CN104067494A - 超导旋转机的励磁转子 - Google Patents

Abstract

超导旋转机的励磁转子（100）具备旋转轴（10）、多个线圈箱（20）和多个超导线圈，线圈箱在旋转轴的中心轴方向上延伸，且具备以在内部形成空间的形式构成的壁，并可装卸地固定于旋转轴的周面上；超导线圈配置在各个线圈箱的空间内，且形成超导旋转机的励磁绕组。

Description

超导旋转机的励磁转子

技术领域

本发明涉及超导旋转机的励磁转子。

背景技术

专利文献1公开了超导旋转机的转子芯。该超导旋转机的转子芯由具有轴方向上贯通的圆环状空间的非磁性材料的大致中空圆筒体构成。转子芯是通过从该转子芯的基端侧向末端侧流动的氦气、和从该转子芯的末端侧向基端侧流动的氦气进行冷却。

现有技术文献：

专利文献：

专利文献1：日本特开2011-041403号公报。

发明内容

发明要解决的问题：

本发明要解决的问题是在超导旋转机的励磁转子中，提供与以往相比能够更容易且高精度地制造并且能够支持超导线圈上产生的巨大的电磁力的结构。

解决问题的手段：

本发明的第一超导旋转机的励磁转子具备旋转轴、多个线圈箱和多个超导线圈；所述线圈箱在所述旋转轴的中心轴方向上延伸，且具备以在内部形成空间的形式构成的壁，并可装卸地固定于所述旋转轴的周面上；所述超导线圈配置在各个所述线圈箱的所述空间内，并且形成所述超导旋转机的励磁绕组。

本发明的第二超导旋转机的励磁转子具备旋转轴、多个超导线圈、低热收缩构件和线圈保持构件；所述线圈保持构件通过将所述超导线圈夹在所述线圈保持构件和所述旋转轴的周面之间且固定于所述旋转轴的周面上，以此将所述超导线圈保持在所述旋转轴的周面上；所述低热收缩构件设置于所述超导线圈和所述线圈保持构件之间以及所述超导线圈和所述旋转轴的周面之间中的至少任意一侧上，并且平均热线膨胀系数（mean coefficient of linear thermal expansion）小于所述线圈保持构件的平均热线膨胀系数；所述超导线圈形成所述超导旋转机的励磁绕组。

发明效果：

根据本发明的超导旋转机的励磁转子，发挥可以提供与以往相比更容易且高精度地制造的结构的效果。

附图说明

图1是示出根据第一实施形态的第一实施例的超导旋转机的励磁转子的概略结构的一个示例的立体图；

图2是示出根据第一实施形态的第一实施例的超导旋转机的励磁转子的概略结构的分解图；

图3是示出根据第一实施形态的第一实施例的超导旋转机的励磁转子的概略结构的剖视立体图；

图4是示出将第一实施形态的第一实施例中的线圈箱20沿着与中心轴平行且与周面垂直的平面剖切的截面的结构的概略示意图；

图5是示出根据第一实施形态的第一实施例的超导旋转机的励磁转子的制冷剂路径的概略结构的立体图；

图6是示出根据第一实施形态的第二实施例的超导旋转机的励磁转子的概略结构的剖视立体图；

图7是示出根据第一实施形态的第二实施例的超导旋转机的励磁转子的概略结构的剖视分解图；

图8是示出根据第二实施形态的第三实施例的超导旋转机的励磁转子的概略结构的立体图；

图9是示出根据第二实施形态的第三实施例的超导旋转机的励磁转子的概略结构的分解图；

图10是示出根据第二实施形态的第三实施例的超导旋转机的励磁转子的概略结构的剖视立体图。

具体实施方式

以下，参照附图说明本发明的实施形态。另外，在以下说明中，“中心轴”、“周面”、“周方向”、“径方向”如没有特别说明，则分别表示旋转轴的中心轴、周面、周方向、径方向。又，为了便于说明，以中心轴方向作为前后方向，将输入输出动力的侧作为前方，将输入输出电力和制冷剂等的侧作为后方。

（第一实施形态）

第一实施形态的第一形态的超导旋转机的励磁转子具备旋转轴、多个线圈箱和多个超导线圈，线圈箱在旋转轴的中心轴方向上延伸，且具备以在内部形成空间的形式构成的壁，并可装卸地固定于旋转轴的周面上，超导线圈配置在各个线圈箱的空间内，并且形成超导旋转机的励磁绕组。

在上述结构中，可以组装容纳有超导线圈的线圈箱，之后，将线圈箱组装在旋转轴上。与将超导线圈直接安装在旋转轴上的结构相比，可以容易且高精度地制造励磁转子。又，可以通过线圈箱支持在超导线圈上产生的巨大的电磁力（环向应力[Hoop Stress]：线圈试图向垂直于轴方向[卷轴方向]的方向扩张的力）。

旋转轴在超导旋转机为电动机的情况下是作为输出轴的轴，在超导旋转机为发电机的情况下是作为输入轴的轴。

线圈箱可以由一个构件构成，也可以由多个构件构成。将线圈箱固定于旋转轴的周面上的方法并不特别限定。固定方法例如可以想到螺栓紧固、螺丝紧固、焊接等。

线圈箱优选的是形成为可开闭的结构。在上述结构中，超导线圈可以放入取出，容易进行维修。

线圈箱的数量及超导线圈的数量并不特别限定。

“周面”例如是曲面，也可以是平面。

第一实施形态的第二形态的超导旋转机的励磁转子是上述第一形态的励磁转子，此外各个线圈箱具备用于在内部使冷却超导线圈的制冷剂流通的制冷剂流路。

根据上述结构，在线圈箱中具备制冷剂流路，因此与将制冷剂流路配置在旋转轴上等结构相比，可以更有效地冷却超导线圈。

制冷剂的种类并不特别限定。例如，可以将液氮、液氦、低温氦气等使用于制冷剂。制冷剂流路例如可以另外设置在线圈箱的内部的空间内，也可以形成在线圈箱的壁上，又可以由设置于线圈箱的壁上的孔和线圈箱的内部的空间构成。

第一实施形态的第三形态的超导旋转机的励磁转子是上述第二形态的励磁转子，此外，在每个线圈箱和周面之间形成有在中心轴方向及旋转轴的周方向上展开的间隙。

根据上述结构，线圈箱和旋转轴被间隙绝热，因此可以更有效地冷却超导线圈。

“周方向”是指相对于轴方向及径方向均垂直的方向。周面例如是曲面，也可以是平面。

第一实施形态的第四形态的超导旋转机的励磁转子是上述第三形态的励磁转子，此外，具备保护电阻，保护电阻以配置在间隙的内部的形式固定于线圈箱上，并且与对应于各个间隙的超导线圈并联连接。

根据上述结构，在超导被破坏时可通过保护电阻保护超导线圈，并且可以有效利用间隙容纳保护电阻，因此可以使励磁转子更加小型化。

保护电阻是指为了在超导被破坏时保护超导线圈，而与超导线圈并联地与电源电路连接的电阻。例如，在一部分的超导线圈中发生不正常情况并失去超导状态而温度上升的情况下（常导转变：失超），通过从电源断开包含各个超导线圈及保护电阻的电路，以此将超导线圈中流着的电流的能量通过保护电阻迅速转换为热能等，从而降低超导线圈的烧损等的可能性。

“对应于各个间隙的超导线圈”是指在特定的线圈箱和旋转轴之间形成有一定间隙时，容纳于该特定的线圈箱内的超导线圈。

第一实施形态的第五形态的超导旋转机的励磁转子是上述第一形态至第四形态中的任意一个形态的励磁转子，此外具备低热收缩构件，低热收缩构件配置在线圈箱的内表面和容纳于线圈箱内的超导线圈之间，且平均热线膨胀系数小于线圈箱的平均热线膨胀系数。

超导线圈与线圈箱相比，冷却所导致的热收缩量更大时，在热收缩量上产生差异，从而从线圈箱冷却超导线圈的传热面的接触面压可能减小。即使在这样的情况下，由于在上述结构中低热收缩构件的热收缩量较小，因此与不配置低热收缩构件的情况相比，可以增大传热面的接触面压（contact interface pressure）。在超导线圈的冷却所需的冷却面的接触面压保持适当时，热传导顺利地进行。因此，可以更高效且均匀地冷却超导线圈。

第一实施形态的第六形态的超导旋转机的励磁转子是上述第五形态的励磁转子，此外，低热收缩构件的平均热线膨胀系数小于超导线圈的平均热线膨胀系数。

在上述结构中，可以更加积极地增强传热面的接触面压。

低热收缩构件的结构（材料、形状、大小等）优选的是以在不损伤超导线圈的范围内尽量增大传热面的接触面压的方式进行设定。

平均热线膨胀系数是指从室温起的平均热线膨胀系数。室温可以是在冷却线圈之前的温度。从室温起的平均热线膨胀系数具体是从冷却线圈之前的温度至被冷却时的温度的温度范围内的平均热线膨胀系数。更具体是表示以室温为基准温度，每改变1℃（=1K）时，因温度的上升而物体膨胀并长度变长的比例的值，单位例如可以是1/K。低热收缩构件和超导线圈加起来的构件整体的热线膨胀量优选的是相对于线圈箱的热线膨胀量达到相同的程度或较小。

配置低热收缩构件的位置并不特别限定。例如，可以配置在旋转轴的径方向上与超导线圈对置的壁和超导线圈之间，也可以配置在旋转轴的周方向上与超导线圈对置的壁和超导线圈之间，又可以配置在旋转轴的中心轴方向上与超导线圈对置的壁和超导线圈之间。

超导线圈在通电时，因环向应力而试图在与线圈的轴方向（卷轴方向）垂直的方向（旋转轴的中心轴方向、旋转轴的周方向）上扩张。因此，在与线圈的轴方向垂直的方向上与壁之间不容易产生间隙。另一方面，在线圈的轴方向（旋转轴的径方向）上不作用着环向应力，因此在与壁之间容易产生间隙。当产生间隙时，导致热传导性下降，容易引起超导线圈的温度不均匀。因此，也可以在旋转轴的径方向上与超导线圈对置的壁和超导线圈之间配置低热收缩构件。根据上述结构，可以使超导线圈的温度分布进一步变得均匀。也可以将低热收缩构件仅配置在旋转轴的径方向上与超导线圈对置的壁和超导线圈之间。根据上述结构，可以同时实现超导线圈的温度分布均一化和装置的小型化。

第一实施形态的第七形态的超导旋转机的励磁转子是上述第一形态至第六形态中的任意一个形态的励磁转子，此外，在周面上与线圈箱分别对应地形成有多个凹部，凹部以与对应的线圈箱对置的形式形成，并且具有在中心轴方向上延伸的侧表面，在各个线圈箱上形成有凸部，凸部在中心轴方向上延伸，向旋转轴突出，与在凹部的中心轴方向上延伸的侧表面抵接嵌合。

根据上述结构，可以将在超导线圈中产生的转矩通过线圈箱和旋转轴的抵接面有效地传递至旋转轴。此外，通过使线圈箱与旋转轴的接触部极小化，降低线圈箱与旋转轴的热传导性，以此更有效地冷却超导线圈及线圈箱。

凸部和凹部的抵接并不一定是在侧表面整体上产生，也可以在中心轴方向上排列的线和多个点等上发生抵接。

第一实施形态的第八形态的超导旋转机的励磁转子是上述第一形态至第七形态中的任意一个形态的励磁转子，此外，具备多个楔形构件，在将旋转轴的周方向上相邻的两个线圈箱作为线圈箱对时，楔形构件分别在中心轴方向上延伸，并且对于每一线圈箱对配置在形成该线圈箱对的两个线圈箱之间，与该两个线圈箱分别抵接。

根据上述结构，对于相邻的两个线圈箱，可以将在超导线圈上产生的环向应力中不利于转矩的成分通过楔形构件抵消。

第一实施形态的第九形态的超导旋转机的励磁转子是上述第二形态至第四形态中的任意一个形态的励磁转子，此外，制冷剂流路形成于壁中与旋转轴对置的部位的内部。

根据上述结构，可以将制冷剂流路与线圈箱一体地形成，可以更容易且高精度地制造励磁转子。

另外，在第一实施形态中，制冷剂流路、间隙、保护电阻、低热收缩构件、凹部、凸部、楔形构件均不是必须的构成要素，可以适当省略。

对于本实施形态中的超导旋转机，例如包括超导马达及超导发电机。在以下实施例中，说明了电压和电流从旋转机的外部持续地供给至励磁转子的励磁绕组中的情况，但是也可以不从旋转机的外部持续地供给电压和电流，而采用励磁绕组以所谓的永久电流模式使用的结构。

[第一实施例]

图1是示出根据第一实施形态的第一实施例的超导旋转机的励磁转子的概略结构的立体图。图2是示出根据第一实施形态的第一实施例的超导旋转机的励磁转子的概略结构的分解图。图3是示出根据第一实施形态的第一实施例的超导旋转机的励磁转子的概略结构的剖视立体图。图4是示出将根据第一实施形态的第一实施例的线圈箱20沿着与中心轴平行且与周面垂直的平面进行剖切的截面的结构的概略示意图。图5是示出根据第一实施形态的第一实施例的超导旋转机的励磁转子的制冷剂路径的概略结构的立体图。

第一实施例的超导旋转机的励磁转子100具备旋转轴10、多个线圈箱20和多个超导线圈30，线圈箱20在旋转轴10的中心轴方向上延伸，且具备以在内部形成空间的形式构成的壁25，并且可装卸地固定于旋转轴10的周面上，超导线圈30配置在各个线圈箱20的空间内，形成超导旋转机的励磁绕组。

各个线圈箱20在内部具备用于使冷却超导线圈30的制冷剂流通的制冷剂流路23。制冷剂流路23形成于在壁25中与旋转轴10对置的部位（在最靠近旋转轴10的一侧上在中心轴方向及周方向上展开的壁）的内部。

励磁转子100具备低热收缩构件35，低热收缩构件35配置在线圈箱20的内表面和容纳于线圈箱20内的超导线圈30之间，且平均热线膨胀系数小于线圈箱的平均热线膨胀系数。也可以是低热收缩构件35的平均热线膨胀系数比线圈箱的平均热线膨胀系数及超导线圈的平均热线膨胀系数中的任意一个都小。

在旋转轴10的周面上以与线圈箱20的每个对应的形式形成有多个凹部11，凹部11具有以与对应的线圈箱20对置的形式形成并在旋转轴10的中心轴方向上延伸的侧表面12，每个线圈箱20形成有凸部24，凸部24在中心轴方向上延伸，向旋转轴10突出，与凹部11的在中心轴方向上延伸的侧表面12抵接嵌合。

具备多个楔形构件40，在将旋转轴的周方向上相邻的两个线圈箱20作为线圈箱对时，楔形构件40分别在中心轴方向上延伸，并且对于每一线圈箱对配置在形成该线圈箱对的两个线圈箱20之间，与该两个线圈箱20分别抵接。

在每个线圈箱20和周面之间形成有在中心轴方向及旋转轴的周方向上展开的间隙70。

以下，更详细说明根据第一实施例的超导旋转机的励磁转子100。本实施例的励磁转子100是六极型。第一实施形态的励磁转子优选的是多极型，不限于六极型，例如也可以是四极型、八极型等。

如图1、图2所示，旋转轴10具有形成有在中心轴方向上贯通的圆筒状空间的中空的大致六方柱形状。旋转轴10例如由作为非磁性材料且具有优异的低温特性的SUS316不锈钢形成。在旋转轴10的周面（侧表面，侧周面）上以在中心轴方向上延伸的形式以规定的深度形成有凹部12。在凹部12内形成有多个的用于将线圈箱20固定于旋转轴10上的螺纹孔。

如图1、图2所示，线圈箱20具备箱部21和盖部22。在箱部21及盖部22上形成有用于容纳超导线圈30的凹部。在该凹部中容纳夹在两个低热收缩构件35之间的超导线圈30。在本实施例中，线圈箱20的数量及超导线圈30的数量均为六个。线圈箱20例如由SUS316不锈钢形成。在箱部21及盖部22上形成有多个的用于将线圈箱20固定于旋转轴10上的螺丝所贯通的孔。在箱部21的凹部上载置超导线圈30和低热收缩构件35，并且盖上盖部22，以此在线圈箱20的内部容纳超导线圈30和低热收缩构件35。之后，使螺栓等贯通设置在箱部21及盖部22上的孔，并且将该螺栓等与设置于旋转轴10的凹部12上的螺纹孔螺纹结合，以此使线圈箱20可装卸地固定于旋转轴10上。

如图4所示，线圈箱20具备以在内部形成空间的形式构成的壁25。在壁25中，在与旋转轴10对置的部位的内部以在中心轴方向上直线地贯通壁25的形式形成有制冷剂流路23。壁的厚度例如可以是15mm以上30mm以下。

如图2、图4所示，低热收缩构件35配置于在旋转轴10的径方向上与超导线圈30对置的壁25、即图4的上下的壁25和超导线圈30之间。换而言之，低热收缩构件35配置在与旋转轴10的周面平行的两个壁25中的每个和超导线圈30之间。超导线圈30在通电时，因环向应力而试图在与线圈的轴方向（卷轴方向）垂直的方向（旋转轴10的中心轴方向、旋转轴的周方向）上扩张。因此，在与线圈的轴方向（卷轴方向）垂直的方向上与壁25之间不容易产生间隙。另一方面，在线圈的轴方向（旋转轴10的径方向）上不作用着环向应力，因此在与壁之间容易产生间隙。当产生间隙时，导致热传导性下降，容易引起超导线圈的温度不均匀。因此，也可以在线圈的轴方向（旋转轴10的径方向）上与超导线圈30对置的壁25和超导线圈30之间配置低热收缩构件35。根据上述结构，可以使超导线圈30的温度分布进一步变得均匀。低热收缩构件35例如可以使用碳钢、镍钢等构成。低热收缩构件35的形状及材质是可以以在运行时已冷却超导线圈30的情况下，使超导线圈30受到充分的接触面压而保持在线圈箱20的内部的方式适当设定。

如图1、图2所示，制冷剂配管50在线圈箱20的前后的端部上通过接头等与制冷剂流路23连接。液氮、液氦、低温氦气等的制冷剂通过制冷剂配管50供给至制冷剂流路23中。

如图5所示，制冷剂配管50具备：在圆筒状空间的内部仅以规定距离远离中心轴并在中心轴方向上延伸的供给中央配管51；在圆筒状空间的内部与中心轴同轴延伸的排出中央配管52；以设置于旋转轴10的后端部的第一供给分叉接头53为起点从供给中央配管51以120度夹角向三个方向（均为径方向）分叉，并且与分别安装在对应的线圈箱20内的制冷剂流路23的入口连接的第一供给支配管54；以设置于旋转轴10的后端部的第一排出分叉接头55为起点从排出中央配管52以120度夹角向三个方向（均为径方向）分叉，并且与分别安装在对应的线圈箱20内的制冷剂流路23的出口连接的第一排出支配管56；以设置于旋转轴10的前端部的第二供给分叉接头57为起点从供给中央配管51以120度夹角向三个方向（均为径方向）分叉，并且与分别安装在对应的线圈箱20内的制冷剂流路23的入口连接的第二供给支配管58；和以设置于旋转轴10的前端部的第二排出分叉接头59为起点从排出中央配管52以120度夹角向三个方向（均为径方向）分叉，并且与分别安装在对应的线圈箱20内的制冷剂流路23的出口连接的第二排出支配管60。

从中心轴方向观察时，第一供给支配管54和第二供给支配管58以60度夹角错开的形式从中心轴延伸，其结果是，共六个的供给配管以60度夹角等间隔地辐射状延伸。又，从中心轴方向观察时，第一排出支配管56和第二排出支配管60以60度夹角错开的形式从中心轴延伸，其结果是，共六个的排出配管以60度夹角等间隔地辐射状延伸。

制冷剂配管50例如由SUS316不锈钢形成。

如图5所示，制冷剂流路23，其入口在线圈箱20的前端或后端的任意一侧的壁25上与第一供给支配管54或第二供给支配管58连接，并且在中心轴方向上直线延伸，在另一端附近折回，再次在中心轴方向上直线延伸，在线圈箱20的前端或后端的任意一侧的壁25上与第一排出支配管56或第二排出支配管60连接。即，制冷剂流路23是，在线圈箱20的前端侧形成有入口，并在线圈箱20的后端侧上折回，且在线圈箱20的前端侧上形成有出口的流路，和在线圈箱20的后端侧上形成有入口，并在线圈箱20的前端侧上折回，且在线圈箱20的后端侧上形成有出口的流路，交替地配置在每对相邻的线圈箱20上。

制冷剂流路23例如可以通过如下方法形成：将线圈箱20的长度方向作为前后方向，从前端或后端的任意一侧的壁25通过钻机等形成延伸至相反侧的端部的直线状的流路，并且以与该流路的端部连接的形式从侧面通过钻机等形成折回用的流路，最后通过焊接等密封侧面附近的多余的流路。

在上述结构中，制冷剂在图5中向箭头所示的方向流动。即，从旋转轴10的后方供给至供给中央配管51中的制冷剂，通过后端部的第一供给分叉接头53供给至三个第一供给支配管54，并且通过前端部的第二供给分叉接头57供给至三个第二供给支配管58。供给至第一供给支配管54的制冷剂经由制冷剂流路23供给至第一排出支配管56。供给至第二供给支配管58的制冷剂经由制冷剂流路23供给至第二排出支配管60。供给至第一排出支配管56的制冷剂通过后端部的第一排出分叉接头55供给至排出中央配管52。供给至第二排出支配管60的制冷剂通过前端部的第二排出分叉接头59供给至排出中央配管52。供给至排出中央配管52的制冷剂向旋转轴10的后方排出。

根据上述那样的结构，可以通过在制冷剂配管50及制冷剂流路23中流通的制冷剂有效地冷却六个线圈箱20及容纳于其内部的超导线圈30。另外，上述制冷剂配管50及制冷剂流路23的具体结构到底只是一个示例，可以根据制冷剂的种类、旋转轴10及线圈箱20的材料、大小等适当地变更结构是不言而喻的。

如图3所示，间隙70形成在凹部11和凸部24之间。更具体而言，形成于凹部11的底面和凸部24的上表面之间。间隙70例如可以通过如下方法形成：使凹部11的底面及凸部24的上表面形成为平面状结构，并且使凹部11的深度（侧表面12的高度）大于凸部24的高度（侧表面26的高度）。间隙70的高度（厚度）优选的是形成为能够充分容纳保护电阻75且充分抑制从旋转轴10向线圈箱20的传热的大小，具体而言优选的是例如形成为3mm以上10mm以下。在这里所述的高度（厚度）是指旋转轴10的径方向的高度（厚度）。

旋转轴10由于受到从外部的轴承等的传热，从而不容易冷却。通过设置间隙70，以此相对高温的旋转轴10和相对低温的线圈箱20之间被绝热，从而可以有效地冷却容纳于线圈箱20的内部的超导线圈30。

如图2所示，超导线圈30是所谓的跑道（Race Truck）型线圈。在跑道型线圈中，尤其在直线部分上，通电时所产生的环向应力增大，线圈发生机械损坏的危险性增高。在本实施例中，通过线圈箱20的壁25向超导线圈30施加与环向应力对抗的阻力，因此可以飞跃性地降低上述损坏的危险性。超导线圈30例如由铋系超导线材和钇系超导线材等构成。超导线圈30例如通过在制冷剂流路23中流通的制冷剂冷却至30K左右，以此达到超导状态。

超导线圈30是例如构成六个励磁极（field pole）的六个超导线圈30通过在设置于线圈箱20的壁上25的孔（未图示）中所通过的配线（未图示）全部串联连接。超导线圈30所形成的电流路径的两端通过经由旋转机10的内部的配线（未图示）和电刷（未图示）导出至旋转机的外部，并与电源（未图示）连接。在配线通电时，六个超导线圈30在周方向上交替地被励磁为N极和S极。

如图2所示，在旋转轴10的六个周面上以分别与对应的线圈箱20的凸部24嵌合的形式形成有凹部11。凹部11具有沿着中心轴延伸且与径方向平行的两个侧表面12、和沿着中心轴延伸且与周方向平行的一个底面。在各个线圈箱20上以分别与对应的旋转轴10的凹部11嵌合的形式形成有凸部24。凸部24具有沿着中心轴延伸且与径方向平行的两个侧表面26、和沿着中心轴延伸且与周方向平行的一个顶面。凹部11的底面和凸部24的顶面，其宽度大致相等，侧表面12和侧表面26面抵接，以此凸部24与凹部11嵌合。

另外，侧表面12及侧表面26并不一定与径方向平行。侧表面12及侧表面26优选的是形成为两者抵接以此转矩从线圈箱20传递至旋转轴10的结构。因此，侧表面12及侧表面26也可以与相对于径方向成大于0度小于90度的规定的角度的平面平行。侧表面12及侧表面26并不一定是平面，也可以是曲面。侧表面12及侧表面26既可以全部抵接，也可以仅一部分抵接。将楔形构件40以垂直于中心轴的面剖切的截面具有向着中心轴宽度变窄的锥状的形状。

如图1、图2所示，楔形构件40由在旋转轴10的周方向上相邻的两个线圈箱20所夹持。即，一个楔形构件40对应于相邻的周面的边界中的一个边界。线圈箱20具有沿着中心轴延伸且与径方向平行的两个侧表面。楔形构件40也具有沿着中心轴延伸且与径方向平行的两个侧表面。

在楔形构件40上形成有多个的用于使将楔形构件40固定于旋转轴10上的螺丝贯通的孔。线圈箱20和楔形构件40分别使用螺栓等的螺丝，固定于旋转轴10上。在进行上述固定时，线圈箱20的侧表面和楔形构件40的侧表面相互面抵接。两个侧表面既可以全部抵接，也可以仅一部分抵接。

[第二实施例]

图6是示出根据第一实施形态的第二实施例的超导旋转机的励磁转子的概略结构的剖视立体图。图7是示出根据第一实施形态的第二实施例的超导旋转机的励磁转子的概略结构的剖视分解图。本实施例的励磁转子的组装后的整体的外观与第一实施例的图1中所示的相同，因此图示省略。

第一实施例的超导旋转机的励磁转子110在第一实施例的励磁转子100的基础上还具备保护电阻75，保护电阻75以配置于间隙70的内部的形式固定于线圈箱20上，并且与对应于各个间隙70的超导线圈30并联连接。

以下，更详细说明根据第二实施例的超导旋转机的励磁转子110。另外，对于上述结构以外的部分，由于与根据第一实施例的超导旋转机的励磁转子100相同，因此省略详细说明。

保护电阻75例如由不锈钢、钛等构成。保护电阻75的电阻值例如可以是5Ω。保护电阻75优选的是其全部配置在间隙70的内部。

保护电阻75在包含超导线圈30和设置于旋转机外部的电源（未图示）而构成的电路中，与超导线圈30并联连接。保护电阻75优选的是对于形成各个励磁极的每个超导线圈30分别设置。即，在将形成一个励磁极的超导线圈30认为一个线圈时，优选的是对于每个线圈分别设置有保护电阻75。在本实施例中，与一个励磁极对应地设置有一个线圈箱20、一个超导线圈30和一个保护电阻75。另外，励磁极的个数、线圈箱20的个数、超导线圈30的个数、保护电阻75的个数之间的关系并不特别限定，可以相互相等，也可以不相同，又可以一部分相等而一部分不相同。

与包含超导线圈30及保护电阻75的电路的电源的切断是例如通过设置于电源附近的保护开关等实现。该保护开关例如可以由设置于与超导线圈30连接的配线和与保护电阻75连接的配线分叉的点和电源之间的配线上的开关构成。或者，该保护开关例如由设置于与超导线圈30连接的配线和与保护电阻75连接的配线合并的点和电源之间的配线上的开关构成。

在实现超导状态时，开关闭合。在通过失超检测器（未图示）检测到超导线圈30的失超（常导转变）时，以断开的方式控制开关。在开关断开时，由超导线圈30和保护电阻75形成电路，在超导线圈30中流动的电流的能量通过保护电阻75急速转换为热能等，从而降低超导线圈30的烧损等的可能性。

失超检测器、保护开关及保护电阻等的具体结构可以采用周知的结构，因此省略详细说明。

（第二实施形态）

第二实施形态的第一形态的超导旋转机的励磁转子具备旋转轴、多个超导线圈、低热收缩构件和线圈保持构件，线圈保持构件通过将超导线圈夹在线圈保持构件和旋转轴的周面之间且固定于旋转轴的周面上以此使超导线圈保持在旋转轴的周面上，低热收缩构件是设置于超导线圈和线圈保持构件之间以及超导线圈和旋转轴的周面之间的至少一侧上，并且平均热线膨胀系数小于线圈保持构件的平均热线膨胀系数，超导线圈是形成超导旋转机的励磁绕组。

在上述结构中，即使冷却而超导线圈发生收缩，也可以由低热收缩构件填充超导线圈和线圈保持构件之间的间隙以发生希望的压力，从而顺利地进行热传导，因此可以更高效且均匀地冷却超导线圈。

旋转轴在超导旋转机为电动机的情况下是作为输出轴的轴，在超导旋转机为发电机的情况下是作为输入轴的轴。

线圈保持构件例如也可以是在与旋转轴之间夹持超导线圈的、板状的构件。或者，线圈保持构件也可以是如第一实施形态中所说明的那样的线圈箱。

“周面”例如是曲面，也可以是平面。

“将超导线圈夹在线圈保持构件和旋转轴的周面之间”包含将超导线圈夹在线圈保持构件的至少一部分和旋转轴的周面之间的形态。具体而言，例如线圈保持构件为将超导线圈容纳于内部的线圈箱的情况下，在线圈箱的壁中、与旋转轴的周面相反侧（径方向的外侧）的壁（线圈保持构件的一部分）和旋转轴的周面之间配置有超导线圈。在上述形态中，也可以说是将超导线圈夹在线圈保持构件和旋转轴的周面之间。

平均热线膨胀系数是指从室温起的平均热线膨胀系数。室温可以是冷却线圈之前的温度。从室温起的平均热线膨胀系数具体是从冷却线圈之前的温度至被冷却时的温度的温度范围内的平均热线膨胀系数。更具体是表示以室温为基准温度，每改变1℃（=1K）时，因温度的上升而物体膨胀并长度变长的比例的值，单位例如可以是1/K。低热收缩构件和超导线圈加起来的构件整体的热线膨胀量优选的是相对于线圈保持构件的热线膨胀量达到相同的程度或较小。

第二实施形态的第二形态的超导旋转机的励磁转子是上述第一形态的励磁转子，此外，低热收缩构件的平均热线膨胀系数小于超导线圈的平均热线膨胀系数。

在上述结构中，可以更加积极地增强传热面的接触面压。

第二实施形态的第三形态的超导旋转机的励磁转子是上述第一形态或第二形态的励磁转子，此外，线圈保持构件是线圈箱，线圈箱具备形成为在旋转轴的中心轴方向上延伸且在内部形成空间的结构的壁，并且可装卸地固定于旋转轴的周面上，超导线圈配置在各个线圈箱的空间内。

在上述结构中，可以组装容纳有超导线圈的线圈箱，之后，将线圈箱组装在旋转轴上。与将超导线圈直接安装在旋转轴上的结构相比，可以容易且高精度地制造励磁转子。

关于线圈箱，可与第一实施形态相同，因此省略详细说明。

第一实施形态的第四形态的超导旋转机的励磁转子是上述第三形态的励磁转子，此外，各个线圈箱在内部具备使冷却超导线圈的制冷剂流通的制冷剂流路。

在上述结构中，在线圈箱内具备制冷剂流路，因此与在旋转轴上配置制冷剂流路等的结构相比，可以更有效地冷却超导线圈。

关于制冷剂，可以与第一实施形态相同，因此省略详细说明。

第二实施形态的第五形态的超导旋转机的励磁转子是上述第四形态的励磁转子，此外在各个线圈箱和周面之间形成有向中心轴方向及旋转轴的周方向展开的间隙。

在上述结构中，线圈箱和旋转轴被间隙绝热，因此可以更有效地冷却超导线圈。

“周方向”是指相对于轴方向及径方向均垂直的方向。周面例如是曲面，也可以是平面。

第二实施形态的第六形态的超导旋转机的励磁转子是上述第五形态的励磁转子，此外，具备保护电阻，保护电阻以配置在间隙的内部的形式固定于线圈箱上，并且与对应于各个间隙的超导线圈并联连接。

在上述结构中，在超导被破坏时可通过保护电阻保护超导线圈，并且可以有效利用间隙容纳保护电阻，因此可以使励磁转子更加小型化。

关于保护电阻，可以与第一实施形态相同，因此省略详细说明。

第二实施形态的第七形态的超导旋转机的励磁转子是上述第一形态至第六形态中的任意一个形态的励磁转子，此外，在周面上以与各个线圈箱对应的形式形成有多个凹部，凹部以与对应的线圈箱对置的形式形成，并具有在中心轴方向上延伸的侧表面，在各个线圈箱上形成有凸部，凸部在中心轴方向上延伸，向旋转轴突出，与在凹部的中心轴方向上延伸的侧表面抵接而嵌合。

在上述结构中，可以将在超导线圈上产生的转矩通过线圈箱和旋转轴的抵接面有效地传递至旋转轴。此外，通过使线圈箱和旋转轴的接触部极小化，降低线圈箱和旋转轴的热传导性，以此可以更有效地冷却超导线圈及线圈箱。

第二实施形态的第八形态的超导旋转机的励磁转子是上述第一形态至第七形态中的任意一个形态的励磁转子，此外，具备多个楔形构件，在将旋转轴的周方向上相邻的两个线圈箱作为线圈箱对时，楔形构件分别在中心轴方向上延伸，并且对于每一线圈箱对配置在形成该线圈箱对的两个线圈箱20之间，与该两个线圈箱20分别抵接。

根据上述结构，对于相邻的两个线圈箱，可以将在超导线圈上产生的环向应力中不利于转矩的成分通过楔形构件抵消。

第二实施形态的第九形态的超导旋转机的励磁转子是上述第二形态至第四形态中的任意一个形态的励磁转子，此外，制冷剂流路形成于在壁中与旋转轴对置的部位的内部。

在上述结构中，可以将制冷剂流路与线圈箱一体地形成，可以更容易且高精度地制造励磁转子。

另外，在第二实施形态中，线圈箱、制冷剂流路、间隙、保护电阻、凹部、凸部、楔形构件均不是必须的构成要素，可以适当地省略。

对于本实施形态的超导旋转机，例如包括超导马达及超导发电机。在以下的实施例中，说明了电压和电流从旋转机的外部持续地供给至励磁转子的励磁绕组中的情况，但是也可以不从旋转机的外部持续地供给电压和电流，而是采用励磁绕组以所谓的永久电流模式使用的结构。

[第三实施例]

图8是示出根据第二实施形态的第三实施例的超导旋转机的励磁转子的概略结构的立体图。图9是示出根据第二实施形态的第三实施例的超导旋转机的励磁转子的概略结构的分解图。图10是示出根据第二实施形态的第三实施例的超导旋转机的励磁转子的概略结构的剖视立体图。

第三实施例的超导旋转机的励磁转子120具备旋转轴15、多个超导线圈30、低热收缩构件35和线圈保持构件27，线圈保持构件27将超导线圈30夹在线圈保持构件27和旋转轴15的周面之间且固定于旋转轴15的周面上，以此将超导线圈30保持在旋转轴15的周面上，低热收缩构件35设置于超导线圈30和线圈保持构件27之间及超导线圈30和旋转轴15的周面之间中的至少一侧上，且平均热线膨胀系数小于线圈保持构件27的平均热线膨胀系数。也可以是低热收缩构件35的平均热线膨胀系数比线圈保持构件27的平均热线膨胀系数及超导线圈30的平均热线膨胀系数都小。超导线圈30形成超导旋转机的励磁绕组。

以下进一步详细说明根据第三实施例的超导旋转机的励磁转子120。本实施例的励磁转子120是六极型。第二实施形态的励磁转子优选的是多极型，不限于六极型，例如也可以是四极型、八极型等。

如图8、图9、图10所示，旋转轴15具有形成有在中心轴方向上贯通的圆筒状空间的中空的大致六方柱形状。旋转轴15例如由非磁性材料且具有优异的低温特性的SUS316不锈钢形成。在旋转轴15的周面（侧表面、侧周面）上以在中心轴方向上延伸的形式以规定的深度形成有凹部13。凹部13在俯视时具有与超导线圈30大致相同的形状。在凹部13上形成有多个的用于将线圈保持构件27固定于旋转轴15上的螺纹孔。在凹部13中容纳夹在两个低热收缩构件35之间的超导线圈30的一部分。

如图8、图9、图10所示，本实施例中的线圈保持构件27由与旋转轴之间夹持超导线圈的、在中心轴方向及周方向上展开的板状的构件形成。在线圈保持构件27上形成有用于容纳超导线圈30的凹部28。在凹部28中容纳夹在两个低热收缩构件35之间的超导线圈30的一部分。在本实施例中，线圈保持构件27的数量及超导线圈30的数量均为六个。线圈保持构件27例如由SUS316不锈钢形成。在线圈保持构件27上形成有多个的用于使将线圈保持构件27固定于旋转轴15上的螺丝贯通的孔。通过在凹部13上载置超导线圈30和低热收缩构件35，并且用线圈保持构件27盖上，以此在形成于旋转轴15和线圈保持构件27之间的空间内容纳超导线圈30和低热收缩构件35。之后，在设置于线圈保持构件27上的孔内贯通螺栓等，并且使该螺栓等与设置于旋转轴15的凹部13的螺纹孔螺纹结合，以此使线圈保持构件27可装卸地固定于旋转轴15上。另外，线圈保持构件27也可以通过焊接等不可装卸地固定于旋转轴15上。

如图8、图9、图10所示，在旋转轴15的外周部上以与各个超导线圈30对应的形式形成有一对制冷剂流路14。制冷剂流路14例如以在中心轴方向上贯通旋转轴15的形式形成。关于制冷剂的流通方法，可以采用周知的结构，因此省略详细说明。

如图9、图10所示，低热收缩构件35配置在凹部13的底面和超导线圈30之间、以及线圈保持构件27的下表面（旋转轴15侧的面）和超导线圈30之间。超导线圈30在通电时，因环向应力而试图扩大直径，因此在线圈的径方向上，在与凹部13及凹部28的壁之间不容易产生间隙。另一方面，在线圈的轴方向上并不产生环向应力，因此在与凹部13的底面及线圈保持构件27的下表面之间容易产生间隙。因此，优选的是在凹部13的底面及线圈保持构件27的下表面与超导线圈30之间配置低热收缩构件35。低热收缩构件35例如可以使用碳钢、镍钢等构成。低热收缩构件35的形状及材质可以以在运行时已冷却超导线圈30的情况下，超导线圈30受到充分的接触面压而保持在线圈箱20的内部的形式适当设定。

超导线圈30例如通过在制冷剂流路14中流通的制冷剂冷却至30K左右，以此达到超导状态。超导线圈30所形成的电流路径的两端通过经由旋转轴15的内部的配线（未图示）和电刷（未图示）导出至旋转机的外部，并与电源（未图示）连接。在配线通电时，六个超导线圈30在周方向上交替地被励磁为N极和S极。关于上述以外的点，超导线圈30与第一实施形态的第一实施例相同地构成，因此省略详细说明。

第一实施形态的第一实施例及第二实施例也可以应用于本实施形态中。

由上述说明，本领域技术人员明了本发明的较多的改良和其他实施形态等。因此，上述说明只是例示解释，是以向本领域技术人员教导实施本发明的最优选的形态为目的提供。在不脱离本发明的精神的范围内，可以实质上变更其结构和/或功能的具体内容。

工业应用性：

本发明的超导旋转机的励磁转子在作为可提供能够与以往相比更容易更高精度地制造的结构的超导旋转机的励磁转子使用时有用。

符号说明：

10 旋转轴；

11 凹部；

12 侧表面；

13 凹部；

14 制冷剂流路；

15 旋转轴；

20 线圈箱；

21 箱部；

22 盖部；

23 制冷剂流路；

24 凸部；

25 壁；

26 侧表面；

27 线圈保持构件；

28 凹部；

30 超导线圈；

35 低热收缩构件；

40 楔形构件；

50 制冷剂配管；

51 供给中央配管；

52 排出中央配管；

53 第一供给分叉接头；

54 第一供给支配管；

55 第一排出分叉接头；

56 第一排出支配管；

57 第二供给分叉接头；

58 第二供给支配管；

59 第二排出分叉接头；

60 第二排出支配管；

70 间隙；

75 保护电阻；

100、110、120 励磁转子。

Claims (9)

1.一种超导旋转机的励磁转子，

具备旋转轴、多个线圈箱和多个超导线圈；

所述线圈箱在所述旋转轴的中心轴方向上延伸，且具备以在内部形成空间的形式构成的壁，并可装卸地固定于所述旋转轴的周面上；

所述超导线圈配置在各个所述线圈箱的所述空间内，且形成所述超导旋转机的励磁绕组。

2.根据权利要求1所述的超导旋转机的励磁转子，其特征在于，

各个所述线圈箱具备用于在内部使冷却所述超导线圈的制冷剂流通的制冷剂流路。

3.根据权利要求2所述的超导旋转机的励磁转子，其特征在于，

在各个所述线圈箱和所述周面之间形成有向所述中心轴方向及所述旋转轴的周方向展开的间隙。

4.根据权利要求3所述的超导旋转机的励磁转子，其特征在于，

具备保护电阻；

所述保护电阻以配置在所述间隙的内部的形式固定于所述线圈箱上，

并与对应于各个所述间隙的所述超导线圈并联连接。

5.根据权利要求1至4中任意一项所述的超导旋转机的励磁转子，其特征在于，

具备低热收缩构件；

所述低热收缩构件设置于所述线圈箱的内表面和容纳于所述线圈箱内的所述超导线圈之间，

且平均热线膨胀系数小于所述线圈箱的平均热线膨胀系数。

6.根据权利要求5所述的超导旋转机的励磁转子，其特征在于，

所述低热收缩构件的平均热线膨胀系数小于所述超导线圈的平均热线膨胀系数。

7.根据权利要求1至6中任意一项所述的超导旋转机的励磁转子，其特征在于，

在所述周面上与所述线圈箱分别对应地形成有多个凹部；

所述凹部以与对应的所述线圈箱对置的形式形成，并且具有在所述中心轴方向上延伸的侧表面；

在各个所述线圈箱上形成有凸部，所述凸部在所述中心轴方向上延伸，并向所述旋转轴突出，且与所述凹部的在所述中心轴方向上延伸的侧表面抵接嵌合。

8.根据权利要求1至7中任意一项所述的超导旋转机的励磁转子，其特征在于，

具备多个楔形构件；

在将所述旋转轴的周方向上相邻的两个所述线圈箱作为线圈箱对时，所述楔形构件分别在所述中心轴方向上延伸，并对于各个所述线圈箱对配置在形成该线圈箱对的两个线圈箱之间，且与该两个线圈箱分别抵接。

9.根据权利要求2至4中任意一项所述的超导旋转机的励磁转子，其特征在于，

所述制冷剂流路形成在所述壁中与所述旋转轴对置的部位的内部。