Superconducting rotating machine

超電導回転機

A rotating machine is an energy device widely used in modern society regardless of industrial or consumer use. If a current is passed through the rotating machine, it can be driven as a motor, and if it is driven from the outside, it becomes a generator. Increasing the efficiency of rotating machines brings about significant progress in reducing environmental impact. The key is the proportional relationship that exists between volume and current density, magnetic flux density and output. Superconductors can take a larger amount of electromagnetic energy than conventional materials. Therefore, if the components inside the rotating machine are replaced with superconducting materials, the output of the rotating machine can be greatly improved.

　回転機は産業用途、民生用途を問わず、現代社会において幅広く用いられるエネルギーデバイスです。 回転機に電流を流したならばモータとして駆動可能であり、外部から駆動したならば発電機となります。 回転機の効率化は環境負荷低減において大きな進展をもたらし、その鍵は体積と電流密度、磁束密度のそれぞれと出力の間に存在する比例関係にあります。 超電導材料は旧来の金属材料と比較して大きな電磁エネルギーを取り扱えるため、回転機内部の構成部品を超電導材料へ置き換えたならば、回転機の出力を大きく向上させることが可能となります。

At first, axial-gap-type synchronous rotating machines with single rotor and twin rotors have been compared and studied in joint research with Kitano Seiki. To date, all superconducting rotating machines prototyped in other countries have used superconducting wire for the field pole, whereas our rotating machines have the uniqueness of using superconducting bulk material for the field pole. Superconducting wire suddenly causes a phenomenon called quenching and loses superconductivity, however superconducting bulk materials can avoid this quenching problem. The single-phase voltage waveform with twin rotors has become smoothly sinusoidal. The maximum trapped field is up to 0.7 T in the twin-type motors operating at 720 rpm. Hence, operations of both motor and generator revealed the necessity of achieving a central flux density of 3 T or more with the bulk field pole after magnetization. This is probably the minimum criterion to discriminate superconducting bulk motors from other conventional machines composed of copper–iron and/or superconducting coils.

　最初に我々は北野精機との共同研究においてアキシャルギャップ型回転機を試作し、次いで二層の回転子を持つアキシャルギャップ型回転機を試作し、それぞれの出力特性を調べました。 現在までに他国で試作された全ての超電導回転機が界磁極に超電導線材を用いていることに対し、我々の回転機には界磁極に超電導バルク材を用いているという独自性があります。 超電導線材は突発的にクエンチと呼ばれる現象を引き起こして超電導性を失うという問題を持ちますが、超電導バルク材はこのクエンチによる問題を回避できます。 我々が試作した超電導回転機において、二層回転子で発電した単相電圧波形は滑らかな正弦波になりました。 また、界磁極の超電導バルク磁石へ0.7Tの磁場を捕捉させたとき、モータとして720rpmで駆動できました。 モーターと発電機の両方の動作を通じて回転機の諸特性について検討した結果、超電導材料の優位性を生かすためには磁化後のバルク界磁極に3T以上の中心磁束密度を達成させるべきであることが明らかになりました。

It is technically difficult to capture a strong magnetic field in the bulk magnetic pole. We worked on solving this technical problem, and in collaboration with ABB and Nippon Steel, we designed and manufactured a radial cap-type rotating machine demonstration machine that can achieve a center magnetic flux density of over 3T. This rotating machine of 30kW class not only maintained its performance through continuous rotation over several hundred hours, withstood various rotation tests and demonstrated the superiority of each component and the practicality of superconducting rotating machines. The design structure of the prototype that succeeded in proof-of-concept can be easily scaled up to a MW class motor or generator as it is. This success will open up new possibilities for the practical application of superconducting motors, targeting transportation systems such as electric propulsion ships and wind power generation systems.

　バルク界磁極に強磁場を捕捉させることは技術的な困難を伴います。 我々はその技術的課題の解決に取り組み、ABB及び日本製鉄と共同で3T超の中心磁束密度を達成可能な30kW級ラジアルキャップ型回転機の実証機を設計・製作しました。 この回転機は数百時間を超える連続回転を通じて性能を維持し続けたばかりか、様々な試験を経て各構成要素の優位性と超電導回転機が実用使用に耐えることを示して概念実証に成功しました。 我々の試作機の設計構造は、容易にメガワット (MW) 級のモータや発電機にスケールアップが可能です。 それゆえこの成功は、電気推進船や風力発電システムなどの輸送システムを対象とした、超伝導モーターの実用化の新しい可能性を切り開くものです。

We have also prototyped a synchronous rotating machine that uses superconducting windings as field poles. The knowledge gained from the development of this rotating machine eventually evolved into joint research with Kawasaki Heavy Industries, resulting in the development of a prototype 3MW class ship propulsion motor after a 1MW class prototype.

　一方、我々は界磁極に超電導巻線を採用した同期回転機をも試作しました。 この回転機の開発によって得られた知見はやがて、川崎重工業との共同研究へと発展し、1MW級の試作機を経て、3MW級の船舶推進用動力モータ試作機の開発へと結実しました。