JP2019030153A - 超電導回転機 - Google Patents

Abstract

【課題】従来の課題を解決し、高い電流密度と高い磁束密度を有する高出力密度の超電導回転機を提供する。【解決手段】界磁コイル１０と、この界磁コイル１０の周囲に配置された電機子コイル２０と、を備えた超電導回転機１００。界磁コイル１０は、複数の超電導コイル１１と、この複数の超電導コイル１１に接続された永久電流スイッチ１２と、複数の超電導コイル１１に接続されて直流電源ＤＣに対する接続および接続解除が可能な受電端子１３と、を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、超電導回転機に関する。

従来から超電導モータ装置および該超電導モータ装置を用いた移動体が知られている（下記特許文献１を参照）。特許文献１は、電気自動車やハイブリッド車等の移動体に用いられる超電導モータにおいて、回転界磁型モータのロータの界磁巻線に非接触で誘導給電するものを開示している。同文献は、回転を伴うロータの超電導線コイルに給電する構造において、ブラシを用いた給電方法であると、ブラシの磨耗によりメンテナンスが必要となることや、金属同士の接触抵抗により損失が発生することを指摘している。

また、同文献は、誘導給電による給電方法を採用すると、ブラシによる給電方法の問題点を解消することができるが、大電流を流さなければならず、発電機やバッテリーからなる電源が大規模になってしまうことを指摘している（第０００４段落を参照）。そして、同文献は、ロータの超電導線からなる界磁巻線に非接触で誘導給電する回転界磁型の超電導モータにおいて、界磁巻線へ給電する発電機やバッテリーからなる電源を小型化することを課題とし（第０００５段落を参照）、次の構成を開示している。

すなわち、同文献に記載された超電導モータは、電源側と接続される１次コイルを常電導線で形成し、２次コイルを超電導線または常電導線で形成し、１次コイルを多数回巻きとし、２次コイルを少数回巻きとしている誘導給電装置を備えている。この超電導モータは、前記２次コイルを回転界磁型モータのロータの超電導線からなる界磁巻線と接続して前記ロータへの給電を誘導給電としている（請求項１参照）。

この構成により、電源から１次コイルに給電すると、１次コイルと２次コイルとの間に磁気回路が形成され、２次コイルに電流が誘起されることでロータの界磁巻線に非接触で給電される。また、１次コイルを多数回巻きとする一方、２次コイルを１次コイルよりも少数回巻きとしている。そのため、多数回巻きの１次コイルで発生する強大な磁束により少数回巻きの２次コイルで大電流が誘起され、１次コイルから２次コイルへ誘導給電される際に電流値を上げることができる。これにより、ロータの界磁巻線に磁界を発生させて十分なトルクを得るのに必要な大電流を発電機やバッテリーからなる電源から供給する必要がなく、電源から供給する電力が小さくてすむため電源を小型化することができる（同文献０００７段落を参照）。

特開２００５−２６９８６８号公報

前記特許文献１に記載された超電導モータは、界磁巻線のインダクタンスが大きい場合は大電流を誘起することが困難であるという課題がある。

本発明は、前記従来の課題を解決し、高い電流密度と高い磁束密度を有する高出力密度の超電導回転機を提供する。

本発明の超電導回転機は、界磁コイルと、該界磁コイルの周囲に配置された電機子コイルと、を備えた超電導回転機であって、前記界磁コイルは、複数の超電導コイルと、該複数の超電導コイルに接続された永久電流スイッチと、前記複数の超電導コイルに接続されて直流電源に対する接続および接続解除が可能な受電端子と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、前記従来の課題を解決し、高い電流密度と高い磁束密度を有する高出力密度の超電導回転機を提供することができる。

本発明の実施形態に係る超電導回転機の構成を示す概略的な断面図。 図１に示す界磁コイルの概略構成を示す模式的な拡大図。 図１に示す界磁コイルの回路図。 図３に示す界磁コイルの回路図の変形例。

以下、図面を参照して本発明に係る超電導回転機の実施の形態を説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る超電導回転機１００の構成を示す概略的な断面図である。本実施形態の超電導回転機１００は、界磁コイル１０と、この界磁コイル１０の周囲に配置された電機子コイル２０と、を備えている。本実施形態の超電導回転機１００の最大の特徴は、界磁コイル１０が、複数の超電導コイル１１と、この複数の超電導コイル１１に接続された永久電流スイッチ１２と、複数の超電導コイル１１に接続されて直流電源ＤＣに対する接続および接続解除が可能な受電端子１３と、を有することにある。以下、本実施形態の超電導回転機１００の構成例について詳細に説明する。

超電導回転機１００は、たとえば、回転軸１と、界磁コイル１０と、電機子コイル２０と、冷却容器３０と、真空容器４０と、を備えている。図示の例において、超電導回転機１００は、たとえば、電機子コイル２０と界磁コイル１０が径方向に並んだラジアル型の回転界磁型モータである。なお、超電導回転機１００は、図示の例に限定されず、たとえば、電機子コイル２０と界磁コイル１０が軸方向に並んだアキシャル型であってもよく、発電機であってもよい。

回転軸１は、たとえば、中心軸線Ａが界磁コイル１０の中心軸線ａに一致するように配置され、軸受２によって回転自在に支持され、界磁コイル１０とともに回転する。回転軸１は、たとえば、一部が中空にされていてもよい。図示の例において、回転軸１は、たとえば、界磁コイル１０の受電端子１３が設けられる冷却容器３０の外側の一方の端部から、界磁コイル１０の内側に配置される中間部までの部分が中空になっている。なお、回転軸１は、一部が中空の構成に限定されず、一端から他端まで、全体が中空であってもよいし、全体が中実であってもよい。

図２は、界磁コイル１０の概略構成を示す模式的な拡大図である。図３は、界磁コイル１０の回路図の一例である。界磁コイル１０は、前述のように、複数の超電導コイル１１と、この複数の超電導コイル１１に接続された永久電流スイッチ１２と、複数の超電導コイル１１に接続されて直流電源ＤＣに対する接続および接続解除が可能な受電端子１３と、を有している。また、界磁コイル１０は、たとえば、回転軸１の内部を通る電流リード１４を備えている。

複数の超電導コイル１１は、たとえば直列に接続され、コイル支持部材１５によって冷却容器３０の内部に支持されている。複数の超電導コイル１１は、たとえば、銅、銅合金、アルミ、アルミ合金、または高温超電導材料の接続部１６によって接続されている。超電導コイル１１は、たとえば、高温超電導材料の線材を巻回して設けられている。高温超電導材料は、たとえば、臨界温度が２５［Ｋ］以上の高温超電導が可能な材料である。高温超電導材料としては、たとえば、ＭｇＢ_２を用いることができる。超電導コイル１１の数は、超電導回転機１００に必要な極数、すなわち超電導回転機１００の回転数や周波数に応じて決定される。図３は、超電導回転機１００の極数が４極の場合を示している。

永久電流スイッチ１２（Persistent Current Switch：ＰＣＳ）は、超電導線材の無誘導巻線によって構成された一種のコイルであり、この超電導線材の無誘導巻線に密着させて巻回された電熱線を有している。永久電流スイッチ１２を構成する超電導線材としては、たとえば、超電導コイル１１と同様の高温等電導材料の線材を用いることができる。電熱線は、たとえば、ニクロム線やマンガニン線などによって構成されている。

永久電流スイッチ１２は、たとえば、スイッチング用の電流のオンとオフを切り替えて、電熱線による無誘導巻線の加熱状態と非加熱状態とを切り替えることで、無誘導巻線の常電導状態と超電導状態とを切り替え可能に構成されている。図３に示す例において、複数の超電導コイル１１は、それぞれ、永久電流スイッチ１２を有している。すなわち、一の超電導コイル１１に一の永久電流スイッチ１２が並列に接続されている。

図４は、図３に示す界磁コイル１０の回路図の変形例である。界磁コイル１０は、図３に示す一の超電導コイル１１に一の永久電流スイッチ１２が接続される構成に限定されず、たとえば、図４に示すように、複数の超電導コイル１１に一の永久電流スイッチ１２が接続される構成であってもよい。

本実施形態の超電導回転機１００において、超電導コイル１１と永久電流スイッチ１２は、超電導材料によって構成された超電導接続部１７を介して接続されている。超電導接続部１７を構成する超電導材料は、前述の超電導コイル１１を構成する線材と同様の高温超電導材料を用いることができる。高温超電導材料は、特にＭｇＢ_２であることが好ましい。また、超電導接続部１７は、たとえば、１［Ｔ］以上の磁場が発生する領域に設けられている。より具体的には、超電導接続部１７は、たとえば、超電導コイル１１と回転軸１との間に設けられている。

受電端子１３は、複数の超電導コイル１１に接続され、直流電源ＤＣに対する接続および接続解除が可能に設けられている。より詳細には、本実施形態の超電導回転機１００は、前述のように、界磁コイル１０とともに回転する回転軸１と、電機子コイル２０の内側に配置されて界磁コイル１０を収容する冷却容器３０とを備えている。受電端子１３は、冷却容器３０の外側で回転軸１の外周に設けられている。

電流リード１４は、たとえば、一端が受電端子１３に接続され、他端が複数の超電導コイル１１に接続されている。これにより、受電端子１３は、電流リード１４を介して複数の超電導コイル１１に接続されている。電流リード１４は、たとえば、回転軸１の外側に配置された受電端子１３に接続され、回転軸１の内側の中空部に通されて、複数の超電導コイル１１の電流端子１８に接続されている。電流リード１４は、一部が酸化物系超電導材によって構成されていてもよい。なお、電流リード１４は、必ずしも回転軸１の内部を通す必要はない。また、界磁コイル１０は、個々の超電導コイル１１を励磁するために複数の電流リード１４を有してもよい。

冷却容器３０は、界磁コイル１０を収容する容器であり、電機子コイル２０の径方向の内側に配置されている。冷却容器３０は、たとえば、回転軸１に固定され、回転軸１とともに回転する。冷却容器３０は、界磁コイル１０を冷却するための冷媒が内部に充填または供給される。冷却容器３０の内部に充填または供給される冷媒としては、超電導線材を構成する素材に応じて、たとえば、液体水素、液体ヘリウム、ヘリウムガス、または液体窒素などを用いることができる。なお、冷却容器３０は、たとえば、回転軸１を介して内部に冷媒を循環させるようにしてもよい。冷却容器３０は、たとえば、複数の支持部材３１によって、真空容器４０の内部に支持されている。

真空容器４０は、冷却容器３０を収容する容器であり、電機子コイル２０の径方向の内側に配置されている。真空容器４０は、たとえば、回転軸１に固定され、回転軸１とともに回転する。真空容器４０は、たとえば、内部の空気が排出され、内部の圧力が大気圧よりも低い真空状態にされている。

電機子コイル２０は、たとえば、銅やアルミニウムなどの通常の金属材料の巻線によって構成されている。電機子コイル２０は、たとえば、交流電源ＡＣに接続され、交流電流が入力される。また、超電導回転機１００が発電機である場合、電機子コイル２０は、交流電流を出力する。なお、電機子コイル２０も、界磁コイル１０と同様に超電導材料の線材によって構成し、電機子コイル２０を冷却して超電導化してもよい。

以下、本実施形態の超電導回転機１００の作用について説明する。

本実施形態の超電導回転機１００は、前述のように、界磁コイル１０と、この界磁コイル１０の周囲に配置された電機子コイル２０と、を備えている。また、界磁コイル１０は、複数の超電導コイル１１と、この複数の超電導コイル１１に接続された永久電流スイッチ１２と、複数の超電導コイル１１に接続されて直流電源ＤＣに対する接続および接続解除が可能な受電端子１３と、を有している。

この超電導回転機１００において界磁コイル１０を励磁するには、まず、永久電流スイッチ１２を常電導状態にすることによりオフにする。次に、超電導回転機１００の受電端子１３を、直流電源ＤＣに接続する。具体的には、たとえば、直流電源ＤＣに接続された配線ＤＣ１の給電端子ＤＣ２を、超電導回転機１００の受電端子１３に接続する。

次に、直流電源ＤＣから超電導回転機１００の受電端子１３を介して複数の超電導コイル１１に電流を供給する。そして、永久電流スイッチ１２を超電導状態にすることによりオンにして、直流電源ＤＣからの電流の供給を停止する。これにより、超電導コイル１１と永久電流スイッチ１２の閉ループにおいて電流が流れ続ける永久電流運転の状態になる。

その後、超電導回転機１００の受電端子１３と直流電源ＤＣとの接続を解除する。具体的には、たとえば、直流電源ＤＣに接続された配線ＤＣ１の給電端子ＤＣ２と、超電導回転機１００の受電端子１３との接続を解除して、給電端子ＤＣ２を受電端子１３から取り外す。以上により、界磁コイル１０が励磁され、電機子コイル２０に交流電流を供給することで、回転軸１を回転させることができる。したがって、本実施形態の超電導回転機１００によれば、従来の課題を解決し、高い電流密度と高い磁束密度を有する高出力密度の超電導回転機を提供することができる。

すなわち、従来の超電導回転機における界磁方式としては、電源駆動の巻線界磁方式と誘導給電方式があり、それぞれ、以下の課題を有している。従来の巻線界磁方式では、超電導コイルに直流電源から電流を供給して磁場を作るときに、回転する界磁コイルに電流を供給し続ける必要があるため、ブラシとスリップリングを介して電流が供給される。そのため、従来の巻線界磁型の超電導回転機は、摺動部分のメンテナンスが必要になるだけでなく、運転時に常に電流リードおよび接触抵抗による損失が発生する。冷却が必要な超電導回転機にとって、損失低減は重要な課題である。すなわち、従来の電源駆動の巻線界磁型の超電導回転機では、界磁用の外部電源が常に必要であること、ブラシやスリップリングの磨耗や損失、および電流リードの発熱や熱侵入などの課題がある。

また、従来の誘導給電方式では、超電導コイルまたは超電導バルクを冷却し、超電導状態にした後で、外部磁場を印加し、超電導体に電流を誘導する。超電導体の電気抵抗はほぼゼロであるため、一度誘導された電流は減衰することなく保持される永久電流運転の状態になる。この場合、非接触で電流を誘導することが可能であるため、前述した巻線界磁方式における損失の問題はない。しかし、超電導コイルや超電導バルクは、基本的に磁場を遮蔽しようとする。そのため、超電導体に大きな電流を保持させるためには、大電流、高磁場が必要となり、超電導体を回転機に組み込んだ状態では、超電導体に大きな電流を保持させるのは困難である。すなわち、従来の誘導給電型の超電導回転機は、超電導体を回転機に組み込んだ状態で、超電導体本来の性能まで電流を供給するのが困難であるという課題がある。

これに対し、本実施形態の超電導回転機１００は、前述のように、複数の超電導コイル１１に接続され、直流電源ＤＣに対する接続および接続解除が可能な受電端子１３を備える。そのため、界磁用の直流電源ＤＣを一時的に接続するだけでよく、常時必要としない。また、ブラシやスリップリングが不要になり、磨耗や損失、電流リード１４の発熱や熱侵入などの課題を解決することができる。さらに、超電導コイル１１および永久電流スイッチ１２を超電導回転機１００に組み込んだ状態で、超電導体本来の性能まで電流を容易に供給することができる。

したがって、本実施形態の超電導回転機１００によれば、従来の課題を解決し、高い電流密度すなわち高い磁束密度を実現可能である。そのため、近年高まりつつある要求、たとえば、自動車や航空機の電動化および風力発電機の大容量化などに伴う高い出力密度を有するモータおよび発電機に対する要求を満たすことができる。

さらに、本実施形態の超電導回転機１００において、複数の超電導コイル１１は、それぞれ、永久電流スイッチ１２を有している。これにより、超電導回転機１００の製作を容易にして生産性を向上させることができる。また、超電導コイル１１に不具合が発生した場合に、超電導コイル１１の交換を容易にすることができる。

また、本実施形態の超電導回転機１００において、超電導コイル１１と永久電流スイッチ１２は、超電導材料によって構成された超電導接続部１７を介して接続されている。超電導コイル１１と永久電流スイッチ１２を、通常の半田によって接続した場合、接続抵抗を１０^−８Ω以下のオーダーにすることが困難であり、電流の減衰は避けられない。一方、超電導接続部１７を介して超電導コイル１１と永久電流スイッチ１２を接続することで、接続抵抗を１０^−１３Ω以下のオーダーにすることが可能であり、電流の減衰は、実用上、無視できるレベルとなる。

また、本実施形態の超電導回転機１００において、超電導接続部１７は、たとえば１［Ｔ］以上の磁場が発生する領域に設けられている。より具体的には、超電導接続部１７は、たとえば、超電導コイル１１と回転軸１との間に設けられている。これにより、超電導接続部１７を超電導コイル１１の近傍に設置することが可能になるため、よりコンパクトな界磁コイル１０を実現可能である。また、超電導接続部１７および永久電流スイッチ１２を超電導コイル１１と回転軸１との間に配置することで、電機子コイル２０と界磁コイル１０のギャップを低減することができる。

また、本実施形態の超電導回転機１００において、超電導コイル１１、永久電流スイッチ１２および超電導接続部１７は、高温超電導材料によって構成されている。これにより、比較的に高い温度で、超電導コイル１１、永久電流スイッチ１２及び超電導接続部１７を超電導状態にすることができ、冷却容器３０に充填または供給される冷媒の取り扱いを容易にしてコストを低減することができる。

また、本実施形態の超電導回転機１００において、超電導コイル１１、永久電流スイッチ１２および超電導接続部１７を構成する高温超電導材料は、たとえばＭｇＢ_２である。酸化物系の高温超電導材料は、現状では、超電導接続が困難であり、半田接続のみ可能である。これに対し、ＭｇＢ_２の線材はＭｇＢ_２のバルク材を介して、比較的容易に超電導接続を形成できる。また低温超電導における一般的な超電導接続手法であるＰｂＢｉなどの超電導半田は、臨界磁場が低いため、通常、１［Ｔ］未満の磁場が発生する場所にのみ設置可能である。これに対し、ＭｇＢ_２のバルク材は、線材と同等の臨界磁場を有するため、超電導接続部１７を［１Ｔ］以上の磁場に設置することができる。

また、本実施形態の超電導回転機１００において、複数の超電導コイル１１は、直列に接続されている。これにより、一度にすべての超電導コイル１１を励磁することができ、省スペース化および励磁時間の短縮が可能になる。また、本実施形態の超電導回転機１００において、複数の超電導コイル１１は、銅、銅合金、アルミ、アルミ合金、または高温超電導材料の接続部１６によって接続されている。このように、比較的に電気抵抗が低い金属によって複数の超電導コイル１１を接続することで、エネルギーの損失を低減することができる。

また、本実施形態の超電導回転機１００は、前述のように、界磁コイル１０とともに回転する回転軸１と、電機子コイル２０の内側に配置され界磁コイル１０を収容する冷却容器３０とを備えている。そして、界磁コイル１０は、回転軸１の内部を通る電流リード１４を備えている。また、受電端子１３は、冷却容器３０の外側で回転軸１の外周に設けられ、電流リード１４を介して複数の超電導コイル１１に接続されている。このように、電流リード１４を回転軸１の内部に通すことで、冷却を考慮したスペースの有効利用が可能になる。また、電流リード１４の一部に熱抵抗の大きな酸化物系超電導材料を用いることで、低温部への熱侵入を低減することができる。

以上、図面を用いて本発明の実施の形態を詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。

１ 回転軸
１０ 界磁コイル
１１ 超電導コイル
１２ 永久電流スイッチ
１３ 受電端子
１４ 電流リード
１７ 超電導接続部
２０ 電機子コイル
３０ 冷却容器
１００ 超電導回転機
ＤＣ 直流電源

Claims (10)

1. 界磁コイルと、該界磁コイルの周囲に配置された電機子コイルと、を備えた超電導回転機であって、
   前記界磁コイルは、複数の超電導コイルと、該複数の超電導コイルに接続された永久電流スイッチと、前記複数の超電導コイルに接続されて直流電源に対する接続および接続解除が可能な受電端子と、を有することを特徴とする超電導回転機。
2. 前記複数の超電導コイルは、それぞれ、前記永久電流スイッチを有することを特徴とする請求項１に記載の超電導回転機。
3. 前記超電導コイルと前記永久電流スイッチは、超電導材料によって構成された超電導接続部を介して接続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。
4. 前記超電導接続部は、１［Ｔ］以上の磁場が発生する領域に設けられることを特徴とする請求項３に記載の超電導回転機。
5. 前記超電導接続部は、前記超電導コイルと回転軸との間に設けられていることを特徴とする請求項３に記載の超電導回転機。
6. 前記超電導コイル、前記永久電流スイッチおよび前記超電導接続部は、高温超電導材料によって構成されていることを特徴とする請求項３に記載の超電導回転機。
7. 前記高温超電導材料は、ＭｇＢ_２であることを特徴とする請求項６に記載の超電導回転機。
8. 前記複数の超電導コイルは、直列に接続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。
9. 前記複数の超電導コイルは、銅、銅合金、アルミ、アルミ合金、または高温超電導材料によって接続されていることを特徴とする請求項８に記載の超電導回転機。
10. 前記界磁コイルとともに回転する回転軸と、前記電機子コイルの内側に配置され前記界磁コイルを収容する冷却容器とを備え、
    前記界磁コイルは、前記回転軸の内部を通る電流リードを備え、
    前記受電端子は、前記冷却容器の外側で前記回転軸の外周に設けられ、前記電流リードを介して前記複数の超電導コイルに接続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。