JP5402518B2 - 酸化物超電導コイル、酸化物超電導コイル体および回転機 - Google Patents

Description

本発明は、酸化物超電導コイル、酸化物超電導コイル体および回転機に関するものであり、より具体的には鞍型の酸化物超電導コイル、当該超電導コイルを用いた酸化物超電導コイル体、および酸化物超電導コイル体を含む回転機に関するものである。

従来から、テープ状の超電導導体である超電導線材を巻きつけて形成した超電導コイルが開示されている（たとえば特開２００２−１１０４１６号公報（特許文献１））。特許文献１には、多数回巻回された超電導コイル単体の接続部に金属電極を冶金的に接続するに際して、接続治具により金属電極の巻線方向に圧縮力を与えながら接続部に接触させた状態で冶金的に接続部相互間を接続することを特徴とする超電導コイルの接続方法が開示されている。

特開２００２−１１０４１６号公報

上記特許文献１では、超電導線材を渦巻状に巻回したパンケーキ状の超電導コイルが複数台積層されたものが互いに接続されている。なおここで積層とは、パンケーキ状に巻回された超電導線材の幅方向の端部がなす平面（巻回された超電導線材の各領域が集合することにより形成される平面。以下において「端部平面」という）に交差する方向に複数台積層されることを意味する。

ここで、上記特許文献１のパンケーキ状の超電導コイルが積層されたものを、回転機であるモータに用いた場合を考える。超電導コイルは、モータを構成するロータやステータのティースと呼ばれる領域を外側から取り囲むように巻回される。ティースの周囲に超電導コイルが巻回され、当該超電導コイルに電流が流れれば、ティースが電磁石として作用する。ここで超電導コイルに流れる電流が交流電流であれば、ティースの電磁石の極性が時間変化する。するとロータのティースとステータのティースとが互いに反発し合ったり引き合ったりする。その結果、ロータを回転させ、モータとして機能させることができる。

ここで、当該超電導コイルに電流が流れることにより超電導コイルの周囲には磁場が発生する。すると超電導コイルの周辺を磁束線が通ることになる。この磁束線は通常は超電導コイルよりも比較的外側を廻ることによりティースの内部を通過する。しかし一部の磁束線は上記磁束線よりも比較的内側を廻り、超電導コイルの内部を貫通する。具体的には超電導コイルの内部を貫通する磁束線のうち、特に超電導コイルの幅方向や長軸方向に交差する方向、特に超電導コイルを構成する超電導線材の厚み方向に沿った方向（より具体的には超電導線材の主表面を貫通する方向）に貫通する磁束線は、当該超電導コイルの電流特性を劣化させ、当該超電導コイルにおいてクエンチングなどの現象が起きる原因となることが知られている。なお、ここで超電導線材の主表面とは、超電導線材の幅方向および長軸方向がなす主要な表面を指す。

ところで、超電導線材の中でも、特に酸化物超電導線材と呼ばれる、たとえば酸化物で形成された超電導体が銀などの金属でシースされた線材は、従来から用いられる金属からなる超電導体を用いて形成された金属超電導線材に比べて、高温の環境下で使用することができる。つまり酸化物超電導線材を用いれば、金属超電導線材を用いた場合に比べて当該超電導線材を冷却する設備を簡素化することができる。このため近年は特に酸化物超電導線材の実用化が進められている。上述した特許文献１には、開示されている超電導コイルが金属超電導線材であるか酸化物超電導線材のいずれを用いたものであるかについて開示されていない。しかし当該超電導コイルが金属超電導線材と酸化物超電導線材とのいずれを用いたものであるにせよ、超電導コイルの主表面が、超電導コイルの中空部の中心における軸に対してほぼ平行となるよう配置されていれば、モータのロータやステータに使用した当該超電導コイルに流れる電流により発生する磁束線の一部は、超電導線材の主表面を貫通する。このため、たとえ高温の環境下で使用可能な酸化物超電導線材からなる超電導コイルを適用しても、上記磁束線が発生するために、超電導コイルの電流特性が劣化し、設備全体の電気効率が低下する可能性がある。

本発明は、以上の問題に鑑みなされたものである。その目的は、酸化物超電導線材からなり、モータなどの回転機に用いた際に磁束線の影響による電気特性の低下を抑制することが可能な超電導コイルを提供することである。また、上記超電導コイルを用いた超電導コイル体、さらに上記超電導コイル（超電導コイル体）を用いた回転機を提供することである。

本発明に係る酸化物超電導コイルは、レーストラック状にテープ状の酸化物超電導線材が巻きつけられた鞍形の酸化物超電導コイルである。当該酸化物超電導コイルは、湾曲部と、当該湾曲部と接続された直線部とを備える。直線部の少なくとも中央部分では、上縁が下縁よりも内周側に位置し、湾曲部では、上縁が下縁よりも内周側に位置する。
また、本発明に係る酸化物超電導コイルは、レーストラック状に酸化物超電導線材が巻きつけられた鞍形の酸化物超電導コイルである。当該酸化物超電導コイルは、湾曲部と、湾曲部と接続された直線部とを備える。直線部の少なくとも中央部分では、上縁が下縁よりも内周側に位置する。

ここで鞍形とは、後述するように、レーストラック状に超電導線材が巻回された超電導コイルにおいて、長軸方向に関する端部（コイルエンド部）の一部において、線材が上縁側に湾曲した形状を意味する。また上縁とは、レーストラック状に巻回された酸化物超電導線材の幅方向の一方の端部であり、当該酸化物超電導コイルを設置する際に上側となる部分である。より具体的には上縁とは、上記コイルエンド部において線材が湾曲して凸形状を形成する端部である。巻回された上縁が集合してなす端部平面は、上縁側から見て凸形状を有する上縁端部平面である。同様に下縁とは、レーストラック状に巻回された酸化物超電導線材の幅方向の、上記上縁とは反対側に位置する他方の端部であり、当該酸化物超電導コイルを設置する際に下側となる部分である。より具体的には下縁とは、上記コイルエンド部において線材が湾曲して凹形状を形成する側の端部である。巻回された下縁が集合してなす端部平面は、下縁側から見て凹形状を有する下縁端部平面である。

このように、レーストラック状に巻回された酸化物超電導コイルのうち、酸化物超電導線材が直線状に延在する領域を直線部とし、当該直線部の少なくとも中央部分においては、上縁が下縁よりも内周側に位置するように巻回する。つまり当該中央部分においては、酸化物超電導コイルを構成する酸化物超電導線材の主表面が、酸化物超電導コイルの中空部の中心における軸に対して鋭角をなすように配置する。このようにすれば、酸化物超電導線材に流れる電流により発生する磁束線は、酸化物超電導線材の主表面に沿った方向に進行するようになる。つまり当該磁束線が酸化物超電導線材の主表面を貫通するように進行する割合が少なくなる。このため、当該酸化物超電導線材のなすコイルの電流特性が劣化することを抑制することができる。なお、上縁が下縁より内周側に位置している直線部の長さや配置は、上記中央部を含む半分以上の長さの部分であることが好ましく、より好ましくは上記中央部を含む６０％以上の長さの部分であることが好ましい。

上記酸化物超電導コイルにおいて、湾曲部では、上縁が下縁よりも内周側に位置することが好ましい。ここで湾曲部とは上述したコイルエンド部を意味する。つまりレーストラック状をなす酸化物超電導コイルの直線部が延在する方向に関して、当該直線部の両端部の延長する領域である、酸化物超電導線材の主表面がレーストラック状をなすように湾曲する領域を意味する。湾曲部においても直線部と同様に、上縁を下縁よりも内周側に位置するように形成すれば、当該湾曲部においても酸化物超電導線材に流れる電流により発生する磁束線が、酸化物超電導線材の主表面に沿った方向に進行するようになる。つまり当該磁束線が酸化物超電導線材の主表面を貫通するように進行する割合が少なくなる。このため、当該酸化物超電導線材のなすコイルの電流特性が劣化することをさらに確実に抑制することができる。

上記酸化物超電導コイルにおいて、直線部から湾曲部へ向かう境界部の一部の領域において、上縁が下縁よりも外周側に位置することが好ましい。酸化物超電導線材はたとえばビスマスなどの酸化物超電導体の原料粉末を銀などのシース部で被覆したテープ状部材を焼結した構成であったり、酸化物超電導線材であるたとえばイットリウム系の薄膜形状の焼結体に銀スパッタ層などを積層した構成であったりする。このため、酸化物超電導線材は変形や湾曲の程度により容易に破壊などの損傷を起こす可能性がある。したがって酸化物超電導コイルは、そのレーストラック状に巻回される酸化物超電導線材の全周にわたって上述したように上縁が下縁よりも内周側に位置するように巻回することが困難である。そこで、酸化物超電導線材が延在する方向に関する直線部と湾曲部との境界部の一部の領域において、他の領域と逆に、上縁が下縁よりも外周側に位置する領域を設ける。このように他の領域と逆向きに傾いた領域を設けることにより、直線部や湾曲部において上縁を下縁よりも内周側に位置するように巻回することにより酸化物超電導線材の内部に生ずる応力による歪みを調整することができる。つまり、このようにすれば、直線部および湾曲部にて主表面が酸化物超電導コイルの中空部の中心における軸に対して平行をなさないように巻回された酸化物超電導線材において、内部応力に起因する損傷などが発生することを抑制することができる。なお当該境界部の一部において、上縁が下縁よりも外周側に配置されていても、そのことによって酸化物超電導コイルが発生する磁束線が、当該コイルの電気特性に与える影響は小さい。したがって、当該コイルの電気特性が良好な状態を確保することができる。

本発明に係る酸化物超電導コイルは、たとえばモータの１箇所のティースに対して１台の酸化物超電導コイルが単独で巻回された構成をとってもよい。しかし、たとえば一の酸化物超電導コイルの上縁が他の酸化物超電導コイルの下縁に対向するように、複数の酸化物超電導コイルが積層された酸化物超電導コイル体として用いることもできる。この場合においても、上述したように特に各酸化物超電導コイルの直線部や湾曲部などの各部分において、上縁と下縁とが上述した位置関係を満たすことにより、当該酸化物超電導コイルに流れる電流の電気特性が劣化することを抑制することができる。

なお、上述した酸化物超電導コイル体における個々の酸化物超電導コイルの、複数台積層された方向に対する酸化物超電導線材の主表面の傾斜角度が異なることが好ましい。酸化物超電導コイル体に電流が流れることにより発生する磁束線は、基本的に酸化物超電導コイルの酸化物超電導線材を外側から丸く取り囲むように発生する。このため磁束線の向きや角度は、酸化物超電導線材の外部の領域に応じて異なる。したがって磁束線の向きや角度の変化に応じて、各領域に配置される酸化物超電導コイルにおける酸化物超電導線材の主表面が、酸化物超電導コイルの中空部の中心における軸に対して傾斜される角度（傾斜角度）を変更することにより、積層されるいずれの酸化物超電導コイルについても、当該酸化物超電導線材の主表面を磁束線が貫通することにより電流特性が劣化することを抑制することができる。以上に説明した酸化物超電導コイル体を用いた、たとえばモータなどの回転機についても、上記と同様の効果を奏することができる。

なお、上述した傾斜角度が異なるとは、複数の積層された酸化物超電導コイルのうちの１つと、他の１つとで少なくとも上記傾斜角度が異なることを意味し、たとえば３つ以上の酸化物超電導コイルが積層されている場合に１つのコイルの傾斜角度のみが他のコイルと異なる場合（つまり複数の積層された酸化物超電導コイルのうち、傾斜角度が同じになっているコイルが複数存在する一方、異なる傾斜角度となっているコイルも存在する場合）や、すべての酸化物超電導コイルの傾斜角度がそれぞれ異なる場合を含む。

本発明によれば、たとえば回転機に使用した際に電流特性の劣化を抑制することが可能な鞍形の酸化物超電導コイル、および当該酸化物超電導コイルが複数台積層された酸化物超電導コイル体を提供することができる。また、当該酸化物超電導コイルや当該酸化物超電導コイル体を用いることにより、電流特性の劣化を抑制することが可能な回転機を提供することができる。

（Ａ）本発明の実施の形態１における超電導コイルを概略的に示す斜視図である。（Ｂ）図１（Ａ）の矢印Ｉ（Ｂ）から見たときの側面図である。 本発明の実施の形態１における超電導コイルの上縁と下縁とを概略的に示す模式図である。 図２におけるＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う概略的な断面図である。 図２におけるＩＶ−ＩＶ線に沿う概略的な断面図である。 図２におけるＶ−Ｖ線に沿う概略的な断面図である。 （Ａ）図１におけるＶＩ（Ａ）−ＶＩ（Ａ）線に沿う概略的な断面図である。（Ｂ）図１におけるＶＩ（Ｂ）−ＶＩ（Ｂ）線に沿う概略的な断面図である。（Ｃ）図１におけるＶＩ（Ｃ）−ＶＩ（Ｃ）線に沿う概略的な断面図である。 本発明の実施の形態１における超電導線材を概略的に示す斜視図である。 本発明の実施の形態１における超電導線材を概略的に示す斜視図である。 本発明の実施の形態１における超電導コイルの直線部に流れる電流により発生する磁束線の方向を示す概略的な断面図である。 本発明の実施の形態１における超電導コイルを製造するための装置を概略的に示す上面図である。 図１０におけるＸＩ−ＸＩ線に沿う概略的な断面図である。 図１０におけるＸＩＩ−ＸＩＩ線に沿う概略的な断面図である。 図１０におけるＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ線に沿う概略的な断面図である。 本発明の実施の形態２における超電導コイル体を概略的に示す斜視図である。 図１４におけるＸＶ−ＸＶ線に沿う概略的な断面図である。 （Ａ）図１５の下側の超電導線材の主表面の傾斜角度を示す概略図である。（Ｂ）図１５の中央の超電導線材の主表面の傾斜角度を示す概略図である。（Ｃ）図１５の上側の超電導線材の主表面の傾斜角度を示す概略図である。 本実施の形態に係る超電導コイルを用いたモータを概略的に示す断面図である。 図１７の超電導コイルを構成するロータを概略的に示す斜視図である。 図１７の超電導コイルを構成するステータを概略的に示す斜視図である。 図１７中の丸点線「ＸＸ」で囲まれた領域の拡大概略図である。 図１７中の丸点線「ＸＸＩ」で囲まれた領域の拡大概略図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の各実施の形態について説明する。なお、各実施の形態において、同一の機能を果たす要素には同一の参照符号を付し、その説明は、特に必要がなければ繰り返さない。

（実施の形態１）
図１〜図１０を参照して、本発明の一実施の形態における超電導コイル１０について説明する。本実施の形態における超電導コイル１０は、図１（Ａ）、（Ｂ）および図２に示すように、レーストラック状に超電導線材１１が巻きつけられた鞍形の超電導コイルである。つまり、超電導コイル１０を上から見ると、レーストラック状である。

超電導コイル１０は、直線部１０ａと湾曲部１０ｂと境界部１０ｃとを備えている。直線部１０ａは、長軸方向に延びる直線の部分であり、湾曲部１０ｂは上から見たときに曲線となる部分（コイルエンド部）である。境界部１０ｃは、直線部１０ａと湾曲部１０ｂとに挟まれており、直線部１０ａと湾曲部１０ｂとを接続する領域である。

湾曲部１０ｂは、図１（Ｂ）に示すように底部である下縁１０ｅが円弧状に湾曲している鞍形である。ここで下縁１０ｅとは、巻回された超電導線材１１の幅方向の一方の端部であり、図１の下側に存在する端部である。下縁１０ｅが集合することにより形成される端部平面を、ここでは下縁端部平面とする。またここで上縁１０ｄとは、巻回された超電導線材１１の幅方向の一方の端部であり、図１の上側に存在する端部である。上縁１０ｄが集合することにより形成される端部平面を、ここでは上縁端部平面とする。図１の超電導コイル１０は、鞍形とするために、湾曲部１０ｂの一部の領域において、上縁１０ｄ側に凸形状となるように（下縁１０ｅ側に凹形状となるように）巻回された形状となっている。つまり湾曲部１０ｂの一部の領域において、超電導線材１１が全体的に上縁１０ｄの存在する側に寄る（向かう）ように湾曲している。言い換えれば湾曲部１０ｂの一部の領域において、超電導線材１１が全体的に下縁１０ｅの存在する側から離れるように湾曲している。

図２は、超電導コイル１０を構成する１本の超電導線材１１において、上縁１０ｄが位置するコースと、下縁１０ｅが位置するコースとを示し、他の超電導線材１１等は省略している。また、図２において、中心Ｒは、湾曲部１０ｂでの超電導線材の円弧の中心を示す。

図２および図３に示すように、湾曲部１０ｂでは、上縁１０ｄが下縁１０ｅよりも内周側（超電導コイル１０に囲まれる中空側）に位置している。つまり、湾曲部１０ｂでは、上縁１０ｄと中心Ｒとの距離Ｒ１０ｄは、下縁１０ｅと中心Ｒとの距離Ｒ１０ｅよりも狭い。

図２および図４に示すように、直線部１０ａでも、上縁１０ｄが下縁１０ｅよりも内周側（超電導コイル１０に囲まれる中空側）に位置している。つまり、直線部１０ａでは、上縁１０ｄと中心Ｒとの距離Ｒ１０ｄは、下縁１０ｅと中心Ｒとの距離Ｒ１０ｅよりも狭い。

図２および図５に示すように、境界部１０ｃでは、上縁１０ｄが下縁１０ｅよりも外周側（超電導コイル１０に囲まれる中空側と反対側）に位置している。つまり、境界部１０ｃでは、上縁１０ｄと中心Ｒとの距離Ｒ１０ｄは、下縁１０ｅと中心Ｒとの距離Ｒ１０ｅよりも広い。

図２に示すように、上縁１０ｄと下縁１０ｅとは、たとえば境界部１０ｃの一部の領域において、中心Ｒとの距離に関する配置が逆転する。このため、図２に示す境界部１０ｃの、上縁１０ｄと下縁１０ｅとが交差する箇所において、上縁１０ｄと下縁１０ｅとの位置が周方向において一致する位置が存在する。言い換えると、この位置における上縁１０ｄと下縁１０ｅとのなす面は、中心Ｒを通る軸と平行である。この位置では、上縁１０ｄと中心Ｒとの距離Ｒ１０ｄと、下縁１０ｅと中心Ｒとの距離Ｒ１０ｅとは同じである。この位置は、境界部１０ｃに存在していてもよく、直線部１０ａまたは湾曲部１０ｂに存在していてもよい。

また、上縁１０ｄと下縁１０ｅとの長さが同じであることが好ましい。この場合、湾曲部１０ｂおよび境界部１０ｃにおいて、超電導線材１１の傾きが徐々に変わるように、超電導線材１１が配置される。

このように超電導線材１１を配置すると、図６（Ａ）および（Ｂ）に示すように、超電導コイル１０の長手方向と短手方向とにおける超電導線材１１の傾く方向は互いに同じである。しかし図６（Ｃ）に示すように、超電導コイル１０の斜め方向（境界部１０ｃ）における超電導線材１１の傾く方向は互いに反対になる。

なお、図１の超電導コイル１０においては、直線部１０ａのほぼ全体において、上縁１０ｄが下縁１０ｅよりも内周側に位置する、図６（Ｂ）の断面図に示す態様となっている。超電導コイル１０の直線部１０ａの少なくとも中央部分（たとえば直線部１０ａ全体の長さの６０％以上）の領域においては上述したように上縁１０ｄが下縁１０ｅよりも内周側に位置することが好ましい。しかし中央部分の外側（中央部分の延長上にある領域）の領域については、たとえば上縁１０ｄと下縁１０ｅとのなす超電導線材１１の主表面が超電導コイル１０の中空部の中心を通る軸と平行となる領域が存在してもよい。これを言い換えると、中央部分の外側（中央部分の延長上にある領域）の領域については、たとえば上縁１０ｄと下縁１０ｅとが周方向において一致する位置が存在してもよい。

湾曲部１０ｂについても同様であり、湾曲部１０ｂの全体において、上縁１０ｄが下縁１０ｅよりも内周側に位置する、図６（Ａ）の断面図に示す態様となっていてもよいが、湾曲部１０ｂの一部の領域において、上縁１０ｄが下縁１０ｅよりも内周側に位置する態様をなしていてもよい。また湾曲部１０ｂの一部の領域において、上縁１０ｄと下縁１０ｅとが周方向において一致する位置が存在してもよい。

なお、上述した上縁１０ｄおよび下縁１０ｅは、図１に示すような態様で超電導コイル１０を平坦な面に載置したときに現れる。このため、超電導コイル１０を図１に示す状態と反対に載置すると（上縁１０ｄが下側に、下縁１０ｅが上側に載置すると）、湾曲部では、上縁が下縁よりも外周側に位置し、直線部では、上縁が下縁よりも内周側に位置することになる。ただし以下においても、図１における上側を上縁１０ｄ、下側を下縁１０ｅとする。

ここで、超電導コイル１０を構成する超電導線材１１について説明する。超電導線材１１は、いわゆる酸化物超電導線材である。具体的には、たとえばビスマスなどの酸化物超電導体の原料粉末を銀などのシース部で被覆したテープ状部材を焼結することにより得られた線材であってもよい。あるいは長軸形状（帯状）のニッケル系の基板上に、超電導線材を構成するたとえばイットリウム系の酸化物超電導体が薄膜形状に形成され、さらに、銀スパッタ層などが積層された構成であってもよい。

ビスマス系の超電導線材は、図７に示すように、長手方向に延びる複数本の超電導体１１ａと、複数の超電導体１１ａの全周を被覆するシース部１１ｂとを有している。シース部１１ｂは超電導体１１ａに接触している。複数本の超電導体１１ａの各々は、たとえばＢｉ−Ｐｂ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ系の組成を有するビスマス系超電導体が好ましく、特に、（ビスマスと鉛）：ストロンチウム：カルシウム：銅の原子比がほぼ２：２：２：３の比率で近似して表されるＢｉ２２２３相を含む材質が最適である。シース部１１ｂの材質は、たとえば銀や銀合金よりなっている。なお、超電導体１１ａは、単数本であってもよい。

薄膜超電導線材は、図８に示すように、基板１１ｃと、基板１１ｃ上に接して設けられた中間層１１ｄと、中間層１１ｄ上に接して設けられた超電導層１１ｅと、超電導層１１ｅ上に接して設けられた安定化層１１ｆとを有している。

基板１１ｃは、たとえばステンレス鋼、ニッケル合金（たとえばハステロイ）、または銀合金などの金属よりなっている。中間層１１ｄは、たとえばイットリア安定化ジルコニア、酸化セリウム、酸化マグネシウムまたはチタン酸ストロンチウムなどよりなっている。なお、中間層１１ｄは省略されてもよい。

超電導層１１ｅはたとえばＲＥ１２３系超電導体よりなっている。ＲＥ１２３系超電導体とは、ＲＥ_xＢａ_yＣｕ_zＯ_7-dにおいて、０．７≦ｘ≦１．３、１．７≦ｙ≦２．３、２．７≦ｚ≦３．３であることを意味する。また、ＲＥ１２３系超電導体のＲＥとは、希土類元素およびイットリウム元素の少なくともいずれかを含む材質を意味する。また、希土類元素としては、たとえばネオジム（Ｎｄ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、ホルミニウム（Ｈｏ）、サマリウム（Ｓｍ）などが含まれる。ＲＥ１２３系超電導線材は、液体窒素温度（７７．３Ｋ）での臨界電流密度がビスマス系の超電導線材よりも高いという利点を有している。また、低温下および一定磁場下における臨界電流値が高いという利点を有している。一方で、ＲＥ１２３系超電導体はビスマス系超電導体のようにシース部で被覆することができないので、配向金属基板上に気相法のみまたは液相法のみによって超電導体（超電導薄膜材料）を成膜する方法で製造される。

また、安定化層１１ｆは、超電導層１１ｅの表面保護のために設けられる層であり、たとえば銀や銅などよりなっている。安定化層１１ｆは省略されてもよい。

図７および図８に示すように、超電導線材１１がレーストラック状に巻きつけられたときに、上縁１０ｄに位置する上面１２と、下縁１０ｅに位置する下面１３と、側面１４、１５とを超電導線材１１は有している。上面１２および下面１３は超電導線材１１の幅方向の端部であり、側面１４、１５は上述した超電導線材の主表面である。超電導線材１１が巻回されることにより上面１２が多数集合することにより、上述した上縁端部平面が形成される。また同様に、下面１３が多数集合することにより、上述した下縁端部平面が形成される。図７および図８に示す超電導線材１１については、上面と下面とが反対になるように巻きつけてもよい。

図９は、図６（Ｂ）に示す直線部１０ａの断面図が示す領域に、超電導線材１１に流れる電流に起因する磁束線１１１、１１２が発生する態様を示す概略図である。図９に示す磁束線１１１，１１２は、超電導線材１１の周囲を取り巻くように発生する磁束線のうち、漏れ磁束として通常よりも比較的内側を廻る磁束線を示している。図９に示すように、超電導線材１１（超電導コイル１０）が発生する磁束線１１１，１１２は、たとえばモータを構成するロータやステータに当該超電導コイル１０を用いた場合において、やや下縁１０ｅ側から上縁１０ｄ側に傾斜するような軌跡を描く。このため図９に示すように上縁１０ｄが下縁１０ｅよりも内周側（超電導コイル１０に囲まれる中空側）に配置されれば、磁束線１１１、１１２が超電導線材１１の主表面１１０（図７、図８における側面１５に同じ）に沿った方向に進行するよう形成される。これは、磁束線１１１、１１２がやや上縁１０ｄ側に傾斜するような軌跡を描くため、超電導線材１１を上縁１０ｄ間の距離が下縁１０ｅ間の距離よりも短くなるように配置することにより、磁束線１１１、１１２の進行方向と超電導線材１１の主表面１１０の延在方向とが互いに平行に近い状態となるためである。

このような状態になれば、磁束線１１１、１１２が、超電導線材１１の主表面１１０に交差する方向（つまり超電導線材１１の厚み方向に沿った、主表面１１０を貫通する方向）となるように進行する割合が減少する。したがって超電導線材１１（超電導コイル１０）の電流特性の劣化を抑制することができる。

上記超電導コイル１０においては、直線部１０ａのみならず湾曲部１０ｂにおいても、同様に上縁１０ｄが下縁１０ｅよりも内周側に位置する形状となっている。このため、湾曲部１０ｂにおいても直線部１０ａと同様に、磁束線１１１、１１２による電流特性の劣化を抑制することができる。このため超電導コイル１０全体としてより確実に、磁束線１１１、１１２による電流特性の劣化を抑制することができる。

ただし、上述したように超電導線材１１は酸化物超電導体から形成される。このためたとえばセラミックスと同様に、形成する超電導コイルの全周にわたって上縁１０ｄが下縁１０ｅよりも内周側に位置する形状となるように加工（超電導コイル１０の巻回）を行なうことは困難である。これは超電導線材１１の主表面の幅方向に当該超電導線材１１を曲げることが困難なためである。このような主表面の幅方向における曲げ（エッジワイズ曲げ）が超電導線材１１に加えられると、超電導線材１１を構成する酸化物超電導体が内部にて大きな歪みや大きな内部応力を受け、結果的に超電導線材１１が破損を起こす可能性がある。そこで、直線部１０ａや湾曲部１０ｂにおいて上縁１０ｄが下縁１０ｅよりも内周側に位置することにより内部に生じる応力や歪みを打ち消すため、上述したように境界部１０ｃの少なくとも一部の領域において、上縁１０ｄを下縁１０ｅよりも外周側に配置させるように超電導コイル１０を巻回している。このようにして、超電導コイル１０全体の応力や歪みの大きさを調整している。

続いて、図１０〜図１３を参照して、本実施の形態における超電導コイル１０の製造方法について説明する。図１０〜図１３に示すように、まず、円筒面を有する台座５１を準備する。

次に、台座５１の円筒面５１ａ上に、レーストラック状の鞍形の巻枠５２を配置する。巻枠５２は、直線部５２ａと湾曲部５２ｂと境界部５２ｃとを有している。境界部５２ｃは、直線部５２ａと湾曲部５２ｂとに挟まれており、直線部５２ａと湾曲部５２ｂとを接続する領域である。直線部５２ａおよび湾曲部５２ｂでは、上縁５２ｄが下縁５２ｅよりも内周側に位置している。境界部５２ｃでは、上縁５２ｄが下縁５２ｅよりも外周側に位置している。

次に、台座５１の円筒面５１ａ上に、巻枠５２に沿って超電導線材１１を巻きつける。円筒面５１ａ上に超電導線材１１を巻きつけることにより、鞍形を形成することができる。

以上の工程を実施することにより、図１に示す本実施の形態における超電導コイル１０を製造することができる。このように製造すると、超電導線材１１をレーストラック状に巻きつけた後に、プレスすることにより鞍形に形成する場合と比べて、超電導線材１１に亀裂が入ることを抑制できる。

（実施の形態２）
図１４〜図１６を参照して、本発明の実施の形態２における超電導コイル体２０について説明する。本実施の形態における超電導コイル体２０は、図１４に示すように、図１に示す本発明の実施の形態１における超電導コイル１０が複数台積層されたものである。具体的には、一の超電導コイル１０の上縁（上縁端部平面）に他の超電導コイル１０の下縁（下縁端部平面）が対向するように複数台積層される。図１４において、積層される個々の超電導コイル１０の直線部１０ａ、湾曲部１０ｂ、境界部１０ｃは、それぞれ超電導コイル体２０の直線部２０ａ、湾曲部２０ｂ、境界部２０ｃに相当する。また、図１４〜図１６においても、図の上側が超電導コイル１０（超電導線材１１）の上縁１０ｄ側であり、図の下側が超電導コイル１０（超電導線材１１）の下縁１０ｅ側である。

超電導コイル１０を複数台積層させて超電導コイル体２０とすれば、当該超電導コイル体２０が発生する磁場の大きさは、単一のコイルである超電導コイル１０が発生する磁場の大きさよりも大きくなる。このため、たとえばモータのステータやロータに用いる場合において、単一のコイルである超電導コイル１０を用いるよりも、複数台の超電導コイル１０が積層された超電導コイル体２０を用いることにより、出力を大きくすることができる。ここで、超電導コイル体２０に積層される超電導コイル１０の台数は、図１４においては３台となっているがこれに限られず、任意の台数とすることができる。

なお、超電導コイル体２０を構成する個々の超電導コイル１０についても、実施の形態１の超電導コイル１０と同様に、直線部の少なくとも中央部分、および湾曲部の少なくとも一部の領域において、上縁が下縁よりも内周側に位置する形態となっている。また境界部の一部の領域において、上縁が下縁よりも外周側に位置する形態となるよう逆転した領域が存在する。このため上縁と下縁とが周方向において一致する位置が存在する。

この場合においても、超電導コイル体２０の各超電導コイル１０に電流を流した際に発生する磁場（磁束線）は、たとえばモータを構成するロータやステータに当該超電導コイル体２０を用いた場合において、やや上縁側に傾斜するような軌跡を描く。具体的には、図１５に示すように、図１５の上下方向に延在する軸（図１５において図示しない）に対する磁束線１１１の進行方向がなす角度が、積層される各超電導線材１１からなる系の上側において、下側よりもやや大きくなっている。

このため、超電導コイル体２０を構成する個々の超電導コイル１０は、中空部の中心における軸に対してすべて同一の角度を有するよう超電導線材１１が傾斜されたものを用いてもよいが、積層される個々の超電導コイル１０の主表面の傾斜角度がそれぞれ異なるように調整されていることがより好ましい。

このことを図１５および図１６を用いてより具体的に説明する。図１６（Ａ）は図１５の下側の超電導線材１１の主表面１１０ａが、図１５の左右方向に延びる線分（図１６における一点鎖線）となす角度θ_１を示す。同様に図１６（Ｂ）は図１５の中央の超電導線材１１の主表面１１０ｂが、図１６における一点鎖線となす角度θ_２を示す。図１６（Ｃ）は図１５の上側の超電導線材１１の主表面１１０ｃが、図１６における一点鎖線となす角度θ_３を示す。

図１５および図１６より、図１５の下側の超電導コイル１０の主表面１１０ａよりも、上側の超電導コイル１０の主表面１１０ｃの方が、左右方向に延在する軸となす角度が小さい（逆に言えば、主表面１１０ａよりも主表面１１０ｃの方が、上下方向に延在する軸となす角度が大きい）。このようにすれば、積層された各超電導コイル１０に流れる電流が作る磁束線１１１の進行する方向が、各領域において、磁束線１１１に対向する超電導コイル（超電導線材１１）の主表面１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃに沿った方向を向くことになる。したがって、積層された各超電導コイル１０のいずれについても、磁束線１１１が超電導線材１１の主表面１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃに交差する方向（つまり超電導線材１１の厚み方向に沿った、主表面１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃを貫通する方向）となるように進行する割合が減少する。したがって超電導線材１１（超電導コイル１０）の電流特性の劣化を抑制することができる。

なお、図１５において積層された各超電導線材１１の間に挟まれたスペーサ１６は、たとえばＦＲＰからなり、積層される一の超電導線材１１と他の超電導線材１１との間の電気的な短絡を抑制するためのものである。また、当該各超電導線材１１の間に挟まれた領域にたとえば液体窒素などの超電導線材の冷媒を流すことにより、超電導線材の冷却効率を高める作用を有するものである。

（実施の形態３）
図１７〜図２１を参照して、本発明の回転機器の一実施の形態におけるモータ１４０を説明する。モータ１４０は、回転子であるロータ１３０と、ロータ１３０の周囲に配置された固定子であるステータ１２０とを備えている。

図１７および図１８、図２０に示すように、ロータ１３０は、実施の形態１の超電導コイル１０（超電導線材１１からなる）が複数台積層された図１４の超電導コイル体２０様の部材と、回転軸１１８と、ロータコア１１３と、ロータ軸１１６と、冷媒１１７とを含んでいる。したがって、ロータ１３０の超電導コイル１０の各領域における上縁と下縁との位置関係は、上述したとおりである。

ロータ軸１１６は、回転軸１１８の長軸方向に延びる外周面の周囲に形成されている。ロータ軸１１６の外表面は円弧状である。ロータコア１１３は、ロータ軸１１６の、回転軸１１８に交差する断面における中央部分（回転軸１１８が配置されている領域）から放射状に、ロータ軸１１６の外周面から突出するように延びている。超電導コイル１０は、ロータコア１１３を囲むように、かつロータ軸１１６の円弧状の外表面に沿うように配置されている。冷媒１１７は、超電導コイル１０を冷却する。超電導コイル１０と冷媒１１７とは、断熱容器の内部に配置されている。

ロータ１３０の周囲には、モータ１４０の固定子としてのステータ１２０が形成されている。図１７および図１９、図２１に示すように、ステータ１２０は、実施の形態１の超電導コイル１０（超電導線材１１からなる）と、ステータヨーク１２１と、冷媒１２７と、ステータコア１２３とを含んでいる。したがって、ステータ１２０の超電導コイル１０の各領域における上縁と下縁との位置関係は、上述したとおりである。

ステータヨーク１２１は、ロータコア１１３の外周を取り囲んでいる。ステータヨーク１２１の外表面は円弧状である。超電導コイル１０は、ステータヨーク１２１の円弧状の外表面に沿うように配置されている。冷媒１２７は、超電導コイル１０を冷却する。超電導コイル１０と冷媒１２７とは、断熱容器の内部に配置されている。断熱容器は、ステータコア１２３の一部が配置されるように超電導コイル１０の中心において開口部を有している。ステータコア１２３は、超電導コイル１０の周囲を取り囲み、超電導コイル１０の中心部を貫通するように配置されている。

図２０の拡大図に示すように、ロータ１３０のロータコア１１３の外周を巻回するように配置された複数の超電導線材１１（超電導コイル１０）は、それぞれの主表面１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃの、図２０の左右方向に延在する軸に対する傾斜角度（図２０のロータコア縁部１１３ａに対する傾斜角度）が異なっている。具体的には実施の形態２の図１５および図１６に示すように、下側の超電導コイル１０の主表面１１０ａよりも、上側の超電導コイル１０の主表面１１０ｃの方が、左右方向に延在する軸となす角度が小さい（逆に言えば、主表面１１０ａよりも主表面１１０ｃの方が、上下方向に延在するロータコア縁部１１３ａとなす角度が大きい）。同様に、図２１の拡大図に示すように、ステータ１２０のステータコア１２３の外周を巻回するように配置された複数の超電導線材１１（超電導コイル１０）についても、それぞれの主表面１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃの、図２１の左右方向に延在する軸に対する傾斜角度（図２１のステータコア縁部１２３ａに対する傾斜角度）が異なっている。ロータ１３０と同様に、下側の超電導コイル１０の主表面１１０ａよりも、上側の超電導コイル１０の主表面１１０ｃの方が、左右方向に延在する軸となす角度が小さい（逆に言えば、主表面１１０ａよりも主表面１１０ｃの方が、上下方向に延在するステータコア縁部１２３ａとなす角度が大きい）。

このようにすることにより、本発明の実施の形態２で説明したように、各超電導コイル１０（超電導線材１１）の厚み方向に沿った方向（主表面に交差する方向）に磁束線１１１が貫通することを抑制することができる。つまり、超電導コイル１０（超電導線材１１）の電流特性の劣化を抑制することができる。これは、図２０および図２１に示すように、各超電導コイル１０に流れる電流により生じる磁束線１１１の向きは、各図の上側において下側よりも、ロータコア縁部１１３ａ（ステータコア縁部１２３ａ）の延在する方向に対する傾斜角度が大きくなるためである。つまり各領域において配置される超電導コイル１０（超電導線材１１）の主表面の延在方向が、当該超電導コイル１０に対向する磁束線１１１の進行する方向に沿った方向となるためである。

以上説明したように、本実施の形態３における回転機器としてのモータ１４０は、実施の形態１における超電導コイル１０を備えている。つまり、性能の劣化を抑制できる超電導コイルを用いている。このため、モータ１４０の性能の劣化を抑制することができる。また、超電導コイル１０は鞍形であるので、超電導コイル１０の底部（下縁）を円筒面に沿って配置することができる。このため、モータ１４０の小型化を図ることができる。

なお、本実施の形態では、回転機器として、ロータ１３０とステータ１２０とを含むモータ１４０を例に挙げて説明したが、本発明の回転機器はモータに特に限定されず、たとえば、発電機などにも適用可能である。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した実施の形態ではなくて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意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明は、超電導線材を用いた超電導コイル、当該超電導コイルが複数台積層された超電導コイル体、および当該超電導コイルを用いた回転機の電流特性野劣化を抑制する技術として、特に優れている。

１０ 超電導コイル、１０ａ，２０ａ，５２ａ 直線部、１０ｂ，２０ｂ，５２ｂ 湾曲部、１０ｃ，２０ｃ，５２ｃ 境界部、１０ｄ，５２ｄ 上縁、１０ｅ，５２ｅ 下縁、１１ 超電導線材、１１ａ 超電導体、１１ｂ シース部、１１ｃ 基板、１１ｄ 中間層、１１ｅ 超電導層、１１ｆ 安定化層、１２ 上面、１３ 下面、１４，１５ 側面、１６ スペーサ、２０ 超電導コイル体、５１ 台座、５１ａ 円筒面、５２ 巻枠、１１０，１１０ａ，１１０ｂ，１１０ｃ 主表面、１１１，１１２ 磁束線、１１３ ロータコア、１１３ａ ロータコア縁部、１１６ ロータ軸、１１７，１２７ 冷媒、１１８ 回転軸、１２０ ステータ、１２１ ステータヨーク、１２３ ステータコア、１２３ａ ステータコア縁部、１２７ 冷媒、１３０ ロータ、１４０ モータ。

Claims (5)

1. レーストラック状にテープ状の酸化物超電導線材が巻きつけられた鞍形の酸化物超電導コイルであって、
   湾曲部と、
   前記湾曲部と接続された直線部とを備え、
   前記直線部の少なくとも中央部分では、上縁が下縁よりも内周側に位置し、
   前記湾曲部では、前記上縁が前記下縁よりも内周側に位置する、酸化物超電導コイル。
2. 前記直線部から前記湾曲部へ向かう境界部の一部の領域において、前記上縁が前記下縁よりも外周側に位置する、請求項１に記載の酸化物超電導コイル。
3. 請求項１に記載の酸化物超電導コイルが複数台積層された、酸化物超電導コイル体。
4. 酸化物超電導コイルが複数台積層された、酸化物超電導コイル体であって、
   前記酸化物超電導コイルは、レーストラック状に酸化物超電導線材が巻きつけられた鞍形の酸化物超電導コイルであり、
   湾曲部と、前記湾曲部と接続された直線部とを含み、
   前記直線部の少なくとも中央部分では、上縁が下縁よりも内周側に位置し、さらに、
   前記酸化物超電導コイル体における個々の酸化物超電導コイルの、複数台積層された方向に対する前記酸化物超電導線材の主表面の傾斜角度が異なる、酸化物超電導コイル体。
5. 請求項１に記載の酸化物超電導コイルまたは請求項３および請求項４のいずれか１項に記載の酸化物超電導コイル体を含む回転機。

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