成果報告書詳細
管理番号20110000001339
タイトル平成21年度~平成23年度成果報告書 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
公開日2011/10/12
報告書年度2009 - 2011
委託先名産業用超電導線材・機器技術研究組合 国立大学法人東北大学金属材料研究所 国立大学法人名古屋大学 国立大学法人九州大学 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【1.超長尺イットリウム系複合材料における希少金属使用量低減技術開発】 <1.1.1-1 エキシマレーザPLD 法による複合材料作製プロセス開発> ホットウォール型エキシマレーザPLD成膜システムを選定し、高速移動に対応し、さらに複数の原料ターゲットをチャンバー内で交換可能なシステム及び大口径のリールに対してトルク制御システムを導入した装置を設計、製作およびその装置の線材作製機能の検証を実施した。1km長のイットリウム系複合材料のIcの平均値は534A/cm幅(@77K、自己磁場)であり、10m長以上でIcが300A/cm幅(同)以上という特性も満たし、目標を達成した。  機械強度、伝熱・流体シミュレーション等を駆使し、大型MOD焼成装置を設計、製作およびその装置の線材作製機能の検証を実施した。1kmパッチ線材において平均Icで300A/cm幅(同)を達成し、また、10m長線材において300A/cm幅(同)を実現し、目標を達成した。 【2.イットリウム系複合材料の製造工程における希少金属利用率等の効率向上技術開発】 <レーザCVD法による希少金属利用率向上技術開発> 液体原料を用いたレーザCVD装置の開発を行い、成膜条件の検討を行った結果、原材料収率は45.7%を得た。また、Reel-to-Reel式成膜装置を製作導入し、IBAD基材上で2 MA/cm2 以上のJc特性を実現した。以上の結果より、目標を達成した。   YAGレーザを用いたPLD複合材料作製装置を導入し、マルチターン/マルチパス法への拡張について検討を行った結果、56.1%の収率が得られた。また、成膜条件の検討を通して、Tc = 88.2 K、Jc = 1.4 MA/cm2(同)が得られた。以上の結果より、目標を達成した。 【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】 <回転機適正構造の概念設計> 界磁巻線コイルの設計検討のための解析シミュレータを開発した。これを用いて傘型形状コイルに関して成立性を評価した結果、動作温度40Kで2Tの磁場発生が可能であることがわかった。また、Y系回転機の概念設計を行った結果、500 kW機で希少金属使用量が従来永久磁石常電導回転機の1/130と大幅に低減できることを明らかにした。以上の検討を通して、目標を達成した。  <界磁巻線および冷却要素技術開発> イットリウム系複合材料を用いて傘型形状モデルコイルを試作し、励磁試験を行った結果、加工劣化がなく磁場を発生させることができた。また、液体Neによるサーモサイフォン式冷却試験装置を作製し、冷却特性を調べた結果、回転条件下で模擬回転体を30K程度まで安定的に冷却することができ、また、液体Ne-回転シャフトSUS界面の熱伝達係数を実験的に確認することができた。これにより、回転機の冷却設計を可能にすることができ、目標を達成した。 【4.委員会・連絡会議の設置】 <イットリウム系複合材料を用いた超電導回転機開発委員会> 各分野のユーザ、メーカおよび学識経験者を含めた委員会を設置し、実用化のためのニーズおよび課題検討を行った。さまざまな議論を通し、イットリウム系複合材料を用いた回転機の有効性等について纏めた。 <連絡会議の設置> 各研究項目内及び各研究項目間の実務者レベルで連絡会議を開催した。進捗管理等を含めたマネージメントの役割も担い、円滑な研究開発を推進した。
英文要約Title: The Rare Metal Substitute Materials Development Project. 9-(2) Developments 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) Final Report
[Theme 1 ”Development of long Y-based composite materials for reduction of rare metals consumption”]In order to develop the fabrication processing for realizing an extremely long composite tape, large scale apparatuses for PLDand MOD methods were designed and installed. The suitable conditions for fabricating long tapeshave been investigated.Then, a 1km long tape with average Ic value of 534A/cm-width (@77K, s.f.) was realized by the PLD system. In this tape, 10m long part with higher Ic value than 300A/cm-w was also confirmed without any Ic drops. In the R&D of MOD process, a 1km long patched tape was fabricated and the average Ic value over 300A/cm-w was confirmed. Additionally, a 10m long tape with a high Ic value of 300A/cm-w was also successfully fabricated. Thorough the above mentioned developments, the final goals for this theme were satisfied. [Theme 2 ” Improvement of material (Rare metals) yields in fabrication process of Y-based composite materials”] In order to realize high material yield in the fabricating process, two different methods of Laser-CVD and YAG-PLDhave been developed. In the development of the Laser-CVD process, the liquid source system was used for considering long tape fabrication. As a result, high material yield of 45.7% was realized. And the tape with the high Jc value of 2MA/cm2 (@77K, s.f.) was fabricated by the reel-to-reel fabricating system. On the other hand, high material yield of 56.1% was shown by the reel-to-reel YAG-PLD fabricating system, and the high superconducting performances were also confirmed such as Tc=88.2K and Jc=1.4MA/cm2. Thorough the above mentioned developments, the final goals for this theme was satisfied. [Theme 3 ” Preliminary R&D on rotating machines using Y-based composite materials.”]To show the possibility of reducing amount of rare earth material in the superconducting rotating machinein comparison to permanent magnet one, we performed the conceptual design of a 500kW-1000rpm superconducting motor.It was found that the used amount of rare earth in the rotating machine with the composite electrical magnet was reduced smaller than 1/130 of those in that with permanent magnet. In parallel, the model coil using the composite tapes was made, and the cooling system using the idea of thermo-siphon principle was also developed. Thorough the above mentioned developments, the final goals for this theme was satisfied. [Sub-theme 4-1; Investigation committeefor superconductingrotating machines] The needs and problems for realizing superconducting rotating machines were discussed in the committee which was constructed by the experts in the several different fields. [Sub-theme 4-2; Adhoc R&D meeting]The members in this project were assembled to check the progress and to cooperate each other as an ad hoc R&D meeting.
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