第十七回　超電導誘導モータ
　京都大学中村研究室の紹介を兼ねて

モータの不思議に関するこのシリーズでも論じているのですが，モータには大変に多くの種類があります。ですから，用途に適合したモータ自体の選定と駆動制御法は私どもにとっては常日頃の課題・話題です。しかし，これはそれほど容易な問題ではありません。電気自動車の駆動モータに絞りこんでみても， 50年以上も昔からの問題ではありながら，現時点のモータ科学では，ベストなモータが確定できないように見えます。電動飛行機も昔からのテーマであり，最近の話題の一つです。

ここで，最先端技術として超電導を取り入れると状況判断はどうなのか？京都大学大学院工学研究科の中村武恒（たけつね）教授の研究室の紹介を，2024年1月1日発刊のトランジスタ技術SPECIAL _[1] にしてみました。紙数の都合で，研究の背景などに関する対談部分がカットになったので，ここに記載させていただこうと思います。

中村： 　私は，京都大学大学院工学研究科に2017年4月1日に発足した日本電産(株)(2023年4月1日よりニデック(株)に社名変更)の寄附講座を特定教授として担当させて頂いています．主として回転機を対象にして，超電導材料を含むさまざまな導電材料・磁性材料・磁石材料を用いた基礎的電気-機械エネルギー変換過程の明確化，最適化設計・制御技術，およびシステム化まで従来の常識に捉われることなく取り組んでいます．

見城： 　モータへの超電導の使い方はさまざまあると想像するのですが，籠（かご）型誘導モータのまさに籠型導体に高温超電導材料を使う意味が興味深いです。

中村： 　まず，超電導モータは極低温度に冷やさなければ運転できませんので，超電導化に伴って向上する出力や効率などに対して，相対的にペナルティーとなる冷却コストを少しでも低減することが重要です。したがって，一般的には少しでも高い温度で超電導状態になる高温超電導材料を対象にした研究開発が主流です。これまで，高温超電導材料はほぼ全ての種類のモータに適用検討されてきました。そして，現代における高温超電導モータとしては，国内外を問わず同期モータ(特に巻線界磁を高温超電導材料で構成するモータ)が主流です。籠型誘導モータに高温超電導材料を適用する検討例はほとんどありませんが，最初のしっかりとした実験的研究成果は(大韓民国の)順天郷大学校のグループの論文であり，2003年に同期回転の可能性を示しています。その論文を，当時私の上司であった牟田一彌教授(現 京都大学・名誉教授)が着目され，検討を始めました。

韓国のグループは，その後，（なぜか）研究開発を中止したようです。一方，私たちの研究室では牟田先生を中心として，修士課程の優秀な学生さんも頑張って，基礎理論がある程度完成しました。残念ながら，牟田先生が定年退官され，その学生さんも就職したので研究継続すべきか悩みました。しかし，私が九州大学の学生時代に高温超電導材料物性の研究をしていたこともあり，物理的に面白いと思い，継続を決意しました。ただし，当時は高温超電導誘導モータの研究者が世界的にも皆無に近かったうえに，もともと駆動原理上すべり（ ）を伴う損失の大きなモータを高温超電導化することに反論が強く，また抵抗が低い高温超電導材料を籠型巻線に適用すれば制動効果の減少に伴って不安定系になり，そもそも駆動できるはずがないという批判を学会などで多く受けました。

そこで，向けられた批判に対して，一つ一つ地道に理論検討と実験検証を積み重ねました。そして，国内外の大学・研究所・企業の研究者・技術者から評価・応援をいただけるようになり，高温超電導誘導モータは少しずつ市民権を得るようになっています。これまでに，基礎回転理論，設計・制御技術を確立し，さらには自動車・航空機等のシステム応用技術を開発中です。既に100 kW級程度までならば大学で試作ができる状況ですし，複数の企業様と共にそれ以上の出力機の開発も予定しています。現在では，まずは液体水素ポンプにおいて，世界で最も実用化が近い超電導回転機技術と考えられます _[2] 。

見城： 　私はこのシリーズの第11回で非ローレンツ力について論じてみました。この力を利用する象徴的なモータがヒステリシスモータです。このモータのトルク式を学位論文として1937年に導いたのがティア（B.R.Teare）でした。そして整然とした理論を1940年のAIEE誌に発表しました。

中村： 　私の高温超電導誘導モータにもこの特性が現れます。ヒステリシスモータでは，半硬磁鋼（保磁力が永久磁石用（硬）磁鋼よりは低く軟磁性体よりは高い磁鋼）そのものが磁束の状態を制御するのに対し，高温超電導誘導モータでは珪素鋼板を囲む高温超電導巻線ループが磁束の状態を制御する点が異なります。そして重要なのは，ヒステリシスモータでは実現できなかった高出力・高効率ばかりか，優れた加速性など賢いモータが実現できることです。 （注：これに関する中村教授の学術論文の一つが参考資料 _[3] ）

見城： 　　バーディーン（John Bardeen）らのBCS理論では高温超電導が説明できないと聞いていますが・・・。

中村： 　超電導体が超電導状態になる温度を臨界温度と呼びます。BCS理論によると，臨界温度の上限値はどんなに頑張っても40K（＝－233.15℃）程度と言われていました。臨界温度の上限値は「BCSの壁」と呼ばれています。しかしながら，1986年に銅酸化物系の高温超電導体が発見されるに至り，その臨界温度が40Kはおろか77K（－196°C：液体窒素の大気圧沸点）を遥かに超えていることから，BCS理論では説明できません。BCS理論に代わる新しい理論の確立を目指した研究が今でも行われていますが，確かな理論はまだない状況です。

海中を遊泳する小魚の大群は互いに衝突しません。金属中の電子が原子核に衝突することなく，するりするりと大群で動けばよいわけですが，このためには電子同士のあいだの仕掛けが必要です。それを説明したのが３人の名（Bardeen, Cooper, Schrieffer）の頭文字理論です。専門用語を使うと

個々の電子が自由行動する大群になったときはフェルミ統計に従うが，2個の電子が極低温のもとでは結晶格子を介して対を形成するとボーズ統計にしたがい，それによって電子が秩序正しく流れる。

というふうに説明されます。これは素粒子を扱う量子力学(quantum mechanics)あるいは波動力学(wave mechanics)と呼ばれる分野の理論です。

では中村教授が取り組んでおられるモータの構造を見てみましょう。 図17-2(a) が概念図です。(b)は実際の超電導材の導体棒であり，常電導材と重ね合わせて使います。籠型誘導モータの典型的な構造は第15回の図15-1を，また，棒部分と端絡環を一体加工した籠型導体構造そのものは図14-2の写真をご覧ください。

図17-3 の写真は，この原理的仕組みを具体的に実現している事例の一つです。超電導導体の組付けを見せるのが 図17-4 です。このモータは原理確認用の基礎実験のために端絡環を簡単な仕組にしています。常電導でモータとして起動したい場合には，銅の常温導体棒にも別途銅による端絡環が必要になります。

図17-5 はロータの仕組みの断面概念図です。 (a)はロータ鉄心断面であり，積層鉄心材料は厚さ0.5mmの珪素鋼板で26個の閉スロットの中に導体棒を設置しています。鉄心は13か所でレーザ溶接・積層されています。 (b)は端絡環の溶接設置の概念図です。

以上はモータの構造に関する事柄でした。次は，この構造と超電導の関係からどのような特性のモータが実現できるのか，それを取りあげます。

まず，超電導現象としては直流を想定します。 図17-4 のロータ構造において各導体に流れる電流は時間的に一定であると想定します。導体毎に電流の向きと大きさは異なっていても，それぞれの位置では臨界電流以下の電流であるとします。臨界電流とは何か？それを説明するのが 図17-6 の電圧と電流の関係図です。臨界電流以下であれば，導体には電圧が現れません。この場合にはロータは永久磁石のように向きが変化しない磁界を発生しているので，この状態でモータは同期モータの性質をもちます。つまりすべり ＝0です。しかし，この運転法で負荷を大きくしていくと，ロータが同期速度より少し低くなります。するとロータの巻線には電磁誘導による電圧が発生して電流が低い周波数の交流になり， 図17-7 に示すように臨界電流を超えます。この状態は常電導状態で大きな電流が流れるようなもので，導体棒に流れる電流は直流ではなく，１Hzほどのゆっくりと変化する交流になります。第15回に論じた誘導モータの2次抵抗が低い状態に似てきます。

これは同期運転から非同期運転に滑らかに推移することを意味します。強い永久磁石を使う同期機ではこの推移ができません。同期脱出と呼ばれるのですが，ガックという感じでロータの回転が止まってしまいます。では弱い永久磁石を使うとどうなるでしょうか？それがヒステリシス同期モータであって，同期脱出しても滑らかに回ります。これが 図17-8 に示す同期・非同期 両立性です。超電導モ―タは，負荷によって自動的に誘導機にも同期機にもなり，ヒステリシス同期モータに似ているのですが，実際のヒステリシスモータよりはずっと大きな同期脱出トルクが得られます。

トランジスタ技術SPECIAL _[4] にも記したのですが，超電導誘導モータの始動時にはすべり回転を経由して同期回転に収束します。このすべり回転は定常状態でも実現可能です。 つまり，同期回転とともに両立します。実施した負荷試験結果では，産業用3.7 kWの定格出力のモータのステータ鉄心を用いたものでも20 kWの最大同期出力が実現しています。さらに過大な負荷を印加したところ，最大同期出力の2倍以上(41.3 kW；回転数：1760 rpm，60 Hzでのすべり ＝0.022)の出力が達成されました。つまり，もとの出力の10倍以上の出力が容易に実現されたのです。通常回転時は，効率の高い同期回転で運転し，過大な負荷が印加されると自律的にすべり運転に移行して，損失を伴いながらも運転を継続することができて，過負荷耐量の性能を持たせることが可能です。

図17-4 の試作機は，定格1.5kWのものを超電導化したものであり，初期の実験ではその3倍の4.5kWの出力を確認しています。多くのテキストでは，モータに発生するトルク（回転力）をローレンツ力で説明しています。しかし本当にローレンツ力を使うモータはコアレスDCモータなどの少数です。経済ベースでは99％以上が非ローレンツ力を利用してモータは回っています。非ローレンツ力を説明したのが，コラムに記したようにTeareの非線形理論でした。非線形の典型である磁気ヒステリシスによって発生するトルク(回転力)と鉄損の関係を整然と説明した理論です。それについては，インダクター（誘導子）によるトルクの原理と合わせて，第11回に詳しく記しました。トルクの発生に関してそれに類似であるばかりか,さらに意味深い機能が超電導に宿されるのが不思議です。

高温超電導体の特長は損失が極めて低いことにあり，高効率特性や高トルク特性が実現されます。一方で，抵抗が低いということは制動が効かないことを意味して，急激な加減速に対して振動が生じ不安定になり易いという心配もあります。しかし，高温超電導誘導モータでは， 図17-6 に示す非線形性の抵抗によって，回転安定性が保証されます。20 kW級の事例が参考資料 _[4] に示されています。定格出力の1.5倍の負荷を負った状態でも加速時間0.4sでまったく振動なく定常回転速度に達したと記されています。 図17-3 の試作機では商用の60Hz 電源ではなく，インバータを使って38Hzでの実験を行ってみました。その結果，定格1.5kWに対して，その3倍の4.5kWの出力を確認しています。
（インバータ：トランジスタやFET等を使って直流を所望の電圧と周波数の３相交流に変える電子回路であり，トランジスタ技術SPECIAL 165 _[1] に解説を掲載。）

エネルギー効率の向上に深く関係する電力回生の仕組みがあります。電気自動車なら坂道を下るとき，重力によるポテンシャルエネルギーを電力に変えながらバッテリーを充電する仕組みです。参考資料 _[4] ではこの面でも超電導誘導・同期機の優れた特徴が示されています。

モ―タのさらなる不思議をこれまでに17回にわたって書いてきました。モータを論じ語るに当たって，モータそれ自体の構造とモータを駆動する電気・電子回路，そして回転角，速度，トルクなどの制御の3つの柱があります。このシリーズではモータ自体の構造とそこに使う材料の物理的特性を主体としてきました。そして大学の講義では学べないモータの不思議をとりあげてきました。中村先生は永久磁石を使わないモータの典型の誘導モータの構造に，それに代わるものとして超電導材料を使う研究をなさっています。今回はその一端を紹介させていただきました。ここで，一言いただけるでしょうか？

中村： 　身近の資料としてはトランジスタ技術SPECIAL 165に寄稿した「モータに超電導を組み合わせる」があります。そこには超電導の法則やそれに基づく計算原理等を書いたので本稿の補足になると思います。
　世界中で発電される電力の略半分がモータに使われています。このシリーズでも語られているようにモータの種類と用途は多いのですが，電力の面からは産業用の籠型モータの割合が大変に大きいと言えます。研究テーマとして私が籠型モータへの超電導利用を選んだ理由の一つもここにあります。この研究成果の裾野は広いと思います。

見城： 　インターネットでも見るのですが，飛行機のプロペラへの利用も有望でしょうか？
私のことで恐縮ですが，2005年に発足した日本電産モータ基礎研究所では小形高出力のモータの創出をテーマにしました；明確な目標をもつために研究員が選んだのがF5Bという競技用グライダーでした。キーとなったのが略2秒間で機体を地上500メートルに上昇させるようなモータの設計でした。
大きさとバッテリー電圧の制限がありました。強力なネオジム磁石を使う同期モータとなり，巻線コイルの巻き回数は最小の1あるいは0.5とかになり，それに流す200Aの電流を制御するインバータ回路のハンダが溶けるほどの温度になりました。人や機材を搭載する飛行機の場合には電源は太陽電池となりそうです。そして永久磁石に代わって超電導となります。この辺りの教授の見解をお聞かせいただけると有難いです。

中村： 　輸送の分野ではリニア新幹線の建設が進んでいますが，実現にはまだ数年かかりそうです。その他の輸送機器として自動車，船舶，航空機が考えられ，特に電動航空機への導入を目指した高温超電導回転機の開発が国内外で活発ですが，回転機屋の目から見ると，少なくとも公表ベースでは実用に近い性能を保証する構造は未だ明らかでありません。特に，実験データとして負荷回転特性を明らかにしている研究結果は殆ど無いようですので，まずはしっかり高温超電導回転機としての実績を積んでいくことが必須と思われます。自動車駆動モータは，最高出力100 kW超・平均出力数十kWクラスのものが多く，これを別途冷凍装置で冷やしながら運転するとなると，効率やコストの面でのメリットを見出しにくくなります。ただし最近では，例えばレース用として液体水素タンク（液体水素の沸点はマイナス253℃）を搭載した水素エンジン車が開発されているので，そうした寒冷環境を利用すれば高温超電導モータの優位性を生かせるかもしれません。

一方で， (株)酉島製作所様と我々京都大学がNEDOプロとして取り組んでいる液体水素ポンプではすでにポンプ組み合わせ試験にも成功し，数十kW級機（回転数: 5,000 rpm）について世界最大流量30.5 m3/hや世界最高圧1.6 MPaを達成しており[2]，実用化が見えてきています。

見城： 　さらに進めてステータ巻線も超電導材利用の対象にすると，大きな課題は何でしょうか？

中村： 　回転子(ロータ)の界磁巻線だけでなく固定子(ステータ)の三相交流巻線も超電導材料で構成するモータを全超電導モータと呼んでおり，高効率超電導回転機の究極の姿と考えられています。しかしながら全超電導モータは，無負荷回転試験でさえも成功例が少なく，公表ベースでの明確な負荷回転試験や可変速試験の成功例については，世界的にも私のグループのみの状況で，一般にハードルの高い回転機です。さらに，超電導三相固定子(ステータ)巻線を三相電圧源で励磁すると三相電流が不平衡になるリスクや交流損失（超電導材料に交流電磁界を印加すると，電磁鋼板のヒステリシス損失と類似のメカニズムで損失が発生）の問題がありますので，慎重になるべきと考えています。

参考資料など

1. [1]. 見城編：トランジスタ技術SPECIAL 165，2024年1月：様々のモータを図解説明して，新しい可能性として京都大学の中村研究室の超電導モータを，将来のスピントロニクス応用として東北大学の泉田渉氏のナノモータを紹介した
2. [2] (株)酉島製作所の超電導液化水素ポンプに関するニュースリリース
   (https://www.torishima.co.jp/2024/03/14/post-9334/)
3. [3] Taketsune Nakamura, et al.; Development of 50-kW-Class High-Temperature Superconducting Induction/Synchronous Motor with Continuous Drive Characteristics from Room Temperature, IEEE Transactions on Applied Superconductivity, vol. 33, no. 5, 5200205, 2023
4. [4] 中村:　モータに超電導を組み合わせる，トランジスタ技術SPECIAL 165，2024年1月