WO2004064231A1 - 超電導体の着磁装置及び超電導同期機 - Google Patents

超電導体の着磁装置及び超電導同期機 Download PDF

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WO2004064231A1
WO2004064231A1 PCT/JP2003/008963 JP0308963W WO2004064231A1 WO 2004064231 A1 WO2004064231 A1 WO 2004064231A1 JP 0308963 W JP0308963 W JP 0308963W WO 2004064231 A1 WO2004064231 A1 WO 2004064231A1
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WO
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superconductor
magnetic field
synchronous machine
superconducting
temperature
Prior art date
Application number
PCT/JP2003/008963
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English (en)
French (fr)
Inventor
Hidehiko Sugimoto
Mitsuru Izumi
Masahiro Kitano
Original Assignee
University Of Fukui
Tokyo University Of Marine Science And Technology
Kitano Seiki Co., Ltd.
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Filing date
Publication date
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Priority to EP03815137A priority patent/EP1583209B1/en
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K55/00—Dynamo-electric machines having windings operating at cryogenic temperatures
    • H02K55/02—Dynamo-electric machines having windings operating at cryogenic temperatures of the synchronous type
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F6/00—Superconducting magnets; Superconducting coils
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y10S505/00—Superconductor technology: apparatus, material, process
    • Y10S505/825—Apparatus per se, device per se, or process of making or operating same
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    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y10S505/825—Apparatus per se, device per se, or process of making or operating same
    • Y10S505/879—Magnet or electromagnet

Definitions

  • the present invention relates to a magnetizing device for magnetizing a superconductor and a superconducting synchronous machine.
  • FIG. 1 is a configuration diagram of a conventional superconductor magnetizing device (part 1).
  • 1 is a device using a superconductor as a magnet
  • 2 is a vacuum container installed in the device
  • 3 is a refrigerant container installed in the vacuum container 2
  • 4 is a device inside the refrigerant container 3.
  • the installed winding, 5 is a superconductor installed in the hollow portion of the winding 4
  • '6 is a power supply installed outside the device
  • 7 is a connecting wire connecting the winding 4 and the power supply 6
  • Reference numeral 8 denotes a refrigerant pipe connected to the refrigerant container 3
  • 9 denotes liquid nitrogen injected into the refrigerant container 3 through the refrigerant pipe 8.
  • Reference numeral 10 denotes a through-hole provided in the refrigerant pipe 8, and the connection line 7 connects the winding 4 and the power supply 6 via the through-hole 10.
  • the superconductor 5 is cooled through the refrigerant pipe 8 by the liquid nitrogen 9 contained in the refrigerant container 3 to a temperature lower than the critical temperature at which the superconductor 5 changes to superconductivity.
  • a current flows from the power supply 6 to the winding 4 via the connection wire 7.
  • the winding 4 creates a magnetic field around the superconductor 5.
  • this magnetic field is set to be equal to or larger than the critical magnetic field at which a magnetic flux enters the superconductor 5
  • the superconductor 5 is magnetized.
  • the superconductor 5 remains magnetized even after the current for generating a magnetic field equal to or higher than the critical magnetic field into which the magnetic flux enters disappears, and functions as a magnet of the device 1 using the superconductor 5 as a magnet.
  • the vacuum vessel 2 plays a role of heat insulation.
  • Patent Document 1 As such a superconductor magnetizing device, the following [Patent Document 1] can be mentioned.
  • FIG. 2 is a configuration diagram of a conventional superconductor magnetizing device (part 2).
  • 1 1 is an insulated container
  • 1 2 is a call installed in the insulated container 1
  • Cold head 1 3 is a refrigerator that cools the cold head 1
  • 1 4 is the compressor of the refrigerator 1 3
  • 1 5 is contacted with the cold head 1 2 in the insulated container 1
  • Copper block 16 is a superconductor disposed in contact with the copper block 15 in the insulated container 11
  • 17 is a superconductor disposed outside the insulated container 11 1 6
  • a magnetizing coil 18 generates a magnetic flux around the coil
  • 18 is a pulse power supply for supplying a pulse current, which is controlled to generate a magnetic flux in the magnetizing coil 17 in consideration of the magnetic flux captured by the superconductor 16. is there.
  • the pulse power supply 18 includes a DC variable voltage source 19, a switching switch 20, a capacitor 1, and a diode 22.
  • the superconductor 16 disposed in the heat insulating container 11 is cooled by the cold head 12 cooled by the refrigerator 13 together with the copper block 15 to the superconducting transition temperature by the heat conduction. .
  • the magnetizing coil 17 When a pulse current is supplied to the magnetizing coil 17 from the pulse power supply 18, the magnetizing coil 17 generates a magnetic flux around the superconductor 16 proportional to the magnitude of the pulse current at that time. This magnetic flux is captured by the superconductor 16 cooled below the superconducting transition temperature. The amount of magnetic flux that is captured depends on how the pulse current that flows through the magnetizing coil 17 flows.
  • the pulse power supply 18 first charges the capacitor 21 by connecting the DC variable voltage source 19 and the capacitor 21 with the switching switch 20, then switches the switching switch 20, and magnetizes the capacitor 21.
  • the pulse power supply 18 can supply a plurality of pulse currents to the magnetizing coil 17.
  • the capacitor 11 When charging the capacitor 11 by connecting the DC variable voltage source 19 and the capacitor 21, if the voltage of the DC variable voltage source 19 is changed, the charging voltage of the capacitor 21 changes, and the amplitude of the pulse current changes. You can change it.
  • the diode 22 operates so that a voltage opposite to the charging voltage is not applied to the capacitor 21.
  • Patent Document 3 Japanese Patent Application Laid-Open No. H10-124224, pages 5-6, Fig. 1 (Patent Document 3)
  • Patent Document 4 Patent Document 4
  • the superconductor When the superconductor is cooled to a temperature below the critical temperature at which it transitions to superconductivity, a magnetic field above the critical magnetic field where magnetic flux penetrates around the superconductor is created, and the superconductor is magnetized.
  • the relationship between the positional relationship of the wire and the size is important for some devices that use superconductors as magnets. For example, when using a superconductor as a field magnet for a synchronous machine, an armature winding is always required in the vicinity.
  • this armature winding is to be used in combination with a winding as an element that constitutes a means for creating a magnetic field at or above the critical magnetic field at which magnetic flux penetrates around the superconductor, the superconducting wire is placed outside the armature winding. In addition to placing the conductor, it is necessary to be able to change the relative positional relationship between the superconductor and the armature winding.
  • the relationship between the superconductor 5 and the hollow portion of the winding 4 that creates a magnetic field around the superconductor 5 is smaller than that of the superconductor 5 because of the size of the superconductor 5.
  • the superconductor 5 is inserted into the hollow part of the winding 4.
  • the superconductor magnetizing device having another structure shown in FIG. 2 has a superconductor 16 arranged in a magnetizing coil 17, and further has a large configuration.
  • the present invention has been made in view of the above circumstances, and has as its object to provide a superconductor magnetizing device and a superconducting synchronous machine which can make a device using a superconductor as a magnet smaller and simpler.
  • a superconductor magnetizing device a superconductor, cooling means for cooling the superconductor below the critical temperature at which the superconductor is transferred to superconductivity, and a superconductor cooled to a temperature below the critical temperature at which the superconductor is transferred to the superconductor are provided.
  • a magnetic field generating means for generating a magnetic field higher than a critical magnetic field at which a magnetic flux penetrates into the superconductor; and a winding as an element constituting the magnetic field generating means.
  • a position changing means capable of changing a relative positional relationship between the superconductor and the winding.
  • the position changing means is disposed on a fixed side as the magnetic field generating means, and is provided by the position changing means with respect to a pair of windings opposed to each other.
  • the superconductor can be arranged so as to be sandwiched between the pair of windings.
  • a superconductor arranged on a disk, cooling means for cooling the superconductor below the critical temperature at which it transitions to superconductivity, and a superconductor cooled below the critical temperature at which it transitions to superconductivity
  • Magnetic field generating means for generating a magnetic field equal to or greater than a critical magnetic field at which a magnetic flux penetrates into the superconductor
  • an AC power supply for supplying a current for driving the superconductor to the magnetic field generating means
  • a mode switching switch for switching between a current supply mode and a current supply mode.
  • a superconductor arranged on a disk, cooling means for cooling the superconductor below a critical temperature at which it transitions to superconductivity, and a superconductor cooled below the critical temperature at which it transitions to superconductivity
  • Magnetic field generating means for generating a magnetic field at least equal to a critical magnetic field at which a magnetic flux penetrates into the superconductor
  • a motor for rotating a disk on which the superconductor is disposed
  • a magnetic field generation mode and a power generation motor and a mode switch for switching the mode.
  • a superconducting synchronous machine In a superconducting synchronous machine, a superconductor arranged on a disk, cooling means for cooling the superconductor below the critical temperature at which it transitions to superconductivity, and a superconductor cooled below the critical temperature at which it transitions to superconductivity
  • a magnetic field generating means for generating a magnetic field equal to or greater than a critical magnetic field at which a magnetic flux penetrates into the superconductor; an AC power supply for supplying a current for driving the superconductor to the magnetic field generating means; and the superconductor.
  • a motor for rotating a disk is provided, and a mode switching switch for switching between the magnetic field generation mode, the alternating current supply mode, and the power generation mode.
  • the magnetic field generating means is disposed on a fixed side, and the superconducting body is disposed on a pair of opposed armature windings. Can be arranged so as to be sandwiched between the pair of armature windings.
  • the pair of windings is formed in a spiral shape facing the surface of the superconductor.
  • the superconductor is a high-temperature superconductor.
  • FIG. 1 is a configuration diagram of a conventional superconductor magnetizing device (part 1).
  • FIG. 2 is a configuration diagram of a conventional superconductor magnetizing device (part 2).
  • FIG. 3 is a configuration diagram of a superconductor magnetizing device showing a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a plan view showing a portion of a superconductor according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a schematic view showing an arrangement of a counter winding and a superconductor (high-temperature superconductor) showing an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a configuration diagram of a counter winding showing an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a diagram showing a state of a conical magnetic field distribution generated by the winding of the present invention.
  • FIG. 8 is a perspective view of a superconductor (high-temperature superconductor) showing an embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a diagram showing a relationship between a pulse current peak value and a maximum trapped magnetic flux density according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 shows an induction motor having a superconductor magnetizing device according to a second embodiment of the present invention. It is a lineblock diagram of a synchronous machine.
  • FIG. 11 is a plan view showing a superconductor part of an induction motor type synchronous machine having a superconductor magnetizing device according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a configuration diagram of a generator-type synchronous machine having a superconductor magnetizing device according to a third embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 is a configuration diagram of a generator-type synchronous machine having a superconductor magnetizing device according to a fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a configuration diagram of a superconductor magnetizing apparatus showing a first embodiment of the present invention
  • FIG. 4 is a plan view showing a part of the superconductor.
  • 101 is a base
  • 102 is an outer casing
  • 103 is an inner casing
  • 104 is a pipe
  • 105 is a refrigerant generator
  • 106 is a magnetic field.
  • 107 is a connecting wire
  • 108A and 108B are bearings
  • 109A and 109B are seals
  • 11 1, 1 1 ⁇ to 1 16, 1 16 ′ are windings
  • 14 2 is a refrigerant chamber (cooling means) having the refrigerant generated by the refrigerant generator 105
  • 1 4 3 is an insulating section (insulating section) Means)
  • 1 4 5 is an axis
  • 10 is a disk
  • 1 1-1 2 8 is a hole formed in the disk 1 10
  • 1 3 1 to 1 3 8 is a hole 1 2 1 to 1 2 8 (Here, a high-temperature superconductor).
  • the eight superconductors 13 1 to 13 38 attached to the disk 10 are cooled by a refrigerant in the refrigerant chamber 142, for example, liquid nitrogen, to a temperature lower than a critical temperature at which transition to superconductivity takes place.
  • a refrigerant for example, liquid nitrogen
  • six windings 11 1, 11 1 ⁇ which are elements of the magnetic field generating means and are attached to the inner casing 103 so as to face the side portions 103 A and 103 B of the inner casing 103.
  • the disk 120 is rotated, and, for example, the center of the winding 11 1, the superconductor 13 2, and the winding 11 1 is aligned, and magnetization is performed in the same manner.
  • the current flows in the opposite direction.
  • the superconductor 1332 becomes a magnet (the superconductor 1336 can also be magnetized at the same time).
  • the superconductors 13 1, 13 3, 13 5, 13 7 have the same polarity and the superconductors # 13 2.
  • 13 4, 13 6, 13 8 have the opposite polarity. It can be a magnet.
  • a superconductor cooled to a temperature below the critical temperature at which transition to superconductivity creates a magnetic field above the critical magnetic field into which magnetic flux penetrates The superconductor can be easily magnetized by arranging the disk on which is mounted so that it can rotate.
  • FIG. 5 is a schematic view showing an arrangement of opposed windings and a superconductor (high-temperature superconductor) showing an embodiment of the present invention.
  • 15 1 is a high-temperature superconducting bulk material as a superconductor
  • 15 2 and 15 3 are windings fixedly arranged opposite to each other so as to sandwich the high-temperature superconducting bulk material 15 1.
  • the windings 15 2 and 15 3 are formed of spirally wound copper wires in a multilayer structure. These windings 15 2 and 15 3 are connected in series to form superconducting wires. Transformation Create a magnetic field above the critical magnetic field at which magnetic flux penetrates the high-temperature superconducting bulk body 15 1 around the high-temperature superconducting bulk body 15 1 cooled below the critical temperature, and magnetize the high-temperature superconducting bulk body 15 1 be able to.
  • 154 to 157 are lead wires of windings 152 and 153.
  • FIG. 6 is a configuration diagram of a counter winding showing an embodiment of the present invention.
  • the windings 15 2 and 15 3 are formed by spirally winding copper wires in a multilayer (for example, 8 layers) and arranged so as to connect them in series. ing. Therefore, as shown in FIG. 6, when the pulse current I p flows, a magnetic flux ⁇ is generated, A bulk magnetic field above the critical magnetic field at which the magnetic flux penetrates into the high-temperature superconducting bulk body 15 1 is created around the high-temperature superconducting bulk body 15 1 cooled below the critical temperature at which the transition to superconductivity occurs. It can be magnetized.
  • This high-temperature superconducting bulk material 151 shows a high critical current density even in a high magnetic field at an absolute temperature of around 77 Kelvin (minus 196 ° C), where it can be easily cooled with liquid nitrogen, and the superconductivity is broken. No, it is desirable to use RE—Ba—Cu—0 superconductor (RE is a rare earth element such as Gd, Sm, and Y).
  • Such a RE-Ba-Cu-II bulk superconductor is a bulk of a high-temperature superconductor formed by dispersing and melting a non-superconducting phase exhibiting a pinning effect in the raw material. Magnetic fields larger than magnets can be captured (magnetized). However, in order to use this bulk superconducting magnet, it is necessary to magnetize it in some way.
  • a pulse current is applied to the above-described spirally wound copper wire winding.
  • the flow generated a conical magnetic field distribution, and at 77 Kelvin, as shown in Fig. 7, a high-temperature superconductor bulk body 15 was provided with a stainless steel side band 15 1 A on the side to suppress self-destruction.
  • oxide superconducting bulk material 1 5 1 B (charged seen composition:!!.. Gd B a 2 Cu 3 ⁇ , 70. 9 wt%, Gd 2 B a, Cu ⁇ 5, 1 9. 2 wt% P t 0.5 wt%, Ag 9.4 wt%).
  • a high magnetic field exceeding 1 Tesla is efficiently magnetized on such a Gd-based bulk high-temperature superconductor.
  • FIG. 7 shows a state of a conical magnetic field distribution generated by the winding of the present invention.
  • a static magnetic field magnetizing method using a static magnetic field of a separately prepared superconducting magnet see FIG. 1
  • a pulse magnetization method see Fig. 2 in which a pulse current is passed through a winding placed around the body and magnetized by a pulse magnetic field.
  • a large magnetic field exceeding 4 Tesla can be magnetized at 77 Kelvin, but the magnetizing device itself is large, and after the high-temperature superconductor is built into the equipment, it is difficult to magnetize. is there.
  • the pulse magnetizing method is highly practical because it can be magnetized after the magnetizing coil is assembled into the equipment together with the high-temperature superconducting bulk material.However, the conventional method does not exceed 1 Tesla at 77 K In order to differentiate from the generated magnetic field, the bulk body must be cooled to a temperature lower than 77 Kelvin by a hemi-cooler.
  • the pulse current is applied to the spirally wound copper wire winding.
  • a high magnetic field exceeding 1 Tesla can be efficiently magnetized at 77 Kelvin with respect to the Gd-based bulk high-temperature superconductor (see Fig. 8).
  • This magnetization method has made it possible to simply and efficiently use liquid nitrogen to perform magnetization exceeding 1 Tesla, which was conventionally performed using a helium refrigerator or superconducting magnet.
  • FIG. 10 is a configuration diagram of an induction motor type synchronous machine having a superconductor magnetizing device according to a first embodiment of the present invention
  • FIG. 11 is a plan view showing a portion of the superconductor.
  • 01 is a base
  • 202 is an outer casing
  • 203 is an inner casing
  • 204 is a pipe
  • 205 is a refrigerant generator as a cooling means
  • 2 06 is a magnetizing power supply for supplying a pulse current to the winding as a magnetic field generating means
  • 2 07 is a connection line
  • 2 08 A and 2 08 B are bearings
  • 2 0 9 A and 2 9 9 B are Seal
  • 2 1 1, 2 1 1 ′ to 2 16, 2 16 ′ are armature windings
  • 2 7 2 is a refrigerant chamber (cooling means) having a refrigerant generated by the refrigerant generator 205
  • 7 3 is a heat insulating part (insulation means)
  • 2 7 5
  • a magnetic field sensor here, a Hall element
  • the disk 220 can be cooled, in which case, though not shown, a cooling means is additionally provided.
  • the eight superconductors 231 to 238 attached to the disk 220 are cooled by a refrigerant, for example, liquid nitrogen, in the refrigerant chamber 272 to a temperature lower than a critical temperature at which transition to superconductivity takes place.
  • a refrigerant for example, liquid nitrogen
  • It is an element of the magnetic field generating means, and is provided with six armature windings 21 1, 2 11 1 ′ to 216, 216, each of which is mounted so as to face the side portions 203 A and 203 B of the inner casing 203.
  • the disk 220 is rotated about the axis 275, and for example, the armature windings 211 and 21 are aligned with the center of the superconductor 231 (at this time, as shown in FIG.
  • the superconductor 231 When a magnetic field greater than the critical magnetic field at which magnetic flux penetrates into the superconductor 231 is created, the superconductor 231 is magnetized, and the current flowing from the magnetizing power supply 206 to the armature windings 2 1 1 and 2 1 ′ Even after the superconductor 231 disappears, the magnetization remains in the superconductor 231 and the superconductor 231 becomes a magnet (the superconductor 235 can also be magnetized at the same time). Next, the disk 220 is rotated, and, for example, the armature winding 21 de, the superconductor 2
  • the superconductor 2 32 Align the center of the armature winding 21 1 and perform magnet in the same manner, A current in a direction opposite to the above-described current flows. At this time, the superconductor 2 32 becomes a magnet (the superconductor 2 36 can also be magnetized at the same time). In this way, the superconductors 2 3 1, 2 3 3, 2 3 5, 2 3 7 have the same polarity, and the superconductors 2 3 2, 2 3 4, 2 3 6, 2 3 8 have the opposite polarity. Make it a magnet.
  • the inner casing 203 to which the armature windings 2 11 to 2 16 are attached corresponds to the field magnet and the armature winding of the synchronous machine.
  • the armature windings 2 1 ⁇ to 2 16 ′ and the armature windings 2 1 1 to 2 16 can share the function of the winding for magnetizing the superconductor.
  • armature winding connection As an example of the armature winding connection, three-phase connection is performed as shown in Fig. 11. That is, the phase is set to the armature winding 2 11 1, the phase is set to the armature winding 2 14, the V is set to the armature winding 2 13, and the phase is set to 1 V to the armature winding 2 16! Connect the I phase to the armature winding 2 15 and the 1 phase to the armature winding 2 12.
  • the power source for magnetization 206 switches between the AC power source 241 and the mode switching switch 242 to form the magnetic field generation mode (magnetization mode).
  • Magnetic mode Magnetic mode
  • the electromagnetic induction action by the Fleming left-hand rule between the magnetized superconductor 2 3 1 to 2 3 8 and the armature windings 2 1 1, 2 1 ⁇ to 2 16, 2 16 ′ Has a function as a superconducting induction motor.
  • the magnetic strength of the superconductor is monitored by the magnetic field sensor 243 and the controller 244, and when the magnetic strength falls below a predetermined value, The mode can be automatically switched to the superconductor magnetization mode.
  • the armature winding as an element of the magnetic field generating means, which creates a magnetic field above the critical magnetic field where magnetic flux penetrates around the superconductor cooled below the critical temperature at which transition to superconductivity occurs
  • the disk on which the superconductor is mounted can rotate, and the superconductor and armature winding can function as the field magnet and armature winding of the synchronous machine. Can be reduced in size.
  • FIG. 11 is a configuration diagram of a generator-type synchronous machine having a superconductor magnetizing device according to a third embodiment of the present invention.
  • the magnetic field generation mode (magnetization mode)
  • the shaft 275 is driven to rotate by the prime mover 251 so that the magnetized superconductors 231 to 238 Between the armature windings 2 1 1, 2 1 ⁇ to 2 16, 2 16 ′ to generate electricity by the electromagnetic induction effect based on the right-hand rule of framing, and supply power to the load 2 53 Like that.
  • the magnetization mode such as when the magnetic field sensor 24 3 and the controller 24 4 detect a decrease in the magnetic force of the superconductors 23 1 to 23 38, the same method as in the first and second embodiments is used.
  • the superconductors 231-238 can be magnetized.
  • the armature winding as an element of the magnetic field generating means, which creates a magnetic field above the critical magnetic field where magnetic flux penetrates around the superconductor cooled below the critical temperature at which transition to superconductivity occurs
  • the disk on which the superconductor is mounted can rotate, and the superconductor and armature winding can function as the field magnet and armature winding of the synchronous machine.
  • the machine can be downsized.
  • FIG. 13 is a configuration diagram of a generator-type synchronous machine having a superconductor magnetizing device according to a fourth embodiment of the present invention.
  • the mode switching switch 261 which switches between the magnetic field generation mode (magnetization mode), the AC current supply mode (motorized mode), and the power generation mode, switches the AC current supply mode (motorized mode).
  • the mode switching switch 261 switches between the magnetic field generation mode (magnetization mode), the AC current supply mode (motorized mode), and the power generation mode, switches the AC current supply mode (motorized mode).
  • the mode switching switch 261 which switches between the magnetic field generation mode (magnetization mode), the alternating current supply mode (motorized mode), and the power generation mode, is switched to the power generation mode by the third embodiment. Similarly, by rotating the shaft 275 with the prime mover 251, the magnetized superconductors 231 to 238 and the armature windings 211,
  • Electric power can be supplied to the load 262 by generating power by electromagnetic induction action based on Fleming's right-hand rule between 21 ⁇ to 2 16, 2 16 ′.
  • the superconductor 2 is formed in the same manner as in the first and second embodiments. Magnetization to 31 to 238 can be performed.
  • the superconductor When the superconductor is sufficiently magnetized, it has a conical magnetic flux density distribution. At this time, if the winding is formed into a spiral shape, there is also an effect that the electromotive force of the synchronous machine becomes a sine wave.
  • the magnetic field created when a current flows through the spiral winding produces a conical magnetic flux density. Since this has the same shape as the magnetic flux density distribution of the sufficiently magnetized superconductor described above, there is an effect that the superconductor is easily magnetized.
  • the armature winding as an element of the magnetic field generating means that creates a magnetic field above the critical magnetic field where magnetic flux penetrates around the superconductor cooled below the critical temperature at which transition to superconductivity occurs,
  • the disk on which the superconductor is mounted can rotate, and the superconductor and armature winding can function as the field magnet and armature winding of the synchronous machine.
  • the size of the synchronous machine can be reduced. According to the present invention, as described above, it is possible to provide a simple and miniaturized superconductor magnetizing device.
  • a superconducting synchronous machine having a superconductor magnetizing function can be easily provided.
  • Such a superconducting synchronous machine can also be constructed as a superconducting induction motor and / or a superconducting induction generator.
  • the ship is operated as a superconducting induction generator at night when the berth is berthed, and the charged power supply is used as a superconducting induction motor to operate the ship during the daytime. Therefore, a miniaturized superconducting synchronous machine can be constructed.
  • the superconducting synchronous machine of the present invention a large torque can be generated by a strong magnetic field.
  • the power conversion efficiency is high, and the superconducting synchronous machine can be made much smaller and lighter.
  • Electric propulsion ships are also promising from the viewpoints of preserving the global environment and marine environment, and in Europe and the United States, research and development and commercialization of pod-type electric propulsion ships are progressing.
  • the magnetized winding and the iron-coreless armature winding can be used together. Can greatly contribute to the work.
  • the superconductor magnetizing device and superconducting synchronous machine of the present invention are particularly suitable for a motive motor for a ship that rotates an electric propulsion propeller, and are also advantageous from the viewpoints of global environment conservation and marine environment conservation.

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Abstract

超電導体を磁石として用いる機器をより小型に、かつ簡便に構成することができる超電導体の着磁装置及び超電導同期機を提供する。超電導体(131)と、この超電導体(131)を超電導に転移する臨界温度以下に冷却する冷媒チャンバ(142)と、この超電導に転移する臨界温度以下に冷却した超電導体(131)の周りにこの超電導体(l31)に磁束が侵入する臨界磁場以上の磁場をつくる巻線(111,111')と、前記超電導体(131)を円板(120)に配置し、前記巻線(111,1l1')との相対的な位置関係を変えることができる位置変更手段とを具備する。

Description

明 細 書 超電導体の着磁装置及び超電導同期機 技術分野
本発明は、 超電導体を磁化する着磁装置及び超電導同期機に関するものである。 背景技術
第 1図は従来の超電導体の着磁装置 （その 1 ) の構成図である。
この図において、 1は超電導体を磁石として用いる機器、 2はその機器 1内に 設置された真空容器、 3はその真空容器 2内に設置された冷媒容器、 4はその冷 媒容器 3内に設置された卷線、 5はその卷線 4の中空部に設置された超電導体、 ' 6は前記機器 1外に設置された電源、 7は前記卷線 4と電源 6を接続する接続線、 8は前記冷媒容器 3に接続された冷媒配管、 9はその冷媒配管 8を通して前記冷 媒容器 3に注入される液体窒素である。 なお、 1 0は前記冷媒配管 8に設けた貫 通部であり、 前記接続線 7は前記貫通部 1 0を介して前記卷線 4と前記電源 6を 接続する。
そこで、 超電導体 5は冷媒配管 8をとおして冷媒容器 3に入れられた液体窒素 9によって超電導に転移する臨界温度以下に冷却される。 この状態で電源 6から 接続線 7を介して卷線 4に電流を流す。 このとき、 巻線 4は超電導体 5の周りに 磁場をつくる。 この磁場を超電導体 5に磁束が侵入する臨界磁場以上にすると、 超電導体 5は磁化される。 そうすると、 磁束が侵入する臨界磁場以上の磁場をつ くる電流がなくなった後も超電導体 5は磁化された状態を保ち、 超電導体 5を磁 石として用いる機器 1の磁石として機能する。 なお、 真空容器 2は断熱の役割を 果たす。
かかる超電導体の着磁装置としては、 下記の 〔特許文献 1〕 を挙げることがで きる。
第 2図は従来の超電導体の着磁装置 （その 2 ) の構成図である。
この図において、 1 1は断熱容器、 1 2は断熱容器 1 1内に配設されたコール ドへッド、 1 3はコールドへッド 1 1を冷却する冷凍機、 1 4はその冷凍機 1 3 の圧縮機、 1 5は断熱容器 1 1内でコールドへッド 1 2に接触させて配設される 銅プロック、 1 6は断熱容器 1 1内で銅プロック 1 5に接触させて配設される超 電導体、 1 7は断熱容器 1 1の外部に配設され超電導体 1 6の周りに磁束を発生 させる着磁コイル、 1 8は超電導体 1 6に捕捉される磁束を考慮して磁束を着磁 コイル 1 7に発生させるように制御された、 パルス電流を流すパルス電源である。 このパルス電源 1 8は、 直流可変電圧源 1 9、 切換えスィツチ 2 0、 コンデンサ 1、 ダイオード 2 2で構成されている。
そこで、 断熱容器 1 1内に配設された超電導体 1 6は冷凍機 1 3で冷却された コ一ルドへッド 1 2により銅ブロック 1 5とともに熱電導で超電導遷移温度以下 に冷却される。 着磁コイル 1 7にパルス電源 1 8からパルス電流が流されると、 着磁コイル 1 7は超電導体 1 6の周りにそのときどきのパルス電流の大きさに比 例した磁束を発生する。 この磁束は超電導遷移温度以下に冷却された超電導体 1 6に捕捉される。 捕捉される磁束量は着磁コイル 1 7に流すパルス電流の流し方 に依存する。 パルス電源 1 8は、 まず、 切換えスィッチ 2 0で直流可変電圧源 1 9とコンデンサ 2 1を接続してコンデンサ 2 1を充電し、 ついで、 切換えスイツ チ 2 0を切り換え、 コンデンサ 2 1と着磁コイル 1 7を接続して着磁コイル 1 7 にパルス電流を流す。 これを繰り返せば、 パルス電源 1 8は着磁コイル 1 7に複 数のパルス電流を流すことができる。 また、 直流可変電圧源 1 9とコンデンサ 2 1を接続してコンデンサ 1 1を充電するとき、 直流可変電圧源 1 9の電圧を変え ればコンデンサ 2 1の充電電圧が変わり、 パルス電流の振幅を変えることができ る。 ダイオード 2 2はコンデンサ 2 1に充電電圧とは逆向きの電圧がかからない ように動作する。
かかる超電導体の着磁装置としては、 下記の 〔特許文献 2〕 〜 〔特許文献 4〕 を挙げることができる。
t特許文献 1〕
特許第 3 1 7 2 6 1 1号公報 第 2 ~ 4頁、 図 1
〔特許文献 2〕
特開平 1 0— 1 2 4 2 9号公報 第 5〜 6頁、 図 1 〔特許文献 3〕
特開平 1 0— 1 5 4 6 2 0号公報 第 3〜4頁、 図 1
〔特許文献 4〕
特開 2 0 0 1— 1 1 0 6 3 7号公報 第 5頁、 図 1
発明の開示
超電導体を超電導に転移する臨界温度以下に冷却した状態にしておいて、 超電 導体の周りに磁束が侵入する臨界磁場以上の磁場をつくり、 超電導体を磁化する ものにおいて、 この超電導体と巻線の位置関係ゃ大きさの関係は超電導体を磁石 として用いる機器によっては重要である。 例えば、 超電導体を同期機の界磁磁石 として使おうとするとき、 その近傍には電機子卷線が必ず必要である。 この電機 子卷線を、 超電導体の周りに磁束が侵入する臨界磁場以上の磁場をつくる手段を 構成する要素としての卷線と併用しょうとする場合には、電機子卷線の外に超電 導体を置くとともに、 超電導体と電機子卷線の相対的な位置関係を変えることが できるようにする必要がある。
上記した第 1図に示す従来の超電導体の着磁装置は、 超電導体 5とその周りに 磁場をつくる卷線 4の中空部の関係が、 超電導体 5の大きさより卷線 4の中空部 の方が大きいという関係になつており、 卷線 4の中空部に超電導体 5が入る関係 になっている。
また、 第 2図に示す別の構造をした超電導体の着磁装置も、 着磁コイル 1 7内 に超電導体 1 6が配置され、 更に、 構成も大がかりになっている。
本発明は、上記状況に鑑みて、超電導体を磁石として用いる機器をより小型に、 かつ簡便に構成することができる超電導体の着磁装置及び超電導同期機を提供す ることを目的とする。
本発明は、上記目的を達成するために、
〔 1〕 超電導体の着磁装置において、 超電導体と、 この超電導体を超電導に転 移する臨界温度以下に冷却する冷却手段と、 この超電導に転移する臨界温度以下 に冷却した超電導体の周りにこの超電導体に磁束が侵入する臨界磁場以上の磁場 をつくる磁場生成手段と、 この磁場生成手段を構成する要素としての卷線の外に 前記超電導体を配置するとともに、 この超電導体と前記巻線の相対的な位置関係 を変えることができる位置変更手段とを具備することを特徴とする。
〔 2〕 上記 〔 1〕 記載の超電導体の着磁装置において、前記位置変更手段は、 前記磁場生成手段としての固定側に配置され、 前記位置変更手段により、対向す る一対の卷線に対して、 前記超電導体を前記一対の卷線に挟まれるように配置可 能であることを特徴とする。
〔 3〕 上記 〔 2〕 記載の超電導体の着磁装置において、前記超電導体が回転板 に配置される高温超電導体であることを特徴とする。
〔4〕 上記 〔2〕 記載の超電導体の着磁装置において、前記一対の卷線は前記 超電導体の表面に対向して渦巻き状に形成することを特徴とする。
〔5〕 超電導同期機において、 円板に配置される超電導体と、 この超電導体を 超電導に転移する臨界温度以下に冷却する冷却手段と、 この超電導に転移する臨 界温度以下に冷却した超電導体の周りに、 前記超電導体に磁束が侵入する臨界磁 場以上の磁場をつくる磁場生成手段と、前記超電導体を駆動する電流を前記磁場 生成手段に供給する交流電源と、前記磁場生成モードと交流電流供給モ一ドとを 切り換えるモード切り換えスィツチとを具備することを特徴とする。
〔6〕 超電導同期機において、 円板に配置される超電導体と、 この超電導体を 超電導に転移する臨界温度以下に冷却する冷却手段と、 この超電導に転移する臨 界温度以下に冷却した超電導体の周りに、 前記超電導体に磁束が侵入する臨界磁 場以上の磁場をつくる磁場生成手段と、前記超電導体が配置される円板を回転駆 動する原動機と、 前記磁場生成モードと発電モ一ドとを切り換えるモード切り換 ぇスィツチとを具備することを特徴とする。
〔7〕 超電導同期機において、 円板に配置される超電導体と、 この超電導体を 超電導に転移する臨界温度以下に冷却する冷却手段と、 この超電導に転移する臨 界温度以下に冷却した超電導体の周りに前記超電導体に磁束が侵入する臨界磁場 以上の磁場をつくる磁場生成手段と、 前記超電導体を駆動する電流を前記磁場生 成手段に供給する交流電源と、 前記超電導体が配置される円板を回転駆動する原 動機と、 前記磁場生成モ一ドと交流電流供給モ一ドと発電モ一ドとを切り換える モード切り換えスィッチとを具備することを特徴とする。 〔 8〕 上記 〔 5〕 、 〔 6〕 又は 〔 7〕 記載の超電導同期機において、 前記超電 導体の磁界の強さを検出するセンサーを具備し、前記超電導体の着磁を制御する ことを特徴とする。
〔 9〕上記 〔 5〕 、 〔 6〕 又は 〔 7〕 記載の超電導同期機において、 前記磁場 生成手段が固定側に配置され、 対—向する一対の電機子卷線に対して、前記超電導 体を前記一対の電機子卷線に挟まれるように配置可能であることを特徴とする。
〔 1 0〕 上記 〔 9〕 記載の超電導同期機において、前記一対の卷線は前記超電 導体の表面に対向して渦巻き状に形成することを特徴とする。
〔 1 1〕 上記 〔 9〕 記載の超電導同期機において、前記一対の電機子卷線の数 は 3の整数倍、 前記超電導体の数が 2の整数倍であることを特徴とする。
〔 1 2〕 上記 〔 5〕 、 〔 6〕 又は 〔 7〕 記載の超電導同期機において、 前記超 電導体は高温超電導体であることを特徴とする。
〔 1 3〕 上記 〔 5〕 、 〔 6〕 又は 〔 7〕 記載の超電導同期機において、前記円 板は冷却手段により冷却されることを特徴とする。 図面の簡単な説明
第 1図は、 従来の超電導体の着磁装置 （その 1 ) の構成図である。
第 2図は、 従来の超電導体の着磁装置 （その 2 ) の構成図である。
第 3図は、 本発明の第 1実施例を示す超電導体の着磁装置の構成図である。 第 4図は、 本発明の第 1実施例を示す超電導体の部分を示す平面図である。 第 5図は、 本発明の実施例を示す対向卷線と超電導体 （高温超電導体） の配置 を示す模式図である。
第 6図は、 本発明の実施例を示す対向卷線の構成図である。
. 第 7図は、 本発明の卷線によって生成される円錐状の磁場分布の状態を示す図 である。
第 8図は、 本発明の実施例を示す超電導体 （高温超電導体） の斜視図である。 第 9図は、 本発明の実施例を示すパルス電流ピーク値と最大捕捉磁束密度との 関係を示す図である。
第 1 0図は、本発明の第 2実施例を示す超電導体の着磁装置を有する誘導電動 機型の同期機の構成図である。
第 1 1図は、 本発明の第 2実施例を示す超電導体の着磁装置を有する誘導電動 機型の同期機の超電導体の部分を示す平面図である。
第 1 2図は、 本発明の第 3実施例を示す超電導体の着磁装置を有する発電機型 の同期機の構成図である。
第 1 3図は、 本発明の第 4実施例を示す超電導体の着磁装置を有する発電機型 の同期機の構成図である。 発明を実施するための最良の形態
以下、 本発明の実施の形態について詳細に説明する。
第 3図は本発明の第 1実施例を示す超電導体の着磁装置の構成図、 第 4図はそ の超電導体の部分を示す平面図である。
第 3図及び第 4図において、 1 0 1は基台、 1 0 2は外側ケーシング、 1 0 3 は内側ケ一シング、 1 04は管、 1 0 5は冷媒生成機、 1 0 6は磁場生成手段と しての卷線へパルス電流を供給する着磁用電源、 1 0 7は接続線、 1 0 8A， 1 0 8 Bは軸受、 1 0 9 A， 1 09 Bはシール、 1 1 1 , 1 1 Γ 〜 1 1 6 , 1 1 6' は巻線、 1 4 2は冷媒生成機 1 0 5で生成される冷媒を有する冷媒チャンバ (冷却手段） 、 1 4 3は断熱部（断熱手段） 、 1 4 5は軸、 1 0は円板、 1 1 1 - 1 2 8はその円板 1 10に形成された穴、 1 3 1〜 1 3 8は穴 1 2 1〜 1 2 8に配置される超電導体（ここでは高温超電導体） である。
以下、 この超電導体の着磁装置の動作について説明する。
まず、 円板 1 0に取り付けられた 8個の超電導体 1 3 1〜1 3 8は冷媒チヤ ンバ 1 4 2内の冷媒、 例えば液体窒素によって、 超電導に転移する臨界温度以下 に冷却される。 次に、 磁場生成手段の要素であり、 内側ケ一シング 1 0 3の側面 部 1 0 3Aと 1 0 3 Bに対向するように 6個ずつ取り付けられている卷線 1 1 1， 1 1 Γ 〜 1 1 6， 1 1 6' に対して、 円板 1 2 0を軸 1 4 5を中心として回転 させ、 例えば、 卷線 1 1 1， 1 1 Γ と超電導体 1 3 1の中心を合わせる （この とき第 4図に示すように対向する卷線 1 1 4, 1 1 4' と超電導体 1 3 5の中心 も合う） 。 この状態で卷線 1 1 1， 1 1 Γ に着磁用電源 1 0 6から電流を流し て （巻線 1 1 4， 1 1 4 ' に同時に電流を流すことも可能） 、 超電導体 1 3 1の 周りに超電導体 1 3 1に磁束が侵入する臨界磁場以上の磁場をつくると、 超電導 体 1 3 1は磁化され、 巻線 1 1 1， 1 1 Γ に着磁用電源 1 0 6から流じていた 電流がなくなった後にも超電導体 1 3 1に磁化が残り超電導体 1 3 1は磁石にな る （超電導体 1 3 5も同時に磁ィ匕することが可能） 。 次に、 円板 1 2 0を回転さ せ、 例えば、 巻線 1 1 Γ 、 超電導体 1 3 2、 卷線 1 1 1の中心を合わせ、 同じ 要領で磁化を行うが、 このとき前述した電流とは逆向きの電流を流す。 このとき、 超電導体 1 3 2は磁石になる （超電導体 1 3 6も同時に磁ィ匕することが可能） 。 このようにして、 超電導体 1 3 1、 1 3 3、 1 3 5、 1 3 7を同じ極性、 超電導 # 1 3 2 . 1 3 4、 1 3 6、 1 3 8をそれらとは逆極性の磁石にすることができ る。
以上のように、 超電導に転移する臨界温度以下に冷却した超電導体の周りにそ れに磁束が侵入する臨界磁場以上の磁場をつくる、 磁場生成手段の要素としての 卷線に対して、 超電導体を取り付けた円板が回転できるように配置することによ り、超電導体を容易に着磁することができる。
第 5図は本発明の実施例を示す対向卷線と超電導体 （高温超電導体） の配置を 示す模式図である。
この図において、 1 5 1は超電導体としての高温超電導バルク体、 1 5 2 , 1 5 3はその高温超電導バルク体 1 5 1を挟むように対向して固定的に配置される 卷線であり、 この卷線 1 5 2 , 1 5 3は渦巻状に巻かれた銅線が多層状に形成さ れており、 これらの卷線 1 5 2 , 1 5 3は直列に接続されて、 超電導に転移する 臨界温度以下に冷却した高温超電導バルク体 1 5 1の周りに、 高温超電導バルク 体 1 5 1に磁束が侵入する臨界磁場以上の磁場をつくり、高温超電導バルク体 1 5 1を着磁することができる。 なお、 第 5図において、 1 5 4〜1 5 7は卷線1 5 2 , 1 5 3のリード線である。
第 6図は本発明の実施例を示す対向卷線の構成図である。
この図に示すように、卷線 1 5 2， 1 5 3は渦巻き状に巻かれた銅線が多層状 (例えば、 8層） に形成されており、 これらを直列に接続するように配置されて いる。 従って、 第 6図に示すように、 パルス電流 I pを流すと、 磁束 Φが生じて、 超電導に転移する臨界温度以下に冷却した高温超電導バルク体 1 5 1の周りに高 温超電導バルク体 1 5 1に磁束が侵入する臨界磁場以上の磁場をつくり、 高温超 電導バルク体 1 5 1を着磁することができる。
この高温超電導バルク体 1 5 1は、高温超電導体のうち、 液体窒素で簡易に冷 却できる絶対温度 77ケルビン （マイナス 1 96°C)付近で高磁場中でも高い臨 界電流密度を示し超電導が破れない、 RE— B a— Cu— 0超電導体 （REは G d、 Sm、 Yなどの希土類元素） を用いるのが望ましい。
このような RE— B a— Cu—〇バルク超電導体は、 原料中に、 ピン止め効果 を示す非超電導相を分散して溶融成長させた高温超電導体のかたまり （バルク） であり、 高性能永久磁石よりも大きな磁場を捕捉 （着磁） させることができる。 ただし、 このバルク超電導磁石を利用するためには、何らかの方法で着磁させる 必要がある。
本発明では、 着磁された高温超電導バルク体の磁場分布が中心で最大磁場をも つ円錐形になることに注目して、 上記した渦巻状に銅線を巻いた巻線にパルス電 流を流すことによって円錐形の磁場分布を発生させ、 77ケルビンにおいて、 第 7図に示すように、 高温超電導体バルク体 1 5として側面に自己破壊抑制のため のステンレスの側帯 1 5 1 Aを付けた、酸化物超電導バルク材料 1 5 1 B (仕込 み組成： Gd! B a2 Cu3 〇 , 70. 9 w t %, Gd2 B a, Cu! 〇5. , 1 9. 2 wt%. P t 0. 5wt%、 Ag 9. 4wt%) を用いる。 このような G d系バルク高温超電導体に対して効率よく 1テスラを超える高い 磁界を着磁させるようにする。
第 7図は本発明の卷線によって生成される円錐状の磁場分布の状態を示す図で める。
第 6図に示したように、 渦巻き状の銅線を直列に接続するように配置した卷線 1 52, 1 5 3にパルス電流 I pを流すと、 第 7図 （c) に示すように、 第 7図 (b) における磁束密度を測定する面 1 6 1においては、 円錐状の磁場分布を生 成することができる。
この方法によって、 従来ヘリゥム冷凍機や超電導磁石を用いて行われていた、 1テスラを超える着磁が、 液体窒素を用いて簡便かつ高効率に行うことが可能と なる。
本発明の実験では、 第 9図に示すように、 加えたパルス電流の大きさに比例し て着磁の最大磁場が増えていくという関係が得られている。
上記について、 詳細に説明すると、 バルク超電導磁石の着磁方法には、 従来例 で示したように、 別に用意した超電導磁石の静磁場を用いる静磁場着磁方法 （第 1図参照） と、 バルク体の周囲に置いた卷線にパルス電流を流してパルス磁界に よって着磁するパルス着磁方法（第 2図参照） がある。 静磁場着磁法によれば、 7 7ケルビンにおいて 4テスラを超える大きな磁界を着磁できるが、 その着磁装 置自体が大きく、 高温超電導体を機器に組み込んだ後では、 着磁が困難である。 パルス着磁方法は着磁コイルを高温超電導バルク体とともに機器に組み込み後に 着磁できるので実用性が高いが、従来の方法では 7 7ケルビンで 1テスラを超え ることはなく、 合金系永久磁石の発生磁界との差別化にはヘリゥム冷凍機によつ てバルク体を 7 7ケルビンより低温へ冷却しなければならない。
一方、本発明によれば、着磁された高温超電導バルク体の磁場分布が中心で最 大磁場をもつ円錐形になることに注目して、 渦巻状に銅線を巻いた巻線にパルス 電流を流すことによって円錐形の磁場分布を発生させ、 7 7ケルビンにおいて、 G d系バルク高温超電導体 （第 8図参照） に対して効率よく 1テスラを超える高 い磁界を着磁させることができた。 この着磁方法によって、 従来ヘリウム冷凍機 や超電導磁石を用いて行われていた、 1テスラを超える着磁を、 液体窒素を用い て簡便かつ高効率に行うことが可能となつた。
第 1 0図は本発明の第 I実施例を示す超電導体の着磁装置を有する誘導電動機 型の同期機の構成図、 第 1 1図はその超電導体の部分を示す平面図である。 第 1 0図及び第 1 1図において、 0 1は基台、 2 0 2は外側ケーシング、 2 0 3は内側ケーシング、 2 0 4は管、 2 0 5は冷却手段としての冷媒生成機、 2 0 6は磁場生成手段としての卷線へパルス電流を供給する着磁用電源、 2 0 7は 接続線、 2 0 8 A, 2 0 8 Bは軸受、 2 0 9 A, 2 0 9 Bはシール、 2 1 1， 2 1 1 ' ~ 2 1 6 , 2 1 6 ' は電機子卷線、 2 7 2は冷媒生成機 2 0 5で生成され る冷媒を有する冷媒チャンバ （冷却手段） 、 7 3は断熱部 （断熱手段） 、 2 7 5は軸、 2 2 0は円板、 2 2 1 - 2 2 8はその円板 2 2 0に形成された穴、 1 3 1〜238は穴 221〜228に配置される超電導体（ここでは高温超電導体） 、
241は電機子巻線 21 1， 21 Γ 〜216, 2 16' へ交流電流を供給し、 この同期機の駆動を行う交流電源、 242は着磁用電源 206と交流電源 241 との切り換えを行うことにより、 磁場生成モード （着磁モード） と交流電流供給 モード （電動モード） とを切り換えるためのモード切り換えスィッチである。 ま た、 ここでは、 内側ケーシング 203の内部に磁界センサ一 （ここではホール素 子） 243を配置するようにして、 この磁界センサ一 243により検出される超 電導体の磁力が所定値より下がるとこれを制御器 (PC) 244を介して、 自動 的にモード切り換えスィッチ 242を着磁モードに切り換えるようにしている。 なお、 円板 220は冷却されたものとすることができ、 その場合には、 図示さ れていないが、 別途冷却手段を付加するように構成する。
以下、 その超電導体の着磁装置を有する誘導電動機型の同期機の動作について 説明する。
まず、 着磁乇一ドについて説明する。
円板 220に取り付けられた 8個の超電導体 23 1〜238は冷媒チャンバ 2 72内の冷媒、例えば液体窒素によって超電導に転移する臨界温度以下に冷却さ れる。 磁場生成手段の要素であり、 内側ケ一シング 203の側面部 203 Aと 2 03 Bに対向するように 6個ずつ取り付けられている電機子卷線 21 1, 2 1 1 ' 〜2 16， 216' に対して、 円板 220を軸 275を中心として回転させ、 例えば、 電機子巻線 21 1, 21 Γ と超電導体 231の中心を合わせる （この とき第 1 1図に示すように対向する電機子卷線 2 14, 2 14' と超電導体 23 5の中心も合う） 。 この状態で電機子卷線 2 1 1， 1 1' に着磁用電源 206 から電流を流して （電機子卷線 214, 214' に同時に電流を流すことも可 能） 、 超電導体 231の周りに超電導体 23 1に磁束が侵入する臨界磁場以上の 磁場をつくると、 超電導体 23 1は磁化され、 電機子卷線 2 1 1， 2 1 1 ' に着 磁用電源 206から流していた電流がなくなった後にも超電導体 23 1に磁化が 残り超電導体 231は磁石になる （超電導体 235も同時に磁化することが可 能） 。 次に、 円板 220を回転させ、 例えば、 電機子卷線 2 1 ド 、 超電導体 2
32、 電機子卷線 21 1の中心を合わせ、 同じ要領で磁ィヒを行うが、 このとき前 述した電流とは逆向きの電流を流す。 このとき、超電導体 2 3 2は磁石になる (超電導体 2 3 6も同時に磁化することが可能）。 このようにして、超電導体 2 3 1、 2 3 3、 2 3 5、 2 3 7を同じ極性、 超電導体 2 3 2、 2 3 4、 2 3 6、 2 3 8をそれらとは逆極性の磁石にする。 超電導体 2 3 1〜2 3 8が取り付けら れている円板 2 2 0とこれらの超電導体 2 3 1〜2 3 8を挟んで、 電機子卷線 2 1 Γ ~ 2 1 6 ' 、 及び電機子巻線 2 1 1〜2 1 6が取り付けられている内側ケ 一シング 2 0 3は同期機の界磁磁石と電機子巻線に対応する。 この結果、 電機子 卷線 2 1 Γ 〜2 1 6 ' 、 及び電機子卷線 2 1 1〜2 1 6は超電導体を磁化する 卷線の機能を共有することができる。
電機子巻線の結線例を示すと、 第 1 1図のように 3相結線を施す。 すなわち、 電機子卷線 2 1 1に 相を、電機子卷線 2 1 4に— 相を、電機子卷線 2 1 3に V , 相を、 電機子卷線 2 1 6に一 V！ 相を、電機子卷線 2 1 5に I 相を、 電機子卷線 2 1 2に一 相をそれぞれ結線する。
そこで、 超電導体 2 3 1〜2 3 8が着磁されると、 着磁用電源 2 0 6から交流 電源 2 4 1とモード切り換えスィッチ 2 4 2の切り換えを行うことにより、 磁場 生成モード （着磁モード） となり、着磁された超電導体 2 3 1〜2 3 8と電機子 卷線 2 1 1 , 2 1 Γ 〜2 1 6， 2 1 6 ' 間のフレミング左手の法則による電磁 誘導作用により、超電導誘導電動機としての機能を有する。 そして、 その駆動状 態で、 上記したように、 その超電導体の磁力の強さが磁界センサ一 2 4 3と制御 器 2 4 4によりモニターされ、 その磁力の強さが所定値より下がると、 自動的に 超電導体の着磁モ一ドに切り換えることができる。
以上のように、 超電導に転移する臨界温度以下に冷却した超電導体の周りにそ れに磁束が侵入する臨界磁場以上の磁場をつくる、 磁場生成手段の要素としての 電機子卷線に対して、 超電導体を取り付けた円板が回転できるようにするととも に、 超電導体と電機子卷線を同期機の界磁磁石と電機子卷線として機能できるよ うにしたので、 誘導電動機型の超電導同期機を小型化することができる。
第 1 I図は本発明の第 3実施例を示す超電導体の着磁装置を有する発電機型の 同期機の構成図である。
上記第 2実施例との相違点について説明すると、 磁場生成モード （着磁モー ド） と発電モードとを切り換えるモード切り換えスィッチ 2 5 2による発電モー ド時には、 軸 2 7 5を原動機 2 5 1で回転駆動することにより、 着磁された超電 導体 2 3 1〜 2 3 8と電機子卷線 2 1 1， 2 1 Γ ~ 2 1 6， 2 1 6 ' 間のフレ ミング右手の法則による電磁誘導作用により発電を行わせ、 負荷 2 5 3に電力を 供給することができるようにしている。 磁界センサー 2 4 3と制御器 2 4 4によ り超電導体 2 3 1〜2 3 8の磁力の低下が検出された場合などの着磁モードでは、 第 1及び第 2実施例と同様の方法により、 超電導体 2 3 1 - 2 3 8への着磁を行 うようにすることができる。
以上のように、 超電導に転移する臨界温度以下に冷却した超電導体の周りにそ れに磁束が侵入する臨界磁場以上の磁場をつくる、 磁場生成手段の要素としての 電機子卷線に対して、 超電導体を取り付けた円板が回転できるようにするととも に、 超電導体と電機子卷線を同期機の界磁磁石と電機子卷線として機能できるよ うにしたので、 誘導発電機型の超電導同期機を小型化することができる。
第 1 3図は本発明の第 4実施例を示す超電導体の着磁装置を有する発電機型の 同期機の構成図である。
この実施例では、 （ 1 ) 磁場生成モード （着磁モード） と交流電流供給モード (電動モード） と発電モードとを切り換えるモード切り換えスィッチ 2 6 1の切 り換えにより、 交流電流供給モード （電動モード） にある場合には、 第 2実施例 に示したように、 交流電源 2 4 1からの電機子コイル 2 1 1 , 2 1 Γ 〜2 1 6 , 2 1 6 ' への交流電流の供給により超電導誘導電動機として機能する。
( 2 ) 磁場生成モード （着磁モード） と交流電流供給モード （電動モード） と 発電モードとを切り換えるモード切り換えスィッチ 2 6 1の切り換えにより、 発 電モードにある場合には、 第 3実施例と同様に、 軸 2 7 5を原動機 2 5 1で回転 駆動することにより、 着磁された超電導体 2 3 1〜2 3 8と電機子卷線 2 1 1，
2 1 Γ 〜2 1 6， 2 1 6 ' 間のフレミング右手の法則による電磁誘導作用によ り発電を行わせ、 負荷 2 6 2に電力を供給することができる。
( 3 ) 発電モード又は電動モードのいずれの場合であっても、 磁界センサー 2 4 3と制御器 2 4 4により超電導体 2 3 1〜2 3 8の磁力の低下が検出された場 合などの着磁モードでは、 第 1及び第 2実施例と同様の方法により、 超電導体 2 3 1〜 2 3 8への着磁を行うようにすることができる。
なお、 超電導体は十分磁化されると円錐状の磁束密度分布になる。 このとき巻 線を渦卷状にすると、 同期機の起電力が正弦波状になるという効果もある。
逆に渦巻状の巻線に電流を流したとき作られる磁場は円錐状の磁束密度を生成 する。 これは前述した十分磁化された超電導体の磁束密度分布と同じ形であるの で、 超電導体を磁化しやすいという効果もある。
以上のように、 超電導に転移する臨界温度以下に冷却した超電導体の周りにそ れに磁束が侵入する臨界磁場以上の磁場をつくる、 磁場生成手段の要素としての 電機子巻線に対して、 超電導体を取り付けた円板が回転できるようにするととも に、 超電導体と電機子卷線を同期機の界磁磁石と電機子卷線として機能できるよ うにしたので、 誘導電動 ·発電型の超電導同期機を小型化することができる。 本発明によれば、 上記したように、 簡便で、 小型化された超電導体の着磁装置 を提供することができる。
また、 超電導体の着磁機能を有する超電導同期機を容易に提供することができ る。
かかる超電導同期機は、 超電導誘導電動機及び又は超電導誘導発電機としても 構築することができる。
したがって、 小型舶用超電導同期機として用いるような場合には、 夜間に停泊 時に超電導誘導発電機として機能させて、 それによつて充電された電源を用いて 超電導誘導電動機として機能させて昼間の船舶の運行に期するようにすることに より、 小型化された超電導同期機を構築することができる。
また、 超電導体の磁力は絶えず監視することができるので、 効率の高い誘導電 導及び又は発電を保持することができる。
更に、 本発明の超電導同期機によれば、 強力な磁場によって大きなトルクを発 生することができる。 電力変換効率も高く、 従来の超電導同期機を格段に小型軽 量化できる。 地球環境の保全、海洋環境保全の観点からも電気推進船は有望視さ れて欧州や米国では、 ポッド式の電気推進船について研究開発や実用化が進みつ つあるが、 本発明は、 電気推進のプロペラを回す舶用高温超電導同期機において、 着磁卷線と鉄芯レス電気子卷線との併用を可能にするものであり、 その設計と製 作に大きく貢献することができる。
なお、 本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づい て種々の変形が可能であり、 これらを本発明の範囲から排除するものではない。 以上、詳細に説明したように、本発明によれば、 以下のような効果を奏するこ とができる。
(A) 簡便で、 小型な超電導体の着磁装置を得ることができる。
( B )着磁と電動駆動が可能な誘導電動型の超電導同期機を得ることができる。 ( C ) 着磁と誘導発電が可能な誘導発電型の超電導同期機を得ることができる。
( D )超電導同期機の超電導体の磁力が低減すると、 自動的にそれを検知して、 着磁モードへ切り換えて、 着磁することができる。
( E )平型でコンパク卜な超電導体の着磁装置乃至超電導同期機を得ることが できる。
(F )電気推進のプロペラを回す舶用高温超電導同期機において、着磁卷線と 鉄芯レス電気子卷線との併用を可能にするものであり、 超電導同期機を格段に小 型軽量化でき、 地球環境の保全、海洋環境保全の観点からも有利である。
( G ) 小型舶用超電導同期機として用いるような場合には、 夜間に停泊時に超 電導誘導発電機として機能させて、 それによつて充電された電源を用いて超電導 誘導電動機として機能させて昼間の船舶の運行に期するようにすることにより、 小型化された超電導同期機を構築することができ、 その実用的効果は著大である。 産業上の利用可能性
本発明の超電導体の着磁装置及び超電導同期機は、 特に、 電気推進のプロペラ を回す船舶用の原動機に好適であり、 地球環境の保全、 海洋環境保全の観点から も有利である。

Claims

請 求 の 範 囲
1 .
( a ) 超電導体と、
( b ) 該超電導体を超電導に転移する臨界温度以下に冷却する冷却手段と、
( c ) 該超電導に転移する臨界温度以下に冷却した超電導体の周りに該超電導体 に磁束が侵入する臨界磁場以上の磁場をつくる磁場生成手段と、
( d ) 該磁場生成手段を構成する要素としての卷線の外に前記超電導体を配置す るとともに、該超電導体と前記巻線の相対的な位置関係を変えることができる位 置変更手段とを具備することを特徴とする超電導体の着磁装置。
2 . 請求項 1記載の超電導体の着磁装置において、 前記位置変更手段は、前記 磁場生成手段としての固定側に配置され、 前記位置変更手段により、 対向する一 対の卷線に対して、 前記超電導体を前記一対の卷線に挟まれるように配置可能で あることを特徴とする超電導体の着磁装置。
3 . 請求項 1記載の超電導体の着磁装置において、前記超電導体が回転板に配 置される高温超電導体であることを特徴とする超電導体の着磁装置。
4 . 請求項 1記載の超電導体の着磁装置において、前記一対の卷線は前記超電 導体の表面に対向して渦巻き状に形成することを特徴とする超電導体の着磁装置。
5 .
( a ) 円板に配置される超電導体と、
( b ) 該超電導体を超電導に転移する臨界温度以下に冷却する冷却手段と、
( c ) 該超電導に転移する臨界温度以下に冷却した超電導体の周りに、 前記超電 導体に磁束が侵入する臨界磁場以上の磁場をつくる磁場生成手段と、
( d ) 前記超電導体を駆動する電流を前記磁場生成手段に供給する交流電源と、 ( e ) 前記磁場生成モードと交流電流供給モ一ドとを切り換えるモ一ド切り換え スィッチとを具備することを特徴とする超電導同期機。
6 .
( a ) 円板に配置される超電導体と、
( b ) 該超電導体を超電導に転移する臨界温度以下に冷却する冷却手段と、 ( C )該超電導に転移する臨界温度以下に冷却した超電導体の周りに、前記超電 導体に磁束が侵入する臨界磁場以上の磁場をつくる磁場生成手段と、
( d )前記超電導体が配置される円板を回転駆動する原動機と、
( e )前記磁場生成モ一ドと発電モ一ドとを切り換えるモード切り換えスィッチ とを具備することを特徴とする超電導同期機。
7 .
( a ) 円板に配置される超電導体と、
( b )該超電導体を超電導に転移する臨界温度以下に冷却する冷却手段と、
( c )該超電導に転移する臨界温度以下に冷却した超電導体の周りに前記超電導 体に磁束が侵入する臨界磁場以上の磁場をつくる磁場生成手段と、
( d )前記超電導体を駆動する電流を前記磁場生成手段に供給する交流電源と、 ( e )前記超電導体が配置される円板を回転駆動する原動機と、
( f )前記磁場生成モ一ドと交流電流供給モ一ドと発電モ一ドとを切り換えるモ ード切り換えスィッチとを具備することを特徴とする超電導同期機。
8 . 請求項 5、 6又は 7記載の超電導同期機において、前記超電導体の磁界の 強さを検出するセンサーを具備し、 前記超電導体の着磁を制御することを特徴と する超電導同期機。
9 . 請求項 5、 6又は 7記載の超電導同期機において、 前記磁場生成手段が固 定側に配置され、 対向する一対の電機子卷線に対して、 前記超電導体を前記一対 の電機子巻線に挟まれるように配置可能であることを特徴とする超電導同期機。
1 0 . 請求項 9記載の超電導同期機において、 前記一対の卷線は前記超電導体 の表面に対向して渦巻き状に形成することを特徴とする超電導同期機。
1 1 . 請求項 9記載の超電導同期機において、 前記一対の電機子卷線の数は 3 の整数倍、 前記超電導体の数が 1の整数倍であることを特徴とする超電導同期機。
1 2 . 請求項 5、 6又は 7記載の超電導同期機において、 前記超電導体は高温 超電導体であることを特徴とする超電導同期機。
1 3 . 請求項 5、 6又は 7記載の超電導同期機において、前記円板は冷却手段 により冷却されることを特徴とする超電導同期機。
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