JP2014217166A - 超電導回転機及びその冷却方法 - Google Patents

Abstract

【課題】超電導材料を使用したロータ又はステータを安定に冷却し、高効率で高性能な超電導回転機及びその冷却方法を提供する。【解決手段】超電導回転機は、超電導ステータ１と、ロータ５と、冷媒４とを有する。超電導ステータ１は、両端面間に延設されたスロット１２を有する筒形状のステータコア１１と、スロット１２に収容され超電導線材を巻回して形成された超電導コイル２とから成る。ロータ５は、超電導ステータ１の中心軸と同軸に配置された回転軸５１をもつ。超電導ステータ１とロータ５は、共に共通の冷媒４中に配置されている。スロット１２を形成する周面と超電導コイル２との間には、ステータコア１１の両端面を連通するステータ側隙間１２ｓを有する。ロータ５は、両端面６ａ、６ｂを連通する回転軸５１と平行でない貫通孔６５又は／及び溝を複数有する。【選択図】図１

Description

本発明は、超電導回転機及びその冷却方法に関する。

ステータ又はロータに超電導材料を用いる超電導回転機は、超電導材料の電気抵抗がゼロもしくは極めて小さいことを利用している。このため、銅線を用いる従来の回転機に対し、小型化、高効率化、高トルク化が可能である。これらの特徴を実現するためには、使用する超電導材料をその超電導臨界温度Tc以下に冷却し超電導状態を安定に維持する必要がある。もし、冷却が不十分で運転中に温度がTcを超えると、回転機性能が低下するだけでなく、場合によっては超電導材料が損傷し回転機が故障する不具合が発生する。

特許文献１には、誘導回転機のロータに組込まれたかご型導体に超電導材料を適用することにより、誘導回転機の簡単な構造で高効率な同期回転機として機能する超電導誘導同期回転機が開示されている。一定回転時には、超電導かご型導体には直流電流が流れ発熱はない。しかし、回転数が変化する際には電流が変化し発熱があるため、超電導材料の温度が最高でもTcを超えないよう冷却する必要がある。更に、ステータに超電導コイルを用いる場合には、常に交流電流が流れるため発熱量を上回る冷却が必要となる。しかしながら、特許文献１には、これらの冷却方法が開示されていない。

特許文献２には、超電導材料をロータに用いた超電導回転機に対し、ステータを冷却することにより収容室内にある気体冷媒を介して超電導ロータを冷却する超電導回転機が開示されている。ロータの両端部にファン形状の羽根部が設けられ、羽根部がロータと共に回転すると気体冷媒がステータの両軸端面から軸長方向の中央部に移動し、スロット溝の開口から径方向内側にロータに向かってロータに接触するように、気体冷媒を循環させてロータの超電導材料を冷却している。しかしながら、冷媒がステータの両軸端面から軸長方向の中央部に向かうこと、ロータとステータの間には円筒状のギャップがあることから、必ずしも上述のように気体冷媒が流れるとは限らずロータを十分に冷却できない、更に、ステータに超電導コイルを用いる場合には、ステータ内の超電導コイルを十分に冷却できないという問題がある。特に、冷媒が液体の場合には、超電導コイルや材料の発熱により気化して生じた気泡がステータ内部やロータ−ステータ間のギャップに滞留し、更に冷却が不十分になるという問題がある。

国際公開２００９−１１６２１９号 特開２０１１−６７００６号公報

本発明は、超電導材料を使用したロータ又はステータを安定に冷却し、高効率で高性能な超電導回転機及びその冷却方法を提供することを課題とする。

（１）本発明の超電導回転機は、モータ又は発電機を構成する超電導回転機であって、
両端面間に延設されたスロットを有する筒形状のステータコア、及び前記スロットに収容され超電導線材を巻回して形成された超電導コイルから成る超電導ステータと、
前記超電導ステータに対して回転可能に設けられ、且つ前記超電導ステータの中心軸と回転軸が同軸に配置されたロータとを具備し、
前記超電導ステータと前記ロータは、共に共通の冷媒中に配置され、
前記スロットを形成する周面と前記超電導コイルとの間には、前記ステータコアの軸方向の両端面を連通するステータ側隙間を有し、
前記ロータは、前記ロータの軸方向の両端面を連通し且つ回転軸に対して傾斜する方向に延びる貫通孔又は／及び溝を有することを特徴とする。

上記構成において、ロータと超電導ステータは共通の冷媒中にある。超電導ステータは超電導コイルを収容するスロットを有しており、かつスロットを形成する周面と超電導コイルとの間にはステータの軸方向の両端面を連通するステータ側隙間が形成されている。このため、冷媒がステータ側隙間を流れることができ、超電導コイルを冷却できる。

ロータは、軸方向の両端面を連通し、且つ回転軸に対して傾斜する方向に延びる複数の貫通孔又は／及び溝を有する。このため、ロータが回転すると、冷媒が貫通孔又は／及び溝を通ってロータの一方の端面から他方の端面へ一方向に流れるようになる。

回転機が運転を開始しロータが回転すると、ロータ内ではロータの回転によって、回転軸に対し一方の向きに冷媒の流れが生じる。それにより、超電導ステータではスロットを形成する周面と超電導コイルとのステータ側隙間を通って冷媒がロータ内とは逆向きに流れる。結果として、回転軸に対し一方向の向きに循環する冷媒の流れが生じて、超電導ステータ及びロータを冷却できる。

冷媒が流れる貫通孔又は／及び溝は、ロータの軸方向の両端面を連通している。超電導ステータでは、スロットを形成する周面と超電導コイルとの間に、その軸方向の両端面の間にわたって、冷媒が流れるステータ側隙間を有している。このため、ロータ及び超電導ステータの軸方向の全体に渡って冷媒が循環する。ゆえに、高い効率で超電導コイルを冷却することができる。

このように、冷媒は、液体冷媒であると気体冷媒であるとは限らず、ロータの回転軸に対して傾斜する方向に延びる貫通孔又は／及び溝を通過するときに推進力を得ることができる。ロータで推進力を得た冷媒は、超電導ステータのスロットに形成されたステータ側隙間で、ロータ内と逆方向に安定に流れることができる。それゆえ、超電導コイルで発生した熱をスロット内に留めることなく効率よく除去でき、超電導コイルを安定な温度に冷却できる。

また、液体冷媒の場合には、スロット内で発生した冷媒の気泡をスロットの外部に排出することができるので、超電導コイルを安定な温度に冷却できる。ロータ内においても冷媒が一方向に流れるためステータと同様に安定な温度に冷却できる。

ここで、ロータに形成されている貫通孔又は／及び溝は、ロータの軸方向の両端面を連通する流体通路である。貫通孔は、ロータの内部に形成され、軸方向の両端面にのみ開口がある。溝は、ロータの外周面に形成され、ロータの両端面に開口する端面開口を有するだけでなく、ロータの外周面に開口する側面開口も有している。貫通孔又は／及び溝は、ロータの回転軸と平行ではない方向、即ち回転軸に対して傾斜する方向に延びていて、ロータの両端面を連通している。

ロータは、貫通孔のみを有していても良いし、溝のみを有していても良いし、貫通孔及び溝の双方を有していても良い。ロータは、複数の貫通孔又は／及び溝を有しているとよい。各貫通孔又は／及び溝は、回転軸に対して周方向又は／及び径方向に同じ側に傾いていれば、互いに平行であってもよく、又は平行でなくてもよい。

ロータ内の貫通孔又は／及び溝の中での冷媒の流れる方向は、回転軸に対する貫通孔又は溝の配置（傾き方）とロータの回転方向によって決まる。

（２）例えば、前記ロータの前記貫通孔又は／及び溝は、前記ロータの回転軸に対し周方向の一方向に傾きを持って形成されていることが好ましい。

ロータの貫通孔又は／及び溝がロータの周方向の一方向に傾きを持って形成されている。ロータが回転すると、ロータの両端面での貫通孔又は／及び溝の端面開口で、冷媒の速度差により粘性力が働き、その貫通孔又は／及び溝に平行な成分によって貫通孔又は／及び溝の一方向に冷媒の流れが生じる。このため、冷媒がロータの回転方向に応じて回転軸方向の一方向に流れてロータを冷却する。また、上述のように、ステータ内には逆向きの一方向の流れを生じさせて超電導コイルを冷却する。

ロータの端面を軸方向から見たときに、貫通孔又は／及び溝が手前の端面から反対側の端面に向かって反時計回り方向に傾きを持って形成されている場合、ロータが時計回りに回転すると冷媒は貫通孔又は／及び溝を通って手前の端面から反対側の端面に向かって流れる（図５参照）。逆にロータが反時計回りに回転すると反対側の端面から手前の端面に向かって流れる。

貫通孔はロータの外周表面に近いほど、冷媒の流量が多くなり、好ましい。ロータが貫通孔と溝の両方を有している場合には、貫通孔と溝が同じ周方向に傾いているのが好ましい。また、回転軸に対する傾きが大きいほど、即ちロータ端面との角度が小さいほど、冷媒の流量が多くなり、ロータ及びステータを効率よく冷却できる。

（３）前記貫通孔又は／及び溝のロータの軸方向の端面での開口周縁部において、前記貫通孔又は／及び溝の延び方向と前記ロータの軸方向の端面とのロータ外側の角度が大きい周方向の一方側部分と、前記貫通孔又は／及び溝の延び方向と前記ロータの軸方向の端面とのロータ外側の角度が前記一方側部分よりも小さい周方向の他方側部分とをもち、前記開口周縁部の前記一方側部分が、前記他方側部分よりも回転軸方向に相対的に高くなっていることが好ましい。

貫通孔又は／及び溝がロータの回転軸に対してロータの周方向に傾斜している場合には、貫通孔又は／及び溝の開口周縁部における、貫通孔又は／及び溝の延び方向とロータの端面とのロータ外側の角度が大きい周方向の一方側部分と、貫通孔又は／及び溝の延び方向とロータの端面とのロータ外側の角度が一方側部分よりも小さい周方向の他方側部分とをもつ。貫通孔又は／及び溝の開口周縁部の前記一方側部分を他方側部分よりも、回転軸方向に相対的に高くすることで、冷媒が貫通孔又は／及び溝に流入しやすくなり、流量を増加させることができる。

上述した貫通孔又は／及び溝が手前の端面から反対側の端面に向かって反時計回り方向に傾きを持って形成されている場合には、手前の端面における貫通孔又は／及び溝の開口周縁部において、手前の端面の回転軸側からみて向かって左側（貫通孔又は／及び溝に対して反時計回り側）が右側よりも相対的に手前側のロータ外側に突出し、反対側の開口周縁部は、手前側から見て右側（貫通孔又は／及び溝に対して時計回り側）が左側よりも相対的にロータ外側に突出することになる（図５参照）。例えば、ロータを時計回り方向に回転させたときに、冷媒流入側となるロータの端面では、貫通孔又は／及び溝の開口周縁部において、手前の端面の回転軸側からみて向かって左側（貫通孔又は／及び溝に対して反時計回り側）に、端面よりも手前側のロータ外側に突出する突起部を設けても良い。手前側の端面を周方向の反時計周りに冷媒が流れ、突起部によりせき止められて、貫通孔又は／及び溝に流入しやすくなる。

または、ロータを時計回り方向に回転させたときに、冷媒流入側となるロータの端面では、貫通孔又は／及び溝の開口周縁部において、手前の端面の回転軸側からみて向かって右側（貫通孔又は／及び溝に対して時計回り側）に、端面よりも向こう側のロータ内側に窪み、貫通孔又は／及び溝に繋がる凹部を設けても良い。手前側の端面を周方向の反時計周りに冷媒が流れ、凹部に導かれ貫通孔又は／及び溝に流入しやすくなる。

ロータの端面に形成される突起部又は凹部は、ロータの軸方向の一方の端面にのみ突起部又は凹部を形成することもできる。ロータの貫通孔又は／及び溝への冷媒流入側の端面に突起部又は凹部を設けることが好ましい。

（４）前記ロータの前記貫通孔は、前記ロータの回転軸に対し半径方向の一方向に傾きを持って形成されていることが好ましい。

ロータの貫通孔がロータの半径方向の一方向に傾きを持って形成されていると、ロータが回転すると冷媒が遠心力を受けて、回転方向に依らず、貫通孔のロータの両端面での開口のうち、ロータの回転軸に相対的に近い一方の開口から外周面に相対的に近い他方の開口に向かって一方向に流れる。これにより、ロータが冷却されると共に、上述のように、ステータ内には逆向きの一方向の流れを生じさせて超電導コイルを冷却する。

貫通孔の径方向の傾きは、大きくなるほど冷媒に大きな推進力が働き、多量の冷媒を流通させることができる。

貫通孔は、径方向の一方向に傾きをもち、且つ周方向にも傾きを持っていても良い。特に、貫通孔は、径方向の一方向に傾きを持ち,且つ冷媒流入側の端面からみて手前の端面から反対側の端面に向かって回転方向と逆方向に周方向の傾きをもつ場合には、更に、貫通孔で冷媒の推進力が増し、冷媒の流量を増やすことが出来る。

（５）前記ロータは、導体挿入孔又は／及び導体挿入溝が外周近傍に複数形成された円柱形状のロータコアと、超電導材料からなるかご状導体とを具備し、前記かご状導体は、前記ロータコアの軸方向の両端部に配置されたエンドリングと、両端部の前記エンドリングを電気的に接続する複数のロータバーとからなり、前記ロータバーは、前記導体挿入孔又は／及び導体挿入溝に貫挿されていることが好ましい。

かご状導体は、超電導材料と通常の常伝導材料とが組み合わさってもよい。超電導材料は、例えば、Ｂｉ系超電導材料、Ｙ系超電導材料などがあげられる。常伝導材料は、銅、アルミニウム、銀などがあげられる。

ロータがかご型誘導回転機の構造を有する場合には、ロータは超電導材料でできた複数のロータバーとエンドリングからなるかご状導体が円柱形状のロータコアと組合わさっている。超電導ロータバーは、ロータコアの導体挿入孔又は／及び挿入溝に収容されている。

導体挿入孔又は／及び導体挿入溝が、回転軸に対して平行に延びている場合には、ロータは、導体挿入孔又は／及び導体挿入溝とは別個に、回転軸に対して傾斜する貫通孔をもつとよい。この場合には、冷媒は、貫通孔において推進力が付与されてロータの軸方向の一方向に流れる。回転軸に対して平行に延びるロータの導体挿入孔又は／及び導体挿入溝には、その中のロータ側隙間に、貫通孔での冷媒の向きとは逆方向に冷媒が流れる。ロータと同軸に配置された超電導ステータのスロットのステータ側隙間にも、ロータの貫通孔での冷媒の流れとは逆方向に冷媒が流れる。

導体挿入孔又は／及び導体挿入溝が、回転軸に対して傾斜している場合には、導体挿入孔又は／及び導体挿入溝の中のロータ側隙間において冷媒は一方向に流れる推進力が付与される。このため、導体挿入孔又は／及び導体挿入溝が、上記の傾斜する貫通孔又は／及び溝を構成する。上記で説明したように、導体挿入孔又は／及び導体挿入溝に形成されたロータ側隙間を、冷媒が流通することで、ロータの回転により回転軸の一方向に向けて推進力が得られ、ロータ及び超電導ステータを効率よく冷却することができる。

導体挿入孔又は／及び導体挿入溝が、回転軸に対して傾斜している場合にも、導体挿入孔又は／及び導体挿入溝とは別個に、ロータは回転軸に対して傾斜する貫通孔又は／及び溝を設けることもできる。

本明細書において、「導体挿入孔」は、ロータコアの両端面に連通しており且つロータバーが貫挿された孔をいう。この導体挿入孔は、上記（１）で定義したように回転軸に対して傾斜をもつ貫通孔である場合もあるし、または、上記（１）で定義した貫通孔ではなく、回転軸に対して傾斜をもたない場合もある。

「導体挿入溝」は、ロータコアの両端面に連通し、またロータコアの外周面にも開口しており、且つロータバーが貫挿された溝をいう。この導体挿入溝は、上記（１）で定義したように回転軸に対して傾斜をもつ溝である場合もあるし、上記（１）で定義した溝ではなく、傾斜をもたない場合もある。

（６）前記導体挿入孔は前記貫通孔であって、前記導体挿入孔を形成する周面と前記ロータバーとの間には、前記ロータの軸方向の両端面を連通するロータ側隙間を有することが好ましい。

導体挿入孔が貫通孔を兼ねているので、冷媒が導体挿入孔の中のロータ側隙間を流れ、ロータバーも効率よく冷却できる。ロータコアに貫通孔を別個に形成する必要がないため、磁気回路への影響がない。

（７）前記溝は、前記ロータコアの外周面に開口し、前記ロータの回転軸に対し前記導体挿入孔と同じ傾きをもって形成されていることが好ましい。

導体挿入孔とロータ外周面に形成されている溝が同じ傾きを持って形成されているので、導体挿入孔と溝の中を同じ向きに冷媒が流れる。これに伴い、ステータ側隙間を流れる冷媒の量が増加し、ステータ側の超電導コイルを効果的に冷却することができる。

（８）前記溝は、前記ロータの回転軸の周方向に対し前記導体挿入孔と同じ角度の位置にあることが好ましい。

ロータコアの外周面に開口する溝は、ロータバーが貫挿する導体挿入孔と同じ傾きをもっており、且つ、ロータの回転軸に対し周方向に導体挿入孔とほぼ同じ角度位置に形成されているので、ステータコアとロータコアとからなる磁気回路上から外れている。このため、モータ特性への悪影響がない。むしろ、ステータ側の超電導コイルで発生した磁束がロータバーの外側のステータとの間を通ってしまい、ロータバーを横切らなくなること（漏れ磁束）が抑制される。このため、モータ性能はわずかながら向上することが期待できる。従って、モータ性能に影響を与えることなく、モータを安定な温度に冷却できる。

（９）前記導体挿入溝は前記溝であって、前記導体挿入溝は、前記ロータコアの外周面に開口し、前記導体挿入溝を形成する周面及び前記ロータコアの外周仮想面と、前記ロータバーとの間に前記ロータの軸方向の両端面を連通するロータ側隙間を有することが好ましい。

ロータコアの外周面に開口する溝は、ロータの両端面に連通し且つ回転軸に対して傾斜する方向に延びている。溝は、ロータコアの外周面に開口している。導体挿入溝は、冷媒が流れる溝の役目を兼ねており、ロータバーが貫挿されている。導体挿入溝を形成する周面及びロータコアの外周仮想面と、ロータバーとの間にはロータの両端面を連通するロータ側隙間が形成されている。溝のロータ側隙間がロータバーの径方向外側に形成されている場合には、ロータと超電導ステータとの間のギャップを流れる冷媒は、溝のロータ側隙間内の冷媒の流れに誘導されて、同じ方向に流れる。このため、ロータバーも冷媒に効率よく冷却される。

（１０）前記ロータは、前記ロータの軸方向の両端面を連通し且つ回転軸に対して傾斜する方向に延びるコイル挿入溝が外周部近傍に形成された円柱形状のロータコアと、前記コイル挿入溝に収容されたロータ側超電導コイルとを具備し、
前記コイル挿入溝は前記溝であって、前記ロータ側超電導コイルと前記コイル挿入溝を形成する周面及び前記ロータコアの外周仮想面との間には、前記ロータの軸方向の両端面を連通するロータ側隙間を有することが好ましい。

ロータコアにロータ側超電導コイルが配置された場合で、ロータ側超電導コイルに電流を流し強磁場を発生する界磁ロータとして機能する。ロータ外周部の表面に開口するコイル挿入溝は周方向に傾きを持って形成される。このため、冷媒がコイル挿入溝のロータ側隙間を流れて、ロータ側超電導コイルが安定に冷却される。更に、界磁も同様に周方向に傾きを持つことになるので、異常トルクの発生が抑制されるなどモータ性能が向上する。

（１１）前記ステータコアの内周面に開口する前記スロットの側面開口には、前記超電導ステータと前記ロータとの間に形成されるギャップと、前記スロットとの間を仕切る仕切部材が配設されていることが好ましい。

仕切部材により、ステータのスロット内のステータ側隙間が、ステータとロータとの間のギャップと仕切られる。このため、冷媒がスロットから側面開口を通ってギャップに漏れ出ることを防止できる。従って、スロット内のステータ側隙間に安定に冷媒を流すことができ、超電導コイルを安定に冷却することができる。

（１２）前記超電導ステータに形成された複数の前記スロットの前記ステータ側隙間の径方向の断面積の合計は、前記超電導ステータとロータとの間のギャップの径方向の断面積よりも大きいことが好ましい。

この場合には、スロット内のステータ側隙間に冷媒が流れやすくなり、スロット内の超電導コイルを確実に冷却することができる。一方、超電導ステータの前記スロットに形成されたステータ側隙間の径方向の断面積の合計が、前記超電導ステータとロータとの間のギャップの径方向の断面積と同じか又は小さい場合には、スロットに冷媒が流れにくくなるおそれがある。

（１３）前記ロータが回転することにより、前記冷媒が、前記ロータにおいては、前記貫通孔又は／及び溝を通って前記ロータの軸方向の一方の端面から他方の端面へ流通し、前記超電導ステータにおいては、前記スロットの前記ステータ側隙間を、前記ロータにおける向きとは逆向きに流通して循環することが好ましい。

ロータと超電導ステータとの間を冷媒が循環して、ロータと超電導ステータとを効果的に冷却できる。また、超電導コイルを効率よく冷却できる。

（１４）本発明の超電導回転機の冷却方法は、両端面間に延設されたスロットを有する筒形状のステータコア、及び前記スロットに収容され超電導線材を巻回して形成された超電導コイルから成る超電導ステータと、前記超電導ステータの中心軸と回転軸が同軸に配置されたロータとを具備する、モータ又は発電機を構成する超電導回転機を冷却する方法であって、前記超電導ステータと前記ロータとを、共に共通の冷媒中に配置することにより、前記冷媒を、前記ロータに形成された、前記ロータの軸方向の両端面を連通し且つ回転軸に対して傾斜する方向に延びる貫通孔又は／及び溝を通って、前記ロータの軸方向の一方の端面側から他方の端面側に流通させ、前記スロットを形成する周面と前記超電導コイルとの間に形成され且つ前記ステータコアの両端面を連通するステータ側隙間を通って、前記ロータにおける向きとは逆向きに流通させて、前記冷媒を、前記ロータの前記貫通孔又は／及び溝と、前記ステータコアの前記ステータ側隙間との間を循環させる。

ロータの回転軸に対して傾斜する方向に延びる貫通孔又は／及び溝を冷媒が流通するときに、冷媒に一方向に流れる推進力が得られる。これにより、ロータと超電導ステータとの間を冷媒が循環して、ロータと超電導ステータとを効果的に冷却できる。また、超電導コイルを効率よく冷却できる。

本発明によれば、ロータに、ロータの回転軸に対して傾斜する方向に延びる貫通孔又は／及び溝を有している。それゆえ、ロータの回転により貫通孔又は／及び溝を流通する冷媒に推進力が得られる。このため、超電導コイルを効率よく冷却することができる。

本発明の実施形態１の回転機の断面図である。 実施形態１の超電導ステータの平面図である。 実施形態１の、ステータ側の超電導コイルの部分斜視図である。 実施形態１の、超電導コイルの配置が異なる超電導ステータの平面図である。 実施形態１の、１つの導体挿入孔の傾きを説明するための、ロータの斜視説明図である。 実施形態１の、かご型導体の斜視図である。 実施形態１の、導体挿入孔に形成されたロータ側隙間を説明するためのロータの断面図であって、図７（ａ）は導体挿入孔の径方向内側にロータ側隙間を形成した場合、図７（ｂ）はロータバーの周囲に枠状のロータ側隙間を形成した場合、図７（ｃ）は、ロータバーの径方向内側と外側にロータ側隙間を形成した場合、図７（ｄ）はロータバーの径方向外側にロータ側隙間を形成した場合、図７（ｅ）はロータバーの径方向内側にロータ側隙間を形成した場合を示す。 実施形態１の、突起部を説明するためのロータの側面説明図である。 実施形態１の、突起部の位置を説明するためのロータの平面図である。 実施形態１の、凹部を設けた場合のロータの側面説明図である。 実施形態１の、凹部を設けた場合のロータの平面図である。 実施形態２の回転機の断面図である。 実施形態２の、ロータの導体挿入溝の傾きを説明するためのロータの斜視説明図である。 実施形態２の、溝と導体挿入孔との配置関係を説明するためのロータの断面図であって、図１４（ａ）は溝と導体挿入溝が周方向の位置が異なる場合、図１４（ｂ）は溝と導体挿入溝との周方向の位置が同じ場合を示す。 実施形態３の回転機の断面図である。 実施形態３の、ロータの導体挿入溝の傾きを説明するためのロータの斜視説明図である。 実施形態３の、導体挿入溝に形成されたロータ側隙間を説明するためのロータの断面図であって、図１７（ａ）は導体挿入溝の径方向内側にロータ側隙間を形成した場合、図１７（ｂ）は導体挿入溝の径方向内側及び径方向外側にロータ側隙間を形成した場合、図１７（ｃ）は、ロータバーの径方向外側にロータ側隙間を形成した場合、図１７（ｄ）はロータバーの周囲にロータ側隙間を形成した場合を示す。 実施形態４の回転機の断面図である。 実施形態４の、ロータの導体挿入孔及び貫通孔の傾きを説明するためのロータの斜視説明図である。 実施形態５の、ロータ側超電導コイルを設けたロータの斜視図である。

（実施形態１）
本発明の実施形態に係る超電導回転機及びその冷却方法について図面を用いて詳細に説明する。

超電導回転機は、車両搭載用、産業用、家庭用の超電導モータである。図１に示すように、超電導回転機は、ロータ室１ｒを有する固定子として機能する超電導ステータ１と、回転子として機能するロータ５と、冷媒４とを備える。超電導ステータ１、ロータ５及び冷媒４は、ケース３の中に収容されている。

図１、図２に示すように、超電導ステータ１は、コア中心線Ｐ１をもつステータコア１１と、超電導線材を巻回して形成された超電導コイル２とを有する。ステータコア１１は、コア中心線Ｐ１の回りに形成された筒形状をなしている。ステータコア１１は、高い透磁率をもつ材料（例えば鉄系）で形成されていて、超電導コイル２で発生する磁場をロータ５へ誘導する磁気回路の鉄心として機能する。ステータコア１１は、円筒形状であって、軸方向の両側に形成されたリング状の端面１１ａ、１１ｂと、内周部１１ｃと、外周部１１ｄを有する。

ステータコア１１の内周部１１ｃには、コア中心線Ｐ１の回りの周方向において複数のスロット１２と、ティース１３とが交互に複数並設されている。スロット１２とティース１３とは、コア中心線Ｐ１に向かう求心方向に沿って延設されている。超電導コイル２は、ステータコア１１の内周側において、コア中心線Ｐ１回りの周方向に沿って複数個並設されている。

図３に示すように、超電導コイル２は、超電導材料を被覆層で被覆させて形成されている。超電導コイル２に用いる超電導材料としては、例えば、Ｂｉ系超電導材料、Ｙ系超電導材料などがあげられる。超電導コイル２は、殊にＢｉ系高温超電導材で形成されていることが好ましい。超電導コイル２は、テープ形状の超電導線材をレーストラック（陸上競技場）形状に複数回巻回して形成されている。超電導コイル２は、超電導線材を直状に延設させた直状部２１と、超電導線材を円弧状にＵターンさせて曲成させた曲成部２２とを有する。超電導コイル２の直状部２１は、スロット１２に挿入されている。曲成部２２は、複数のティース１３及び複数のスロット１２の外側においてこれらを跨ぐように架設されている。超電導コイル２の両端部は、口出し線２３を有する。

本実施形態では、図２に示すように、超電導コイル２を、スロット１２の中に、側面開口１２ｃ近傍と、底部近傍の２箇所に配置している。１つの超電導コイル２は、２つのティース１３とその間のスロット１２を跨いで配置されている。

また、図４に示すように、超電導コイル２は、二重の環状に配させてもよい。この場合、周方向に配列するスロットについて、互い違いに、超電導コイル２の直状部２１を配置するとよい。これにより、スロット１２の周面と超電導コイル２との間に、十分なステータ側隙間１２ｓを形成でき、超電導コイル２の冷却効率が高まる。

また、これに限らず、スロット１２の中央にのみ超電導コイル２を配置してもよいし、また、周方向に並設するスロット１２の複数組ごとに、スロット１２の形状を周期的に変えて、超電導コイル２の配置位置を各スロット１２毎に変えてもよい。いずれの場合にも、スロット１２の周面と超電導コイル２との間には、ステータコア１１の両端面１１ａ、１１ｂを連通するステータ側隙間１２ｓが形成される。

図１に示すように、ケース３は、ステータコア１１の外周部１１ｄを覆う円筒形状をなしており、オーステナイト系のステンレス鋼や硬質樹脂等の非磁性材料で形成されている。口出し線２３は、ケース３に固定された図略の接続端子に保持されて、ケース３の外部に電気的に接続されている。

図１、図２に示すように、スロット１２は、ステータコア１１の両端面１１ａ、１１ｂに開口する端面開口１２ａ、１２ｂと、ステータコア１１の内周部１１ｃに開口する側面開口１２ｃを有する。スロット１２の側面開口１２ｃは、仕切部材２６で仕切られていて、スロット１２と、ロータ５と超電導ステータ１との間のギャップ１０との間を仕切っている。仕切部材２６は、長尺形状の薄板である。スロット１２の側面開口１２ｃは、仕切部材２６により、ステータコア１１の軸方向の両端面１１ａ、１１ｂ間に亘って封鎖している。仕切部材２６は、非磁性材料であっても、磁性材料であってもよい。仕切部材２６に用いられる非磁性材料は、例えば、繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）などが挙げられる。仕切部材２６に用いられる磁性材料としては、例えば、鉄又は鉄合金などの透磁性材料、絶縁皮覆軟磁性粉末材料、フェライトなどが挙げられる。

仕切部材２６の厚みは、薄い方がよい。仕切部材２６が磁性材料からなる場合には、厚いと磁場が変わってしまうおそれがある。仕切部材２６が非磁性材料からなる場合には超電導コイル２がロータ５から離れてしまい、超電導コイル２から発する磁束がロータ５に到達しないおそれがある。仕切部材２６の剛性も考慮すると、仕切部材２６の厚みは、おおよそ０．１〜５ｍｍであるとよい。

図２の枠囲み部分の拡大図は、スロット付近の部分拡大断面図を示す。図２の部分拡大断面図に示すように、超電導コイル２をスロット１２に挿入した後に、仕切部材２６の側部周縁は、スロット１２の側面開口１２ｃの周縁に形成した凹条部１２ｄに係止される。これにより、スロット１２の側面開口１２ｃは仕切部材２６により封鎖される。

図１に示すように、ケース３は、超電導ステータ１のステータコア１１の外周部１１ｄを覆う円筒形状をなしている。ケース３は、超電導ステータ１とロータ５と冷媒４とを収容している。ケース３は、オーステナイト系のステンレス鋼や硬質樹脂等の非磁性材料で形成されている。

超電導ステータ１のロータ室１ｒには、ロータ５が配設されている。ロータ５は、超電導ステータ１の中心軸であるコア中心線Ｐ１と回転軸が同軸に配置されている。ロータ５と超電導ステータ１との間には、ロータ５の円滑回転を許容させるリング形状をなす微小なギャップ１０が形成されている。

ロータ５は、回転軸５１と、回転軸５１を貫挿させる軸孔６ｄをもつ円筒形状のロータコア６と、ロータコア６の外周部６ｃに形成された導体挿入孔６１と、導体挿入孔６１に挿入されたかご型導体７とを有する。

図２に示すように、超電導ステータ１のスロット１２に形成されたステータ側隙間１２ｓの径方向の断面積の合計は、超電導ステータ１とロータ５との間のギャップ１０の径方向の断面積よりも大きい。ここで、「ステータ側隙間１２ｓの径方向の断面積」は、スロット１２の径方向断面からスロット１２内の超電導コイル２の占有する径方向断面積を除いた径方向断面積である。「ステータ側隙間１２ｓの径方向の断面積の合計」は、超電導ステータ１に設けられている複数のスロット１２に形成されたステータ側隙間１２ｓの径方向断面の合計をいう。「ギャップ１０の径方向の断面積」は、ステータコア１１の内周部１１ｃと、ロータ５のロータコア６の外周部６ｃとの間に形成されるリング形状のギャップ１０の径方向断面の面積である。

図５に示すように、ロータコア６は、珪素鋼板等の電磁鋼板を軸方向に積層して形成されている。ロータコア６の外周部６ｃ近傍には、周方向に複数の導体挿入孔６１が形成されている。導体挿入孔６１は、ロータコア６の軸方向の両方の端面６ａ、６ｂを連通している。導体挿入孔６１は、ロータコア６の軸方向の端面６ａ、６ｂに開口する端面開口６１ａ、６１ｂを有する。

図５は、ロータコア６に形成された１つの導体挿入孔６１の傾きを示すためのロータコア６の斜視図である。図５に示すように、導体挿入孔６１の延び方向は、ロータ５の周方向の一方向に傾斜している。図５の紙上において、ロータコア６の一方の端面６ａに開口する端面開口６１ａに対して、他方の端面６ｂに開口する端面開口６１ｂは、反時計回り方向に位置しており、一方の端面開口６１ａから他方の端面開口６１ｂに向かって、周方向に所定の傾斜角度θで傾斜している。

図５において、Ｐ１は、ステータコア１１の軸中心及びロータ５の回転軸に対して同軸位置に延びるコア中心線である。Ｐ２は、コア中心線Ｐ１と、導体挿入孔６１の一方の端面６ａ上の端面開口６１ａの周方向中心とを通る第１径方向中心線である。Ｐ３は、他方の端面６ｂ上で、第１径方向中心線Ｐ２と周方向の位置を同じとする第２径方向中心線である。Ｐ４は、ロータコア６の外周部６ｃ上にあり、且つ、第１，第２径方向中心線Ｐ２、Ｐ３を繋ぎ、コア中心線Ｐ１と平行に延びる外周中心線である。Ｐ５は、導体挿入孔６１の周方向中心に位置し、導体挿入孔６１の延び方向に延びる孔中心線である。Ｐ６は、導体挿入孔６１の一方の端面開口６１ａと他方の端面開口６１ｂの周方向のズレ量である。 外周中心線Ｐ４と孔中心線Ｐ５とがなす角度が、傾斜角度θである。傾斜角度θは、軸方向に対する導体挿入孔６１の傾きを表し、例えば、１〜１０°であるとよい。導体挿入孔６１の傾斜角度θは、導体挿入孔６１の一方の端面開口６１ａと他方の端面開口６１ｂの周方向のズレ量Ｐ６が、導体挿入孔６１の１ピッチ分までの範囲内となる程度とするとよい。

図６に示すように、かご型導体７は、Ｂｉ系超電導材料から形成されている。かご型導体７は、全体がかご形状を呈しており、複数のロータバー７１と、ロータバー７１の端部を繋ぐリング形状のエンドリング７２とからなる。ロータバー７１は、周方向に一定の傾斜角度θで傾斜している。複数のロータバー７１は、互いに平行に均一な間隔を隔てて、周方向に並設されている。

ロータバー７１は、矩形断面を有する。ロータバー７１は、複数本のＢｉ系高温超電導フィラメントを、銀などの導電性金属により被覆して形成されている。

図５および後述の図９に示すように、ロータバー７１は、ロータコア６の導体挿入孔６１に挿入されている。ロータバー７１の断面の大きさは、導体挿入孔６１の断面の大きさよりも小さく、ロータバー７１と導体挿入孔６１を形成する周面との間にはロータ側隙間６１ｓが形成される。導体挿入孔６１は、貫通孔６５を兼ねており、導体挿入孔６１の中のロータ側隙間６１ｓには冷媒が流れる。導体挿入孔６１は、ロータコア６の軸方向の両端面６ａ、６ｂを連挿し且つ回転軸５１に対して傾斜する方向に延びる貫通孔６５に相当する。ロータ側隙間６１ｓは、導体挿入孔６１に沿って延びており、ロータ５のロータコア６の両端面６ａ、６ｂを連通している。ロータ側隙間６１ｓは、導体挿入孔６１の傾斜方向θに沿って、コア中心線Ｐ１（回転軸）に対して傾斜している。

導体挿入孔６１に形成されるロータ側隙間６１ｓの形態としては、例えば、図７に列挙されたものがある。図７（ａ）に示す例では、ロータバー７１と導体挿入孔６１の外周側の周面６１ｄとが接していて、ロータバー７１の周方向の両側の面と、この面と対向する導体挿入孔６１の周面６１ｄとの間から、ロータバー７１の内周側の面と、この面と対向する導体挿入孔６１の周面６１ｄとの間にわたって形成された断面コ字形状を呈する１つのロータ側隙間６１ｓが形成されている。

図７（ｂ）に示した例では、矩形のロータバー７１の周囲全体がロータバー７１の全体の面から離れていて、枠形状を呈する１つのロータ側隙間６１ｓが形成されている。図７（ｃ）に示す例では、ロータバー７１の周方向の両面が導体挿入孔６１に接していて、ロータバー７１の径方向内側と外側の両方の面と、この面と対向する導体挿入孔６１の周面６１ｄとの間に２つのロータ側隙間６１ｓが形成されている。

図７（ｄ）に示す例では、ロータバー７１の周方向両側と径方向内側が導体挿入孔６１の周面６１ｄと接していて、ロータバー７１の径方向外側の面と、この面と対向する導体挿入孔６１の周面６１ｄとの間に１つのロータ側隙間６１ｓが形成されている。

図７（ｅ）に示す例では、ロータバー７１の周方向両側と径方向外側が導体挿入孔６１の周面６１ｄと接していて、ロータバー７１の径方向内側の面と、この面と対向する導体挿入孔６１の周面６１ｄとの間に１つのロータ側隙間６１ｓが形成されている。

この中、モータ性能の点で、ロータバー７１が可能な限り超電導ステータ１に近く、且つロータバー７１を冷却する効率の観点から、冷媒との接触面積を多く確保できる図７（ｅ）に示す形状のロータ側隙間６１ｓがよい。

また、１つの導体挿入孔６１の径方向断面の面積に対する、１つの導体挿入孔６１に形成されるロータ側隙間６１ｓの径方向断面の面積の比率は、大きいほど好ましく、例えば、１０〜８０％とするとよい。１つの導体挿入孔６１に形成されるロータ側隙間６１ｓの径方向断面の面積は、１つの導体挿入孔６１の径方向断面積からロータバー７１の占有する断面積を引いた面積である。

図８は、１つの貫通孔６５を模式的に示したロータ５の側面図である。図８に示すように、貫通孔６５の端面開口６５ａ、６５ｂでの開口周縁部において、貫通孔６５の延び方向がロータコア６の端面６ａ、６ｂとロータ５外側になす角度αの大きい周方向の一方側部分Ａが、ロータコア６の端面６ａ、６ｂとロータ５外側になす角度βの小さい周方向の他方側部分Ｂよりも回転軸方向に高くなっている。即ち、貫通孔６５の開口周縁部の一方側部分Ａが端面６ａ、６ｂとのロータ５外側になす角度αは、他方側部分Ｂが端面６ａ、６ｂとロータ５外側になす角度βよりも大きい（α＞β）。大きい角度αをもつ一方側部分Ａには、端面６ａ、６ｂよりも軸方向に高く突出する突起部６０が設けられている。

図９は、ロータ５の一端面を示す平面図である。図９に示すように、突起部６０は、第１径方向中心線Ｐ２にほぼ沿うようにして長く配置されている。突起部６０は、ロータ側隙間６１ｓを有する導体挿入孔６１の開口周縁部の一方側部分Ａから第１径方向中心線Ｐ２上まで、径方向に対して傾斜する方向に長く延びている。突起部６０は長ければ長い程、多くの冷媒をロータ側隙間６１ｓに流入させることができる。

図８に示すように、突起部６０は、貫通孔６５に近接する部分が最も高く、貫通孔６５から離間するに従って徐々に高さが低くなっている。突起部６０の端面６ａ、６ｂからの高さは、高いほど多くの冷媒４をロータ側隙間６１ｓに流入させることができるが、過剰に高い場合には冷媒４の流動抵抗になり、回転機の効率が低下するおそれがある。端面６ａ、６ｂからの突起部６０の最も高い部分の高さＨ１は、せいぜい０．１ｍｍ〜１０ｍｍ程度であるとよい。

図９紙面上では、冷媒流入側のロータコア６の端面６ａでは、貫通孔６５の周方向の反時計回り側に突起部６０が突出している。この場合、ロータ５を時計回りに回転させると、冷媒はロータ５に対して相対的に端面６ａ上を半時計方向に流れる。反時計回りに流れる冷媒は、突起部６０に当たり、遠心力により突起部６０の側面に沿って径方向外側に移動する。やがて、ロータコア６の外周部６ｃ近傍に配置されている貫通孔６５のロータ側隙間６１ｓに流入する。

図８、図９に示すように、ロータ５の回転方向が反時計方向である場合には、冷媒は、貫通孔６５のロータ側隙間６１ｓの中を、他方の端面６ｂの端面開口６５ｂから、一方の端面６ａの端面開口６５ａに向かって流通する。この場合にも、ロータコア６の他方の端面６ｂの端面開口６５ｂの開口周縁部において、回転方向と反対側の一方側部分Ａに突起部６０を設けている。このため、他方の端面６ｂ上を移動する冷媒を効率よく、貫通孔６５のロータ側隙間６１ｓに流入させることができる。

このように突起部６０を貫通孔６５の端面開口６５ａ、６５ｂの開口周縁部に設けることにより、端面６ａ、６ｂ上を回転方向と反対側に流れる冷媒を集めて、ロータ側隙間６１ｓに流入させる。これにより、多量の冷媒が貫通孔６５のロータ側隙間６１ｓに流入することができ、冷却効率が更に高くなる。

また、図１０、図１１に示すように、大きい角度αをもつ一方側部分Ａが、角度αよりも小さい角度βをもつ他方側部分Ｂに対して相対的に高くなるように、大きい角度αをもつ一方側部分Ａに対して、角度αよりも小さい角度βをもつ他方側部分Ｂに、凹部６９を形成してもよい。凹部６９は、貫通孔６５に連続的に繋がる。凹部６９は、いわゆる貫通孔６５の開口周縁部を面取りした形状を呈している。

凹部６９は、径方向中心線Ｐ２にほぼ沿うように細長い形状を呈していることがよい。凹部６９は、ロータ側隙間６１ｓを有する貫通孔６５の開口周縁部の他方側部分Ｂから第１径方向中心線Ｐ２上まで、径方向に対して傾斜する方向に長く延びているとよい。凹部６９は長ければ長い程、多くの冷媒４を貫通孔６５のロータ側隙間６１ｓに流入させることができる。冷媒に作用する粘性力によって、冷媒４は凹部６９に入り、貫通孔６５に流入する。

ロータコア６の一方の端面６ａに形成した凹部６９は、貫通孔６５を形成する端面開口６５ａのうち、周方向の他方側部分Ｂに対面している第１辺６５ｃだけでなく、径方向内側の第２辺６５ｄにも連続して形成されている。凹部６９の形状は、図８、図９において突起部６０を形成していない他方側部分Ｂの形状にほぼ一致する。凹部６９は、貫通孔６５から遠方の径方向内側の先端から、貫通孔６５に近づくに従って徐々に深くなっている。

ロータコア６の他方の端面６ｂに形成した凹部６９も、一方の端面６ａに形成した凹部６９と同様に、貫通孔６５を形成する端面開口６５ｂのうち、周方向の他方側部分Ｂに対面している第１辺だけでなく、径方向内側の第２辺にも連続して形成されている。凹部６９の形状は、図８、図９において突起部６０を形成していない他方側部分Ｂの形状に一致する。凹部６９は、貫通孔６５から遠方の径方向内側の先端から、貫通孔６５に近づくに従って徐々に深くなっている。

図８、図９においては、一方の端面６ａにおいて１つの突起部６０を示しているが、複数の貫通孔６５の開口周縁部の一方側部分Ａにそれぞれ突起部６０を設けても良い。図１０、図１１においては、一方の端面６ｂにおいて１つの凹部６９を示しているが、複数の貫通孔６５の開口周縁部の他方側部分Ｂにそれぞれ突起部６０を設けても良い。突起部６０及び凹部６９のいずれも、すべての貫通孔６５に対応してそれぞれ設けても良く、複数の導体挿入孔６１の中の一部に設けてもよい。

図１に示すように、冷媒４は、ケース３の中に、ロータ５及び超電導ステータ１とともに収容されている。ロータ５及び超電導ステータ１は、共通する冷媒４の中に配置されている。冷媒４は、超電導ステータ１の超電導コイル２やロータ５のかご型導体７に用いられる超電導材料を、その超電導臨界温度Tc以下に冷却して電気抵抗をゼロ又は極めて小さくしたり、常伝導導電材（銅、アルミニウムなど）を冷却して電気抵抗を小さくしたりするものである。冷媒４は、例えば、液体状態の窒素、空気、アルゴン、ネオン、水素、ヘリウムなどの液体冷媒や、例えば、気体状態の窒素、空気、アルゴン、ネオン、水素、ヘリウムなどの気体冷媒を用いる。モータの近辺には、冷媒４を冷却するための極低温冷凍機が搭載される。

モータ駆動時には、超電導ステータ１に設けられた複数の超電導コイル２には、三相交流のＵ相、Ｖ相、Ｗ相が通電される。三相交流のＵ相が通電される超電導コイル２、Ｖ相が通電される超電導コイル２、Ｗ相が通電される超電導コイル２がそれぞれ存在する。Ｕ相が通電される超電導コイル２同士は、直接に電気接続される。Ｖ相が通電される超電導コイル２同士は、直接に電気接続される。Ｗ相が通電される超電導コイル２同士は、直接に電気接続される。

本実施形態において、ロータ５と超電導ステータ１は共通の冷媒４の中にある。超電導ステータ１は超電導コイル２を収容するスロット１２を有しており、かつスロット１２を形成する周面と超電導コイル２との間には、超電導ステータ１のステータコア１１の両端面１１ａ、１１ｂを連通するステータ側隙間１２ｓが形成されている。このため、冷媒４がステータ側隙間１２ｓを流れることができ、超電導コイル２を冷却できる。

ロータ５のロータコア６には、両端面６ａ、６ｂを連通し且つ、回転軸５１と平行でない回転軸５１に対して傾斜する方向に延びる複数の導体挿入孔６１が形成されている。導体挿入孔６１の中には、ロータバー７１との間のロータ側隙間６１ｓが形成されている。このため、ロータ５が回転すると、ロータコア６の両端面６ａ、６ｂに開口する導体挿入孔６１の端面開口６１ａ、６１ｂで、冷媒の速度差により粘性力が働き、その導体挿入孔６１に平行な成分によって導体挿入孔６１の一方向にロータ側隙間６１ｓの中を冷媒４の流れが生じる。

それにより、超電導ステータ１ではスロット１２を形成する周面と超電導コイル２とのステータ側隙間１２ｓを通って冷媒４がロータ５内とは逆向きに流れる。また、ロータ５と超電導ステータ１との間のギャップ１０にも、ロータ５内とは逆向きに冷媒が流れる。結果として、回転軸５１に対し一方向の向きに循環する冷媒４の流れが生じて、超電導ステータ１及びロータ５を効率よく冷却できる。

図８、図９に示すように、ロータコア６の端面６ａを軸方向から見たときに、貫通孔６５がロータコア６の手前の端面６ａから反対側の端面６ｂ向かって反時計回り方向に傾きを持って形成されている場合、ロータ５が時計回りに回転すると冷媒は貫通孔６５のロータ側隙間６１ｓを通って手前の端面開口６５ａから反対側の端面開口６５ｂに向かって流れる。逆にロータ５が反時計回りに回転すると反対側の端面開口６５ｂから手前の端面開口６５ａに向かって流れる。

冷媒４が流れるロータ側隙間６１ｓは、ロータコア６の軸方向の両端面６ａ、６ｂを連通しており、超電導ステータ１は、スロット１２と超電導コイル２との間に、その軸方向の両端面１１ａ、１１ｂの間にわたって、冷媒４が流れるステータ側隙間１２ｓを有している。このため、超電導ステータ１の軸方向の全体に渡って冷媒４が循環する。ゆえに、高い効率で超電導コイル２を冷却することができる。

このように、冷媒４は、液体冷媒であると気体冷媒であるとは限らず、ロータ５の回転軸とは非平行な貫通孔６５を通過するときに推進力を得ることができる。このため、超電導ステータ１内ではロータ５内と逆方向に安定に流れることができる。それゆえ、超電導コイル２で発生した熱をスロット１２内に留めることなく効率よく除去でき、超電導コイル２を安定な温度に冷却できる。

また、液体冷媒の場合には、スロット１２内で発生した冷媒の気泡をスロット１２の外部に排出することができるので、超電導コイル２を安定に冷却できる。ロータ５内においても冷媒が一方向に流れるため超電導ステータ１と同様に安定な温度に冷却できる。

なお、本実施形態の回転機は、超電導モータとして用いているが、同様の構成で、発電機として用いることも可能である。

（実施形態２）
実施形態２の回転機は、図１２、図１３に示すように、ロータ５が、ロータバー７１を挿入した導体挿入孔６１のほかに、溝６８を有している点で、実施形態１と相違する。

溝６８は、導体挿入孔６１よりもロータ５の径方向外側に形成されている。溝６８は、ロータコア６の外周部６ｃの表面に開口する側面開口６８ｃと、ロータコア６の軸方向の両端面６ａ、６ｂに開口する端面開口６８ａ、６８ｂとを有する。溝６８の径方向断面形状は矩形をなしている。溝６８は、側面開口６８ｃを通じて、ギャップ１０と連通している。

導体挿入孔６１は、実施形態１と同様に、回転軸５１に対してロータコア６の周方向に傾斜角度θで傾斜している。本実施形態における溝６８は、導体挿入孔６１とともに、回転軸５１に対してロータコア６の周方向に傾斜角度θで傾斜している。

溝６８の深さ（溝６８のロータコア６の外周仮想面からの深さ）は、例えば０．１ｍｍ〜数ｍｍがよい。超電導ステータ１になるべく近づけて高出力を得つつ、ギャップ１０の冷媒４も、溝６８と同じ方向に流れるように誘導することができる。このため、多量の冷媒４に推進力を与えることができ、多量の冷媒４で、超電導コイル２を冷却することができる。

溝６８と導体挿入孔６１との配置関係を図１４に示す。たとえば、図１４（ａ）に示すように、ロータコア６の周方向に、導体挿入孔６１および溝６８が等間隔で配列している。導体挿入孔６１よりも径方向外側に溝６８が形成されている。ロータコア６の周方向において、導体挿入孔６１と溝６８とが互い違いに配置されている。この場合には、ロータバー７１をロータコア６の外周部６ｃの表面に近接させることができるため、ロータバー７１を、超電導ステータ１に近づけることができ、強い磁場を発生させることができる。

図１４（ｂ）に示すように、導体挿入孔６１と溝６８とが、ロータコア６の周方向において同じ位置に配置されている。図１２、図１３は、いずれも、図１４（ｂ）に示すように、導体挿入孔６１と溝６８とが周方向の同じ位置に形成されている場合を示している。図１４（ｂ）に示す配置関係にある場合には、溝６８が、ステータコア１１とロータコア６とで形成される磁気回路に影響がない。

（実施形態３）
実施形態３の回転機は、図１５、図１６に示すように、ロータコア６の外周部６ｃには、かご型導体７のロータバー７１を収容する導体挿入溝６２が形成されている。導体挿入溝６２は、ロータコア６の軸方向の両端面６ａ、６ｂに開口する端面開口６２ａ、６２ｂと、ロータコア６の外周部６ｃに開口する側面開口６２ｃとを有する。

導体挿入溝６２は、冷媒４が流れる溝６６を兼ねており、ロータバー７１と導体挿入溝６２を形成する周面およびロータコア６の外周仮想面との間には、ロータコア６の軸方向の両端面６ａ、６ｂに連通するロータ側隙間６２ｒ、６２ｓが形成される。導体挿入溝６２は、実施形態１の導体挿入孔６１と同様に、ロータコア６の周方向に所定の傾斜角度θで傾斜している。

図１７に示すように、導体挿入溝６２に挿入されるロータバー７１とロータ側隙間６２ｒ、６２ｓの位置は、種々の態様がある。例えば、図１７（ａ）に示すように、ロータバー７１は、導体挿入溝６２の側面開口６２ｃ側に寄せて、ロータバー７１の外周側の面を、ロータコア６の外周部６ｃの表面と一致させ、ロータバー７１の径方向内側にロータ側隙間６２ｓを形成するように配置してもよい。

また、図１７（ｂ）に示すように、ロータバー７１は、導体挿入溝６２の径方向の長さの中央部分に配置させてもよい。この場合、ロータバー７１の径方向内側の面と、導体挿入溝６２の径方向内側の周面６２ｄとの間に、ロータ側隙間６２ｓが形成される。また、ロータバー７１の外側の面と、導体挿入溝６２の側面開口６２ｃ（ロータコア６の外周仮想面）との間に、ロータ側隙間６２ｒが形成される。ロータバー７１の径方向外側のロータ側隙間６２ｒは、径方向外側に、ロータコア６の外周部６ｃに開口する側面開口６２ｃをもち、ロータ５と超電導ステータ１との間のギャップ１０に連通している。

また、図１７（ｃ）に示すように、ロータバー７１は、導体挿入溝６２の径方向の内側に寄せて配置されていてもよい。この場合、ロータバー７１の径方向内側にはロータ側隙間６２ｓは形成されず、径方向外側に、ロータコア６の外周部６ｃに開口しギャップ１０に連通する側面開口６２ｃをもつロータ側隙間６２ｒが形成される。

図１７（ｄ）に示すように、ロータバー７１の周方向の幅が、導体挿入溝６２の周方向の幅よりも小さく、ロータバー７１は、導体挿入溝６２の中央に配置させてもよい。この場合には、ギャップ１０に連通する側面開口６２ｃをもつロータ側隙間６２ｒが形成される。なお、図１５に示す導体挿入溝６２は、図１７（ｂ）又は図１７（ｄ）に示すように、ロータバー７１を導体挿入溝６２の径方向の中央部分に配置させて、ギャップ１０と連通する側面開口６２ｃをもつロータ側隙間６２ｒと、側面開口６２ｃを持たないロータ側隙間６２ｓを形成した例を示す。

本実施形態においては、ロータコア６に、導体挿入溝６２を形成して、導体挿入溝６２にロータバー７１を挿入している。導体挿入溝６２は、ロータ５の周方向の一方向に傾斜している。導体挿入溝６２の周面６２ｄおよびロータコア６の外周仮想面とロータバー７１との間には、ロータ側隙間６２ｓ、６２ｒが形成される。このため、ロータ５を回転させると、冷媒が、ロータ側隙間６２ｓ、６２ｒを流通するときに推進力が得られ、溝６６を兼ねる導体挿入溝６２の中を一方向に流通する。超電導ステータ１では、スロット１２の周面と超電導コイル２との間のステータ側隙間１２ｓに、ロータ５での冷媒４の流れとは逆方向に冷媒４が流通する。このため、超電導コイル２を効率よく冷却することができる。

特に、図１５に示すように、導体挿入溝６２の中に、ロータバー７１を径方向内側に配置して、ロータバー７１の径方向外側にロータ側隙間６２ｒを形成させた場合には、ロータ側隙間６２ｒが、ギャップ１０と接して、ギャップ１０を流通する冷媒４に、同じ方向に流れる推進力を誘発させる。このため、ロータ側隙間６２ｒと、ギャップ１０とにより、ロータバー７１の配置によっては更に、ロータ側隙間６２ｓとにより、同じ方向に多量の冷媒４の流れを生み出すことができる。このため、超電導コイル２とスロット１２の周面との間のステータ側隙間１２ｓに多量の冷媒４が反対方向に流れ、更に効率よく超電導コイル２を冷却することができる。

ロータ側隙間６２ｒは、ギャップ１０に接している。ロータ側隙間６２ｒの深さ（ロータコア６の外周仮想面からの深さ）は、例えば、０．１ｍｍ以上数ｍｍ以下であるとよい。ロータバー７１を超電導ステータ１に近づけつつ、ロータ側隙間６２ｒ及びこれに接するギャップ１０を流れる冷媒に推進力を確実に付与することができる。

本実施形態においても、実施形態１のように、ロータコア６の端面６ａ、６ｂに開口する溝６６（導体挿入溝６２）の端面開口６６ａ、６６ｂの周縁に突起部６０又は凹部６９を設けて、冷媒４が溝６６（導体挿入溝６２）に導入されやすくしてもよい。その他は、実施形態１と同様である。

（実施形態４）
本実施形態の回転機は、図１８、図１９に示すように、ロータ５に、ロータバー７１を収容する導体挿入孔６７の他に、導体挿入孔６７とは別個の貫通孔６３を形成している。

貫通孔６３には、ロータバーは挿入されていない。ロータコア６の両端面６ａ、６ｂには、貫通孔６３の端面開口６３ａ、６３ｂが開口している。貫通孔６３は、一方の端面開口６３ａから他方の端面開口６３ｂに向けて径方向内側に所定の傾斜角度θで傾斜している。ロータ５の回転により、貫通孔６３では、冷媒４が遠心力を受けて、他方の端面６３ｂから一方の端面６３ａに流通する。冷媒４は、貫通孔６３を流通するときに推進力が付与される。

貫通孔６３よりも径方向外側には、ロータバー７１を挿入した導体挿入孔６７が形成されている。導体挿入孔６７は、ロータコア６の両端面６ａ、６ｂに連通しているが、コア中心線Ｐ１と平行に延びている。このため、実施形態１の導体挿入孔６１とは異なって、導体挿入孔６７ではロータ回転による冷媒の推進力が得られない。

傾斜する貫通孔６３で付与された冷媒の推進力により、導体貫通孔６７の中では、貫通孔６３とは逆向きに冷媒が流れる。しかし、本実施形態の導体挿入孔６７に周方向の位置方向に傾斜をつけることも可能である。このとき、ロータ回転方向に対して、同じ方向に傾斜させてもよく、また、逆方向に傾斜させてもよい。好ましくは、貫通孔６３での冷媒の流れ方向と、導体挿入孔６７内のロータ側隙間６７ｓでの冷媒４の流方向が同じであるとよい。

導体挿入孔６７を周方向に傾斜させる場合、図１９の紙面上の端面６ａをコア中心線Ｐ１の上方からみて時計周りにロータ５を回転させるとき、導体挿入孔６７を、一方の端面開口６７ａから他方の端面６７ｂに向かって右側（時計周り側）に傾斜させるとよい。これにより、図１８に示すように、導体挿入孔６７内のロータ側隙間６７ｓにおいても、貫通孔６３と同様に、他方の端面開口６７ｂから一方の端面開口６７ａに向かう冷媒の推進力が得られる。

変形例として、内側に形成された貫通孔６３は、径方向に傾斜しているが、代わりに周方向に傾斜させてもよい。外側に形成された導体挿入孔６７は、内側に形成された貫通孔６３と同じ向きに周方向に傾斜させてもよい。この場合には、ロータ５の回転方向にかかわりなく、導体挿入孔６７内のロータ側隙間６７ｓと、内側の貫通孔６３の双方で、同じ向きの冷媒の推進力が付与され、多量の冷媒を一方向に循環させることができる。

外側に形成された導体挿入孔６７は、ギャップ１０に開口していないが、ギャップ１０に開口する側面開口をもつ導体挿入溝としてもよい。

（実施形態５）
本実施形態の回転機は、図２０に示すように、ロータ５が、ロータコア８と、ロータ側超電導コイル９とからなる。

ロータコア８は、ステータコアと組合わさって磁気回路を構成する鉄心として機能し、高透磁率材料からなる。ロータコア８は、円柱形状であり、その外周部８ｃには、ティース８１とコイル挿入溝８２とが交互に周方向に並設している。コイル挿入溝８２は、ロータコア８の両端面８ａ、８ｂを連通しており、回転軸５１と平行でない方向に延びている。

ロータ側超電導コイル９は、テープ形状の超電導線材をレーストラック（陸上競技場）形状に複数回巻回して形成されている。ロータ側超電導コイル９は、超電導線材を直状に延設させた直状部９１と、超電導線材を円弧状にＵターンさせて曲成させた曲成部９２とを有する。ロータ側超電導コイル９の直状部９１は、コイル挿入溝８２に挿入されている。曲成部９２は、１つのティース８１を跨ぐように架設されている。

コイル挿入溝８２は、冷媒が流れる溝を兼ねており、ロータ側超電導コイル９の直状部９１とコイル挿入溝８２を形成する周面およびロータコア８の外周仮想面との間には、ロータ側隙間８２ｓを形成している。ロータ側隙間８２ｓは、ロータコア８の軸方向の両端面８ａ、８ｂに連通している。

コイル挿入溝８２の中に形成されるロータ側隙間８２ｓの位置は、ロータ側超電導コイル９のコイル挿入溝８２での配置位置に依存する。例えば、ロータ側超電導コイル９を、コイル挿入溝８２の側面開口８２ｃに近い位置に配置し、隣り合うロータ側超電導コイル９の直状部９１同士を接触させて配置したときには、直状部９１の径方向内側にロータ側隙間８２ｓが形成される。図２０に示すように、ロータ側超電導コイル９をコイル挿入溝８２の奥側に配置したときには、直状部９１の径方向外側にロータコア６の外周部８ｃの表面に開口するロータ側隙間８２ｒが形成される。

ロータ側隙間８２ｓ、８２ｒは、直状部９１の径方向内側または／および径方向外側のいずれに形成されても、ロータコア８の両端面８ａ、８ｂを連通している。ロータ５に形成された複数のコイル挿入溝８２は、互いに平行に延びていて、ロータ５の周方向に所定の傾斜角度θで傾斜している。

図２０に示すロータ側隙間８２ｒは、ロータコア８の外周部８ｃに開口する側面開口８２ｃをもつため、ギャップと連通している。このため、ギャップを流通する冷媒は、ロータ側隙間８２ｒを流通する冷媒の推進力を受けて、ロータ側隙間８２ｒと同じ方向に流通する。

ロータコア８にロータ側超電導コイル９が配置された場合、ロータコア８は、ロータ側超電導コイル９に電流を流し強磁場を発生させる界磁ロータとして機能する。ロータコア８の外周部８ｃのコイル挿入溝８２は、周方向に所定の傾斜角度θの傾きを持って形成される。界磁も同様に周方向に傾きを持つことになるので、異常トルクの発生が抑制されるなどモータ性能が向上する。

また、ロータ５が回転すると、ロータコア８の両端面８ａ、８ｂのコイル挿入溝８２の開口端面８２ａ、８２ｂで、冷媒の速度差により粘性力が働く。そのコイル挿入溝８２に平行な成分によってコイル挿入溝８２の一方向に冷媒の流れが生じる。ロータ５内においても冷媒が一方向に流れるためステータと同様に安定な温度に冷却できる。

また、このようなロータ５内での冷媒の推進力によって、超電導ステータ内ではロータ５内と逆方向に安定に流れる。それゆえ、ステータ側の超電導コイルで発生した熱をスロット内に留めることなく効率よく除去でき、ステータ側の超電導コイルを安定な温度に冷却できる。

また、液体冷媒の場合には、スロット内で発生した冷媒の気泡をスロットの外部に排出することができる。

本実施形態においても、実施形態１のように、ロータコア８の端面８ａ、８ｂのコイル挿入溝８２の端面開口８２ａ、８２ｂの周縁に突起部又は凹部を設けて、冷媒が貫通孔に導入されやすくしてもよい。

実施形態４のロータコア８のティース８１、又は／及びティース８１よりも径方向内側に、貫通孔を形成してもよい。貫通孔は、周方向に、コイル挿入溝８２と同じ方向に傾斜させるとよい。また、貫通孔は、回転軸に対して径方向に傾斜させてもよい。その他は、実施形態４と同様である。

上記実施形態１〜５では、ロータがかご型導体又はロータ側超電導コイルを有している。しかし、これに併用又は代えて、かご型導体又はロータ側超電導コイル以外の、超電導バルクなどの超電導材料を有する超電導ロータを用いても良い。この場合、冷媒により、超電導バルクは、その超電導臨界温度Ｔｃ以下に冷却され、強磁場を捕捉したり、磁場をシールドしたりして、高トルクを発生できる。

また、通常の銅やアルミニウムなどを用いた常伝導ロータ、低温減磁を起こさない永久磁石を組込んだ永久磁石ロータなどを用いてもよい。この場合、冷却により、常伝導材の電気抵抗が小さくなったり、永久磁石の磁力が増加したりして、回転機の性能や効率が向上する。

１：超電導ステータ、１０：ギャップ、１１：ステータコア、１２：スロット、１２ｓ：ステータ側隙間、１３：ティース、２：超電導コイル、２１、直状部、２２：曲成部、２６：仕切部材、２７：ヨーク、４：冷媒、５：ロータ、６：ロータコア、６０：突起部、６１、６７：導体挿入孔、６１ａ、６１ｂ：端面開口、６１ｓ、６２ｓ、６２ｒ、６７ｓ、８２ｒ：ロータ側隙間、６２：導体挿入溝、６２ａ、６２ｂ：端面開口、６２ｃ：側面開口、６３、６５：貫通孔、６３ａ、６３ｂ、６５ａ、６５ｂ：端面開口、６６、６８：溝、６６ａ、６６ｂ：端面開口、６６ｃ：側面開口、６７：導体貫通孔、６９：凹部、７：超電導コイル、８：ロータコア、８１：ティース、８２：コイル挿入溝、８３：溝、８３ａ、８３ｂ：端面開口、８３ｃ：側面開口、９：ロータ側超電導コイル。

Claims (14)

1. モータ又は発電機を構成する超電導回転機であって、
   両端面間に延設されたスロットを有する筒形状のステータコア、及び前記スロットに収容され超電導線材を巻回して形成された超電導コイルから成る超電導ステータと、
   前記超電導ステータに対して回転可能に設けられ、且つ前記超電導ステータの中心軸と回転軸が同軸に配置されたロータとを具備し、
   前記超電導ステータと前記ロータは、共に共通の冷媒中に配置され、
   前記スロットを形成する周面と前記超電導コイルとの間には、前記ステータコアの軸方向の両端面を連通するステータ側隙間を有し、
   前記ロータは、前記ロータの軸方向の両端面を連通し且つ回転軸に対して傾斜する方向に延びる貫通孔又は／及び溝を有する超電導回転機。
2. 請求項１において、前記ロータの前記貫通孔又は／及び溝は、前記ロータの回転軸に対し周方向の一方向に傾きを持って形成されている超電導回転機。
3. 請求項２において、前記貫通孔又は／及び溝のロータの軸方向の端面での開口周縁部において、前記貫通孔又は／及び溝の延び方向と前記ロータの軸方向の端面とのロータ外側の角度が大きい周方向の一方側部分と、前記貫通孔又は／及び溝の延び方向と前記ロータの軸方向の端面とのロータ外側の角度が前記一方側部分よりも小さい周方向の他方側部分とをもち、
   前記開口周縁部の前記一方側部分が、前記他方側部分よりも回転軸方向に相対的に高くなっている超電導回転機。
4. 請求項１〜３のいずれか１項において、前記ロータの前記貫通孔は、前記ロータの回転軸に対し半径方向の一方向に傾きを持って形成されている超電導回転機。
5. 請求項１〜４のいずれか１項において、前記ロータは、導体挿入孔又は／及び導体挿入溝が外周近傍に複数形成された円柱形状のロータコアと、超電導材料からなるかご状導体とを具備し、
   前記かご状導体は、前記ロータコアの軸方向の両端部に配置されたエンドリングと、両端部の前記エンドリングを電気的に接続する複数のロータバーとからなり、
   前記ロータバーは、前記導体挿入孔又は／及び導体挿入溝に貫挿されている超電導回転機。
6. 請求項５において、前記導体挿入孔は前記貫通孔であって、前記導体挿入孔を形成する周面と前記ロータバーとの間には、前記ロータの軸方向の両端面を連通するロータ側隙間を有する超電導回転機。
7. 請求項６において、前記溝は、前記ロータコアの外周面に開口し、前記ロータの回転軸に対し前記導体挿入孔と同じ傾きをもって形成されている超電導回転機。
8. 請求項７において、前記溝は、前記ロータの回転軸の周方向に対し前記導体挿入孔と同じ角度の位置にある超電導回転機。
9. 請求項５において、前記導体挿入溝は前記溝であって、前記導体挿入溝は、前記ロータコアの外周面に開口し、前記導体挿入溝を形成する周面及び前記ロータコアの外周仮想面と、前記ロータバーとの間に前記ロータの軸方向の両端面を連通するロータ側隙間を有する超電導回転機。
10. 請求項１〜４のいずれか１項において、前記ロータは、前記ロータの軸方向の両端面を連通し且つ回転軸に対して傾斜する方向に延びるコイル挿入溝が外周部近傍に形成された円柱形状のロータコアと、前記コイル挿入溝に収容されたロータ側超電導コイルとを具備し、
    前記コイル挿入溝は前記溝であって、前記ロータ側超電導コイルと前記コイル挿入溝を形成する周面及び前記ロータコアの外周仮想面との間には、前記ロータの軸方向の両端面を連通するロータ側隙間を有する超電導回転機。
11. 請求項１〜１０のいずれか１項において、前記ステータコアの内周面に開口する前記スロットの側面開口には、前記超電導ステータと前記ロータとの間に形成されるギャップと、前記スロットとの間を仕切る仕切部材が配設されている超電導回転機。
12. 請求項１〜１１のいずれか１項において、前記超電導ステータに形成された複数の前記スロットの前記ステータ側隙間の径方向の断面積の合計は、前記超電導ステータとロータとの間のギャップの径方向の断面積よりも大きい超電導回転機。
13. 請求項１〜１２のいずれか１項において、前記ロータが回転することにより、前記冷媒が、前記ロータにおいては、前記貫通孔又は／及び溝を通って前記ロータの軸方向の一方の端面から他方の端面へ流通し、前記超電導ステータにおいては、前記ステータ側隙間を、前記ロータにおける向きとは逆向きに流通して循環する超電導回転機。
14. 両端面間に延設されたスロットを有する筒形状のステータコア、及び前記スロットに収容され超電導線材を巻回して形成された超電導コイルから成る超電導ステータと、前記超電導ステータの中心軸と回転軸が同軸に配置されたロータとを具備する、モータ又は発電機を構成する超電導回転機を冷却する方法であって、
    前記超電導ステータと前記ロータとを、共に共通の冷媒中に配置することにより、前記冷媒を、前記ロータに形成された、前記ロータの軸方向の両端面を連通し且つ回転軸に対して傾斜する方向に延びる貫通孔又は／及び溝を通って、前記ロータの軸方向の一方の端面側から他方の端面側に流通させ、前記スロットを形成する周面と前記超電導コイルとの間に形成され且つ前記ステータコアの両端面を連通するステータ側隙間を通って、前記ロータにおける向きとは逆向きに流通させて、前記冷媒を、前記ロータの前記貫通孔又は／及び溝と、前記ステータコアの前記ステータ側隙間との間を循環させる超電導回転機の冷却方法。

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