JP2011103722A - 超電導回転機 - Google Patents

Abstract

【課題】装置における線材の利用効率を向上可能であり、高出力密度の得られる大規模発電に対応しつつ様々な規模の発電に利用することができる超電導回転機を提供する。
【解決手段】超電導回転機１は、酸化物超電導導体を巻いて成る複数の超電導界磁コイルを、一つの円周を軸とする軸周り方向で磁束を発生可能に、当該円周に沿って並べた超電導界磁コイル群２と、前記磁束に交わるように配置された複数の電機子コイルを含む電機子コイル群４と、超電導界磁コイル群２を電機子コイル群４に対して回転させる回転体とを有している。
【選択図】図１

Description

本発明は、超電導コイルを含む発電可能な超電導回転機に関する。

近時、下記特許文献１に記載されるような、超電導発電機を用いた風力発電システムが提案されている。超電導発電機としては、特許文献１の［００１１］及び［００４２］並びに図１等に記載されるように、ブレードの回転軸に連結される回転体と、回転体の周りに配設される電機子コイルと、電機子コイルの外周に配置される磁気シールドと、回転体の内部中心に配置される液冷媒が充填された冷却室と、冷却室の外周囲に配置された超電導磁界コイルを備えたものが想定されている。このような超電導発電機では、固定された円筒状の電機子コイル中を、これと同軸に配置された超電導磁界コイルが回転することで、回転数に比例した周波数の交流電圧が電機子コイルに誘導される。

特開２００６−１４１１２８号公報

しかし、このような風力発電システムにおける超電導発電機では、十分な出力を得るために、電機子コイルに大量の線材を用いなければならない。加えて、電機子コイルが１組であるため、出力密度に限界が生じる。

そこで、請求項１に記載の発明は、装置における線材の利用効率を向上可能であり、高出力密度の得られる大規模発電に対応しつつ様々な規模の発電に利用することができる超電導回転機を提供することを目的としたものである。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、酸化物超電導導体を巻いて成る複数の超電導界磁コイルを、一つの円周を軸とする軸周り方向で磁束を発生可能に、当該円周に沿って並べた超電導界磁コイル群と、前記磁束に交わるように配置された複数の電機子コイルを含む電機子コイル群と、前記超電導界磁コイル群及び／又は前記電機子コイル群を相対回転させる回転手段とを有することを特徴とするものである。

請求項２に記載の発明は、上記目的に加えて、軸周り方向に沿う磁束を極めて効率良く形成する目的を達成するため、上記発明において、前記超電導界磁コイルは、前記軸周り方向を軸方向として配置されていることを特徴とするものである。

請求項３に記載の発明は、上記目的に加えて、各超電導界磁コイルを効率良く低コストにて作製する目的を達成するため、上記発明において、各前記超電導界磁コイルは、一つ以上のコイルユニットから形成されることを特徴とするものである。

請求項４に記載の発明は、上記目的に加えて、高臨界温度による冷却管理容易性や機械的強度、磁場耐性等に優れた超電導界磁コイルとして更なる特性向上を図る目的を達成するため、上記発明において、前記酸化物超電導導体は、ＲＥ−１２３系酸化物超電導体（ＲＥＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７−δ、ＲＥはイットリウムを含む希土類元素）であることを特徴とするものである。

請求項５に記載の発明は、上記目的に加えて、超電導界磁コイルにおいて、機械的強度を更に高くして座屈を回避可能とし、耐久性を一層向上し、又高磁場をより安定した状態で生成する目的を達成するため、上記発明において、前記超電導界磁コイルは、積層パンケーキコイルであることを特徴とするものである。

請求項６に記載の発明は、上記目的に加えて、円周を軸とする軸周り方向における磁束を更に強力にする目的を達成するため、上記発明において、前記超電導界磁コイル群は、前記軸周り方向に沿って並べられた複数の前記超電導界磁コイルを有する超電導界磁コイルセットを含むことを特徴とするものである。

請求項７に記載の発明は、上記目的に加えて、円周の周りにおける横方向の磁束を極めて効率良く形成する目的を達成するため、上記発明において、前記超電導界磁コイルセットは、外方界磁コイル、前方界磁コイル、及び後方界磁コイルの少なくとも何れかを含むことを特徴とするものである。

請求項８に記載の発明は、上記目的に加えて、より一層効率良く円周軸周り方向の磁束を形成する目的を達成するため、上記発明において、前記超電導界磁コイルセットは、前斜方界磁コイル及び／又は後斜方界磁コイルを含むことを特徴とするものである。

請求項９に記載の発明は、上記目的に加えて、三相機を効率的に形成する目的を達成するため、上記発明において、前記電機子コイル群は、三相交流に係る各相に対応した前記電機子コイルをそれぞれ有する電機子コイルセットを含むことを特徴とするものである。

請求項１０に記載の発明は、上記目的に加えて、効率的に配置された超電導界磁コイルに対して電機子コイルを適切に配置する目的を達成するため、上記発明において、前記電機子コイル群は、前記外方界磁コイルに沿う前側外方電機子コイル及び／又は後側外方電機子コイル、前方界磁コイルに沿う前方電機子コイル、後方界磁コイルに沿う後方電機子コイルの内の少なくとも何れかを含むことを特徴とするものである。

請求項１１に記載の発明は、上記目的に加えて、超電導界磁コイル及び電機子コイルにつき回転の容易性にも配慮して効率的に配置する目的を達成するため、上記発明において、前記超電導界磁コイルセットは、前記外方界磁コイル、前記前方界磁コイル、及び前記後方界磁コイルを含んでいると共に、前記電機子コイル群は、前記前側外方電機子コイル及び前記後側外方電機子コイル、並びに前記前方界磁コイルの外方の前記前方電機子コイル及び前記後方界磁コイルの外方の前記後方電機子コイルを含んでいることを特徴とするものである。

本発明によれば、回転方向から見て横方向に磁束を発生可能な超電導界磁コイルを多極的に配置すると共に、相対回転する超電導界磁コイルからの当該磁束を順次受ける電機子コイルを同様に多極的に配置している。よって、装置における線材の利用効率を向上可能であり、高出力密度の得られる大規模発電に対応しつつ様々な規模の発電に対応可能な超電導回転機を提供することができる、という効果を奏する。

本発明の超電導回転機の斜視概念図である。 図１の超電導回転機における超電導界磁コイルセットの説明図である。 図１の超電導回転機における複数の超電導界磁コイルセットないし電機子コイルセットの一部分の説明図である。 （ａ）は図２の超電導界磁コイルセットの中央断面説明図（特徴点における特徴的方向の磁束密度の指示を含む）であり、（ｂ）は本発明の変更例における同様の図である。 図２の超電導界磁コイルセットによる各電機子コイル近傍の磁束密度分布を示すグラフである。 図２の超電導界磁コイルセットが超電導界磁コイル群の円周に沿って回転する場合における、各電機子コイルに鎖交する磁束と回転角度の関係を示すグラフである。 図６の磁束により発生する、図３の電機子コイルの一つにおける一巻き（１ターン）当たりの誘導起電力と、（回転開始からの）時間の関係を示すグラフである。

以下、本発明に係る実施の形態の例につき、適宜図面に基づいて説明する。なお、当該形態は、下記の例に限定されない。

図１は本発明に係る超電導回転機１の斜視説明図であって、超電導回転機１は、回転手段としての図示しない回転体に取り付けられた超電導界磁コイル群２と、図示しない機枠に固定された電機子コイル群４と、超電導界磁コイル群２の周辺に冷媒を冷却して供給する図示しない冷却装置ないしポンプと、超電導界磁コイル群２周辺の冷媒を密封する図示しない冷却室と、超電導界磁コイル群２へ電力を供給する電力供給装置（電源）と、前記回転体につき固定ないし固定解除をすることにより回転の許容ないし禁止をするロック装置と、これらの制御を行う図示しない制御装置を有する。当該制御装置は、超電導界磁コイル群２（あるいはその内の後述する所定のコイルないしコイルセット）の電流・電圧や、電機子コイル群４（あるいはその内の後述する所定のコイルないしコイルセット）からの起電力における電圧や電流等を制御し、又前記冷媒の温度や送出量等を制御し、更にロック装置の固定ないし解除を制御する。なお、電機子コイル群４は、好ましくは三相巻線とされるものであるが、図１においては便宜上簡略化して図示している。

超電導界磁コイル群２には、図２にも示す、超電導界磁コイルセット２０が複数組（２０組）含まれている。各超電導界磁コイルセット２０は、外方界磁コイル２１と、前方界磁コイル２２と、後方界磁コイル２３と、前斜方界磁コイル２４と、後斜方界磁コイル２５とを有する。前斜方界磁コイル２４及び後斜方界磁コイル２５は（外径・内径・高さ・巻数等において）同じコイル（コイルユニット）で形成されており、外方界磁コイル２１、前方界磁コイル２２、及び後方界磁コイル２３は、それぞれ２つのコイルユニットを軸方向で重ねて形成されている。なお、超電導界磁コイルセット２０の数を極数とする。図１の超電導回転機の極数は２０である。

当該コイルユニットは、超電導導体を線状にして成る超電導線材を、輪状の中心線の全体に対して所定間隔をおいて巻くことで形成されている。超電導線材の材質としては、金属系（ニッケルチタン，ニオブスズ等、４．２Ｋで超電導状態）や酸化物系（ビスマス系あるいはＲＥ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系等、７７Ｋで超電導状態に入り、２０Ｋで特性の良好な超電導状態となる）の双方を用いることができるが、臨界温度が高く比較的高温で超電導状態となり、又臨界磁界も高いことから酸化物超電導導体を用いることが好ましく、酸化物超電導導体の内でも、作製コストが比較的に高いものの、磁場に強く、耐熱耐食性ニッケル基合金（ハステロイ・登録商標）が線材構成材となるために機械的強度も良好な、主成分がＲＥ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏで表せる酸化物超電導導体を用いることが更に好ましい。なお、前者のビスマス系酸化物超電導線材の具体例としては、住友電気工業株式会社製Ｂｉ２２２３（Ｂｉ_２Ｓｒ_２Ｃａ_２Ｃｕ_３Ｏ_１０）が挙げられ、後者のＲＥ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系酸化物超電導線材の具体例としては、Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（ＡＭＳＣ）社製ＹＢＣＯ（ＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７−δ）が挙げられる。なお、前記冷却装置は、冷媒を臨界温度以下で前記冷却室に供給可能な温度まで冷却する。

ここで、主成分がＲＥ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏで表せる酸化物超電導導体において、ＲＥはＹ（イットリウム），Ｓｍ（サマリウム），Ｇｄ（ガドリニウム），Ｈｏ（ホルミウム）といった希土類元素のうち少なくとも１つ又は２つ以上の任意の組合せであり、Ｂａはバリウム、Ｃｕは銅、Ｏは酸素である。又、好ましくは、酸化物超電導導体はＲＥがＹであるイットリウム系酸化物超電導導体とし、より好ましくはＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７−δを始めとするＹ−１２３系酸化物とし、あるいはＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７−δのＹの全部又は一部を他の希土類金属に置き換えたもの（ＲＥ−１２３系酸化物超電導体）とする。

又、酸化物超電導導体は、表面に結晶配向性を有する基板（線材構成材）上に形成されている。基板は、好ましくは、Ｃｕ（銅），Ｎｉ（ニッケル），Ｔｉ（チタン），Ｍｏ（モリブデン），Ｎｂ（ニオブ），Ｔａ（タンタル），Ｗ（タングステン），Ｍｎ（マンガン），Ｆｅ（鉄），Ａｇ（銀）等の金属あるいはこれらの合金から成る金属層を備えており、より好ましくは、ステンレス，インコネル，ハステロイから成る金属層を備えている。

更に、好ましくは、酸化物超電導導体と基板との間に、金属酸化物から成る中間層が配置される。中間層は、パイロクロア構造，希土類−Ｃ構造，ペロブスカイト型構造あるいは蛍石型構造を有し、例えば、ＢａＺｒＯ_３（Ｚｒはジルコニウム），Ｙ_２Ｏ_３，ＭｇＯ（Ｍｇはマグネシウム），ＳｒＴｉＯ_３（Ｓｒはストロンチウム，Ｔｉはチタン），ＹＳＺ（イットリア安定ジルコニア）、又はＧｄ_２Ｚｒ_２Ｏ_７等のＬｎ−Ｍ−Ｏ系化合物（Ｌｎは１種以上のランタノイド元素，ＭはＳｒ・Ｚｒ・Ｇａ（ガリウム）の群から選択される１種以上の元素）等である。中間層は、スパッタ法、電子線ビーム蒸着法等で形成されるが、好ましくはＩＢＡＤ法（Ｉｏｎ Ｂｅａｍ Ａｓｓｉｓｔｅｄ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ、イオンビームアシスト法）により成膜される。

超電導界磁コイル群２において、各超電導界磁コイルセット２０は、一つの円周に沿うように配置されている。各超電導界磁コイルセット２０にあっては、外方界磁コイル２１の軸の方向が前後方向となり、前方界磁コイル２２ないし後方界磁コイル２３の軸の方向が当該円周の径方向となるように配置されており、即ち外方界磁コイル２１や前方界磁コイル２２ないし後方界磁コイル２３の各軸方向が、当該円周を軸とした場合の軸周り方向に沿って（当該円周に対しほぼ中心でほぼ直交する円板の辺縁に沿って）配置されている。従って、外方界磁コイル２１や前方界磁コイル２２ないし後方界磁コイル２３は、当該円周を取り巻く方向（軸周り方向）の磁束を発生可能である。又、前斜方界磁コイル２４ないし後斜方界磁コイル２５も、同様に前記円周を囲む軸周り方向の磁束を発生可能である。なお、このような軸周り方向における磁束を形成するものは、従来のように回転子において放射方向で磁束を付与するものと比較して、回転方向に対しほぼ横になる方向で磁束を発生させることから、横方向磁束型（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ Ｆｌｕｘ型）に類するものであるが、厳密には単なる横方向ではなく軸周り方向であるから、横方向磁束型を強化した方式であると言い得る。

又、超電導界磁コイル群２を支持する前記回転体は、円盤状であり、辺縁が前斜方界磁コイル２４ないし後斜方界磁コイル２５に沿うような山形状となっている。更に、当該辺縁を覆うように前記冷却室が配置されており、当該冷却室は電機子コイル群４を避けた形状となっている。そして、当該冷却室の内部において、超電導界磁コイル群２が、冷却室壁（回転体の辺縁を含む）に固定されたアームを介して固定されている。

一方、電機子コイル群４には、図３にも一部示すように、電機子コイルセット４０が複数組（１０組）含まれている。各電機子コイルセット４０は、前側外方Ｕ相電機子コイル４１、前方Ｕ相電機子コイル４２、前側外方Ｖ相電機子コイル４３、前方Ｖ相電機子コイル４４、前側外方Ｗ相電機子コイル４５、及び前方Ｗ相電機子コイル４６、並びにこれらと外方界磁コイル２１を挟んでそれぞれ対称的に配置される、後側外方Ｕ相電機子コイル、後方Ｕ相電機子コイル、後側外方Ｖ相電機子コイル、後方Ｖ相電機子コイル、後側外方Ｗ相電機子コイル、及び後方Ｗ相電機子コイル（何れもほぼ図示されない）を有する。これらのコイルは、互いに同様に形成され、銅等の通常の（必ずしも超電導導体でない）材質における線材で形成される。

電機子コイル群４において、各電機子コイルセット４０は、前記円周に沿うように配置されている。各電機子コイルセット４０は、前方Ｕ相電機子コイル４２、前方Ｖ相電機子コイル４４、及び前方Ｗ相電機子コイル４６が前方界磁コイル２２に沿い（対向可能な傾きとなり）、前側外方Ｕ相電機子コイル４１、前側外方Ｖ相電機子コイル４３、前側外方Ｗ相電機子コイル４５、後側外方Ｕ相電機子コイル、及び後側外方Ｗ相電機子コイルが外方界磁コイル２１に沿い（対向可能な傾きとなり）、後方Ｕ相電機子コイル、後方Ｖ相電機子コイル、及び後方Ｗ相電機子コイルが後方界磁コイル２３に沿う（対向可能な傾きとなる）状態で配置されている。

前方Ｕ相電機子コイル４２、前方Ｖ相電機子コイル４４、及び前方Ｗ相電機子コイル４６は、前方界磁コイル２２の外方に隣接しており、後方Ｕ相電機子コイル、後方Ｖ相電機子コイル、及び後方Ｗ相電機子コイルは、後方界磁コイル２３の外方に隣接している。又、各電機子コイルセット４０の幅（前記円周に沿う寸法）は、２組の超電導界磁コイルセット２０の幅と同等とされており、一つの電機子コイルセット４０で２極をカバーするものとされている。

このような超電導回転機１は、制御装置による制御により、以下のように動作する。なお、超電導回転機１は、風力回転機へ発電機として組み込まれている。即ち、当該風力回転機のブレードに前記回転体が接続されていると共に、前記機枠がナセルに取り付けられあるいはナセルとされている。又、電機子コイル群４は、送電系統と電気的に接続されている。

まず、制御装置は、ロック装置を作動させて回転体を固定すると共に、冷却装置ないしポンプを動作させ、冷却された冷媒を冷却室に送り、超電導界磁コイル群２が超電導状態となる温度まで伝導冷却により冷却し、冷媒の温度を安定させる。そして、制御装置は、超電導界磁コイル群２に対し、徐々に電圧を付加し、所定の電流密度となるまで超電導界磁コイル群２に電流を流す。当該電流密度が生じ、超電導状態により電流が安定すれば、制御装置は超電導界磁コイル群２への電圧の付加を停止して、定常状態に移行させる。

当該定常状態において、各超電導界磁コイルセット２０は、図４（ａ）に示すような磁束密度に係る磁場を発生している。ここで、超電導界磁コイル群２の前記円周の最外径を５．５メートル（ｍ）とし、前記コイルユニットの外径ないし内径を順に５００ミリメートル（ｍｍ），３００ｍｍとし、前記コイルユニットの超電導線材をＹＢＣＯとし、コイル電流密度を１．４×１０^８アンペア毎平方メートル（Ａ／ｍ^２）としており、この場合の磁束密度の最大値は１１．７テスラ（Ｔ）である。なお、当該電流密度に余裕を持って対応可能な線材断面として、例えば４ｍｍ×０．２５ｍｍのものが考えられ、又一つのユニットコイル当たりの線材体積として、例えば０．０１２６ｍ^３のものが考えられる。更に、図４（ａ）（及び後述の図４（ｂ））において、理想的には対称分布となるところ、誤差等のために対称分布になっていない箇所がある。又、図４（ａ）（及び後述の図４（ｂ））では便宜のため超電導界磁コイルセット２０を寝かせているが、本説明では図１や図２の状態を念頭におき、当該状態における方向等において記載する。

即ち、超電導界磁コイル群２の前記円周の径方向をｘ方向（外方を正）とし、前記円周の周方向をｙ方向（前方から見て反時計回り方向（左）を正）とし、前記円周の軸方向（円周を含む面の鉛直方向）をｚ方向（前方を正）とし、磁束密度の単位をＴとすると、外方界磁コイル２１内面の最外方前後における磁束密度のｘ成分が前方３．７，後方−３．８となり、最右方（前から見て）前後のｙ成分が前方４．４，後方−４．４となり、最内方前後における磁束密度のｘ成分が前方−３．９，後方４．２となる。

又、前方界磁コイル２２内面の最前方内外における磁束密度のｚ成分が内方３．９，外方−４．０となり、最右方内外のｙ成分が内方４．０，外方−４．７となり、最後方内外における磁束密度のｚ成分が内方−４．０，外方４．８となる。

更に、後方界磁コイル２３内面の最前方内外における磁束密度のｚ成分が内方−４．２，外方４．８となり、最右方内外のｙ成分が内方−４．３，外方４．５となり、最後方内外における磁束密度のｚ成分が内方３．９，外方−３．６となる。

そして、このような超電導界磁コイル群２の磁場により、電機子コイル群４付近では、図５に示すような磁束密度分布が生じ得る。図５において、ラインＡは前方Ｕ相電機子コイル４２付近での磁束密度分布を表し、角度は前方Ｕ相電機子コイル４２と磁束密度のなす角度であり、又ラインＢは前側外方Ｕ相電機子コイル４１付近での磁束密度分布を表し、角度は前側外方Ｕ相電機子コイル４１と磁束密度のなす角度である。なお、Ｖ相ないしＵ相についても同様な磁束密度分布が生じ得る。又、後側ないし後方については対称的な磁束密度分布が生じ得る。

図５によれば、前側外方Ｕ相電機子コイル４１と前方Ｕ相電機子コイル４２でほぼ同様な磁束密度分布を生じていることが分かり、従ってある一つの電機子コイル（例えば前側外方Ｕ相電機子コイル４１）における磁場分布と同様な磁場分布が他の電機子コイルに発生しているといえる。

次に、制御装置は、ロック装置を解除して回転体の回転を許容する。回転体は、風力を受けたブレードによって回転し、回転体上の超電導界磁コイル群２が、機枠上の電機子コイル群４に対して回転し、電機子コイル群４の内方を辿るように移動する。

すると、前方Ｕ相電機子コイル４２（電機子コイルＡ）、及び前側外方Ｕ相電機子コイル４１（電機子コイルＢ）では、ある超電導界磁コイルセット２０に対する相対位置（超電導界磁コイルセット２０となす角度・ラジアン）に応じ、図６に示すような鎖交磁束（ウェーバー・Ｗｂ）が発生する。なお、便宜のため、基本的に各電機子コイル一巻き当たりについて考える。

そして、回転体の回転速度を１２ｒｐｍ（毎分１２回転）とすると、前方Ｕ相電機子コイル４２あるいは前側外方Ｕ相電機子コイル４１（電機子コイルＢ）の一巻き当たりでは、図７に示すような誘導起電力（ボルト・Ｖ）が発生する。なお、１２ｒｐｍであるため、誘導起電力の出力電圧の周期は０．５秒（ｓ）である。

従って、図７における誘導起電力の波形をｖ（ｔ）とし、前記周期をＴとし、角周波数をωとして、次の［数１］〜［数３］により電機子コイル一巻き当たりの誘導起電力の基本波実行値Ａ_１を求めることができる。

即ち、前方Ｕ相電機子コイル４２の誘導起電力実行値は２．９０Ｖであり、前側外方Ｕ相電機子コイル４１の誘導起電力実行値は２．９６Ｖであり、これらの平均値は２．９３Ｖである。

そして、各電機子コイルの巻数（コイル巻数）を２０とし、各電機子コイルの断面積を余裕を持って５０００ｍｍ^２とし、各電機子コイルの電流密度を２Ａ／ｍｍ^２として総電流をゆとりある１０ｋＡ（キロアンペア）とすると、電機子コイル群４における合計誘導起電力（発電機出力）等は、次の［表１］に示すようなものとなり、特に発電機出力は３．４メガワット（ＭＷ）に至る。

更に、次の［表２］に示すように、このような超電導界磁コイル群２ないし電機子コイル群４を有する超電導回転機１を基本とし、所定のパラメータを変更することによって、風力回転機用の発電機としては最大級である１０ＭＷもの出力を発生することも可能となる。

即ち、例えば「改モデルＡ」として示したように、回転体の回転速度をゆとりある１０ｒｐｍとする一方、超電導界磁コイル群２における電流密度を１．６８×１０^８Ａ／ｍ^２とすることで最大磁束密度を１４．０Ｔとすると共に、各電機子コイルの断面積を１５０００ｍｍ^２とし、更に総電流を３０ｋＡとして線電流を１５００Ａとすると、１０ＭＷの出力が得られる。

又、「改モデルＢ」として示したように、回転体の回転速度をゆとりある１０ｒｐｍとする一方、超電導界磁コイル群２あるいは電機子コイル群４の最外径（全体の外径）を６．６ｍとし、超電導界磁コイル群２の極数を２４とすると共に、各電機子コイルの断面積を１２０００ｍｍ^２とし、更に総電流を２４ｋＡとして線電流を１２００Ａとすると、１０ＭＷの出力が得られる。

以上の超電導回転機１では、酸化物超電導導体を巻いて成る複数の超電導界磁コイルを、一つの円周を軸とする軸周り方向で磁束を発生可能に、当該円周に沿って並べた超電導界磁コイル群２と、前記磁束に交わるように配置された複数の電機子コイルを含む電機子コイル群４と、超電導界磁コイル群２を電機子コイル群４に対して回転させる回転体とを有しているため、比較的にコンパクトな超電導界磁コイルや電機子コイルを並べるというシンプルな構成によって、これらコイルにおける線材の利用効率が良好であり、又様々な規模での発電が可能な超電導回転機１を提供することができ、特に極めて大規模で高出力密度の得られる風力回転機用発電機を効率の極めて良好な状態で提供することができる、という効果を奏する。

又、前記超電導界磁コイルは、前記軸周り方向を軸方向として配置されているため、当該軸周り方向に沿う磁束を極めて効率良く形成することができ、効率の良好な発電に寄与することができる。

更に、各前記超電導界磁コイルは、一つ以上の同一のコイルユニットから形成されるため、各超電導界磁コイルを、電機子コイルに対する磁束形成の役割（電機子コイルへの磁束の影響度合）等に応じて効率良く低コストにて作製することができる。

又更に、前記酸化物超電導導体は、ＲＥ−１２３系酸化物超電導体（ＲＥＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７−δ、ＲＥはイットリウムを含む希土類元素）であるため、超電導界磁コイルにつき高臨界温度による冷却管理容易性や機械的強度、磁場耐性等に優れたものとして形成することができ、様々な規模の発電が可能な超電導回転機１をより一層簡便に提供することが可能となる。

加えて、超電導界磁コイル群２は、前記軸周り方向に沿って並べられた複数の前記超電導界磁コイルを有する超電導界磁コイルセット２０を含むので、円周を囲む軸周り方向における磁束を更に強力にすることができ、より一層大規模な発電が可能である超電導回転機１をシンプルな構成で提供することができる。

又、超電導界磁コイルセット２０は、外方界磁コイル２１、前方界磁コイル２２、及び後方界磁コイル２３を含むため、円周軸の軸周りにおける横方向の磁束を極めて効率良く形成することができ、様々な規模の効率良い発電の実現に寄与することができる。

更に、超電導界磁コイルセット２０は、前斜方界磁コイル２４及び後斜方界磁コイル２５を含むため、より一層効率良く円周軸周り方向の磁束を形成することができる。

又更に、電機子コイル群４は、三相交流に係る各相に対応した前側外方Ｕ相電機子コイル４１、前方Ｕ相電機子コイル４２、前側外方Ｖ相電機子コイル４３、前方Ｖ相電機子コイル４４、前側外方Ｗ相電機子コイル４５、及び前方Ｗ相電機子コイル４６、並びに後側外方Ｕ相電機子コイル、後方Ｕ相電機子コイル、後側外方Ｖ相電機子コイル、後方Ｖ相電機子コイル、後側外方Ｗ相電機子コイル、及び後方Ｗ相電機子コイルを有する電機子コイルセット４０を含むため、三相交流に簡易に対応することができ、大規模を含む様々な規模の三相交流電圧をシンプルな構成によって発電することができる。

加えて、電機子コイル群４は、外方界磁コイル２１に沿う前側外方電機子コイル４１及び後側外方電機子コイル、前方界磁コイル２２に沿う前方電機子コイル４２、後方界磁コイル２３に沿う後方電機子コイルを含むので、効率的に配置された超電導界磁コイルに対して電機子コイルを適切に配置することができ、大規模を含む様々な規模の発電をより一層効率的な構成によって発電することができる。

又、超電導界磁コイルセット２０は、外方界磁コイル２１、前方界磁コイル２２、及び後方界磁コイル２３を含んでいると共に、電機子コイル群４は、前側外方電機子コイル４１及び後側外方電機子コイル、並びに前方界磁コイル２２の外方に配置された前方電機子コイル４２、及び後方界磁コイルの外方に配置された後方電機子コイルを含んでいるため、前方界磁コイル２２ないし後方界磁コイル２３と外方界磁コイル２１の間に電機子コイルを効率良く配置することができ、電機子コイル群４の内側において超電導界磁コイル群２を回転させるための構成をなし易くすることができて、装置全体を動作容易ないしメンテナンス容易にしながら、様々な規模の発電を可能とすることができる。

なお、主に上記形態を変更して成る、本発明の他の形態を例示する。

図４（ｂ）に示すように、少なくとも一つの超電導界磁コイルセットにおいて、前斜方界磁コイル及び／又は後斜方界磁コイルを省略する。図４（ｂ）のものにおいて、外方界磁コイル内面の前後や前方界磁コイル内面及び後方界磁コイル内面の内外における磁束密度の大きさは図４（ａ）のものに僅かに不足する程度のものとなっており、図４（ａ）のものと同等の起電力を発生しながら、超電導界磁コイル群の構成をシンプルにすることができ、又超電導界磁コイル群における線材使用量を低減することができる。

又、各種コイルの少なくとも何れかにつき、帯状の超電導線材をパンケーキ巻きして形成されたパンケーキコイル、あるいはパンケーキコイルを複数重ねた積層パンケーキコイルとする。これらの場合、励磁時において電磁力が圧縮応力として線材構成材（ハステロイ）に対して印加されるようにすることができ、機械的強度を更に高くして座屈を回避することができて、耐久性を一層向上し、又高磁場をより安定した状態で生成することができるようになる。

あるいは、超電導界磁コイルセットにおける各コイルの配置につき傾きや間の角度を変更して良いし、コイルの数を増減して良い。超電導界磁コイル群を、複数種類の超電導界磁コイルセットで（交互を始めとする所定の規則において並べて）構成しても良いし、コイルセットの数（極数）を増減しても良い。電機子コイルセットや電機子コイル群について、超電導界磁コイルセットや超電導界磁コイル群と同様に変更することができる。各電機子コイルにつき、超電導界磁コイルと同様に、円周軸の軸周り方向に対し垂直に設置することも可能である。各電機子コイルセットの構成につき、単相に対応するシンプルなものとしたり、前方界磁コイルの内方や斜方界磁コイルの各面に隣接するものを含めたりすることができる。

又、極数に対する電機子コイルセットの数（超電導界磁コイルセットと電機子コイルセットの個数の比率）を増減することもできる。あるいは、制御装置は、一体の装置であっても良いし、機能等に応じて分散されたものであっても良い。あるいは、ロック装置等を省略する。超電導界磁コイル群を回転させて電機子コイル群を固定したり、超電導界磁コイル群と電機子コイル群を互いに逆向きに回転させたりする。改モデルにおいて、他の様々な組合せにおけるパラメータを変更し、あるいはパラメータの増減幅を変更する。風力回転機以外の他の機械に導入する。

１ 超電導回転機
２ 超電導界磁コイル群
４ 電機子コイル群
２０ 超電導界磁コイルセット
２１ 外方界磁コイル（超電導界磁コイル）
２２ 前方界磁コイル（超電導界磁コイル）
２３ 後方界磁コイル（超電導界磁コイル）
２４ 前斜方界磁コイル（超電導界磁コイル）
２５ 後斜方界磁コイル（超電導界磁コイル）
４０ 電機子コイルセット
４１ 前側外方Ｕ相電機子コイル（電機子コイル）
４２ 前方Ｕ相電機子コイル（電機子コイル）
４３ 前側外方Ｖ相電機子コイル（電機子コイル）
４４ 前方Ｖ相電機子コイル（電機子コイル）
４５ 前側外方Ｗ相電機子コイル（電機子コイル）
４６ 前方Ｗ相電機子コイル（電機子コイル）

Claims (11)

1. 酸化物超電導導体を巻いて成る複数の超電導界磁コイルを、一つの円周を軸とする軸周り方向で磁束を発生可能に、当該円周に沿って並べた超電導界磁コイル群と、
   前記磁束に交わるように配置された複数の電機子コイルを含む電機子コイル群と、
   前記超電導界磁コイル群及び／又は前記電機子コイル群を相対回転させる回転手段と
   を有することを特徴とする超電導回転機。
2. 前記超電導界磁コイルは、前記軸周り方向を軸方向として配置されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の超電導回転機。
3. 各前記超電導界磁コイルは、一つ以上のコイルユニットから形成される
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の超電導回転機。
4. 前記酸化物超電導導体は、ＲＥ−１２３系酸化物超電導体（ＲＥＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７−δ、ＲＥはイットリウムを含む希土類元素）である
   ことを特徴とする請求項１ないし請求項３の何れかに記載の超電導回転機。
5. 前記超電導界磁コイルは、積層パンケーキコイルである
   ことを特徴とする請求項１ないし請求項４の何れかに記載の超電導回転機。
6. 前記超電導界磁コイル群は、前記軸周り方向に沿って並べられた複数の前記超電導界磁コイルを有する超電導界磁コイルセットを含む
   ことを特徴とする請求項１ないし請求項５の何れかに記載の超電導回転機。
7. 前記超電導界磁コイルセットは、外方界磁コイル、前方界磁コイル、及び後方界磁コイルの少なくとも何れかを含む
   ことを特徴とする請求項６に記載の超電導回転機。
8. 前記超電導界磁コイルセットは、前斜方界磁コイル及び／又は後斜方界磁コイルを含む
   ことを特徴とする請求項６又は請求項７に記載の超電導回転機。
9. 前記電機子コイル群は、三相交流に係る各相に対応した前記電機子コイルをそれぞれ有する電機子コイルセットを含む
   ことを特徴とする請求項１ないし請求項８の何れかに記載の超電導回転機。
10. 前記電機子コイル群は、前記外方界磁コイルに沿う前側外方電機子コイル及び／又は後側外方電機子コイル、前方界磁コイルに沿う前方電機子コイル、後方界磁コイルに沿う後方電機子コイルの内の少なくとも何れかを含む
    ことを特徴とする請求項７ないし請求項９の何れかに記載の超電導回転機。
11. 前記超電導界磁コイルセットは、前記外方界磁コイル、前記前方界磁コイル、及び前記後方界磁コイルを含んでいると共に、
    前記電機子コイル群は、前記前側外方電機子コイル及び前記後側外方電機子コイル、並びに前記前方界磁コイルの外方の前記前方電機子コイル及び前記後方界磁コイルの外方の前記後方電機子コイルを含んでいる
    ことを特徴とする請求項１０に記載の超電導回転機。

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