軽量化を図るために，上記以外の形状のヨークについても検討したい。
また，研究期間半期の成果をまとめるとともに他機関の研究の現状を調査するために，9月に開催予定のEUCAS2021（欧州応用超伝導国際会議，オンライン），12月に開催予定のMT27（磁石技術に関する国際会議，福岡＋WEB）に参加予定である。同会議もASCと同様に2年に一度開催される超伝導関係では最も大きな会議の一つであり，多くの研究成果が報告される。また，低温工学・超電導学会や電気学会の発表会にも参加して，研究成果を発表するとともに，情報収集する予定である。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
令和2年度は，当初予定していた国際会議がオンライン開催となったため，旅費が不要となった。その予算は新規に製作する軟鉄ヨークの材料及び加工費，及び着磁実験で使用する液体窒素の購入費に充てる予定である。また，研究期間半期の成果をまとめるとともに他機関の研究の現状を調査するために，2021年度春季超電導・低温工学会（オンライン，2021.5.19-21）やEUCAS2021（欧州応用超伝導国際会議，オンライン，2021.9.5-），MT27（磁石技術に関する国際会議，福岡＋WEB，2021.11.15-19）等の学会参加費を予定している。
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