JP6057204B2 - 超電導界磁極 - Google Patents

Description

本発明は、超電導界磁極に関する。

回転電機（electrical rotating machine）は、一般的に、固定子(stator)と、回転子（rotor）と、該回転子及び該固定子を支持する筐体(housing)とから成る電動機又は発電機である。回転電機は、超電導現象が生じない常電導コイルを使用する常電動回転電機（normal conducting electrical rotating machine）と、超電導現象が生じる超電導コイルを使用する超電導回転電機(superconducting electrical rotating machine)とに分類することができる。なお、超電導回転電機は、主として、常電導巻線を使用した複数相の電機子巻線が周方向に配置された円筒状の固定子と、当該固定子の内部空間に当該固定子と同軸状に配設され、当該固定子の当該電機子巻線の複数の相と対向するように周方向に超電導コイルを使用した複数の界磁極（超電導界磁極）とが配置された、所謂ラジアルギャップ(radial gap)型の構造を呈している。超電導回転電機の回転子は、内側円筒体であるロータコア(rotor core)と、該ロータコアの外周を取り囲む外側円筒体であるケーシングとが、該ロータコアの中心軸上に連結されたロータシャフト（rotor shaft）により回転自在に支持されている。また、超電導回転電機の回転子は、ロータコアとケーシングとの間に減圧空間が形成されており、この減圧空間内に超電導界磁極が配置されている。

超電導界磁極２８は、図１４に示すように、互いに対向する１対の直線部分（３０ａ，３０ｂ）と、直線部分（３０ａ，３０ｂ）の両端を連結した互いに対向する１対の円弧部分（３０ｃ，３０ｄ）とから成るレーストラック（race track）型コイル２９を複数積層した構造となっている。具体的には、図１４に示す超電導界磁極２８は、４層のレーストラック型コイル２９ａ〜２９ｄを積層した超電導コイル体であり、各層のレーストラック型コイル２９ａ〜２９ｄは、図示しない長円形状の巻枠に対してテープ状（帯状）の超電導線材３１をレーストラック形状となるように渦巻き（蚊取り線香）状にパンケーキ巻し、所謂磁気回路を構成しない空芯構造となっている。さらに、図１４に示すレーストラック型コイル２９ａ〜２９ｄそれぞれの断面は、ダブルパンケーキ巻に伴い２層構造となっている。即ち、超電導線材３１の断面の長手方向（平行方向）がレーストラック型コイル２９の積層方向となり、且つ超電導線材３１の断面の短手方向（垂直方向）がレーストラック型コイル２９の径方向となるように、レーストラック型コイル２９の積層方向に２層の超電導線材３１が形成されており、且つ当該２層の超電導線材３１がレーストラック型コイル２９の径方向内側から径方向外側に向けて配列されたような形状となっている。なお、レーストラック型コイル２９は、ダブルパンケーキ巻による２層構造の他に、シングルパンケーキ巻により１層構造となる場合もある。

以上のような超電導界磁極２８の構造において、超電導線材３１の性能指標の一つである臨界電流は、超電導線材３１のテープ幅広面（主面）に対して主に垂直方向（レーストラック型コイルの径方向）に作用する磁場（以下、垂直磁場という）の強さに依存し、当該垂直磁場の強さが大きくなると、当該臨界電流が減少するという課題が知られている。図１５は、垂直磁場が発生する状況を表した模式図である。

一方、特許文献１には、高温超電導テープ材を用いた高温超電導コイルユニットを複数個積層した高温超電導コイル体の両端に、強磁性体として例えばケイ素鋼板などの鉄製のフランジを取り付けた高温超電導マグネットが開示されている。このように、高温超電導コイル体の両端に強磁性体が取り付けられる場合、コイル巻線部の磁界は強磁性体に向かうことになる。この結果、強磁性体が取り付けられない高温超電導マグネットと比べると、強磁性体が取り付けられた高温超電導マグネットは、高温超電導テープ材の磁界による臨界電流密度の低下が小さく、且つ高温超電導マグネットの発生磁界が高まるとされている。

特開平７−１４２２４５号公報

ところで、特許文献１に開示された超電導コイルは、マグネットに使用されている。従って、ラジアルギャップ型の超電導回転電機における垂直磁場による臨界電流の減少抑制策については全く言及していない。また、特許文献１に開示された超電導コイルは、単極のみでの使用を前提としているので、ラジアルギャップ型の超電導回転電機における複数極の超電導界磁極としての使用を前提としていない。このため、複数極間における磁気的な相互影響や、回転子側の超電導界磁極と固定子側の電機子との磁気的連成について考慮されておらず、ラジアルギャップ型の超電導モータの臨界電流及び出力の向上を図る上でさらなる改善の余地があった。

本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、その第１の目的は、回転子を超電導化し且つ固定子を常電導化したラジアルギャップ型の超電導回転電機において、垂直磁場による臨界電流の減少を抑制することである。また、その第２の目的は、回転子を超電導化し且つ固定子を常電導化したラジアルギャップ型の超電導回転電機において、他の超電導界磁極の相互影響を考慮に入れて、線材の垂直磁場の低減を図ることで臨界電流を向上させるとともに、回転子の超電導界磁極と固定子の電機子巻線との双方に鎖交する鎖交磁束を増加させることで出力向上を図ることである。

前記目的を達成するために、本発明のある態様(aspect)に係る超電導界磁極は、複数相の電機子巻線が周方向に配置された円筒状の固定子の内部空間に当該固定子と同軸状に配設される超電導回転電機の回転子において、前記電機子巻線の複数の相に対応するように周方向に配置された複数の超電導界磁極であって、各前記超電導界磁極は、超電導線材を渦巻き状に巻回してなる超電導コイル体と、前記超電導コイル体の前記回転子の径方向外側の端面に又は端面の近傍に配置された、前記超電導コイル体よりも強磁性の外側磁場転向部材と、前記超電導コイル体の前記回転子の径方向内側の端面に又は端面の近傍に配置された、前記超電導コイル体よりも強磁性の内側磁場転向部材と、を有し、前記内側磁場転向部材の体積が前記外側磁場転向部材の体積よりも大きいものである。

ここで、「〜の中心軸が〜の径方向を向く」とは、「〜の中心軸の延在方向と〜の径方向とが一致する」ことを意味する。また、「端面に又は端面の近傍に配置」とは、「端面に接触（in contact with）又は端面に隣接（adjacently）する」ことを意味する。なお、超電導コイル体の端面にギャップを介して外側磁場転向部材及び内側磁場転向部材が配置される場合とは、端面に接触ではなく端面に隣接する方を指す。

前記超電導界磁極の構成によれば、ラジアルギャップ型の超電導回転電機において、強磁性の外部及び内部磁場転向部材が超電導コイル体に向かう磁束を引き付けることで、線材の垂直磁場を低減させ、臨界電流を向上させることが可能となり、また、強磁性体が超電導コイル体の近傍にあることで発生磁束が大きくなり、回転子の超電導界磁極と固定子の電機子巻線との双方に鎖交する鎖交磁束を増加させることで出力向上を図ることが可能となる。

さらに、前記超電導界磁極の構成によれば、回転子の周方向で隣接した超電導界磁極（以下、隣極という）の磁場分布の影響を考慮に入れて、隣極との距離が近い方（影響力が強い方）の内側磁場転向部材の体積を、隣極との距離が遠い方（影響力が弱い方）の外側磁場転向部材の体積よりも大きくしたことにより、隣極の磁場分布の影響を低減させることが可能となる。また、この結果として、強磁性材料が超電導コイル積層体の近傍にあることで発生磁束が大きくなり、超電導コイル積層体の回転子の径方向内側の端面から径方向外側の端面に向かう磁束の強さ、ひいては回転子の超電導コイル積層体から固定子の電機子巻線に向かう磁束の強さを大きくすることが可能となる。また、隣極と近い超電導コイル積層体の外周部における超電導線材の垂直磁場を低減するとともに、当該外周部において超電導界磁極から電機子巻線に向かうように磁束を転向させることができる。

これらの理由により、ラジアルギャップ型の超電導回転電機において、他の超電導界磁極の相互影響を考慮に入れて、線材の垂直磁場の低減を図ることで臨界電流を向上させることが可能となり、また、回転子の超電導界磁極と固定子の電機子巻線との双方に鎖交する鎖交磁束を増加させることで出力向上を図ることが可能となる。

前記超電導界磁極において、前記外側磁場転向部材は、前記超電導コイル積層体の前記回転子の径方向外側の端面の全面に亘って配置され、且つ中央部が外周部より厚い板状に形成されている、としてもよい。ここで、超電導コイル積層体の端面の全周に亘って中央部が厚く且つ外周部が薄くなっていることに限らず、端面の全周のうち少なくとも一部の範囲で中央部が厚く且つ外周部が薄くなっていればよい。

前記超電導界磁極の構成によれば、中央部が外周部より厚い板状（円錐状、円錐台状、半球状、大径円柱体の一方の端面に小径円柱体を同軸状に連設させた形状など）の外側磁場転向部材を採用したことにより、超電導コイル積層体の各層のレーストラック型コイルを構成する超電導線材の垂直磁場を低減させ、超電導コイル積層体の磁場分布を電機子とより鎖交しやすい方向に転向させることが可能となる。言い換えると、漏れ磁束を有効磁束として利用することが可能となる。

前記超電導界磁極において、前記外側磁場転向部材は、前記中央部が一定の厚みを有し、前記中央部から前記外周部に近づくにつれて薄くなるように形成されている、としてもよい。

前記超電導界磁極の構成によれば、外側磁場転向部材の形状を中央部から外周部に近づくに連れて厚みが薄くなるテーパー状（円錐台状など）とすることにより、中央部が外周部よりも厚い板状の外側磁場転向部材を容易に作製することができる。

前記超電導界磁極において、前記内側磁場転向部材は、前記超電導コイル積層体の前記回転子の径方向内側の端面の全面に亘って配置され、且つ中央部が外周部より厚い板状に形成されている、としてもよい。

前記超電導界磁極の構成によれば、外側磁場転向部材と同様に、中央部が外周部より厚い板状（円錐状、円錐台状、半球状、大径円柱体の一方の端面に小径円柱体を同軸状に連設させた形状など）の内側磁場転向部材を採用したことにより、超電導コイル積層体の各層のレーストラック型コイルを構成する超電導線材の垂直磁場をさらに低減させ、超電導コイル積層体の磁場分布を電機子とより鎖交しやすい方向に転向させることが可能となる。言い換えると、漏れ磁束を有効磁束として利用することが可能となる。

前記超電導界磁極において、前記内側磁場転向部材は、前記中央部が一定の厚みを有し、且つ前記中央部から前記外周部に近づくにつれて薄くなるように形成されている、としてもよい。

前記超電導界磁極の構成によれば、内側磁場転向部材の形状を中央部から外周部に近づくに連れて厚みが薄くなるテーパー状（円錐台状など）とすることにより、中央部が外周部よりも厚い板状の内側磁場転向部材を容易に作製することができる。

前記超電導界磁極において、前記内側磁場転向部材及び前記外側磁場転向部材が、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｂ化合物に銅（Ｃｕ）とニオブ（Ｎｂ）を複合添加したアモルファス合金を結晶化させることにより作製されたナノ結晶軟磁性材料で構成されていてもよい。

前記超電導界磁極の構成によれば、内側磁場転向部材及び外側磁場転向部材を軽量化することができる。

前記超電導界磁極において、前記外側磁場転向部材及び前記内側磁場転向部材の両方が、超電導コイル体の中心軸の延在方向から見て中央部に穴の開いていない形状を有するとしてもよい。

前記超電導界磁極の構成によれば、外側磁場転向部材または内側磁場転向部材の少なくとも一方が、超電導コイル体の中心軸の延在方向から見て中央部に穴の開いている形状を有する場合と比べて、超電導界磁極から電機子巻線に向かう磁束が内側磁場転向部材及び外側磁場転向部材の中央部を通過しやすくなるように、当該磁束を転向させることができる。これにより、回転子の超電導界磁極と固定子の電機子巻線との双方に鎖交する鎖交磁束をさらに増加させ、超電導回転電機のさらなる出力向上を図ることが可能となる。

前記超電導界磁極において、前記外側磁場転向部材または前記内側磁場転向部材の少なくとも一方が、超電導コイル体の中心軸の延在方向から見て中央部に穴の開いている形状を有するとしてもよい。

前記超電導界磁極の構成によれば、外側磁場転向部材及び内側磁場転向部材の両方が、超電導コイル体の中心軸の延在方向から見て中央部に穴の開いていない形状を有する場合と比べて、穴の開いている方の外側磁場転向部材または内側磁場転向部材が、超電導コイル体に向かう磁束をより引き付けることで、超電導界磁極を構成する線材の垂直磁場の最大箇所をより低減させ、ひいては臨界電流をより向上させることが可能となる。

本発明によれば、第１に、回転子を超電導化し且つ固定子を常電導化したラジアルギャップ型の超電導回転電機において、垂直磁場による臨界電流の減少を抑制することができる。第２に、回転子を超電導化し且つ固定子を常電導化したラジアルギャップ型の超電導回転電機において、他の超電導界磁極の相互影響を考慮に入れて、線材の垂直磁場の低減を図ることで臨界電流を向上させることができ、また、回転子の超電導界磁極と固定子の電機子巻線との双方に鎖交する鎖交磁束を増加させることで出力向上を図ることができる。

図１は本発明の実施の形態１に係る超電導界磁極を備えた超電導回転電機の外観例とその内部構造例を示した図である。 図２は本発明の実施の形態１に係る超電導界磁極を備えた超電導回転電機の構成例を模式的に示した断面図である。 図３は本発明における磁場転向部材の形状によって実現されるべき超電導界磁極と電機子巻線との双方を鎖交する鎖交磁束を説明するための図である。 図４は本発明における磁場転向部材の形状を着想するに至った超電導界磁極の磁場分布が隣接する他の超電導界磁極の磁場分布の影響を被ることを説明するための図である。 図５は本発明の実施の形態１に係る超電導界磁極の構成例を示す図である。 図６は本発明の実施の形態２に係る超電導界磁極の構成例を示す図である。 図７は本発明の実施の形態３に係る超電導界磁極の構成例を示す図である。 図８は本発明の実施の形態４に係る超電導界磁極の構成例を示す図である。 図９は本発明の実施の形態５に係る超電導界磁極の構成を示す図である。 図１０は比較形態に係る超電導界磁極の構成を示す図である。 図１１は本発明の実施の形態８に係る超電導界磁極の構成を示す図である。 図１２は本発明の実施の形態３に係る超電導界磁極の各寸法並びに外側及び内側磁場転向部材の体積を定義する模式図である。 図１３は、本発明の実施形態１、３、４のそれぞれ対応した解析モデル(磁場転向部材を有する６極モータの１／６モデル)を用いて解析した結果として、各モデルの線材最大磁場の低減率及びモータ出力の増加率を表した図である。 図１４は超電導磁界磁極の構成例を示す図である。 図１５は超電導コイル積層体の各層のレーストラック型コイルを構成する超電導線材の垂直磁場を説明するための図である。

（本発明の着眼点）
本発明者等は、第１に、回転子を超電導化し且つ固定子を常電導化したというラジアルギャップ型の超電導回転電機に特有の構成に着眼し、この特有の構成に適した磁場転向部材の配置を検討した。

第２に、回転子を超電導化し且つ固定子を常電導化したラジアルギャップ型の超電導回転電機の超電導界磁極において、他の超電導界磁極の相互影響を考慮に入れて、線材の垂直磁場の低減を図ることで臨界電流を向上させるとともに、回転子の超電導界磁極と固定子の電機子巻線との双方に鎖交する鎖交磁束を増加させることで出力向上を図ることが可能な磁場転向部材の形状に着眼した。

以下、磁場転向部材の形状の着眼点について図３及び図４を用いて説明する。なお、図３は本発明における磁場転向部材の形状によって実現されるべき超電導界磁極と電機子巻線との双方を鎖交する鎖交磁束を説明するための図である。図４は本発明における磁場転向部材の形状を着想するに至った超電導界磁極の磁場分布が隣接する他の超電導界磁極の磁場分布の影響を被ることを説明するための図である。

まず、図３に示すように、超電導界磁極２８は、複数相の電機子巻線４０が円筒状のバックヨーク３２の内側周方向に配置された円筒状の固定子１８の内部空間に当該固定子１８と同軸状に配設される超電導回転電機の回転子１６において、電機子巻線４０の複数の相に対応するように周方向に複数配置されている。超電導界磁極２８は無鉄芯の磁極である。ここで、回転子１６の超電導界磁極２８と固定子１８の電機子巻線４０との双方に鎖交する鎖交磁束を増加させるには、第１の対策として超電導界磁極２８の磁場を強くすることと、第２の対策として超電導界磁極２８の磁場分布を電機子巻線４０とより鎖交しやすい方向に転向させることと、が考えられる。

図３を用いて説明すると、磁場転向部材を設けない超電導界磁極２８の場合、超電導界磁極と電機子巻線４０とをともに鎖交する鎖交磁束は、図３中の矢印付実曲線（ベクトル線）で表されるφＡである。かかる鎖交磁束φＡは、曲率が大きくて電機子巻線４０に向かう量が少ないので、超電導界磁極の各層を構成するレーストラック型コイルの超電導線材の幅広面（主面）（図１４参照）に対して垂直な磁場を大きくさせる。したがって、前述の第１の対策及び前述の第２の対策をとるべく、図３中の矢印付実曲線で表される鎖交磁束φＡが、図３中の矢印付点曲線で表されるように曲率が小さくて電機子巻線４０に向かう量が多い鎖交磁束φＢとなるように、超電導界磁極２８に設けられる磁場転向部材の形状を検討した。

この検討過程において、特に、本発明者等は、図４に示すように、回転子１６の周方向に配置されている各超電導界磁極２８の磁場分布が、回転子１６の周方向において隣接した超電導界磁極（以下、隣極という）２８の磁場分布の影響を被ることに着眼した。ここで、或る極である超電導界磁極２８とその隣極との位置関係において、或る極及び隣極の回転子１６それぞれの径方向内側（図４中では内周側）の端面の外周部間の距離は、或る極及び隣極の回転子１６の径方向外側（図４中では外周側）の端面の外周部間の距離よりも近いことが分かる。つまり、或る極において、回転子１６の径方向内側の端面の外周部は、回転子１６の径方向外側の端面の外周部と比べると隣極からの磁場分布の影響が強いといえる。そこで、第１の検討結果を踏まえて、隣極からの磁場分布の影響を抑制することが可能な磁場転向部材の形状を以下の実施の形態で提案する。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。なお、以下では全ての図を通じて同一又は相当する要素には同一の参照符号を付して、その重複する説明を省略する。
（実施の形態１）
［超電導回転電機の構造例］
図１は本発明の実施の形態１に係る超電導回転電機の外観例とその内部構造例を示す図である。図２は本発明の実施の形態１に係る超電導回転電機の構成例を模式的に示す断面図である。なお、図２に示す超電導回転電機は６相（例えば、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相、Ｘ相、Ｙ相、Ｚ相）、６極（永久磁石界磁）、且つスロット数が７２個の場合である。なお、超電導回転電機の相数及び極数がそれぞれ２相以上及び４極以上で任意であるのは言うまでもない。また、図２においては、説明を簡略化するために、外側磁場転向部材及び内側磁場転向部材を示していない。外側磁場転向部材及び内側磁場転向部材は後で詳しく説明する。

図１に示す超電導回転電機１０は、回転子１６を超電導化（超電導界磁巻線）して固定子１８を常電導化（常電導電機子巻線）したラジアルギャップ型の構造を呈している。超電導回転電機１０は、筒状の筐体１２と、回転子１６と、回転子１６の周囲を取り囲むように筐体１２の内部に配設された固定子１８とを有する。

回転子１６は、中心軸１４を有し、筐体１２によって回転自在に支持されたロータシャフト（rotor shaft）２０を有する。ロータシャフト２０は、中心軸１４を中心とする内側円筒体であるロータコア(rotor core)２２と外側円筒体であるケーシング２４とを支持している。ロータコア２２とケーシング２４との間には筒状の真空断熱空間が構築されており、この真空断熱空間内にはその周方向に沿って等間隔に複数の磁極対を成した無鉄芯型の超電導界磁極２８が配置されている。図２には、６極の場合として、３つの磁極対を有する超電導界磁極２８の配置が示されている。また、回転子１６には、図示しないが、前述の真空断熱空間内に配置された超電導界磁極２８を冷却するための冷却構造が設けられている。この冷却構造において使用される超電導界磁極２８を冷却するための冷媒としては例えばヘリウムガスを採用することができる。ロータコア２２は、非磁性材料で低温特性に優れた材料、例えば、ＳＵＳ３１６から成る中実円柱体の鍛造材料を切削加工して形成される。ケーシング２４は、低温に対する断熱性が優れた一又は複数の断熱材層を備えていることが好ましい。

固定子１８は、固定子１８の中心軸（ロータシャフト２０の中心軸でもある）１４と平行な軸方向に円環形状の複数の電磁鋼板（例えば、珪素鋼板）を積層し、全体として筒状に形成されたバックヨーク(back yoke)３２を有する。なお、バックヨーク３２は、例えば、その軸方向において所定の積層間隔の厚みを有した複数の分割片（section）に分割されている。バックヨーク３２の各分割片の内周面にバックヨーク３２の中心軸１４（ロータシャフト２０の中心軸でもある）に向けて延びるように、バックヨーク３２の周方向に間隔を有して配設されたティース３４が備えられている。バックヨーク３２の各分割片の内周面においてバックヨーク３２の周方向で互いに隣り合うティース３４の間には、固定子１８の中心軸１４と平行な方向に略長方形断面のスロット３６（凹状の溝）が延設されている。

ティース３４は、非磁性材料、例えば、繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）などの高い機械的強度を有する剛性樹脂材料により形成されている。この他に、ティース３４は、非磁性金属、例えばステンレスにより形成されてもよい。なお、材料に拘らずに、ティース３４は、固定子１８の中心軸１４と平行な方向に複数の非磁性の薄板を積層して形成されている。このように、ティース３４が非磁性材料により形成されることで、回転子１６の回転に伴う磁界の移動によってティース３４の内部に渦電流が発生することを回避でき、これに伴い、ティース３４の冷却構造が不要となる。また、ティース３４の径方向内側端部（回転子１６に対向する端部）に磁束が集中することも回避できる。

各スロット３６には、各々を識別するためのスロット番号が付与されている。図２には、スロット数が７２個の場合のスロット番号の付与方法が示されている。そして、各スロット３６には、筐体１２の径方向外側領域及び径方向内側領域それぞれに、互いに同相である電機子巻線（固定子巻線）４０の単位巻線対が配置されている。なお、バックヨーク３２の軸方向一端側から見て、径方向外側領域には単位巻線対の一端（始端）が出現し、径方向内側領域には単位巻線対の他端（終端）が出現する。したがって、電機子巻線４０の単位巻線の総数はスロット数と同じ７２本である。以下では、各スロット３６に配置される電機子巻線４０の単位巻線を４０（１），４０（２）,・・・，４０（７２）の符号を用いて識別するとともに、各スロット３６を３６（１），３６（２），・・・，３６（７２）の符号を用いて説明する。

電機子巻線４０は、例えば、互いに位相が１２０°異なるＵ相巻線、Ｖ相巻線、及びＷ相巻線から成る第１のＹ（スター）結線と、互いに位相が１２０°異なり且つ第１のＹ結線の各相巻線とは位相が６０°ずれて配置されるＸ相巻線、Ｙ相巻線、及びＺ相巻線から成る第２のＹ（スター）結線とを有し、さらに、第１のＹ結線の中性点と第２のＹ結線の中性点とが互いに接続されている。例えば、Ｕ相巻線は、互いに隣り合う連番のスロット対であり、且つ１２個のスロット間隔で現れるスロット対それぞれに配置される。具体的には、Ｕ相巻線は、スロット番号１、２、１３、１４、２５、２６、３７、３８、４９、５０、６１、６２の各スロット３６（１）、３６（２）、３６（１３）、３６（１４）、３６（２５）、３６（２７）、３６（３７）、３６（３８）、３６（４９）、３６（５０）、３６（６１）、３６（６２）に配置される。つまり、Ｕ相巻線は、１２本の単位巻線４０（１）、４０（２）、４０（１３）、４０（１４）、４０（２５）、４０（２６）、４０（３７）、４０（３８）、４０（４９）、４０（５０）、４０（６１）、４０（６２）を直列に接続して構成される。
［超電導界磁極の構成例］
図５は、本発明の実施の形態１に係る超電導界磁極２８の構成例を示す図である。

まず、図５に示す超電導界磁極２８において外側磁場転向部材６０及び内側磁場転向部材５０が設けられる前の構成例を、図１４を再び用いて説明する。

図１４に示す超電導界磁極２８は、平面視において（コイルの中心軸の延在方向から見て）、互いに対向する１対の直線部分（３０ａ，３０ｂ）と、直線部分（３０ａ，３０ｂ）の両端を連結した互いに対向する１対の円弧部分（３０ｃ，３０ｄ）とから成るレーストラック（race track）型コイル２９を複数積層した構造となっている。具体的には、図１４に示す超電導界磁極２８は、４層のレーストラック型コイル２９ａ〜２９ｄが積層されて形成された無鉄芯型の超電導コイル体である。各層のレーストラック型コイル２９ａ〜２９ｄは、図示しない長円形状の巻枠に対してテープ状（帯状）の超電導線材３１をレーストラック形状となるように渦巻き（蚊取り線香）状にパンケーキ巻した後、当該巻枠を取り外した空芯構造となっている。なお、超電導コイル体におけるレーストラック型コイル２９の積層数は４層に限られない。

さらに、図１４に示すレーストラック型コイル２９ａ〜２９ｄそれぞれの断面は、ダブルパンケーキ巻に伴い２層構造となっている。即ち、超電導線材３１の断面の長手方向（平行方向）がレーストラック型コイル２９の積層方向となり、且つ超電導線材３１の断面の短手方向（垂直方向）がレーストラック型コイル２９の径方向となるように、レーストラック型コイル２９の積層方向に２層の超電導線材３１が形成されており、且つ当該２層の超電導線材３１がレーストラック型コイル２９の径方向内側から径方向外側に向けて配列されたような形状となっている。なお、レーストラック型コイル２９は、ダブルパンケーキ巻による２層構造の他に、シングルパンケーキ巻により１層構造となる場合もある。

つぎに、図５に示す超電導界磁極２８の構成例を説明する。

図５に示す超電導界磁極２８は、超電導回転電機の回転子１６において電機子巻線４０の複数の相に対応するように周方向に配置され、且つレーストラック型コイルの中心軸が回転子１６の径方向を向くように配置されている。このように配置された超電導界磁極２８の例として、図５には超電導界磁極２８ａ、超電導界磁極２８ｂ、超電導界磁極２８ｃが示されている。超電導界磁極２８ａは、その超電導コイル体２７を成すレーストラック型コイル２９ａ〜２９ｄの中心軸ｄａが回転子１６の中心軸１４を起点とした径方向ｒａを向くように、配置されたものである。同様に、超電導界磁極２８ｂは、その超電導コイル体２７を成すレーストラック型コイル２９ａ〜２９ｄの中心軸ｄｂが回転子１６の中心軸１４を起点とした径方向ｒｂを向くように、配置されたものである。同様に、超電導界磁極２８ｃは、その超電導コイル体２７を成すレーストラック型コイル２９ａ〜２９ｄの中心軸ｄｃが回転子１６の中心軸１４を起点とした径方向ｒｃを向くように、配置されたものである。

また、図５に示す超電導界磁極２８は、４層分のレーストラック型コイル２９ａ〜２９ｄを積層した超電導コイル体２７の回転子１６の径方向外側の端面に強磁性の外側磁場転向部材６０が配置されるとともに、その超電導コイル体２７の回転子１６の径方向内側の端面に強磁性の内側磁場転向部材５０が配置されている。つまり、超電導コイル体２７の回転子１６の径方向内側の端面及び回転子１６の径方向外側の端面それぞれに強磁性の磁場転向部材（６０，５０）を配置して、当該磁場転向部材により超電導コイル体２７を軸心方向で挟み込むようにしている。これにより、超電導線材３１の垂直磁場を低減することと(第１の対策)、超電導界磁極２８の磁場を強くすることと（第２の対策）、超電導界磁極２８の磁場分布を電機子巻線４０とより鎖交しやすい方向に転向させることと（第３の対策）、を具現化すべく、磁場転向部材（６０，５０）の形状を任意に変更することが可能となる。なお、副次的な効果として、超電導コイル体２７の各層に磁場転向部材を配置するのと比べて、回転子１６の径の拡張を抑制することもできる。

ここで、「強磁性」とは、外部磁場に対して強く磁化する性質のことをいう。したがって、外側磁場転向部材６０及び内側磁場転向部材５０が強磁性を示すことにより超電導コイル体２７を鎖交する磁束の転向作用が有効に機能する。なお、転向作用の観点で、好ましくは、外側磁場転向部材６０及び内側磁場転向部材５０は超電導コイル体２７よりも強磁性であればよい。強磁性の磁場転向部材（６０，５０）の材質としては、例えば、フェライト、圧粉コア、パーメンジュール粉体、炭素鋼、一般構造用圧延鋼材（ＳＳ４００など）、ニッケル鋼、ケイ素鋼、Fe-Si-B化合物に銅（Cu）とニオブ（Nb）を複合添加したアモルファス合金を結晶化させることにより作製されたナノ結晶軟磁性材料等を採用することができる。

また、内側磁場転向部材５０の体積が外側磁場転向部材６０の体積よりも大きくしている。つまり回転子の周方向で隣接した超電導界磁極（以下、隣極という）の磁場分布の影響を考慮に入れて、隣極との距離が近い方（影響力が強い方）の内側磁場転向部材５０の体積を、隣極との距離が遠い方（影響力が弱い方）の外側磁場転向部材６０の体積よりも大きくした。なお、実施の形態１の効果を説明するために、図９には、外側磁場転向部材６０と体積が同じである内側磁場転向部材５１を例示する。なお、図９に示す実施の形態５は、本実施の形態の他にも、以下の実施の形態の効果を説明するために引用される。

以上のような内側磁場転向部材５０及び外側磁場転向部材６０の構成により、図９に示す実施の形態５に比べて、隣極の磁場分布の影響を低減させることが可能となる。また、この結果として、隣極と近い超電導コイル体２７の内周部における超電導線材３１の垂直磁場を低減することが出来る。また、図９に示す実施の形態５に比べて、強磁性体が超電導コイル体２７の近傍にあることで発生磁束が大きくなり、超電導コイル体２７の回転子１６の径方向内側の端面から径方向外側の端面に向かう磁束の強さ、ひいては回転子１６の超電導コイル体２７から固定子１８の電機子巻線４０に向かう磁束の強さを大きくすることが可能となる。また、図９に示す実施の形態５に比べて、隣極と近い超電導コイル体２７の外周部における超電導線材３１の垂直磁場を低減するとともに、当該外周部において超電導界磁極２８から電機子巻線４０に向かうように磁束を転向させることができる。これらの理由により、図９に示す実施の形態５に比べて、超電導コイル２７が経験する線材垂直磁場を低減することで臨界電流を向上させるとともに、回転子１６の超電導界磁極２８と固定子１８の電機子巻線４０との双方に鎖交する鎖交磁束を増加させ、超電導回転電機１０の出力向上を図ることが可能となる。

なお、図５には、内側磁場転向部材５０及び外側磁場転向部材６０が、共に、超電導コイル体２７の中心軸の延在方向から見て中央部に穴の開いていない形状を有する構成が示されているが、これは一例であり、本実施の形態では、当該穴は開いていてもよく、開いていなくてもよい。このことは、後述する実施の形態２−６でも同様である。なお、当該穴が開いていない形態を実施の形態７に示し、当該穴が開いている形態を実施の形態８に示す。

（実施の形態２）
図６は、本発明の実施の形態２に係る超電導界磁極２８の構成例を示す図である。

図６に示す超電導界磁極２８では、外側磁場転向部材６１は、複数のレーストラック型コイル２９を積層して成る超電導コイル体２７の回転子１６の径方向外側の端面の全面に亘って配置されており、且つ中央部が外周部より厚い板状に形成されている。なお、「中央部が外周部より厚い板状」とは、例えば、円錐状、円錐台状、半球状、大径円柱体の一方の端面に小径円柱体を同軸状に連設させた形状が挙げられる。なお、円錐台状の中には、平面視がレーストラック形状であり、且つ側面視が台形状である場合が含まれる。また、超電導コイル積層体２７の回転子１６の径方向外側の端面の全周に亘って中央部が厚く且つ外周部が薄くなっていることに限らず、端面の全周のうち少なくとも一部の範囲で中央部が厚く且つ外周部が薄くなっていればよい。

また、本実施の形態２では、外側磁場転向部材６１及び内側磁場転向部材５１の体積の関係は特に指定しない。図６に示す内側磁場転向部材５１は、本実施の形態１における内側磁場転向部材５０よりも薄い板状にしているが、これに限られない。

以上の外側磁場転向部材６１の形状によれば、図９に示す実施の形態５と比べて、超電導界磁極２８から電機子巻線４０に向かう磁束が外側磁場転向部材６１の中央部を通過しやすくなるように、当該磁束を転向させることができる。この結果、超電導コイル体２７の各層のレーストラック型コイル２９ａ〜２９ｄを構成する超電導線材３１の垂直磁場を低減させ、超電導コイル体２７の磁場分布を電機子巻線４０とより鎖交しやすい方向に転向させることが可能となる。言い換えると、漏れ磁束を有効磁束として利用することが可能となる。

特に、外側磁場転向部材６１は、中央部が一定の厚みを有し、且つ中央部から外周部に近づくにつれて薄くなるような形状に形成されてもよい。かかる形状としては、例えばテーパー状（円錐台状）が挙げられる。以上の外側磁場転向部材６１の形状によれば、前述した中央部が外周部よりも厚い板状を容易に作製することができる。

（実施の形態３）
図７は、本発明の実施の形態３に係る超電導界磁極２８の構成例を示す図である。

本実施の形態３は、本実施の形態１と本実施の形態２とを組み合わせたものである。つまり、隣極との距離が近い方の内側磁場転向部材５０の体積を、隣極との距離が遠い方の外側磁場転向部材６１の体積よりも大きくしている。さらに、外側磁場転向部材６１は、超電導コイル体２７の回転子１６の径方向外側の端面の全面に亘って配置されており、且つ中央部が外周部より厚い板状に形成されている。

以上の形状によれば、図９に示す実施の形態５と比べて、超電導コイル体２７の各層のレーストラック型コイル２９ａ〜２９ｄを構成する超電導線材３１の垂直磁場を低減させることで臨界電流を向上させ、回転子１６の超電導界磁極２８と固定子１８の電機子巻線４０との双方に鎖交する鎖交磁束をさらに増加させ、超電導回転電機１０のさらなる出力向上を図ることが可能となる。なお、実施の形態２の中で説明したとおり、外側磁場転向部材６１は、中央部が一定の厚みを有し、且つ中央部から外周部に近づくにつれて薄くなるような形状に形成されてもよいし、レーストラック型コイル２９の中心軸（ｄａ，ｄｂ，ｄｃ）の延在方向から見て、外側磁場転向部材６１の一定の厚みを有する部分の外周部がレーストラック型コイル２９の内周部の近傍に位置してもよい。

以下では、図１２を参照しながら、本実施の形態３に係る超電導界磁極２８の各寸法及び外側及び内側磁場転向部材の体積を規定する条件式を説明する。なお、図１２は、本実施の形態３に係る超電導界磁極の各寸法並びに外側及び内側磁場転向部材の体積を定義する模式図である。

図１２は、６極の超電導モータの１／６モデルを用いて、超電導コイル積層体２７の内径（空芯部の径）がａと表され、超電導コイル積層体２７の外径（短辺の長さ）がｂと表され、超電導コイル積層体２７の回転子１６の径方向の長さがｃと表され、内側磁場転向部材５０の径方向の長さがｅと表され、外側磁場転向部材６１の径方向の長さ（上底幅と下定幅との間の距離）がｇと表され、外側磁場転向部材６１の上底幅がｆと表されている。さらに、図１２では、外側磁場転向部材６１の体積がＶ_１と表され、内側磁場転向部材５０の体積がＶ_２と表されている。

ここで、上底幅ｆの条件式を以下の（式１）で表し、外側及び内側磁場転向部材の体積比を以下の（式２）で表すこととする。

０．３ｂ＋０．７ａ＜ｆ＜０．９＋０．１ａ・・・（式１）
０．６０＜Ｖ１／Ｖ２＜０．９８ ・・・（式２）
（実施の形態４）
図８は、本発明の実施の形態４に係る超電導界磁極２８の構成例を示す図である。

本実施の形態４は、図７に示す本実施の形態３における内側磁場転向部材５０の形状を、外側磁場転向部材６１と同様に、複数のレーストラック型コイル２９を積層して成る超電導コイル積層体２７の回転子１６の径方向内側の端面の全面に亘って配置されており、且つ中央部が外周部より厚い板状に形成した内側磁場転向部材５２の形状に変更したものである。なお、中央部が外周部より厚い板状とは、例えば、円錐状、円錐台状、半球状、大径円柱体の一方の端面に小径円柱体を同軸状に連設させた形状が挙げられる。

また、外側磁場転向部材６１と内側磁場転向部材５２との体積の関係は、図７に示す本実施の形態３と同様に、隣極との距離が近い方の内側磁場転向部材５２の体積を、隣極との距離が遠い方の外側磁場転向部材６１の体積よりも大きくしている。つまり回転子の周方向で隣接した超電導界磁極（以下、隣極という）の磁場分布の影響を考慮に入れて、隣極との距離が近い方（影響力が強い方）の内側磁場転向部材５２の体積を、隣極との距離が遠い方（影響力が弱い方）の外側磁場転向部材６１の体積よりも大きくしている。

かかる形状によれば、図９に示す実施の形態５と比べて、超電導コイル体２７の各層のレーストラック型コイル２９ａ〜２９ｄを構成する超電導線材３１の垂直磁場を低減させることで臨界電流を向上させるとともに、超電導界磁極２８から電機子巻線４０に向かう磁束が内側磁場転向部材５２及び外側磁場転向部材６１の中央部を通過しやすくなるように、当該磁束を転向させることができる。これにより、回転子１６の超電導界磁極２８と固定子１８の電機子巻線４０との双方に鎖交する鎖交磁束をさらに増加させ、超電導回転電機１０のさらなる出力向上を図ることが可能となる。なお、本実施の形態３の外側磁場転向部材６１と同様に、内側磁場転向部材５２は、中央部が一定の厚みを有し、且つ中央部から外周部に近づくにつれて薄くなるような形状に形成されてもよい。

（実施の形態５）
図９は、本発明の実施の形態５に係る超電導界磁極２８の構成例を示す図である。図１０は比較形態に係る超電導界磁極の構成を示す図である。

本実施の形態５は、図５に示す本実施の形態３における内側磁場転向部材５０を、外側磁場転向部材６０と体積が同じである内側磁場転向部材５１に置き換えたものである。一方、比較形態に係る超電導界磁極は、磁場転向部材を備えていない。
本実施の形態５のような内側磁場転向部材５１及び外側磁場転向部材６０の構成であっても、ラジアルギャップ型の超電導回転電機において、図１０に記載の磁場転向部材を設けない場合に比べて、強磁性の外側及び内側磁場転向部材が超電導コイル体に向かう磁束を引き付けることで、線材の垂直磁場を低減させ、臨界電流を向上させることが可能となり、また、強磁性体が超電導コイル体の近傍にあることで発生磁束が大きくなり、回転子の超電導界磁極と固定子の電機子巻線との双方に鎖交する鎖交磁束を増加させることで出力向上を図ることが可能となる。

（実施の形態６）
本発明の実施の形態６に係る超電導界磁極２８は、実施の形態１乃至５のいずれか１つに係る超電導界磁極２８において、内側磁場転向部材５０、５１及び外側磁場転向部材６１が、Fe-Si-B化合物に銅（Cu）とニオブ（Nb）を複合添加したアモルファス合金を結晶化させることにより作製されたナノ結晶軟磁性材料で構成されている。これ以外の構成は、実施の形態１乃至５のいずれか１つに係る超電導界磁極２８と同じである。このような構成とすると、内側磁場転向部材５０、５１及び外側磁場転向部材６１を軽量化することができる。例えば、内側磁場転向部材５０、５１及び外側磁場転向部材６１の材料がＳＳ４００である場合と比べると、発熱量低減効果は同程度である一方、重量を７４パーセント程度低減することができる。

（実施の形態７）
本発明の実施の形態７に係る超電導界磁極は、実施の形態１乃至６のいずれか１つに係る超電導界磁極において、外側磁場転向部材６０、６１及び内側磁場転向部材５０、５１、５２の両方が、超電導コイル体の中心軸の延在方向から見て中央部に穴の開いていない形状を有するものである。

以上の構成によれば、外側磁場転向部材または内側磁場転向部材の少なくとも一方が、超電導コイル体の中心軸の延在方向から見て中央部に穴の開いている形状を有する場合と比べて、超電導界磁極から電機子巻線に向かう磁束が内側磁場転向部材及び外側磁場転向部材の中央部を通過しやすくなるように、当該磁束を転向させることができる。これにより、回転子の超電導界磁極と固定子の電機子巻線との双方に鎖交する鎖交磁束をさらに増加させ、超電導回転電機のさらなる出力向上を図ることが可能となる。

（実施の形態８）
本発明の実施の形態８に係る超電導界磁極は、実施の形態１乃至６のいずれか１つに係る超電導界磁極において、外側磁場転向部材６０、６１または内側磁場転向部材５０、５１、５２の少なくとも一方が、超電導コイル体の中心軸の延在方向から見て中央部に穴の開いている形状を有するものである。図１１に、実施の形態１において、外側磁場転向部材６０及び内側磁場転向部材５０が、共に、中央部に穴の開いている形状を有する構成を例示する。

以上の構成によれば、外側磁場転向部材及び内側磁場転向部材の両方が、超電導コイル体の中心軸の延在方向から見て中央部に穴の開いていない形状を有する場合と比べて、穴の開いている方の外側磁場転向部材または内側磁場転向部材が、超電導コイル体に向かう磁束をより引き付けることで、超電導界磁極を構成する線材の垂直磁場の最大箇所をより低減させ、ひいては臨界電流をより向上させることが可能となる。

（シミュレーション解析）
図１３は、比較形態と実施の形態１、３、４、５とにそれぞれ対応した解析モデル(磁場転向部材を有する６極モータの１／６モデル)を用いて解析した結果を表した図である。なお、図１３における解析モデルの項目として、解析モデルＯは内側磁場転向部材及び外側磁場転向部材が取り付けられていない図１０に示す比較形態を表し、解析モデルＡは図９に示す実施の形態５を表し、解析モデルＢは図５に示す実施の形態１を表し、解析モデルＣは図７に示す実施の形態３を表し、解析モデルＤは図８に示す実施の形態４を表している。また、図１３に示す効果の項目では、解析モデルＯの解析結果(線材最大磁場２．２９８Ｔ、モータ出力３．０４ＭＷ)を基準として、線材最大磁場を低減率の値で示すとともに、モータ出力を増加率の値で示している。図１３に示す効果の項目によれば、解析モデルＤの線材最大磁場の低減率が最も大きく、解析モデルＣのモータ出力の増加率が最も大きいことが分かる。

上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更できる。

本発明は、回転子を超電導化し且つ固定子を常電導化し、該固定子に配置される固定子巻線を空芯としたラジアルギャップ型の超電導回転電機にとって有益である。

１０・・・超電導回転電機
１２・・・筐体
１４・・・中心軸
１６・・・回転子
１８・・・固定子
２０・・・ロータシャフト
２２・・・ロータコア
２４・・・ケーシング
２７…超電導コイル体
２８，２８ａ，２８ｂ，２８ｃ…超電導界磁極
２９，２９ａ，２９ｂ，２９ｃ，２９ｄ…レーストラック型コイル
３０ａ，３０ｂ…直線部分
３０ｃ，３０ｄ…円弧部分
３１…超電導線材
３２・・・バックヨーク
３４・・・ティース
３６・・・スロット
４０…電機子巻線
５０，５１，５２…内側磁場転向部材
６０，６１…外側磁場転向部材

Claims (8)

1. 複数相の電機子巻線が周方向に配置された円筒状の固定子の内部空間に当該固定子と同軸状に配設される超電導回転電機の回転子において、前記電機子巻線の複数の相に対応するように周方向に配置された複数の超電導界磁極であって、
   各前記超電導界磁極は、
   超電導線材を渦巻き状に巻回してなる超電導コイル体と、
   前記超電導コイル体の前記回転子の径方向外側の端面に又は端面の近傍に配置された、前記超電導コイル体よりも強磁性の外側磁場転向部材と、
   前記超電導コイル体の前記回転子の径方向内側の端面に又は端面の近傍に配置された、前記超電導コイル体よりも強磁性の内側磁場転向部材と、
   を有し、
   前記内側磁場転向部材の体積が前記外側磁場転向部材の体積よりも大きい、超電導界磁極。
2. 前記外側磁場転向部材は、前記超電導コイル体の前記回転子の径方向外側の端面の全面に亘って配置され、且つ中央部が外周部より厚い板状に形成されている、請求項１に記載の超電導界磁極。
3. 前記外側磁場転向部材は、前記中央部が一定の厚みを有し、且つ前記中央部から前記外周部に近づくにつれて薄くなるように形成されている、請求項２に記載の超電導界磁極。
4. 前記内側磁場転向部材は、前記超電導コイル体の前記回転子の径方向内側の端面の全面に亘って配置され、且つ中央部が外周部より厚い板状に形成されている、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の超電導界磁極。
5. 前記内側磁場転向部材は、前記中央部が一定の厚みを有し、且つ前記中央部から前記外周部に近づくにつれて薄くなるように形成されている、請求項４に記載の超電導界磁極。
6. 前記内側磁場転向部材及び前記外側磁場転向部材が、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｂ化合物に銅（Ｃｕ）とニオブ（Ｎｂ）を複合添加したアモルファス合金を結晶化させることにより作製されたナノ結晶軟磁性材料で構成されている、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の超電導界磁極。
7. 前記外側磁場転向部材及び前記内側磁場転向部材の両方が、超電導コイル体の中心軸の延在方向から見て中央部に穴の開いていない形状を有する、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の超電導界磁極。
8. 前記外側磁場転向部材または前記内側磁場転向部材の少なくとも一方が、超電導コイル体の中心軸の延在方向から見て中央部に穴の開いている形状を有する、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の超電導界磁極。