JP4853407B2 - 超電導コイルユニットおよび該超電導コイルユニットを備えた超電導機器 - Google Patents

Description

本発明は、超電導コイルユニットおよび該超電導コイルユニットを備えた超電導機器に関し、詳しくは、複数の超電導コイルからなるパンケーキコイルを積層した超電導コイルユニットにおいて、各パンケーキコイルが回転するのを防止するものである。

従来、ダブルパンケーキ形状あるいはシングルパンケーキ形状の超電導コイルからなるパンケーキコイルを軸線方向に複数積層して形成した超電導コイルユニットが提供されている。
この種の超電導コイルユニットとして、本出願人は、特開平６−１５１１６８号公報（特許文献１）において、図８に示す超電導コイルユニット１を提供している。該超電導コイルユニット１は、複数の超電導コイルからなるパンケーキコイル２を軸線方向に積層しており、隣接したパンケーキコイル２同士をガラス繊維強化シート３を介して接着固定している。

特開平６−１５１１６８号公報

前記特許文献１で提供している超電導コイルユニット１であると、各パンケーキコイル２をガラス繊維強化シート３を介して接着により固定しているだけであるため、超電導コイルユニット１の稼動時に各パンケーキコイル２に大きな負荷がかかって、接着力が緩み、パンケーキコイル２が回転してしまうおそれがある。パンケーキコイル２が回転すると、隣接するパンケーキコイル２のリード線接続用の端子同士が接触してしまい、隣接するパンケーキコイル２が導通してしまうおそれがある点で改善の余地がある。

本発明は前記問題に鑑みてなされたものであり、複数の超電導コイルからなるパンケーキコイルを積層する超電導コイルユニットにおいて、パンケーキコイルを接着固定するのではなく、機械的な構造によりパンケーキコイルを確実に回転不可とすることを課題としている。

前記課題を解決するため、本発明は、夫々超電導線を巻枠に巻き付けてなる複数のパンケーキコイルを、中央連結芯材に対して軸線方向に順次外嵌して積層固定している超電導コイルユニットであって、
前記中央連結芯材の外周面に軸線方向に延在する突起または溝を設ける一方、前記各巻枠の内周面に前記突起をはめ込む溝または前記溝にはめ込む突起を設け、
前記中央連結芯材または巻枠に設ける前記溝の周方向長さは、前記突起の周方向長さよりも大とし、該溝の周方向のいずれか一端側に前記突起を当接させて、他方側に生じる隙間に固定キーを挿入して各巻枠を中央連結芯材に固定し、
前記固定キーの挿入位置を隣接するパンケーキコイル間で相違させ、該パンケーキコイルのリード線接続部となる巻き終端位置を周方向で位置ずれさせていることを特徴とする超電導コイルユニットを提供している。

本発明の超電導コイルユニットであれば、前記中央連結芯材の外周面に突起あるいは溝を設ける一方、前記巻枠の内周面に溝あるいは突起を設け、突起を溝に挿入すると共に、溝と突起との間に生じた周方向の隙間に固定キーを挿入しているため、巻枠に超電導線を巻回して形成したパンケーキコイルを回転不可とすることができる。このように、本発明の超電導コイルユニットは、接着剤等の接着力によってパンケーキコイルの回転を防止するのではなく、機械的な構造によりパンケーキコイルの回転を防止しているため、保持力が低下することがなく、超電導コイルユニットの稼動時にパンケーキコイルに大きな負荷がかかっても、パンケーキコイルが回転するのを防止することができる。
これにより、パンケーキコイルの巻き終端位置にリード線接続用の端子を接続していた場合でも、各パンケーキコイルが回転して、隣接するパンケーキコイルに設けたリード線接続用の端子同士が接触したり、端子と他の端子に接続したリード線端末の端子が接触してしまうのを防止することができる。
また、各パンケーキコイル同士を接着していないため、損傷等によりパンケーキコイルを交換する必要が生じたときに、所要のパンケーキコイルのみを交換すればよく、他のパンケーキコイルを交換する必要がない。

さらに、隣接するパンケーキコイル間では、パンケーキコイルの巻き終端位置を周方向に位置ずれさせて配置しているため、予め巻き終端位置に端子を取り付けている場合には、端子同士の接触を確実に防止できると共に、これら端子にリード線端末の端子を接続する際に隣接するパンケーキコイルの端子が邪魔にならず、端子接続作業を容易にすることができる。
また、パンケーキコイルの巻き終端位置に端子を取り付けていない状態で各パンケーキコイルを中央連結芯材に外嵌固定した場合には、周方向に位置ずれさせた巻き終端位置に前記端子を半田付け等により容易に取り付けることができる。

前記中央連結芯材は円筒状で、その外周面の１カ所に前記突起を軸線方向に延在させて突設する一方、前記各パンケーキコイルの円筒状の巻枠に内周面が開口した１つの前記溝を設け、かつ、前記固定キーを前記隙間に打ち込んでいることが好ましい。
前記固定キーは、繊維強化樹脂（ＦＲＰ）からなる平板とし、前記隙間に沿わせて円弧状に屈曲させて打ち込んでいる。

前記各パンケーキコイルは超電導線の最内周ターンの渡り部で連続するダブルパンケーキコイルからなり、各ダブルパンケーキコイルの外周面に位置する両側巻き終端位置を前記キー固定位置に対して周方向に対称位置に設けていることが好ましい。
前記構成によれば、両端の巻き終端位置をキー固定位置に対して対称位置に設けているため、パンケーキコイルを所定の向きと軸線方向反対向きに中央連結芯材に取り付けても両端の巻き終端位置を所定位置に配置することができる。

前記突起の周方向長さは軸心を支点として５〜１５度の範囲とする一方、前記溝を周方向長さは突起の１．５倍〜２．５倍としていることが好ましい。
隣接するパンケーキコイルの巻き終端位置が周方向に大きく離れた位置にあると、逆に巻き終端位置への端子の取付作業や該端子へのリード線側端子の接続作業が行いにくくなるが、前記構成によれば、隣接するパンケーキコイルの巻き終端位置が適度な範囲で周方向に位置ずれして配置されるため、前記作業を効率良く行うことができる。

前記超電導コイルユニットの製造方法は、前記中央連結芯材に１つのパンケーキコイルを外嵌し、前記中央連結芯材あるいは巻枠のいずれか一方に設けた突起をいずれか他方に設けた溝の周方向の一方側に寄せて、周方向の他方側に形成された隙間に前記固定キーを挿入している。このコイル外嵌作業と固定キー挿入作業を各パンケーキコイルごとに繰り返している。
なお、各パンケーキコイルに設けた端子へのリード線端末の端子の接続は、全てのパンケーキコイルを中央連結芯材に外嵌した後に行っている。

また、本発明は前記超電導コイルユニットを備えた超電導機器を提供している。
前記超電導機器としては、モータ、発電機、変圧器、超電導電力貯蔵装置（ＳＭＥＳ）、限流器等が挙げられる。

前述したように、本発明によれば、中央連結芯材の外周面に突起あるいは溝を設ける一方、巻枠の内周面に溝あるいは突起を設け、溝と突起との間に生じた周方向の隙間に固定キーを挿入して固定しているため、巻枠に超電導線を巻回して形成したパンケーキコイルを回転不可とすることができる。このように、本発明の超電導コイルユニットは、接着剤等の接着力によってパンケーキコイルの回転を防止するのではなく、機械的な構造によりパンケーキコイルの回転を防止しているため、保持力が低下することがなく、超電導コイルユニットの稼動時にパンケーキコイルに大きな負荷がかかっても、パンケーキコイルが回転するのを防止することができる。
これにより、各パンケーキコイルが回転して、隣接するパンケーキコイルに設けたリード線接続用の端子同士が接触してしまうのを防止することができる。

本発明の実施形態を図面を参照して説明する。
図１乃至図６に、本発明の第１実施形態を示す。
本実施形態の超電導コイルユニット１０は、超電導機器である超電導モータに用いられるものであり、図３に示すように、超電導線を巻回して形成した複数のダブルパンケーキコイル形状のパンケーキコイル２０を中央連結芯材３０に外嵌して、軸線方向に積層固定している。本実施形態では、１４個のパンケーキコイル２０を積層している。

前記中央連結芯材３０は繊維強化樹脂（ＦＲＰ）からなり、軸線方向に長尺な円筒形状とし、図５（Ａ）に示すように、外周面の１カ所に上端から所要間隔をあけた位置から下端にかけて軸線方向に延在する突起３０ａを設けている。該突起３０ａは、図５（Ｂ）に示すように、中央連結芯材３０の軸心Ｏを支点として周方向の１０度の範囲に設けた均一幅としている。

一方、超電導線２１が巻回される巻枠２２はＦＲＰからなり、軸線方向に短尺な円筒形状とし、その内径を中央連結芯材３０の外径と略同径としている。該巻枠２２の内周面には、図６に示すように、軸線方向の上端から下端にかけて延在し、内周面が開口した１つの溝２２ａを設けており、該溝２２ａは巻枠２２の軸心Ｏを支点として周方向の２０度の範囲に設けた均一幅としている。即ち、巻枠２２の溝２２ａの周方向の幅を中央連結芯材３０の突起３０ａの周方向の幅よりも幅広としており、本実施形態では、溝２２ａの幅を突起３０ａの幅の２倍としている。

図４に示すように、前記巻枠２２に幅４ｍｍの帯状のビスマス系超電導線２１と絶縁テープ（図示せず）を重ね合わせた状態で巻回して超電導コイルからなるパンケーキコイル２０を形成している。該パンケーキコイル２０は、第１コイル部２０ａと第２コイル部２０ｂとを最内周ターンの斜めに延びる渡り部（図示せず）の超電導線２１で連続させたダブルパンケーキコイルとしている。また、第１、第２コイル部２０ａ、２０ｂとの間およびコイル軸線方向の両端面にはＦＲＰからなる厚さ０．２ｍｍの絶縁シート（図示せず）を配置している。
また、第１、第２コイル部２０ａ、２０ｂの最外周ターンを構成する超電導線２１の巻き終端位置２１ａには、リード線接続用の端子２３をそれぞれ設けている。これら２つの端子２３の取付位置（即ち、巻き終端位置２１ａ）は、キー固定位置となる巻枠２２の溝２２ａに対して対称となる位置としており、全てのパンケーキコイル２０で端子２３の取付位置を同一としている。本実施形態では、端子２３の取付位置を溝２２ａの幅方向の中央から周方向に６０度の間隔をあけた位置としている。
前記端子２３は、超電導線２１へ取り付ける円弧状の導体接続部２３ａと、該導体接続部２３ａに対して直交する方向に屈曲させた端子接続部２３ｂからなり、導体接続部２３ａを超電導線２１の巻き終端位置２１ａに半田付け接続している。該端子２３の端子接続部２３ｂにはボルト挿通用の貫通穴２３ｃを設けており、端子接続部２３ｂにリード線端末の端子（図示せず）がボルト締め接続される。

図３に示すように、中央連結芯材３０の下端部には下側フランジ１１を外嵌しており、円盤状の下側フランジ１１の貫通穴１１ａの内周面に設けた段差部１１ｂに中央連結芯材３０の下端面３０ｂを当接させて位置決めしている。
前記パンケーキコイル２０は中央連結芯材３０に外嵌した状態で下側フランジ１１上に載置して積層している。前記中央連結芯材３０の突起３０ａを前記パンケーキコイル２０の巻枠２２に設けた溝２２ａの周方向片側に寄せるように配置し、突起３０ａが配置されない溝２２ａ内の隙間Ｓに固定キー４０を挿入して、パンケーキコイル２０を回転不可となるように位置決めしている。
前記固定キー４０はＦＲＰの矩形状平板からなり、幅方向の長さを中央連結芯材３０の突起３０ａと略同一幅（周方向の１０度分の長さに相当）としており、溝２２ａと突起３０ａとの間に生じた隙間Ｓに打ち込む際には、隙間Ｓの形状に合わせて円弧状に屈曲させている。

詳細には、最下層のパンケーキコイル２０Ａでは、図１（Ａ）に示すように、巻枠２２の溝２２ａの一方側に中央連結芯材３０の突起３０ａを配置し、溝２２ａの一方の側面２２ａ−１を突起３０ａの一方の側面３０ａ−１に当接させている。このとき、溝２２ａの他方の側面２２ａ−２と突起３０ａの他方の側面３０ａ−２との間に隙間Ｓ１ができ、該隙間Ｓ１に前記固定キー４０を打ち込んでいる。
一方、前記最下層のパンケーキコイル２０Ａに隣接するパンケーキコイル２０Ｂでは、図１（Ｂ）に示すように、巻枠２２の溝２２ａの他方側に中央連結芯材３０の突起３０ａを配置し、溝２２ａの他方の側面２２ａ−２を突起３０ａの他方の側面３０ａ−２に当接させている。このとき、溝２２ａの一方の側面２２ａ−１と突起３０ａの一方の側面３０ａ−１との間に隙間Ｓ２ができ、該隙間Ｓ２に前記固定キー４０を打ち込んでいる。
前記パンケーキコイル２０Ａと同様に配置したパンケーキコイル２０と前記パンケーキコイル２０Ｂと同様に配置したパンケーキコイル２０を交互に積層しており、隣接するパンケーキコイル同士が同様の配置とならないようにしている。
なお、図１において、破線で示した端子２３は隣接するパンケーキコイル２０の端子２３の配置位置を示し、隣接するパンケーキコイルでは、端子２３が周方向に位置ずれしていることを示している。

前記中央連結芯材３０の上端位置には上側フランジ１２を外嵌し、該上側フランジ１２を最上層のパンケーキコイル２０上に載置している。該上側フランジ１２を前記下側フランジ１１にボルトＢとナットＮで締め付け固定して、パンケーキコイル２０を軸線方向に位置決め固定している。

次に、超電導コイルユニット１０の製造方法について説明する。
まず、中央連結芯材３０の下端に下側フランジ１１を外嵌する。
次いで、中央連結芯材３０の突起３０ａにパンケーキコイル２０の巻枠２２に設けた溝２２ａを位置合わせして、中央連結芯材３０に巻き枠２２を外嵌し、溝２２ａの一方側に突起３０ａが配置されるようにパンケーキコイル２０を回転させて、溝２２ａの他方側に形成された隙間Ｓ１に固定キー４０を挿入する。これによりパンケーキコイル２０を周方向に回転不可とした状態で中央連結芯材３０に外嵌固定している。
次いで、同様に、中央連結芯材３０の突起３０ａにパンケーキコイル２０の巻枠２２に設けた溝２２ａを位置合わせして、中央連結芯材３０に巻き枠２２を外嵌し、今度は、溝２２ａの他方側に突起３０ａが配置されるようにパンケーキコイル２０を逆方向に回転させて、溝２２ａの一方側に形成された隙間Ｓ２に固定キー４０を挿入する。
前記パンケーキコイル２０の中央連結芯材３０への取付作業を繰り返し、所要個数（本実施形態では１４個）のパンケーキコイル２０を中央連結芯材３０に外嵌した後、中央連結芯材３０の上端に上側フランジ１２を外嵌して、下側フランジ１１と上側フランジ１２とをボルトＢとナットＮで締め付け固定する。
このように、超電導コイルユニット１０を形成した後、パンケーキコイル２０の端子２３にリード線端末の端子を接続する。

前記構成によれば、中央連結芯材３０の突起３０ａを巻枠２２の溝２２ａに挿入すると共に、溝２２ａと突起３０ａとの間に生じた周方向の隙間Ｓに固定キー４０を挿入しているため、パンケーキコイル２０を回転不可とすることができる。このように、本実施形態の超電導コイルユニット１０は、接着剤等の接着力によってパンケーキコイル２０の回転を防止するのではなく、機械的な構造によりパンケーキコイル２０の回転を防止しているため、保持力が低下することがなく、超電導コイルユニット１０の稼動時にパンケーキコイル２０に大きな負荷がかかっても、パンケーキコイル２０が回転するのを防止することができる。
これにより、各パンケーキコイル２０が回転して、隣接するパンケーキコイル２０に設けたリード線接続用の端子２３同士が接触してしまうのを防止することができる。
また、各パンケーキコイル２０同士を接着していないため、パンケーキコイル２０が損傷して交換する必要が生じたときに、所要のパンケーキコイル２０のみを取り外して交換すればよく、他のパンケーキコイル２０を交換する必要がない。

さらに、隣接するパンケーキコイル２０では、端子２３を周方向に位置ずれさせて配置しているため、端子２３同士の接触を確実に防止できると共に、これら端子２３にリード線端末の端子を接続する際に隣接するパンケーキコイル２０の端子２３が邪魔にならず、端子接続作業を容易にすることができる。
なお、本実施形態では、パンケーキコイル２０の第１コイル部２０ａと第２コイル部２０ｂの間に空隙を設けていないが、第１、第２コイル部２０ａと２０ｂの間にスペーサを介在させて冷却効率を向上させる構成としてもよい。また、隣接するパンケーキコイル２０間にスペーサを介在させる構成としてもよい。

図７に、本発明の第２実施形態を示す。
本実施形態では、中央連結芯材３０の外周面に軸線方向に延在する溝３０ｃを設ける一方、パンケーキコイル２０の巻枠２２の内周面に軸線方向に延在する突起２２ｂを設けている。中央連結芯材３０の溝３０ｃを軸心を支点として周方向の２０度の範囲に設ける一方、巻枠２２の突起２２ｂを軸心を支点として周方向の１０度の範囲に設け、溝３０ｃを突起２２ｂよりも幅広としている。

本実施形態においても、第１実施形態と同様に、隣接するパンケーキコイル２０同士を周方向に位置ずれさせて配置している。
詳細には、パンケーキコイル２０Ａでは、図７（Ａ）に示すように、中央連結芯材３０の溝３０ｃの一方側に巻枠２２の突起２２ｂを配置し、突起２２ｂの一方の側面２２ｂ−１を溝３０ｃの一方の側面３０ｃ−１に当接させている。このとき、溝３０ｃの他方の側面３０ｃ−２と突起２２ｂの他方の側面２２ｂ−２との間に隙間Ｓ１ができ、該隙間Ｓ１に前記固定キー４０を挿入している。
一方、前記パンケーキコイル２０Ａに隣接するパンケーキコイル２０Ｂでは、図７（Ｂ）に示すように、中央連結芯材３０の溝３０ｃの他方側に巻枠２２の突起２２ｂを配置し、突起２２ｂの他方の側面２２ｂ−２を溝３０ｃの他方の側面３０ｃ−２に当接させている。このとき、溝３０ｃの一方の側面３０ｃ−１と突起２２ｂの一方の側面２２ｂ−１との間に隙間Ｓ２ができ、該隙間Ｓ２に前記固定キー４０を挿入している。
前記パンケーキコイル２０Ａと前記パンケーキコイル２０Ｂを交互に積層しており、隣接するパンケーキコイル同士が同様の配置とならないようにしている。

前記構成によっても。各パンケーキコイル２０の回転を防止でき、端子２３同士の接触を防止できると共に、隣接するパンケーキコイル２０Ａと２０Ｂの端子２３を周方向に位置ずれさせているため、端子接続作業を容易にすることができる。
なお、他の構成及び作用効果は第１実施形態と同様のため、同一の符号を付して説明を省略する。

前記実施の形態はすべての点で例示であって、これら実施形態に限定されず、本発明の範囲は、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範囲内でのすべての変更が含まれる。

本発明の超電導コイルユニットは、自動車等の駆動用モータや、その他発電機、変圧器、超電導電力貯蔵装置（ＳＭＥＳ）等の超電導機器に用いられるものである。

（Ａ）（Ｂ）は本発明の第１実施形態を示し、パンケーキコイルを中央連結芯材に外嵌した状態を示す平面図である。 巻枠と各パンケーキコイルの位置関係を示す概略図である。 超電導コイルユニットの断面図である。 パンケーキコイルを示し、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は平面図である。 中央連結芯材を示し、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は平面図である。 巻枠を示し、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は平面図である。 （Ａ）（Ｂ）は本発明の第２実施形態を示し、パンケーキコイルを中央連結芯材に外嵌した状態を示す平面図である。 従来例を示す図面である。

符号の説明

１０ 超電導コイルユニット
２０ パンケーキコイル
２１ 超電導線
２１ａ 巻き終端位置
２２ 巻枠
２２ａ 溝
２３ 端子
３０ 中央連結芯材
３０ａ 突起
４０ 固定キー
Ｓ 隙間

Claims (5)

1. 夫々超電導線を巻枠に巻き付けてなる複数のパンケーキコイルを、中央連結芯材に対して軸線方向に順次外嵌して積層固定している超電導コイルユニットであって、
   前記中央連結芯材の外周面に軸線方向に延在する突起または溝を設ける一方、前記各巻枠の内周面に前記突起をはめ込む溝または前記溝にはめ込む突起を設け、
   前記中央連結芯材または巻枠に設ける前記溝の周方向長さは、前記突起の周方向長さよりも大とし、該溝の周方向のいずれか一端側に前記突起を当接させて、他方側に生じる隙間に固定キーを挿入して各巻枠を中央連結芯材に固定し、
   前記固定キーの挿入位置を隣接するパンケーキコイル間で相違させ、該パンケーキコイルのリード線接続部となる巻き終端位置を周方向で位置ずれさせていることを特徴とする超電導コイルユニット。
2. 前記中央連結芯材は円筒状で、その外周面の１カ所に前記突起を軸線方向に延在させて突設する一方、前記各パンケーキコイルの円筒状の巻枠に内周面が開口した１つの前記溝を設け、かつ、前記固定キーを前記隙間に打ち込んでいる請求項１に記載の超電導コイルユニット。
3. 前記各パンケーキコイルは超電導線の最内周ターンの渡り部で連続するダブルパンケーキコイルからなり、各ダブルパンケーキコイルの外周面に位置する両側巻き終端位置を前記キー固定位置に対して周方向に対称位置に設けている請求項１または請求項２に記載の超電導コイルユニット。
4. 前記突起の周方向長さは軸心を支点として５〜１５度の範囲とする一方、前記溝を周方向長さは突起の１．５倍〜２．５倍としている請求項１または請求項２に記載の超電導コイルユニット。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の超電導コイルユニットを備えた超電導機器。

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