JP2014093827A - 超電導回転機の固定子冷却構造 - Google Patents

Abstract

【課題】超電導回転機の固定子を効率よく冷却する。
【解決手段】固定子冷却構造は、バックヨーク（３２）の外周に、バックヨークの軸方向に延在するようバックヨークの周方向に交互に形成された複数の給気流路及び排気流路と、バックヨークの隣り合う分割片の間にバックヨークを貫通し且つ各一端がその対応する給気又は排気流路に接続されるよう、バックヨークの周方向に交互に配置された複数の給気及び排気バックヨーク流路（３１ａ、３１ｂ）と、バックヨークの隣り合う分割片に配設された２群のティース間にティースの基端から先端に向けて延び且つ各基端がその対応する給気バックヨーク流路に接続されるよう、バックヨークの周方向に配置された複数の給気及び排気ティース流路（３７ａ、３７ｂ）と、給気ティース流路と排気ティース流路とを連通するよう、ティースをバックヨークの軸方向に貫通するティース穴（３５）と、を備える。
【選択図】図４

Description

本発明は、超電導回転機の固定子冷却構造に関する。

超電導現象が生じる超電導巻線を使用する超電導回転機(superconducting rotating machine)は、一般的に、固定子(stator)と、回転子（rotor）と、該回転子及び該固定子を支持する筐体(housing)とから成る電動機又は発電機である。なお、超電導回転機以外の回転機としては、超電導現象が生じない常電導巻線を使用する常電動回転機（normal conducting rotating machine）が挙げられる。超電導回転機は、通常、回転子を超電導化（超電導界磁巻線）し、固定子を常電導化（常電導電機子巻線）したラジアルギャップ(radial gap)型の構造を呈している。

常電動回転機の固定子は、鉄等の強磁性材料の鉄芯と、該鉄芯に設けられたスロットと呼ばれる凹状の溝に配置された固定子巻線とにより構成されている。鉄芯は、例えば、磁気ヒステリシスが小さく且つ飽和磁化の高い電磁鋼板などの合金綱を積層化して形成されている。このように鉄芯を設けることにより、回転子からの磁束が鉄芯内に収束し、磁場強度ひいては回転力を高めている。

一方、超電導回転機の固定子は、鉄芯を設けない空芯構造を採用している。なぜならば、超電導回転機の場合、磁束密度が高いので、鉄芯を使用すると飽和磁束状態に達しやすくなり、ひいては鉄芯部において渦電流損が生じやすくなるからである。例えば、特許文献１には、前述した通常の構造とは異なり、回転子及び固定子を共に超電導化した所謂全超電導回転機の構造ではあるものの、円筒状の固定子の内面に空芯の超電導巻線を円周方向に並べることが開示されている。

但し、超電導回転機の固定子は、鉄芯を設けない空芯構造を採用したとしても、常電動回転機の固定子と同様に、その主な損失として銅損と渦電流損とを有することが知られている。銅損は、固定子巻線への通電電流により電気抵抗発熱となって発現するものである。一方、渦電流損は、磁束線周りに発生する渦電流に起因した電気抵抗発熱となって発現するものである。したがって、これらの電気抵抗発熱を冷却する冷却構造が必要である。

鉄芯が設けられる常電導回転機の固定子向けの冷却構造としては、特許文献２の図６ に開示された冷却構造が例に挙げられる。特許文献２の図６に示す冷却構造では、固定子鉄芯は電磁鋼板が固定子軸方向に積層されて成っており、この固定子鉄芯の適宜な積層厚み毎に間隔片が挿入されることで通風流路が形成されている。この構造において、冷却媒体は、固定子鉄芯の外周部から通風流路に導かれ、固定子鉄芯の電気抵抗発熱を冷却しながら固定子の内周部のエアギャップに向かって排出される。

さらに、特許文献２の図６に開示された固定子鉄芯のティース部を固定子の軸方向に貫通する複数の通風穴が該ティース部に形成されている。これにより、固定子の外周部からの冷却媒体の一部はエアギャップへ排出されずに固定子の枠端部に排出されるので、該エアギャップにおける固定子から排出される冷却媒体と回転子から排出される冷却媒体との衝突を避けることができる。

特開２００５−１７６５７８号公報 特開２００３−１８７７２号公報

特許文献２の冷却構造は、冷却媒体が固定子の外周部から通風流路に導かれて固定子鉄芯の電気抵抗発熱を冷却しながら固定子と回転子との間のエアギャップに排出されるように、構成されている。このため、エアギャップにおいて固定子から排出される冷却媒体と回転子から排出される冷却媒体との衝突に伴い圧力損失が生じるという課題がある。また、特許文献２の冷却構造は、固定子鉄芯のティース部に複数の通風穴が形成されている。ここで、ティース部を効率良く冷却するためには、固定子の外周部からエアギャップへと向かう冷却媒体の一部がティース部の複数の通風穴に導かれるように、通風流路を通過する冷却媒体の流速を調整する必要があるが、このような調整は困難であるという課題がある。

加えて、特許文献２の冷却構造は鉄芯が設けられる常電導回転機の固定子向けのものであるところ、超電導回転機の固定子は、鉄芯を設けない空芯構造を採用しており、常電導回転機の固定子と比べて磁束密度が高いという特性がある。このため、特許文献２の冷却構造を超電導回転機の固定子向けに単純に採用することは困難である。

例えば、通風流路の断面積が大きい場合や通風流路の配置間隔が短い場合には、磁束の漏れによる渦電流損失が生じやすくなる。一方、通風流路の断面積が小さい場合や通風流路の配置間隔が長い場合には、通風流路に冷却媒体が流れにくくなるので圧力損失が増加し、これに伴って冷却能力が低下する。したがって、磁束の漏れの抑制と圧力損失の低減とをバランス良く達成すべく、通風流路の幅及び配置間隔を決定する必要があるが、特許文献２の冷却構造は、通風流路の幅及び配置間隔の大きさについて言及していない。

本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、その目的は、回転子を超電導化し且つ固定子を常電導化し、該固定子に配置される固定子巻線を空芯としたラジアルギャップ型の超電導回転機の該固定子を効率よく冷却することにある。

前記目的を達成するために、本発明のある形態に係る超電導回転機の固定子冷却構造は、超電導線材を用いた複数の界磁巻線が周方向に配置された回転子の周囲を取り囲むように配置されている超電導回転機の固定子の冷却構造であって、前記固定子は、全体として筒状に形成され、その軸方向において複数の分割片(section)に分割されたバックヨークと、前記バックヨークの各分割片の内周面に該バックヨークの中心軸に向けて延びるように該バックヨークの周方向に間隔を有して配設された複数のティースと、前記バックヨークの各分割片の内周面において隣り合う前記ティースの間に配置された固定子巻線と、を備え、前記冷却構造は、前記バックヨークの外周に、該バックヨークの軸方向に延在するように該バックヨークの周方向に形成された複数の給気流路及び複数の排気流路と、前記バックヨークの隣り合う分割片の間に該バックヨークを貫通し且つそれぞれの一端がその対応する前記給気流路にそれぞれ接続されるように、該バックヨークの周方向に配置された複数の給気バックヨーク流路と、前記バックヨークの隣り合う分割片の間に該バックヨークを貫通し且つそれぞれの一端がその対応する前記排気流路にそれぞれ接続されるように、該バックヨークの周方向に配置された複数の排気バックヨーク流路と、前記バックヨークの隣り合う分割片にそれぞれ配設された２群のティースの間に該ティースの基端から先端に向けて延び且つそれぞれの基端がその対応する前記給気バックヨーク流路にそれぞれ接続されるように、該バックヨークの周方向に配置された複数の給気ティース流路と、前記バックヨークの隣り合う分割片にそれぞれ配設された２群のティースの間に該ティースの基端から先端に向けて延び且つそれぞれの基端がその対応する前記排気バックヨーク流路にそれぞれ接続されるように、該バックヨークの周方向に配置された複数の排気ティース流路と、前記給気ティース流路と、前記排気ティース流路とを連通するように、前記ティースを前記バックヨークの軸方向に貫通するティース穴と、を備えて成る、ものである。

前記構成によれば、まず、外部の冷却媒体供給装置から送られ給気流路内を流れる冷却媒体は、給気バックヨーク流路へと導かれて、この給気バックヨーク流路内を流れる。これにより、バックヨークが冷却される。

そして、給気バックヨーク流路から排出された冷却媒体は、給気ティース流路へと導かれて、この給気ティース流路内を流れる。これにより、ティースと隣り合うティース間に配置された固定子巻線が冷却される。

そして、給気ティース流路内を流れる冷却媒体は、ティースに形成された複数のティース穴へと導かれる。なお、ティース穴は、給気ティース流路と排気ティース流路とを連通するように形成されている。したがって、給気ティース流路内を流れる冷却媒体は、ティース穴を介して排気ティース流路へと流れ込む。これにより、ティースはさらに冷却される。

なお、排気ティース流路に導かれた冷却媒体は、この排気ティース流路と連結されている排気バックヨーク流路へと導かれる。つまり、冷却媒体は、排気ティース流路内及び排気バックヨーク流路内を流れる。

そして、排気バックヨーク流路から排出された冷却媒体は、この排気バックヨーク流路と連結された排気流路へと導かれて、この排気流路内を流れる。以上のような冷却媒体の経路が形成されることで、固定子のバックヨーク、ティース、及び固定子巻線を効率よく冷却することが可能となる。また、このように固定子の冷却効率が向上したことに伴って、外部の冷却媒体供給装置の必要流量及び必要静圧を低減することができる。

前記超電導回転機の固定子冷却構造において、前記給気バックヨーク流路及び前記排気バックヨーク流路における前記バックヨークの軸方向の長さであるバックヨーク流路幅と、前記給気ティース流路及び前記排気ティース流路における前記バックヨークの軸方向の長さであるティース流路幅とは、次式が成立するように決定される、としてもよい。

ｔ２＝｛（Ｂ１×ｔ１＋４×Ａｈ）÷（４×Ｂ２) ｝×α
但し、ｔ１はバックヨーク流路幅、ｔ２はティース流路幅、Ｂ１はバックヨーク流路における筐体の周方向の長さ、Ｂ２はティース流路における筐体の周方向の長さ、Ａｈはティース穴１個あたりの面積、αは０．９〜１．１の比例係数である。

前記構成によれば、給気並びに排気バックヨーク流路、給気並びに排気ティース流路、及びティース穴をそれぞれ通過する冷却媒体の急激な変化を抑制することができ、この結果として、圧力損失を低減することができる。

前記超電導回転機の固定子冷却構造において、前記バックヨーク流路幅は６ｍｍ、前記ティース流路幅は１２ｍｍ、前記バックヨークの軸方向における前記給気バックヨーク流路及び前記排気バックヨーク流路の配置間隔、及び前記バックヨークの軸方向における前記給気ティース流路及び前記排気ティース流路の配置間隔はともに１００ｍｍである、としてもよい。

従来の常電導回転機の固定子冷却構造は、一般的に、流路幅１０ｍｍの通風流路を固定子の軸方向に５０ｍｍの流路間隔で配置している。したがって、バックヨークにおける筐体の軸方向の所定間隔及びティースにおける筐体の軸方向の所定間隔は、従来の常電導回転機の流路間隔の２倍であり、バックヨーク流路幅は従来の常電導回転機の流路幅の６０％である。これにより、磁束の漏れに伴う渦電流損失の低減化を図ることができる。さらに、ティース流路幅は、バックヨーク流路幅の２倍であるため、冷却媒体の圧力損失の低減化を図ることができる。なお、超電導回転機の固定子は空芯構造であるため、ティース流路幅を従来の常電導回転機の流路幅よりも大きくしても、固定子巻線において発生する渦電流損への影響はない。

前記超電導回転機の固定子冷却構造において、前記固定子は、隣り合う前記ティースの間に前記固定子巻線を保持するように隣り合う前記ティースの間に架設されたウエッジをさらに備え、前記給気ティース流路及び前記排気ティース流路は、前記固定子と前記回転子との間のエアギャップに至るように延びており、該エアギャップと前記ティース流路との間が非連通となるように、前記給気ティース流路及び前記排気ティース流路が前記ウエッジによって閉鎖されている、としてもよい。

上述の超電導回転機の固定子冷却構造において、給気ティース流路及び排気ティース流路が、固定子と回転子との間のエアギャップに至るように延びている場合、給気ティース流路を流れる冷却媒体の一部はエアギャップを通って隣り合う排気ティース流路に流入する。従って、給気ティース流路及び排気ティース流路はエアギャップに連通していても構わない。しかし、前記構成によれば、給気ティース流路のエアギャップ側の開口部はウエッジによって閉鎖されているため、給気ティース流路内を流れる冷却媒体は、エアギャップへと排出されずに、ティースに形成された複数のティース穴へと導かれる。これにより、ティースの冷却効率をさらに向上することができる。

また、排気ティース流路のエアギャップ側の開口部についてもウエッジによって閉鎖されているので、給気ティース流路からティース穴を介して排気ティース流路に導かれた冷却媒体は、エアギャップに向けて排出されずに、この排気ティース流路と連結されている排気バックヨーク流路へと導かれる。これにより、エアギャップにおいて固定子から排出される冷却媒体と回転子から排出される冷却媒体とが衝突することがなくなり固定子の冷却効率を向上することができる。

前記超電導回転機の固定子冷却構造において、前記給気バックヨーク流路及び排気バックヨーク流路に位置する前記固定子巻線の径方向外側の面には、前記バックヨークの軸方向に延在し、且つ該径方向外側に出っ張った断面形状を有する整流体が配置されている、としてもよい。

前記構成によれば、バックヨーク流路からティース流路に向かう冷却媒体の流れをスムーズにすることができるので、バックヨーク、ティース、及び固定子巻線をさらに効率よく冷却することが可能となる。

前記超電導回転機の固定子冷却構造において、１つの前記バックヨークの分割片に配設された１群の前記ティースを挟む前記給気ティース流路及び前記排気ティース流路は、各前記ティースの両側に前記給気ティース流路及び前記排気ティース流路の２種類の流路の中で互いに異なる種類の流路がそれぞれ位置するように配置され、該互いに異なる種類の流路が前記ティース孔によってそれぞれ連通している、としてもよい。

本発明によれば、回転子を超電導化し且つ固定子を常電導化し、該固定子に配置される固定子巻線を空芯としたラジアルギャップ型の超電導回転機の該固定子を効率よく冷却することができる。

図１は本発明の実施の形態に係る超電導回転機の外観例とその内部構造例を示す図である。 図２は本発明の実施の形態に係る超電導回転機の構成例を模式的に示す断面図である。 図３は図２に示す隣り合うティースとこれらの間のスロットに配置される固定子巻線の断面図の一例である。 図４は本発明の実施の形態１に係る超電導回転機の固定子冷却構造の断面例を示す模式図である。 図５は図４に示す超電導回転機の固定子冷却構造のＡ−Ａ線断面図である。 図６は図４に示す超電導回転機の固定子冷却構造のＣ−Ｃ線断面図である。 図７は図４に示す超電導回転機の固定子冷却構造のＤ−Ｄ線断面図である。 図８は図４に示すバックヨーク流路及びティース流路それぞれの幅の決定方法を説明するための模式図である。 図９は図８に示すバックヨーク入口面積とティース入口面積とティース穴面積との関係を説明するためのグラフである。 図１０は本発明の実施の形態２における整流体を設置したことによるバックヨーク流路からティース流路に向かう冷却媒体の流れを表す模式図である。 図１１は本発明の実施の形態２における整流体を設置しない場合のバックヨーク流路からティース流路に向かう冷却媒体の流れを表す模式図である。 図１２Ａは本発明の実施の形態２における整流体の一例を示す模式図である。 図１２Ｂは、本発明の実施の形態２における整流体のその他の例を示す模式図である。

以下、本発明の好ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。なお、以下では全ての図を通じて同一又は相当する要素には同一の参照符号を付して、その重複する説明を省略する。

[超電導回転機の構造例]
図１は本発明の実施の形態１に係る超電導回転機の外観例とその内部構造例を示す図である。図２は本発明の実施の形態１に係る超電導回転機の構成例を模式的に示す断面図である。なお、図２に示す超電導回転機は６相（例えば、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相、Ｘ相、Ｙ相、Ｚ相）、６極（永久磁石界磁）、且つスロット数が７２個の場合である。なお、超電導回転機の相数及び極数が任意であるのは言うまでもない。

図１に示す超電導回転機１０は、回転子１６を超電導化（超電導界磁巻線）して固定子１８を常電導化（常電導電機子巻線）したラジアルギャップ型の構造を呈している。超電導回転機１０は、後述の給気流路及び排気流路と一体的に形成された筒状の筐体１２ と、回転子１６と、回転子１６の周囲を取り囲むように筐体１２の内部に配設された固定子１８とを有する。また、超電導回転機１０は、固定子１８向けの冷却構造を有するが、該冷却構造の説明については後述する。

回転子１６は、中心軸１４を有し、筐体１２によって回転自在に支持されたロータシャフト（rotor shaft) ２０を有する。ロータシャフト２０は、中心軸１４を中心とする内側円筒体であるロータコア(rotor core)２２と外側円筒体であるケーシング２４とを支持している。ロータコア２２とケーシング２４との間には筒状の真空断熱空間が構築されており、この真空断熱空間内にはその周方向に沿って等間隔に複数の磁極対を成した無鉄芯型の超電導コイル２８が配置されている。図２には、６極の場合として、３つの磁極対を有する超電導コイル２８の配置が示されている。また、回転子１６は、図示しないが、前述の真空断熱空間内に配置された超電導コイル２８を冷却するための冷却構造が設けられている。この冷却構造において使用される超電導コイル２８を冷却するための冷媒としては例えばへリウムガスを採用することができる。ロータコア２２は、非磁性材料で低温特性に優れた材料、例えば、ＳＵＳ３１６から成る中実円柱体の鍛造材料を切削加工して形成することが好ましい。ケーシング２４は、低温に対する断熱性が優れた一又は複数の断熱材層を備えていることが好ましい。

固定子１８は、固定子１８の中心軸（ロータシャフト２０の中心軸でもある）１４と平行な軸方向に円環形状の複数の電磁鋼板（例えば、珪素鋼板）を積層し、全体として筒状に形成されたバックヨーク(back yoke)３２を有する。なお、バックヨーク３２は、その軸方向において所定の積層間隔の厚みを有した複数の分割片（section）に分割されている。バックヨーク３２の各分割片の内周面にバックヨーク３２の中心軸１４（ロータシャフト２０の中心軸でもある）に向けて延びるように、バックヨーク３２の周方向に間隔を有して配設されたティース３４が備えられている。バックヨーク３２の各分割片の内周面においてバックヨーク３２の周方向で互いに隣り合うティース３４の間には、固定子１８ の中心軸１４と平行な方向に略長方形断面のスロット３６（凹状の溝）が延設されている。

ティース３４は、非磁性材料、例えば、繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）などの高い機械的強度を有する剛性樹脂材料により形成されている。この他に、ティース３４は、非磁性金属、例えばステンレスにより形成されてもよい。なお、材料に拘らずに、ティース３ ４は、固定子１８の中心軸１４と平行な方向に複数の非磁性な薄板を積層して形成されている。このように、ティース３４が非磁性材料により形成されることで、回転子１６の回転に伴う磁界の移動によってティース３４の内部に渦電流が発生することを回避でき、これに伴い、ティース３４の冷却構造が不要となる。また、ティース３４の径方向内側端部（回転子１６に対向する端部）に磁束が集中することも回避できる。

各スロット３６には、各々を識別するためのスロット番号が付与されている。図２には、スロット数が７２個の場合のスロット番号の付与方法が示されている。そして、各スロット３６には、筐体１２の径方向外側領域及び径方向内側領域それぞれに、互いに同相である固定子巻線４０の単位巻線対が配置されている。なお、バックヨーク３２の軸方向一端側から見て、径方向外側領域には単位巻線対の一端（始端）が出現し、径方向内側領域には単位巻線対の他端（終端）が出現する。したがって、固定子巻線４０の単位巻線の総数はスロット数と同じ７２本である。以下では、各スロット３６に配置される固定子巻線４０の単位巻線を４０（１），４０（２），・・・，４０（７２）の符号を用いて識別するとともに、各スロット３６を３６（１），３６（２），・・・，３６（７２）の符号を用いて説明する。

固定子巻線４０は、例えば、互いに位相が１２０°異なるＵ相巻線、Ｖ相巻線、及びＷ相巻線から成る第１のＹ（スター）結線と、互いに位相が１２０°異なり且つ第１のＹ結線の各相巻線とは位相が６０°ずれて配置されるＸ相巻線、Ｙ相巻線、及びＺ相巻線から成る第２のＹ（スター）結線とを有し、さらに、第１のＹ結線の中性点と第２のＹ結線の中性点とが互いに接続されている。例えば、Ｕ相巻線は、互いに隣り合う連番のスロット対であり、且つ１２個のスロット間隔で現れるスロット対それぞれに配置される。具体的には、Ｕ相巻線は、スロット番号１、２、１３、１４、２５、２６、３７、３８、４９、５０、６１、６２の各スロット３６（１）、３６（２）、３６（１３）、３６（１４）、３６（２５）、３６（２７）、３６（３７）、３６（３８）、３６（４９）、３６（５０）、３６（６１）、３６（６２）に配置される。つまり、Ｕ相巻線は、１２本の単位巻線４０（１）、４０（２）、４０（１３）、４０（１４）、４０（２５）、４０（２６）、４０（３７）、４０（３８）、４０（４９）、４０（５０）、４０（６１）、４０（６２）を直列に接続して構成される。

図３は、図２に示す隣り合うティース３４とこれらの間のスロット３６に配置される固定子巻線４０の断面図の一例である。

図３に示すように、隣り合うティース３４間に設定されたスロット３６は、固定子巻線４０の配置領域として、筐体１２の径方向に沿う一対の長辺を有し、固定子１８の周方向に沿う一対の短辺を有した長方形の断面形状を有した直方体領域（６２ａ，６２ｂ，６０ ａ，６０ｂ）を有している。また、この直方体領域（６２ａ, ６２ｂ, ６０ａ, ６０ｂ）は筐体１２の径方向外側領域（６２ａ，６２ｂ）と径方向内側領域（６０ａ，６０ｂ）とに区画されている。さらに、径方向外側領域（６２ａ，６２ｂ）は、筐体１２の径方向から見て、固定子１８の周方向一方側（時計回り側）領域６２ａと周方向他方側（反時計回り側）領域６２ｂとに区画されている。同様に、径方向内側領域（６０ａ，６０ｂ）は、筐体１２の径方向から見て、固定子１８の周方向一方側領域６０ａと周方向他方側領域６ ０ｂとに区画されている。径方向外側領域（６２ａ，６２ｂ）にはスロット番号Ｋ（１＜ Ｋ＜７２）のスロット３６に配置されるある相巻線の一部である単位巻線４０（Ｋ）が配置され、径方向内側領域（６０ａ，６０ｂ）には単位巻線４０（Ｋ）と同じ相巻線の一部である単位巻線４０（Ｋ−１２）（Ｋ＞１２の場合）若しくは単位巻線４０（Ｋ＋６０）（Ｋ＜１２の場合）が配置される。

図３に示す単位巻線４０（Ｋ）は、例えば、複数の絶縁導体素線４１を有し、複数の絶縁導体素線４１それぞれの矩形の断面がマトリクス状に配置されるよう複数の絶縁導体素線４１を束ねて構成されている。なお、行方向は筐体１２の径方向に対応し、列方向は固定子１８の周方向に対応する。図３に示す例では、４２本の絶縁導体素線４１が７行６列に配置されて成る単位巻線４０ (Ｋ）の断面が示されている。

絶縁導体素線４１は、素線導体と該素線導体の外周を閉鎖する絶縁材とから成り、該絶縁材によって他の絶縁導体素線４１とは電気的に絶縁されている。また、各絶縁導体素線４１は、行方向に沿う一対の長辺と列方向に沿う一対の短辺とを有した長方形の断面形状を有する平角導線である。このような平角導線を各絶縁導体素線４１として採用することで、単位巻線４０（Ｋ）の細分化により素線内渦電流が抑制されるとともに、長方形の断面形状を有する径方向外側領域（６２ａ，６２ｂ）に配置される単位巻線４０（Ｋ）の高密度化が図られる。なお、絶縁導体素線４１は、長方形の断面形状に限らず、正方形、円形、又は三角形などの種々の断面形状であってもよい。但し、高密度化の観点からは長方形や正方形などの矩形の断面形状であることが好ましい。

[固定子の冷却構造例]
図４は本発明の実施の形態に係る超電導回転機の固定子冷却構造の断面例を示す模式図である。図５は図４に示す超電導回転機の固定子冷却構造のＡ−Ａ線断面図である。図６は図４に示す超電導回転機の固定子冷却構造のＣ−Ｃ線断面図である。図７は図４ に示す超電導回転機の固定子冷却構造のＤ−Ｄ線断面図である。

バックヨーク３２の外周を取り囲むように、バックヨーク３２の軸方向にそれぞれ延設される給気通風カバー５２と排気通風カバー５３とが固定子１８の周方向に交互に形成されている。給気通風カバー５２及び排気通風カバー５３は機内と機外とを仕切って冷却媒体の通風路を形成するための部材である。なお、給気通風カバー５２及び排気通風カバー５３は固定子１８の周方向に交互に形成されていなくてもよく、給気通風カバー５２と排気通風カバー５３とが固定子１８の周方向に形成されてさえすればよい。

また、超電導回転機１０が設置される底面から垂直方向の固定子１８の中心線上に位置する給気通風カバー５２であって、その給気通風カバー５２におけるバックヨーク３２の軸方向一端側には、給気口５０が配置されている。また、超電導回転機１０が設置される底面から垂直方向の固定子１８の中心線上に位置する排気通風カバー５３であって、その排気通風カバー５３におけるバックヨーク３ ２の軸方向他端側には、排気口５１が配置されている。給気通風カバー５２と固定子１８ のバックヨーク３２との間の空間（通風路）には給気通風カバー５２と対向するように給気流路５５がバックヨーク３２の軸方向に延設されている。また、排気通風カバー５３ と固定子１８のバックヨーク３２との間の空間には排気通風カバー５３と対向するように排気流路５６がバックヨーク３２の軸方向に延設されている。

要するに、バックヨーク３２の外周に、バックヨーク３２の軸方向に延在するようにバックヨーク３２の周方向に形成された複数の給気流路（本実施の形態では、給気通風カバー５２、バックヨーク３２及び給気口５０によって形成される通風路）及び複数の排気流路（本実施の形態では、排気通風カバー５３、バックヨーク３２及び排気口５１によって形成される通風路）が備えられている。

バックヨーク３２の前述の積層間隔（以下、バックヨーク流路間隔という）毎に、言い換えるとバックヨーク３２の隣り合う分割片の間に、バックヨーク３２を貫通するバックヨーク流路３１が形成されている。バックヨーク流路３１は、バックヨーク流路間隔毎に間隔片５４を介挿することにより形成される。バックヨーク３ ２の軸方向一端側から軸方向他端側に向けてバックヨーク３２の軸方向に配列されている複数のバックヨーク流路３１は、給気流路５５と排気流路５６と交互に連通されている。

ティース３４には、バックヨーク流路間隔と同じ長さであるティース３４の所定の積層間隔（以下、ティース流路間隔という）毎に、言い換えると、バックヨーク３２の隣り合う分割片にそれぞれ配設された２群のティース３４の間に、ティース３４の基端から先端に向けて延びるティース流路３７が形成されている。ティース流路３７は、ティース流路間隔毎に間隔片（図示せず）を介挿することにより形成される。さらに、バックヨーク３２の軸方向一端側から軸方向他端側に向けてバックヨーク３２の軸方向に配列されている複数のティース流路３７は、給気流路５５に連通されたバックヨーク流路３１（以下、給気バックヨーク流路３１ａという）と排気流路５６に連通されたバックヨーク流路３１（以下、排気バックヨーク流路３１ｂという）と交互に連通されている。言い換えると、複数の給気バックヨーク流路３１ａは、それぞれの一端がその対応する給気流路（給気通風カバー５２、バックヨーク３２及び給気口５０によって形成される通風路）にそれぞれ接続されるようにしてバックヨーク３２の周方向に配置されている。また 複数の排気バックヨーク流路３１ｂは、それぞれの一端がその対応する排気流路（排気通風カバー５３、バックヨーク３２及び排気口５１によって形成される通風路）にそれぞれ接続されるようにして該バックヨーク３２の周方向に複数の給気バックヨーク流路３１aと交互に配置されている。

固定子１８と回転子１６との間にはラジアルエアギャップ（radial air gap) ３９が設けられているが、ティース流路３７とラジアルエアギャップ３９との間を非連通とするように、ティース流路３７がウエッジ(wedge)３８によって閉鎖されている。なお、ウエッジ３８とは、バックヨーク３２の内周面において周方向で隣り合うティース３４の間のスロット３６内に固定子巻線４０を保持するように該隣り合うティース３４の間に架設されたくさび部材である。

給気バックヨーク流路３１ａと連結されたティース流路３７（以下、給気ティース流路３７ａという）と、排気バックヨーク流路３１ｂと連結されたティース流路３７（以下、排気ティース流路３７ｂという）との間を連通するように、ティース３４をバックヨーク３２の軸方向に貫通する複数のティース穴３５が形成されている。言い換えると、複数の給気ティース流路３７ａは、それぞれの基端がその対応する給気バックヨーク流路３１ａにそれぞれ接続されるようにしてバックヨーク３２の周方向に配置されている。また、複数の排気ティース流路３７ｂは、それぞれの基端がその対応する排気バックヨーク流路３１ｂにそれぞれ接続されるようにしてバックヨーク３２の周方向に複数の給気ティース流路３７ａと交互に配置されている。

以上のような固定子１８の冷却構造において、冷却媒体はつぎのような経路を流れる。

まず、所定の冷却媒体供給装置（図示せず）から給気口５０に送られた冷却媒体は、給気通風カバー５２とバックヨーク３２との間の給気流路５５の入口開口部へと導かれて、給気流路５５内をバックヨーク３２の軸方向に向けて流れる。その過程で、給気流路５５内の冷却媒体は、給気バックヨーク流路３１ａの入口開口部へと導かれて、この給気バックヨーク流路３１ａ内を筐体１２の径方向に向けて流れる。これにより、バックヨーク３２が冷却される。

そして、給気バックヨーク流路３１ａの出口開口部から排出された冷却媒体は、給気ティース流路３７ａの入口開口部へと導かれて、この給気ティース流路３７ａ内を筐体１２の径方向に向けて流れる。これにより、ティース３４と隣り合うティース３４間のスロット３６内に配置された固定子巻線４０が冷却される。

そして、給気ティース流路３７ａの出口開口部はウエッジ３８によって閉鎖されているため、給気ティース流路３７ａ内を流れる冷却媒体は、ラジアルエアギャップ３９へと排出されずに、ティース３４に形成された複数のティース穴３５の入口開口部へと導かれる。なお、ティース穴３５は、前述のとおり、給気ティース流路３７ａと排気ティース流路３７ｂとを連通するように、ティース３４をバックヨーク３２の軸方向に貫通するように形成されている。したがって、給気ティース流路３７ａ内を流れる冷却媒体は、ティース穴３５を介して、給気ティース流路３７ａから排気ティース流路３７ｂへと流れる。これにより、ティース３４はさらに冷却される。

給気ティース流路３７ａの出口開口部と同様に、排気ティース流路３７ｂの出口開口部はウエッジ３８によって閉鎖されている。したがって、排気ティース流路３７ｂに導かれた冷却媒体は、ラジアルエアギャップ３９に向けて排出されずに、この排気ティース流路３７ｂの出口開口部と連結されている排気バックヨーク流路３１ｂの入口開口部へと導かれる。つまり、冷却媒体は、排気ティース流路３７ｂ内及び排気バックヨーク流路３１ｂ内を筐体１２の径方向に向けて流れる。

そして、排気バックヨーク流路３１ｂの出口開口部から排出された冷却媒体は、この排気バックヨーク流路３１ｂと連結された排気流路５６へと導かれて、この排気流路５６内をバックヨーク３２の軸方向に向けて流れる。そして、冷却媒体は、排気流路５６の終端（軸方向他端側）に配置された排気口５１から外部に排出される。

以上のような冷却媒体の経路が形成されることで、固定子１８のバックヨーク３２、ティース３４、及び固定子巻線４０を効率よく冷却することが可能となる。また、このように固定子１８の冷却効率が向上したことに伴って、外部の冷却媒体供給装置の必要流量及び必要静圧を低減することができる。

[バックヨーク流路幅とティース流路幅との関係]
図８及び図９を用いて、バックヨーク流路３１の入口開口部の軸方向の長さであるバックヨーク流路幅と、ティース流路３７の入口開口部の軸方向の長さであるティース流路幅との間で成立すべき関係を説明する。なお、図８は、図４に示すバックヨーク流路３１及びティース流路３７それぞれの幅の決定方法を説明するための模式図である。図９は、図８に示すバックヨーク入口面積とティース入口面積とティース穴面積との関係を説明するためのグラフである。

なお、図８及び図９は、ティース３４に４個のティース穴３５が形成される場合を表している。また、バックヨーク流路３１の入口開口部に関して、その周方向の長さをＢ１ と表し、その軸方向の長さ（バックヨーク流路幅）をｔ１と表している。同様に、ティース流路３７の入口開口部に関して、その周方向の長さの２分の１をＢ２と表し、その軸方向の長さ（ティース流路幅）をｔ２と表している。また、バックヨーク流路３１の入口開口部の面積をＡｂと表し、ティース流路３７の入口開口部の面積の２分の１をＡｔと表し、ティース穴３５の１個あたりの面積をＡｈと表している。

バックヨーク流路幅ｔ１及びティース流路幅ｔ２は、上記のとおり、バックヨーク流路幅ｔ１がティース流路幅ｔ２よりも小さくなるように決定される。さらに、バックヨーク流路幅ｔ１及びティース流路幅ｔ２は、バックヨーク流路３１、ティース流路３７、およびティース穴３５をそれぞれ通過する際の冷却媒体の急激な変化を避けるように、つぎのように決定される。

まず、バックヨーク流路入口面積Ａｂ及びティース流路入口面積（２×Ａｔ）は、それぞれ次式により表される。

Ａｂ＝Ｂ１×ｔ１ ・・・（１−１）
２×Ａｔ＝２×Ｂ２×ｔ２ ・・・（１−２）
つぎに、ティース流路入口面積（２×Ａｔ）は、次式のとおり、バックヨーク流路入口面積Ａｂとティース穴面積（４×Ａｈ）とを平均した面積に比例係数α（＝０．９〜１．１）を乗じたものとする。

２×Ａｔ＝｛（Ａｂ＋４×Ａｈ）÷２｝×α ・・・（２）
以上の３つの式を整理すると次式が成立する。

ｔ２＝｛（Ａｂ＋４×Ａｈ）÷（４×Ｂ２）｝×α
＝｛（Ｂ１×ｔ１＋４×Ａｈ）÷（４×Ｂ２）｝×α ・・・（３）
したがって、ティース流路幅ｔ２及びバックヨーク流路幅ｔ１は、上式が成立するように決定すればよい。これにより、バックヨーク流路３１、ティース流路３７、及びティース穴３５をそれぞれ通過する際の冷却媒体の急激な変化を抑制することができ、この結果として、圧力損失を低減することができる。

[バックヨーク流路幅及び間隔とティース流路幅及び間隔との数値例]
従来の常電導回転機の固定子冷却構造は、一般的に、流路幅１０ｍｍの通風流路を固定子の軸方向に５０ｍｍの流路間隔で配置している。これに対し、超電導回転機１０の固定子１８の冷却構造は、超電導回転機特有の磁東密度の高さに伴う磁束の漏れを低減するために、バックヨーク３２の軸方向におけるバックヨーク流路３１の配置間隔（バックヨーク流路間隔）及びティース３４のバックヨーク３２の軸方向におけるティース流路３７の配置間隔（ティース流路間隔）は、従来の常電導回転機の流路間隔５０ｍｍを２倍した１００ｍｍとする。さらに、バックヨーク流路３１の矩形状の断面におけるバックヨーク３２の軸方向の長さ（以下、バックヨーク流路幅という）を従来の常電導回転機の流路幅１０ｍｍの６０％である６ｍｍ とする。

一方、ティース流路３７の矩形状の断面におけるバックヨーク３２の軸方向の長さ（以下、ティース流路幅という）は、バックヨーク流路幅として決定した６ｍｍを２ 倍した１２ｍｍとする。なぜならば、バックヨーク流路間隔及びティース流路間隔を従来の常電導回転機の流路間隔よりも長くし、且つバックヨーク流路幅を従来の常電導回転機の流路幅よりも小さくしたことに伴って、冷却媒体の圧力損失を低減する必要があるからである。なお、超電導回転機１０の固定子１８は空芯構造であるため、ティース流路幅を従来の常電導回転機の流路幅よりも大きくしても、固定子巻線４０ において発生する渦電流損への影響はない。

なお、バックヨーク流路間隔及びティース流路間隔、バックヨーク流路幅、及びティース流路幅の以上の数値例はあくまで一例にすぎず、従来の常電導回転機の流路幅及び流路間隔の数値に基づいて決定される。例えば、バックヨーク流路間隔及びティース流路間隔は従来の常電導回転機の流路間隔の２倍、バックヨーク流路幅は従来の常電導回転機の流路幅の６０％、ティース流路幅はバックヨーク流路幅の２倍として決定することができる。但し、バックヨーク流路幅及びティース流路幅は、前述したとおり、バックヨーク流路３１、ティース流路３７、およびティース穴３５をそれぞれ通過する際の冷却媒体の急激な変化を避けるように決定する必要がある。

[変形例]
ティース流路３７とラジアルエアギャップ３９との間を非連通とするようにティース流路３７の径方向内側の出口開口部が固定子巻線４０のウエッジ３８によって閉鎖されなくてもよい。この場合であっても、給気ティース流路３７ａ内を流れる冷却媒体の一部が、ティース３４に形成された複数のティース穴３５の入口開口部へと導かれるので、ティース３４及び固定子巻線４０を効率よく冷却することが可能である。

（実施の形態２)
本発明の実施の形態２は、バックヨーク流路３１の出口開口部から排出される冷却媒体をティース流路３７に向けてスムーズに流れ込ませるための整流体に関するものである。以下では、図１０、図１１、図１２Ａ、図１２Ｂを用いて本実施の形態２における整流体を説明する。なお、図１０は、本発明の実施の形態２における整流体を設置したことによる給気バックヨーク流路から給気ティース流路に向かう冷却媒体の流れを表す模式図である。図１１は、本発明の実施の形態２における整流体を設置しない場合の給気バックヨーク流路から給気ティース流路に向かう冷却媒体の流れを表す模式図である。図１２Ａは、本発明の実施の形態２における整流体の一例を示す模式図である。図１２Ｂは、本発明の実施の形態２における整流体のその他の例を示す模式図である。

給気バックヨーク流路３１ａ及び排気バックヨーク流路３１ｂに位置する固定子巻線４０の径方向外側の面には、バックヨーク３２の軸方向に延在し、且つ固定子巻線４０ の径方向外側に出っ張った断面形状を有する整流体９０が備えられている。なお、図１２ Ａに示す整流体９０は、バックヨーク３２の軸方向一端側から見て正三角形の断面形状を有する三角柱体である。この三角柱体の３つの側面のうち１つの側面が固定子巻線４０の径方向外側の面と接合され、残りの２つの側面がバックヨーク流路３１内の冷却媒体の流れる方向に適合した傾斜を持ってバックヨーク流路３１と向き合っている。以下では、図１２Ａに示す整流体９０を用いて説明を進めるが、図１２Ａに示す整流体９０の形状に限られない。例えば、図１２Ｂに示すように、バックヨーク３２の軸方向一端側から見て半円形の断面形状を有する半円柱体の整流体９２であってもよい。あるいは、不等辺三角形や二等辺三角形の断面形状を有する三角柱体であってもよいし、半楕円の断面形状を有する半楕円柱体であってもよい。

整流体９０の材質は、熱伝導性が高く且つ電気抵抗が大きい材質であればよい。熱伝導性が高い材質が好ましいとした理由は、整流体９０と固定子巻線４０との接合部は冷却媒体が当たらないので、整流体９０の熱伝導によって該接合部を冷却する必要があるからである。また、電気抵抗が大きい材質が好ましいとした理由は、整流体９０と固定子巻線４ ０とを接合したことに伴い、整流体９０において生じ得る渦電流損失を低減する必要があるからである。これらの要求を満足するような材質としては、真銃などの金属が挙げられる。

まず、図１１に示すように、整流体９０を設置しない場合には、互いに隣り合う間隔片５４により仕切られた給気バックヨーク流路３１ａの出口開口部から排出される冷却媒体は、固定子巻線４０の径方向外側の面に衝突して、固定子巻線４０の径方向外側の面のティース３４側の縁部において剥離する。このように、給気バックヨーク流路３１ａから給気ティース流路３７ａに向けて冷却媒体がスムーズに流れ込まないので、圧力損失を改善する余地がある。

これに対し、図１０に示すように、整流体９０を設置すれば、互いに隣り合う間隔片５ ４により仕切られた給気バックヨーク流路３１ａの出口開口部から排出される冷却媒体は、整流体９０の径方向外側縁部から２つの側面に分岐されて、整流体９０が備えられた固定子巻線４０の両側にある給気ティース流路３７ａへとスムーズに流れ込む。このように、給気バックヨーク流路３１ａから排出される冷却媒体が整流されることにより、ティース３４及び固定子巻線４０の冷却効果が促進される。

上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更できる。

本発明は、回転子を超電導化し且つ固定子を常電導化し、該固定子に配置される固定子巻線を空芯としたラジアルギャップ型の超電導回転機にとって有益である。

１０・・・超電導回転機
１２・・・筐体
１４・・・中心軸
１６・・・回転子
１８・・・固定子
２０・・・ロータシャフト
２２・・・ロータコア
２４・・・ケーシング
２８・・・超電導コイル
３１・・・バックヨーク流路
３１ａ・・・給気バックヨーク流路
３１ｂ・・・排気バックヨーク流路
３２・・・バックヨーク
３４・・・ティース
３５・・・ティース穴
３６・・・スロット
３７・・・ティース流路
３７ａ・・・給気ティース流路
３７ｂ・・・排気ティース流路
３８・・・ウエッジ
３９・・・ラジアルエアギャップ
４０・・・固定子巻線
４１・・・絶縁導体素線
５０・・・給気口
５１・・・排気口
５２・・・給気通風カバー
５３・・・排気通風カバー
５４・・・間隔片
５５・・・給気流路
５６・・・排気流路
６０ａ・・・径方向内側領域
６０ｂ・・・径方向内側領域
６２ａ・・・径方向外側領域
６２ｂ・・・径方向外側領域
９０, ９２・・・整流体
Ａｂ・・・バックヨーク流路入口面積
Ａｔ・・・ティース流路の入口開口部の面積の２分の１
Ａｈ・・・ティース穴１個あたりの面積
ｔ１・・・バックヨーク流路幅
ｔ２・・・ティース流路幅
Ｂ１・・・バックヨーク流路の周方向の長さ
Ｂ２・・・ティース流路の周方向の長さ
α・・・０.９〜１.１ の比例係数

Claims (6)

1. 超電導線材を用いた複数の界磁巻線が周方向に配置された回転子の周囲を取り囲むように配置されている超電導回転機の固定子の冷却構造であって、
   前記固定子は、
   全体として筒状に形成され、その軸方向において複数の分割片に分割されたバックヨークと、
   前記バックヨークの各分割片の内周面に該バックヨークの中心軸に向けて延びるように該バックヨークの周方向に間隔を有して配設された複数のティースと、
   前記バックヨークの各分割片の内周面において隣り合う前記ティースの間に配置された固定子巻線と、
   を備え、
   前記冷却構造は、
   前記バックヨークの外周に、該バックヨークの軸方向に延在するように該バックヨークの周方向に交互に形成された複数の給気流路及び複数の排気流路と、
   前記バックヨークの隣り合う分割片の間に該バックヨークを貫通し且つそれぞれの一端がその対応する前記給気流路にそれぞれ接続されるように、該バックヨークの周方向に配置された複数の給気バックヨーク流路と、
   前記バックヨークの隣り合う分割片の間に該バックヨークを貫通し且つそれぞれの一端がその対応する前記排気流路にそれぞれ接続されるように、該バックヨークの周方向に配置された複数の排気バックヨーク流路と、
   前記バックヨークの隣り合う分割片にそれぞれ配設された２群のティースの間に該ティースの基端から先端に向けて延び且つそれぞれの基端がその対応する前記給気バックヨーク流路にそれぞれ接続されるように、該バックヨークの周方向に配置された複数の給気ティース流路と、
   前記バックヨークの隣り合う分割片にそれぞれ配設された２群のティースの間に該ティースの基端から先端に向けて延び且つそれぞれの基端がその対応する前記排気バックヨーク流路にそれぞれ接続されるように、該バックヨークの周方向に配置された複数の排気ティース流路と、
   前記給気ティース流路と、前記排気ティース流路とを連通するように、前記ティースを前記バックヨークの軸方向に貫通するティース穴と、
   を備えて成る、超電導回転機の固定子冷却構造。
2. 前記給気バックヨーク流路及び前記排気バックヨーク流路における前記バックヨークの軸方向の長さであるバックヨーク流路幅と、前記給気ティース流路及び前記排気ティース流路における前記バックヨークの軸方向の長さであるティース流路幅とは、次式が成立するように決定される、請求項１に記載の超電導回転機の固定子冷却構造。
   ｔ２＝｛（Ｂ１×ｔ１＋４×Ａｈ）÷（４×Ｂ２）｝×α
   但し、ｔ１はバックヨーク流路幅、ｔ２はティース流路幅、Ｂ１はバックヨーク流路における筐体の周方向の長さ、Ｂ２はティース流路における筐体の周方向の長さ、Ａｈはティース穴１個あたりの面積、αは０.９〜１.１の比例係数である。
3. 前記バックヨーク流路幅は６ｍｍ 、
   前記ティース流路幅は１２ｍｍ 、
   前記バックヨークの軸方向における前記給気バックヨーク流路及び前記排気バックヨーク流路の配置間隔、及び前記バックヨークの軸方向における前記給気ティース流路及び前記排気ティース流路の配置間隔はともに１００ｍｍ である、
   請求項２に記載の超電導回転機の固定子冷却構造。
4. 前記固定子は、隣り合う前記ティースの間に前記固定子巻線を保持するように隣り合う前記ティースの間に架設されたウエッジをさらに備え、
   前記給気ティース流路及び前記排気ティース流路は、前記固定子と前記回転子との間のエアギャップに至るように延びており、該エアギャップと前記ティース流路との間が非連通となるように、前記給気ティース流路及び前記排気ティース流路が前記ウエッジによって閉鎖されている、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の超電導回転機の固定子冷却構造。
5. 前記給気バックヨーク流路及び排気バックヨーク流路に位置する前記固定子巻線の径方向外側の面には、前記バックヨークの軸方向に延在し、且つ該径方向外側に出っ張った断面形状を有する整流体が配置されている、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の超電導回転機の固定子冷却構造。
6. １つのバックヨークの分割片に配設された１群のティースを挟む前記給気ティース流路及び前記排気ティース流路は、各前記ティースの両側に前記給気ティース流路及び前記排気ティース流路の２種類の流路の中で互いに異なる種類の流路がそれぞれ位置するように配置され、該互いに異なる種類の流路が前記ティース孔によってそれぞれ連通している、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の超電導回転機の固定子冷却構造。