JP6800475B2 - Superconducting rotating machine - Google Patents

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Description

本発明は、コイルを超伝導ワイヤーで形成した超伝導回転機に関する。 The present invention relates to a superconducting rotating machine in which a coil is formed of a superconducting wire.

超伝導モーターや超伝導発電機等の超伝導回転機は、第二種超伝導体が発見された後の1960年頃から開発が開始された。当初は、液体ヘリウム冷却による大出力の超伝導回転機の開発競争が世界的に行われていたが、近年では、高温超伝導ワイヤーを用いた液体窒素冷却及び冷凍機による超伝導モーターの開発が各国で行われるようになっている。ところが、これらの超伝導回転機は、通常の回転機のコイルを超伝導ワイヤーに置き換えた構造のものであり、主に、銅損を低減することによって大きな出力が得られるようにすることを目的として開発されたものである。すなわち、これらの超伝導回転機は、超伝導体の性質を十分に利用したものとは言えず、その出力特性や冷却に必要なエネルギーを考慮した場合、必ずしも実用性の高いものとは言えなかった。 Development of superconducting rotating machines such as superconducting motors and superconducting generators began around 1960 after the discovery of type II superconductors. Initially, there was a worldwide competition to develop high-power superconducting rotors with liquid helium cooling, but in recent years, liquid nitrogen cooling using high-temperature superconducting wires and superconducting motors with refrigerators have been developed. It is now being held in each country. However, these superconducting rotors have a structure in which the coil of a normal rotor is replaced with a superconducting wire, and the main purpose is to obtain a large output by reducing copper loss. It was developed as. That is, these superconducting rotors cannot be said to fully utilize the properties of superconductors, and are not necessarily highly practical when considering their output characteristics and energy required for cooling. It was.

このような実状に鑑みて、本発明者は、これまでに、特許文献1の超伝導回転機を提案した。特許文献1の超伝導回転機は、同文献の図5等に示されるように、円環状(ドーナツ状)に形成した固定子2の環状部分に、コイル22を形成する超伝導ワイヤー22を巻き付けたものとなっている。超伝導ワイヤー22は、第二種超伝導体が内包されたテープ状のものが採用されている(同文献の段落0030を参照)。同文献の超伝導回転機は、固定子2と、永久磁石32を有する回転子3とが上下に対向して配された構造を有しており、小型化が可能であるとともに、回転子3に設けられた永久磁石32の磁場がコイル22を流れる電流に及ぼすローレンツ力の利用効率(超伝導モーターの場合)や、回転子3に設けられた永久磁石32による変動磁場がコイル22に発生させる電磁誘導作用の利用効率(超伝導発電機の場合)が高いものとなっていた。加えて、各相のコイル22が円環上で同一方向に揃っており、自己誘導をキャンセルすることが可能な構造となっているため、それまでの超伝導回転機と比較して、高速回転時でもトルクの減少が小さく、高い出力密度を実現できるものとなっていた。 In view of such circumstances, the present inventor has so far proposed the superconducting rotating machine of Patent Document 1. In the superconducting rotor of Patent Document 1, as shown in FIG. 5 and the like of the same document, the superconducting wire 22 forming the coil 22 is wound around the annular portion of the stator 2 formed in an annular shape (doughnut shape). It has become a thing. As the superconducting wire 22, a tape-shaped one containing a type II superconductor is adopted (see paragraph 0030 of the same document). The superconducting rotor of the same document has a structure in which a stator 2 and a rotor 3 having a permanent magnet 32 are arranged so as to face each other in the vertical direction, and can be miniaturized and the rotor 3 can be miniaturized. The utilization efficiency of the Lorentz force (in the case of a superconducting motor) exerted by the magnetic field of the permanent magnet 32 provided in the coil 22 on the current flowing through the coil 22 and the fluctuating magnetic field generated by the permanent magnet 32 provided in the rotor 3 are generated in the coil 22. The utilization efficiency of the electromagnetic induction action (in the case of a superconducting generator) was high. In addition, since the coils 22 of each phase are aligned in the same direction on the annulus and have a structure capable of canceling self-induction, the coil 22 rotates at a higher speed than the conventional superconducting rotors. Even at that time, the decrease in torque was small, and a high output density could be achieved.

特開2011−239596号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2011-239596

しかし、特許文献1の超伝導回転機は、その出力効率に改善の余地が残るものであった。というのも、第二種超伝導体が内包された超伝導ワイヤー22に交流磁場を与えた際には、超伝導体のピン止め力によって超伝導ワイヤー22にヒステリシス損失(ACロス)が発生するからである。この損失は、テープ状の超伝導ワイヤー22に印加される磁場の、超伝導ワイヤー22に対する垂直成分(超伝導ワイヤー22におけるテープ面に垂直な成分)が大きいほど大きくなる。なお、ここで言う「テープ面」とは、テープ状の超伝導ワイヤー22の表面における幅が広い方の面のことである。この点、特許文献1の超伝導回転機においては、同文献の図8に示されるように、回転子3に設けられた永久磁石32による磁場が、超伝導ワイヤー22のテープ面に対して略垂直に印加されるようになっていたため、超伝導ワイヤー22のACロスが大きくなってしまっていた。このACロスを低減することができれば、超伝導回転機の出力効率をより向上させることができる。 However, the superconducting rotary machine of Patent Document 1 has room for improvement in its output efficiency. This is because when an alternating magnetic field is applied to the superconducting wire 22 containing the type II superconductor, a hysteresis loss (AC loss) is generated in the superconducting wire 22 due to the pinning force of the superconductor. Because. This loss increases as the magnetic field applied to the tape-shaped superconducting wire 22 has a larger vertical component with respect to the superconducting wire 22 (a component perpendicular to the tape surface of the superconducting wire 22). The "tape surface" referred to here is the surface of the tape-shaped superconducting wire 22 that has a wider width. In this regard, in the superconducting rotor of Patent Document 1, as shown in FIG. 8 of the same document, the magnetic field generated by the permanent magnet 32 provided in the rotor 3 is substantially applied to the tape surface of the superconducting wire 22. Since it was applied vertically, the AC loss of the superconducting wire 22 was large. If this AC loss can be reduced, the output efficiency of the superconducting rotating machine can be further improved.

本発明は、上記課題を解決するために為されたものであり、超伝導ワイヤーのACロスが小さく、出力効率の優れた超伝導回転機(超伝導モーター又は超電導発電機)を提供するものである。 The present invention has been made to solve the above problems, and provides a superconducting rotating machine (superconducting motor or superconducting generator) having a small AC loss of a superconducting wire and excellent output efficiency. is there.

上記課題は、
環状を為すコア部材と、
超伝導材料によって形成されたテープ状の部材からなり、コア部材の環状部分に巻き付けられた超伝導ワイヤーと
を備えた超伝導回転機であって、
コア部材が、互いに略平行な上面及び下面を有する平板環状に形成されるとともに、
テープ状を為す超伝導ワイヤーにおける、コア部材の上面側に配される上側部分及び下面側に配される下側部分が、その幅方向とコア部材の厚さ方向とが略平行となるように配された
ことを特徴とする超伝導回転機
を提供することによって解決される。
The above issues are
The core member that forms a ring and
A superconducting rotating machine made of a tape-shaped member formed of a superconducting material and equipped with a superconducting wire wound around an annular portion of a core member.
The core member is formed in a flat plate annular shape having an upper surface and a lower surface substantially parallel to each other, and
In the tape-shaped superconducting wire, the upper portion arranged on the upper surface side and the lower portion arranged on the lower surface side of the core member are substantially parallel in the width direction and the thickness direction of the core member. It is solved by providing a superconducting rotating machine characterized by being arranged.

ここで、「コア部材が、略平行な上面と下面とを有する」という記載や、「コア部材の上面側」という記載等における「上」や「下」という語句は、説明の便宜上、コア部材の厚さ方向における一方を「上」、他方を「下」として用いているだけのものであり、本発明の超伝導回転機を使用する向きを限定するものではない。以下において、「上」や「下」等の方向を示す語句を使用する場合も、特に断りのない限り同様とする。 Here, the terms "upper" and "lower" in the description "the core member has a substantially parallel upper surface and the lower surface" and the description "upper surface side of the core member" are used for convenience of explanation. Only one is used as "upper" and the other as "lower" in the thickness direction of the above, and the direction in which the superconducting rotating machine of the present invention is used is not limited. In the following, the same shall apply to the use of words indicating directions such as "up" and "down" unless otherwise specified.

本発明の超伝導回転機は、超伝導ワイヤーのACロスが小さく、出力効率の優れた超伝導回転機(超伝導モーター又は超電導発電機)を提供することができるものとなっている。すなわち、テープ状の超伝導ワイヤーにおける上側部分及び下側部分が、その幅方向とコア部材の厚さ方向とが略平行となるように(その幅方向が上下方向を向くように)配されていることにより、これに上下方向の交流磁場を印加した際に、超伝導ワイヤーに対する該交流磁場の垂直成分を小さくすることができ、上記のACロスを小さく抑えることができる。ACロスは、主にジュール熱として失われるため、これを低減することができると、超伝導回転機の出力効率を向上させることができることに加えて、コイル(超伝導ワイヤー)の冷却効率を高めることもできる(超伝導回転機においては、超伝導ワイヤーを超伝導状態に保つために液体窒素や冷凍機等による超伝導ワイヤーの冷却が行われる)。なお、本明細書においては、「ACロス」という語句を、専ら、第二種超伝導体のピン止め力によって生じるヒステリシス損失という意味で使用している。 The superconducting rotor of the present invention can provide a superconducting rotor (superconducting motor or superconducting generator) having a small AC loss of the superconducting wire and excellent output efficiency. That is, the upper portion and the lower portion of the tape-shaped superconducting wire are arranged so that the width direction thereof and the thickness direction of the core member are substantially parallel (the width direction faces the vertical direction). Therefore, when an alternating magnetic field in the vertical direction is applied to the alternating magnetic field, the vertical component of the alternating magnetic field with respect to the superconducting wire can be reduced, and the AC loss can be suppressed to a small value. Since AC loss is mainly lost as Joule heat, if this can be reduced, the output efficiency of the superconducting rotor can be improved and the cooling efficiency of the coil (superconducting wire) can be improved. It is also possible (in a superconducting rotating machine, the superconducting wire is cooled by liquid nitrogen, a refrigerator, etc. in order to keep the superconducting wire in a superconducting state). In addition, in this specification, the term "AC loss" is used exclusively to mean the hysteresis loss caused by the pinning force of the type II superconductor.

また、テープ状の超伝導ワイヤーは、その幅方向に曲げにくいところ、引用文献1に記載の超伝導回転機における固定子のように、環状部分の断面が略円形を為すドーナツ状の部材に、超伝導ワイヤーを、その幅方向が上下方向に略平行となる状態で巻き付けようとした場合には、超伝導ワイヤーにおける固定子に巻き付ける部分の全体を超伝導ワイヤーの幅方向に曲げる必要があり、そのような巻き付けは実質的に不可能であった。これに対し、本発明の超伝導回転機においては、コア部材を平板環状に形成してコア部材の環状部分の断面外形における直線状の部分を多くしたことにより、超伝導ワイヤーを、その幅方向が上下方向に略平行となる状態でコア部材に巻き付けようとする場合であっても、超伝導ワイヤーにおける大部分(上側部分や下側部分)を曲げなくともすむようになっている。換言すると、超伝導ワイヤーにおける特定の箇所(上側部分や下側部分の両端部)のみを曲げさえすれば、超伝導ワイヤーを、その幅方向が上下方向に略平行となる状態でコア部材に巻き付けることができるようになっている。 Further, since the tape-shaped superconducting wire is difficult to bend in the width direction, it can be used as a donut-shaped member having a substantially circular cross section of an annular portion like a stator in the superconducting rotating machine described in Reference 1. If you try to wind the superconducting wire in a state where the width direction is substantially parallel to the vertical direction, it is necessary to bend the entire part of the superconducting wire to be wound around the stator in the width direction of the superconducting wire. Such wrapping was virtually impossible. On the other hand, in the superconducting rotary machine of the present invention, the superconducting wire is formed in the width direction of the superconducting wire by forming the core member in a flat plate annular shape and increasing the linear portion in the cross-sectional outer shape of the annular portion of the core member. It is not necessary to bend most of the superconducting wire (upper part and lower part) even when it is intended to be wound around the core member in a state where the elements are substantially parallel in the vertical direction. In other words, the superconducting wire is wound around the core member in a state where the width direction is substantially parallel to the vertical direction by bending only a specific part (both ends of the upper part and the lower part) of the superconducting wire. You can do it.

本発明の超伝導回転機において、超伝導ワイヤーにおける上側部分及び下側部分以外の部分をどのように配するのかは特に限定されない。というのも、コア部材に巻き付けられた超伝導ワイヤーに対して上下方向の磁場が与えられた際に、ローレンツ力(超伝導モーターの場合)や、電磁誘導作用(超伝導発電機の場合)を受けることができるのは、超伝導ワイヤーにおける、磁場に直交する方向に電流が流れる部分、すなわち、主に上側部分及び下側部分であり、超伝導ワイヤーにおけるそれ以外の部分は、超伝導モーターや超伝導発電機の出力にほとんど寄与しないからである。しかし、超伝導ワイヤーにおける上側部分及び下側部分の幅方向が上下方向に略平行となるようにしつつ、超伝導ワイヤーを無理なく(幅方向に曲げることなく)コア部材に巻き付けるためには、以下の構成を採用すると好ましい。 In the superconducting rotary machine of the present invention, how the portions other than the upper portion and the lower portion of the superconducting wire are arranged is not particularly limited. This is because when a magnetic field is applied in the vertical direction to the superconducting wire wound around the core member, the Lorentz force (in the case of a superconducting motor) and the electromagnetic induction action (in the case of a superconducting generator) are exerted. What can be received is the part of the superconducting wire where the current flows in the direction perpendicular to the magnetic field, that is, mainly the upper part and the lower part, and the other parts of the superconducting wire are the superconducting motor and This is because it hardly contributes to the output of the superconducting generator. However, in order to wind the superconducting wire around the core member reasonably (without bending in the width direction) while keeping the width directions of the upper part and the lower part of the superconducting wire substantially parallel in the vertical direction, the following is required. It is preferable to adopt the configuration of.

すなわち、
超伝導ワイヤーにおける、コア部材の内周面側に配される内側部分を案内するための内側突起部と、超伝導ワイヤーにおける、コア部材の外周面側に配される外側部分を案内するための外側突起部とで構成される内外一対の突起部の組を、コア部材の周回方向における複数箇所に設けるとともに、
それぞれの組の突起部における一側(環状を為すコア部材の周回方向における一側。以下同じ。)に、超伝導ワイヤーの上側部分及び下側部分が重なり、それぞれの組の突起部における他側(環状を為すコア部材の周回方向における他側。以下同じ。)に、超伝導ワイヤーの内側部分及び外側部分が重なる状態で、それぞれの組の突起部ごとに超伝導ワイヤーを巻き付ける
構成である。
That is,
An inner protrusion for guiding the inner portion of the superconducting wire arranged on the inner peripheral surface side of the core member and an outer portion of the superconducting wire for guiding the outer portion arranged on the outer peripheral surface side of the core member. A pair of inner and outer protrusions composed of outer protrusions is provided at a plurality of locations in the circumferential direction of the core member, and is provided.
The upper and lower parts of the superconducting wire overlap on one side of the protrusions of each set (one side of the annular core member in the circumferential direction; the same applies hereinafter), and the other side of the protrusions of each set. (The other side in the circumferential direction of the core member forming an annular shape. The same applies hereinafter.) The superconducting wire is wound around each set of protrusions with the inner and outer portions of the superconducting wire overlapping.

このとき、
内側突起部及び外側突起部の上端部を、コア部材の上面から上方に突出させて設け、
内側突起部及び外側突起部の下端部を、コア部材の下面から下方に突出させて設けるとともに、
内側突起部の上端部内面側及び下端部内面側、並びに、外側突起部の上端部外面側及び下端部外面側に、それぞれ断面半円状の嶺部を有することにより、それらの箇所で案内される超伝導ワイヤーが許容曲げ半径以下で折れ曲がらないようにすると、好ましい。
At this time,
The upper end of the inner protrusion and the outer protrusion are provided so as to project upward from the upper surface of the core member.
The inner protrusion and the lower end of the outer protrusion are provided so as to project downward from the lower surface of the core member.
By having ridges having a semicircular cross section on the inner surface side of the upper end portion and the inner surface side of the lower end portion of the inner protrusion portion, and the outer surface side of the upper end portion and the outer surface side of the lower end portion of the outer protrusion portion, the guide is provided at these points. It is preferable that the superconducting wire is not bent below the allowable bending radius.

これにより、超電導ワイヤーの破壊につながる負荷をかけることなく、テープ状の超電導ワイヤーの幅方向と、コア部材の上面及び下面での磁束の向きとが略平行になるように超伝導ワイヤーを巻き回すことが可能となる。さらに具体的には、超伝導ワイヤーはコア部材の上面及び下面において、幅方向が磁束の向きと略平行になる向きに配置されており、外側突起部の半円形断面の嶺部に超伝導ワイヤーの幅方向の表面を沿わせて巻き回されることで、外側突起部において、コア部材の上面から下面(あるいは下面から上面)に超伝導ワイヤーを案内することができる。内側突起部においても、外側突起部と同様に超伝導ワイヤーの表面を内側突起部の上下に配置された半円形断面の嶺部の表面に沿ってガイドすることで、コア部材の下面から上面(あるいは上面から下面)に超伝導ワイヤーを案内することができる。このとき、半円形断面の半径は、超電導ワイヤーの許容曲げ半径以下にならないことが好ましい。 As a result, the superconducting wire is wound so that the width direction of the tape-shaped superconducting wire and the direction of the magnetic flux on the upper and lower surfaces of the core member are substantially parallel without applying a load that leads to the destruction of the superconducting wire. It becomes possible. More specifically, the superconducting wire is arranged on the upper surface and the lower surface of the core member so that the width direction is substantially parallel to the direction of the magnetic flux, and the superconducting wire is formed at the ridge of the semicircular cross section of the outer protrusion. By winding along the surface in the width direction of the core member, the superconducting wire can be guided from the upper surface to the lower surface (or from the lower surface to the upper surface) of the core member at the outer protrusion. In the inner protrusion as well, the surface of the superconducting wire is guided along the surface of the ridge portion having a semicircular cross section arranged above and below the inner protrusion, so that the surface of the superconducting wire is guided from the lower surface to the upper surface of the core member. Alternatively, the superconducting wire can be guided from the upper surface to the lower surface). At this time, it is preferable that the radius of the semicircular cross section does not become less than the allowable bending radius of the superconducting wire.

上記嶺部は、断面半円状とされ、嶺部に沿って案内された超伝導ワイヤーが許容曲げ半径以下で折れ曲がらないようになっていれば、その形状を特に限定されない。しかし、内側突起部及び外側突起部の上端部及び下端部に設けられた上記嶺部は、コア部材の上面及び下面に対して45°の傾斜角度を有するようにすると好ましい。これにより、嶺部に案内された超伝導ワイヤーを略直角方向に方向転換しやすくなり、上側部分又は下側部分と、内側部分又は外側部分との間の移行をスムーズに行うことができる。 The shape of the ridge portion is not particularly limited as long as the ridge portion has a semicircular cross section and the superconducting wire guided along the ridge portion does not bend below the allowable bending radius. However, it is preferable that the ridges provided at the upper end and the lower end of the inner protrusion and the outer protrusion have an inclination angle of 45 ° with respect to the upper surface and the lower surface of the core member. As a result, the direction of the superconducting wire guided to the ridge portion can be easily changed in a substantially right-angled direction, and the transition between the upper portion or the lower portion and the inner portion or the outer portion can be smoothly performed.

本発明の超伝導回転機において、超伝導ワイヤーにおける上側部分及び下側部分は、その幅方向とコア部材の厚さ方向(通常、後述する「永久磁石」による磁場の方向(上下方向)と平行)とが略平行となるように配されていればよいが、より好ましくは、超伝導ワイヤーにおける上側部分及び下側部分の幅方向と、コア部材の厚さ方向との為す角度が、10°以下となるようにするとよい。これにより、超伝導ワイヤーに上下方向の交流磁場を印加した際に、超伝導ワイヤーに対する交流磁場の垂直成分をより小さくして、超伝導ワイヤーのACロスをより小さく抑えることができる。超伝導ワイヤーにおける上側部分及び下側部分の幅方向と、コア部材の厚さ方向との為す角度は、5°以下となるようにするとさらに好ましい。 In the superconducting rotating machine of the present invention, the upper portion and the lower portion of the superconducting wire are parallel to the width direction thereof and the thickness direction of the core member (usually, the direction of the magnetic field by the "permanent magnet" described later (vertical direction)). ) May be arranged so as to be substantially parallel to each other, but more preferably, the angle formed by the width direction of the upper portion and the lower portion of the superconducting wire and the thickness direction of the core member is 10 °. It should be as follows. As a result, when an alternating magnetic field in the vertical direction is applied to the superconducting wire, the vertical component of the alternating magnetic field with respect to the superconducting wire can be made smaller, and the AC loss of the superconducting wire can be suppressed to be smaller. It is more preferable that the angle formed by the width direction of the upper portion and the lower portion of the superconducting wire and the thickness direction of the core member is 5 ° or less.

本発明の超伝導回転機においては、超伝導ワイヤーにおける上側部分及び下側部分に対して磁場が上下方向から印加されるようになっていれば、コア部材と超伝導ワイヤー以外の構成は特に限定されない。しかし、本発明の超伝導回転機は、永久磁石が設けられた上下一対の回転子をさらに備え、超伝導ワイヤーが巻き付けられたコア部材の上下に配された一対の回転子が、環状を為すコア部材の中心線を回転中心として回転可能に支持されるようにすると好ましい。換言すると、本発明の超伝導回転機を、1ステータ・2ロータタイプのアキシャルギャップ型回転機とすると好ましい。このように、回転子が固定子(コア部材及び超伝導ワイヤー)を上下から挟み込んだ構造を採用することによって、後述するように、回転子に設けられた永久磁石の磁場が超伝導ワイヤーを流れる電流に及ぼすローレンツ力の利用効率(超伝導モーターの場合)や、回転子に設けられた永久磁石による変動磁場が超伝導ワイヤーに発生させる電磁誘導作用の利用効率(超伝導発電機の場合)を高くすることができるとともに、超伝導回転機を小型化することもできる。 In the superconducting rotary machine of the present invention, the configurations other than the core member and the superconducting wire are particularly limited as long as the magnetic field is applied to the upper portion and the lower portion of the superconducting wire from the vertical direction. Not done. However, the superconducting rotor of the present invention further includes a pair of upper and lower rotors provided with permanent magnets, and a pair of rotors arranged above and below the core member around which the superconducting wire is wound form an annular shape. It is preferable that the core member is rotatably supported with the center line as the center of rotation. In other words, it is preferable that the superconducting rotary machine of the present invention is a 1-stator / 2-rotor type axial gap type rotary machine. By adopting a structure in which the rotor sandwiches the stator (core member and superconducting wire) from above and below, the magnetic field of the permanent magnet provided in the rotor flows through the superconducting wire, as will be described later. Utilization efficiency of Lorentz force on electric current (in the case of superconducting motor) and utilization efficiency of electromagnetic induction action generated in superconducting wire by fluctuating magnetic field by permanent magnet provided in rotor (in case of superconducting generator) The height can be increased, and the superconducting rotor can be miniaturized.

以上のように、本発明によって、超伝導ワイヤーのACロスが小さく、出力効率の優れた超伝導回転機(超伝導モーター又は超電導発電機)を提供することが可能になる。 As described above, according to the present invention, it is possible to provide a superconducting rotating machine (superconducting motor or superconducting generator) having a small AC loss of a superconducting wire and excellent output efficiency.

本実施態様の超伝導モーターをその出力軸の中心線Aを含む平面で切断した状態を示した断面図である。The superconducting motor according to the present embodiment is a sectional view showing a state taken along a plane including the center line A 1 of the output shaft. 本実施態様の超伝導モーターを上下方向に分解した状態を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the state which disassembled the superconducting motor of this embodiment in the vertical direction. 本実施態様の超伝導モーターにおける固定子の平面図である。It is a top view of the stator in the superconducting motor of this embodiment. 本実施態様の超伝導モーターにおけるコア基体の斜視図である。It is a perspective view of the core substrate in the superconducting motor of this embodiment. コイルを形成する超伝導ワイヤーをコア部材に巻き付ける様子を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the state of winding the superconducting wire forming a coil around a core member. 図5におけるコア部材及び超伝導ワイヤーを、超伝導ワイヤーの上側部分及び下側部分に直交する面で切断した断面図である。FIG. 5 is a cross-sectional view of the core member and the superconducting wire in FIG. 5 cut along a plane orthogonal to the upper portion and the lower portion of the superconducting wire. 本実施態様の超伝導モーターを図2における円弧面αで切断した断面を示した断面図である。It is sectional drawing which showed the cross section which cut | cut the superconducting motor of this embodiment by the arc plane α in FIG. 本実施態様の超伝導モーターのモーターギャップ周辺に生じる磁場を有限要素法により解析した結果を示した図である。It is a figure which showed the result of having analyzed the magnetic field generated around the motor gap of the superconducting motor of this embodiment by the finite element method. 本実施態様の超伝導モーターの回路構成等を模式的に示した図である。It is a figure which showed typically the circuit structure of the superconducting motor of this embodiment.

本発明の超伝導回転機の好適な実施態様について、図面を用いてより具体的に説明する。以下においては、本発明の超伝導回転機を、超伝導モーターとして使用する場合について説明するが、本発明の超伝導回転機は、超伝導発電機として用いることもできる。 A preferred embodiment of the superconducting rotary machine of the present invention will be described more specifically with reference to the drawings. In the following, the case where the superconducting rotor of the present invention is used as a superconducting motor will be described, but the superconducting rotor of the present invention can also be used as a superconducting generator.

図1は、本実施態様の超伝導モーターをその出力軸10の中心線Aを含む平面で切断した状態を示した断面図である。図2は、本実施態様の超伝導モーターを上下方向に分解した状態を示す斜視図である。図2においては、図示の便宜上、超伝導ワイヤー64で形成されたコイル60を省略して示している。図3は、本実施態様の超伝導モーターにおける固定子70の平面図である。図4は、本実施態様の超伝導モーターにおけるコア基体81の斜視図である。図5は、コイル60を形成する超伝導ワイヤー64をコア部材80に巻き付ける様子を示す斜視図である。図6は、図5におけるコア部材80及び超伝導ワイヤー64を、超伝導ワイヤー64の上側部分64a及び下側部分64bに直交する面で切断した断面図である。図7は、本実施態様の超伝導モーターを図2における円弧面α(点P,P,Q,Qを頂点とする円弧面。辺P及び辺Qは、回転中心線Aを中心とした円弧を為す。)で切断した断面を示した断面図である。図7においては、図示の便宜上、コイル60を模式的に描いている。図8は、本実施態様の超伝導モーターのモーターギャップG,G周辺に生じる磁場を有限要素法により解析した結果を示した図である。図9は、本実施態様の超伝導モーターの回路構成を模式的に示した図である。 Figure 1 is a sectional view showing a state in which the superconducting motor taken along a plane including the center line A 1 of the output shaft 10 of the present embodiment. FIG. 2 is a perspective view showing a state in which the superconducting motor of the present embodiment is disassembled in the vertical direction. In FIG. 2, for convenience of illustration, the coil 60 formed of the superconducting wire 64 is omitted. FIG. 3 is a plan view of the stator 70 in the superconducting motor of the present embodiment. FIG. 4 is a perspective view of the core substrate 81 in the superconducting motor of the present embodiment. FIG. 5 is a perspective view showing how the superconducting wire 64 forming the coil 60 is wound around the core member 80. FIG. 6 is a cross-sectional view of the core member 80 and the superconducting wire 64 in FIG. 5 cut along a plane orthogonal to the upper portion 64a and the lower portion 64b of the superconducting wire 64. FIG. 7 shows the superconducting motor of the present embodiment as an arcuate surface α (an arcuate surface having points P 1 , P 2 , Q 2 and Q 1 as vertices. Sides P 1 P 2 and Q 1 Q 2 are is a sectional view showing a section cut by constituting a centering on the rotation center line a 1 arc.). In FIG. 7, the coil 60 is schematically drawn for convenience of illustration. Figure 8 is a diagram of the magnetic field generated in the motor gap G 1, G 2 around the superconducting motor of the present embodiment showing the results of analysis by the finite element method. FIG. 9 is a diagram schematically showing a circuit configuration of the superconducting motor of the present embodiment.

既に述べたように、本発明の超伝導回転機(超伝導モーター及び超伝導発電機)は、
テープ状を為す超伝導ワイヤー64における、コア部材80の上面側に配される上側部分及び下面側に配される下側部分を、その幅方向とコア部材80の厚さ方向とが略平行となるように配することによって、超伝導ワイヤー64に発生するACロスを小さく抑えることができる構成を備えたものとなっているが、当該構成を、図1〜9に示した超伝導モーターで採用することによって、さらに、
[1] 固定子70に設けられたコイル60の熱的安定性を高めて、コイル60の臨界電流の低減を抑えることができる、
[2] ローレンツ力の利用効率を高めることができる、
[3] コイル60の自己インダクタンスを抑えることができる、及び、
[4] 各相のコイル60の自己インダクタンスによる誘導電流の影響を抑えることができる、
という効果を奏することも可能になる。
As already described, the superconducting rotating machine (superconducting motor and superconducting generator) of the present invention is
In the tape-shaped superconducting wire 64, the width direction and the thickness direction of the core member 80 are substantially parallel to the upper portion arranged on the upper surface side and the lower portion arranged on the lower surface side of the core member 80. By arranging them in such a manner, the AC loss generated in the superconducting wire 64 can be suppressed to a small value, and this configuration is adopted in the superconducting motors shown in FIGS. 1 to 9. By doing more
[1] The thermal stability of the coil 60 provided in the stator 70 can be enhanced, and the reduction of the critical current of the coil 60 can be suppressed.
[2] The efficiency of using Lorentz force can be improved.
[3] The self-inductance of the coil 60 can be suppressed, and
[4] The influence of the induced current due to the self-inductance of the coil 60 of each phase can be suppressed.
It is also possible to play the effect.

以下においては、図中(図1等)におけるz軸方向正側を「上」側とし、z軸方向負側を「下」側として本実施態様の超伝導モーターを説明する。しかし、既に述べたように、「上」や「下」という語句は、各部材の相対的位置関係を示すために便宜的に用いたものであり、各部材の絶対的な位置関係(本実施態様の超伝導モーターを使用する向き)を制限するものではない。 In the following, the superconducting motor of the present embodiment will be described with the positive side in the z-axis direction as the "upper" side and the negative side in the z-axis direction as the "lower" side in the drawing (FIG. 1 and the like). However, as already mentioned, the terms "upper" and "lower" are used for convenience to indicate the relative positional relationship of each member, and the absolute positional relationship of each member (this implementation). It does not limit the orientation in which the superconducting motor of the embodiment is used).

1.超伝導モーターの概要
本実施態様の超伝導モーターは、図1に示すように、永久磁石20,30が設けられた一対の回転子40,50と、超伝導ワイヤー64で形成されたコイル60が相ごとに設けられた固定子70とを備え、永久磁石20,30による磁場がコイル60を流れる電流に及ぼすローレンツ力の反力によって、固定子70の両側に配された一対の回転子40,50が回転子の回転中心線Aを中心として回転するようにしたアキシャルギャップ型のものとなっている。
1. 1. Outline of the superconducting motor As shown in FIG. 1, the superconducting motor of the present embodiment includes a pair of rotors 40 and 50 provided with permanent magnets 20 and 30 and a coil 60 formed of a superconducting wire 64. A pair of rotors 40, which are provided with stators 70 provided for each phase and are arranged on both sides of the stator 70 by the reaction force of the Lorentz force exerted on the current flowing through the coil 60 by the magnetic field generated by the permanent magnets 20 and 30. 50 is turned to that of the axial gap type which is adapted to rotate about the rotational center line a 1 of the rotor.

一方の回転子40に設けられた永久磁石20と、他方の回転子50に設けられた永久磁石30は、同極が向き合う(永久磁石20のN極が永久磁石30のN極を向き、永久磁石20のS極が永久磁石30のS極を向く)ように対向配置されている。 The permanent magnet 20 provided on one rotor 40 and the permanent magnet 30 provided on the other rotor 50 face the same poles (the north pole of the permanent magnet 20 faces the north pole of the permanent magnet 30 and is permanent. The south pole of the magnet 20 faces the south pole of the permanent magnet 30).

固定子70は、図2に示すように、平板環状を為し、その内周面及び外周面に複数の突起部81a,81bを有するコア基体81と、コア基体81の上下面にそれぞれ嵌め込まれて固定された(図1も参照)上下一対の磁性体コア82とからなるコア部材80を備えたものとなっている。図2では省略されているが、固定子70には、図3に示すように、テープ状の超伝導ワイヤー64で形成された複数個のコイル60が設けられる。コイル60を形成する超伝導ワイヤー64は、図5に示すように、コア部材80の上面側に配される上側部分64a、及び、下面側に配される下側部分64bが、コア部材80の厚さ方向(上下方向。図中においてはz軸方向に平行。)に略平行となる状態でコア部材80に巻き回されている。これにより、図7に示すように、回転子40,50に設けられた永久磁石20,30による磁場の向き(磁束密度Bの向き)が、超伝導ワイヤー64のテープ面に略平行となるようにして、超伝導ワイヤー64に発生するACロスを小さく抑えることができるようになっている。 As shown in FIG. 2, the stator 70 has a flat plate annular shape and is fitted into the core base 81 having a plurality of protrusions 81a and 81b on the inner peripheral surface and the outer peripheral surface thereof and the upper and lower surfaces of the core base 81, respectively. It is provided with a core member 80 composed of a pair of upper and lower magnetic cores 82 which are fixed (see also FIG. 1). Although omitted in FIG. 2, the stator 70 is provided with a plurality of coils 60 formed of a tape-shaped superconducting wire 64, as shown in FIG. As shown in FIG. 5, the superconducting wire 64 forming the coil 60 has an upper portion 64a arranged on the upper surface side of the core member 80 and a lower portion 64b arranged on the lower surface side of the core member 80. It is wound around the core member 80 in a state of being substantially parallel to the thickness direction (vertical direction, parallel to the z-axis direction in the drawing). As a result, as shown in FIG. 7, the direction of the magnetic field (direction of the magnetic flux density B) by the permanent magnets 20 and 30 provided on the rotors 40 and 50 is substantially parallel to the tape surface of the superconducting wire 64. Therefore, the AC loss generated in the superconducting wire 64 can be suppressed to a small value.

本実施態様の超伝導モーターにおいて、一対の回転子40,50及び固定子70は、図1に示すように、密閉容器90内に収容されている。この密閉容器90には、図示省略のバルブを介して図示省略の真空ポンプが接続されており、超伝導モーターの駆動時においては、密閉容器90の内部を真空又は真空に近い減圧状態に維持することができるようになっている。これにより、密閉容器90の外部から固定子70に熱が伝わりにくくして、外気によってコイル60の温度が上昇しないようにすることが可能となっている。 In the superconducting motor of the present embodiment, the pair of rotors 40, 50 and stator 70 are housed in a closed container 90 as shown in FIG. A vacuum pump (not shown) is connected to the closed container 90 via a valve (not shown), and the inside of the closed container 90 is maintained in a vacuum or a reduced pressure state close to vacuum when the superconducting motor is driven. You can do it. As a result, it is possible to prevent heat from being transferred from the outside of the closed container 90 to the stator 70 so that the temperature of the coil 60 does not rise due to the outside air.

以下、本実施態様の超伝導モーターを構成する各部材について、詳しく説明する。 Hereinafter, each member constituting the superconducting motor of the present embodiment will be described in detail.

2.回転子
回転子40と回転子50は、図1に示すように、固定子70を挟んで反対側(固定子70の上面側と下面側)に対向するように配置されている。回転子40の中心部と回転子50の中心部は、いずれも出力軸10に対して一体的に固定されており、回転子40及び回転子50に回転中心線A回りの回転力が生じると、出力軸10が回転するようになっている。出力軸10は、シール軸受100を介して密閉容器90に回転可能な状態で取り付けられている。回転子40及び回転子50は、それぞれ後述する永久磁石20及び永久磁石30を設けることができるのであれば、その形態を特に限定されない。本実施態様の超伝導モーターにおいては、図2に示すように、回転子40及び回転子50は、いずれも回転中心線Aに対して回転対称な円盤状を為している。回転子40の下面には、永久磁石20が設けられており、回転子50の上面には、永久磁石30が設けられている。
2. 2. Rotor The rotor 40 and the rotor 50 are arranged so as to face each other (upper surface side and lower surface side of the stator 70) with the stator 70 interposed therebetween, as shown in FIG. The central portion of the rotor 40 and the central portion of the rotor 50 are both integrally fixed to the output shaft 10, and a rotational force around the rotation center line A 1 is generated on the rotor 40 and the rotor 50. Then, the output shaft 10 is rotated. The output shaft 10 is rotatably attached to the closed container 90 via the seal bearing 100. The form of the rotor 40 and the rotor 50 is not particularly limited as long as the permanent magnet 20 and the permanent magnet 30 described later can be provided, respectively. In the superconducting motor of the present embodiment, as shown in FIG. 2, the rotor 40 and the rotor 50 are both forms an rotationally symmetrical disc-shaped with respect to the rotation center line A 1. A permanent magnet 20 is provided on the lower surface of the rotor 40, and a permanent magnet 30 is provided on the upper surface of the rotor 50.

永久磁石20及び永久磁石30は、それぞれ回転子40及び回転子50につき、複数個ずつ設けられる。永久磁石20と永久磁石30は、通常、同数とされる。本実施態様の超伝導モーターにおいては、図2に示すように、永久磁石20を、計4個の永久磁石21,22,23,24で構成しており、永久磁石30を、計4個の永久磁石31,32,33,34で構成している。 A plurality of permanent magnets 20 and a plurality of permanent magnets 30 are provided for each of the rotor 40 and the rotor 50, respectively. The number of permanent magnets 20 and the number of permanent magnets 30 are usually the same. In the superconducting motor of the present embodiment, as shown in FIG. 2, the permanent magnets 20 are composed of a total of four permanent magnets 21, 22, 23, 24, and the permanent magnets 30 are composed of a total of four permanent magnets 30. It is composed of permanent magnets 31, 32, 33 and 34.

永久磁石21〜24の形態は、特に限定されず、永久磁石21〜24のそれぞれを異なる形態としてもよいが、通常、同形とされる。本実施態様の超伝導モーターにおいて、永久磁石21〜24は、それぞれ四分円の円弧に沿った帯板状を為しており、その上面又は下面のうちの一方がN極となり、他方がS極となっている。図中においては、永久磁石21〜24におけるN極側を密な(目の小さな)網掛けハッチングで示しており、S極側を粗な(目の大きな)網掛けハッチングで示している。これは、後述する永久磁石31〜34においても同様である。永久磁石21〜24は、隣り合う永久磁石21〜24の磁極が交互に入れ替わるように、回転中心線Aを中心として回転対称に配されている。回転子40に対する永久磁石21〜24の固定方法は、特に限定されないが、本実施態様の超伝導モーターにおいては、回転子40の下面に設けた環状溝41に永久磁石21〜24を嵌め込んだ状態で固定している(図2の矢印Aを参照)。 The form of the permanent magnets 21 to 24 is not particularly limited, and each of the permanent magnets 21 to 24 may have a different form, but usually they have the same shape. In the superconducting motor of the present embodiment, the permanent magnets 21 to 24 each have a strip shape along an arc of a quadrant, one of the upper surface or the lower surface thereof has an N pole, and the other is S. It is a pole. In the figure, the north pole side of the permanent magnets 21 to 24 is shown by dense (small mesh) shaded hatching, and the south pole side is shown by coarse (large mesh) shaded hatching. This also applies to the permanent magnets 31 to 34 described later. Permanent magnets 21 to 24, the magnetic poles of the permanent magnets 21 to 24 adjacent to alternating, are arranged rotationally symmetrically around the rotation center line A 1. The method of fixing the permanent magnets 21 to 24 to the rotor 40 is not particularly limited, but in the superconducting motor of the present embodiment, the permanent magnets 21 to 24 are fitted into the annular groove 41 provided on the lower surface of the rotor 40. are fixed in a state (see arrow a 2 in FIG. 2).

また、永久磁石31〜34の形態も、特に限定されないが、通常、それぞれ永久磁石21〜24と同形とされる。本実施態様の超伝導モーターにおいても、永久磁石31〜34は、それぞれ永久磁石21〜24と同形の四分円の円弧に沿った帯板状を為しており、その上面又は下面のうちの一方がN極となり、他方がS極となっている。永久磁石31〜34は、それぞれ永久磁石21〜24と上下方向(z軸方向)に重なる位置に配置している。このとき、上下方向に重なる、永久磁石21と永久磁石31、永久磁石22と永久磁石32、永久磁石23と永久磁石33、及び、永久磁石24と永久磁石34は、それぞれ、同極が向き合うように対向配置される。回転子50に対する永久磁石31〜34の固定方法も、特に限定されないが、本実施態様の超伝導モーターにおいては、回転子50の上面に設けた環状溝51に永久磁石31〜34を嵌め込んだ状態で固定している(図2の矢印Aを参照)。 The form of the permanent magnets 31 to 34 is also not particularly limited, but is usually the same as that of the permanent magnets 21 to 24, respectively. Also in the superconducting motor of the present embodiment, the permanent magnets 31 to 34 have a strip shape along a quadrant arc having the same shape as the permanent magnets 21 to 24, respectively, and are on the upper surface or the lower surface thereof. One is the north pole and the other is the south pole. The permanent magnets 31 to 34 are arranged at positions where they overlap the permanent magnets 21 to 24 in the vertical direction (z-axis direction), respectively. At this time, the permanent magnet 21 and the permanent magnet 31, the permanent magnet 22 and the permanent magnet 32, the permanent magnet 23 and the permanent magnet 33, and the permanent magnet 24 and the permanent magnet 34, which overlap in the vertical direction, have the same poles facing each other. Are placed facing each other. The method of fixing the permanent magnets 31 to 34 to the rotor 50 is also not particularly limited, but in the superconducting motor of the present embodiment, the permanent magnets 31 to 34 are fitted into the annular groove 51 provided on the upper surface of the rotor 50. are fixed in a state (see arrow a 3 in FIG. 2).

3.固定子
本実施態様の超伝導モーターにおいて、固定子70は、図3に示すように、コア部材80と、コイル60とを備えたものとなっている。コイル60は、コア部材80にテープ状の超伝導ワイヤー64を巻き付けて形成されている。コア部材80は、図2に示すように、コア基体81と、磁性体コア82とで構成されている。コア基体81は、図4に示すように、回転中心線Aに垂直な円環状を為しており、その内周面に設けられた複数個の内側突起部81aと、その外周面に設けられた複数個の外側突起部81bとを有している。内側突起部81a及び外側突起部81bは、コイル60を形成する超伝導ワイヤー64をコア部材80に巻き付ける際に、超伝導ワイヤー64の上側部分64a(図5)及び下側部分64bが上下方向(z軸方向)に略平行となるように超伝導ワイヤー64を案内するためのものとなっている。内側突起部81aの個数及び外側突起部81bの個数は、それぞれ特に限定されないが、通常、同数とされる。本実施態様におけるコア基体81においては、図4に示すように、一の内側突起部81aと一の外側突起部81bとで形成される内外一対の突起部の組が、コア基体81の周回方向に沿って12箇所設けられている。コア基体81の中心部の開口部81cには、出力軸10(図1)が回転可能な状態で挿通される。
3. 3. Stator In the superconducting motor of the present embodiment, the stator 70 includes a core member 80 and a coil 60, as shown in FIG. The coil 60 is formed by winding a tape-shaped superconducting wire 64 around a core member 80. As shown in FIG. 2, the core member 80 is composed of a core base 81 and a magnetic core 82. The core substrate 81, as shown in FIG. 4, which constitutes a vertical annular to the rotational center line A 1, a plurality of inner projections 81a provided on the inner peripheral surface thereof, provided on the outer peripheral surface It has a plurality of outer protrusions 81b. In the inner protrusion 81a and the outer protrusion 81b, when the superconducting wire 64 forming the coil 60 is wound around the core member 80, the upper portion 64a (FIG. 5) and the lower portion 64b of the superconducting wire 64 are vertically oriented (in the vertical direction). It is for guiding the superconducting wire 64 so as to be substantially parallel to the z-axis direction). The number of inner protrusions 81a and the number of outer protrusions 81b are not particularly limited, but are usually the same. In the core base 81 of the present embodiment, as shown in FIG. 4, a pair of inner and outer protrusions formed by one inner protrusion 81a and one outer protrusion 81b is formed in the circumferential direction of the core base 81. Twelve places are provided along the line. The output shaft 10 (FIG. 1) is inserted into the opening 81c at the center of the core substrate 81 in a rotatable state.

磁性体コア82は、図2に示すように、コア基体81の上面側に設けられる第一の磁性体コア82aと、コア基体81の下面側に設けられる第二の磁性体コア82bとで構成されている。換言すると、磁性体コア82a,82bが、コア部材80の上下両面を形成し、コア基体81が、固定子70の板厚方向中間部を形成するようになっている。コア基体81に対する第一の磁性体コア82aの固定方法は、特に限定されないが、本実施態様の超伝導モーターにおいてはコア基体81の上面に設けた環状溝81dに第一の磁性体コア82aを嵌め込んだ状態で固定している(図2の矢印Aを参照)。また、コア基体81に対する第二の磁性体コア82bの固定方法も、特に限定されないが、本実施態様の超伝導モーターにおいてはコア基体81の下面に設けた環状溝(図示省略)に第二の磁性体コア82bを嵌め込んだ状態で固定している(図2の矢印Aを参照)。 As shown in FIG. 2, the magnetic core 82 includes a first magnetic core 82a provided on the upper surface side of the core substrate 81 and a second magnetic core 82b provided on the lower surface side of the core substrate 81. Has been done. In other words, the magnetic cores 82a and 82b form the upper and lower surfaces of the core member 80, and the core base 81 forms the intermediate portion of the stator 70 in the plate thickness direction. The method of fixing the first magnetic core 82a to the core substrate 81 is not particularly limited, but in the superconducting motor of the present embodiment, the first magnetic core 82a is provided in the annular groove 81d provided on the upper surface of the core substrate 81. are fixed in a state of being fitted (see arrow a 4 in FIG. 2). Further, the method of fixing the second magnetic core 82b to the core substrate 81 is also not particularly limited, but in the superconducting motor of the present embodiment, the second is provided in the annular groove (not shown) provided on the lower surface of the core substrate 81. It is fixed in a state of fitting the magnetic core 82b (see arrow a 5 in FIG. 2).

コア基体81は、密閉容器90(図1)に対して動かない状態で支持される。コア基体81を密閉容器90に支持する構造は、特に限定されないが、本実施態様の超伝導モーターにおいては、コア基体81に設けられたそれぞれの外側突起部81b(図4)の外側端に取り付けられた図示省略のPBI支持棒を介して、コア基体81を密閉容器90に対して動かない状態で支持している。 The core substrate 81 is supported in a stationary state with respect to the closed container 90 (FIG. 1). The structure for supporting the core base 81 in the closed container 90 is not particularly limited, but in the superconducting motor of the present embodiment, it is attached to the outer end of each outer protrusion 81b (FIG. 4) provided on the core base 81. The core substrate 81 is supported in a stationary state with respect to the closed container 90 via a PBI support rod (not shown).

コア基体81は、コイル60を図3に示すように保持するためのものであることに加えて、コイル60に熱接触することで、コイル60を冷却することもできるものとなっている。コア基体81は、その外周部から外方に突出して設けられた伝熱部81e(図2)を介して、冷熱供給源110に接続されている。この冷熱供給源110は、コア基体81に冷熱を供給するためものとなっており、コア基体81とともに、コイル60を冷却するためのコイル冷却手段として機能するものとなっている。冷熱供給源110は、コイル60を超伝導現象が生じる低温域まで冷却できるものであれば特に限定されない。本実施態様の超伝導モーターにおいては、冷熱供給源110として冷凍機を用いている。1つの冷熱供給源110では冷却が追いつかない場合には、冷熱供給源110を複数箇所(通常、回転子40,50の回転中心線Aに対して回転対称な複数箇所)に設けることもできる。 The core substrate 81 is for holding the coil 60 as shown in FIG. 3, and can also cool the coil 60 by making thermal contact with the coil 60. The core substrate 81 is connected to the cold heat supply source 110 via a heat transfer portion 81e (FIG. 2) provided so as to project outward from the outer peripheral portion thereof. The cold heat supply source 110 is for supplying cold heat to the core base 81, and together with the core base 81, functions as a coil cooling means for cooling the coil 60. The cold heat supply source 110 is not particularly limited as long as it can cool the coil 60 to a low temperature region where a superconducting phenomenon occurs. In the superconducting motor of this embodiment, a refrigerator is used as the cold heat supply source 110. If the one cold source 110 cooling can not keep up may also be provided at a plurality of locations of the cold source 110 (typically, rotationally symmetrical plurality of positions with respect to the rotation center line A 1 of the rotor 40, 50) ..

コア基体81は、熱伝導性に優れた金属で形成されたものを用いると好ましい。具体的には、0℃における熱伝導率が200W・m・K−1以上の金属によってコア基体81を形成すると好ましい。0℃における熱伝導率が200W・m−1・K−1以上の金属としては、アルミニウム(236W・m−1・K−1)や、銅(403W・m−1・K−1)等が例示される。本実施態様の超伝導モーターにおいて、コア基体81は、アルミニウムで形成している。 As the core substrate 81, it is preferable to use one made of a metal having excellent thermal conductivity. Specifically, it is preferable to form the core substrate 81 from a metal having a thermal conductivity of 200 WmK- 1 or more at 0 ° C. Aluminum (236 W ・ m -1・ K -1 ), copper (403 W ・ m -1 , K -1 ) and the like are examples of metals having a thermal conductivity of 200 W ・ m -1・ K -1 or more at 0 ° C. Illustrated. In the superconducting motor of this embodiment, the core substrate 81 is made of aluminum.

伝熱部81eも、コア基体81と同様、熱伝導性に優れた金属で形成される。本実施態様の超伝導モーターにおいて、伝熱部81eは、白金測温抵抗体によって形成している。この白金測温抵抗体(伝熱部81e)は、冷熱供給源110で発生した冷熱をコア基体81に伝達するだけでなく、コア基体81の温度を測定するための測温手段としても機能するようになっている。コア基体81の測温手段は、コア基体81の外周部における他の箇所にも設けられている(図示省略の熱電対が設けられている。)。これらの測温手段は、密閉容器90の外部に設けられた、図示省略の計測機に接続されている。このため、コア基体81の温度を監視することで、冷熱供給源110から供給される冷熱をフィードバック制御することができるようになっている。 Like the core substrate 81, the heat transfer portion 81e is also made of a metal having excellent thermal conductivity. In the superconducting motor of this embodiment, the heat transfer portion 81e is formed by a platinum resistance temperature detector. This platinum resistance temperature detector (heat transfer unit 81e) not only transfers the cold heat generated by the cold heat supply source 110 to the core substrate 81, but also functions as a temperature measuring means for measuring the temperature of the core substrate 81. It has become like. The temperature measuring means of the core substrate 81 is also provided at other locations on the outer peripheral portion of the core substrate 81 (thermocouples (not shown) are provided). These temperature measuring means are connected to a measuring instrument (not shown) provided outside the closed container 90. Therefore, by monitoring the temperature of the core substrate 81, it is possible to feedback control the cold heat supplied from the cold heat supply source 110.

第一の磁性体コア82aと第二の磁性体コア82bは、永久磁石20,30による磁束密度を高めるとともに、永久磁石20,30による磁場の向き(磁束密度Bの向き)を、図7に示すように制御するためのものとなっている。第一の磁性体コア82aと第二の磁性体コア82bとを配したことによって、固定子70と一対の回転子40,50との隙間(ギャップG,G)に生ずる磁束密度Bの向きが、磁性体コア82aの上面及び磁性体コア82bの下面に対して略直交するようになる。したがって、コイル60を形成する超伝導ワイヤー64における上側部分64aに流れる電流I(図7の紙面手前側に向かって流れる。)の向き、及び、下側部分64bに流れる電流I(図7の紙面奥側に向かって流れる。)の向きを、磁束密度Bの向きと略直交させ、回転子40,50の回転力F’,F’の元となるローレンツ力F,F(ローレンツ力F,Fの反力が回転力F’,F’になる。)の回転方向成分を大きくすることが可能となっている。よって、超伝導モーターの出力効率を高めることも可能となっている。本実施態様の超伝導モーターにおけるギャップG,Gの周辺に生じる磁場を有限要素法により解析したところ、図8に示す結果が得られた。図8における永久磁石21,31によって形成される磁束を見ると、磁束線が図7に示した状態とかなり近くなっていることが分かる。 The first magnetic core 82a and the second magnetic core 82b increase the magnetic flux density due to the permanent magnets 20 and 30, and the direction of the magnetic field (direction of the magnetic flux density B) due to the permanent magnets 20 and 30 are shown in FIG. It is for control as shown. By arranging the first magnetic core 82a and the second magnetic core 82b, the magnetic flux density B generated in the gap (gap G 1 , G 2 ) between the stator 70 and the pair of rotors 40, 50 The orientation is substantially orthogonal to the upper surface of the magnetic core 82a and the lower surface of the magnetic core 82b. Therefore, the direction of the current I 1 (flowing toward the front side of the paper surface in FIG. 7) flowing in the upper portion 64a of the superconducting wire 64 forming the coil 60 and the current I 2 flowing in the lower portion 64b (FIG. 7). flows towards the verso side. the orientation of the) direction and is substantially perpendicular to the magnetic flux density B, the rotational force F 1 of the rotor 40, 50 ', F 2' Lorentz force F 1, F 2 of the original it is possible to (a reaction force of the Lorentz force F 1, F 2 is the rotational force F 1 ', F 2' becomes.) to increase the rotation direction component of the. Therefore, it is possible to increase the output efficiency of the superconducting motor. The magnetic field generated around the gap G 1, G 2 in the superconducting motor of the present embodiment was analyzed by the finite element method, the result shown in FIG. 8 is obtained. Looking at the magnetic flux formed by the permanent magnets 21 and 31 in FIG. 8, it can be seen that the magnetic flux lines are considerably close to the state shown in FIG.

また、第一の磁性体コア82aと第二の磁性体コア82bとを配したことによって、ギャップG,Gを広くしても、上述した効果が奏される。このため、ギャップG,Gを広く確保することで、図1に示すように、厚みを有する断熱材120(断熱効果の高い断熱材)をギャップG,Gに配することが可能になり、コイル60が設けられた固定子70の冷却効率や断熱効率を高めることができるようになる。本実施態様の超伝導モーターにおいては、断熱材120として、多層構造を有するスーパーインシュレーターを用いている。断熱材120は、図1のみに図示しており、他の図面においては図示を省略している。 Further, by which it arranged the first magnetic core 82a and the second magnetic core 82b, even if a wide gap G 1, G 2, the effects described above are achieved. Therefore, by securing a wide gap G 1 and G 2 , as shown in FIG. 1, it is possible to arrange a thick heat insulating material 120 (a heat insulating material having a high heat insulating effect) in the gaps G 1 and G 2. Therefore, the cooling efficiency and heat insulating efficiency of the stator 70 provided with the coil 60 can be improved. In the superconducting motor of the present embodiment, a super insulator having a multi-layer structure is used as the heat insulating material 120. The heat insulating material 120 is shown only in FIG. 1, and is omitted in other drawings.

第一の磁性体コア82aと第二の磁性体コア82bの形態は、回転中心線Aに対して略垂直な平板環状であれば特に限定されない。ここで、「平板環状」とは、その環状部分における幅W(図2)が厚みT(図2)よりも大きな環状部材のことを云う。また、「平板環状」における「環状」とは、その環状部分の一部が切断された開環状であってもよいが、通常、その環状部分が連続した閉環状とされる。さらに、「平板環状」における「環状」とは、その環状部分が真円状を為す円環状に限定されず、その環状部分が多角形を為す多角環状等、円環状以外の環状をも含む。さらにまた、第一の磁性体コア82aと第二の磁性体コア82bは、必ずしも同じ形態とする必要はないが、通常、同じ形態とされる。本実施態様の超伝導モーターにおいて、第一の磁性体コア82aと第二の磁性体コア82bは、いずれも回転中心線Aに対して垂直で、且つ、回転中心線Aに対して回転対称な平板円環状としている。 Form of the first magnetic core 82a and the second magnetic core 82b is not particularly limited as long as it substantially perpendicular flat annular respect to the rotation center line A 1. Here, the "flat plate annular" refers to an annular member having a width W 1 (FIG. 2) larger than a thickness T 1 (FIG. 2) in the annular portion. Further, the "ring" in the "flat plate ring" may be an open ring in which a part of the ring portion is cut off, but usually, the ring portion is a continuous closed ring. Further, the "ring" in the "flat plate ring" is not limited to an annular portion whose annular portion forms a perfect circle, and also includes an annular shape other than the annular portion, such as a polygonal ring whose annular portion forms a polygon. Furthermore, the first magnetic core 82a and the second magnetic core 82b do not necessarily have the same form, but usually have the same form. In the superconducting motor of the present embodiment, the first magnetic core 82a and the second magnetic core 82b are both perpendicular to the rotational center line A 1, and rotation with respect to the rotation center line A 1 It has a symmetrical flat plate annulus.

磁性体コア82a,82bに用いる磁性体の種類は、特に限定されない。磁性体コア82a,82bに用いることのできる磁性体としては、バリウムフェライト等のフェライトや、SUS430等のステンレスや、酸化クロムや、コバルトや、酸化鉄等が例示される。ただし、回転子40,50を高速回転させることを想定する場合には、渦電流損失とヒステリシス損失が極めて小さい磁性体を用いると好ましい。具体的には、磁性体コア82a,82bにおけるヒステリシス損失及び渦電流損失を冷熱供給源110(コイル冷却手段)による冷却能力を超えない範囲に抑えることができる磁性体によって磁性体コア82a,82bを形成すると好ましい。より好適には、冷却に必要なエネルギーを考慮すると、使用条件下において最大損失が10kW/m程度以下の磁性体によって磁性体コア82a,82bを形成すると好ましい。このような磁性体としては薄巻鉄コアやフェライト等が例示される。これにより、回転子40,50を高速回転させる場合においても、高い出力効率を維持することが可能になる。 The type of magnetic material used for the magnetic material cores 82a and 82b is not particularly limited. Examples of the magnetic material that can be used for the magnetic material cores 82a and 82b include ferrite such as barium ferrite, stainless steel such as SUS430, chromium oxide, cobalt, iron oxide and the like. However, when it is assumed that the rotors 40 and 50 are rotated at high speed, it is preferable to use a magnetic material having extremely small eddy current loss and hysteresis loss. Specifically, the magnetic cores 82a and 82b are made of a magnetic material capable of suppressing the hysteresis loss and the eddy current loss in the magnetic cores 82a and 82b within the range not exceeding the cooling capacity of the cold heat supply source 110 (coil cooling means). It is preferable to form it. More preferably, considering the energy required for cooling, it is preferable to form the magnetic cores 82a and 82b with a magnetic material having a maximum loss of about 10 kW / m 3 or less under usage conditions. Examples of such magnetic materials include thin-wound iron cores and ferrites. This makes it possible to maintain high output efficiency even when the rotors 40 and 50 are rotated at high speed.

4.コイル
コイル60は、図3に示すように、固定子70を周回方向に分割する各位置に、回転子の回転中心線Aに対して回転対称となるように設けられている。複数個のコイル60は、複数の相に分かれて構成されており、相ごとに位相のずれた電流が流れるようになっている。コイル60の相数は、通常2相以上、好ましくは3相以上とされる。しかし、コイル60の相数を多くしすぎると、電子回路が複雑となってコストが増大するため、通常は、24相程度まで、好ましくは12相以下、より好ましくは6相以下とされる。本実施態様の超伝導モーターにおいては、12個のコイル61a,61b,61c,61d,62a,62b,62c,62d,63a,63b,63c,63dを3相に設けている。具体的には、コイル61a,61b,61c,61dを第1相とし、コイル62a,62b,62c,62dを第2相とし、コイル63a,63b,63c,63dを第3相としている。同一位相のコイル60は、円環状を為す固定子70における対向する箇所に配されている。
4. Coil coil 60, as shown in FIG. 3, the respective positions dividing the stator 70 in the circumferential direction, are provided so as to be rotationally symmetrical with respect to the rotation center line A 1 of the rotor. The plurality of coils 60 are configured to be divided into a plurality of phases, and currents that are out of phase with each phase flow. The number of phases of the coil 60 is usually 2 or more, preferably 3 or more. However, if the number of phases of the coil 60 is increased too much, the electronic circuit becomes complicated and the cost increases. Therefore, the number of phases is usually up to about 24, preferably 12 or less, and more preferably 6 or less. In the superconducting motor of this embodiment, twelve coils 61a, 61b, 61c, 61d, 62a, 62b, 62c, 62d, 63a, 63b, 63c, 63d are provided in three phases. Specifically, the coils 61a, 61b, 61c, 61d are the first phase, the coils 62a, 62b, 62c, 62d are the second phase, and the coils 63a, 63b, 63c, 63d are the third phase. The coils 60 having the same phase are arranged at opposite positions on the stator 70 forming an annular shape.

ところで、本明細書においては、説明の便宜上、コイルの符号として、「60」、「61」、「62」、「63」、「61a」、「61b」、「61c」、「61d」、「62a」、「62b」、「62c」、「62d」、「63a」、「63b」、「63c」及び「63d」という16種類を用いている。これらの符号は、以下のように使い分けている。すなわち、個々のコイルをそれぞれ具体的に指すときには、符号「61a」、「61b」、「61c」、「61d」、「62a」、「62b」、「62c」、「62d」、「63a」、「63b」、「63c」及び「63d」を用いている。また、第1相を構成する全てのコイル(コイル61a、コイル61b、コイル61c及びコイル61d)を指すときには、符号「61」を用い、第2相を構成する全てのコイル(コイル62a、コイル62b、コイル62c及びコイル62d)を指すときには、符号「62」を用い、第3相を構成する全てのコイル(コイル63a、コイル63b、コイル63c及びコイル63d)を指すときには、符号「63」を用いている。さらに、全てのコイル(第1相のコイル61a、コイル61b、コイル61c及びコイル61d、第2相のコイル62a、コイル62b、コイル62c及びコイル62d、並びに、第3相のコイル63a、コイル63b、コイル63c及びコイル63d)を特に区別なく示すときは、符号「60」を用いている。 By the way, in the present specification, for convenience of explanation, the reference numerals of the coils are "60", "61", "62", "63", "61a", "61b", "61c", "61d", and "61d". 16 types of "62a", "62b", "62c", "62d", "63a", "63b", "63c" and "63d" are used. These codes are used properly as follows. That is, when each coil is specifically referred to, the reference numerals "61a", "61b", "61c", "61d", "62a", "62b", "62c", "62d", "63a", "63b", "63c" and "63d" are used. When referring to all the coils (coil 61a, coil 61b, coil 61c and coil 61d) constituting the first phase, the reference numeral "61" is used, and all the coils (coils 62a, coil 62b) constituting the second phase are used. , Coil 62c and coil 62d) are used with reference numeral "62", and with reference to all coils (coil 63a, coil 63b, coil 63c and coil 63d) constituting the third phase, reference numeral "63" is used. ing. Further, all the coils (first phase coil 61a, coil 61b, coil 61c and coil 61d, second phase coil 62a, coil 62b, coil 62c and coil 62d, and third phase coil 63a, coil 63b, When the coil 63c and the coil 63d) are shown without particular distinction, the reference numeral "60" is used.

それぞれのコイル60は、テープ状を為す超伝導ワイヤー64をコア部材80の環状部分に巻き付けることで形成されている。超伝導ワイヤー64は、図5に示すように、コア部材80の内周面側に配される内側部分64cをコア基体81の内側突起部81aに案内され、コア部材80の外周面側に配される外側部分64dをコア基体81の外側突起部81bに案内されることにより、コア部材80の上面側に配される上側部分64a及びコア部材80の下面側に配される下側部分64bの幅方向が、コア基体81の厚さ方向(図中においてはz軸方向)と略平行に配されるようになっている。上側部分64a及び下側部分64bは、コア部材80の径方向に対して傾斜した状態としてもよいが、本実施態様のように、コア部材80の径方向と平行になるようにすると、ローレンツ力の利用効率を高めることができる。 Each coil 60 is formed by winding a tape-shaped superconducting wire 64 around an annular portion of the core member 80. As shown in FIG. 5, in the superconducting wire 64, the inner portion 64c arranged on the inner peripheral surface side of the core member 80 is guided by the inner protrusion 81a of the core base 81 and arranged on the outer peripheral surface side of the core member 80. By guiding the outer portion 64d to be formed to the outer protrusion 81b of the core substrate 81, the upper portion 64a arranged on the upper surface side of the core member 80 and the lower portion 64b arranged on the lower surface side of the core member 80 The width direction is arranged substantially parallel to the thickness direction of the core substrate 81 (the z-axis direction in the drawing). The upper portion 64a and the lower portion 64b may be in a state of being inclined with respect to the radial direction of the core member 80, but if they are made parallel to the radial direction of the core member 80 as in the present embodiment, the Lorentz force It is possible to improve the utilization efficiency of.

内側突起部81aは、図5に示すように、コア基体81の内側に向かって突出して設けられるとともに、その上端部がコア基体81の上面よりも上方に突出し、その下端部がコア基体81の下面よりも下方に突出した形状となっている。内側突起部81aの上端部内面側には、断面半円状の嶺部81aが、コア基体81の上面に対して傾斜して設けられており、内側突起部81aの下端部内面側には、断面半円状の嶺部81aが、コア基体81の下面に対して傾斜して設けられている。一方、外側突起部81bは、コア基体81の外側に向かって突出して設けられるとともに、その上端部がコア基体81の上面よりも上方に突出し、その下端部がコア基体81の下面よりも下方に突出した形状となっている。外側突起部81bの上端部外面側には、断面半円状の嶺部81bが、コア基体81の上面に対して傾斜して設けられており、外側突起部81bの下端部外面側には、断面半円状の嶺部81bが、コア基体81の下面に対して傾斜して設けられている。 As shown in FIG. 5, the inner protrusion 81a is provided so as to project toward the inside of the core base 81, the upper end thereof protrudes upward from the upper surface of the core base 81, and the lower end thereof is the core base 81. It has a shape that protrudes downward from the lower surface. A ridge portion 81a 1 having a semicircular cross section is provided on the inner surface side of the upper end portion of the inner protrusion 81a so as to be inclined with respect to the upper surface of the core substrate 81, and is provided on the inner surface side of the lower end portion of the inner protrusion 81a. The ridge portion 81a 2 having a semicircular cross section is provided so as to be inclined with respect to the lower surface of the core substrate 81. On the other hand, the outer protrusion 81b is provided so as to project toward the outside of the core base 81, its upper end portion protrudes above the upper surface of the core base 81, and its lower end portion is below the lower surface of the core base 81. It has a protruding shape. A ridge portion 81b 1 having a semicircular cross section is provided on the outer surface side of the upper end portion of the outer protrusion 81b so as to be inclined with respect to the upper surface of the core substrate 81, and is provided on the outer surface side of the lower end portion of the outer protrusion 81b. The ridge portion 81b 2 having a semicircular cross section is provided so as to be inclined with respect to the lower surface of the core substrate 81.

以下、超伝導ワイヤー64をコア部材80に巻き付けて、コイル60を形成する具体的な手順について説明する。以下においては、図5において、超伝導ワイヤー64を、紙面に向かって反時計方向に巻き回す場合を例に説明するが、超伝導ワイヤー64を巻き回す方向は時計方向としてもよい。 Hereinafter, a specific procedure for winding the superconducting wire 64 around the core member 80 to form the coil 60 will be described. In the following, the case where the superconducting wire 64 is wound counterclockwise toward the paper surface will be described as an example in FIG. 5, but the direction in which the superconducting wire 64 is wound may be clockwise.

まず、コア部材80の上面側における、内側突起部81a及び外側突起部81bの一側(図中における矢印Aが示す側)に、超伝導ワイヤー64を、その幅方向がコア部材80の厚さ方向(図中においてはz軸方向)と略平行となるようにあてがう(図中の上側部分64a)。次に、超伝導ワイヤー64における上側部分64aから内側に延びる部分を、内側突起部81aの上端部に設けられた嶺部81aに沿わせ、超伝導ワイヤー64の幅方向に捩じりながら下向きにする。これにより、超伝導ワイヤー64が内側突起部81a及び外側突起部81bの他側(図中における矢印Aが示す側)に配されるようになる(図中の内側部分64c)。続いて、超伝導ワイヤー64における内側部分64cから下側に延びる部分を、内側突起部81aの下端部に設けられた嶺部81aに沿わせ、超伝導ワイヤー64の幅方向に捩じりながら外向きにする。これにより、超伝導ワイヤー64が内側突起部81a及び外側突起部81bの一側に配されるようになる(図中の下側部分64b)。さらに、超伝導ワイヤー64における下側部分64bから外側に延びる部分を、外側突起部81bの下端部に設けられた嶺部81bに沿わせ、超伝導ワイヤー64の幅方向に捩じりながら上向きにする。これにより、超伝導ワイヤー64が内側突起部81a及び外側突起部81bの他側に配されるようになる(図中の外側部分64d)。最後に、超伝導ワイヤー64における外側部分64dから上側に延びる部分を、外側突起部81bの上端部に設けられた嶺部81bに沿わせ、超伝導ワイヤー64の幅方向に捩じりながら内向きにする。これにより、超伝導ワイヤー64が、始めに内側突起部81a及び外側突起部81bにあてがった上側部分64aの一側に重なるようになる。 First, the upper surface side of the core member 80, one side of the inner protrusions 81a and the outer protrusions 81b (the side indicated by the arrow A 6 in the figure), the superconducting wire 64, the width direction of the core member 80 thickness It is applied so as to be substantially parallel to the vertical direction (z-axis direction in the figure) (upper portion 64a in the figure). Next, the portion of the superconducting wire 64 extending inward from the upper portion 64a is aligned with the ridge portion 81a 1 provided at the upper end of the inner protrusion 81a, and is twisted downward in the width direction of the superconducting wire 64. To. Thus, as the superconducting wire 64 is disposed on the other side of the inner protrusions 81a and the outer protrusions 81b (the side indicated by the arrow A 7 in the figure) (the inner portion 64c in the drawing). Subsequently, the portion of the superconducting wire 64 extending downward from the inner portion 64c is twisted in the width direction of the superconducting wire 64 along the ridge portion 81a 2 provided at the lower end of the inner protrusion 81a. Turn outward. As a result, the superconducting wire 64 is arranged on one side of the inner protrusion 81a and the outer protrusion 81b (lower portion 64b in the drawing). Further, the portion of the superconducting wire 64 extending outward from the lower portion 64b is aligned with the ridge portion 81b 2 provided at the lower end of the outer protrusion 81b, and is twisted upward in the width direction of the superconducting wire 64. To. As a result, the superconducting wire 64 is arranged on the other side of the inner protrusion 81a and the outer protrusion 81b (outer portion 64d in the drawing). Finally, the portion of the superconducting wire 64 extending upward from the outer portion 64d is aligned with the ridge portion 81b 1 provided at the upper end of the outer protrusion 81b, and twisted inward in the width direction of the superconducting wire 64. Turn it around. As a result, the superconducting wire 64 is overlapped with one side of the upper portion 64a initially applied to the inner protrusion 81a and the outer protrusion 81b.

以上の手順を繰り返すことにより、図3に示すように、内側突起部81a及び外側突起部81bの一側(図3においては、各内側突起部81a及び外側突起部81bの時計方向側)に上側部分64a及び下側部分64bが重なり、内側突起部81a及び外側突起部81bの他側(図3においては、各内側突起部81a及び外側突起部81bの反時計方向側)に内側部分64c及び外側部分64dが重なった状態で、超伝導ワイヤー64がコア部材80に巻き付けられて、コイル60が形成される。それぞれのコイル60の巻数は、特に限定されないが、多くした方が、伝導モーターの出力効率を高めることができるため好ましい。 By repeating the above procedure, as shown in FIG. 3, the upper side is on one side of the inner protrusion 81a and the outer protrusion 81b (in FIG. 3, the clockwise side of each inner protrusion 81a and the outer protrusion 81b). The portion 64a and the lower portion 64b overlap, and the inner portion 64c and the outer side are on the other side of the inner protrusion 81a and the outer protrusion 81b (in FIG. 3, the counterclockwise side of each inner protrusion 81a and the outer protrusion 81b). The superconducting wire 64 is wound around the core member 80 in a state where the portions 64d are overlapped to form the coil 60. The number of turns of each coil 60 is not particularly limited, but it is preferable to increase the number of turns because the output efficiency of the conduction motor can be increased.

コイル60を上記のように形成したことにより、図7に示すように、回転子40,50に設けられた永久磁石20,30による磁場(磁束密度B)が、超伝導ワイヤー64における上側部分64a及び下側部分64bのテープ面に対して略平行に印加されるようになる。これにより、超伝導ワイヤー64に生じるACロスを小さく抑えることができる。このとき、上側部分64a及び下側部分64bの幅方向は、磁束密度Bの方向に対して正確に平行である必要はなく、多少傾斜していても超伝導モーターの出力効率を十分に高く保つことができる。しかし、上側部分64a及び下側部分64bの幅方向を磁束密度Bに対して傾斜させ過ぎると、ACロスが大きくなって超伝導モーターの出力効率が低下する虞がある。このため、上側部分64aの幅方向とコア部材80の厚さ方向(磁束密度Bの方向)との為す角度θ(図6)及び、下側部分64bの幅方向とコア部材80の厚さ方向との為す角度θ(図6)は、共に10°以下となるようにすると好ましい。これにより、上側部分64a及び下側部分64bのテープ面に対して磁束密度Bが略垂直に印加された場合に比べて、ACロスを20%以下に抑えることができる。この場合には、本実施態様の超伝導モーターの出力効率(冷熱供給源110等の消費エネルギー等も加味したトータルの出力効率)を、90%以上とすることも可能である。角度θ及び角度θは、5°以下とするとより好ましく、この場合は出力効率95%以上を実現することも可能である。 By forming the coil 60 as described above, as shown in FIG. 7, the magnetic field (magnetic flux density B) generated by the permanent magnets 20 and 30 provided on the rotors 40 and 50 is generated by the upper portion 64a of the superconducting wire 64. And the application is applied substantially parallel to the tape surface of the lower portion 64b. As a result, the AC loss generated in the superconducting wire 64 can be suppressed to a small value. At this time, the width directions of the upper portion 64a and the lower portion 64b do not have to be exactly parallel to the direction of the magnetic flux density B, and the output efficiency of the superconducting motor is kept sufficiently high even if it is slightly inclined. be able to. However, if the width direction of the upper portion 64a and the lower portion 64b is excessively inclined with respect to the magnetic flux density B, the AC loss may increase and the output efficiency of the superconducting motor may decrease. Therefore, the angle θ 1 (FIG. 6) between the width direction of the upper portion 64a and the thickness direction of the core member 80 (the direction of the magnetic flux density B), the width direction of the lower portion 64b, and the thickness of the core member 80. It is preferable that the angle θ 2 (FIG. 6) formed with the direction is 10 ° or less. As a result, the AC loss can be suppressed to 20% or less as compared with the case where the magnetic flux density B is applied substantially perpendicularly to the tape surfaces of the upper portion 64a and the lower portion 64b. In this case, the output efficiency of the superconducting motor of the present embodiment (total output efficiency including energy consumption of the cold heat supply source 110 and the like) can be set to 90% or more. The angle θ 1 and the angle θ 2 are more preferably 5 ° or less, and in this case, an output efficiency of 95% or more can be realized.

内側突起部81aに設けられた嶺部81a及び嶺部81a、並びに、外側突起部81bに設けられた嶺部81b及び嶺部81bは、超伝導ワイヤー64を許容曲げ半径以下で折れ曲がらないようにしながら案内できるようになっていれば、その形状を特に限定されない。嶺部81a,81a,81b,81bを断面半円状とした場合には、その断面半径は、超伝導ワイヤー64の許容曲げ半径以上であれば特に限定されない。嶺部81a,81a,81b,81bの断面半径は、互いに異なっていてもよい。 The ridges 81a 1 and 81a 2 provided on the inner protrusion 81a, and the ridges 81b 1 and 81b 2 provided on the outer protrusion 81b break the superconducting wire 64 within the allowable bending radius. The shape is not particularly limited as long as it can be guided while preventing it from bending. When the ridges 81a 1 , 81a 2 , 81b 1 , 81b 2 have a semicircular cross section, the cross-sectional radius is not particularly limited as long as it is equal to or greater than the allowable bending radius of the superconducting wire 64. The radial radii of the ridges 81a 1 , 81a 2 , 81b 1 , 81b 2 may be different from each other.

コア部材80の上面に対する嶺部81a及び嶺部81bの傾斜角度は、特に限定されないが、大きくしすぎても小さくしすぎても、超伝導ワイヤー64が嶺部81a及び嶺部81bから外れやすくなってしまう。このため、コア部材80の上面に対する嶺部81a及び嶺部81bの傾斜角度は、15°〜75°とすると好ましく、30°〜60°とするとより好ましく、40°〜50°とするとさらに好ましい。コア部材80の下面に対する嶺部81a及び嶺部81bの傾斜角度も特に限定されないが、上記と同様の理由により、15°〜75°とすると好ましく、30°〜60°とするとより好ましく、40°〜50°とするとさらに好ましい。本実施態様においては、コア部材80の上面に対する嶺部81a及び嶺部81bの傾斜角度と、コア部材80の下面に対する嶺部81a及び嶺部81bの傾斜角度とを、共に45°程度としている。 The inclination angles of the ridge portion 81a 1 and the ridge portion 81b 1 with respect to the upper surface of the core member 80 are not particularly limited, but the superconducting wire 64 may be made of the ridge portion 81a 1 and the ridge portion 81b 1 regardless of whether the core member 80 is made too large or too small. It becomes easy to come off from. Therefore, the inclination angles of the ridge portion 81a 1 and the ridge portion 81b 1 with respect to the upper surface of the core member 80 are preferably 15 ° to 75 °, more preferably 30 ° to 60 °, and further set to 40 ° to 50 °. preferable. The inclination angles of the ridge portion 81a 2 and the ridge portion 81b 2 with respect to the lower surface of the core member 80 are also not particularly limited, but for the same reason as described above, it is preferably 15 ° to 75 °, more preferably 30 ° to 60 °. It is more preferably 40 ° to 50 °. In the present embodiment, the inclination angle of the ridge portion 81a 1 and the ridge portion 81b 1 with respect to the upper surface of the core member 80 and the inclination angle of the ridge portion 81a 2 and the ridge portion 81b 2 with respect to the lower surface of the core member 80 are both 45 °. It is about.

本実施態様の超伝導モーターにおいて、コイル60を形成する超伝導ワイヤー64が巻き付けられるコア部材80の環状部分は、図5に示すように、その断面形状が矩形状となっているため、コイル60の断面形状も略矩形状となっている。この超伝導ワイヤー64における上側部分64a及び下側部分64bが、回転子40,50を回転させる元となるローレンツ力F,F(図7)の発生源として寄与することになる。このため、コイル60の断面形状は、扁平な形状とし、その横幅をその縦幅に対してできるだけ大きく確保できる形状とすると好ましい。具体的には、超伝導ワイヤー64が巻き付けられるコア部材80における環状部分の横幅W(図5)の、縦幅Wに対する比W/Wを1.5以上とすると好ましい。比W/Wは、2以上であるとより好ましく、2.5以上であるとさらに好ましい。比W/Wの上限は、特に制限されないが、通常、100以下、好ましくは50以下、実際上は20以下とされる。 In the superconducting motor of the present embodiment, the annular portion of the core member 80 around which the superconducting wire 64 forming the coil 60 is wound has a rectangular cross-sectional shape as shown in FIG. 5, so that the coil 60 The cross-sectional shape of is also substantially rectangular. The upper portion 64a and the lower portion 64b of the superconducting wire 64 contribute as sources of the Lorentz forces F 1 and F 2 (FIG. 7) that are the sources for rotating the rotors 40 and 50. Therefore, it is preferable that the cross-sectional shape of the coil 60 is a flat shape so that the horizontal width thereof can be secured as large as possible with respect to the vertical width. Specifically, the width of the annular portion of the core member 80 superconducting wire 64 is wound W 2 (Fig. 5), the ratio W 2 / W 3 with respect to the longitudinal width W 3 preferably is 1.5 or more. The ratio W 2 / W 3 is more preferably 2 or more, and further preferably 2.5 or more. The upper limit of the ratio W 2 / W 3 is not particularly limited, but is usually 100 or less, preferably 50 or less, and practically 20 or less.

コイル60を形成する超伝導ワイヤー64の幅は、特に限定されないが、狭くしすぎると、超伝導ワイヤー64の許容電流量が小さくなってしまい、大きな出力を実現しにくくなることに加えて、超伝導ワイヤー64が切れやすくなってしまう。このため、超伝導ワイヤー64の幅は、0.5mm以上とすると好ましく、1mm以上とするとより好ましく、2mm以上とするとさらに好ましい。一方、超伝導ワイヤー64の幅を広くしすぎると、超伝導ワイヤー64を幅方向にほとんど曲げることができなくなり、図5のように超伝導ワイヤー64を巻き回しにくくなる虞がある。このため、超伝導ワイヤー64の幅は、20mm以下とすると好ましく、10mm以下とするとより好ましい。本実施態様における超伝導ワイヤー64は、幅が4mm程度のものを使用している。 The width of the superconducting wire 64 forming the coil 60 is not particularly limited, but if it is made too narrow, the allowable current amount of the superconducting wire 64 becomes small, and in addition to making it difficult to realize a large output, the superconducting wire 64 is superconducting. The conductive wire 64 is easily cut. Therefore, the width of the superconducting wire 64 is preferably 0.5 mm or more, more preferably 1 mm or more, and further preferably 2 mm or more. On the other hand, if the width of the superconducting wire 64 is too wide, the superconducting wire 64 can hardly be bent in the width direction, and there is a risk that the superconducting wire 64 will be difficult to wind as shown in FIG. Therefore, the width of the superconducting wire 64 is preferably 20 mm or less, and more preferably 10 mm or less. The superconducting wire 64 in this embodiment has a width of about 4 mm.

超伝導ワイヤー64としては、超伝導材料からなる各種の線材を用いることができる。金属系の超伝導材料としては、NbTiや、NbSnや、MgBや、NbN等を挙げることができ、酸化物系の超伝導材料としては、YBaCu(YBCO)や、BiSrCaCuOx(Bi2212)等を挙げることができ、有機系の超伝導線材としては、β−(BEDT−TTF)2/3や、K60や、Rb60や、CCa(グラファイト)等を挙げることができる。 As the superconducting wire 64, various wire rods made of a superconducting material can be used. Examples of the metal-based superconducting material include NbTi, Nb 3 Sn, MgB 2 , NbN, and the like, and examples of the oxide-based superconducting material include YBa 2 Cu 3 O 4 (YBCO). Bi 2 Sr 2 CaCu 2 Ox (Bi2212) and the like can be mentioned, and examples of the organic superconducting wire include β- (BEDT-TTF) 2/3, K 3 C 60 , Rb 3 C 60, and the like. C 6 Ca (graphite) and the like can be mentioned.

5.超伝導モーターの配線
本実施態様の超伝導モーターにおいては、図9に示すように、第1相から第3相までのコイル60(第1相のコイル61、第2相のコイル62、及び、第3相のコイル63)を、相ごとに互いに並列となるように接続している。各相を構成するコイル60には、相ごとに位相のずれた交流電流が流される。本実施態様において、コイル61,62,63を流れるそれぞれの電流は、互いに位相が120°ずつずれた状態となっている。本実施態様の超伝導モーターにおいては、既に述べた通り、各相のコイル60を複数本のコイル60によって構成している(第1相のコイル61を4本のコイル61a,61b,61c,61dで構成し、第2相のコイル62を4本のコイル62a,62b,62c,62dで構成し、第3相のコイル63を4本のコイル63a,63b,63c,63dで構成した)。これら12本のコイル61a,61b,61c,61d,62a,62b,62c,62d,63a,63b,63c,63dを、どのような回路で接続するのかについては特に限定されないが、本実施態様においては、以下のように配線を行っている。
5. Wiring of the superconducting motor In the superconducting motor of this embodiment, as shown in FIG. 9, the coils 60 from the first phase to the third phase (the first phase coil 61, the second phase coil 62, and the second phase coil 62, The third phase coils 63) are connected so as to be parallel to each other for each phase. Alternating currents that are out of phase with each phase are passed through the coils 60 that form each phase. In this embodiment, the currents flowing through the coils 61, 62, and 63 are out of phase with each other by 120 °. In the superconducting motor of the present embodiment, as described above, the coils 60 of each phase are composed of a plurality of coils 60 (the first phase coil 61 is composed of four coils 61a, 61b, 61c, 61d). The second phase coil 62 was composed of four coils 62a, 62b, 62c, 62d, and the third phase coil 63 was composed of four coils 63a, 63b, 63c, 63d). The circuit for connecting these 12 coils 61a, 61b, 61c, 61d, 62a, 62b, 62c, 62d, 63a, 63b, 63c, 63d is not particularly limited, but in the present embodiment, the circuit is not particularly limited. , The wiring is done as follows.

すなわち、第1相のコイル61を構成するコイル61a、コイル61b、コイル61c及びコイル61dを直列に接続し、第2相のコイル62を構成するコイル62a、コイル62b、コイル62c及びコイル62dを直列に接続し、第3相のコイル63を構成するコイル63a、コイル63b、コイル63c及びコイル63dを直列に接続している。第1相のコイル61を構成するコイル61a、コイル61b、コイル61c及びコイル61dは、図3に示すように、コイル61aとコイル61bとを隣り合うように配し、これに対向する箇所に、コイル61cとコイル61dとを隣り合うように配している。加えて、コイル61a及びコイル61bの巻回方向(超伝導ワイヤー64の巻回方向)と、コイル61c及びコイル61dの巻回方向(超伝導ワイヤー64の巻回方向)とが、固定子70の周回方向に対して揃うようにしている。第2相のコイル62を構成するコイル62a、コイル62b、コイル62c及びコイル62d、並びに、第3相のコイル63を構成するコイル63a、コイル63b、コイル63c及びコイル63dも、第1相のコイル61を構成するコイル61a、コイル61b、コイル61c及びコイル61dと同様に配している。 That is, the coil 61a, the coil 61b, the coil 61c and the coil 61d forming the first phase coil 61 are connected in series, and the coil 62a, the coil 62b, the coil 62c and the coil 62d forming the second phase coil 62 are connected in series. The coil 63a, the coil 63b, the coil 63c, and the coil 63d forming the third phase coil 63 are connected in series. As shown in FIG. 3, the coil 61a, the coil 61b, the coil 61c, and the coil 61d constituting the coil 61 of the first phase are arranged so that the coil 61a and the coil 61b are adjacent to each other, and are located at positions facing the coil 61a. The coil 61c and the coil 61d are arranged so as to be adjacent to each other. In addition, the winding direction of the coil 61a and 61b (the winding direction of the superconducting wire 64) and the winding direction of the coil 61c and the coil 61d (the winding direction of the superconducting wire 64) of the stator 70. It is made to align with the orbital direction. The coils 62a, 62b, coil 62c and coil 62d that make up the second phase coil 62, and the coils 63a, coil 63b, coil 63c and coil 63d that make up the third phase coil 63 are also the first phase coils. It is arranged in the same manner as the coil 61a, the coil 61b, the coil 61c and the coil 61d constituting the 61.

各相のコイル60を上記のように接続すると、各相のコイル61,62,63を流れる電流I(t),I(t),I(t)の和I(t)+I(t)+I(t)が常に0になるようにし、各相のコイル61,62,63の自己インダクタンスの和が常に0になるようにすることが可能になる(各相のコイル61,62,63の自己インダクタンスは、電流I(t),I(t),I(t)の時間微分で与えられる)。換言すると、コイル61,62,63の自己インダクタンスを、他相からの相互インダクタンスを利用してキャンセルすることが可能になる。よって、回転速度によらないトルクの発生を可能とし、最大効率、最大トルク、最大力率制御等を同時に実現することも可能になる。 When the coils 60 of each phase are connected as described above, the sum of the currents I 1 (t), I 2 (t), and I 3 (t) flowing through the coils 61, 62, 63 of each phase I 1 (t) + I It is possible to make 2 (t) + I 3 (t) always 0 so that the sum of the self-inductances of the coils 61, 62, 63 of each phase is always 0 (coil 61 of each phase). , 62, 63 self-inductance is given by the time derivative of the currents I 1 (t), I 2 (t), I 3 (t)). In other words, the self-inductance of the coils 61, 62, 63 can be canceled by using the mutual inductance from other phases. Therefore, it is possible to generate torque regardless of the rotation speed, and it is also possible to simultaneously realize maximum efficiency, maximum torque, maximum power factor control, and the like.

6.用途
本発明の超伝導回転機(超伝導モーター及び超伝導発電機)は、その用途を限定されるものではなく、様々な分野において好適に採用することができる。本発明の超伝導回転機は、出力効率が高いものであるため、大きな出力が要求される用途にも好適に採用することができる。このような用途としては、自動車、船舶、電車、航空機又は昇降機等の輸送機器又は移送機器における駆動機構としての用途や、風力発電や水力発電や火力発電等の各種発電機項としての用途が例示される。
6. Applications The superconducting rotary machine (superconducting motor and superconducting generator) of the present invention is not limited in its application, and can be suitably adopted in various fields. Since the superconducting rotary machine of the present invention has high output efficiency, it can be suitably used in applications requiring a large output. Examples of such applications include applications as drive mechanisms in transportation equipment such as automobiles, ships, trains, aircraft or elevators, and applications as various generators such as wind power generation, hydroelectric power generation, and thermal power generation. Will be done.

特に、本発明の超伝導回転機において、磁性体コアを渦電流損失及びヒステリシス損失が極めて小さな磁性体で形成すれば、これまで不可能と考えられていた高速回転での高出力も可能になるため、航空機に使用されているジェットエンジン等を超伝導モーターで置き換えることも不可能ではなく、燃料電池による高効率電機ジェット機の実現も期待される。また、本発明の超伝導回転機は、回転速度や回転トルクの変動が大きい場合でも高効率を維持することが可能であるため、昇降機の駆動機構や、風力発電装置や、自動車のブレーキングによるエネルギー回収機構等、回転速度や回転トルクの変動が大きい用途においても好適に採用することができる。 In particular, in the superconducting rotor of the present invention, if the magnetic core is made of a magnetic material having extremely small eddy current loss and hysteresis loss, high output at high speed rotation, which has been considered impossible until now, becomes possible. Therefore, it is not impossible to replace the jet engine used in the aircraft with a superconducting motor, and it is expected that a high-efficiency electric jet aircraft will be realized by using a fuel cell. Further, since the superconducting rotary machine of the present invention can maintain high efficiency even when the rotation speed and the rotation torque fluctuate greatly, it depends on the drive mechanism of the elevator, the wind power generator, and the braking of the automobile. It can also be suitably used in applications such as an energy recovery mechanism in which the rotation speed and rotation torque fluctuate greatly.

10 出力軸
20 永久磁石
30 永久磁石
40 回転子
41 環状溝
50 回転子
51 環状溝
60 コイル
64 超伝導ワイヤー
64a 上側部分
64b 下側部分
64c 内側部分
64d 外側部分
70 固定子
80 コア部材
81 コア基体
81a 内側突起部
81a 嶺部
81a 嶺部
81b 外側突起部
81b 嶺部
81b 嶺部
81c 開口部
81d 環状溝
81e 伝熱部
82 磁性体コア
82a 第一の磁性体コア
82b 第二の磁性体コア
90 密閉容器
100 シール軸受
110 冷熱供給源
120 断熱材
出力軸の中心線(回転子の回転中心線)
10 Output shaft 20 Permanent magnet 30 Permanent magnet 40 Rotor 41 Ring groove 50 Rotor 51 Ring groove 60 Coil 64 Superconducting wire 64a Upper part 64b Lower part 64c Inner part 64d Outer part 70 Stator 80 Core member 81 Core base 81a Inner protrusion 81a 1 Ridge 81a 2 Ridge 81b Outer protrusion 81b 1 Ridge 81b 2 Ridge 81c Opening 81d Ring groove 81e Heat transfer part 82 Magnetic core 82a First magnetic core 82b Second magnetic Core 90 Sealed container 100 Sealed bearing 110 Cold heat supply source 120 Insulation material A 1 Center line of output shaft (rotor center line of rotor)

Claims (6)

環状を為すコア部材と、
超伝導材料によって形成されたテープ状の部材からな超伝導ワイヤーと
を備えた超伝導回転機であって、
コア部材が、互いに略平行な上面及び下面を有する平板環状に形成されるとともに、
超伝導ワイヤーが、コア部材の上面側に配される上側部分と、コア部材の内周面側に配される内側部分と、コア部材の外面側に配される下側部分と、コア部材の外周面側に配される外側部分とが繰り返し形成される状態で、コア部材の環状部分に巻き付けられ、
テープ状を為す超伝導ワイヤーにおける上側部分及び下側部分が、その幅方向とコア部材の厚さ方向とが略平行となるように配された
ことを特徴とする超伝導回転機。
The core member that forms a ring and
A superconducting rotating machine having a superconducting wire Do that from a tape-shaped member formed by a superconducting material,
The core member is formed in a flat plate annular shape having an upper surface and a lower surface substantially parallel to each other, and
The upper portion of the superconducting wire arranged on the upper surface side of the core member, the inner portion arranged on the inner peripheral surface side of the core member, the lower portion arranged on the outer surface side of the core member, and the core member. It is wound around the annular portion of the core member in a state where the outer portion arranged on the outer peripheral surface side is repeatedly formed.
Upper portion及Beauty lower part that put the superconducting wire constituting a tape shape, a superconducting rotating machine, characterized in that the thickness direction of the width direction and the core member is arranged to be substantially parallel ..
超伝導ワイヤーにおける内側部分を案内するための内側突起部と、超伝導ワイヤーにおける外側部分を案内するための外側突起部とで構成される内外一対の突起部の組が、コア部材の周回方向における複数箇所に設けられ、
それぞれの組の突起部における一側に、超伝導ワイヤーの上側部分及び下側部分が重なり、それぞれの組の突起部における他側に、超伝導ワイヤーの内側部分及び外側部分が重なる状態で、それぞれの組の突起部ごとに超伝導ワイヤーが巻き付けられた
請求項1に記載の超伝導回転機。
An inner protrusion for guiding the inside portion that put the superconducting wire, pair of inner and outer projections of the set composed of the outer projecting portion for guiding the outer side portion that put the superconducting wire, Provided at multiple locations in the circumferential direction of the core member
The upper and lower parts of the superconducting wire overlap on one side of the protrusions of each set, and the inner and outer parts of the superconducting wire overlap on the other side of the protrusions of each set. The superconducting rotating machine according to claim 1, wherein a superconducting wire is wound around each of the protrusions of the set.
内側突起部及び外側突起部の上端部が、コア部材の上面から上方に突出して設けられ、
内側突起部及び外側突起部の下端部が、コア部材の下面から下方に突出して設けられるとともに、
内側突起部の上端部内面側及び下端部内面側、並びに、外側突起部の上端部外面側及び下端部外面側に、それぞれ断面半円状の嶺部を有することにより、それらの箇所で案内される超伝導ワイヤーが許容曲げ半径以下で折れ曲がらないようにした
請求項2に記載の超伝導回転機。
The upper end portion of the inner protrusion portion and the outer protrusion portion is provided so as to project upward from the upper surface of the core member.
The inner protrusion and the lower end of the outer protrusion are provided so as to project downward from the lower surface of the core member.
By having ridges having a semicircular cross section on the inner surface side of the upper end portion and the inner surface side of the lower end portion of the inner protrusion portion, and the outer surface side of the upper end portion and the outer surface side of the lower end portion of the outer protrusion portion, respectively, the guide is provided at these points. The superconducting rotating machine according to claim 2, wherein the superconducting wire is prevented from bending below an allowable bending radius.
内側突起部及び外側突起部の上端部及び下端部に設けられた上記嶺部が、コア部材の上面及び下面に対して45°の傾斜角度を有する請求項3に記載の超伝導回転機。
The superconducting rotary machine according to claim 3, wherein the ridges provided at the upper end and the lower end of the inner protrusion and the outer protrusion have an inclination angle of 45 ° with respect to the upper surface and the lower surface of the core member.
超伝導ワイヤーにおける上側部分及び下側部分の幅方向と、コア部材の厚さ方向との為す角度が、10°以下とされた請求項1〜4のいずれかに記載の超伝導回転機。
The superconducting rotary machine according to any one of claims 1 to 4, wherein the angle formed by the width direction of the upper portion and the lower portion of the superconducting wire and the thickness direction of the core member is 10 ° or less.
永久磁石が設けられた上下一対の回転子をさらに備え、
超伝導ワイヤーが巻き付けられたコア部材の上下に配された一対の回転子が、環状を為すコア部材の中心線を回転中心として回転可能に支持された
請求項1〜5のいずれかに記載の超伝導回転機。
Further equipped with a pair of upper and lower rotors equipped with permanent magnets,
The invention according to any one of claims 1 to 5, wherein a pair of rotors arranged above and below the core member around which the superconducting wire is wound are rotatably supported around the center line of the core member forming an annular shape. Superconducting rotor.
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