自 動 車

超電導モータの設計
馬場澤井＊猛 ・尾孝

山仁・有吉剛典

Design of Superconducting Motor ─ by Takeshi Baba, Hitoshi Oyama, Takeshi Ariyoshi and Takanori Sawai ─The features of superconductivity, such as zero electrical resistance and a high current density, enable excellent
power efficiency and high magnetic fields which normal conductivity would never generate. Thus superconductors
have the potential to be used in high-performance electrical equipment. The authors, at Sumitomo Electric,
developed the world’s first electric car powered by a superconducting motor. They also found that the best
performance was obtained when the superconducting motor was driven in a low-speed, high-torque. In this study,
the authors designed a new interior permanent magnet (IPM) motor (maximum torque: 3,120 Nm, rotation speed:2,000 rpm) using DI-BSCCO ® and measured the mileage based on the electromagnetic analysis. This paper
describes the details of the study, including the key to AC loss reduction.
Keywords: superconducting wire, motor, electromagnetic design, AC loss

1.

緒言

近年、「エネルギー・資源・環境問題」がクローズアッductor）の発見に至った。“高温超電導体”の定義は、国プされるようになり、各産業界でもエネルギー消費削減へ際電気標準会議（IEC）の国際規定と日本工業規格によるの取り組みが盛んに行われている。なかでもモータの省エと「一般的に約 25K（－ 248 ℃）以上の臨界温度（Tc）をネルギーに大きな期待が寄せられており、より高効率な持つ超電導体」とあるが、転移温度が 90K（－ 183 ℃）をモータの開発が課題となっている。高効率モータ開発への超えるものが一般的になった今では、液体窒素の沸点であアプローチの１つとして、超電導線材を用いた超電導モーる 77K（－ 196 ℃）以上で超電導状態に転移するものを高タが挙げられる。超電導体のもつ“電気抵抗ゼロ・高電流温超電導体と呼ぶことが多い。高温超電導体の発見によっ密度”という特長より、銅線では考えられないような高いて、それまで超電導体の冷却に用いられてきた液体ヘリウ

磁界を非常に小さな損失で発生させることができるためでムから安価な液体窒素を用いることで超電導状態を実現すある。当社では、自社開発が進められている超電導線材のることが可能となり、超電導の電力・産業への応用が加速アプリケーションとして車載用の超電導モータを考えておすることとなった。当社ではビスマス系（Bi,Pb）2Sr2Ca2り、世界で初めてとなる超電導モータにより駆動する超電Cu3OX 超電導線の性能を独自に開発した加圧焼成法（CT-導電気自動車を試作し、2008 年 6 月の洞爺湖サミット記（2）により大幅に向上させ、DI-BSCCO®（Dyna
OP TM 法）念環境総合展にて一般公開した 。

mically Inn-ovative BSCCO）の商用化に成功している。

（1）

本論文は、超電導線材を用いたモータのメリットがどの2−2モータへの超電導線材の適用一般的に電気程度あるのか検討することを目的とし、磁場解析ソフトモータは、電気エネルギーを機械エネルギーに変換する電ウェアを用いた超電導モータの電磁気設計について報告す力機器であり、磁場と電流の相互作用による力を利用してるものである。

回転運動を出力する。常電導モータに巻回しされるコイルの導線を、超電導線材に置き換えることで得られると考え2.

られるメリットについて図１に示す。

超電導モータ車（1）超電導線材は、「ゼロ抵抗」 にて通電することがで超電導体とは臨界温度（Tc） 、きるため、コイル巻線において発生する銅損がなく、低損臨界電流（Ic）※2、臨界磁場（Hc）※3 以下の条件において「ゼ失で駆動することが可能となる。特に低速域で、常電導ロ抵抗」にて通電が可能となる物質のことである。1911 年

モータは回転軸に同軸の冷却ファンの回転数が低くなり、に 4.2K（－ 269 ℃）において水銀の超電導状態が発見されて高負荷時において銅損による発熱にモータの冷却能力が追以来、多くの研究者たちによって研究が続けられ、1986 年いつかなくなる。しかし、超電導モータでは、大電流を流には高温超電導体（HTS: High Temperature Supercon-しても発熱が生じないため、効率よく低速・大トルクを得

2−1

超電導線材※12 0 1 0 年 1 月・ S E I テ クニ カ ル レ ビ ュ ー ・ 第 1 7 6 号 −（ 45 ）−ることができる。

場合においてであり、交流電流通電時は通電による損失が（2）常電導モータを小型・軽量化するためには、モー発生する。以下に AC ロスの発生原理について述べる（3）。

タの高速回転化が必要であり、変速機を介して減速することで所望のトルクを得る。超電導モータは、前記（1）で述べたように大トルクを効率よく得られるので、ダイレク
トドライブ※４による駆動が可能となり、減速機による伝達ロス※ 5 を無視することができる。また、高速回転化が必要でなくなるため鉄損も小さくすることができる。
以上（1）、（2）では、超電導モータについて考えられるメリットについて述べたが、産業応用に際して問題となる

垂直磁場のは、超電導コイルを常に超電導状態を維持できる温度、つまり臨界温度以下に維持しなければならないことであ銀

平行磁場

超電導フィラメントる。現状の冷却技術を鑑みるに、当面は稼働率の高い用途

図2に用いられるべきと考えられる。また、変速頻度が多く、超電導線材の形状と磁場の方向加減速時に大トルクを必要とする用途にて、特に大きなメリットが得られると考えられる。
（1）ヒステリシス損失
図３に示すような厚さ 2a の超電導平板に、面方向に平超電導コイル

行なピーク値 Hm の交流磁界が印可されているとすると、超電導平板内に侵入する磁界分布は図４のようにヒステリシスとなる。このとき、ピン止め力※ 6 に伴う損失が生じ、超電導コイル化

印可磁場 1 周期当たりの単位体積当たり損失 Q は、

Q = 2aµoJcHm
ゼロ抵抗

低損失

省エネルギー

大電流

大トルク

小型・軽量

低電圧

DC/DCコンバータ
直列電池数削減µo : 真空中の透磁率、 Jc : 臨界電流密度

高信頼性
低コスト
HHm

図1

超電導モータのメリット①H②③⑦④臨界電流特性と AC ロス

図3超電導モータは電気抵抗がゼロであるため、低電圧で大t⑥-Hm3.

⑧⑤超電導平板モデル電流を流すことが可能となり、強い磁場を発生させることで大トルクを実現できる。しかし、超電導線材に外部から2a磁場が印可されると臨界電流値が低下するだけでなく、印H可される磁場が臨界磁場以上となると超電導状態が破れ常0電導状態へと転移する。Bi 系超電導体は、電磁気的特性にH0-aa① H=Hm異方性を持っており、磁場が超電導体のｃ軸方向、超電導線材としては厚み方向の磁場に対して臨界電流の低下が大

H0-aa② H=Hm/20H-a

きい。また、図２に示すように、超電導線材の厚み方向に印可される磁場を垂直磁場、幅方向に印可される磁場を平0行磁場と定義する。

H

次に、交流駆動モータの巻線に超電導線材を用いる場合、問題となるのが AC ロスである。臨界条件下において超電導線材は、損失ゼロとなるが、これは直流電流を通電した−（ 46 ）− 超電導モータの設計

0H-aa⑤ H=-Hm

図4H00H-aa⑥ H=-Hm/2-aa④ H=-Hm/2a③ H=0-aa⑦ H=0-aa⑧ H=Hm/2

交流磁界が印可されたときの超電導平板内の磁界分布となり、磁界の変化の仕方によらない磁界のピーク値で決スリム線材）の交流損失を示す（5）。

まる損失が発生する。

極低磁場（0.01T 以下）の領域では、磁場の方向によるAC ロスに差異は見られないが、磁場が大きくなるにつれ（2）結合損失
DI-BSCCO は図２に示すように被覆導体である銀（白て垂直磁場の影響が強くなり、0.1T 以上の領域では、平行い部分）の中に超電導フィラメント（黒い部分）が埋め込磁場に対して 1 オーダー以上の損失が発生する。これにつまれた多芯構造となっている。いま、図５に示すような常いても、Bi 系超電導体の電磁気的特性における異方性が起電導金属を介した超電導体間モデルにおいて、 z 方向に一因している。以上、臨界電流特性、AC ロスの観点から、様な変動磁界 H が印可されたとする。このとき、このブ低損失な超電導モータを構成するためには、モータ内部にロックには磁界の侵入を妨げる方向に結合電流が流れ、常おける線材の経験磁界の振幅・方向を考慮に入れた設計を電導部分において発熱が生じる 。

行う必要がある。

®

（4）

設計における AC ロスの試算方法は、有限要素法を用い（3）渦電流損失
外部磁場によって、結合電流とは別に常電導金属部分に渦電流が流れ、ジュール損失が生じる。

た数値電磁界解析によって行う。まず、ある時刻における超電導線材断面内の電磁界分布を CAE によって求める。次図６に 77K-196 ℃において 50Hz の交流磁界を印可した

ときの DI-BSCCO （Type H：高臨界電液線材、Type S：®に、各要素について、印可される磁場を垂直磁場と平行磁場とに分け、各磁場方向による損失を図６より求め、全要素について足し合わせることでジュール発熱を計算する。
最後に、交流電流および交流磁界の１周期分について計算

yし、総和を取ることで AC ロスが求まる。
zx4.

超電導体
常電導体

4−1

結合電流H

モータ設計は、磁場解析ソフト

モータ仕様

ウェア JMAG を用いた CAE による電磁気設計にて行った。
設計した超電導モータの仕様を表１に示す。

超電導体

図5

超電導モータの設計

ブロック状複合導体の結合電流モデル

表1

モーターの種類
構

2.5w/Ic [W/kA/m]

21.5

造モータ仕様IPM
4 極 6 スロットType H

冷却温度

69K

使用線材

Di-BSCCO® Type S

Type S

最高回転数

2,000rpm

最大トルク3,120Nm

10.5000.050.1Bm [T]0.150.20.25

る IPM（Interior Permanent Magnet）モータ※７を採用し（a）平行磁場ており、ステータに巻回しされるコイルを超電導化した電25

Type H

20w/Ic [W/kA/m]

モータの基本構造は、現行の HEV、EV でも一般的であType S

15機子超電導モータとした。コイル線材は AC ロス低減のために DI-BSCCO ® Type S を使用している。Type S（幅2.6mm）は、高臨界電流線材である Type H（幅 4.3mm）に比べてスリムサイズとなっており、垂直磁場にさらされ10る線の幅が小さくなることで図６に示すように AC ロスを5低減することが可能である。また、コイルの冷却温度を冷0凍機を用いて液体窒素の沸点温度以下の 69K とすること
00.050.1

Bm [T]

0.150.2（b）垂直磁場

図６DI-BSCCO®の交流損失＠77K、50Hz0.25で、超電導コイルの臨界電流特性を向上させて使用することを想定している。本モータは、超電導線材の許容両曲げ直径を考慮して、4 極 6 スロットで形成される鉄心構造を有しており、ステータ歯部の周辺に超電導線材を巻回した

2 0 1 0 年 1 月・ S E I テ クニ カ ル レ ビ ュ ー ・ 第 1 7 6 号 −（ 47 ）−レーストラック型コイルを配置している。に示すように、磁場の方向に沿うように線材を傾斜させて既に述べたように、超電導コイルを構成することで、垂直磁場成分を小さくすることモータを設計する際に重要となるのは、超電導線に印可さができる。例として、ある大きさの磁場が上式においてれる垂直磁場の低減である。垂直磁場が大きくなると、θ＝ 30 ° の角度で印可されたときの AC ロスを 1 とし、線モータの効率が悪くなるばかりでなく、コイル線材が超電材の傾斜を変化させたときの AC ロスの変化を図８に示す。

導状態を維持することができなくなる。本モータについて

磁場の傾斜角は線材の垂直磁場が小さくなる方向を正とすも垂直磁場を低減する設計を行っており、以下にその概要る。傾斜角が、磁場の方向に線材が沿う 30 ° 付近で AC ロについて述べる。

スは最も小さくなり、その大きさは傾斜を設けないときの4−2

垂直磁場低減設計

モータを駆動する際、コイルに流れる電流の大きさとコ約 15%まで低減することが可能である。実際に超電導線にイルのターン数に比例した磁場が発生する。また、モータ印可される磁場は、時間に対して向きと大きさが常に変化は回転体であるので、ロータとステータの位置関係によっする。また、あるステータとロータの位置関係からモータて超電導線に印可される磁場の大きさと向きは常に変化すが一回転したとき、互いの位置関係は元の状態へと戻るたる。よって、垂直磁場を低減する方針として、め、磁場の向きと大きさは周期性をもつ。本設計では、こ（1）超電導線に印可される磁場の絶対値を低減する。の 1 周期に対して、コイル全体の損失が最小となるように、（2）ある大きさと向きをもつ磁場に対して垂直磁場成線材の傾斜を最適化している。

分を小さくする。
といった設計が考えられる。（1）については、CAE による6ことができる。スロット内のコイル配置を最適化すること

5で、コイル全体に印可される磁場の絶対値を低減している。

4（2）については、いま図７（a）に示すような超電導線材の配置でコイルを構成した場合、印可磁場 Bm に対してACロス

磁場解析によって、モータ内に分布する磁場の強弱を知る

321垂直磁場： Bmsin q0

平行磁場： Bmcos q-50-30-10103050

線材の傾斜角［°］なる大きさの磁場が線材の各方向に印可されるが、図７（b）

図84−3垂直磁場コイルの傾斜角と AC ロス

モータ性能

図９に今回設計した電機子超電導モータの断面図を示す。ロータは、マグネットトルク※８とリラクタンストルク※ 9 を有効に利用できるように磁石配置の最適化を行っている。ステータについては、スロット内に超電導コイルを格納し、冷媒を循環させることで冷却超電導コイル

θ平行磁場を行っている。また、スロットの周りには断熱のための真空層を設けている。
本モータの電流－トルク特性を図 10 に示す。最大電流印可磁場（62A）時に 3,120Nm のトルクを得ることができる。

（a）コイル傾斜前

ステータ
スロット

超電導コイル

真空層ロータ

印可磁場（b）コイル傾斜後

図7

コイルの傾斜による垂直磁場低減−（ 48 ）− 超電導モータの設計

図9

今回設計したモータの断面5.

トルク［Nm］

3500

結

言

3000

自社開発の Bi 系超電導線材 DI-BSCCO®を用いた電機子

2500

超電導モータの電磁気設計を、CAE による電磁気解析に2000よって行った。今回設計したモータは、電機子巻線を超電1500導化した電機子超電導モータであり、超電導線に交流電流1000を通電したときに生じる AC ロスを低減するために、超電500

導線に印可される垂直磁場の低減に取り組んでいる。本001020

図 103040

電流［A］506070モータは、超電導線のもつ特長により、広範囲に渡って高効率で駆動することができ、低速・高トルク領域においても低損失であることから、自動車ではバス、宅配搬送車

電流−トルク特性（宅配便）、また、建機、フォークリフトといった幅広い用途に用いられることが期待できる。今後は、実機の試作による評価を行い、本設計通りの性能が得られるかを検証す

3120

Torque [Nm]る予定である。

99.6%

99.5%

99.4%

用 語 集ーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーー※1

常電導から超電導、あるいは超電導から常電導に相転移する温度。
※20臨界温度 Tc

臨界電流 Ic

超電導体に流せる限界の電流値であり、これ以上の電流を0Rotation Speed [rpm]

図 112000

効率マップ

通電した場合、常電導に転移してジュール損失が発生する。
※3

臨界磁場 Hc

超電導状態を破壊してしまう磁場の値のこと。磁場による反応の違いから超電導体には第一種超電導体と第二種超電導体の二種類があり、第二種超電導体は Hc1 と Hc2 の２つ

また、図 11 には、の臨界磁場を持つ。DI-BSCCO®は第二種超電導体である。

入力［W］＝ 出力［W］＋ 損失［W］

※4

出力［W］
効率［％］＝ —————— ×100
入力［W］
上記の式に基づいて、モータ単体としての効率マップをダイレクトドライブ

電動機（モータ）の回転力を間接的機構（ギアボックス等）を介さずに直接、駆動対象に伝達する方式、または機構。
※5伝達ロス示している。損失については、銅損をゼロ、鉄損、AC ロ

ギアによる動力の伝達において、歯車摩擦損失（かみ合い）、スを CAE による計算値とし、機械損、浮遊損等は考慮に入およびかきまわし損失（潤滑油撹拌）による摩擦熱。

れていない。効率マップより本モータは、広い領域に渡って高効率を有していることが分かり、最高効率は 99.6%で※6ある。また図中の丸枠に示す低速・高トルク領域において第二種超電導体において、外部磁場が臨界磁場 Hc1 と Hc2も、99.3%以上の高い効率を有している。この領域においの間にあるとき、磁束が超電導体の内部にあるひずみや不て常電導モータは、銅損による大きな発熱が生じるが、超純物等の常電導部分に捕らえられ、ピンで止めたように動電導モータでは高効率を維持しながら駆動することが可能かなくなる現象を「ピン止め現象」。このときの補足力。

ピン止め力となり、今回の電磁気設計によって効率、運転領域において常電導モータと比較して高性能な超電導モータを設計す※7ることができた。

ロータの内部に磁石を埋め込んだ構造を持つ回転界磁形式

IPM モータの同期モータ。

2 0 1 0 年 1 月・ S E I テ クニ カ ル レ ビ ュ ー ・ 第 1 7 6 号 −（ 49 ）−※8マグネットトルクステータの極とロータの永久磁石の磁極との吸引及び反発によって発生するトルク。
※9

リラクタンストルク

ステータの回転磁界による極とロータの突極との吸引力だけによって生ずるトルク。磁路の磁気抵抗（リラクタンス）が小さくなる方向に働き、ロータの極の S、N によらない。

参考文献（1） 尾山仁、新里剛、林和彦、北島健二、有吉剛、澤井孝典、「超電導電気自動車の開発」、SEI テクニカルレビュー、第 173 号、p.59-p.63（2008）（2） 加藤武志、藤上純、小林慎一、山崎浩平、綾井直樹、藤野剛三、上野栄作、菊地昌志、山出哲、林和彦、佐藤謙一、「革新的ビスマス系高温超電導線（DI-BSCCO®の開発」、SEI テクニカルレビュー、第168 号、p.19-p.23（2006）（3） N. Amemiya, “Electromagnetic Phenomena in Superconductors”（4） 山村昌、菅原昌敬、塚本修巳、山口貢、山本充義、「超電導工学」、
電気学会大学講座（5） N. Ayai, S. Kobayashi, M. Kikuchi, T. Ishida, J. Fujikami, K. Yamazaki,S. Yamade, K. Tatamidani, K. Hayashi, K. Sato, H. Kitaguchi, H.
Kumakura, K. Osamura, J. Shimoyama, H. Kamijyo, Y. Fukumoto,, Physica C 468“Progress in performance of DI-BSCCO ® family”(2008) 1747-1752

執筆者 ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------馬場猛＊：自動車技術研究所
超電導自動車に搭載される超電導モータの開発・設計に従事

尾山

仁 ：電力・エネルギー研究所

有吉

剛 ：自動車技術研究所

澤井孝 典 ：自動車技術研究所

グループ長

グループ長
所長

­------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------＊主執筆者−（ 50 ）− 超電導モータの設計