Ｙ系高温超伝導線材の低交流損失・大電流容量化に関する研究

2014 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 26249042
• 研究機関: 九州大学
• 研究代表者: 岩熊 成卓 九州大学, システム情報科学研究科(研究院, 教授 (30176531)
• 研究分担者: 川越 明史 鹿児島大学, 理工学研究科, 准教授 (40315396)
• 研究期間 (年度): 2014-04-01 – 2018-03-31
• キーワード: 超伝導体 / YBCO / 交流損失 / 電流分流 / 並列導体

研究実績の概要

Ｙ系超伝導線材は結晶構造とその異方性に由来して形状は扁平なテープであり、従来の金属系低温超伝導線材において常套手段であった低交流損失化のための多芯化、大電流容量化のための撚線導体化の手法は適用できない。そのため、磁化による発生磁場の乱れ、交流損失ともに大きく、直流・交流用ともに容易に利用できない状況にある。本研究では、独自の概念に基づき、低Ｙ系超伝導線材の低磁化・低交流損失化、大電流容量を図り、この基本的電磁特性の評価と解明を行って、低温超伝導多芯線・撚線導体に代わるＹ系高温超伝導線材・導体・巻線の構成法を明らかにすることを目的としている。平成２６年度の研究実績の概要を下記に記す。
（１）Ｙ系線材の低交流損失化を目指し、レーザスクライビングによりフィラメント分割した短尺線材について、磁化、交流損失の温度T、磁場B、磁場印加角度θ依存性、さらに磁化緩和特性を測定した。比較のため、フィラメント分割しない線材についても同様な測定を行い、磁化（遮蔽電流）・交流損失低減についてフィラメント分割の効果を検証するとともに、これら電磁特性データを各種設計・解析に資した。
（２）Ｙ系線材の直流応用を念頭に置き、まずフィラメント分割していないＹ系線材を小型テストコイルに巻き、電流・磁界を印加して、高精度磁場センサーでを用いて誘起される遮蔽電流による発生磁場の乱れの時間変化を観測した。その結果、遮蔽電流が減衰し、一定磁場に至るまでの特性時間が通電電流とともに変化することを見いだし、Ｙ系線材を磁場の精度が要求される直流応用へ適用するための施策について検討した。
（３）Ｙ系線材の大電流容量化を目指し、素線の通電特性を基に転位並列導体の素線間電流分流、特に低周波時における分流特性について理論的に考察した。
本研究成果は、Ｙ系超伝導線材を用いた新たな超伝導電気機器・システムの開発を推進すると期待される。

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、ヘリウム資源枯渇が危惧される状況にあって、従来の金属系低温超伝導線材・導体の発展的代替手段となり得るＹ系超伝導線材・導体の開発を目指すものである。扁平なテープ形状を有するＹ系超伝導線材には、金属系低温超伝導線材において常套手段であった低交流損失化のための多芯線化、大電流容量化のための撚線導体化の手法は適用できず、本研究では独自の手法を適用して、この課題の克服を目指している。低交流損失化については、スクライビング加工によるマルチフィラメント化とフィラメント間インダクタンスを均等にしうる特殊巻線工程の組合せにより、また、大電流容量化については、転位並列導体構造の採用により、両課題の同時解決を行う。すでに、これら低交流損失・大電流容量化手法の商用周波（高周波）帯域における適用性については、３相66kV/6.9kV-2MVA超伝導変圧器の試作により検証を行った。しかしながら、これらＹ系超伝導線材・導体の電磁特性の解明に取り組む中で、交流応用よりむしろ逆に直流応用（低周波）において解決すべき課題が山積していることを見いだし、本研究では、これら線材・導体を低周波から高周波に至るあらゆる応用に適応させうるように、課題の抽出と解決を目指している。前述したように、本研究において採用している線材・導体構成法は独自の手法であり、世界唯一である。よって、課題を把握し、解決手段を講じることは、他ではできない。本研究では、まず、これまで適用してこなかった、磁場精度が要求される直流応用を目指したコイルの発生磁場、すなわち、線材・導体に誘起される遮蔽電流の減衰特性に着目して、その観測および解析から研究を開始している。研究は計画通りの進捗を辿っている。

今後の研究の推進方策

当初からの計画通りに今後も研究を遂行していく。
線材の通電特性に起因した線材内遮蔽電流の減衰特性、大電流容量化を目指して転位並列導体を構成した際の素線間電流分流特性等々、高温酸化物超伝導線材・導体に特有の電磁現象を、実験による観測と数値解析を用いた理論計算により、解明・把握し、従来の金属系低温超伝導線材・導体の発展的代替手段となり得るＹ系超伝導線材・導体の開発を目指す。

研究成果

• [雑誌論文] Development of a 3φ-66/6.9 kV-2 MVA REBCO Superconducting Transformer (2015)
  • 著者名/発表者名: Masataka Iwakuma, Kizen Sakaki, Akira Tomioka, Takeji Miyayama, Masayuki Konno, Hidemi Hayashi, Hiroshi Okamoto, Yoshihiro Gosho, Tohru Eguchi, Sigeru Yoshida, Yoshiaki Suzuki, Hirokazu Hirai, Yasuhiro Iijima, Takashi Saitoh, Teruo Izumi, Yuh Shiohara
  • 雑誌名: IEEE Trans. Appl. Supercond. 巻: 25 ページ: Art. No.5500206
  • DOI: 10.1109/TASC.2014.2364615
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Development of REBCO Superconducting Transformers With a Current Limiting Function―Fabrication and Tests of 6.9 kV-400 kVA Transformers (2015)
  • 著者名/発表者名: Yuhei Ohtsubo, Masataka Iwakuma, Seiki Sato, Kizen Sakaki, Akira Tomioka, Takeji Miyayama, Masayuki Konno, Hidemi Hayashi, Hiroshi Okamoto, Yoshihiro Gosho, Tohru Eguchi, Takashi Saitoh, Teruo Izumi, Yuh Shiohara
  • 雑誌名: IEEE Trans. Appl. Supercond. 巻: 25 ページ: Art. No.5500305
  • DOI: 10.1109/TASC.2014.2374671
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Design, Fabrication, and Persistent Current Operation of the REBCO Floating Coil for the Plasma Experimental Device Mini-RT (2014)
  • 著者名/発表者名: Y. Ogawa, J. Morikawa, K. Uchida, Y. Hosaka, C. Kawai, K. Ibano, T. Mito, N. Yanagi, K. Natsume, Y. Terazaki, M. Iwakuma, A. Tomioka and S. Nose
  • 雑誌名: Plasma and Fusion Research 巻: 9 ページ: Art. No.1405014
  • 査読あり
• [雑誌論文] Development of YBCO power transformer (2014)
  • 著者名/発表者名: H. Hayashi, M. Iwakuma
  • 雑誌名: Journal of the Institute of Electrical Engineers of Japan 巻: 134 ページ: 553-555
  • DOI: 10.1541/ieejjournal.134.553
  • 査読あり
• [学会発表] Development of a 66/6.9kV-20MVA REBCO Superconducting Transformer with a Current Limiting Function (2014)
  • 著者名/発表者名: M. Iwakuma
  • 学会等名: CCA2014 (International Workshop on Coated Conductors for Applications)
  • 発表場所: Jeju Island, Korea
  • 年月日: 2014-11-30 – 2014-12-03
  • 招待講演
• [学会発表] 鞍型ピックアップコイル法によるREBCO超電導テープ線材の磁化緩和特性の考察（1） (2014)
  • 著者名/発表者名: 益田佳一郎，岩熊成卓，和泉輝郎，塩原融
  • 学会等名: 第90回 低温工学・超電導学会研究発表会
  • 発表場所: 福島
  • 年月日: 2014-11-05 – 2014-11-07
• [学会発表] Y系超電導転移並列導体で構成したコイルの付加的交流損失特性(3) (2014)
  • 著者名/発表者名: 槻木優樹，岩熊成卓，和泉輝郎，塩原融
  • 学会等名: 第90回 低温工学・超電導学会研究発表会
  • 発表場所: 福島
  • 年月日: 2014-11-05 – 2014-11-07
• [学会発表] 20MVA級超電導変圧器の限流機能についての検討 (2014)
  • 著者名/発表者名: 大坪祐平，佐藤誠樹，岩熊成卓，富岡章，今野雅行，五所嘉宏，江口徹，林秀美，飯島康裕，齊藤隆，和泉輝郎，塩原融
  • 学会等名: 第90回 低温工学・超電導学会研究発表会
  • 発表場所: 福島
  • 年月日: 2014-11-05 – 2014-11-07
• [学会発表] Y系超伝導転移並列導体における電流分流特性の解析(Ⅲ) (2014)
  • 著者名/発表者名: 河原史典， 山下康平， 岩熊成卓
  • 学会等名: 第90回 低温工学・超電導学会研究発表会
  • 発表場所: 福島
  • 年月日: 2014-11-05 – 2014-11-07
• [学会発表] 超電導の機器応用 ― 変圧器,回転機等 (2014)
  • 著者名/発表者名: 岩熊成卓
  • 学会等名: 2014年度低温工学・超電導学会九州・西日本支部若手セミナー
  • 発表場所: 熊本
  • 年月日: 2014-09-24 – 2014-09-25
  • 招待講演
• [学会発表] Y系超伝導転位並列導体で構成したコイルの付加的交流損失特性 (2014)
  • 著者名/発表者名: 槻木優樹，岩熊成卓
  • 学会等名: 2014年度低温工学・超電導学会九州・西日本支部若手セミナー
  • 発表場所: 熊本
  • 年月日: 2014-09-24 – 2014-09-25
• [学会発表] 3本超伝導並列導体の通電特性を考慮した電流分流特性の考察 (2014)
  • 著者名/発表者名: 河原史典， 山下康平， 岩熊成卓
  • 学会等名: 2014年度低温工学・超電導学会九州・西日本支部若手セミナー
  • 発表場所: 熊本
  • 年月日: 2014-09-24 – 2014-09-25
• [学会発表] 鞍型ピックアップコイル法によるREBCO超伝導テープ線材の磁化緩和特性 (2014)
  • 著者名/発表者名: 益田佳一郎，岩熊成卓，和泉輝郎，塩原融
  • 学会等名: 平成26年度電気・情報関係学会九州支部連合大会
  • 発表場所: 鹿児島
  • 年月日: 2014-09-18 – 2014-09-19
• [学会発表] Y系超伝導転位並列導体で構成したコイルの付加的交流損失特性 (2014)
  • 著者名/発表者名: 槻木優樹，岩熊成卓
  • 学会等名: 平成26年度電気・情報関係学会九州支部連合大会
  • 発表場所: 鹿児島
  • 年月日: 2014-09-18 – 2014-09-19
• [学会発表] Y系超電導転位並列導体における電流分流特性の解析(Ⅱ) (2014)
  • 著者名/発表者名: 山下康平， 岩熊成卓， 河原史典
  • 学会等名: 平成26年度電気・情報関係学会九州支部連合大会
  • 発表場所: 鹿児島
  • 年月日: 2014-09-18 – 2014-09-19
• [学会発表] Development of 3φ‐66/6.9kV‐2MVA REBCO Superconducting Transformers with a Fault Current Limiting Function (2014)
  • 著者名/発表者名: Masataka Iwakuma, Kizen Sakaki, Akira Tomioka, Takeji Miyayama, Masayuki Konno, Sigeru Yoshida, Yoshiaki Suzuki, Hirokazu Hirai, Hidemi Hayashi, Hiroshi Okamoto, Yoshihiro Gosho, Tohru Eguchi, Yasuhiro Iijima, Takashi Saitoh, Teruo Izumi, Yuh Shiohara
  • 学会等名: IU-MRS ICA 2014 (International Union of Materials Research of Societies, International Conference in Asia 2014)
  • 発表場所: Fukuoka
  • 年月日: 2014-08-24 – 2014-08-30
  • 招待講演
• [学会発表] 超電導線材・導体の構成法と交流損失― LTSとHTSの相違 ― (2014)
  • 著者名/発表者名: 岩熊成卓
  • 学会等名: 2014年度九州・西日本支部研究会／第１回材料研究会
  • 発表場所: 福岡
  • 年月日: 2014-07-25 – 2014-07-25
  • 招待講演
• [学会発表] 鞍型ピックアップコイル法によるREBCO超伝導テープ線材の磁化緩和特性の評価 (2014)
  • 著者名/発表者名: 益田佳一郎，岩熊成卓
  • 学会等名: 第89回 低温工学・超電導学会研究発表会
  • 発表場所: 東京
  • 年月日: 2014-05-26 – 2014-05-28
• [学会発表] Y系超電導転移並列導体で構成したコイルの付加的交流損失特性(2) (2014)
  • 著者名/発表者名: 槻木優樹，岩熊成卓，和泉輝郎，塩原融
  • 学会等名: 第89回 低温工学・超電導学会研究発表会
  • 発表場所: 東京
  • 年月日: 2014-05-26 – 2014-05-28
• [学会発表] Y系超伝導転位並列導体における電流分流特性の解析(Ⅱ) (2014)
  • 著者名/発表者名: 河原史典， 山下康平， 岩熊成卓
  • 学会等名: 第89回 低温工学・超電導学会研究発表会
  • 発表場所: 東京
  • 年月日: 2014-05-26 – 2014-05-28