JP2011091892A - ステータ、ロータ、および超電導機器 - Google Patents

Abstract

【課題】超電導コイルを所望の位置に適切な強度で固定配置することにより、コイルへの磁束線の影響を受けることを抑制し、かつコイルが固定される強度やコイルの冷却効率を高め、超電導コイルの電気特性を向上させたステータ、ロータおよび超電導機器を提供する。
【解決手段】本発明に係るステータ１２０は、レーストラック型コイル１０を複数台積層した超電導コイル層と、レーストラック型コイル１０の積層方向に関して互いに対向するレーストラック型コイル１０の隙間に挟まれるように配置された第１のスペーサとしてのコマ状スペーサ１９と、レーストラック型コイル１０の直線部の内周面側および前記直線部の外周面側を嵌挿することにより内周面側および前記外周面側を覆うように配置された第２のスペーサとしての櫛歯状スペーサ１７、１８とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明はステータ、ロータ、および超電導機器に関するものであり、より特定的にはレーストラック型超電導コイルが巻回されたステータ、ロータ、および上記ステータおよびロータを備える超電導機器に関するものである。

従来から、超電導体からなる線材（超電導線材）を、一方向に長尺形状をなすように巻回してなるレーストラック型超電導コイルが、モータを構成するステータやロータに用いられている。レーストラック型超電導コイルは、配置や巻回のされ方に応じて、流れる電流の特性に影響を及ぼす。

たとえば、超電導線材を大きい曲率で湾曲させると、超電導線材の超電導性が失われることがある。このため、たとえば特開２００８−１５３３７２号公報（特許文献１）においては、円弧状部分の直径を大きくすることにより小さい曲率で緩やかに湾曲させたレーストラック型コイルが開示されている。また、たとえば特開２００９−６５１１９号公報（特許文献２）には、巻回するときに超電導線材が弛むことを抑制し、超電導線材を高精度に巻回して超電導コイルの性能を向上させるために、対向する１対の直線部の両端を円弧部で連結してなる巻枠に、超電導線材を巻回して形成されるレーストラック型コイル、および当該レーストラック型オイルの製造方法が開示されている。

特開２００８−１５３３７２号公報 特開２００９−６５１１９号公報

しかし昨今の技術の進歩により、超電導コイルを用いたモータなどの機器における電気特性の更なる向上が要求されている。このためには、超電導コイルの配置のみならず、当該超電導コイルを所望の位置に配置するよう支持する方法や、超電導コイルを冷却する効率を制御することも重要になると考えられる。

たとえば超電導コイルに電流を流すと、当該超電導コイルの外周部には磁場が発生し、磁束線が発生する。たとえば超電導コイルを、モータを構成するステータの鉄心の外周部に巻回した場合を考える。この場合、当該超電導コイルに電流が流れることにより発生する磁束線は、その多くは鉄心の内部を通過する。しかし一部の磁束線は、鉄心よりも小回りすることにより、たとえば超電導コイルの内部を貫通することがある。

この超電導コイルの内部を貫通する磁束線のうち、超電導コイルを構成する超電導線材の、幅方向と長手方向とからなる主表面に貫通する方向の成分は、当該超電導コイル（超電導線材）に流れる電流値が低下する要因となる。このため超電導コイルに流れる電流値の低下を抑制し、当該超電導コイルの電気特性を向上させるためには、超電導コイルの内部には、当該コイルが発生する磁束線が貫通しないように、当該超電導コイルを配置することが好ましい。しかし特許文献１および２においては、このような磁束線に対する対策を講じることについて、なんら言及されていない。

また特許文献１および２においては、レーストラック型コイルの曲率や巻回のなされ方を調整するために用いる部材が、レーストラック型コイルを所望の位置に配置するよう支持し、かつレーストラック型コイルの冷却効率を高める機能を有することについて、なんら記載されていない。このため、特許文献１および２に開示されるレーストラック型コイルについては、たとえばレーストラック型コイルの湾曲部の曲率や、レーストラック型コイルを固定する巻枠の状態次第では、当該コイルの冷却効率が著しく低下したり、所望の位置に当該コイルを配置させることが困難になったりする可能性がある。

本発明は、以上の問題に鑑みなされたものである。その目的は、超電導コイルを所望の位置に適切な強度で固定配置することにより、コイルへの磁束線の影響を受けることを抑制し、かつコイルが固定される強度やコイルの冷却効率を高め、超電導コイルの電気特性を向上させたステータ、ロータおよび超電導機器を提供することである。

本発明に係るステータは、レーストラック型コイルを複数台積層した超電導コイル層と、レーストラック型コイルの積層方向に関して互いに対向するレーストラック型コイルの隙間に挟まれるように配置された第１のスペーサと、レーストラック型コイルの直線部の内周面側および直線部の外周面側を嵌挿することにより内周面側および外周面側を覆うように配置された第２のスペーサとを備える超電導コイル体を用いたステータである。

本発明に係るステータ（モータを構成する一部品）には、レーストラック型コイルを所望の位置に固定するための、第１のスペーサと第２のスペーサとの２種類のスペーサを備えている。第１のスペーサが配置されることにより、複数個積層された各レーストラック型コイルに挟まれた領域に、当該レーストラック型コイル（超電導コイル）を冷却するための冷媒を効率よく流通させることができる。また第２のスペーサが配置されることにより、当該超電導コイル層（積層されたレーストラック型コイル）を所望の位置に配置するよう強固に固定することができる。つまり第２のスペーサは、内部を磁束線が貫通しない位置に当該超電導コイル層を配置させた上で固定させる。超電導コイル層を強固に固定させるために、レーストラック型コイルの直線部の内周面側および前記直線部の外周面側を覆うように第２のスペーサをレーストラック型コイルに嵌め込む（嵌挿する）構成となっている。このため、確実に所望の箇所にコイルを固定することができる。以上により、超電導コイル層を効率よく冷却させ、磁束線の影響を受けない箇所に配置するよう強固に固定させることが可能となるため、当該超電導コイル層の電気特性が向上されたステータを提供することができる。

上記ステータにおいては、第１のスペーサは平板形状であり、レーストラック型コイルの巻回される方向に延在する平面上に接触するように複数個配置されていることが好ましい。

レーストラック型コイルは超電導線材を巻回したものである。このため超電導線材の長手方向に交差する幅方向の端部が、巻回により集合した領域は、１つの平面を形成する。これをレーストラック型コイルの端部平面と呼ぶことにする。１本の超電導線材を巻回してなるレーストラック型コイルには、互いに対向する１対の端部平面が形成される。複数台積層されるレーストラック型コイルのうち、一のレーストラック型コイルの一方の端部平面と、他のレーストラック型コイルの、上記一方の端部平面と対向する他方の端部平面との間に挟むように、平板形状の第１のスペーサを配置する。第１のスペーサの主表面（最も面積の大きい主要な面）の大きさは、レーストラック型コイルの端部平面の大きさに比べて非常に小さい。このため、端部平面上に接触するように第１のスペーサを複数個配置したとしても、当該端部平面上には、第１のスペーサが載置されない領域が多く存在する。このため、２つのレーストラック型コイルに挟まれ、第１のスペーサが多数配置された領域には、冷媒を流通させる領域が多く存在することになる。したがって当該領域を用いて、レーストラック型コイルに冷媒を直接接触させながら、レーストラック型コイル（超電導コイル層）を高効率に冷却することができる。つまり、レーストラック型コイル（超電導コイル層）の電気特性の劣化を抑制することができる。

上記ステータにおいて、第２のスペーサは、レーストラック型コイルが巻回される方向に延在する突出部を複数含んでおり、隣接する突出部に挟まれた領域に内周面側または外周面側が接触するように嵌挿されることが好ましい。

第２のスペーサは、レーストラック型コイルを外側から固定するための部材である。上記突出部は、積層された一のレーストラック型コイルと他のレーストラック型コイルとに挟まれた隙間に嵌挿して、当該レーストラック型コイルの表面の一部に接触することにより、レーストラック型コイルを固定する。このため、第２のスペーサが突出部を含むことにより、当該ステータの超電導コイル層を強固に固定することができる。

また、第２のスペーサの厚みなどのサイズを調整することにより、超電導コイル層が配置される領域が、磁束線が貫通する領域の外部となるように、超電導コイル層の位置を調整することができる。したがって、レーストラック型コイルの電気特性の劣化を抑制することができる。

上記ステータにおいて、第２のスペーサは、突出部を複数含む第１部材と、第１部材の外周部を囲むように配置される第２部材とを含んでおり、第１部材および第２部材は、突出部に沿った方向に延在する第１成分と、第１成分に交差し、レーストラック型コイルの積層方向に沿った方向に延在する第２成分とを有することが好ましい。

突出部を複数含む第１部材は、レーストラック型コイルに直接接触する用に配置された、内側に存在する部材である。また第２部材は、第１部材を外側から囲むように配置された部材である。これらの２種類の部材を用いてレーストラック型コイル（超電導コイル層）を囲むことにより、さらに強固にレーストラック型コイルを固定することができる。

上記ステータにおいて、第２のスペーサはＦＲＰからなり、第１成分および第２成分を構成する複数本のＦＲＰの繊維成分は、第１成分および第２成分の表面上にて互いに沿った方向に延在することが好ましい。

第２のスペーサの材質をＦＲＰとすることにより、第２のスペーサの強度を高め、レーストラック型コイルに対してさらに強固に固定することができる。また繊維成分を表面上にてほぼ同一方向に沿った方向に延在させることにより、当該ＦＲＰの材質の強度をより高めることができる。つまりレーストラック型コイルに対してさらに強固に固定することができる。

上記ステータにおいては、隙間を冷却媒体が流通し、冷却媒体は、隣接する第２のスペーサと、第２のスペーサを挟む１対のレーストラック型コイルとに挟まれた領域間を、レーストラック型コイルの内周面側と外周面側とを交互に行き来しながらレーストラック型コイルの直線部に沿った方向に流通することが好ましい。

上述したように、積層された一のレーストラック型コイルと他のレーストラック型コイルとに挟まれた領域には、第１のスペーサが配置されており、第１のスペーサが載置されていない領域を経路として、冷媒が流通する。このとき、複数個の第１のスペーサが配置される領域を接続してなる直線部に関して一方の側方（レーストラック型コイルの内周面側）と、一方の側方に対向する他方の側方（レーストラック型コイルの外周面側）とを交互に冷媒が行き来するようにする。このようにすれば、いずれか一方の側方のみに冷媒が流通することにより、レーストラック型コイル（超電導コイル層）において温度分布や熱応力分布が発生することを抑制することができる。つまり超電導コイル層内の温度のばらつきを小さくすることにより、より確実に超電導コイル層を冷却し、超電導コイル層の電気特性の劣化を抑制することができる。

上記ステータにおいて、隣接する上記超電導コイル体を跨ぐように上記第２のスペーサの表面上に第３のスペーサをさらに有することが好ましい。このように隣接する超電導コイル体同士や、第２のスペーサ同士を接続すれば、ステータ全体としての強度をさらに高めることができる。このため、レーストラック型コイルの固定についても強度をさらに高めることができる。

本発明に係るロータは、以上に述べた本発明に係るステータと同様の技術的な特徴および効果を有するロータである。また、上記のステータおよびロータを備える、たとえばモータなどの超電導機器についても、ステータおよびロータが上述した技術的な特徴および効果を有することにより、レーストラック型コイルの電流値の特性を向上することができる。このため、当該超電導機器の出力を大きくするなどの効果を奏することができる。

本発明におけるレーストラック型コイル（超電導コイル層）を備えたステータ、ロータ、ステータとロータとを備える超電導機器は、レーストラック型コイルを電気特性の劣化を抑制することが可能な位置に強固に配置し、かつ冷媒を万遍に供給することができる構成を備えている。したがって、高い電気特性（電力）を安定に供給することができる。

本発明の実施の形態に係る超電導モータの、ロータが回転する軸に交差する断面における概略断面図である。 図１の「ＩＩ」の領域の拡大図である。 図１の「ＩＩＩ」の領域の拡大図である。 図１のステータの概略斜視図である。 図１のロータの概略斜視図である。 図１の「ＶＩ」の領域の拡大図である。 超電導コイル体に第１のスペーサおよび第２のスペーサを取り付けた状態を示す概略斜視図である。 図７のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩにおける概略断面図を含む概略斜視図である。 複数の超電導コイル体を第３のスペーサを用いて結合させた状態を示す概略図である。 本実施の形態に係るロータやステータの、特にレーストラック型コイルや各種スペーサ部分の製造方法を説明するためのフローチャートである。 図１０の工程（Ｓ１０）の具体的態様を示す概略斜視図である。 図１０の工程（Ｓ２０）の具体的態様を示す概略斜視図である。 図１０の工程（Ｓ３０）の具体的態様を示す概略斜視図である。 図１０の工程（Ｓ５０）の具体的態様を示す概略斜視図である。 図１０の工程（Ｓ６０）に含まれる工程を説明するためのフローチャートである。 図１５の工程（Ｓ６１）および工程（Ｓ６２）を行なった後の外観の具体的態様を示す概略斜視図である。 図１５の工程（Ｓ６１）の具体的態様を示す概略断面図である。 櫛歯状スペーサの形状を簡略化して描写し、これを構成する繊維形状の並びを描写した概略図である。 図１５の工程（Ｓ６１）および工程（Ｓ６２）を行なった後の、図１６の線分ＸＩＸ−ＸＩＸにおける具体的態様を示す概略断面図である。 図１５の工程（Ｓ６３）の具体的態様を示す概略断面図である。 図１５の工程（Ｓ６３）および工程（Ｓ６４）を行なった後の、図２２の線分ＸＸＩ−ＸＸＩにおける具体的態様を示す概略断面図である。 図１５の工程（Ｓ６３）および工程（Ｓ６４）を行なった後の外観の具体的態様を示す概略斜視図である。 コイル間隙を冷媒が流通する態様を示す概略斜視図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の各実施の形態について説明する。なお、各実施の形態において、同一の機能を果たす要素には同一の参照符号を付し、その説明は、特に必要がなければ繰り返さない。
（実施の形態）
図１〜図５を参照して、本発明の実施の形態に係る超電導機器としての超電導モータ３０を説明する。超電導モータ３０は、回転子であるロータ１３０と、ロータ１３０の周囲に配置された固定子であるステータ１２０とを備えている。

図１に示すように、ロータ１３０には、ロータコア１１３の外周部を通り、複数台（図１においては３台）積層されたレーストラック型コイル１０と、回転軸１１８と、ロータ軸１１６と、冷媒１１７とを含んでいる。レーストラック型コイル１０が積層される台数は必ずしも３台でなくてもよく、任意の台数とすることができる。

ロータ軸１１６は、回転軸１１８の長軸方向に延びる外周面の周囲に形成されている。ロータ軸１１６の外表面は円弧状である。ロータコア１１３は、ロータ軸１１６の、回転軸１１８に交差する断面における中央部分（回転軸１１８が配置されている領域）から放射状に、ロータ軸１１６の外周面から突出するように延びている。レーストラック型コイル１０は、ロータコア１１３を囲むように、かつロータ軸１１６の円弧状の外表面に沿うように配置されている。

ロータ１３０の周囲のステータ１２０には、最も外側に配置されたステータコア１２３のうち、図１の断面図において回転軸１１８に向かう方向に延在する領域の外周部を通り、複数台（図１においては３台）積層されたレーストラック型コイル１０が、ロータ１３０と同様に存在する。その他ステータ１２０には、ステータヨーク２１や冷媒１２７が含まれる。

レーストラック型コイル１０は、超電導線材を所定回数巻回することにより形成される部材である。このためレーストラック型コイル１０が複数台積層されることにより、当該領域には超電導コイルが積層された層（図７における超電導コイル層２０）が形成される。なおレーストラック型コイル１０は、これが巻回される領域（後述するロータコア、ステータコア、櫛歯状スペーサ）の長手方向に接触しながら沿うように配置されることが好ましい。このようにすれば、レーストラック型コイル１０の配置されるスペースを高効率にすることができる。つまりレーストラック型コイル１０およびこれが巻回される部材との占める領域の和を小さくし、両者の占めるスペースを小さくすることができる。

超電導線材は、いわゆる酸化物超電導線材である。具体的には、たとえばビスマスなどの酸化物超電導体の粉末を銀などのシース部で被覆したテープ状部材（ビスマス系の超電導線材）を焼結した構成であってもよい。あるいは長軸形状のニッケル系の基板上に、超電導からなる線材であるたとえばイットリウム系の酸化物超電導体が薄膜形状に焼結された焼結体や、銀スパッタ層などが積層された構成（薄膜超電導線材）であってもよい。酸化物超電導線材を用いることにより、たとえば金属超電導線材を用いる場合に比べて、高温にて超電導線材を使用することができる。このため、超電導線材を冷却する冷媒の冷却用の設備を簡素化することができ、設備コストを低減することができる。

積層されたレーストラック型コイル１０が配置された超電導コイル層は、たとえばステータ１２０においては図２に示すステータヨーク２１と呼ばれる鉄心部材で囲まれた領域に存在する。ステータヨーク２１は、隣り合うステータコア１２３同士を連結するために配置された部材であり、ステータヨーク２１の外表面は円弧状である。同様にロータ１３０においても、超電導コイル層は、図３に示すロータヨーク１２１と呼ばれる鉄心部材で囲まれた領域に存在する。

ここで図２に示すように、本実施の形態のステータ１２０に配置されるレーストラック型コイル１０（超電導コイル層）は、積層された各コイルの間（コイル間隙１６）に、第１のスペーサとしてのコマ状スペーサ１９が、レーストラック型コイル１０の直線部が延在する方向（図２の紙面に垂直な方向）に一定の間隔を設けて複数個配置されている。つまりコマ状スペーサ１９は一のレーストラック型コイル１０と、当該コイルの一方の端部平面上に積層（配置）された他のレーストラック型コイル１０との間に挟まれたコイル間隙１６に複数個配置されている。言い換えれば、一のレーストラック型コイル１０の一方の端部平面上に、コマ状スペーサ１９が、レーストラック型コイル１０の直線部が延在する方向に一定の間隔を設けながら複数個配置されている。そして当該コマ状スペーサ１９の主表面上を跨ぐように、他のレーストラック型コイル１０が積層されている。

また、図２に示すように、本実施の形態のステータ１２０に配置されるレーストラック型コイル１０（超電導コイル層）は、巻回される内周面が第２のスペーサとしての櫛歯状スペーサ１８で覆われている。また当該レーストラック型コイル１０は、巻回される外周面が第２のスペーサとしての櫛歯状スペーサ１７で覆われている。つまりステータ１２０の櫛歯状スペーサ１８は、ステータコア１２３のうち、図１の断面図において回転軸１１８に向かう方向に延在する領域の外側に、ステータ１２０からロータ１３０の回転軸１１８に向かう方向に放射状に延在するステータヨーク２１に接触するように配置されている。そしてステータ１２０のレーストラック型コイル１０は、櫛歯状スペーサ１８の外周面に巻回されている。さらに巻回されたレーストラック型コイル１０の外側を覆うように、櫛歯状スペーサ１７が配置されている。

また、図３に示すように、本実施の形態のロータ１３０に配置されるレーストラック型コイル１０（超電導コイル層）についても同様に、第１のスペーサとしてのコマ状スペーサ１９が、積層されるレーストラック型コイル１０の間に挟まれるようにコイル間隙１６に配置される。またロータコア１１３の外周部に、ロータ１３０からステータ１２０へ向かう方向に放射状に延在するロータヨーク１２１に接触するように櫛歯状スペーサ１８が配置される。そして櫛歯状スペーサ１８の外周面にレーストラック型コイル１０が巻回される。さらに巻回されたレーストラック型コイル１０の外側を覆うように、櫛歯状スペーサ１７が配置されている。なお図１、図４および図５は、超電導モータ３０が大きくステータ１２０とロータ１３０とからなることを説明する図であるため、これらの図中においてはコマ状スペーサ１９や櫛歯状スペーサ１７、１８は省略されている。

図２および図３に示すように、ステータ１２０およびロータ１３０の櫛歯状スペーサ１７には、レーストラック型コイル１０が巻回される方向に延在する突出部１７０が複数含まれている。同様に櫛歯状スペーサ１８には、レーストラック型コイル１０が巻回される方向に延在する突出部１８０が複数含まれている。より具体的には図２および図３の左右方向に突出部１７０、１８０が延在しており、これは巻回されたレーストラック型コイル１０の超電導線材が重畳する方向に沿った方向である。

たとえば図２に示すように、櫛歯状スペーサ１８の突出部１８０は、一のレーストラック型コイル１０と、当該コイルの一方の端部平面に対向するように積層された他のレーストラック型コイル１０との間に挟まれた領域（つまりコマ状スペーサ１９が複数個配置された領域）の空間に入り込むように（嵌挿するように）配置される。ここで、図２の上下方向に関する突出部１８０の幅と、積層された２台のレーストラック型コイル１０の間（コマ状スペーサ１９の、レーストラック型コイル１０が積層される方向に関する厚み）とがほぼ等しければ、突出部１８０は積層された互いに対向する１対のレーストラック型コイル１０のそれぞれの直線部に接触しながら嵌挿される。このことは突出部１７０についても、ロータ１３０の櫛歯状スペーサ１８についても同様である。

このように積層されたレーストラック型コイル１０の間隔に櫛歯状スペーサ１７、１８が、レーストラック型コイル１０の直線部に接触し、嵌挿するように配置されるため、櫛歯状スペーサ１７、１８は、レーストラック型コイル１０を強固に固定することができる。したがって櫛歯状スペーサ１７、１８は、レーストラック型コイル１０がロータコア１１３やステータコア１２３の外周部にて不安定に振動したり移動したりすることを抑制することができる。

なお、櫛歯状スペーサ１７、１８によるレーストラック型コイル１０の固定をより強固なものとするため、櫛歯状スペーサ１７、１８は、レーストラック型コイル１０の直線部の全体に接触するように配置されることが好ましい。つまり、櫛歯状スペーサ１７、１８は、レーストラック型コイル１０の直線部が延在する長手方向に関して、当該直線部以上の長さを有することが好ましい。このようにすれば、櫛歯状スペーサ１７、１８がレーストラック型コイル１０に接触する（レーストラック型コイル１０を支持する）領域が広くなる。このため、櫛歯状スペーサ１７、１８をより確実に固定支持することができる。

また、図６を参照して、複数台積層されたレーストラック型コイル１０に電流を流すと、当該電流が作る磁場により、図６中に矢印で示す磁束線１１１が形成される。通常、形成される磁束線はレーストラック型コイル１０に対してより外側を通り、たとえばロータコア１１３やステータコア１２３の回転軸１１８に向かう方向に延在する領域を通る。しかし一部の磁束線が漏れ磁束として、通常の磁束線よりも内回りの経路を通り、図６に示すようにレーストラック型コイル１０の巻回された領域に極めて近い領域を通ることになる。すると当該磁束線１１１はレーストラック型コイル１０の内部を貫通することになる。

このとき、特に各レーストラック型コイル１０を形成する超電導線材の主表面１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃに交差するように（たとえば当該主表面に垂直な方向に）、レーストラック型コイル１０を磁束線１１１が貫通すれば、レーストラック型コイル１０の電流値（特に臨界電流Ｉｃの値）が低下するなどの問題を発生しうる。このため磁束線１１１はレーストラック型コイル１０の内部を貫通しないように通過することが好ましい。逆に言えばレーストラック型コイル１０は、磁束線１１１の通路となりうる領域を避けて配置されることが好ましい。

ここで図６に示す櫛歯状スペーサ１７が配置されることにより、図６に長い矢印で示す磁束線１１１とレーストラック型コイル１０との距離が長くなる。つまり櫛歯状スペーサ１７が介在するために磁束線１１１がレーストラック型コイル１０の内部を貫通することが抑制される。つまり櫛歯状スペーサ１７を用いることにより、レーストラック型コイル１０を、磁束線１１１が通過しない位置に強固に固定配置することができる。したがってより安定に、レーストラック型コイル１０の電気特性の劣化を抑制することができる。

なお図６に示すように、積層された各レーストラック型コイル１０の超電導線材の主表面１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃの傾斜角度がそれぞれ異なっている。これは当該主表面が、各レーストラック型コイル１０が配置される領域の近傍における磁束線１１１の通過する方向に沿った方向となるようにするためである。このようにすれば、磁束線１１１がレーストラック型コイル１０の内部を通ったとしても、超電導線材の主表面に沿った方向に貫通することになる。このため、当該レーストラック型コイル１０における電気特性の劣化を抑制することができる。

さらに図２、図３、図６〜図８を参照して、第２のスペーサとしての部材は、上述した第１部材としての櫛歯状スペーサ１７、１８と、当該櫛歯状スペーサ１７、１８をさらに外側から取り囲むように配置される第２部材としての外側スペーサ２７、２８とを備えることが好ましい。

櫛歯状スペーサ１８は、レーストラック型コイル１０の内周面側および、最もロータ１３０側（図６における下側）を取り囲むように配置されている。このように互いに交差する２方向からレーストラック型コイル１０を支持することにより、さらに強固にレーストラック型コイル１０を固定することができる。同様に、櫛歯状スペーサ１７は、レーストラック型コイル１０の外周面側および、最もステータ１２０側（図６における上側）を取り囲むように配置されている。櫛歯状スペーサ１７についても櫛歯状スペーサ１８と同様に２方向からレーストラック型コイル１０を支持することにより、さらに強固にレーストラック型コイル１０を固定することができる。

これに対して外側スペーサ２７は、レーストラック型コイル１０の外周面側および、最もロータ１３０側（図６における下側）を取り囲むように配置されている。また外側スペーサ２８は、レーストラック型コイル１０の内周面側および、最もステータ１２０側（図６における上側）を取り囲むように配置されている。このように、レーストラック型コイル１０の直線部に交差する断面で見た場合において、櫛歯状スペーサ１７、１８と、外側スペーサ２７、２８とが同一配置となるように重なっているのではなく、互い違いになるように重なって配置されている。このように第２のスペーサを構成する第１部材と第２部材とを重ね合わせることにより、第２のスペーサがレーストラック型コイル１０を所定の位置にっ固定する効果をさらに強固なものとすることができる。したがってレーストラック型コイル１０の電気特性の劣化を抑制し、超電導モータ３０における大電力の出力を確保させることができる。また第２部材（外側スペーサ２７、２８）が第１部材を取り囲んでいる。このため、外側スペーサ２７、２８は冷媒１１７が流通する流路の壁部（流路壁）として機能させることもできる。つまり外側スペーサ２７、２８を冷媒１１７の容器として機能させることもできる。

なお上述した説明および図２や図３に示す態様とは逆に、たとえば１組の第１部材（櫛歯状スペーサ）のうちの一方がレーストラック型コイルの内周面側および最もステータ１２０側（図６の上側）に配置され、他方がレーストラック型コイルの外周面側および最もロータ１３０側（図６の下側）に配置されていてもよい。この場合においても第１部材と第２部材とを互い違いとなるように重ね合わせるために、１組の第２部材（外側スペーサ）のうち一方はレーストラック型コイルの内周面側および最もロータ１３０側（図６の下側）に配置され、他方はレーストラック型コイルの外周面側および最もステータ１２０側（図６の上側）に配置されていることが好ましい。

また、図２、図３、図６〜図８を参照して、コイル間隙１６の一部の領域を埋めるようにコマ状スペーサ１９が配置されている。つまりコマ状スペーサ１９の主表面（レーストラック型コイル１０の端部平面と対向する面）の面積は、コイル間隙１６の、端部平面に沿った方向に関する面積よりも小さいことが好ましい。またこれらのコマ状スペーサ１９は、レーストラック型コイル１０の直線部が延在する方向に関して一定の距離を保ちながら複数個配置されるとともに、レーストラック型コイル１０の巻回される方向（図６の左右方向）に関する中央付近に配置されることが好ましい。

このようにすれば、コイル間隙１６のうち、コマ状スペーサ１９が配置されない空隙の領域は、レーストラック型コイル１０を超電導コイルとして機能させるために冷却する冷媒１１７を流通させる通路となる。冷媒１１７はたとえば液体窒素であり、レーストラック型コイル１０の直線部が延在する方向に沿った方向に流通することが好ましい。なお冷媒１１７は図１においてはレーストラック型コイル１０の外周部に配置されているが、これは図面を見やすくするためである。実際は本実施の形態において冷媒１１７は、一部は図１に示す領域を通るものの、主に積層されたレーストラック型コイル１０のコイル間隙１６を流通する。

またコイル間隙１６の延在する、レーストラック型コイル１０の直線部が延在する方向に交差する方向に関して、コマ状スペーサ１９の両側（左右側）にコイル間隙１６が配置されない空隙の領域が存在するため、当該領域を均一に冷媒１１７を流通させることができる。つまり冷媒１１７が特定の領域に偏って流通することによるレーストラック型コイル１０の冷却態様の偏りや、それに伴う熱応力の発生、さらには熱応力に起因するレーストラック型コイル１０の損傷を抑制することができる。

以上のようにコイル間隙１６のうち、コマ状スペーサ１９が配置された領域を除く領域に冷媒１１７を流通させる。このためコマ状スペーサ１９の主表面の面積は小さい方が好ましい。このようにすればコイル間隙１６のうち冷媒１１７が流通することができる領域が広くなる。このため、レーストラック型コイル１０の冷却効率をさらに高めることができる。

以上のように冷媒１１７がレーストラック型コイル１０を均一に高効率に冷却させることができるため、レーストラック型コイル１０の電気特性の劣化を抑制し、当該レーストラック型コイル１０の高い電気特性を確保することができる。

さらに、図６および図９を参照して、ステータ１２０側の外側スペーサ２８の主表面上には、第３のスペーサとしての平板スペーサ３７が配置されている。これはたとえば図９に示すように、隣り合う超電導コイル層２０（レーストラック型コイル１０）の外側スペーサ２８同士を連結する機能を有するものである。このように隣接する超電導コイル層２０（レーストラック型コイル１０）同士を接続すれば、ステータ全体としての強度をさらに高めることができる。このため、レーストラック型コイルの固定についても強度をさらに高めることができる。

以上に述べた第１のスペーサ、第２のスペーサ、および第３のスペーサは、ＦＲＰ（繊維強化プラスチック）を用いて形成されることが好ましい。たとえば第１のスペーサ（コマ状スペーサ１９）は、これを挟む２台のレーストラック型コイル１０のうち少なくともいずれか一方の端部平面上に接着することにより、積層された２台のレーストラック型コイル１０の間に配置されることが好ましい。各種スペーサにＦＲＰを用いることにより、スペーサの強度をさらに高くすることができる。つまり当該スペーサがレーストラック型コイル１０をさらに強固に支持することができる。

次に、以上に述べたステータ１２０やロータ１３０の、特に上述したレーストラック型コイル１０や各種スペーサ部分の製造方法について説明する。なお以下においては、レーストラック型コイル１０を３台積層する場合の製造方法を示す。たとえばレーストラック型コイル１０を４台以上積層する場合においても、同様の工程を繰り返すことにより実施できる。

図１０のフローチャートに示すように、レーストラック型コイル１０や各種スペーサ部分の製造方法としては、まず第１段のコイルを準備する工程（Ｓ１０）が実施される。これは具体的には、図１〜図９に示す複数台（３台）積層されたレーストラック型コイル１０のうち、最下段のレーストラック型コイル１０が準備される工程である。

上述したビスマス系の超電導線材、または薄膜超電導線材を、図１１に示すレーストラック型コイル状に巻回する。その方法は具体的にはたとえば、円筒面を有する台座の円筒面上に、レーストラック状に配置された巻枠に沿って上記超電導線材を巻きつける。ここで、レーストラック状に巻回されたコイルが、一部の領域において（特にコイルの長手方向に交差する湾曲部（コイルエンド部）の一部において）図１１の上下方向に湾曲する形状を有する鞍形形状のレーストラック型コイルとなるように台座を準備し、超電導線材を巻回してもよい。

次に、図１０に示すように、第１のスペーサを取り付ける工程（Ｓ２０）が実施される。これは具体的には、図１２に示すように、工程（Ｓ１０）にて準備したレーストラック型コイル１０の一方の端部平面上に、レーストラック型コイル１０の直線部が延在する方向（長手方向）に関して一定の間隔ごとに、第１のスペーサである複数個のコマ状スペーサ１９が配置される工程である。このようにすれば、コマ状スペーサ１９とレーストラック型コイル１０とは互いに接触する。

上述したように、コマ状スペーサ１９のうち、レーストラック型コイル１０の端部平面と接着する表面の面積は小さい方が好ましい。また、ＦＲＰを用いて形成されたコマ状スペーサ１９とレーストラック型コイル１０とは、エポキシ系接着剤を用いて接着されることが好ましい。

次に、図１０に示すように、第２段のコイルを取り付ける工程（Ｓ３０）が実施される。これは具体的には、工程（Ｓ２０）にて配置されたコマ状スペーサ１９上に、さらに工程（Ｓ１０）と同様の手順により形成されたレーストラック型コイル１０が配置される工程である。

第２段のコイルとしてのレーストラック型コイル１０は、第１段のコイルとしてのレーストラック型コイル１０と同様のコイルであってもよい。しかしたとえば図６に示すように、第１段のコイルと第２段のコイルとを構成する超電導線材の主表面の傾斜角度が異なっていてもよい。この場合、たとえば図６に示すように上段（ステータ１２０側）に配置される第２段のコイルの方が、下段（ロータ１３０側）に配置される第１段のコイルよりも、レーストラック型コイル１０の中空部の中心における軸となす角度が大きいことが好ましい。

工程（Ｓ３０）にて取り付ける第２段のコイルとしてのレーストラック型コイル１０は、その端部平面が、第１段のコイルとして工程（Ｓ１０）にて準備した第１段のコイルとしてのレーストラック型コイル１０の端部平面と重畳するように取り付けられることが好ましい。具体的には、工程（Ｓ２０）にて配置されたコマ状スペーサ１９の、第１段のコイルとしてのレーストラック型コイル１０の端部平面と接着された表面と対向する表面上に、工程（Ｓ２０）と同様にエポキシ系接着剤を塗布し、第２段のコイルとしてのレーストラック型コイル１０が接着される。

次に、図１０に示すように、第１のスペーサを取り付ける工程（Ｓ４０）が実施される。これは具体的には、工程（Ｓ３０）にて形成された、レーストラック型コイル１０が２段積み重ねられた構造体のうち、一方のレーストラック型コイル１０の外側の端部平面上に、工程（Ｓ２０）と同様に第１のスペーサ（コマ状スペーサ１９）が接着固定される工程である。これはレーストラック型コイル１０のうち、第１段のコイルと第２段のコイルとのいずれの端部平面上に取り付けてもよい。ただし、第１段のコイルと第２段のコイルとのそれぞれの主表面の傾斜角度が異なる場合には、次に取り付ける第３段のコイルの傾斜角度に応じて、第１段のコイル側と第２段のコイル側とのいずれ側に第３段のコイルを取り付けるかを決定し、第３段のコイルを取り付ける側のコイルの端部平面上に当該コマ状スペーサ１９を取り付けることが好ましい。

さらに、工程（Ｓ３０）と同様の手順にて第３段のコイルを取り付ける工程（Ｓ５０）を実施すれば、図１４に示すようにレーストラック型コイル１０が３段積み重ねられており、各レーストラック型コイル１０に挟まれるようにコマ状スペーサ１９が配置される超電導コイル層２０が形成される。

次に、図１０に示すように、第２のスペーサを取り付ける工程（Ｓ６０）が実施される。これは具体的には、図１４に示す超電導コイル層２０に、第２のスペーサとしての櫛歯状スペーサ１７、１８および外側スペーサ２７、２８を取り付ける工程である。

図１５のフローチャートに示すように、工程（Ｓ６０）は、内周側に第１部材を取り付ける工程（Ｓ６１）と、外周側に第１部材を取り付ける工程（Ｓ６２）と、外周側に第２部材を取り付ける工程（Ｓ６３）と、内周側に第２部材を取り付ける工程（Ｓ６４）とからなる。

まず内周側に第１部材を取り付ける工程（Ｓ６１）が実施される。これは具体的には、図１６に示すように、レーストラック型コイル１０の内周側、すなわちコイルの中空部側を覆うように、第１部材としての上述した櫛歯状スペーサ１８が取り付けられる工程である。

図１６に示すように、櫛歯状スペーサ１８は、３台積層されたレーストラック型コイル１０の重畳する直線部の少なくとも一部に、レーストラック型コイル１０の内周側から接触するように配置される。ただし、櫛歯状スペーサ１８は、レーストラック型コイル１０の直線部の全体に沿うように接触可能な構造であることがより好ましい。つまり櫛歯状スペーサ１８は、その直線部（レーストラック型コイル１０の直線部に沿う部分）の長さが、レーストラック型コイル１０の直線部の長さ以上であることがより好ましい。このように櫛歯状スペーサ１８の直線部の長さが長いほど、レーストラック型コイル１０との接触面積が大きくなる。つまりレーストラック型コイル１０をより強固に所定の箇所に固定することができる。このことは後述する櫛歯状スペーサ１７についても同様である。その結果、図１７に示す断面の状態となるように突出部１８０が互いに積層された２つのレーストラック型コイル１０の直線部の間に接触するように挟まった櫛歯状スペーサ１８が配置される。なお図１７および後述する図１９〜図２１においては、左右のレーストラック型コイル１０に挟まれた中間の領域が、各レーストラック型コイル１０の中空部、すなわちロータコア１１３などが配置された領域である。

なお櫛歯状スペーサ１８は、上述したように互いに交差する２方向の成分（突出部１７０、１８０の延在する方向に沿って延在する第１成分と、第１成分に交差し、レーストラック型コイル１０の積層方向に沿った方向に延在する第２成分）とを有する。このため第１成分と第２成分とにより、概ね蝶番状の形状を有するものである。このように櫛歯状スペーサ１８が互いに交差する２成分を有する形状であることを模式的に示す図１８を参照して、これらの第１成分と第２成分の表面上において、ＦＲＰを構成する複数本の繊維成分２４が互いにほぼ同一方向に沿って延在するように（たとえばほぼ平行となるように）延在することが好ましい。このようにすれば、スペーサの強度をさらに高くすることができる。このことは後述する櫛歯状スペーサ１７についても同様である。

ここで櫛歯状スペーサ１８、櫛歯状スペーサ１７の製造方法について説明する。櫛歯状スペーサの材質としてのＦＲＰを構成する複数本の繊維成分２４（たとえばガラス繊維）が、第１成分と第２成分とのそれぞれの主表面上において、互いにほぼ平行になるように形成する。このためには具体的には、プレス成型（コールドプレス）により当該櫛歯状スペーサ１７、１８を形成することが好ましい。つまり、所望形状の櫛歯状スペーサを形成するための型を用意し、ＦＲＰと樹脂とを混合させたものを当該型の内部に導入することにより成型する。ここでＦＲＰと同時に型の内部に投入する樹脂としては、たとえばエポキシ樹脂を用いることが好ましい。型の内部にＦＲＰと樹脂とを投入した状態で、たとえば１００℃以上１５０℃以下の低温で、１時間以上２４時間以下の時間放置することにより、当該樹脂を硬化させる。以上の手順により所望の形状の櫛歯状スペーサ１７、１８形成することができる。なお、低温で上記時間保管することにより樹脂を硬化させるのは、急熱や急冷により形成される櫛歯状スペーサ１７、１８の内部に熱応力による歪みが発生することを抑制するためである。

次に外周側に第１部材を取り付ける工程（Ｓ６２）が実施される。これは図１９を参照して、たとえば図１７における状態に対して、レーストラック型コイル１０の外周側を覆うように、第１部材としての上述した櫛歯状スペーサ１７が取り付けられる工程である。たとえば図１９に示すように櫛歯状スペーサ１８がレーストラック型コイル１０の内周側と下側（ロータ１３０側）とを覆う場合、櫛歯状スペーサ１７はレーストラック型コイル１０の外周側と上側（ステータ１２０側）とを覆う。このようにして積層された２台のレーストラック型コイル１０に挟まれた領域にはコイル間隙１６と、コマ状スペーサ１９とからなる空間が形成される。なお、工程（Ｓ６１）と工程（Ｓ６２）とは実施する順序を逆にしてもよい。工程（Ｓ６１）と工程（Ｓ６２）とを実施することにより、外観が図１６に示す状態となるように櫛歯状スペーサ１７、１８が取り付けられる。

次に図１５を参照して、外周側に第２部材を取り付ける工程（Ｓ６３）および内周側に第２部材を取り付ける工程（Ｓ６４）が実施される。工程（Ｓ６３）は具体的には、図２０の断面図を参照して、たとえば図１９における状態に対して、レーストラック型コイル１０の外周側および下側（ロータ１３０側）を覆うように、外側スペーサ２７が取り付けられる工程である。工程（Ｓ６４）は具体的には、図２１の断面図を参照して、たとえば図２０における状態に対して、レーストラック型コイル１０の内周側および上側（ステータ１２０側）を覆うように、外側スペーサ２８が取り付けられる工程である。これら両工程を行なえば、外観が図２２に示す状態である超電導コイル層２０が形成される。外側スペーサ２７および外側スペーサ２８は上述したように、レーストラック型コイル１０のコイル間隙１６に冷媒を流す際の当該冷媒の流路壁としての機能を有するものである。外側スペーサ２７、２８の構造やサイズにより、コイル間隙１６すなわち冷媒の流路の、冷媒が流通する方向に交差する断面の形状や大きさが決定する。このため外側スペーサ２７、２８の構造やサイズ次第で、冷媒の流路の断面が所望の大きさとなるよう、当該流路としての領域を確保することができる。

なお、工程（Ｓ６３）と工程（Ｓ６４）とは実施する順序を逆にしてもよい。この後に、第３のスペーサ（平板スペーサ３７）を取り付けたり、これをステータ１２０やロータ１３０に組み込む工程を行なうことにより、超電導モータ３０などの超電導機器が形成される。

なお、形成された超電導コイル層２０を備えるステータ１２０やロータ１３０、超電導モータ３０において、積層されたレーストラック型コイル１０に挟まれたコイル間隙１６を、液体窒素などの冷媒１１７（冷媒１２７）が流通する。このとき、図２３に示すように、レーストラック型コイル１０の直線部の延在方向に関して一定の距離を設けて配置された複数のコマ状スペーサ１９のそれぞれを用いて、ジグザグ状にコイル間隙１６を縫うように冷媒が流通することが好ましい。つまり、レーストラック型コイル１０の直線部の延在方向に流通する冷媒は、最初のコマ状スペーサ１９までは、冷媒が流通する方向に見たときの右側を流通する。そして最初のコマ状スペーサ１９を超えたところで、冷媒が流通する方向に見たときの左側を流通する。また次のコマ状スペーサ１９を超えたところで、冷媒が流通する方向に見たときの右側を流通する。以下、これを繰り返し、コマ状スペーサ１９の右側と左側（つまり内周面側と外周面側）とを交互に行き来する流通経路１１２を流通することが好ましい。

このようにすれば冷媒は、レーストラック型コイル１０の内周面側または外周面側のいずれか一方に偏ることなく、内周面側と外周面側との両方を満遍なく流通することになる。したがってレーストラック型コイル１０の冷却効率をさらに高めることができ、レーストラック型コイル１０の電気特性が良好な状態を保つことができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した実施の形態ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明は、超電導コイルの電気特性を向上させたステータ、ロータおよび超電導機器を提供する技術として、特に優れている。

１０ レーストラック型コイル、１６ コイル間隙、１７，１８ 櫛歯状スペーサ、１９ コマ状スペーサ、２０ 超電導コイル層、２１ ステータヨーク、２４ 繊維成分、２７，２８ 外側スペーサ、３０ 超電導モータ、３７ 平板スペーサ、１１０ａ，１１０ｂ，１１０ｃ 主表面、１１１ 磁束線、１１２ 流通経路、１１３ ロータコア、１１６ ロータ軸、１１７，１２７ 冷媒、１１８ 回転軸、１２０ ステータ、１２１ ロータヨーク、１２３ ステータコア、１３０ ロータ、１７０，１８０ 突出部。

Claims (15)

1. レーストラック型コイルを複数台積層した超電導コイル層と、
   前記レーストラック型コイルの積層方向に関して互いに対向する前記レーストラック型コイルの隙間に挟まれるように配置された第１のスペーサと、
   前記レーストラック型コイルの直線部の内周面側および前記直線部の外周面側を嵌挿することにより前記内周面側および前記外周面側を覆うように配置された
   第２のスペーサとを備える超電導コイル体を用いたステータ。
2. 前記第１のスペーサは平板形状であり、前記レーストラック型コイルの巻回される方向に延在する平面上に接触するように複数個配置されている、請求項１に記載のステータ。
3. 前記第２のスペーサは、前記レーストラック型コイルが巻回される方向に延在する突出部を複数含んでおり、
   隣接する前記突出部に挟まれた領域に前記内周面側または前記外周面側が接触するように嵌挿される、請求項１または２に記載のステータ。
4. 前記第２のスペーサは、前記突出部を複数含む第１部材と、前記第１部材の外周部を囲むように配置される第２部材とを含んでおり、前記第１部材および前記第２部材は、前記突出部に沿った方向に延在する第１成分と、前記第１成分に交差し、前記レーストラック型コイルの積層方向に沿った方向に延在する第２成分とを有する、請求項３に記載のステータ。
5. 前記第２のスペーサはＦＲＰからなり、
   前記第１成分および前記第２成分を構成する複数本のＦＲＰの繊維成分は、前記第１成分および前記第２成分の表面上にて互いに沿った方向に延在する、請求項４に記載のステータ。
6. 前記隙間を冷却媒体が流通し、前記冷却媒体は、隣接する前記第２のスペーサと、前記第２のスペーサを挟む１対の前記レーストラック型コイルとに挟まれた領域間を、前記レーストラック型コイルの前記内周面側と前記外周面側とを交互に行き来しながら前記レーストラック型コイルの直線部に沿った方向に流通する、請求項１〜５のいずれか１項に記載のステータ。
7. 前記ステータにおいて、隣接する前記超電導コイル体を跨ぐように前記第２のスペーサの表面上に第３のスペーサをさらに有する、請求項１〜６のいずれか１項に記載のステータ。
8. レーストラック型コイルを複数台積層した超電導コイル層と、
   前記レーストラック型コイルの積層方向に関して互いに対向する前記レーストラック型コイルの隙間に挟まれるように配置された第１のスペーサと、
   前記レーストラック型コイルの直線部の内周面側および前記直線部の外周面側を嵌挿することにより前記内周面側および前記外周面側を覆うように配置された
   第２のスペーサとを備える超電導コイル体を用いたロータ。
9. 前記第１のスペーサは平板形状であり、前記レーストラック型コイルの巻回される方向に延在する平面上に接触するように複数個配置されている、請求項８に記載のロータ。
10. 前記第２のスペーサは、前記レーストラック型コイルが巻回される方向に延在する突出部を複数含んでおり、
    隣接する前記突出部に挟まれた領域に前記内周面側または前記外周面側が接触するように嵌挿される、請求項８または９に記載のロータ。
11. 前記第２のスペーサは、前記突出部を複数含む第１部材と、前記第１部材の外周部を囲むように配置される第２部材とを含んでおり、前記第１部材および前記第２部材は、前記突出部に沿った方向に延在する第１成分と、前記第１成分に交差し、前記レーストラック型コイルの積層方向に沿った方向に延在する第２成分とを有する、請求項１０に記載のロータ。
12. 前記第２のスペーサはＦＲＰからなり、
    前記第１成分および前記第２成分を構成する複数本のＦＲＰの繊維成分は、前記第１成分および前記第２成分の表面上にて互いに沿った方向に延在する、請求項１１に記載のロータ。
13. 前記隙間を冷却媒体が流通し、前記冷却媒体は、隣接する前記第２のスペーサと、前記第２のスペーサを挟む１対の前記レーストラック型コイルとに挟まれた領域間を、前記レーストラック型コイルの内周面側と外周面側とを交互に行き来しながら前記レーストラック型コイルの直線部に沿った方向に流通する、請求項８〜１２のいずれか１項に記載のロータ。
14. 前記ロータにおいて、隣接する前記超電導コイル体を跨ぐように前記第２のスペーサの表面上に第３のスペーサをさらに有する、請求項８〜１３のいずれか１項に記載のロータ。
15. 請求項１に記載のステータと、請求項８に記載のロータとを備える超電導機器。

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