JP5201551B2 - 超電導コイル及び磁場発生装置 - Google Patents
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Description
このような超電導コイルにおいて、超電導材の臨界電流の大きさは、超電導材に作用する磁場の強さに依存することが知られている。より詳しくは、超電導線テープ幅広面に対して主に垂直方向(コイルユニットの径方向)に作用する磁場の強さに依存し、該垂直方向の磁場の強さが大きくなると、臨界電流が低下してしまう。また、交流用途の超電導コイルにおいては、変動する磁場が原因で生じる超電導特有の損失(交流損失)が課題となっている。
このような構成を採用することによって、本発明では、磁場分布調整部材が、フェライト、圧粉コアあるいはパーメンジュール粉体から構成されるため、電気抵抗が大きく、渦電流の発生を抑制し、且つ、透磁率が高く、磁束を誘導する特性を十分に具備することが可能となる。
このような構成を採用することによって、本発明では、磁場分布調整部材が各々のコイルユニットの間、各々のコイルユニットを軸心方向に挟み込むように、あるいは両端に位置するコイルユニットを軸心方向に挟み込むように設けられる。
このような構成を採用することによって、本発明では、磁場分布に応じて磁場分布調整部材の大きさを調整することで、配置位置に適した磁束を誘導する特性を備えさせることが可能となる。
このような構成を採用することによって、本発明では、磁場分布調整部材が環状形状を有するため、径方向からコイルユニットに作用するあらゆる方向の磁束を誘導することができる。
このような構成を採用することによって、本発明では、内環部材及び外環部材が磁場分布調整部材に加わる負荷(例えば、磁場中の強磁性体にかかる磁力、コイルタックに固定する際にかかる力、冷却時(昇温時)に磁場調整部材と樹脂材との熱膨張係数の差によって加わる力等)を受けることができるため、磁場分布調整部材がフェライト等の脆性材であっても、当該負荷や衝撃等に起因する割れ等を抑制することが可能となる。
このような構成を採用することによって、本発明では、臨界電流の低下をより抑制させ交流損失を抑制することが可能な超電導コイルを備える磁場発生装置が得られる。
したがって、本発明は、臨界電流の低下をより抑制させると共に、交流損失を抑制することが可能な超電導コイルを提供できる効果がある。
図1は、本発明の実施形態における超電導モータ1の概略構成を示す部分分解図である。
超電導モータ1は、図1に示すように、ケーシング2と、モータ軸3、回転子4と、固定子5とを概略備えている。
モータ軸3は、ケーシング2に設けられた開口部に挿通され、ケーシング2に対して軸方向に延びる回転軸周りに回転自在に設けられる。
回転子4は、ケーシング2の内部に設けられ、固定子5を軸方向において挟み込むように一対となって設けられている。また、回転子4は、ケーシング2に対して回転自在であり、モータ軸3と接続される。この回転子4は、固定子5が設けられる側に、永久磁石41が設けられ、さらに、永久磁石41の背面の磁路としてバックヨーク42が設けられる構成となっている。
鉄芯51は、各コイルユニット110がつくる磁束を増幅させると共に、該磁束を集める役割を担う。
超電導コイル100は、複数のコイルユニット110を軸心が同一方向となるように配設してなり、外部から各コイルユニット110に給電される駆動電流(交流電流)によって磁場を発生する構成となっている。
クライオスタット52は、超電導コイル100を極低温度に保持する電機子用断熱冷媒容器であって、内部に極低温度の液体窒素、液体ネオン、あるいは液体ヘリウム等の冷媒を備える構成となっている。
図2は、本発明の実施形態における超電導コイル100の概略構成を示す断面図である。
図3は、本発明の実施形態における磁場調整リング120を示す平面図である。
図4は、図3における磁場調整リング120の線視X−X断面図である。
超電導コイル100は、図2に示すように、コイルユニット110と、磁場調整リング120とを備える。コイルユニット110と、磁場調整リング120との間には、冷媒を流通させるギャップが設けられている。
磁場調整リング120は、図4に示すように、磁場分布調整部材121と、内環部材122Aと、外環部材122Bと、薄板部材123とを備える。
また、磁場分布調整部材121は、図3に示すように周方向において複数分割された環状形状となっている。磁場分布調整部材121は、フェライトが脆性材であることから一体で環状形状に加工することが難しいという加工性の観点及び、変動磁場によって生じる電流を抑制する観点から当該構成を選択している。なお、磁場分布調整部材121の分割片の形状は、平面視で、円弧形状、台形形状、矩形形状のいずれであっても良い。
なお、磁場分布調整部材121が、電気抵抗が大きく、変動磁場で電流が流れない軟磁性体であれば、周方向において分割する必要はなく、一体で形成することもできる。
内環部材122Aは、磁場分布調整部材121の環状形状の径方向内側に設けられ、外環部材122Bは、磁場分布調整部材121の環状形状の径方向外側に設けられる。すなわち、磁場分布調整部材121は、径方向において内環部材122Aと外環部材122Bとの間に設けられ、且つ、軸心方向において一対の薄板部材123によって内環部材122Aと外環部材122Bと共に挟み込まれるようにして囲われる構成となる。
上記構成により、磁場調整リング120は、環状形状を保ち、また、脆性材である磁場分布調整部材121に割れが生じた場合に、その割れ片が外部に飛び出すことを防止し、所望の機能を維持することが可能となる。
本実施形態では、超電導コイル100の両端部の配置位置では磁場の強さが大きいため、磁場調整リング120の軸心方向の幅を大きくし、対して、超電導コイル100の中央部の配置位置では磁場の強さが小さいため、磁場調整リング120の軸心方向の幅を小さくしている。より詳しくは、超電導コイル100の両端部から中央部に向かうにつれて、磁場調整リング120の軸心方向の幅を順次小さくしている。
図5は、本発明の実施形態における磁場調整リング120の作用を説明する模式図である。
図6は、本発明の実施形態における超電導コイル100の磁場分布を示すシミュレーション結果である。
図7は、図6における超電導コイル100の端部の拡大図である。
なお、図5〜図7において、(a)は、磁場調整リング120が設けられていない場合を示し、(b)は、磁場調整リング120が設けられている場合を示す。また、図6及び図7は、超電導コイル100の軸心に鉄芯51を配置した場合のシミュレーション結果を示す。
ここで、図5(a)に示すように、超電導コイル100に磁場調整リング120が設けられていない場合は、磁束が、各々のコイルユニット110を径方向から貫き、コイルユニット110を構成する超電導材の臨界電流を低下させると共に、交流損失(発熱)を引き起こす。また、磁束がコイルユニット110を貫く現象は、図6(a)及び図7(a)に示すシミュレーション結果からも確認できる。また、当該シミュレーション結果から、超電導コイル100の軸心方向両端部においては、コイルユニット110対し径方向から作用する磁束密度が大きく、対して、軸心方向中心部においては、コイルユニット110に対し径方向から作用する磁束密度が小さいことが確認できる。
また、磁束が磁場調整リング120に誘導される現象は、図6(b)及び図7(b)に示すシミュレーション結果からも確認できる。
また、本実施形態における磁場調整リング120は、その配置位置に応じた軸心方向の幅を有しており、図6(b)及び図7(b)に示すように、超電導コイル100の軸心方向両端部においては、より多くの磁束を誘導させる。対して、軸心方向中心部においては、多くの磁束を誘導する必要は無く、軸心方向の幅を小さくしている。また、軸心方向の幅を適当なものにすることで、自身が磁化して近傍のコイルユニット110に影響を与えることを抑制すると共に、フェライト自身の発熱も抑えることができる。
以上の磁場調整リング120の作用により、超電導材に径方向に作用する磁場の強さを低減させ、臨界電流の低下を抑制すると共に、交流損失を低減させることが可能となる。
したがって、本実施形態では、臨界電流の低下をより抑制させると共に、交流損失を抑制することが可能な超電導コイル100を提供できる効果がある。
Claims (5)
- 超電導材からなるコイルユニットを軸心が同一方向となるように複数配設してなる超電導コイルであって、
前記コイルユニットの近傍に前記超電導材よりも高い透磁率を有するフェライト、圧粉コアあるいはパーメンジュール粉体からなる磁場分布調整部材を備えており、
前記磁場分布調整部材の径方向内側に別途設けられる内環部材及び前記磁場分布調整部材の径方向外側に別途設けられる外環部材は、前記軸心方向において前記磁場分布調整部材より大きいことを特徴とする超電導コイル。 - 前記磁場分布調整部材は、各々のコイルユニットの間、各々のコイルユニットを軸心方向に挟み込むように、あるいは両端に位置するコイルユニットを軸心方向に挟み込むように設けられていることを特徴とする請求項1に記載の超電導コイル。
- 前記磁場分布調整部材は、配置位置の磁場分布に応じた軸心方向の幅及び/あるいは軸心に直交する方向の幅を備えることを特徴とする請求項1または2に記載の超電導コイル。
- 前記磁場分布調整部材は、軸心がコイルユニットの軸心と同一方向である環状形状であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の超電導コイル。
- 請求項1〜4のいずれか一項に記載の超電導コイルを備え、外部から各コイルユニットに給電される駆動電流によって磁場を発生することを特徴とする磁場発生装置。
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