JP5440063B2 - 超電導回転電機 - Google Patents

Description

本発明はモータまたは発電機を構成できる超電導回転電機に関する。

特許文献１は超電導モータを開示する。超電導モータは、真空断熱室を形成する筐体と、筐体の真空断熱室に配置された気体冷媒室を形成する気密容器と、気密容器内に配置され回転磁界を生成させる固定子と、筐体に保持され固定子を冷却させる冷凍機と、気密室内において固定子に対して回転可能に設けられた超電導バルク材料で形成された回転子と、回転子と共に回転する回転軸と、回転軸を回転可能に筐体に支持する軸受とを有する。回転子は超電導バルク材料で形成されているため、これの臨界温度以下の極低温状態に冷却させる必要がある。そこで、気密容器内には気体冷媒が充填されている。従って、冷凍機が気密室内の固定子を冷却させれば、気密容器内の気体冷媒が冷却され、ひいては気密容器内の気体冷媒を利用した熱伝導により、気密容器内の回転子を極低温状態に維持させることにしている。

この装置では、軸受は、真空断熱室内に配置された極低温状態に維持される気密容器内に配置されている。このため、軸受、更には軸受の潤滑剤が過剰に冷却され、軸受の耐久性の向上には限界がある。更に、回転軸の円滑回転性も損なわれるおそれがある。

また特許文献２も超電導モータを開示する。この超電導モータは、断熱室を形成する筐体と、筐体の断熱室に配置された冷媒室と、極低温状態に冷却された液体窒素や液体水素等の冷媒を冷媒室に供給する冷媒入口と、冷却された冷媒を冷媒室から排出させる冷媒出口と、冷媒室内に配置され回転磁界を生成させる固定子と、冷媒室において固定子に対して回転可能に設けられた超電導コイルを有する回転子と、回転子と共に回転する回転軸と、回転軸を回転可能に筐体に支持する軸受とを有する。回転子は超電導コイルを有するため、これの臨界温度以下の極低温状態に冷却させる必要がある。そこで、冷凍機で冷却された冷媒は、冷媒入口から冷媒室に供給され、冷媒室内の固定子および回転子を冷却させ、冷媒出口から外部に排出される。これにより超電導コイルを有する回転子を冷媒室において極低温状態に維持させることができる。この装置では、軸受は、極低温状態に維持される冷媒室に対面するように配置されている。このため軸受が過剰低温化し、軸受の潤滑剤も冷却され、潤滑剤の粘性が過剰に高くなり、軸受の耐久性の向上には限界がある。更に、回転軸の円滑回転性も損なわれるおそれがある。

特開２００４−２３９２１号公報 特開２００６−１４９００７号公報

本発明は上記した実情に鑑みてなされたものであり、回転軸を保持する軸受の耐久性を高めるのに貢献でき、回転軸の円滑回転性を長期にわたり維持できる超電導回転電機を提供することを課題とする。

本発明に係る超電導回転電機は、モータまたは発電機を構成する超電導回転電機であって、基体と、基体に保持された固定子と、固定子に対して回転可能に設けられ超電導材料を有する回転子と、回転子を保持する回転軸と、固定子を冷却させる冷却部と、固定子および回転子を収容すると共に冷熱媒体を収容する収容室を形成する低温容器と、収容室の外側に配置され収容室を真空断熱させる真空断熱室と、基体のうち収容室以外で且つ大気を含む雰囲気に対面する部位に設けられ回転軸を回転可能に支持する軸受とを具備し、低温容器は、回転軸の外周部に微小隙間を介して対向すると共に回転軸の軸長方向に沿って筒形状に延設されたシール筒部を有する。

回転子は超電導材料を有する。このため、回転子の超電導材料がこれの臨界温度以下に冷却されるように、回転子を冷却させる必要がある。そこで、低温容器は、固定子および回転子を収容すると共に、冷熱媒体を収容する収容室を形成する。収容室内の固定子は冷却部を介して強制的に極低温状態等の低温状態に冷却される。収容室内の冷熱媒体は固定子により冷却される。更に、収容室内の冷熱媒体によって、収容室内の回転子が極低温状態等の低温状態に冷却される。この結果、回転子の超電導材料は、これの臨界温度以下の低温状態に維持され、超電導材料の超電導状態が良好に維持される。冷熱媒体としては気体、液体が例示される。

本発明によれば、軸受は、基体のうち、固定子および回転子を収容する収容室以外で且つ大気を含む雰囲気に対面する部位に設けられている。これにより軸受の過剰低温化は抑制される。超電導回転電機の使用時には、収容室は、超電導材料で形成されている回転子を超電導状態を維持させるように、極低温状態等の低温状態に冷熱媒体により維持される。真空断熱室は高い断熱性を有するため、極低温状態等の低温状態に維持される収容室を断熱状態に良好に維持できる。

もし、回転子を保持する回転軸を回転可能に支持する軸受が基体内の収容室に配置されていると、収容室は超電導材料を有する回転子を収容している関係上、超電導材料の臨界温度以下、すなわち、極低温状態等の低温状態に維持されるため、軸受が極低温状態等の低温状態となる。この場合、軸受が過剰に冷却され、軸受の耐久性が低下するおそれがある。この点本発明によれば、軸受は、基体のうち収容室以外で且つ大気を含む雰囲気に対面する部位に設けられているため、上記した不具合が抑制される。

大気を含む雰囲気とは、大気に直接対面する形態と、容器が大気を収容しており、容器内の大気に対面する形態とを含む意味である。

本発明によれば、回転軸を回転可能に軸受は、基体のうち収容室以外で且つ大気を含む雰囲気に対面する部位に設けられている。このため、超電導回転電機の使用時において、軸受が極低温状態等の低温状態に維持されることが抑制される。よって、軸受の過剰低温化が抑えられ、軸受を長期にわたり良好に支持することができる。従って、軸受により支持される回転軸を長期にわたり良好に支持することができる。

実施形態１に係り、回転軸の軸長方向に沿って切断した超電導回転電機の断面図である。 実施形態１に係り、回転軸の軸直角方向に沿って切断した超電導回転電機の断面を示し、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図である。 実施形態１に係り、回転軸の軸長方向に沿って切断した超電導回転電機の磁気シール部付近の断面図である。 実施形態２に係り、回転軸の軸長方向に沿って切断した磁気シール部付近を模式的に示す図である。 実施形態３に係り、回転軸の軸長方向に沿って切断した超電導回転電機の断面図である。 実施形態４に係り、回転軸の軸長方向に沿って切断した超電導回転電機の断面図である。 実施形態５に係り、回転軸の軸長方向に沿って切断した超電導回転電機の断面図である。 実施形態６に係り、回転軸の内部を示す断面図である。 実施形態７に係り、回転軸の軸長方向に沿って切断した超電導回転電機の断面図である。

本発明に係る超電導回転電機はモータまたは発電機を構成する。超電導回転電機は、基体と、基体に保持された固定子と、固定子に対して回転可能に設けられ超電導材料を有する回転子と、前記回転子を保持する回転軸と、前記固定子を冷却させる冷却部と、固定子および回転子を収容すると共に冷熱媒体を収容する収容室を形成する低温容器と、収容室の外側に配置され収容室を真空断熱させる真空断熱室と、基体のうち収容室以外で且つ大気を含む雰囲気に対面する部位に設けられ回転軸を回転可能に支持する軸受とを有する。

超電導回転電機がモータである場合には、誘導電流を回転子に流す誘導モータとすることができる。この場合には、回転子としては、かご形回転子または巻線形回転子が例示される。かご形回転子の場合には、かご形回転子の少なくとも一部が超電導材料で形成されている。巻線形回転子の場合には、巻線が超電導材料で形成されている。固定子は、透磁材料で形成された透磁コアと、透磁コアに保持された巻線部とを有することが好ましい。巻線部は銅線等の通常の導電材料で形成されていても良いし、あるいは、超電導材料で形成されていても良い。
超電導回転電機が発電機である場合には、回転子の超電導材料は超電導バルク磁石等の超電導磁石とすることができる。

本発明の一視点によれば、収容室の冷熱媒体の洩れを抑えるシール部が、回転軸の外周部に設けられていることが好ましい。この場合、冷熱媒体の洩れが抑制される。シール部および軸受は、回転軸の軸長方向において互いに隣設されていることが好ましい。この場合、軸受は回転軸の芯ぶれを抑えるため、軸受に隣接するシール部の寿命を長くできる。シール部は、収容室と軸受との間に配置されている磁気シール部であることが好ましい。

本発明の一視点によれば、回転子および回転軸のうちの少なくとも一方は、収容室内の冷熱媒体を収容室において移動させることにより回転子の冷却性を一層高める羽根構造を有することが好ましい。羽根部の構造は特に限定されず、要するに収容室内の冷熱媒体を移動できれば良い。

本発明の一視点によれば、低温容器は、回転軸の外周部に微小隙間を介して対向すると共に回転軸の軸長方向に沿って筒形状に延設されたシール筒部を有することが好ましい。この場合、微小隙間により回転軸の回転性を確保しつつ、冷熱媒体のシール性が良好に確保される。

本発明の一視点によれば、収容室内の冷熱媒体の圧力変動に伴い冷熱媒体を収容室に対して出し入れする冷熱媒体出入要素が設けられていることが好ましい。この場合、必要時に冷熱媒体を収容室に供給でき、回転子の冷却性を高めることができる。

（実施形態１）
図１〜図３は実施形態１の概念を示す。本実施形態は、本発明に係る超電導回転電機を超電導モータに適用した場合である。図１に示されているように、超電導モータは、基体１と、回転磁界を生成させる固定子２と、固定子２に対して回転可能に設けられ固定子２の回転磁界に伴い回転すると共に超電導材料を有する回転子３と、回転子３を保持する回転軸４と、固定子２を冷却させる冷却部５と、固定子２および回転子３を収容すると共に気体冷媒６６（冷熱媒体）を収容する収容室６０を形成する低温容器６と、収容室６０を覆うように収容室６０の外側に配置された真空断熱室７とを有する。

図１に示されるように、基体１は、軸孔１０を有するように互いに対向する２個の対向壁１１，１１と、対向壁１１，１１の外周端を繋ぐ連設壁１２と、連設壁１２に当接された当接壁１３と、対向壁１１，１１の外周端を繋ぐ連設壁１５とを有する。基体１の外側は、大気雰囲気に維持されている大気部１４とされている。大気部１４は、大気を含む雰囲気であり、一般的には大気雰囲気で形成されている。大気部１４は、常温または常温付近に維持される常温部、または、常温大気部であることが好ましい。常温付近は、極低温よりも常温に近い温度領域の意味であり、常温プラスマイマス２０℃以内、１０℃以内、５℃以内の範囲内とすることができる。

基体１は金属、ＦＲＰ（繊維強化樹脂）またはセラミックスで形成されている。更に図１に示されるように、基体１は、２個の対向壁１１間に配置された筒形状の取付筒１６と、取付筒１６の外部に設けられた第２真空断熱室７２とを有する。なお、基体１の材質としては、洩れ磁束の透過を抑えると共に強度を有する材料が好ましい。例えば、透磁率が低い合金鋼（ステンレス鋼）、硬質樹脂、補強材強化樹脂、セラミックスが例示される。補強材はガラス、セラミックス等の無機物の繊維が例示され、従って繊維強化樹脂が例示される。樹脂は熱硬化樹脂、熱可塑性樹脂のいずれでも良い。ここで、金属であれば、金属は、後述の気体冷媒６６の透過に対して高いバリヤ性を有するため、真空断熱室７に気体冷媒６６が透過することが抑えられ、気体冷媒６６の透過に起因する真空断熱室７の汚染が抑えられ、真空断熱室７の真空断熱性を確保するのに有利である。好ましくは、基体１のうち、対向壁１１，連設壁１２、当接壁１３、および連設壁１５は金属で構成され、取付筒１６は繊維強化樹脂で構成することができる。但しこれに限定されるものではない。

図２に示されるように、固定子２は取付筒１６の内部に固定状態に保持されている。固定子２は、軸芯Ｐ１のまわりに設けられた透磁率が高い透磁材料で形成された筒形状をなす固定鉄心として機能する筒形状の透磁コア２０と、透磁コア２０に巻回された巻線部２１とを有する。透磁コア２０は、積層板を回転軸４の軸長方向に沿って積層させて形成しても良い。あるいは、透磁コア２０は、絶縁被膜で被覆した多数の鉄粉粒子からなる集合体を固結させたものでも良い。透磁コア２０は、軸芯Ｐ１の回りを１周するリング部２２と、リング部２２から求心方向に向かう複数のティース部２３とを有する。巻線部２１は、各ティース部２３間のスロットル溝２３ｗに位置しており、各ティース部２３に巻回された超電導材料または巻線用銅線で形成されており、回転磁界を軸芯Ｐ１回りで正方向および逆方向のそれぞれに回転させ得るように発生させる。超電導材料は、これの臨界温度以下の極低温状態に冷却されると、超電導状態を示し、電気抵抗を大幅に低下させる。臨界温度は超電導材料の材質によって相違するものの、例えば４〜１００Ｋとすることができる。なお、各ティース部２３には巻線部２１が巻回されているが、図２において巻線部２１は一部のみ図示されており、大部分は図略されている。図１では、図１の複雑化を回避するため、巻線部２１は図略されている。更に図１では、複雑化を回避するため、固定子２および回転子３は簡素的に記載されている。

回転子３は、固定子２に対して回転可能に且つ固定子２に包囲されるように設けられており、固定子２の回転磁界に伴い軸芯Ｐ１の回りで回転する。回転子３は超電導材料で形成されており、臨界温度以下に冷却されると超電導状態を示す。本実施形態に係るモータはかご形誘導モータを構成するため、図２から理解できるように、回転子３は、回転子３の軸長方向の両側に配置された端板３ａと、両方の端板３ａ間を連設するように回転子３の周方向に沿って間隔を隔てて配置された複数個の導電性をもつ棒体３ｃとを有する。端板３ａおよび棒体３ｃは、電気抵抗を大幅に低減または０とさせる超電導材料で形成されている。ここで、固定子２に軸芯Ｐ１回りの回転磁界が発生すると、回転子３の棒体３ｃ等には電磁誘導により誘導電流が流れる。回転子３に電磁誘導される誘導電流と固定子２の回転磁界との相互関係によって、回転子３が軸芯Ｐ１の回りで正方向または逆方向に回転する。

回転子３は軸芯Ｐ１回りでかご形円筒状をなしており、周方向において複数個の貫通開口部２４（図２参照）をもつ。回転軸４は、筒形状またはリング形状の嵌合部３２により回転子３の内周部をほぼ同軸的に保持する。嵌合部３２は回転子３を回転軸４の外周部４ｐに保持するものであり、回転軸４は、常温または常温付近の大気部１４において回転可能に配置されている。回転軸４は中実状とされているが、中空状としても良い。回転軸４の材質としては金属、セラミックス、ＦＲＰ（繊維強化樹脂）のいずれでも良いが、熱伝導が小さいＦＲＰが好ましい。

冷却部５は固定子２を極低温状態に強制的に冷却させ、固定子２を介して収容室６０内の気体冷媒６６、ひいては回転子３をこれの臨界温度以下（極低温状態）に冷却させるものである。図２に示されているように、冷却部５は、固定子２の透磁コア２０の外周部２０ｐの一部に伝熱可能に接触する第１熱伝導体５１と、基体１に設けられた冷凍機５３と、冷凍機５３を作動させるコンプレッサ５４と、冷凍機５３で極低温状態に冷却されるコールドヘッド５５と、コールドヘッド５５と第１熱伝導体５１とを繋ぐ第２熱伝導体５２とを有する。冷凍機５３としては、パルス管冷凍機、スターリング冷凍機、ギホードマクマホン冷凍機、ソレベイ冷凍機、ヴィルマイヤー冷凍機などの公知の冷凍機が例示される。第２熱伝導体５２は、第２真空断熱室７２に配置されており、例えば熱伝導性が良好な金属で形成された網体、板体または棒体で形成できる。コールドヘッド５５の回りの空間は、高断熱性を維持できるように真空断熱室部分５５ｃとされている。

図２に示されているように、低温容器６は、固定子２および回転子３を収容する収容室６０を形成するものである。収容室６０において、回転子３は固定子２の内周側に配置されている。収容室６０には、冷熱媒体として機能する気体冷媒６６が充填されて収容されている。気体冷媒６６としては、超電導臨界温度以下、または、回転電機の作動温度において固化・凝縮しない気体が選択され、ヘリウム、窒素、水素、ネオン等が例示される。低温容器６は金属（例えば炭素鋼、ステンレス鋼、アルミニウム合金、チタン合金など）で形成されているため、高いガスバリヤ性をもち、収容室６０内の気体冷媒６６が外部（真空断熱室７）に洩れることが抑えられる。ひいては、真空断熱室７の高真空度を長期にわたり良好に維持できる。

図１に示されるように、低温容器６は殻状をなしており、軸芯Ｐ１の回りを包囲するように透磁コア２０の外周に配置された外周壁６０ａと、透磁コア２０の軸長方向の一端２０ｅ側および他端２０ｆ側を覆う被覆壁６０ｃと、被覆壁６０ｃから径内側に延設された円錐形状をなす傾斜壁６０ｄとを有する。傾斜壁６０ｄは、気体冷媒６６を径外方向に案内できるように軸芯Ｐ１に対して傾斜している。更に、金属製の低温容器６は、傾斜壁６０ｄの内端側から回転子３の内周部３ｉに沿って延設された延設壁６０ｅと、嵌合部３２の軸端に対向する軸端壁６０ｈと、軸端壁６０ｈの内端から延設されたシール筒部６０ｋとを有する。シール筒部６０ｋの内径は軸長方向において基本的には同一とされている。更に図１に示されるように、低温容器６は、シール筒部６０ｋの先端から径外方向に向かう延設壁６０ｐを有する。延設壁６０ｐは対向壁１１の内面に隣設されており、被覆壁６０ｃおよび傾斜壁６０ｄに対面しており、真空断熱室７を仕切る。上記した形状および構造を有する低温容器６により、矢印Ｌ方向において真空断熱室７は収容室６０の両側に区画されている。

図３に示されるように、シール筒部６０ｋは、回転軸４の外周部４ｐに微小隙間６３を介して対向すると共に、回転軸４の軸長方向（矢印Ｌ方向）に沿って回転軸４に対してほぼ同軸的に直円筒形状に延設されている。微小隙間６３の隙間幅ｔ１としては、例えば５０〜１２００マイクロメートル、１００〜１１００マイクロメートル、２００〜１０００マイクロメートルにできる。但しこれらに限定されるものではない。

図１に示されているように、回転軸４の軸長方向（矢印Ｌ方向）において、シール筒部６０ｋは回転子３の軸端３ｅ，３ｆよりも回転子３の内周部３ｉ側に食い込むように形成されており、嵌合部３２の軸端３２ｅに接近している。これによりシール筒部６０ｋの軸長寸法ＬＥ（図３参照）が確保されており、シール筒部６０ｋによるシール性が高められている。この場合、収容室６０の気体冷媒６６が真空断熱室７側や大気部１４側に進入すること、更に、大気部１４の大気が収容室６０に進入することが一層抑制されている。

図１に示されているように、真空断熱室７は、気体冷媒６６が充填されている収容室６０を覆うように収容室６０の外側に配置されており、収容室６０を真空断熱させ、収容室６０を極低温状態等の低温状態に維持させる機能を果たす。真空断熱室７は、大気部１４と収容室６０との間に設けられており、大気部１４と収容室６０とを互いに独立させている。図１に示されているように、真空断熱室７は、固定子２の外周側を外側から覆う外周断熱室７ａと、固定子２の軸端側２０ｅ，２０ｆおよび回転子３の軸端３ｅ，３ｆを外側から覆う軸端断熱室７ｂと、回転子３の内周部の軸端側を内側から覆う内側断熱室７ｃとを有する。このようにして気体冷媒６６と固定子２，回転子３との接触性が確保され、気体冷媒６６を利用した強制冷却性が確保されている。気体冷媒６６は液体冷媒に比較して低粘性であるため、回転子３の回転性を損なわない。

図１に示されているように、軸受８はリング形状をなしており、回転軸４を軸芯Ｐ１回りで回転可能に支持しており、基体１のうち収容室６０及び真空断熱室７以外で、且つ、大気に対面する部位に設けられている。従って軸受８は、大気部１４に対面するように回転軸４の外周部４ｐに配置されており、常温または常温付近の大気雰囲気に対面する。軸受８は、回転軸４の軸長方向（矢印Ｌ方向）の両側において両持ち構造で２個配置されているため、回転子３の軸芯Ｐ１のぶれが抑制され、同軸回転性が良好に維持される。このため、微小隙間６３の隙間幅ｔ１が小さい場合であっても、回転軸４の周方向において微小隙間６３の隙間幅ｔ１の偏りが抑制される。これにより微小隙間６３の隙間幅を小さくできる。このようにして複数個の軸受８は、固定子２と回転子３との同軸性を高めている。

図１および図３に示されているように、軸受８は、リング状の内輪８０と、リング状の外輪８１と、転動体８２とを有する。転動体８２は、内輪８０と外輪８１との間において周方向に間隔を隔てて複数個配置されている。内輪８０、外輪８１および転動体８２は、金属、セラミックスまたは硬質樹脂で形成できる。基体１の対向壁１１のうち回転軸４側には、筒形状の取付フランジ筒１９が形成されている。取付フランジ筒１９の内周面側に軸受８の外輪８１が保持されている。内輪８０は回転軸４の外周部４ｐに保持されている。取付フランジ筒１９には、外輪８１にあてがわれたストッパ部１９ｃが取り付けられており、長期にわたり軸受８の保持性を高め、回転軸４の同軸性を確保している。なお、図１に示されるように、固定子２、回転子３および低温容器６は、回転軸４の軸芯Ｐ１に対して軸直角方向に沿った仮想線Ｍ２を介して対称的に配置されている。

図１に示されるように、収容室６０内の気体冷媒６６の洩れを抑制するシール部として機能する磁気シール部９が、回転軸４の外周部４ｐに対面する位置において、軸芯Ｐ１の回りでリング形状にほぼ同軸的に設けられている。磁気シール部９は、収容室６０と大気部１４とを分離させており、この結果、収容室６０内に充填されている気体冷媒６６が大気部１４に洩れることを防止する。磁気シール部９は、軸受８を介して大気部１４に対面するため、常温または常温に近い温度に維持される。回転軸４の軸長方向（矢印Ｌ方向）に沿って並設されたリング状をなす複数の磁極（Ｎ極およびＳ極）と、磁極（Ｎ極およびＳ極）によって形成された磁路に沿って配向して磁極と回転軸４の外周部４ｐとの間におけるシール性を高める磁性流体とを有する。磁性流体は、多数の磁性微粒子を界面活性剤などでベース液に安定的に分散させた流動体である。磁性流体の凍結などを防止するため、磁気シール部９は常温付近に維持されることが好ましい。磁性流体が凍結などにより粘度が高くなると、回転軸４の回転抵抗が増加する。なお図３に示すように、磁気シール部９は、回転軸４の外周部４ｐに対向しつつ、シール筒部６０ｋ，延設壁６０ｐおよび対向壁１１により保持されている。この場合、対向壁１１，回転軸４からの伝熱が期待でき、磁気シール部９の過剰低温化が抑制される。

図１に示されるように、磁気シール部９は、回転軸４の軸長方向（矢印Ｌ方向）において収容室６０と軸受８との間、すなわち、真空断熱室７と軸受８との間に配置されている。換言すると、磁気シール部９は、回転軸４の軸長方向（矢印Ｌ方向）において軸受８よりも内側（収容室６０側）に位置するように、互いに間隔を隔てて複数個（２個）に配置されている。磁気シール部９は高い密閉性および高いシール性を有するため、収容室６０の気体冷媒６６が例えばヘリウムや水素等のような分子が小さな気体状の冷媒であっても、収容室６０内の気体冷媒６６の洩れを抑制できる。故に、真空断熱室７の真空断熱状態が長期にわたり良好に維持されると共に、収容室６０における気体冷媒６６の量が長期にわたり確保される。なお、図１に示すように、回転軸４の軸長方向（矢印Ｌ方向）において、磁気シール部９は、基体１の対向壁１１に形成されている軸孔１０の内周部と真空断熱室７の双方にわたり配置されている。この場合、大気に晒される対向壁１１から磁気シール部９への伝熱を期待できる。

図１に示されるように、回転子３の軸端には、ファン形状をなす複数個の羽根部３３が収容室６０に位置するように設けられている。必要に応じて、羽根部３３を回転子３のうち他の場所に設けても良い。回転子３と共に羽根部３３が軸芯Ｐ１回りで回転すると、収容室６０内の気体冷媒６６を収容室６０において移動させて循環させることができる。ここで、羽根部３３が軸芯Ｐ１まわりで回転子３と共に回転すると、遠心力により気体冷媒６６が径外方向（図１に示す矢印Ｗ１方向，Ｗ２方向）に移動され、固定子２の軸端から固定子２の軸長方向の中央域に移動され、ティース部２３間のスロット溝２３ｗの開口部２４（図２参照）から径内方向（矢印Ｗ３方向）に回転子３に向かい、回転子３に接触して回転子３を冷却させるように、気体冷媒６６が循環すると推定される。なお、図１に示されているように、回転子３の外周部３ｐと固定子２との間には、回転子３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３４が形成されている。

図１に示されているように、羽根部３３は低温容器６の傾斜壁６０ｄに対面するように形成されている。このため羽根部３３により放出された気体冷媒６６は低温容器６の傾斜壁６０ｄに当たると、径外方向に案内され易くなるため、回転子３の外周側に位置する固定子２に良好に接触することができ、第１熱伝導体５１で強制冷却される固定子２により効果的に冷却される。

さて超電導モータの使用時には、固定子２の巻線部２１に三相交流または単相交流が図略のインバータ（変換器）を介して給電される。これにより回転磁界が軸芯Ｐ１回りで発生する。これにより回転子３が回転軸４および羽根部３３と共に軸芯Ｐ１回りで正方向または逆方向に回転する。更に、超電導モータの使用時には、冷凍機５３が駆動されてコールドヘッド５５で冷凍出力が発生する。従ってコールドヘッド５５、第２熱伝導体５２および第１熱伝導体５１が冷却され、収容室６０内の固定子２を構成する透磁コア２０および巻線部２１は、第１熱伝導体５１により冷却される。このとき回転子３の回転と共に羽根部３３が軸芯Ｐ１回りで回転するため、収容室６０内の気体冷媒６６は収容室６０において循環移動される。このため気体冷媒６６は固定子２に接触して熱交換により冷却された後に、回転子３に接触して回転子３を強制的に冷却させる。これにより回転子３の冷却性を一層高めることができる。この結果、回転子３を構成する超電導材料をこれの臨界温度以下の極低温状態に維持させることができ、回転子３の超電導状態を維持させることができる。このため回転子３の電気抵抗を低減または０にすることができ、回転子３に流れる誘導電流密度を大きく確保することができる。よって回転子３を回転するトルクが確保され、超電導モータのモータ効率を高めることができる。

以上説明したように本実施形態によれば、収容室６０は、超電導材料で形成されている回転子３を収容しており、超電導材料の超電導状態を維持するため、これの臨界温度以下という極低温状態等の低温状態に気体冷媒６６により維持される。そして本実施形態によれば、回転軸４を回転可能に支持する軸受８は、基体１のうち、超電導材料で形成されている回転子３を収容する収容室６０以外で、且つ、大気を含む雰囲気に対面する部位（大気部１４に対面するように）に設けられている。具体的には、軸受８は、大気部１４に対面するように、基体１対向壁１１と回転軸４の外周部４ｐとの間に配置されている。このため、回転軸４を回転可能に支持する軸受８が極低温状態等の低温状態よりも高温領域（常温または常温付近）に維持される。従って、軸受８の潤滑剤の過剰低温化が抑制され、潤滑剤の粘性の過剰増加が抑制され、長期にわたり回転軸４を回転可能に良好に支持することができる。

もし、特許文献１および２のように、低温状態に維持される収容室６０に対面するように軸受８が配置されている場合には、軸受８が極低温状態等の低温状態となり易い。この場合、軸受８の潤滑剤の粘性が過剰に高くなったり、潤滑剤が凍結したりし、結果として、軸受８の耐久性が大いに低下する不具合がある。更に潤滑剤で真空断熱室７を汚染させる不具合がある。この点本実施形態によれば、軸受８は基体１のうち収容室６０以外で且つ大気を含む雰囲気に対面する部位に設けられているため、上記した不具合が抑制される。

仮に軸受８が真空断熱室７に配置されていると、軸受８に供給されている潤滑剤が蒸発して消失するおそれがある。この点本実施形態によれば、軸受８は基体１のうち真空断熱室７以外の部位に配置されており、つまり、大気部１４に対面するように回転軸４の外周部４ｐと基体１の対向壁１１との間に配置されている。よって、軸受８に供給されている潤滑剤が蒸発して消失するおそれが抑えられる。この意味においても、長期にわたり回転軸４を回転可能に良好に支持することができる。更に真空断熱室７の潤滑剤による汚染も防止される。

更に本実施形態によれば、シール筒部６０ｋが形成している微小隙間６３の隙間幅ｔ１が小さいので、回転軸４の回転性を確保しつつ、シール筒部６０ｋの内周部６０ｉと回転軸４の外周部４ｐとの間におけるシール性が良好に確保される。しかもシール筒部６０ｋは回転軸４の軸長方向に沿ってほぼ同軸的に延設されているため、上記シール性が更に確保される。このため収容室６０に充填されている気体冷媒６６が大気部１４側の外部に洩れることが抑制され、且つ、大気部１４の大気が収容室６０に進入することが抑制されている。

仮に微小隙間６３の隙間幅ｔ１が大きい場合には、収容室６０内の気体冷媒６６は磁気シール部９よりも外側に流出することが抑えられるものの、矢印Ｌ方向において磁気シール部９よりも内側に位置する微小隙間６３に流出し、微小域間６３における気体冷媒６６による熱対流などの熱伝導が増加し、外部の熱が収容室６０に侵入するおそれがある。この点本実施形態によれば、前述されているように、微小隙間６３の隙間幅ｔ１が極めて小さい。このため収容室６０内の気体冷媒６６が微小隙間６３に流出するときであっても、流出量が極めて微小量に抑制され、ひいては微小域間６３における熱対流などの熱伝導が抑えられ、収容室６０への熱侵入が抑えられる。

更に低温容器６において、シール筒部６０ｋの厚みｔ２は被覆壁６０ｃの厚みｔ３（図３参照）よりも薄くされている。これにより大気部１４からシール筒部６０ｋを介して収容室６０側への熱伝導に起因する熱侵入が更に低減されている。

本実施形態によれば、磁気シール部９が設けられているため、収容室６０の気体冷媒６６が大気部１４側に洩れることが抑制される。更に、図１に示すように、磁気シール部９の外周側は基体１の対向壁１１に覆われているため、対向壁１１（低温容器６よりも高温）から磁気シール部９への伝熱が期待される。また磁気シール部９の内周部は回転軸４の外周部４ｐに覆われているため、回転軸４（低温容器６よりも高温）から磁気シール部９への伝熱が期待される。更に磁気シール部９は矢印Ｌ方向において軸受８に隣設しているため、軸受８（低温容器６よりも高温）から磁気シール部９への伝熱が期待される。このため、超電導材料で形成されている固定子２および回転子３を収容する収容室６０が極低温状態の低温状態に維持されるときであっても、磁気シール部９の過剰低温化が抑制され、磁気シール部９の磁性流体の粘性が過大になることが抑制される。これにより磁気シール部９の潤滑性およびシール性が長期にわたり良好に維持され、ひいては回転軸４の円滑回転性が長期にわたり良好に確保される。

なお、軸受８では複数個の転動体８２は周方向に間隔を隔てて配置されている。このため軸受８はこれの軸長方向に通気性を有する。更に軸受８の主材料は伝熱性が良い金属材料である。従って磁気シール部９は軸受８付近の大気温度の影響を受けることができる。よって収容室６０が極低温状態等の低温状態とされるときであっても、磁気シール部９の過剰低温化を抑制できる。

図１に示されているように、回転軸４の軸長方向（矢印Ｌ方向）において、磁気シール部９は軸受８よりも内側に位置するように、磁気シール部９および軸受８は、互いに接近しつつ（回転軸４の外径寸法以内の距離）隣設されている。ここで、軸受８は回転軸４の軸芯Ｐ１の芯ずれ回転を抑える機能をもつ。ここで、磁気シール部９は軸受８に隣設されているため、磁気シール部９において回転軸４の芯ぶれが良好に抑えられ、磁気シール部９によるシール性が長期にわたり一層良好に維持される。

（実施形態２）
図４は実施形態２を示す。本実施形態は前記した実施形態と基本的には同様の構成および同様の作用効果を有する。以下、相違する部分を中心として説明する。図４は磁気シール部９の一例を示す。図４に示されるように、磁気シール部９は、回転軸４の軸長方向（矢印Ｌ方向）において並設された複数の磁極（Ｎ極およびＳ極）をもつ複数個の磁石部９０と、隣接する磁石部９０間に配置された非磁性または常磁性の材料で形成されたスペーサ９１と、磁極（Ｎ極およびＳ極）によって形成された磁路９２に沿って配向して微小隙間６３におけるシール性を高める磁性流体９３とを有する。磁路９２は互いに独立していることが好ましいが、これに限定されるものではない。磁性流体９３は、磁性微粒子を界面活性剤などでベース液に安定的に分散させた流動体である。ベース液としては炭化水素系、フッ素油系、水系などが例示されるが、これらに限定されるものではない。

（実施形態３）
図５は実施形態３を示す。本実施形態は前記した実施形態１，２と基本的には同様の構成および同様の作用効果を有する。以下、相違する部分を中心として説明する。図５に示されているように、収容室６０内の気体冷媒６６の圧力変動に伴い気体冷媒６６を収容室６０に対して出し入れする気体冷媒出入要素１００（冷熱媒体出入要素）が設けられている。気体冷媒出入要素１００は、基体１の外方に配置されたバッファタンク１０２と、バッファタンク１０２と収容室６０とを連通させる連通通路１０３と、連通通路１０３に設けられたバルブ１０４とを有する。超電導モータを駆動させるときには、図略の制御装置はコンプレッサをオンさせて冷凍機５３を作動させる。これによりコールドヘッド５５が極低温状態に冷却され、第１熱伝導体５１および第２熱伝導体５２を介して固定子２が極低温状態に冷却され、ひいては収容室６０に収容されている気体冷媒６６が極低温状態に冷却される。この場合、収容室６０の気体冷媒６６の圧力が低下する。例えば、常温（３００Ｋ）時に収容室６０に充填された気体冷媒６６が７７Ｋに冷却されると、その圧力は約２５％（１／４程度）に低下する。このためバルブ１０４を開放させれば、バッファタンク１０２のタンク室１０２ｃと収容室６０との圧力差に基づいて、高圧側のバッファタンク１０２のタンク室１０２ｃに封入されている気体冷媒６６が低圧側の収容室６０に流入する。このように超電導モータが駆動するときには、バッファタンク１０２のタンク室１０２ｃの気体冷媒６６が収容室６０に流入される。よって収容室６０の気体冷媒６６が回転子３を冷却させる冷却能力を高めることができる。

また、超電導モータの運転が停止されるときには、制御装置はコンプレッサ５４をオフさせて冷凍機５３の作動を停止させる。これによりコールドヘッド５５の冷却能力が低下し、固定子２が昇温し、ひいては収容室６０に収容されている気体冷媒６６が昇温されてその体積を増加させる。この場合、収容室６０の気体冷媒６６の圧力が増加する。このためバルブ１０４を開放させれば、バッファタンク１０２のタンク室１０２ｃと収容室６０との圧力差に基づいて、高圧側の収容室６０の気体冷媒６６が低圧側のバッファタンク１０２のタンク室１０２ｃに流入する。このように超電導モータの駆動が停止されるときには、収容室６０の気体冷媒６６がバッファタンク１０２のタンク室１０２ｃに流入される。このようにバッファタンク１０２を利用して、収容室６０の温度に応じて、または、超電導モータのオンオフに応じて、収容室６０に対してバッファタンク１０２の気体冷媒６６を出し入れできる。なおバッファタンク１０２を基体１の外方ではなく、場合によって、基体１の内部に設けることもできる。例えばバッファタンク１０２を真空断熱室７内に設けることもできる。

（実施形態４）
図６は実施形態４を示す。本実施形態は前記した実施形態と基本的には同様の構成および同様の作用効果を有する。以下、相違する部分を中心として説明する。回転軸４は中空軸とされており、軸長方向（矢印Ｌ方向）において回転子３に対向する位置に配置された第３真空断熱室７３と、第３真空断熱室７３を仕切るように対向して回転軸４の内部に設けられた仕切壁４３とを有する。第３真空断熱室７３は、収容室６０と大気部１４との間の温度領域になる密閉空間であり、軸長方向において回転子３および収容室６０に重なる位置に形成されており、回転子３および収容室６０への伝熱を抑え、回転子３および収容室６０をできるだけ低温状態に維持するのに有利である。すなわち、このように回転軸４の内部に密閉室である第３真空断熱室７３が形成されているため、大気部１４（常温部）からの回転子３および収容室６０側への熱侵入を低減させることができる。

更に図６に示すように、回転軸４の軸長方向（矢印Ｌ方向）において、真空室断熱室７３の軸長ＬＢは基体１の軸長ＬＣよりも大きくされている。従って、回転軸４の軸長方向（矢印Ｌ方向）において、仕切壁４３は軸受８よりも外側に配置されている。このように回転軸４の第３真空断熱室７３が軸受８の内周側に配置されている。このため、大気部１４の熱が金属製の回転軸４を介して回転子３および収容室６０側に侵入することが低減されている。磁気シール部９および軸受８は回転軸４の周壁４０に保持されているため、常温側に配置される回転軸４の周壁４０から磁気シール部９および軸受８への伝熱を期待できる。故に、超電導材料を有する回転子３を収容する収容室６０が極低温状態等の低温状態に維持されるときであっても、磁気シール部９および軸受８の過剰低温化が抑制される。従って周壁４０は熱伝達性が良好で且つ強度を有する金属（例えば炭素鋼、合金鋼、アルミニウム合金、銅合金等）で形成されていることが好ましい。更に周壁４０の厚みｔ６（図６参照）は所定値以上であることが好ましい。

（実施形態５）
図７は実施形態５を示す。本実施形態は前記した実施形態と基本的には同様の構成および同様の作用効果を有する。以下、相違する部分を中心として説明する。図７に示されているように、回転軸４は中空軸とされており、軸長方向（矢印Ｌ方向）において回転子３に対向する位置に配置された第３真空断熱室７３と、第３真空断熱室７３を仕切るように対向して回転軸４の内部に設けられた仕切壁４３とを有する。回転軸４の内部に第３真空断熱室７３が形成されているため、回転軸４の断熱性が向上している。故に、外部（大気部１４）の熱が、低温状態の収容室６０側に回転軸４を介して侵入する熱侵入を低減させることができる。

更に図７に示されているように、回転軸４の軸長方向（矢印Ｌ方向）において、真空断熱室７３の軸長ＬＢは、基体１の軸長ＬＣよりも短縮されている。従って、回転軸４の軸長方向（矢印Ｌ方向）において、磁気シール部９は仕切壁４３よりも外側に配置されており、回転軸４の常温側の中空室４８に対面するように配置されている。このため磁気シール部９の内周側は常温部（常温大気部）となる。従って、収容室６０が極低温状態等の低温状態であっても、磁気シール部９の過剰冷却が抑えられる。よって、磁気シール部９の潤滑性およびシール性が長期にわたり良好に維持される。ひいては収容室６０内に充填されている気体冷媒６６が大気部１４に洩れることが抑制される。

（実施形態６）
図８は実施形態６を示す。本実施形態は前記した実施形態と基本的には同様の構成および同様の作用効果を有する。以下、相違する部分を中心として説明する。回転軸４の内部に密閉状態の第３真空断熱室７３が配置されている。このため、低温状態に維持される収容室６０，回転子３側に外部の熱が回転軸４を介して侵入することが低減されている。第３真空断熱室７３にはガス吸着剤４６が配置されている。具体的には、ガス吸着剤４６が第３真空断熱室７３を形成する内周面７３ｉにテープ状に貼られることにより保持されている。これにより第３真空断熱室７３の高真空度および真空断熱状態を長期にわたり維持することができる。ガス吸着剤４６としては、低温状態で吸着能力が高いものが好ましい。このようなガス吸着剤４６としてはモレキュラーシーブ、活性炭、水素ゲッター等が例示される。モレキュラーシーブは吸着性能が高いゼオライトを基材とする。他の実施形態においても、回転軸４が第３真空断熱室７３を有する構造で有れば、ガス吸着剤４６を使用することもできる。回転軸４の軸バランスのため、ガス吸着剤４６としては、回転軸４の第３真空断熱室７３を区画する内周部７３ｉに均一に保持することが好ましい。場合によっては、粉末状、粒子状のガス吸着剤を第３真空断熱室７に装入してもよい。更には真空断熱室７および／または第２真空断熱室７２にガス吸着剤４６を配置することにしても良い。

（実施形態７）
図９は実施形態７を示す。本実施形態は超電導回転電機を発電機に適用した場合を示す。本実施形態は前記した実施形態１〜６と基本的には同様の構成および同様の作用効果を有する。以下、相違する部分を中心として説明する。発電機に適用されているため、回転子３には、これの周方向に間隔を隔てて複数個の永久磁石部３ｘが配置されている。永久磁石部３ｘは周方向においてＮ極およびＳ極を交互に配置されており、超電導バルク磁石で形成されており、これの臨界温度以下の低温状態に維持される。図略の駆動源により回転軸４がこれの軸芯Ｐ１の回りで回転すると、回転子３と共に永久磁石部３ｘが回転し、電磁誘導により固定子２の各巻線部２１に誘導電流が発生する。巻線部２１に発生した誘導電流は変換器により交流電流とされる。

超電導バルク磁石は、溶融後に固化させた溶融バルクと呼ばれるバルク形状（塊状）の超電導体である。適切な組織制御を行って合成した溶融バルクは、磁場中で冷却するなどの方法で一旦着磁すれば、小さなサイズでＴ（テスラ）級の強い磁場を保持できるものが得られるようになっており、超電導体を着磁して磁石にしたものは、超電導バルク磁石と呼ばれている。発電機であっても、超電導モータに適用した上記した数々の技術を適用できる。発電機においても、上記した各実施形態の特有の特徴を有していても良い。

（その他）
上記した実施形態によれば、回転軸４の外周部４ｐと基体１の軸孔１０との間には、磁性流体を利用した磁気シール部９が設けられているが、これに限らず、有機系または無機系で形成された通常のシール材料で形成されたシール部としても良い。超電導回転電機では、固定子２の内周側に回転子３が配置されているが、固定子２の外周側に回転子３を配置するタイプでも良い。軸受８は、リング状の内輪８０と、リング状の外輪８１と、転動体８２とを有するが、これに限らず、内輪および転動体を有するタイプでも良いし、外輪および転動体を有するタイプでも良い。また軸受は転がり転動タイプに限定されず、円筒ころ軸受、円錐ころ軸受、更には滑りタイプでも良い。回転子３の軸端には複数個の羽根部３３が設けられているが、回転軸４に設けても良い。あるいは、場合によっては、回転子３の回転により気体冷媒６６を循環移動させ得るときには、羽根部３３を廃止しても良い。気体冷媒は空気としても良い。更に、気体冷媒６６に代えて、若干粘性が増加するものの、液体窒素、液体空気等の液状冷媒としても良い。

上記した実施形態に係る超電導モータは、回転子に誘導電流を発生させ回転子を回転させる誘導モータに適用されているが、これに限らず、超電導材料で形成された磁石（超電導バルク磁石）を回転子に搭載させたモータ構造でも良い。また、超電導回転電機は、超電導モータに限定されず、超電導材料（超電導バルク磁石など）で形成した磁石部を有する回転子を搭載した発電機に適用しても良い。

本発明は上記し且つ図面に示した実施形態のみに限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施できる。本明細書の記載から次の技術的思想も把握できる。

［付記項１］モータまたは発電機を構成する超電導回転電機であって、基体と、前記基体に保持された固定子と、前記固定子に対して回転可能に設けられ超電導材料を有する回転子と、前記回転子を保持する回転軸と、前記固定子を冷却させる冷却部と、前記固定子および前記回転子を収容すると共に冷熱媒体を収容する収容室を形成する低温容器と、前記収容室の外側に配置され前記収容室を真空断熱させる真空断熱室とを具備する超電導回転電機。収容室は真空断熱室により断熱状態に維持される。よって、収容室に収容されている固定子、回転子および冷熱媒体を極低温状態等の低温状態に維持できる。

［付記項２］モータまたは発電機を構成する超電導回転電機であって、基体と、前記基体に保持された固定子と、前記固定子に対して回転可能に設けられ超電導材料を有する回転子と、前記回転子を保持する回転軸と、前記固定子を冷却させる冷却部と、前記固定子および前記回転子を収容すると共に冷熱媒体を収容する収容室を形成する低温容器と、前記収容室の外側に配置され前記収容室を真空断熱させる真空断熱室と、前記基体と回転軸の外周部との間に設けられた磁気シール部とを具備する超電導回転電機。磁気シール部により基体と回転軸の外周部との間が良好にシールされ、収容室内の冷熱媒体が外部に洩れることが長期にわたり抑制される。

本発明は産業用、車両走行用、定置用等の超電導モータまたは超電導発電機に利用することができる。

１は基体、１１は対向壁、１４は大気部、２は固定子、２０は透磁コア、２１は巻線、３は回転子、３２は嵌合部、３３は羽根部、４は回転軸、４３は仕切壁、４６はガス吸着剤、５は冷却部、５１は第１熱伝導体、５２は第２熱伝導体、５３は冷凍機、５５はコールドヘッド、６は低温容器、６０は収容室、６３は微小隙間、６６は気体冷媒（冷熱媒体）、７は真空断熱室、７２は第２真空断熱室、７３は第３真空断熱室、８は軸受、９は磁気シール部（シール部）、１００は気体冷媒出入要素（冷熱媒体出入要素）、１０２はバッファタンク、１０３は連迂路、１０４はバルブを示す。

Claims (5)

1. モータまたは発電機を構成する超電導回転電機であって、基体と、前記基体に保持された固定子と、前記固定子に対して回転可能に設けられ超電導材料を有する回転子と、前記回転子を保持する回転軸と、前記固定子を冷却させる冷却部と、前記固定子および前記回転子を収容すると共に冷熱媒体を収容する収容室を形成する低温容器と、前記収容室の外側に配置され前記収容室を真空断熱させる真空断熱室と、前記基体のうち前記収容室以外で且つ大気を含む雰囲気に対面する部位に設けられ前記回転軸を回転可能に支持する軸受とを具備し、
   前記低温容器は、前記回転軸の外周部に微小隙間を介して対向すると共に前記回転軸の軸長方向に沿って筒形状に延設されたシール筒部を有する超電導回転電機。
2. 請求項１において、前記収容室の前記冷熱媒体の洩れを抑えるシール部が、前記回転軸の外周部に設けられている超電導回転電機。
3. 請求項１または２において、前記シール部は、前記収容室と前記軸受との間に配置されている磁気シール部である超電導回転電機。
4. 請求項１〜３のうちの一項において、前記回転子および前記回転軸のうちの少なくとも一方は、前記収容室内の冷熱媒体を前記収容室において移動させることにより前記回転子の冷却性を高める羽根構造を有する超電導回転電機。
5. 請求項１〜４のうちの一項において、前記収容室内の前記冷熱媒体の圧力変動に伴い前記冷熱媒体を収容室に対して出し入れする冷熱媒体出入要素が設けられている超電導回転電機。

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