JP2012256684A - 超電導コイルおよび超電導機器 - Google Patents

Abstract

【課題】並列化された超電導線材間において、電流の偏りを抑制することが可能な超電導コイルおよび超電導機器を提供する。
【解決手段】超電導コイルであるコイル１００Ｓは、導電体部分（銀シース部２２）を含む複数本の超電導線材である超電導テープ線材１０、２０と、複数本の当該超電導テープ線材１０、２０と並列に配置された絶縁材である絶縁テープ材３０とを備える。複数本の超電導テープ線材１０、２０における導電体部分（銀シース部２２）が直接接触した状態で、複数本の超電導テープ線材１０、２０と絶縁テープ材３０とが中心軸を中心として巻回されている。
【選択図】図２

Description

この発明は、超電導コイルおよび超電導機器に関し、より特定的には、複数の超電導線材を並列に巻回した超電導コイルおよび超電導機器に関する。

従来、超電導線材を用いた超電導コイルや、当該超電導コイルを用いた超電導機器が知られている。そして、このような超電導線材を用いた超電導コイルなどに大電流を流すため、当該超電導線材を並列接続することが検討されている（たとえば、特開２００９−４３９１０号公報（特許文献１）参照）。

特許文献１では、電動機などに代表される超電導回転機などの超電導機器に超電導線材を適用する場合、許容電流を増大させるために複数本の超電導線材を並列に接続して集合化することが示唆されている。また、特許文献２においては、このような超電導線材を並列化する場合に、超電導線材が水分と接触することで劣化したり、機械的強度が弱いといった点を改善するため銅など金属ケース中に複数本の超電導線材を配置し、当該金属ケースの開口部をはんだなどの封止材で封止した、集合導体が開示されている。

特開２００９−４３９１０号公報

上記のような超電導線材を並列化して超電導コイルなどを構成する場合、書く超電導線材のわずかなインダクタンスの相違によりそれぞれの超電導線材に流れる電流に偏りが生じる。特許文献１では、このような電流の偏りを、超電導線材と当該超電導線材に接続される電極との接触抵抗を制御することで抑制できるとしている。

しかし、このように超電導線材と電極との接続部における接触抵抗を正確に制御するためには、当該電極と超電導線材との接続工程の作業条件を厳密に管理する必要があり、結果的に超電導コイルなどの超電導機器の製造工程を複雑化するとともに、超電導機器の製造コストの増大の一因ともなる。超電導機器の実用化のためには、製造コストをできるだけ低減することが必要であることから、並列化された超電導線材間での電流の偏りを抑制する、より簡便かつ確実な方法が求められている。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の目的は、並列化された超電導線材間において、電流の偏りを抑制することが可能な超電導コイルおよび超電導機器を提供することである。

この発明に従った超電導コイルは、導電体部分を含む複数本の超電導線材と、複数本の当該超電導線材と並列に配置された絶縁材とを備える。複数本の超電導線材における導電体部分が直接接触した状態で、複数本の前記超電導線材と絶縁材とが中心軸を中心として巻回されている。

このようにすれば、並列化された複数本の超電導線材の電位は同じになるため、超電導線材間でのインダクタンスの相違は発生しない。そのため、結果的に超電導線材間で流れる電流の偏りを抑制できる。また、上記超電導コイルでは、複数本の超電導線材の導電体部分を直接接触させるという比較的簡単な構成により超電導線材間のインダクタンスの差を実質的に無くしているので、超電導コイルの製造工程が複雑化することを避けることができる。このため、超電導線材間で流れる電流の偏りを抑制するために超電導コイルや超電導機器の製造工程が複雑化することを避けることができる。この結果、製造コストの増大を抑制しながら、並列化された超電導線材間での電流の偏りを抑制できる。

この発明に従った超電導機器は、上記超電導コイルを備える。この場合、製造コストの増大を抑制しながら、超電導コイルを構成する、並列化された超電導線材間での電流の偏りを抑制することが可能な超電導機器を実現できる。

本発明によれば、製造コストの増大を抑制しながら、並列化された超電導線材間での電流の偏りを抑制可能な超電導コイルおよび超電導機器を得ることができる。

本発明に従った超電導コイルを示す平面模式図である。 図１に示す線分ＩＩ−ＩＩにおける部分断面模式図である。 図２に示した超電導コイルの断面の一部を説明するための拡大部分断面模式図である。 図１〜図３に示した超電導コイルの製造方法を説明するための模式図である。 図１〜図３に示した超電導コイルの第１の変形例を説明するための拡大部分断面模式図である。 図１〜図３に示した超電導コイルの第２の変形例を説明するための拡大部分断面模式図である。 本発明による超電導機器の実施の形態を示す断面模式図である。 図７に示した超電導機器のロータを示す斜視模式図である。 図７に示した超電導機器のステータを示す斜視模式図である。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付しその説明は繰返さない。

図１〜図３を参照して、本発明による超電導コイルを説明する。
図１〜図３を参照して、本発明によるコイル１００Ｓは、超電導コイルであって、超電導線材である超電導テープ線材１０、２０と絶縁材としての絶縁テープ材３０とが並列に巻回されることにより構成されている。具体的には、図２に示すように、コイル１００Ｓの内周側から絶縁テープ材３０、超電導テープ線材２０および超電導テープ線材１０が並列に配置された線材集合体が、コイル１００Ｓの中心軸を中心に巻回されることにより、コイル１００Ｓが構成されている。

図３に示すように、超電導テープ線材１０は、銀または銀合金からなる銀シース部１２と、当該銀シース部１２に周囲を囲まれた超電導フィラメント部１３とからなる。超電導フィラメント部１３は、銀または銀合金からなるマトリックス材と、当該マトリックス材の内部に分散配置された、複数本の超電導体からなるフィラメントとを含む。フィラメントは超電導テープ線材１０の延在方向に沿うように配置されている。超電導テープ線材１０と超電導テープ線材２０とは、基本的に同じ構造を備えている。すなわち、超電導テープ線材２０も図３に示すように銀シース部２２の内部に超電導フィラメント部２３が配置された構造となっている。そして、超電導テープ線材１０と超電導テープ線材２０との外周表面（銀シース部１２、２２の表面）は直接接触した状態となっている。このため、並列化された超電導テープ線材１０、２０の電位は同じになるため、超電導テープ線材１０、２０間でのインダクタンスの相違は発生しない。そのため、結果的に超電導テープ線材１０、２０間で流れる電流の偏りを抑制できる。なお、ここでは２本の超電導テープ線材１０、２０を並列化しているが、３本以上の超電導テープ線材を並列化してもよい。

絶縁テープ材３０としては、絶縁性の樹脂テープやその他の絶縁体からなるシート状の部材を用いることができる。絶縁テープ材３０は、超電導テープ線材２０の表面に接着剤などにより固定されていてもよいが、超電導テープ線材２０の表面と接触してはいるが固着していない状態であってもよい。

そして、このように超電導テープ線材１０、２０と絶縁テープ材３０とが並列に巻回された状態で、これらの超電導テープ線材１０、２０および絶縁テープ材３０の外周を覆うように絶縁被覆層としての樹脂層４０が形成されている。樹脂層４０の厚みは任意の厚みとすることができるが、超電導テープ線材１０、２０の幅よりも大きな幅を有する絶縁テープ材３０の端面が樹脂層４０から露出しない程度の厚みとすることが好ましい。異なる観点から言えば、樹脂層４０の厚みを超電導テープ線材１０または超電導テープ線材２０の端面からの厚みと規定した場合に、当該樹脂層４０の厚みが、超電導テープ線材１０の端面から絶縁テープ材３０の端面までの距離（絶縁テープ材の端面の突出高さ）よりも大きくなっていることが好ましい。このようにすれば、超電導テープ線材１０、２０の端面側における絶縁性をより高めることができる。

次に、図４を参照して、図１〜図３に示したコイル１００Ｓの製造方法を説明する。
図４を参照して、超電導テープ線材１０、２０を巻き取ったコイル１５、２５と、絶縁テープ材３０を巻き取ったコイル３５とを準備する。超電導テープ線材１０、２０および絶縁テープ材３０の製造方法は従来周知の任意の方法を用いることができる。これらのコイル１５、２５、３５を、超電導コイルを製造するための図４に示す製造装置における払出し部に配置する。具体的には、たとえば払出し部は各コイル１５、２５、３５を保持するための３つのマンドレルを含み、コイル１５、２５、３５の中央部の穴にマンドレルが挿入されることで、当該マンドレルにコイル１５、２５、３５がそれぞれ保持される。マンドレルは回転可能になっており、マンドレルに保持されたコイル１５、２５、３５を回転させることができる。コイル１５、２５、３５が回転することで、それぞれのコイル１５、２５、３５から超電導テープ線材１０、２０、および絶縁テープ材３０を払出すことができる。

各コイル１５、２５、３５から矢印５６に示す方向に払出された超電導テープ線材１０、２０および絶縁テープ材３０は、ガイドローラであるローラ５０、５１、５２により互いに積層して積層体を構成するようにまとめられる。そして、この積層体を超電導コイルの芯材５５の周囲に巻付けていく。ここでは、芯材５５を矢印５７の示す方向に回転させながら、各コイル１５、２５、３５から超電導テープ線材１０、２０および絶縁テープ材３０を払出すことで、超電導テープ線材１０、２０および絶縁テープ材３０の積層体をこの芯材５５の周囲に巻付けていく。当該積層体では、芯材５５に近い側に絶縁テープ材３０が配置されている。

芯材５５の矢印５７に示す方向の回転速度とコイル１５、２５、３５の回転速度（すなわち矢印５６に示す方向への超電導テープ線材１０、２０および絶縁テープ材３０の払出し速度）を調節することで、芯材５５に巻付ける積層体が緩んだりしない様に当該積層体に加えられる張力を調整することができる。この結果、芯材５５の周囲に絶縁テープ材３０、超電導テープ線材２０および超電導テープ線材１０が並列に巻かれた図１に示すようなコイル１００Ｓを得ることができる。

そして、このように超電導テープ線材１０、２０および絶縁テープ材３０が巻回されることによって構成されたコイルの端面（図４の紙面に垂直な方向に延びる芯材５５の回転中心軸方向での超電導テープ線材１０、２０の端面）上に樹脂層４０を形成する。樹脂層４０の形成方法としては任意の方法を用いることができるが、たとえば液状化している樹脂層４０となるべき樹脂を内部に保持した容器に、上記コイルを浸漬するといった方法を用いてもよい。そして、当該容器から引上げたコイルに対して、当該コイルに付着した樹脂を固化する処理（たとえば熱処理など）を行なうことで、樹脂層４０を形成する。このようにして、図１〜図３に示したコイル１００Ｓを得ることができる。

次に、図５を参照して、本発明による超電導コイルの第１の変形例を説明する。なお、図５は図３に対応する。

図５に示すように、本発明による超電導コイルの第１の変形例は、基本的には図１〜図３に示したコイル１００Ｓと同様の構造を備えるが、超電導テープ線材２０の構造が異なっている。すなわち、図５に示したコイル１００Ｓでは、超電導テープ線材２０が、銀シース部２２の対向する２つの表面上に配置された補強部材２４、２６と、当該補強部材２４、２６および銀シース部２２の外周端面を覆うように配置されたはんだ２７とを備えている。銀シース部２２の内部には、図３に示した超電導テープ線材２０と同様に超電導フィラメント部２３が配置されている。補強部材２４、２６としては、銀シース部２２より機械的強度の高い材料からなるテープ状部材であれば任意の材料を用いることができるが、たとえばステンレス鋼製のテープ状部材などを用いることができる。なお、もう一方の超電導テープ線材１０の構造は、図３に示した超電導テープ線材１０の構造と同様である。

このような超電導テープ線材２０を用いた場合であっても、図１〜図３に示したコイル１００Ｓと同様の効果を得ることができる。なお、図５に示した構成では、２本の積層配置された超電導テープ線材１０、２０のうち一方のみを補強部材２４、２６が配置された構造としているが、超電導テープ線材１０、２０の両方について補強部材２４、２６を備える構成としてもよい。また、図５に示した超電導テープ線材２０と同じ構成の超電導テープ線材を３本以上、並列化してもよい。

図６を参照して、本発明による超電導コイルの第２の変形例を説明する。なお、図６は図２に対応する。

図６に示した超電導コイルであるコイル１００Ｓは、基本的には図１〜図３に示したコイル１００Ｓと同様の構造を備えるが、少なくとも超電導テープ線材１０、２０の端面（コイル１００Ｓの中心軸に沿った方向における超電導テープ線材１０、２０の端面）を覆うようにはんだ６０が形成されている。当該はんだ６０は、超電導テープ線材１０、２０の上記端面およびコイルの最外周部に位置する超電導テープ線材１０の表面を覆うように形成されている。ただし、はんだ６０は絶縁テープ材３０の端面上には配置されていない。異なる観点から言えば、はんだ６０の厚みは、超電導テープ線材１０、２０の端面と絶縁テープ材３０の端面との間の距離よりも薄くなっている。また別の観点から言えば、絶縁テープ材３０の端部ははんだ６０の表面から突出している。絶縁テープ材３０の端部は樹脂層４０と直接接触している。

また、コイル１００Ｓの図６に示した断面においては、コイル１００Ｓの径方向において隣接する超電導テープ線材１０同士の間を絶縁テープ材３０が隔離している。樹脂層４０ははんだ６０の外周表面および絶縁テープ材３０の端面を覆うように形成されている。このような構造のコイル１００Ｓによっても、図１〜図３に示したコイル１００Ｓと同様の効果を得ることができる。また、図６に示したコイル１００Ｓでは、はんだ６０が超電導テープ線材１０、２０の端面を覆うように形成されているので、超電導テープ線材１０、２０をその端面においてはんだ６０により確実に電気的に接続できる。

次に図７〜図９を参照して、図１〜図６に示したコイル１００Ｓを適用した超電導機器としての超電導モータの構造を説明する。

図７に示すように、本発明による超電導機器の一例であるモータ１００は、超電導モータであって、回転子であるロータ５００と、ロータ５００の周囲に配置された固定子であるステータ６００とを備える。図７および図８に示すように、ロータ５００は、本発明による超電導コイルであるコイル１００Ｓと、回転軸５１８と、ロータコア５１３と、ロータ軸５１６と、冷媒６１７とを含んでいる。コイル１００Ｓは、いわゆるレーストラック型のコイルであるが、一方面１２０Ｐが凸状となり、この一方面１２０Ｐと対向する他方面１２０Ｆが凹状となるように構成されている。つまりコイル１００Ｓは鞍型の形状を有する。ロータ軸５１６は、回転軸５１８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５１６の外表面は円弧状である。ロータコア５１３は、ロータ軸５１６の、回転軸５１８に交差する断面における中央部分（回転軸５１８が配置されている領域）から放射状に、ロータ軸５１６の外周面から突出するように延びている。コイル１００Ｓは、ロータコア５１３を囲むように、かつロータ軸５１６の円弧状の外表面に沿うように配置されている。冷媒６１７は、コイル１００Ｓを冷却する。コイル１００Ｓと冷媒６１７とは、断熱容器の内部に配置されている。

図７および図９に示すように、ロータ５００の周囲には、モータ１００の固定子としてのステータ６００が形成されている。ステータ６００は、本発明による超電導コイルであるコイル１００Ｓと、ステータヨーク６２３と、冷媒６２７と、ステータコア６２１とを含んでいる。

ステータヨーク６２３は、ロータコア５１３の外周を取囲んでいる。ステータヨーク６２３の外表面は円弧状である。超電導コイルであるコイル１００Ｓは、ステータヨーク６２３の円弧状の外表面に沿うように配置されている。冷媒６２７は、コイル１００Ｓを冷却する。なお図９においてはステータコア６２１は記載されていない。

以下、上述した実施の形態と一部重複する部分もあるが、本発明の特徴的な構成を列挙する。

この発明に従った超電導コイルであるコイル１００Ｓは、導電体部分（図３の銀シース部２２または図５のはんだ２７および銀シース部２２）を含む複数本の超電導線材である超電導テープ線材１０、２０と、複数本の当該超電導テープ線材１０、２０と並列に配置された絶縁材である絶縁テープ材３０とを備える。複数本の超電導テープ線材１０、２０における導電体部分（図３の銀シース部２２または図５のはんだ２７および銀シース部２２）が直接接触した状態で、複数本の超電導テープ線材１０、２０と絶縁テープ材３０とが中心軸を中心として巻回されている。

このようにすれば、並列化された複数本の超電導テープ線材１０、２０の電位は同じになるため、超電導テープ線材１０、２０間でのインダクタンスの相違は発生しない。そのため、結果的に超電導テープ線材１０、２０間で流れる電流の偏りを抑制できる。また、上記コイル１００Ｓでは、複数本の超電導テープ線材１０、２０の導電体部分（銀シース部２２またははんだ２７）を直接接触させるという比較的簡単な構成により超電導テープ線材１０、２０間のインダクタンスの差を実質的に無くしているので、コイル１００Ｓの製造工程が複雑化することを避けることができる。このため、超電導テープ線材１０、２０間で流れる電流の偏りを抑制するためにコイル１００Ｓや超電導機器（モータ１００）の製造工程が複雑化することを避けることができる。この結果、製造コストの増大を抑制しながら、並列化された超電導テープ線材１０、２０間での電流の偏りを抑制できる。

上記コイル１００Ｓは、中心軸に沿った方向において、超電導テープ線材１０、２０および絶縁テープ材３０の端面を覆うように配置された絶縁被覆層としての樹脂層４０を備えていてもよい。この場合、超電導テープ線材１０、２０の端面側において、絶縁テープ材３０を跨いで内周側の超電導テープ線材１０、２０の部分と外周側の超電導テープ線材１０、２０の部分とに外部の導電体が接触する（絶縁テープ材３０を跨いで内周側の超電導テープ線材１０、２０の部分と外周側の超電導テープ線材１０、２０の部分とが短絡することによりコイル１００Ｓのターン数が減少する）といった事故の発生を防止できる。

上記コイル１００Ｓは、図６に示すように複数本の超電導テープ線材１０、２０の端面に接触するとともに当該端面を覆う導電部材の一例であるはんだ６０を備えていてもよい。この場合、並列に配置された複数の超電導テープ線材１０、２０を、その端面側においても確実に電気的に接続できる。

上記コイル１００Ｓにおいては、図２や図６に示すように、中心軸に沿った方向において、超電導テープ線材１０、２０の幅より絶縁材の幅が広くなっていてもよい。この場合、コイル１００Ｓの径方向において、絶縁テープ材３０を跨いで内周側の超電導テープ線材１０、２０の部分と外周側の超電導テープ線材１０、２０の部分とに外部の導電体などが接触する（短絡する)といった事故の発生をより確実に防止できる。

この発明に従った超電導機器としてのモータ１００は、上記コイル１００Ｓを備える。この場合、製造コストの増大を抑制しながら、コイル１００Ｓを構成する、並列化された超電導テープ線材１０、２０間での電流の偏りを抑制することが可能なモータ１００を実現できる。

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説明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、複数の超電導線材を並列化して構成される超電導コイルおよび当該超電導コイルを用いた超電導機器に有利に適用される。

１０，２０ 超電導テープ線材、１２，２２ 銀シース部、１３，２３ 超電導フィラメント部、１５、２５、３５、１００Ｓ コイル、２４，２６ 補強部材、２７，６０ はんだ、３０ 絶縁テープ材、４０ 樹脂層、５０，５１，５２ ローラ、５５ 芯材、５６，５７ 矢印、１００ モータ、１２０Ｆ 他方面、１２０Ｐ 一方面、５００ ロータ、５１３ ロータコア、５１６ ロータ軸、５１８ 回転軸、６００ ステータ、６１７，６２７ 冷媒、６２１ ステータコア、６２３ ステータヨーク。

Claims (5)

1. 導電体部分を含む複数本の超電導線材と、
   複数本の前記超電導線材と並列に配置された絶縁材とを備え、
   複数本の前記超電導線材における前記導電体部分が直接接触した状態で、複数本の前記超電導線材と前記絶縁材とが中心軸を中心として巻回されている、超電導コイル。
2. 前記中心軸に沿った方向において、前記超電導線材および前記絶縁材の端面を覆うように配置された絶縁被覆層を備える、請求項１に記載の超電導コイル。
3. 複数本の前記超電導線材の前記端面に接触するとともに前記端面を覆う導電部材を備える、請求項２に記載の超電導コイル。
4. 前記中心軸に沿った方向において、
   前記超電導線材の幅より前記絶縁材の幅が広くなっている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の超電導コイル。
5. 請求項１に記載の超電導コイルを備えた、超電導機器。

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