CN104395973A - 磁场发生装置以及具备该磁场发生装置的超导旋转机 - Google Patents

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CN104395973A CN201380034561.7A CN201380034561A CN104395973A CN 104395973 A CN104395973 A CN 104395973A CN 201380034561 A CN201380034561 A CN 201380034561A CN 104395973 A CN104395973 A CN 104395973A
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梅本胜弥
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Kawasaki Jukogyo KK
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Abstract

磁场发生装置（1）具备：卷绕超导线材而成的超导线圈（31）；由导体构成，与超导线圈绝缘，并且以在超导线圈的卷轴方向上与超导线圈相邻、且一侧主表面朝向超导线圈的形式进行配置的未被分割导体板（32）；和与超导线圈并联连接，使流通至超导线圈的电流衰减的保护电路（4）。

Description

磁场发生装置以及具备该磁场发生装置的超导旋转机
技术领域
本发明涉及磁场发生装置以及具备该磁场发生装置的超导旋转机。更具体而言，本发明涉及使用超导线圈的磁场发生装置以及具备该磁场发生装置的超导旋转机。
背景技术
专利文献1公开超导电路保护装置以及超导磁铁装置。该装置具备小规模的强制失超加热器、在失超(Quench)时通过磁感应回收磁能的感应线圈、和停电检测器，当停电检测器检测到停电时，由于伴随着温度上升而阻力增大，感应线圈失去能量回收效果，而在此之前通过小规模的强制失超加热器使超导线圈强制失超，从而使感应线圈回收磁能。借助于此，保护超导电路免受停电时的失超的影响（摘要）。
专利文献2公开高温超导磁体。该磁体特征在于：在具备将卷绕使用高温超导材料的导体而构成的多个线圈单元进行层叠的高温超导线圈的结构中，在上述线圈单元之间插入有设置了加热器的热传导构件（权利要求5）。
现有技术文献：
专利文献：
专利文献1：日本特开2010-272616号公报；
专利文献2：日本特开平07-142245号公报。
发明内容             
发明要解决的问题：
本发明的课题是在磁场发生装置以及具备该磁场发生装置的超导旋转机中，在发生失超时，将超导线圈所保持的能量更迅速地排出至超导线圈的外部。
解决问题的手段：
本发明的磁场发生装置的一个形态具备：卷绕超导线材而成的超导线圈；由导体构成，与所述超导线圈绝缘，并且以在所述超导线圈的卷轴方向上与所述超导线圈相邻、且一侧主表面朝向超导线圈的形式进行配置的未被分割的导体板；和与所述超导线圈并联连接，使流通至所述超导线圈的电流衰减的保护电路。
本发明的超导旋转机的一个形态是具备上述磁场发生装置的超导旋转机，该超导旋转机具备：旋转轴；固定于所述旋转轴，具备所述超导线圈和所述未被分割的导体板的超导线圈-导体板复合体；所述超导线圈形成所述超导旋转机的励磁绕组，此外具备向所述超导线圈供给电流的电源。
发明效果：
根据本发明的磁场发生装置以及具备该磁场发生装置的超导旋转机，发挥能够在失超发生时将超导线圈所保持的能量更迅速地排出至超导线圈的外部的效果。
附图说明
图1是示出根据第一实施形态的第一实施例的磁场发生装置的概略结构的一个示例的示意图；
图2A是示出根据第一实施形态的第一实施例的磁场发生装置的超导线圈的概略结构的一个示例的俯视图；
图2B是示出根据第一实施形态的第一实施例的磁场发生装置的导体板的概略结构的一个示例的俯视图；
图3是图1的磁场发生装置的等效电路图的一个示例；
图4是示出根据第一实施形态的模拟例的磁场发生装置的超导线圈-导体板复合体的概略结构的剖视示意图；
图5是根据第一实施形态的模拟例的磁场发生装置的等效电路图；
图6是在根据第一实施形态的模拟例的磁场发生装置中，比较了在具备导体板的情况与不具备导体板的情况下的失超时流过超导线圈的电流的时间变化的图表；
图7是示出根据第二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图；
图8是示出根据第二实施形态的第一实施例的超导旋转机的励磁转子的等效电路图的一个示例；
图9是示出根据第二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立体图；
图10是示出根据第二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分解图；
图11是示出根据第二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12是根据第二实施形态的第二实施例的超导旋转机的等效电路图的一个示例。
具体实施方式
以下，参照附图说明本发明的实施形态。
（第一实施形态）
第一实施形态的第一形态的磁场发生装置具备：卷绕超导线材而成的超导线圈；由导体构成，与超导线圈绝缘，并且以在超导线圈的卷轴方向上与超导线圈相邻、且一侧主表面朝向超导线圈的形式进行配置的未被分割的导体板；和与超导线圈并联连接，使流通至超导线圈的电流衰减的保护电路。
根据上述结构，在发生失超时，可以将超导线圈所保持的能量更加迅速地排出至超导线圈的外部。
导体板是指由电阻率低的电导体构成的板。
第一实施形态的第二形态的磁场发生装置是第一实施形态的第一形态的磁场发生装置，未被分割的导体板在从超导线圈的卷轴方向上观察时覆盖超导线圈的整个表面。
根据上述结构，由于超导线圈与导体板的互感应（mutal induction）十分强大，并且其中一方的电流变化时在另一方上容易产生电动势，因此在发生失超时，可以将超导线圈所保持的能量更加有效地排出至超导线圈的外部。
第一实施形态的第三形态的磁场发生装置是第一实施形态的第一形态或第二形态的磁场发生装置，在将超导线圈的卷轴方向作为上下方向时，未被分割的导体板在超导线圈的上下分别配置有一片。
根据上述结构，在超导线圈的两侧配设有导体板，因此在发生失超时，可以将超导线圈所保持的能量更加有效地排出至超导线圈的外部。
第一实施形态的第四形态的磁场发生装置是第一实施形态的第一形态至第三形态中任意一个形态的磁场发生装置，具备多个超导线圈；多个超导线圈以使卷轴方向一致的形式层叠；未被分割的导体板在层叠的多个超导线圈中，在各相邻的超导线圈之间分别配置有一片。
根据上述结构，在层叠的超导线圈之间配设有导体板，因此在发生失超时，可以将超导线圈所保持的能量更加有效地排出至超导线圈的外部。
第一实施形态的第五形态的磁场发生装置是第一实施形态的第一形态至第四形态中任意一个形态的磁场发生装置，超导线圈具有赛道形状。
根据上述结构，磁场发生装置可较好地适用于具有细长形状的船舶用的超导马达等中。
第一实施形态的第六形态的磁场发生装置是第一实施形态的第一形态至第五形态中的任意一个形态的磁场发生装置，未被分割的导体板在从超导线圈的卷轴方向观察时，具有与超导线圈的外侧的轮廓相同的形状。
根据上述结构，可以容易地将层叠的导体板与超导线圈容纳于线圈壳体等的结构体中。
第一实施形态的第七形态的磁场发生装置是第一实施形态的第一形态至第六形态中的任意一个形态的磁场发生装置，未被分割的导体板具有在整个表面上无槽的平板状的形状。
根据上述结构，在导体板上容易产生涡电流，在发生失超时，可以将超导线圈所保持的能量进一步有效地排出至超导线圈的外部。
第一实施形态的第八形态的磁场发生装置是第一实施形态的第一形态至第七形态中任意一个形态的磁场发生装置，未被分割的导体板的厚度为超导线圈的卷轴方向的厚度的0.3倍以上。
根据上述结构，在导体板上容易产生涡电流，在发生失超时，可以将超导线圈所保持的能量进一步有效地排出至超导线圈的外部。
第一实施形态的第九形态的磁场发生装置是第一实施形态的第一形态至第八形态中的任意一个形态的磁场发生装置，未被分割的导体板的厚度为3mm以上。
根据上述结构，在导体板上容易产生涡电流，在发生失超时，可以将超导线圈所保持的能量进一步有效地排出至超导线圈的外部。
第一实施形态的第十形态的磁场发生装置是第一实施形态的第一形态至第九形态中的任意一个形态的磁场发生装置，未被分割的导体板由超导线圈的工作温度下的电阻率为1.0×10－9Ωm以下的材料形成。
超导线圈的工作温度是指在超导线圈中流通额定电流而产生规定的磁场的情况下的超导线圈的温度，是超导线圈能够维持超导状态的温度。
根据上述结构，在导体板上容易产生涡电流，在发生失超时，可以将超导线圈所保持的能量进一步有效地排出至超导线圈的外部。
第一实施形态的第十一形态的磁场发生装置是第一实施形态的第一形态至第十形态中任意一个形态的磁场发生装置，未被分割的导体板由从剩余电阻比为100以上的无氧铜、纯铝、纯金以及纯银组成的群中选择的至少一种材料形成。
根据上述结构，在导体板上容易产生涡电流，在发生失超时，可以将超导线圈所保持的能量进一步有效地排出至超导线圈的外部。
第一实施形态的第十二形态的磁场发生装置是第一实施形态的第一形态至第十一形态中任意一个形态的磁场发生装置，未被分割的导体板由从具有99.95%以上的纯度的无氧铜以及具有99.95%以上的纯度的纯铝组成的群中选择的至少一种材料形成。
根据上述结构，在导体板上容易产生涡电流，在发生失超时，可以将超导线圈所保持的能量进一步有效地排出至超导线圈的外部。
在以下实施例中，说明了从磁场发生装置的外部向磁场发生装置连续供给电压和电流的结构，但是也可以采用并不从磁场发生装置的外部连续地供给电压和电流，而励磁绕组以所谓的永久电流模式进行使用的结构。
[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磁场发生装置的概略结构的一个示例的示意图。
第一实施例的磁场发生装置1具备超导线圈31、未被分割的导体板32和保护电路4。
超导线圈31是卷绕超导线材而成的线圈。超导线材例如由铋系超导线材或钇系超导线材等构成。超导线圈31通过未图示的冷却机构冷却。作为冷却用制冷剂，可使用液体氮、液体氦、低温氦气等。超导线圈31例如通过使制冷剂流路中流通的制冷剂冷却至30K（开尔文）左右，以此成为超导状态。
未被分割的导体板32由导体构成，与超导线圈31绝缘，并且以在超导线圈31的卷轴方向上与超导线圈31相邻、且一侧主表面朝向超导线圈31的形式进行配置。在图1所示的示例中，未被分割的导体板32在将超导线圈31的卷轴方向作为上下方向时，在超导线圈31的上下分别配置一片。
在图1所示的示例中，在将超导线圈31的卷轴方向作为上下方向时，导体板32在超导线圈31的上下的至少一侧上仅分别配置一片。在图1所示的示例中，在超导线圈31的上侧仅配置一片且在超导线圈31的下侧仅配置一片。另外，导体板32也可以在超导线圈31的上侧仅配置一片，而在超导线圈31下侧不进行配置。导体板32也可以在超导线圈31的下侧仅配置一片，而在超导线圈31的上侧不进行配置。
在失超发生时，只要能够得到可以将超导线圈所保持的能量更加迅速地排出至超导线圈的外部的这样的效果即可，导体板32也可以在超导线圈31的上下的一侧上配置有多个。例如，也可以是多片导体板32在超导线圈31的卷轴方向上以相互接触的形式层叠。或者，也可以是导体板32在从超导线圈31的卷轴方向观察时处于被分割状态。
图2A是示出根据第一实施形态的第一实施例的磁场发生装置的超导线圈的概略结构的一个示例的俯视图。图2B是示出根据第一实施形态的第一实施例的磁场发生装置的导体板的概略结构的一个示例的俯视图。
在图2中，未被分割的导体板32在从超导线圈31的卷轴方向观察时覆盖超导线圈31的全表面。在图2中，未被分割的导体板32在从超导线圈31的卷轴方向观察时具有与超导线圈31的外侧的轮廓相同的形状。即，在图2中，超导线圈31的宽度W1与导体板32的宽度W2相等（W1=W2），超导线圈31的深度D1与导体板32的深度D2相等（D1=D2）。
导体板32的形状不特别限定。例如可以是圆盘形状、中空的圆圈（donuts）形状或者板状的形状，也可以是线圈。只要在失超时在超导线圈31所产生的磁场发生变化的情况下，能通过感应电动势产生电流就可以是任意的形状。在图2所示的示例中，超导线圈31具有赛道形状。
在本实施例中，未被分割的导体板32具有在整个表面上无槽的平板状的形状。如本实施例那样在未被分割的导体板32为赛道形状的情况下，也可以是在与短方向交叉的方向上未切有槽的结构。通过上述结构，在导体板32中产生的涡电流流通的路径的宽度不会变窄，因此可以有效地产生涡电流。
在本实施例中，构成导体板32的材料例如可以是在超导线圈的工作温度下的电阻率为1.0×10－9Ωm以下的材料。构成导体板32的材料例如也可以是由铜、铝、金以及银组成的群中选择的至少一种材料且剩余电阻比为100以上的材料。构成导体板32的材料例如也可以是具有99.95%以上的纯度的铜以及具有99.95%以上的纯度的铝组成的群中选择的至少一种材料。通过使用电阻较低的材料构成导体板32，以此可以有效地产生涡电流。
在本实施例中，未被分割的导体板32的厚度为超导线圈31的卷轴方向的厚度的0.3倍以上。在本实施例中，未被分割的导体板32的厚度为3mm以上。具体而言，可以将超导线圈31的厚度形成为10mm，将导体板32的厚度形成为3mm。通过使导体板32具有充分的厚度，以此可以有效地产生涡电流。
保护电路4与超导线圈31并联连接，使流通至超导线圈31中的电流衰减。保护电路4也可以具备电阻器。保护电路4也可以具备将串联连接的一个以上的二极管以使超导线圈的电流向回流的方向通电的极性进行配置的二极管电路。保护电路4也可以具备将两组的串联连接的一个以上的二极管以使极性相反的形式相互并联连接而构成的二极管电路。保护电路4也可以具备串联连接的二极管和电阻器。保护电路4也可以具备将两组的串联连接的一个以上的二极管以使极性相反的形式相互并联连接而构成的二极管电路、和与该二极管电路串联连接的电阻器。
图3是图1的磁场发生装置的等效电路图的一个示例。以下，参照图3说明本实施例的磁场发生装置的动作。磁场发生装置1与恒流电源2连接而工作。另外，在图3中，将在图1中配置的两片导体板32作为一体简化后图示。
在磁场发生装置开始工作时，超导线圈31通过冷却机构（未图示）冷却。在超导线圈31达到超导状态时，恒流电源2与磁场发生装置1的连接开关（未图示）接通，电流供给至超导线圈31，产生磁场。电流的大小例如可以是200A（安培）左右。
如上所述实现超导状态，而产生磁场的状态下，存在在超导线圈31的一部分上发生失超（常导转移）的情况。在发生失超时，通过失超检测器（未图示）检测失超，将恒流电源2从磁场发生装置1上断开。在超导线圈31以永久电流模式使用的情况下，以使电流在保护电路4中流通的形式切换开关（未图示）。
通过恒流电源2的断开和开关的切换等，磁场发生装置1的内部的电流流过由超导线圈31和保护电路4形成的电路。保护电路4在图3所示的示例中，具备一个二极管5和一个电阻器6。磁场发生装置1的内部电流主要被电阻器6消耗，从而急速减少。因该电流的急速减少而超导线圈31所产生的磁场的大小也急速变化。
受到上述磁场的急速变化的影响，而在导体板32上产生涡电流。即，导体板32发挥作为受到超导线圈31所产生的磁场的变化的影响而产生感应电流的感应线圈7的功能。而且，涡电流、即感应电流在导体板32的内部，通过导体板32自身的电阻产生焦耳热并同时被消耗。即，导体板32发挥作为消耗感应电流的电阻器8的功能。
通过如上述过程，蓄积在磁场发生装置1的内部的能量瞬间从包括超导线圈31和保护电路4的电路向导体板32移动。因此，在发生失超时，可以将超导线圈所保持的能量更加迅速地排出至超导线圈的外部。其结果是，可以有效地抑制超导线圈的破损等。
另外，也可以考虑通过由焦耳热引起的导体板32的发热对导体板32进行加热，以此均匀地加热超导线圈31。在得到上述作用的情况下，可以进一步有效地抑制因超导线圈31的局部失超而导致的破损等。以往，为了加热超导线圈31，而需要电热加热器等附加的加热装置（专利文献1、专利文献2等）。如果使用本实施例的导体板32，则可以通过由涡电流产生的焦耳热使导体板32自发热，因此不需要上述附加的加热装置。即，导体板32也可以不具备电热加热器。
[模拟例]
以下，说明关于通过导体板达到的电流减少效果使用模拟例进行研究后的结果。
图4是示出与第一实施形态的模拟例相关的磁场发生装置的超导线圈-导体板复合体的概略结构的剖视示意图。图5是与第一实施形态的模拟例相关的磁场发生装置的等效电路图。对于图5和图3所共用的要素，标以相同的符号以及名称并省略详细说明。
在本次模拟中，将总共4片（四片线圈的整体的感应系数=14[H]）的超导线圈31（宽度1800mm、深度300mm、厚度10mm）以使卷轴方向一致的形式层叠而串联连接，并且将总共5片的导体板32（宽度1800mm、深度300mm、厚度4mm、电阻率=2.22×10－10Ωm[=30K的无氧铜的电阻率]）在层叠的多个超导线圈31中，在各自相邻的超导线圈31之间分别配置一片，并且在两端的超导线圈31的外侧分别配置一片，而将这样的结构作为超导线圈-导体板复合体30。保护电路形成为电阻器33为1.5Ω，二极管34为将15个二极管（整流用硅二极管、顺向电压0.7V）串联连接且使其极性统一为图5所示的方向的电路。将超导线圈-导体板复合体30与保护电路串联连接，作为“具有导体板”的装置模型；
在上述装置模型中，不改变超导线圈的位置关系而仅将导体板全部去除的结构作为“无导体板”的装置模型。
作为解析条件，假设超导状态下的电流为100A，温度为30K，在0秒的时刻电源被切断。在模拟程序中使用了infolytica公司制造的Magnet 64bit version7.1。
图6是在与第一实施形态的模拟例相关的磁场发生装置中，比较了在具备导体板的情况与不具备导体板的情况下的失超时流过超导线圈的电流的时间变化的图表。
如图6所示，可知在“无导体板”的情况下，随着时间而电流缓慢地减少，相对于此，在“具有导体板”的情况下，在失超发生时（时刻=0秒），电流瞬间减少为70A左右，之后缓慢减少。即，可知通过设置导体板，在失超发生时根据使最大电流值瞬间减少的效果，而有效地减少失超部位的发热，可以将超导线圈所保持的能量（电流能量）更迅速地排出至超导线圈的外部（导体板）。
（第二实施形态）
第二实施形态的第一形态的超导旋转机是具备第一实施形态的第一形态至第12形态中任意一项所述的磁场发生装置的超导旋转机，具备：旋转轴；和固定于旋转轴，具备超导线圈和未被分割的导体板的超导线圈-导体板复合体；超导线圈构成超导旋转机的励磁绕组；还具备向超导线圈供给电流的电源。
第二实施形态的第二形态的超导旋转机是第二实施形态的第一形态的超导旋转机，保护电路设置于静止部，相对于电源与超导线圈并联连接，从而保护超导线圈。
第二实施形态的第三形态的超导旋转机是第二实施形态的第一形态的超导旋转机，保护电路设置于旋转轴，相对于电源与超导线圈并联连接，从而保护超导线圈。
第二实施形态的第四形态的超导旋转机是第二实施形态的第三形态的超导旋转机，保护电路具备：与超导旋转机的多个励磁极的各励磁极所具备的超导线圈并联连接，从而保护超导线圈的多个极保护电路；和与励磁极所具备的超导线圈全部串联连接而成的串联路径的两端以与串联路径并联的形式连接，从而保护所述超导线圈的内部保护电路。
第二实施形态的第五形态的超导旋转机是第二实施形态的第一形态的超导旋转机，保护电路具备：设置于旋转轴，相对于电源与超导线圈并联连接，保护超导线圈的第一保护电路；设置于静止部，相对于电源与超导线圈并联连接，保护超导线圈的第二保护电路。
第二实施形态的第六形态的超导旋转机是第二实施形态的第五形态的超导旋转机，第一保护电路具备：与超导旋转机的多个励磁极的各励磁极所具备的超导线圈并联连接，从而保护超导线圈的多个极保护电路；和与励磁极所具备的超导线圈全部串联连接而成的串联路径的两端以与串联路径并联的形式连接，从而保护所述超导线圈的内部保护电路。
第二实施形态的第七形态的超导旋转机是具备第一实施形态的第一形态至第十二形态中任意一项所述的磁场发生装置的超导旋转机，具备：旋转轴；和固定于旋转轴，具备超导线圈和未被分割的导体板的超导线圈-导体板复合体；超导线圈构成超导旋转机的励磁绕组，还具备：供电件；和设置于静止部，通过供电件向超导线圈供给电流的电源；保护电路具备：设置于旋转轴，相对于电源与超导线圈并联连接，保护超导线圈的第一保护电路；和设置于静止部，相对于电源与超导线圈并联连接，保护超导线圈的第二保护电路。
在上述结构中，不仅可以在失超发生时保护超导线圈，还可以在供电件发生不正常的情况时保护超导线圈。
第二实施形态的第八形态的超导旋转机是第二实施形态的第七形态的超导旋转机，第一保护电路具备：与超导旋转机的多个励磁极的各励磁极所具备的超导线圈并联连接，从而保护超导线圈的多个极保护电路；和与励磁极所具备的超导线圈全部串联连接而成的串联路径的两端以与串联路径并联的形式连接，从而保护所述超导线圈的内部保护电路。
根据所述结构，即使在超导励磁极周边发生断线时，也可以保护超导线圈。
本实施形态的超导旋转机例如包括超导马达以及超导发电机。
在以下各实施例的说明中，“中心轴”、“周面”、“周方向”、“径方向”在无特别说明的范围内，分别指旋转轴的中心轴、周面、周方向、径方向。又，为了便于说明，将中心轴方向作为前后方向，将输入输出动力的一侧作为前方，输入输出电力和制冷剂等的一侧作为后方。
在以下各实施例的说明中，讲述励磁转子。励磁转子容纳于未图示的定子电枢的内部而进行工作。对于定子电枢，可以利用公知的结构，因此省略说明。
在以下各实施例的说明中，对于能够采用共通的结构的要素，标以相同的符号以及名称，并且仅在一个实施例中进行详细说明，在其他实施例中适当省略详细的说明。
[第一实施例]
图7是示出根据第二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图。图8是根据第二实施形态的第一实施例的超导旋转机的励磁转子的等效电路图的一个示例。
电源3具有向磁场磁极的超导线圈31供给电力的功能，例如可以是静止部中配备的直流电源或交流电源、旋转部中配备的直流励磁器或无刷励磁器等。
供电件9是将来自于电源的电力作为电流供给至磁场磁极的超导线圈的单元。作为供电件9，例如可以使用滑环以及非接触供电单元等。
常温阻尼器（damper）14例如可以由SUS316不锈钢和无氧铜的复合构件构成。常温阻尼器14与旋转轴强度构件16的前后端部（未图示）气密连接。由于冷却超导线圈31，因此在超导旋转机的运行时，使常温减震器14的内侧为真空（极低压状态）。
真空绝热层15是形成于常温阻尼器14与旋转轴强度构件16之间以及旋转轴强度构件16的内部的真空区域。
旋转轴强度构件16例如可以由SUS316不锈钢、或镍基合金、或纤维增强塑料构成。旋转轴强度构件16在其内部保持四个超导线圈31。
传导冷却构件17是可通过热电传导冷却方式冷却超导线圈的构件。
冷却机构18是使用来冷却超导线圈31的制冷剂流通的机构。
极保护电路37设置于旋转轴10（励磁转子100的内部），并且与超导旋转机的多个励磁极的各励磁极所具备的超导线圈31并联连接，从而保护超导线圈31。极保护电路37也可以具备电阻器。极保护电路37也可以具备将一个以上的二极管向超导线圈的电流回流的方向对齐极性后串联连接而构成的二极管电路。极保护电路37也可以具备将两组的一个以上对齐极性后串联连接而成的二极管电路以使其极性相反的形式相互并联连接而构成的二极管电路。极保护电路37也可以具备将一个以上的二极管向超导线圈的电流回流的方向对齐极性后串联连接而构成的二极管电路、和与该二极管电路串联连接的电阻器。极保护电路37也可以具备将两组的一个以上对齐极性后串联连接而成的二极管电路以使其极性相反的形式相互并联连接而构成的二极管电路、和与该二极管电路串联连接的电阻器。
内部保护电路38设置于旋转轴10（励磁转子100的内部），并且与励磁极所具备的超导线圈31全部串联连接而成的串联路径的两端以与串联路径并联的形式连接，而保护超导线圈31。串联路径是在励磁极所具备的超导线圈31全部串联连接的情况下，将全部的超导线圈31串联连接的路径。内部保护电路38具体而言例如可以设置于在中心轴方向上贯通旋转轴10的圆筒状空间的内部。内部保护电路38也可以具备电阻器。内部保护电路38也可以具备将一个以上的二极管向超导线圈的电流回流的方向对齐极性后串联连接而构成的二极管电路。内部保护电路38也可以具备将一个以上的二极管向超导线圈的电流回流的方向对齐极性后串联连接而构成的二极管电路、和与该二极管电路串联连接的电阻器。
外部保护电路39设置于静止部（不与励磁转子100一起旋转，被固定的部分），相对于电源3与超导线圈31并联连接，保护超导线圈31。外部保护电路39也可以具备电阻器。外部保护电路39也可以具备将一个以上的二极管向超导线圈的电流回流的方向对齐极性后串联连接而成的二极管电路。外部保护电路39也可以具备：将一个以上的二极管向超导线圈的电流回流的方向对齐极性后串联连接而成的二极管电路；和与该二极管电路串联连接的电阻器。
根据本实施例的超导旋转机的励磁转子具备极保护电路、内部保护电路和外部保护电路。该励磁转子也可以仅具备极保护电路、内部保护电路和外部保护电路中的任意一个。该励磁转子也可以仅具备极保护电路、内部保护电路和外部保护电路中的任意两个。
所述二极管在极性的顺向具备电压阈值，在施加有该阈值以下的电压的情况下，通电量变得微小。根据该特性，通过使各保护电路形成为该二极管电路的结构，以此在为了励磁极的励磁以及减磁而使电流在0A至最大工作电流之间升降的通常励磁减磁时，可以减少向极保护电路的通电以及通电引起的发热。另一方面，在失超检出时等的需要紧急消磁的情况下，将相较于二极管的顺向电压阈值足够大的电压施加于保护电路，因此电流从超导线圈流入保护电路，可以更迅速吸收并消耗超导线圈所保持的能量。
对于内部保护电路或外部保护电路，在具备将一个以上的二极管向超导线圈的电流回流的方向对齐极性后串联连接而成的二极管电路的励磁转子中，可以在使电流从0A上升至最大工作电流的通常励磁时阻止向内部保护电路或外部保护电路的通电，并且可以抑制内部保护电路或外部保护电路中的通电以及因通电引起的发热。
在极保护电路的该二极管电路中，在以与超导线圈的通电方向同向的极性进行配置的情况下，如果在超导线圈的附近发生失超以及断线等的电阻值增大的现象，则引起电流从超导线圈转移至极保护电路的转流，从而可以避免在失超处以及断线处消耗掉所有的超导线圈的能量。
在具备极保护电路、内部保护电路以及外部保护电路中的至少任意一个的该励磁转子中，通过导体板和极保护电路、内部保护电路以及外部保护电路中的至少任意一个吸收并消耗超导线圈的能量，以此可以保护超导线圈，通过导体板减轻极保护电路、内部保护电路以及外部保护电路的负担，从而可以实现极保护电路、内部保护电路以及外部保护电路的小型化以及低成本化。
在具备极保护电路以及内部保护电路中的至少任意一个的该励磁转子中，即使在电流供给单元发生不正常情况时也可通过导体板和极保护电路以及内部保护电路中的至少任意一个吸收并消耗超导线圈的能量，以此可以保护超导线圈，通过导体板减轻极保护电路以及内部保护电路的负担，从而可以实现极保护电路以及内部保护电路的小型化以及低成本化。
在具备极保护电路以及内部保护电路中的至少任意一个和外部保护电路的该励磁转子中，可以通过导体板、极保护电路以及内部保护电路中的至少任意一个和外部保护电路分散并吸收消耗超导线圈的能量，从而减轻极保护电路、内部保护电路以及外部保护电路的负担，以此可以实现极保护电路、内部保护电路以及外部保护电路的小型化以及低成本化。可以通过极保护电路、内部保护电路以及外部保护电路分散并吸收消耗超导线圈的能量，通过减轻各电路的负担，可以实现各电路的小型化。又，在上述电路结构中，容易进行在超导线圈的对地（earth）耐电压以下尽可能缩短电流衰减时间的保护电路的设计。
[第二实施例]
图9是示出根据第二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立体图。图10是示出根据第二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分解图。图11是示出根据第二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。
第二实施例的超导旋转机的励磁转子100具备旋转轴10、多个线圈壳体20和多个超导线圈-导体板复合体30；线圈壳体20具备形成为在旋转轴10的中心轴方向上延伸且内部形成空间的结构的壁，可拆装地固定于旋转轴10的周表面；超导线圈-导体板复合体30配置在各个线圈壳体20的空间内，构成超导旋转机的励磁绕组。
各个线圈壳体20具备用于在内部流通冷却超导线圈-导体板复合体30的制冷剂的制冷剂流路23。制冷剂流路23形成于壁中的与旋转轴10对置的部位（在最靠近旋转轴10的一侧上在中心轴方向以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配置在线圈壳体20的内表面与容纳于线圈壳体20的超导线圈-导体板复合体30之间，平均热线膨胀系数小于线圈壳体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壳体的平均热线膨胀系数以及超导线圈的平均热线膨胀系数都小。
在旋转轴10的周面上以与线圈壳体20分别对应的形式形成有多个凹部11，凹部11以与对应的线圈壳体20对置的形式形成，且具有在旋转轴10的中心轴方向上延伸的侧表面12，在各个线圈壳体20上形成有凸部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抵接而嵌合。
设置有多个楔形构件40，在将旋转轴的周方向上相邻的两个线圈壳体20作为线圈壳体对时，楔形构件40分别在中心轴方向上延伸，且对于各线圈壳体对配置于构成该线圈壳体对的两个线圈壳体20之间，与该两个线圈壳体20分别抵接。
在各个线圈壳体20与周面之间形成有在中心轴方向上以及旋转轴的周方向上展开的间隙70。
在各个间隙70的内部配设有极保护电路37。另外，在间隙70内，可以容纳极保护电路37的全部，也可以仅容纳极保护电路37的一部分，例如仅容纳电阻器。
本实施例的超导线圈-导体板复合体30可以形成为与例如在第一实施形态的模拟例中参照图4说明的结构相同的结构。因此，省略详细说明。关于超导线圈-导体板复合体30，可以应用在第一实施形态中说明的各变形例。
以下，进一步详细说明根据第二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，例如可以是四极型、八极型等。
如图9、图10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角柱形状。旋转轴10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10的周面（侧表面、侧周面）上以在中心轴方向上延伸的形式形成有规定深度的凹部12。在凹部12上形成有多个用于将线圈壳体20固定于旋转轴10的螺纹孔。
如图9、图10所示，线圈壳体20具备箱部21和盖部22。在箱部21以及盖部22上形成有用于容纳超导线圈-导体板复合体30的凹部。该凹部内容纳夹在两个低热收缩构件35之间的超导线圈-导体板复合体30。在本实施例中，线圈壳体20的数量以及超导线圈-导体板复合体30的数量均为六个。线圈壳体20例如由SUS316不锈钢形成。在箱部21以及盖部22上形成有多个用于使将线圈壳体20固定于旋转轴10的螺丝贯通的孔。在箱部21的凹部内载置超导线圈-导体板复合体30和低热收缩构件35，通过盖部22盖上，以此在线圈壳体20的内部容纳超导线圈-导体板复合体30和低热收缩构件35。之后，使螺栓等贯通设置于箱部21以及盖部22的孔，该螺栓等与设置在旋转轴10的凹部12的螺纹孔螺纹结合，以此线圈壳体20可拆装地固定于旋转轴10。
线圈壳体20具备形成为内部形成空间的结构的壁。在壁中的与旋转轴10对置的部位的内部，以在中心轴方向上将壁直线贯通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10所示，低热收缩构件35配置在旋转轴10的径方向上与超导线圈-导体板复合体30对置的壁、即上下壁与超导线圈-导体板复合体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的每个壁与超导线圈-导体板复合体30之间。也可以在线圈的轴方向（旋转轴10的径向）上与超导线圈-导体板复合体30对置的壁与超导线圈-导体板复合体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-导体板复合体30的温度分布进一步均一化。低热收缩构件35可以例如使用碳钢、镍钢等构成。以在运行时冷却了超导线圈-导体板复合体30的情况下，超导线圈-导体板复合体30受到足够的接触面压而保持在线圈壳体20的内部的形式，适当地设定低热收缩构件35的形状以及材质。
如图9、图10所示，制冷剂配管50在线圈壳体20的前后的端部，通过接头等与制冷剂流路23连接。液体氮、液体氦、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。制冷剂配管50例如由SUS316不锈钢形成。
制冷剂流路23例如可以通过如下方法形成：将线圈壳体20的长度方向作为前后方向，通过钻机等形成从前端或后端中任意一侧的壁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表面通过钻机等形成折返用流路，最后通过焊接等密封侧表面附近的多余的流路。
根据如上所述的结构，通过在制冷剂配管50以及制冷剂流路23中流通的制冷剂，可以有效地冷却六个线圈壳体20以及容纳于其内部的超导线圈-导体板复合体30。另外，上述制冷剂配管50以及制冷剂流路23的具体结构只是一个示例，可根据制冷剂的种类、旋转轴10以及线圈壳体20的材料、大小等适当变更结构是不言而喻的。
如图11所示，间隙70形成于凹部11与凸部24之间。更具体而言，形成于凹部11的底面与凸部24的上表面之间。间隙70例如可以通过使凹部11的底面以及凸部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），以此形成。间隙70的高度（厚度）优选的是足够容纳极保护电路37且充分抑制从旋转轴10向线圈壳体20的传热的大小，具体而言例如优选的是3mm以上10mm以下。在这里所说的高度（厚度）是指旋转轴10的径向的高度（厚度）。
旋转轴10接收来自于外部的轴承等的传热，因此不容易被冷却。通过设置有间隙70，以此相对高温的旋转轴10与相对低温的线圈壳体20之间被绝热，从而可以更有效地冷却容纳于线圈壳体20的内部的超导线圈-导体板复合体30。
如图10所示，超导线圈-导体板复合体30具备如图2所例示的所谓赛道（race truck）型的超导线圈。在赛道型的线圈中，尤其在直线部分上通电时产生的环向应力增大，线圈机械破坏的危险性增高。在本实施例中，通过线圈壳体20的壁，使与环向应力对抗的抗力施加于超导线圈-导体板复合体30，因此可以显著地减少上述破坏的危险性。超导线圈-导体板复合体30例如可以由铋系超导线材或钇系超导线材等构成。超导线圈-导体板复合体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，从而变成超导状态。
超导线圈-导体板复合体30例如分别具备四个超导线圈，在构成六个励磁极的六个超导线圈-导体板复合体30中包含的24个超导线圈通过在设置于线圈壳体20的壁上的孔（未图示）内穿通的配线（未图示）全部串联连接。24个超导线圈所构成的电流路径的两端通过经由旋转轴10的内部的配线（未图示）以及供电件9（参照图12）导出至旋转机的外部，并与电源3（参照图12）连接。在配线上通电时，六个超导线圈-导体板复合体30在周方向上交替地励磁为N极和S极。
在楔形构件40上形成有多个用于使将楔形构件40固定于旋转轴10的螺丝贯通的孔。线圈壳体20与楔形构件40分别使用螺栓等的螺丝固定于旋转轴10。在进行上述固定时，线圈壳体20的侧表面与楔形构件40的侧表面实现面抵接。两个侧表面可以整个面抵接，也可以仅一部分抵接。
图12是根据第二实施形态的第二实施例的超导旋转机的等效电路图的一个示例。在图12中，为了简化，而将设置于各励磁极的四个超导线圈作为单一的超导线圈31进行图示。将设置于各励磁极的五片导体板作为单一的导体板32进行图示。对于图12和图3中共通的要素，标以相同的符号以及名称并省略详细说明。
如图12所示，根据本实施例的超导旋转机具备设置于六个励磁极的每个上的超导线圈31、六个极保护电路、内部保护电路38、和外部保护电路39（第二保护电路）。
在图12所示的示例中由极保护电路37与内部保护电路38构成第一保护电路。也可以省略极保护电路37与内部保护电路38中任意一个。电源3也可以是恒流电源。
极保护电路37设置于旋转轴10（励磁转子100的内部），对于超导旋转机的多个励磁极的每个，均与励磁极所具备的超导线圈31并联连接，保护超导线圈31。
内部保护电路38设置于旋转轴10（励磁转子100的内部），并且与励磁极所具备的超导线圈31全部串联连接而成的串联路径的两端以与串联路径并联的形式连接，从而保护超导线圈31。内部保护电路38在串联路径与供电件9之间与串联路径并联连接。串联路径是在励磁极所具备的超导线圈31全部串联连接的情况下，将超导线圈31全部串联连接的路径。内部保护电路38具体而言例如可以设置于在中心轴方向上贯通旋转轴10的圆筒状空间的内部。
外部保护电路39设置于静止部（不与励磁转子100一起旋转，被固定的部分），相对于电源3与超导线圈31并联连接，从而保护超导线圈31。
第一保护电路在图12所示的示例中由极保护电路37和内部保护电路38构成。第一保护电路设置于旋转轴10，相对于电源3与超导线圈31并联连接，从而保护超导线圈31。
在上述结构中，作为保护超导线圈31的机构，存在这样四个的导体板32、极保护电路37、内部保护电路38和外部保护电路39。通过具备作为线圈保护机构的导体板32，以此减少极保护电路37、内部保护电路38和外部保护电路39的负担，从而容易进行超导旋转机的设计。
通过具备设置于旋转部的第一保护电路、和设置于静止部的第二保护电路，以此不仅在失超发生时还可在供电件上发生不正常情况时保护超导线圈。
此外，在具备极保护电路37的结构中，在超导励磁极周边发生断线时也可以保护超导线圈。
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：
本发明的磁场发生装置以及具备该磁场发生装置的超导旋转机作为在失超发生时能够将超导线圈所保持的能量更迅速地排出至超导线圈的外部的磁场发生装置以及具备该磁场发生装置的超导旋转机时有用。
符号说明：
1     磁场发生装置；
2     恒流电源；
3     电源；
4     保护电路；
5     二极管；
6     电阻器；
7     感应线圈；
8     电阻器；
9     供电件；
10    旋转轴；
11    凹部；
12    侧表面；
14    常温减震器；
15    真空断热层；
16    旋转轴强度构件；
17    传导冷却构件；
18    冷却机构；
20    线圈壳体；
21    箱部；
22    盖部；
23    制冷剂流路；
24    凸部；
26    侧表面；
30    超导线圈-导体板复合体；
31    超导线圈；
32    导体板；
33    电阻器；
34    二极管；
35    低收缩构件；
37    极保护电路；
38    内部保护电路；
39    外部保护电路；
40    楔形构件；
50    制冷剂配管；
70    空隙；
100   励磁转子。

Claims (19)

1.一种磁场发生装置，具备：
卷绕超导线材而成的超导线圈；
由导体构成，与所述超导线圈绝缘，并且以在所述超导线圈的卷轴方向上与所述超导线圈相邻且一侧主表面朝向超导线圈的形式进行配置的未被分割导体板；和
与所述超导线圈并联连接，使流通至所述超导线圈的电流衰减的保护电路。
2.根据权利要求1所述的磁场发生装置，其特征在于，所述未被分割的导体板在从所述超导线圈的卷轴方向上观察时覆盖所述超导线圈的整个表面。
3.根据权利要求1至2中任意一项所述的磁场发生装置，其特征在于，在将所述超导线圈的卷轴方向作为上下方向时，所述未被分割的导体板在所述超导线圈的上下分别配置有一片。
4.根据权利要求1至3中任意一项所述的磁场发生装置，其特征在于，
具备多个所述超导线圈；
所述多个超导线圈以使卷轴方向一致的形式层叠；
所述未被分割的导体板在所述层叠的所述多个超导线圈中，在各相邻的所述超导线圈之间分别配置有一片。
5.根据权利要求1至4中任意一项所述的磁场发生装置，其特征在于，所述超导线圈具有赛道形状。
6.根据权利要求1至5中任意一项所述的磁场发生装置，其特征在于，所述未被分割的导体板在从所述超导线圈的卷轴方向观察时，具有与所述超导线圈的外侧的轮廓相同的形状。
7.根据权利要求1至6中任意一项所述的磁场发生装置，其特征在于，所述未被分割的导体板具有在整个表面上无槽的平板状的形状。
8.根据权利要求1至7中任意一项所述的磁场发生装置，其特征在于，所述未被分割的导体板的厚度为所述超导线圈的卷轴方向的厚度的0.3倍以上。
9.根据权利要求1至8中任意一项所述的磁场发生装置，其特征在于，所述未被分割的导体板的厚度为3mm以上。
10.根据权利要求1至9中任意一项所述的磁场发生装置，其特征在于，所述未被分割的导体板由所述超导线圈的工作温度下的电阻率为1.0×10－9Ωm以下的材料形成。
11.根据权利要求1至10中任意一项所述的磁场发生装置，其特征在于，所述未被分割的导体板由从剩余电阻比为100以上的无氧铜、纯铝、纯金以及纯银组成的群中选择的至少一种材料形成。
12.一种超导旋转机，
是具备权利要求1至11中任意一项所述的磁场发生装置的超导旋转机，具备：
旋转轴；和
固定于所述旋转轴，具备所述超导线圈和所述未被分割的导体板的超导线圈-导体板复合体；
所述超导线圈构成所述超导旋转机的励磁绕组；
还具备向所述超导线圈供给电流的电源。
13.根据权利要求12所述的超导旋转机，其特征在于，所述保护电路设置于静止部，相对于所述电源与所述超导线圈并联连接，从而保护所述超导线圈。
14.根据权利要求12所述的超导旋转机，其特征在于，所述保护电路设置于所述旋转轴，相对于所述电源与所述超导线圈并联连接，从而保护所述超导线圈。
15.根据权利要求14所述的超导旋转机，其特征在于，所述保护电路具备：
与所述超导旋转机的多个励磁极的各励磁极所具备的所述超导线圈并联连接，从而保护所述超导线圈的多个极保护电路；和
在与所述励磁极所具备的所述超导线圈全部串联连接而成的串联路径的两端，与所述串联路径并联连接，从而保护所述超导线圈的内部保护电路。
16.根据权利要求12所述的超导旋转机，其特征在于，所述保护电路具备：
设置于所述旋转轴，相对于所述电源与所述超导线圈并联连接，保护所述超导线圈的第一保护电路；和
设置于静止部，相对于所述电源与所述超导线圈并联连接，保护所述超导线圈的第二保护电路。
17.根据权利要求16所述的超导旋转机，其特征在于，
所述第一保护电路具备：
与所述超导旋转机的多个励磁极的各励磁极所具备的所述超导线圈并联连接，从而保护所述超导线圈的多个极保护电路；和
在与所述励磁极所具备的所述超导线圈全部串联连接而成的串联路径的两端，与所述串联路径并联连接，从而保护所述超导线圈的内部保护电路。
18.一种超导旋转机，是具备权利要求1至11中任意一项所述的磁场发生装置的超导旋转机，具备：
旋转轴；和
固定于所述旋转轴，具备所述超导线圈和所述未被分割的导体板的超导线圈-导体板复合体；
所述超导线圈构成所述超导旋转机的励磁绕组；
还具备：
供电件；和
设置于静止部，通过所述供电件向所述超导线圈供给电流的电源；
所述保护电路具备：
设置于所述旋转轴，相对于所述电源与所述超导线圈并联连接，保护所述超导线圈的第一保护电路；和
设置于所述静止部，相对于所述电源与所述超导线圈并联连接，保护所述超导线圈的第二保护电路。
19.根据权利要求18所述的超导旋转机，其特征在于，所述第一保护电路具备：
与所述超导旋转机的多个励磁极的各励磁极所具备的所述超导线圈并联连接，从而保护所述超导线圈的多个极保护电路；和
与所述励磁极所具备的所述超导线圈全部串联连接而成的串联路径的两端以与所述串联路径并联的形式连接，从而保护所述超导线圈的内部保护电路。
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