成果報告書詳細
管理番号20140000000056
タイトル平成22年度-平成24年度成果報告書 省エネルギー革新技術開発事業 実用化開発 船舶用高温超電導モータ内蔵ポッド推進システム実用化のための研究開発
公開日2014/5/2
報告書年度2010 - 2012
委託先名川崎重工業株式会社 住友電気工業株式会社
プロジェクト番号P09015
部署名省エネルギー部
和文要約 本研究開発は、平成22年度-24年度の3年間において、世界最高水準の性能と信頼性を有する高温超電導モータを設計・試作及び性能試験や各種要素機器開発、推進システムの適用性検討を行うことで、「高温超電導モータ内蔵のポッド推進システム」の実用化への目処を得ることを目標としている。超電導モータでは、超電導化による電気的損失低減によりモータ効率が向上する。また、低速時における大トルクが実現できるため、減速機が不要となり機械的損失が低減する。加えて、通常モータより大幅な小型化が可能となるため、ポッド推進においては電動モータを内蔵するポッド部の投影面積が縮小し、当該部位での流体抵抗の低減を図ることができる。推進器形状に最適化された船尾形状を採用することで、より一層の推進効率向上が実現できる。
本研究開発では、船舶推進用の高温超電導モータの試作を行っている。試作した超電導モータの仕様は出力3MW、回転数160rpm、効率98%、トルク密度40kNm/m3である。負荷試験により今回試作した超電導モータが上記の仕様を満足していることを確認した。超電導モータの信頼性向上・耐久性確認のため超電導界磁極・超電導コイルの要素開発を行った。具体的には、超電導線材への垂直磁束を低減する磁場転向法を開発することで、超電導コイルからの発熱量を15%以上低減できることを確認した。これにより冷却安定性が向上することで超電導コイルの信頼性が向上した。また、超電導コイルの耐久性評価として、船舶の20年間運航を考慮した熱サイクルや励磁・消磁によるフープ力変動を超電導コイルに与え、性能劣化がほとんどないことを確認した。これにより超電導コイルが実用的な耐久性を有することを確認できた。
また、高温超電導モータ内蔵ポッド推進システムを採用する船では、従来船と比較して18%以上の省エネルギー効果が期待できうることを、水槽試験、CFD解析及び実運航データ解析により実証した。
英文要約The target of this Research & Development for three years of 2010 fiscal year to 2012 fiscal year is to obtain the prospect to utilization of a pod propulsion system with a built-in high temperature superconducting motor by the trial production of a 3MW high temperature superconducting motor with the world’s highest level performance and reliability, the investigation by its performance test, various component parts’ developments and the applicability examination of a ship propulsion system. Since a propulsion motor with the large torque at low rotation speed can be realized, reduction gears can become unnecessary, and it yields that a mechanical loss decreases. In addition, since a superconducting motor can become much smaller than a conventional motor, the project area of the pod part which builds in an electric motor can be contracted, and it can realize the reduction of the fluid resistance in this part. By adopting the stern form optimized by the ship propulsion, much more improvement in propulsive efficiency can be realized.
In this Research & Development, the trial production of a high temperature superconducting motor was conducted. The specifications of the superconducting motor are 3MW of outputs, rotation speed 160rpm, 98% or more of efficiency and 40kNm/m3 of torque density. These specifications were approximately satisfied in the motor. The element developments of superconducting field poles and coils were performed for the improvement in reliability and endurance investigation. Firstly, the Magnetic Flux Deflector Method was developed. The method can reduce the perpendicular magnetic flux to superconducting wire material to reduce the heat generation from the superconducting coils. In this development, it was verified that the heat generation from the superconducting coils could be reduced 15% or more. The reliability of the superconducting coil can be improved because the cooling stability is improved by this method. Secondly, regarding the endurance investigation of a superconducting coil, thermal stress change by the thermal cycle due to cooling and warming and the hoop stress cycle due to the magnetization and demagnetization in consideration of operation during 20 years of a ship were applied to the superconductivity coil. It was observed that there were almost no performance degradations after the thermal cycle and the hoop stress cycle. Thereby, the superconductivity coil has verified having practical endurance performance.
Next, by ship which adopts a pod propulsion system with a built-in high-temperature superconductivity motor, a tank examination, CFD analysis, and real operation data-analysis proved that 18% and more of energy-saving effect could be expected as compared with a conventional diesel propulsion ship.
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