JP5598320B2

JP5598320B2 - 超電導機器

Info

Publication number: JP5598320B2
Application number: JP2010292347A
Authority: JP
Inventors: 仁尾山; 剛新里
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2010-12-28
Filing date: 2010-12-28
Publication date: 2014-10-01
Anticipated expiration: 2030-12-28
Also published as: JP2012142345A

Description

この発明は、超電導機器に関し、より特定的には、冷却容器に収納された超電導コイルを用いた超電導機器に関する。

従来、超電導コイルを用いた超電導モータなどの超電導機器が知られている。たとえば、馬場，尾山，有吉，澤井、「超電導モータの設計」、ＳＥＩテクニカルレビュー、住友電気工業株式会社、２０１０年１月、第１７６号、p. 45-50（以下、「非特許文献１」と呼ぶ）には、永久磁石が配置されたロータと、当該ロータを内部に収納するとともに、超電導コイルが配置されたステータとからなる超電導モータが開示されている。また、永久磁石については、高性能化を図るべくさまざまな研究がなされている（たとえば、小澤、「資源問題に直面するモータ用永久磁石の研究動向と課題」、[online]、２０１０年９月、科学技術動向研究センター、[平成２２年１２月２１日検索]、インターネット<ＵＲＬ: http://www.nistep.go.jp/achiev/ftx/jpn/stfc/stt114j/report1.pdf>（以下、「非特許文献２」と呼ぶ）参照）。

馬場，尾山，有吉，澤井、「超電導モータの設計」、ＳＥＩテクニカルレビュー、住友電気工業株式会社、２０１０年１月、第１７６号、p. 45-50 小澤、「資源問題に直面するモータ用永久磁石の研究動向と課題」、[online]、２０１０年９月、科学技術動向研究センター、[平成２２年１２月２１日検索]、インターネット<ＵＲＬ: http://www.nistep.go.jp/achiev/ftx/jpn/stfc/stt114j/report1.pdf>

ここで、上述した非特許文献１に開示されたような超電導機器では、ロータに配置された永久磁石において、超電導機器の運転時に発生する熱によって、ロータに配置された永久磁石の温度が２００℃程度にまで上昇する場合があった。この場合、温度上昇によって永久磁石の電磁気的特性が劣化することを避けるため、永久磁石の種類の選択において耐熱性を重視する必要がある。一方、永久磁石においては、上述した非特許文献２からも分かるように、耐熱性とその電磁気的特性とはトレードオフの関係にあり、電磁気的特性の優れた（高性能な）永久磁石は、その耐熱性が低い（つまり、使用可能な温度域の上限値が、比較的電磁気的特性の良くない永久磁石の当該上限値より相対的に低い）。そのため、上記のような永久磁石を構成要素の一部として用いた超電導機器においては、使用温度を考慮すると高性能な永久磁石を適用することが難しく、結果的に超電導機器の高性能化が不十分であった。

なお、従来は、永久磁石の組成を変更し、このような比較的高い温度域で使用できる高性能な永久磁石を実現するべくさまざまな研究がなされていたが、そのような組成の変更による永久磁石での耐熱性と性能との両立には限界があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の目的は、構成部材である永久磁石の熱による特性の劣化を回避できる、高性能な超電導機器を提供することである。

この発明に従った超電導機器は、ステータとロータとを備える。ステータは、超電導コイルを含み、中央部に開口部が形成されている。ロータは、ステータの開口部の内部に配置され、永久磁石を含む。ステータは、超電導コイルを内部に保持する冷却容器を含む。冷却容器において、ロータと対向する内周側における熱コンダクタンスは、内周側と反対側である外周側における熱コンダクタンスより大きくなっている。なお、ここで冷却容器の内周側における熱コンダクタンスとは、冷却容器の内周側の温度と冷却容器の内部の温度との差から、当該冷却容器の内周側から冷却容器の内部へ侵入する熱量を算出するための係数であって、当該温度差が１℃であるときの侵入熱量に相当する。また、ここで冷却容器の外周側における熱コンダクタンスとは、冷却容器の外周側の温度と冷却容器の内部の温度との差から、当該冷却容器の外周側から冷却容器の内部へ侵入する熱量を算出するための係数であって、当該温度差が１℃であるときの侵入熱量に相当する。

このようにすれば、冷却容器の内周側から冷却容器の内部へ容易に熱が伝わる（つまり、内周側から冷却容器内部への侵入熱量が、外周側から冷却容器内部への侵入熱量より大きくなる）ため、冷却容器の内部に配置される超電導コイルの冷却材を利用して、冷却容器の内周側に位置するロータの永久磁石を容易に冷却できる。このため、超電導機器の運転時に永久磁石の温度が過剰に上昇することを抑制できる。この結果、永久磁石の温度上昇による電磁気的特性の劣化を抑制できる。また、異なる観点から言えば、耐熱温度が相対的に低いものの、電磁気的特性の優れた永久磁石を超電導機器に適用することができる。

この発明によれば、構成部材である永久磁石の熱による特性の劣化を抑制可能な、超電導機器を提供することができる。

本発明の実施の形態に係る超電導機器を示す概略図である。図１の線分ＩＩ−ＩＩにおける断面を示す断面模式図である。図２に示した超電導機器の部分拡大断面模式図である。図１〜図３に示した超電導機器の変形例を示す部分拡大断面模式図である。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰返さない。

図１〜図３を参照して、本発明の一実施の形態である超電導機器を説明する。
本実施の形態に係る超電導機器としては、たとえば図１に示す超電導モータが挙げられる。超電導モータは、回転子として用いるロータ３０と、固定子として用いるステータ２０とからなる。図１および図２に示すように、超電導モータではステータ２０の内周側に開口部が形成され、当該開口部の内部にロータ３０が配置されている。

超電導モータのロータ３０では、その内部に永久磁石３１が配置されている。図１および図２に示したロータ３０では、ロータ３０の回転軸を中心として２つの永久磁石３１が対向するように配置されている。ロータ３０の回転軸に重なるように、ロータ３０の中心には中心孔が形成されている。中心孔の内部に出力軸１８が配置されている。出力軸１８はロータ３０に対して固定されており、ロータ３０の回転に伴って出力軸１８も回転する。出力軸１８は、ステータ２０に設置されたベアリング３５により支持される。

超電導モータのステータ２０は、内周側に突出するように配置された複数のステータコア２３と、当該ステータコア２３の外周を巻回するように配置された超電導コイル１０と、超電導コイル１０を内部に保持する冷却容器４０（図３参照）とからなる。冷却容器４０は、超電導コイル１０と冷媒１７とが内部に保持される内槽容器５０と、内槽容器５０の周囲を、間隙２１（図３参照）を介して囲むように配置される外槽容器６０とからなる。内槽容器５０および外槽容器６０はそれぞれ任意の材料により構成することができるが、たとえばＦＲＰ（繊維強化プラスチック）のような断熱性に優れた材料により構成することが好ましい。ただしＦＲＰの代わりに、内槽容器５０および外槽容器６０としてたとえばフィラー含有プラスチックやセラミックスなどを用いてもよい。

なお、内槽容器５０と外槽容器６０との間の間隙２１の厚みを維持するため、間隙２１の内部にはスペーサが適宜配置される。スペーサは、内槽容器５０の外周面と外槽容器６０の内周面とに接続され、間隙２１の厚みを規定する。スペーサの材質も任意の材料を用いることができるが、上述したＦＲＰを用いてもよい。超電導コイル１０は、ステータコア２３の周囲を巻回できれば任意の形状とすることができるが、たとえばレーストラック型コイルの態様とすることが好ましい。

上述した超電導モータを運転する場合には、冷却容器４０の内部（内槽容器５０の内部）に冷媒を供給し超電導コイル１０を動作可能な温度にまで（超電導状態になる温度まで）冷却する。そして、超電導コイル１０に電流を流すことにより、ステータ２０においては、ステータコア２３の周囲の超電導コイル１０に流れる電流の向きに応じてステータコア２３に磁性を生じさせる。ロータ３０における永久磁石３１とステータコア２３との磁性による両者間の引き寄せや反発を利用してロータ３０をロータ軸（中心軸）の周囲に沿った方向へ回転させる。ロータ３０の回転は、ロータ３０の回転を出力する負荷に接続された出力軸１８から外部へと伝播される。

図３には一例として、ステータ２０に用いられる内槽容器５０および外槽容器６０からなる冷却容器４０および当該冷却容器４０に収納された超電導コイル１０を示している。冷却容器４０は、たとえば円筒形状であって、ステータコア２３が挿入されるべき開口部が形成された形状となっている。内槽容器５０の円筒部（ステータ２０においてロータ３０が配置された開口部の内壁と平行な壁面）では、内槽容器内側筐体５１と内槽容器外側筐体５２との２台の円筒形状の筐体が、これらの円筒形状の底面としての円形の中心がほぼ一致して同心円をなすように配置される。内槽容器外側筐体５２と内槽容器内側筐体５１とに挟まれた領域が、超電導コイル１０が載置される領域である。そして、内槽容器内側筐体５１と内槽容器外側筐体５２とには、ステータコア２３が挿入されるための開口部が形成されている。当該開口部に対向する部分には、内槽容器内側筐体５１と内槽容器外側筐体５２とを接続するように端部筐体が形成されている。

そして、内槽容器５０を囲むように配置された外槽容器６０は、その円筒部にとして外槽容器内側筐体６１と外槽容器外側筐体６２とを含む。外槽容器内側筐体６１と外槽容器外側筐体６２とをつなぐように、ステータコア２３と対向する外槽端部筐体が形成されている。

内槽容器５０と外槽容器６０とは、それぞれの底面がなす円形の径方向に関して互いに接触しないように配置されている。つまり図３に示すように、たとえば内槽容器５０の内槽容器外側筐体５２と、外槽容器６０の外槽容器外側筐体６２との間には径方向に一定の間隙２１が存在する。内槽容器５０の内槽容器内側筐体５１と、外槽容器６０の外槽容器内側筐体６１とについても同様である。つまり当該間隙２１はたとえば、内槽容器５０の外周を取り囲むように存在する。この間隙２１の存在により、内槽容器５０の内部が冷媒１７により冷却される効率を高め、内槽容器５０の内部の温度が、たとえば外槽容器６０の外側の室温の影響を受けることを抑制している。

また、図２や図３に示すように、内槽容器５０の内部には超電導コイル１０が載置されている。当該超電導コイル１０には、これを構成する超電導線材に電流を供給するための端子（図示せず）が接続されている。当該端子は、冷却容器４０における内槽容器５０の内周部から外槽容器６０の外部にまで延在している。

上記超電導モータの特徴として、冷却容器４０の内周側における侵入熱量が、外周側における侵入熱量より大きくなっていることがあげられる。具体的には、図３に示すように内槽容器内側筐体５１の厚みｔ３は、内槽容器外側筐体５２の厚みｔ４より薄くなっている。また、外槽容器内側筐体６１の厚みｔ１は、外槽容器外側筐体６２の厚みｔ２より薄くなっている。なお、図３に示した冷却容器４０では、間隙２１の厚みは内周側および外周側で一定としている。

このようにすれば、冷却容器４０において、ロータ３０と対向する内周側における熱コンダクタンスを、当該内周側と反対側である冷却容器４０の外周側における熱コンダクタンスより大きくできる。また、異なる観点から言えば、冷却容器４０の内周側（つまり永久磁石３１を含むロータ３０側）から冷却容器４０の内部に侵入する熱量を、冷却容器４０の外周側から冷却容器４０の内部に侵入する熱量より大きくできる。このため、冷却容器４０の内部に配置された、超電導コイル１０を冷却するための冷媒１７を利用して、ロータ３０の永久磁石３１を効果的に冷却することができる。このため、永久磁石３１の温度上昇を抑制できるので、電磁気的性能は優れるものの耐熱温度の相対的に低い永久磁石を、上述した超電導モータに適用することができる。

ここで、冷却容器４０に侵入する熱量（つまり冷却容器４０の外部から内槽容器５０の内部にまで到達する熱量）をＱ、冷却容器４０の外周表面から内槽容器５０の内部までの熱コンダクタンスをσ_all、高温側（冷却容器４０の外周側）の温度をＴＨ、低温側（冷却容器４０の内槽容器５０の内部）の温度をＴＬとすると、
Ｑ＝σ_all×（ＴＨ−ＴＬ）式（１）
という式が成り立つ。

また、外槽容器６０の筐体の熱コンダクタンスをσ₁、間隙２１の熱コンダクタンスをσ₂、内槽容器５０の筐体の熱コンダクタンスをσ₃とすると、
１／σ_all＝（１／σ₁）＋（１／σ₂）＋（１／σ₃）式（２）
という式が成り立つ。

さらに、外槽容器６０の筐体における熱伝導率をλ₁、間隙２１における熱伝導率をλ₂、内槽容器５０の筐体における熱伝導率をλ₃、外槽容器６０の外周における表面積をＳ、外槽容器６０の筐体の厚さをｄ₁、間隙２１の厚さをｄ₂、内槽容器５０の筐体の厚さをｄ₃とすると、一定の条件下では、
σ₁＝λ₁×Ｓ／ｄ₁ 式（３）
σ₂＝λ₂×Ｓ／ｄ₂ 式（４）
σ₃＝λ₃×Ｓ／ｄ₃ 式（５）
という式が成り立つ。

これらの式（１）〜式（５）からわかるように、冷却容器４０の内周側において侵入する熱量を、外周側より相対的に大きくするためには、内周側での熱コンダクタンスを外周側での熱コンダクタンスより大きくすればよいことがわかる。そして、熱コンダクタンスを大きくするためには、上述のように内槽容器５０や外槽容器６０において超電導モータの内周側に位置する部分の筐体の厚さを薄くするといった対応が考えられる。

また、冷却容器４０の内周側での侵入熱量を、外周側での侵入熱量より大きくする方法としては、上述のように冷却容器４０の壁部の厚みを変更する方法とは別の方法を用いてもよい。たとえば、上述した式から考えれば、図４に示すように、冷却容器４０の内周側における間隙２１の厚みｔ５を、外周側における厚みｔ６より小さくしてもよい。この場合も、図３に示した冷却容器４０と同様の効果を得ることができる。なお、図４に示したように間隙２１の厚みを内周側と外周側とで変更する場合、内槽容器内側筐体５１の厚みｔ３は、内槽容器外側筐体５２の厚みｔ４より薄くなっていてもよいし、同じになっていてもよい。また、外槽容器内側筐体６１の厚みｔ１は、外槽容器外側筐体６２の厚みｔ２より薄くなっていてもよいし、同じになっていてもよい。

ここで、上述した超電導機器としての超電導コイルの特徴的な構成を列挙すれば、この発明に従った超電導機器としての超電導モータは、ステータ２０とロータ３０とを備える。ステータ２０は、超電導コイル１０を含み、図２に示すように中央部に開口部が形成されている。ロータ３０は、ステータ２０の開口部の内部に配置され、永久磁石３１を含む。ステータ２０は、超電導コイル１０を内部に保持する冷却容器４０を含む。冷却容器４０において、ロータ３０と対向する内周側における熱コンダクタンスは、内周側と反対側である外周側における熱コンダクタンスより大きくなっている。また、異なる観点から言えば、冷却容器４０において、ロータ３０と対向する内周側からの侵入熱量は、内周側と反対側である外周側からの侵入熱量より大きくなっている。より具体的には、上記超電導モータでは、冷却容器４０を構成する壁部において、内周側に位置する壁部の部分の厚み（内槽容器内側筐体５１の厚みｔ３または外槽容器内側筐体６１の厚みｔ１）は、外周側に位置する壁部の部分の厚み（内槽容器外側筐体５２の厚みｔ４または外槽容器外側筐体６２の厚みｔ２）より薄くなっている。

このようにすれば、冷却容器４０の内部に配置される超電導コイル１０の冷却材（冷媒１７）を利用して、冷却容器４０の内周側に位置するロータ３０の永久磁石３１を容易に冷却できる。このため、超電導モータの運転時に永久磁石３１の温度が過剰に上昇することを抑制できる。この結果、永久磁石３１の温度上昇による電磁気的特性の劣化を抑制できる。また、異なる観点から言えば、耐熱温度が相対的に低いものの、電磁気的特性の優れた永久磁石３１を超電導モータに適用することができる。

また、上記のように外周側における冷却容器４０の壁部の厚み(内槽容器外側筐体５２や外槽容器外側筐体６２の厚みｔ４、ｔ２）が内周側より厚くなっているので、冷却容器４０の外周側における強度を十分高くすることができる。このため、間隙２１を真空状態にした場合に、より大きな応力がかかる冷却容器４０の外周側が変形するといった不良の発生を抑制できる。

上記超電導モータにおいて、冷却容器４０は、内殻部材（内槽容器５０）と外殻部材（外槽容器６０）とを含んでいてもよい。内槽容器５０は、超電導コイル１０を内部に保持する。外槽容器６０は、内槽容器５０の外周を、間隙２１を介して取囲む。内周側における内槽容器５０と外槽容器６０との間の間隙２１の厚みは、外周側における内槽容器５０と外槽容器６０との間の間隙２１の厚みより小さくてもよい。この場合、冷却容器４０における内周側の侵入熱量を、外周側での侵入熱量より容易に大きくできる。

上記超電導モータにおいて、冷却容器４０における間隙２１は真空状態になっていてもよい。この場合、断熱層として真空層（真空状態の間隙）を利用するので、冷却容器４０の保冷能力を所定の値に保ちつつ、冷却容器４０を小型化することができる。

上記超電導モータにおいて、冷却容器４０を構成する材料はＦＲＰであってもよい。この場合、超電導コイル１０の動作に必要とされる極低温の冷媒を内部に保持する冷却容器４０を実現できる。

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。

この発明は、超電導コイルと永久磁石とを利用する超電導機器において有利な効果を発揮する。

１０超電導コイル、１７冷媒、１８出力軸、２０ステータ、２１間隙、２３ステータコア、３０ロータ、３１永久磁石、３５ベアリング、４０冷却容器、５０内槽容器、５１内槽容器内側筐体、５２内槽容器外側筐体、６０外槽容器、６１外槽容器内側筐体、６２外槽容器外側筐体。

Claims

超電導コイルを含み、中央部に開口部が形成されたステータと、
前記ステータの前記開口部の内部に配置され、永久磁石を含むロータとを供え、
前記ステータは、前記超電導コイルを内部に保持する冷却容器を含み、
前記冷却容器において、前記ロータと対向する内周側における熱コンダクタンスは、前記内周側と反対側である外周側における熱コンダクタンスより大きくなっている、超電導機器。
前記冷却容器を構成する壁部において、前記内周側に位置する前記壁部の部分の厚みは、前記外周側に位置する前記壁部の部分の厚みより薄くなっている、請求項１に記載の超電導機器。
前記冷却容器は、前記超電導コイルを内部に保持する内殻部材と、前記内殻部材の外周を、間隙を介して取囲む外殻部材とを含み、
前記内周側における前記内殻部材と前記外殻部材との間の間隙の厚みは、前記外周側における前記内殻部材と前記外殻部材との間の間隙の厚みより小さい、請求項１または２に記載の超電導機器。
前記冷却容器における前記間隙は真空状態になっている、請求項３に記載の超電導機器。
前記冷却容器を構成する材料はＦＲＰである、請求項１〜４のいずれか１項に記載の超電導機器。