成果報告書詳細
管理番号20110000000823
タイトル*平成22年度中間年報 希少金属代替材料開発プロジェクト 超軽量高性能モータ等向けイットリウム系複合材料の開発(5)
公開日2011/8/5
報告書年度2010 - 2010
委託先名学校法人早稲田大学
プロジェクト番号P08023
部署名エネルギー対策推進部
和文要約和文要約等以下本編抜粋:1. 研究開発の内容及び成果等
研究開発項目【3】「イットリウム系複合材料を用いた回転機要素技術開発」
(1) 回転機適正構造の概念設計
1-1 計算機シミュレータの開発
500 kW 級-1000 rpm 級産業用回転機を想定した概念設計について通電・伝熱特性に関する検討を行った。本回転機の設計では、界磁巻線の伝導冷却による30-50 K の運転温度を想定している。また、交流損失による発熱もあり、これによる超電導特性の変化を設計上考慮しなくてはならない。このため、伝導冷却を想定した有限要素法等に基づく界磁巻線の通電・伝熱特性解析技術を開発した。これにより、温度・磁場強度・磁場角度による影響、その際の過渡的な発熱・温度分布を考慮した界磁巻線の通電・伝熱・冷却特性を解析・評価が可能となる。さらに、線材の電磁力支持構造材や電気絶縁材等を含めた伝熱・冷却特性についても検討できるようにした。最終的に熱的挙動評価ツールとしてのシミュレータを研究組合において開発された磁場~応力解析シミュレータと連成し、総合シミュレータを構築する(図1)。図2、3は、有限要素法に基づく通電・伝熱特性の解析結果の一例である。巻線部での定常発熱を10W~30W とし、液体ネオンの熱伝達特性(但し、過去の大気圧下での測定データを利用。初期温度:27.1K=液体ネオンの沸点温度)を考慮して解析を行っている。巻線部の最大温度上昇は3K 以下となっている(図3)。
英文要約Title: The Rare Metal Substitute Materials Development Project. 9-(2) Development of New Permanent Magnets Substituting for Nd-Fe-B Magnets and Development of Yttrium-based Compound. Development of Yttrium-based Composite Material for Ultra-light and High-performance Motors (FY2009-FY2011) FY2010 Annual Report (Waseda University) [Theme 3 ”Preliminary R&D on rotating machines using Y-based composite materials”; Sub-theme (1) Conceptual design of the rotating machines with appropriate structure] To show the possibility of downsizing and weight saving in comparison to conventional rotating machine, we performed the conceptual design of a 500 kW-1000 rpm superconducting motor. Here the principal objects in view were the optimization of the superconducting field windings and the reduction of the weight, i.e. the amount of rare earth. Firstly, we developed a new computer program based on the finite element method to simulate and investigate the thermal behavior in the field winding. We carried out the numerical simulation of temperature change in the field winding with a lampshade-type racetrack. In the simulation, we took into account AC loss due to time-varying magnetic field, the thermal properties of YBCO tape, electrical insulation and epoxy impregnation, and the non-linear thermal transfer to Liquid Neon. From the numerical simulation, we found that the temperature rise in the superconducting field winding is less than or equal to 3K at the highest assuming heat generation in the winding is 10W-30W. Finally, we will combine the newly developed computer program for thermal behavior with the programs, which were developed by the group of ISTERA, for magnetic field and electromagnetic force calculation to optimize the configuration of YBCO field winding. Though a YBCO coated conductor tolerates longitudinal tensile stress well, it is easily delaminated and degraded by transvers tensile stress; some groups reported that the critical current of YBCO coated conductor is significantly degraded under a transvers tensile stress of the order of 10-100MPa. In the application to motor field winding, YBCO coated conductor may be subjected to spatial harmonics; time-varying magnetic field caused by armature windings, and such magnetic field may cause Lorentz force as a time-varying transvers tensile stress, resulting in degradation of the YBCO coated conductor. Therefore, it is necessary to investigate the degradation characteristics of YBCO coated conductors due to time-varying Lorentz force supposing actual operation environment of motor winding. Now, we are conducting preliminary experiments on the degradation of YBCO sample tapes under time-varying Lorentz force in the transvers direction.
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