WO2009116219A1

WO2009116219A1 - 超電導回転子、超電導回転機および超電導回転機システム

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Publication number: WO2009116219A1
Application number: PCT/JP2008/073733
Authority: WO
Inventors: 武恒中村
Original assignee: 国立大学法人京都大学
Priority date: 2008-03-18
Filing date: 2008-12-26
Publication date: 2009-09-24
Also published as: CA2718559C; US20110084566A1; JP5397866B2; CA2718559A1; JPWO2009116219A1; US8242657B2

Abstract

　本発明の主たる解決課題は、誘導機の構成を有し、誘導回転および同期回転が可能な超電導回転子、超電導回転機および超電導回転機システムであって、熱はけがよく、過大な負荷に対しても安定で、同期回転のための磁束捕捉が容易であるものを提供することにある。上記課題を解決すべく、図１に示す通り、本発明は複数の超電導線を高導電性金属で被覆してなる超電導線材にて形成された超電導かご形巻線73と、常電導材にて形成された常電導かご形巻線74と、両かご形巻線73,74の各ロータバー73a,74aを収容する複数のスロット72を備えた円柱状の回転子鉄心71と、回転子鉄心71に同軸に設けられた回転子軸75と、を含み、超電導かご形巻線73が非超電導状態であるとき、回転磁界に起因して常電導かご形巻線74に生じる誘導トルク主動で回転する一方、超電導かご形巻線73が超電導状態であるとき、超電導かご形巻線73が回転磁界の磁束を捕捉することで生じる同期トルク主動で回転する超電導回転子7とした。

Description

超電導回転子、超電導回転機および超電導回転機システム

　本発明は、超電導回転子、超電導回転機および超電導回転機システムに関する。

　電気機器である回転機は、直流機と交流機に分類される。このうち、交流機は、機械動力を受けて交流電力を生成する、または交流電力を受けて機械動力を生成するものであり、主として誘導機と同期機に分類される。

　誘導機、例えば誘導電動機は、固定子巻線に交流電圧を印加して発生させた回転磁界によって、回転子に誘導トルクを発生させて回転する。誘導電動機は、単純な構造であり、保守が容易で安価であること等から広く利用されているが、効率や速度制御面で難がある。

　同期機、例えば同期電動機は、固定子巻線に交流電圧を印加して発生させた回転磁界に、電磁石または永久磁石を備えた回転子が引かれることによって回転する。同期電動機は、効率がよいものの、始動や同期引入に付加的な装置が必要である。

　そこで、近年、誘導機の構成でありながら同期回転可能な超電導回転機が提案されている（例えば、特許文献１および特許文献２参照）。

　特許文献１記載の回転機は、例えばその図６に示されるように、ステータ６０と、ステータ６０に回転可能に装着されたロータ６１と、ロータ６１に設けられた超電導材料６２と、ステータ６０に設けられ、回転磁場を形成する磁場発生装置と、超電導材料６２内を貫く磁場を超電導材料６２内に捕らえておくための機構と、磁場発生装置と超電導材料６２の間に配置されたトルクシールド６４であって、超電導材料６２内の磁場の強度が第２臨界磁場Ｈｃ_２未満になるような表皮深さ及び厚さを有するとともに、ロータ６１を同期速度に引き上げるために充分なトルクを生み出すに足る電気導電性を有するトルクシールド６４と、を備えている。

　特許文献１記載の回転機は、始動時、トルクシールド６４に発生する誘導トルクによって誘導回転する。そして、所定速度に達すると、回転磁場の磁束がトルクシールド６４を通過して、超電導材料６２中に延びる。その後、超電導材料６２が臨界温度以下に冷却されて超電導状態になると、回転磁場の磁束が超電導材料６２に捕捉され、特許文献１記載の回転機は同期回転する。

　一方、特許文献２記載の電動機は、例えばその図３および図４に示されるように、常電導材からなるかご形巻線におけるバーの中空部１０とエンドリング５の溝１１，１２とに、超電導材１３が充填されている。つまり、特許文献２記載の電動機は、常電導材にて構成されるかご形巻線に、超電導材にて構成される界磁巻線としての閉回路が併設された構造になっている。

　特許文献２記載の電動機によれば、室温雰囲気下で起動することにより起動特性が良好な通常のかご形誘導機としての起動が可能である。また、起動後の加速完了時には、かご形回転子を超電導材料の臨界温度以下に冷却して超電導材料の閉回路を形成すれば、同期引き入れが自動的に行なわれ、以後は永久電流による同期電動機として極めて高効率の運転が可能になる。
特表平８－５０５５１５号公報特開平１－１４４３４６号公報

［特許文献１記載の回転機について］
　特許文献１記載の回転機は、超電導材料に磁束を捕捉させ、同期モードを実現する。この超電導材料としては、粒状、薄片状、塊状（バルク材）及び薄膜状のいずれでも良いと記載されているが、特許文献１記載の回転子の構造において超電導材料中に磁束を有効に捕捉させるためには、最終的に塊以外は考えにくい。そして、超電導材料が塊（非巻線）であれば、捕捉されている磁束が全てトルク発生に寄与するとは考えにくく、超電導材料の使用量に占めるトルク発生効率が悪いと考えられる。

　さらに、特許文献１記載の回転機において超電導材料に磁束を捕捉させるためには、２種類の方法が考えられると記載されているが、これらの方法にはそれぞれ下記の問題点がある。

　第１の方法では、１次巻線から供給される磁束を超電導材料に捕捉させるために、温度を当該超電導材料の臨界温度より高く設定しておき、回転子が誘導モードで所定の回転数に達した段階で温度を当該臨界温度未満に下げ、磁束を捕捉させる。しかし、この方法では、磁束を捕捉させるために毎回温度を上記臨界温度より高くする必要がある。温度を昇降するプロセスには比較的長い時間が必要であることから、機器全体の応答性が悪くなると危惧される。

　また、第２の方法では、超電導材料を予め臨界温度未満にしておき、その後、所定の回転数に達した段階で１次巻線あるいは補助巻線から当該超電導材料の超電導状態を壊す第２臨界磁場（Ｈｃ_２）以上の磁場をパルス的に印加して磁束を捕捉する。しかし、この方法はさらに問題で、第２臨界磁場は一般に液体窒素温度でも数テスラとなり、この様な磁場をパルス的に限られた空間に実現するコイルを製作することは容易でない。また、パルスの大きさによって、超電導材料内で発熱が起こり、それに伴って磁束が逃げてしまい、捕捉効率が悪くなる心配もある。現実に、超電導バルク材にパルス着磁する検討は世界的に行われているが、技術が完成していない。さらに、パルス的とはいえ、数テスラの磁場を限られた空間に発生させることから、他の要素に悪影響が及ぶおそれがある。磁場の影響を回避するためには、一般に磁気シールドが必要であり、機器全体の構造が大きくかつ複雑になる。

［特許文献２記載の電動機について］
　特許文献２記載の電動機では、超電導材によって巻線が構成されるが、この超電導材には超電導バルク材が想定されていると考えられる。超電導材がバルク材であれば、次のような問題点がある。

（１）発熱が起こった場合の熱はけが悪い。
（２）特許文献１記載の回転機と同様に、一旦超電導状態になれば、電流容量が大きいことから、磁束フロー状態と呼ばれる損失状態にすることが難しい。つまり、超電導巻線が磁束を捕捉していない状態で超電導状態になっている場合に、一旦磁束フロー状態にして磁束を捕捉させる方法をとることができない。それゆえ、超電導巻線が磁束未捕捉のまま超電導状態になっている場合に、当該電動機を同期回転させるには、特許文献１記載の回転機と同様に、臨界温度以上に昇温するか臨界磁場以上の磁場を印加して、超電導状態を壊して磁束を捕捉した後、再度臨界温度以下にして超電導状態にする必要がある。
（３）超電導巻線を構成するためには、超電導粉末を常電導かご形巻線の中空部に充填し、その後焼成する必要がある。しかし、超電導粉末充填後に、回転子鉄心を含めて焼成するためには、大きな電気炉が必要である。また、回転子鉄心も焼成されてしまうので、特性が変化するおそれがある。さらに、仮に問題なく焼成できたとしても、電動機の製作コストが高くなってしまう。

　上記（１）～（３）のとおり、特許文献２記載の電動機には大きな問題があり、誘導機の構成でありながら同期回転可能な超電導回転機は未だ世の中に現れていない。

　本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、誘導機の構成を有し、誘導回転および同期回転が可能な超電導回転子、超電導回転機および超電導回転機システムであって、熱はけがよく、同期回転のための磁束捕捉が容易であるものを提供することにある。

　上記課題を解決するために本発明は、（１）回転磁界を発生させる固定子内に配置されて回転する超電導回転子であって、複数の超電導線を高導電性金属で被覆した単数または複数本の超電導線材からなるロータバーおよびエンドリングによって形成された超電導かご形巻線と、常電導材からなるロータバーおよびエンドリングによって形成された常電導かご形巻線と、前記両かご形巻線の前記各ロータバーを収容する複数のスロットを備えた円柱状の回転子鉄心と、前記回転子鉄心に同軸に設けられた回転子軸と、を含んでいて、前記超電導かご形巻線が非超電導状態であるとき、前記回転磁界に起因して前記常電導かご形巻線に生じる誘導トルク主動で回転する一方、前記超電導かご形巻線が超電導状態であるとき、前記超電導かご形巻線が前記回転磁界の磁束を捕捉することで生じる同期トルク主動で回転するようになっていることを特徴とする超電導回転子を提供するものである。

　また本発明は、上記構成において、（２）前記超電導線は、ＮｂＴｉもしくはＮｂ_３Ｓｎに代表される金属系低温超電導体、イットリウム系もしくはビスマス系に代表される酸化物系高温超電導体、あるいは二ホウ化マグネシウム超電導体からなっており、前記高導電性金属は、銀、銅、金、アルミニウムもしくはそれらの合金であることを特徴とする超電導回転子を提供するものである。

　また本発明は、上記構成において、（３）前記常電導かご形巻線は、前記超電導かご形巻線における前記高導電性金属を所定厚さ以上にすることによって形成されていて、前記超電導かご形巻線と一体的になっていることを特徴とする超電導回転子を提供するものである。

　また本発明は、上記構成（１）または（２）において、（４）前記超電導かご形巻線と前記常電導かご形巻線とは別体になっており、さらに、前記超電導かご形巻線は、前記常電導かご形巻線よりもかごが大きく、前記各ロータバーが前記常電導かご形巻線の各ロータバーよりも外側に位置していることを特徴とする超電導回転子を提供するものである。

　また本発明は、上記構成（１）または（２）において、（５）前記超電導かご形巻線と前記常電導かご形巻線とは別体になっており、さらに、前記常電導かご形巻線は、前記超電導かご形巻線よりもかごが大きく、前記各ロータバーが前記超電導かご形巻線の各ロータバーよりも外側に位置していることを特徴とする超電導回転子を提供するものである。

　また本発明は、上記構成において、（６）前記超電導かご形巻線の前記ロータバーの数と、前記常電導かご形巻線の前記ロータバーの数と、前記回転子鉄心の前記スロットの数とは同数であり、各スロット内に前記超電導かご形巻線の前記ロータバーと前記常電導かご形巻線の前記ロータバーとが１本ずつ収容されていることを特徴とする超電導回転子を提供するものである。

　また本発明は、（７）回転磁界を発生させる固定子巻線を備えた固定子内に、上記構成（１）～（６）のいずれかに記載の超電導回転子が配置されてなることを特徴とする超電導回転機を提供するものである。

　また本発明は、上記構成（７）において、（８）前記固定子巻線は超電導材からなっており、当該超電導材の臨界温度は、前記超電導かご形巻線を形成する前記超電導線材の臨界温度以上になっていることを特徴とする超電導回転機を提供するものである。

　また本発明は、（９）上記構成（７）に記載の超電導回転機と、前記超電導回転機を超電導状態になるまで冷却し得る冷却装置と、前記超電導回転機を制御する制御装置と、を含んでいて、前記制御装置は、前記超電導回転機が前記誘導トルク主動で回転している場合に使用すべき第１の制御パターンと、前記超電導回転機が前記同期トルク主動で回転している場合に使用すべき第２の制御パターンと、を有しており、前記固定子巻線内を流れる電流の値が、前記超電導かご形巻線が超電導状態になったことに起因して低下したとき、前記第２の制御パターンを用いて前記超電導回転機を制御し、そうでないとき、前記第１の制御パターンを用いて前記超電導回転機を制御するようになっていることを特徴とする超電導回転機システムを提供するものである。

　また本発明は、上記構成（９）において、（１０）前記制御装置は、始動時において前記超電導かご形巻線が前記回転磁界の磁束を捕捉してない状態で超電導状態になっている場合、前記超電導かご形巻線に流れる電流が臨界電流を越えるように、前記固定子巻線への印加電圧および／または当該印加電圧の周波数を変化させ、前記超電導かご形巻線を磁束フロー状態にし、前記超電導かご形巻線に前記回転磁界の磁束を鎖交させるようになっていることを特徴とする超電導回転機システムを提供するものである。

　本発明の超電導回転機によれば、超電導かご形巻線が超電導バルク材ではなく、超電導線材によって構成されているため、発熱が起こった場合の熱はけが良い。

　また、超電導バルク材は、電流容量が大きいことから、一旦超電導状態になれば磁束フロー状態にすることが難しい。これに対し、本発明の超電導回転機の超電導かご形巻線は電流容量の小さい超電導線材からなっているため、容易に磁束フロー状態にすることができる。それゆえ、本発明の超電導回転機によれば、超電導かご形巻線が磁束未捕捉のまま超電導状態になっている場合であっても、超電導かご形巻線を一旦磁束フロー状態にすることで、容易に鎖交磁束を捕捉して同期回転することができる。

本実施形態にかかる超電導電動機の縦断面端面図である。図１の超電導電動機における（Ａ）超電導かご形巻線を示す図、（Ｂ）常電導かご形巻線を示す図、（Ｃ）回転子鉄心を示す図である。図２の超電導かご形巻線を構成する超電導線材の横断面を示す模式図である。図１の超電導電動機における回転子の横断面図である。図１の超電導電動機を適用した超電導電動機システムの一例を示すブロック図である。図１の超電導電動機における１次電流を示す図である。図１の超電導電動機のトルク特性を示す図である。図２の超電導かご形巻線における電磁現象を示す模式図である。本発明の超電導回転機システムの変形例を示す図である。

符号の説明

１　超電導電動機（超電導回転機）
７　超電導回転子
７１　回転子鉄心
７２　スロット
７３　超電導かご形巻線
７４　常電導かご形巻線
７５　回転子軸
７３ａ，７４ａ　ロータバー

　以下、図面を参照して本発明の好ましい一実施形態につき説明する。
　図１は本発明にかかる超電導電動機の縦断面端面図である。図２は図１の超電導電動機における（Ａ）超電導かご形巻線を示す図、（Ｂ）常電導かご形巻線を示す図、（Ｃ）回転子鉄心を示す図である。図３は図２の超電導かご形巻線を構成する超電導線材の横断面を示す模式図である。図４は図１の超電導電動機における回転子の横断面図、図５は図１の超電導電動機を適用した超電導電動機システムを示すブロック図である。

［超電導電動機］
　図１に示すように、本発明の超電導電動機（超電導回転機）１は、円筒状のケーシング２と、ケーシング２の内周部に設けられた環状の固定子３と、ケーシング２の両開口部を閉じる円板状のブラケット４ａ，４ｂと、ブラケット４ａ，４ｂに軸受け５ａ，５ｂを介して回転可能に支持された超電導回転子７と、から構成されている。

　固定子３は、珪素鋼板等の電磁鋼板を軸方向に積層してなる環状の固定子鉄心３ａと、固定子鉄心３ａのスロット（不図示）内に設けられた固定子巻線３ｂとからなっている。また、固定子巻線３ｂは常電導材からなっている。

　超電導回転子７は、固定子３の内側に、所定間隔をあけて配置されている。超電導回転子７は、中空円柱状の回転子鉄心７１と、回転子鉄心７１のスロット７２内にロータバー７３ａが収容された超電導かご形巻線７３と、同様に回転子鉄心７１のスロット７２内にロータバー７４ａが収容された常電導かご形巻線７４と、回転子鉄心７１に同軸に取り付けられた回転軸７５と、からなっている。

　回転子鉄心７１は、図２Ｃに示す如く、珪素鋼板等の電磁鋼板を軸方向に積層して形成されている。回転子鉄心７１の中心部には、回転軸７５を受容するための回転軸受容孔７１ａが形成されている。また、回転子鉄心７１の外周近傍には、軸方向に貫通する複数のスロット７２が、周方向に所定間隔をあけて形成されている。
　なお、スロット７２は一般に、回転子鉄心７１の軸方向に対して斜めに形成され、斜めスロット（スキュー）構成とされている。

　超電導かご形巻線７３は、図２Ａに示す如く、回転子鉄心７１のスロット７２に収容される複数のロータバー７３ａと、各ロータバー７３ａの両端をそれぞれ短絡させる環状のエンドリング７３ｂ，７３ｂとから構成されている。

　ロータバー７３ａは、超電導線材（本実施形態ではビスマス系高温超電導線材）７３ｅを複数本束ねてなり、矩形断面を有している（ただし、矩形断面に限定されない）。超電導線材７３ｅは、図３に示す如く、複数本のビスマス系高温超電導フィラメント７３ｃを、銅、アルミニウム、銀、金等の高導電性金属７３ｄによって被覆して構成されている。ロータバー７３ａの数は、回転子鉄心７１のスロット７２と同数である。ロータバー７３ａは、円筒状かつスキュー構造のかごを形成すべく、周方向に所定間隔をあけて配置されていると共に、かごの軸方向に対して斜めに配置されている。ロータバー７３ａは、図１に示す如く、回転子鉄心７１の軸方向長さよりも長く形成されており、スロット７２に収容された際にスロット７２から突出するようになっている。

　エンドリング７３ｂは、ロータバー７３ａと同様に、ビスマス系高温超電導線材等の超電導線材７３ｅからなっている。エンドリング７３ｂ，７３ｂにはそれぞれ、スロット７２から突出するロータバー７３ａの各端部が接合される。

　常電導かご形巻線７４は、図２Ｂに示す如く、回転子鉄心７１のスロット７２に収容される複数のロータバー７４ａと、各ロータバー７４ａの両端をそれぞれ短絡させる環状のエンドリング７４ｂ，７４ｂとから構成されている。

　ロータバー７４ａは、銅、アルミニウム、銀、金等の高導電性材からなり、矩形断面を有している（ただし、矩形断面に限定されない）。ロータバー７４ａの数は、回転子鉄心７１のスロット７２と同数である。ロータバー７４ａは、超電導かご形巻線７３よりも大きな円筒状かつスキュー構造のかごを形成するように、周方向に所定間隔をあけて配置されていると共に、かごの軸方向に対して斜めに配置されている。ロータバー７４ａは、図１に示す如く、回転子鉄心７１の軸方向長さよりも長く形成されており、スロット７２に収容された際にスロット７２から突出するようになっている。ロータバー７４ａは、図２および図４に示す如く、スロット７２内であって、超電導かご形巻線７３のロータバー７３ａよりも外側に挿入される。

　エンドリング７４ｂは、ロータバー７４ａと同様に、銅、アルミニウム、銀、金等の高導電性材からなっている。エンドリング７４ｂ，７４ｂにはそれぞれ、スロット７２から突出するロータバー７４ａの各端部が接合される。

　回転軸７５は、回転子鉄心７１の回転軸受容孔７１ａに挿入されて取り付けられる。回転軸７５は、ベアリング等の軸受け５ａ，５ｂを介して、ブラケット４ａ，４ｂに回転可能に支持される。

　上記のように構成された超電導電動機１によれば、超電導かご形巻線７３が常電導状態（非超電導状態）にあるとき、固定子３による回転磁界に起因して常電導かご形巻線７４に誘導電流が流れ、誘導トルクが生じる。このとき、超電導電動機１は当該誘導トルク主動で回転し、図７の「誘導回転（常電導状態）」に対応するトルク特性を発揮する。
　なお、超電導電動機１が誘導回転している状態において、超電導かご形巻線７３にも若干の誘導電流が流れている。しかし、常電導かご形巻線７４に流れる誘導電流の方がはるかに大きいため、超電導かご形巻線７３に生じる誘導トルクよりも、常電導かご形巻線７４に生じる誘導トルクの方が支配的である。

　一方、超電導電動機１によれば、超電導かご形巻線７３が常電導状態から超電導状態になったとき、固定子３による回転磁界の磁束を超電導かご形巻線７３が捕捉することで、同期トルクが生じる（図８Ｃ参照）。このとき、超電導電動機１は当該同期トルク主動で回転し、図７の「同期回転（超電導状態）」に対応するトルク特性を発揮する。
　なお、この同期回転時において、ロータバー７３ａとエンドリング７３ｂの接続抵抗等の影響により、極めてわずかなすべりが生じることがあるが、この場合も機器特性としては同期回転と見なせる。

　そして、同期回転している状態において、仮に超電導電動機1に過大な負荷がかかっても、超電導かご形巻線７３が磁束フロー状態（図８Ｂ参照）に移行して誘導トルク主動で運転を継続することが可能である。このときの誘導トルクは、磁束フロー状態にある超電導かご形巻線７３および常電導かご形巻線７４の両方から提供され、図７の「誘導回転（超電導状態）」に対応するトルク特性が発揮される。

　つまり、超電導電動機１は、図７に示すようなトルク特性を有し、常電導状態においては誘導トルク主動で回転し、超電導状態においては、通常負荷時に同期トルク主動、過負荷時に誘導トルク主動で回転する。

［超電導電動機システム］
　上記のように構成された超電導電動機１は、例えば図５に示す如く自動車に搭載され、超電導電動機システム２１として使用され得る。超電導電動機システム２１は、車軸２２を介して車輪２３に連結された超電導電動機１と、超電導電動機１を超電導状態になるまで冷却し得る冷却装置２４と、冷却装置２４を冷却信号ＳＲに応じて制御すると共に、電動機駆動信号ＳＭに応じインバータ２６を介して超電導電動機１を制御する制御装置２５と、超電導電動機１を駆動するためのバッテリー２７と、から構成されている。

　冷却装置２４は、超電導電動機１の回転軸７５と回転子鉄心７１とに設けられた冷媒供給路（不図示）を介して、超電導回転子７のスロット７２内に冷媒を供給する。これにより、冷却装置２４は、超電導電動機１における超電導かご形巻線７３を臨界温度未満に冷却し得る。冷媒としては、ヘリウムガスや液体窒素等が用いられる。

　制御装置２５は、電動機駆動信号ＳＭに応じ、インバータ２６を介して超電導電動機１を駆動制御する。このとき、制御装置２５は、インバータ２６を介して、超電導電動機１の固定子巻線３ｂに印加される交流電圧の電圧Ｖおよび周波数ｆを制御する。これにより、制御装置２５は、超電導電動機１の回転数およびトルクをフィードバック制御する。

　制御装置２５には、超電導電動機１が誘導トルク主動で回転する際に用いる誘導回転用制御パターン（第１の制御パターン）と、超電導電動機１が同期トルク主動で回転する際に用いる同期回転用制御パターン（第２の制御パターン）とが、予め格納されている。誘導回転用制御パターンは、従来の誘導電動機に対して用いられる公知の制御パターンである。同様に、同期回転用制御パターンは、従来の同期電動機に対して用いられる公知の制御パターンである。

　また、制御装置２５には、超電導電動機１から、固定子巻線３ｂ内を流れる１次電流の信号である１次電流信号ＳＩが常時入力される。制御装置２５にはさらに、１次電流信号ＳＩに対するしきい値Ｉ_ＴＨであって、固定子巻線３ｂに印加される交流電圧の電圧Ｖと周波数ｆの比Ｖ／ｆごとに設定されたものが格納されている。

　上記しきい値Ｉ_ＴＨは、超電導かご形巻線７３が超電導状態にあるか否か（超電導電動機１が同期トルク主動で回転しているか否か）を判定するためのものであり、次のように設定される。
　まず、超電導電動機１を、常電導状態において任意のＶ／ｆ値、例えばＶ_１／ｆ_１で定常運転する。このとき、１次電流信号ＳＩは、図６に示す如く、略一定の値Ｉ_Ｎ１となる。次に、冷却装置２４を運転開始し、超電導電動機１が超電導状態になるまで駆動する。所定時間Ｔ_１後、超電導かご形巻線７３が超電導状態になると、１次電流信号ＳＩの値が低下し、Ｉ_Ｓ１となる。そして、しきい値Ｉ_ＴＨ１は、Ｉ_Ｓ１の値よりも少し小さな値（例えばＩ_Ｓ１の９０％値）とされる。この作業を各Ｖ／ｆ値ごとに実行することで、各しきい値Ｉ_ＴＨが得られる。

　なお、超電導かご形巻線７３が超電導状態になったとき１次電流の値が低下する現象は、そのとき超電導電動機１が誘導回転から同期回転に移行することに起因する。つまり、誘導回転時にはすべり状態を維持するための余分な電流が必要であるのに対し、同期回転時にはその余分な電流が必要なくなるため、１次電流の値が低下するのである。

　制御装置２５は、常時入力される１次電流信号ＳＩの値が、しきい値Ｉ_ＴＨよりも低いか高いかに基づいて、超電導電動機１が同期トルク主動で回転しているか否かを判定する。つまり、１次電流信号ＳＩの値Ｉ_Ｓがしきい値Ｉ_ＴＨよりも低ければ、同期トルク主動で回転しているとして、超電導電動機１に対して同期回転用制御パターンを適用し、そうでなければ、誘導トルク主動で回転しているとして、誘導回転用制御パターンを適用する。

　なお、Ｉ_ＴＨをＩ_Ｓよりも少し小さな値としているのは、反対にＩ_ＴＨをＩ_Ｓよりも高い値にしていると、１次電流信号ＳＩのゆらぎによって、実際は誘導回転しているにも関わらず、同期回転用制御パターンが超電導電動機１に対して適用される場合があり、運転に支障が生じるためである。これに対し、Ｉ_ＴＨをＩ_Ｓよりも少し小さな値としておけば、実際は同期回転している超電導電動機１に対して、誘導回転用制御パターンが適用され得るが、超電導電動機１は問題なく運転される。

　また、制御装置２５は、超電導かご形巻線７３が、固定子巻線３ｂによる回転磁界の磁束を捕捉してない状態で超電導状態になっている場合、超電導かご形巻線７３を磁束フロー状態にするように、固定子巻線３ｂへの印加電圧および／または当該印加電圧の周波数を増大させるようになっている。超電導かご形巻線７３は、一旦磁束フロー状態になることで、臨界温度未満の状態であっても鎖交磁束を捕捉することができる。このことについては、図８を参照して次に詳述する。

　例えば、運転開始前から、超電導かご形巻線７３が冷却装置２４によって臨界温度未満に冷却されていたような場合、超電導かご形巻線７３は、固定子巻線３ｂによる磁束を捕捉していない状態で超電導状態になっていることになる。この状態で、固定子巻線３ｂに交流電圧を印加すると、超電導かご形巻線７３には遮蔽電流が流れ、超電導かご形巻線７３および常電導かご形巻線７４に鎖交する磁束はゼロとなる（図８Ａ参照）。つまり、この場合、同期トルクは発生しないうえに、常電導かご形巻線７４に誘導電流が流れないため、誘導トルクも発生しないことになる。それゆえ、この状態では超電導電動機１は動作し得ない。
　そこで、制御装置２５により、超電導かご形巻線７３に流れる遮蔽電流が臨界電流を超えるまで、固定子巻線３ｂへの印加電圧および／または当該印加電圧の周波数を増大させ、超電導かご形巻線７３を磁束フロー状態にする。磁束フロー状態では、有限の抵抗が発生するため、臨界温度未満の状態のままであっても磁束は超電導かご形巻線に鎖交することができる（図８Ｂ参照）。
　その後、超電導回転子７は加速され、それに伴って回転磁界と超電導回転子７との相対速度が小さくなれば、超電導かご形巻線７３に流れている電流は自動的に小さくなる。最終的に、超電導かご形巻線７３に流れている電流が臨界電流を下回ったところで、超電導かご形巻線７３が鎖交磁束を捕捉する（図８Ｃ参照）。

　上記のように構成された超電導電動機システム２１は、次のように使用される。

（１）常温状態から運転開始される場合
　まず、運転者によって運転操作がなされ、制御装置２５に電動機駆動信号ＳＭが入力される。制御装置２５は、当該信号ＳＭに応じて、超電導電動機１を駆動する。このとき、超電導電動機１は常電導状態であるから、誘導トルク主動で回転する。

　そのとき、制御装置２５は、常時入力される１次電流信号ＳＩがその運転条件Ｖ／ｆに対応するしきい値Ｉ_ＴＨよりも高いことを検出し、超電導電動機１が常電導状態であることを検知する。そして、制御装置２５は、誘導トルク主動で回転する超電導電動機１に対して誘導回転用制御パターンを適用し、超電導電動機１を駆動制御する。つまり、常電導状態において、超電導電動機１は誘導電動機として動作し、図７の「誘導回転（常電導状態）」に対応するトルク特性を発揮する。

　一方、運転開始後、運転者による冷却開始操作がなされると、制御装置２５に冷却信号ＳＲが入力される。制御装置２５は、当該信号ＳＲに応じて、冷却装置２４を駆動する。冷却装置２４は、ヘリウムガス等の冷媒を超電導電動機１の超電導かご形巻線７３に対して供給し、超電導かご形巻線７３をその臨界温度未満にまで冷却する。冷却装置２４が駆動されても、超電導かご形巻線７３が臨界温度未満になるまでは、依然として超電導電動機１は誘導電動機として動作する。

　所定時間経過後、超電導かご形巻線７３が臨界温度未満となって超電導状態になると、超電導電動機１は前述したように同期トルク主動で回転する。

　そのとき、制御装置２５は、常時入力される１次電流信号ＳＩがその運転条件Ｖ／ｆに対応するしきい値Ｉ_ＴＨよりも低くなったことを検出し、超電導電動機１が超電導状態であることを検知する。そして、制御装置２５は、同期トルク主動で回転する超電導電動機１に対して同期回転用制御パターンを適用し、超電導電動機１を駆動制御する。つまり、超電導状態において、超電導電動機１は、図７の「同期回転（超電導状態）」に対応するトルク特性を発揮する。

（２）臨界温度未満の状態から運転開始される場合
　まず、運転者によって運転操作がなされ、制御装置２５に電動機駆動信号ＳＭが入力される。制御装置２５は、当該信号ＳＭに応じて、超電導電動機１を駆動しようとする。しかし、このとき超電導電動機１は超電導状態であるから、固定子巻線３ｂに交流電圧を印加しても、超電導かご形巻線７３に遮蔽電流が流れることにより、超電導かご形巻線７３および常電導かご形巻線７４に鎖交する磁束はゼロとなって、超電導電動機１は動作しない。

　このとき、制御装置２５は、超電導かご形巻線７３に流れる遮蔽電流が臨界電流を超えるまで、固定子巻線３ｂへの印加電圧および／または当該印加電圧の周波数を増大させ、超電導かご形巻線７３を磁束フロー状態にする。磁束フロー状態では前述のとおり、臨界温度未満の状態のままであっても磁束が超電導かご形巻線に鎖交することができる。

　その後、超電導回転子７は加速され、それに伴って回転磁界と超電導回転子７との相対速度が小さくなれば、超電導かご形巻線７３に流れている電流は自動的に小さくなる。最終的に、超電導かご形巻線７３に流れている電流が臨界電流を下回ったところで、超電導かご形巻線７３が鎖交磁束を捕捉する。そして、超電導電動機１は同期トルク主動で回転する。

　そのとき、制御装置２５は、常時入力される１次電流信号ＳＩがその運転条件Ｖ／ｆに対応するしきい値Ｉ_ＴＨよりも低くなったことを検出し、超電導電動機１が超電導状態であることを検知する。そして、制御装置２５は、同期トルク主動で回転する超電導電動機１に対して同期回転用制御パターンを適用し、超電導電動機１を駆動制御する。つまり、超電導状態において、超電導電動機１は同期回転し、図７の「同期回転（超電導状態）」に対応するトルク特性を発揮する。

［効果］
　以上のように構成された超電導電動機１によれば、従来の誘導電動機と同様の単純構造とすることができるため、保守が容易であり、安価である。

　また、誘導回転と同期回転が可能であるため、同期回転時には高効率で運転することができると共に、何らかの要因で同期外れが生じた際や超電導状態になるまでの間でも、誘導回転で運転することができる。

　また、超電導電動機１によれば、超電導かご形巻線７３が超電導バルク材ではなく、超電導線材によって構成されているため、発熱が起こった場合の熱はけが良い。

　また、超電導バルク材は、電流容量が大きいことから、一旦超電導状態になれば磁束フロー状態にすることが難しい。これに対し、超電導電動機１の超電導かご形巻線７３は電流容量の小さい超電導線材からなっているため、容易に磁束フロー状態にすることができる。それゆえ、超電導電動機１によれば、超電導かご形巻線７３が磁束未捕捉のまま超電導状態になっている場合であっても、超電導かご形巻線７３を一旦磁束フロー状態にすることで、容易に鎖交磁束を捕捉して同期回転することができる。

　また、超電導電動機システム２１によれば、制御装置２５に常時入力される１次電流信号ＳＩの値がしきい値Ｉ_ＴＨよりも低いか高いかに基づいて、超電導電動機１が超電導状態になっているか否か（同期トルク主動で回転しているか否か）を容易に検知することができる。それゆえ、超電導電動機システム２１によれば、超電導電動機１の回転状況に応じて適切に誘導回転用制御パターンおよび同期回転用制御パターンを適用することができ、複雑な制御をする必要がない。

［変形例］
　以上、本発明の実施形態について具体的に説明したが、本発明は次のように変形して実施することができる。

　例えば、超電導線材はビスマス系高温超電導線材に限定されるものではなく、ＮｂＴｉもしくはＮｂ_３Ｓｎに代表される金属系低温超電導線材や、イットリウム系高温超電導線材、二ホウ化マグネシウム超電導線材とすることができる。

　また、上記実施形態において、超電導かご形巻線７３と常電導かご形巻線７４とは別体であったが、これらを一体的に構成してもよい。つまり、超電導かご形巻線７３の超電導線材における高導電性金属を所定厚さ以上にし、当該高導電性金属部分を常電導かご形巻線７４としてもよい。

　また、上記実施形態において、常電導かご形巻線７４を超電導回転子７における外側に、超電導かご形巻線７３をその内側に配置したが、超電導かご形巻線７３を外側に配置してもよい。常電導かご形巻線７４を外側にした場合は、常電導状態における誘導トルクおよび超電導状態における誘導トルクを大きくすることができ、超電導かご形巻線７３を外側にした場合は、超電導状態における同期トルクを大きくすることができる。

　また、上記実施形態においては、超電導かご形巻線７３と常電導かご形巻線７４とをスロット７２内に１本ずつ収容したが、これに限定されない。例えば、超電導かご形巻線７３を収容するスロットと、常電導かご形巻線７４を収容するスロットとを別々に設けてもよい。また、その場合、超電導かご形巻線７３のロータバー７３ａの数と常電導かご形巻線７４のロータバー７４ａの数とは同数でなくてもよい。また、ロータバー７３ａ，７４ａのいくつかを同じスロット内に収容し、その残りを別々のスロット内に収容する構成であってもよい。

　また、上記実施形態においては、常電導材からなる固定子巻線３ｂを用いたが、超電導材からなる固定子巻線３ｂを用いてもよい。ただし、この場合、固定子巻線３ｂの臨界温度は、超電導かご形巻線７３の臨界温度以上になっている必要がある。そうしないと、固定子巻線３ｂが超電導状態になって駆動開始されるとき、超電導かご形巻線７３は常に超電導状態となって、超電導状態における同期回転または誘導回転しかできなくなるからである。

　また、超電導回転機システム２１では、超電導電動機１を車軸２２に直接連結していたが、超電導電動機１をトランスミッションを介して車軸２２に連結してもよい。

　また、上記実施形態では、本発明の超電導回転機を超電導電動機として使用したが、超電導発電機として使用することもできる。その場合、例えば図９Ａに示す如く、ブレード３２と、ブレード３２がシャフト３３を介して超電導回転子７に連結された超電導発電機１と、超電導発電機１の固定子巻線３ｂに発生した交流電力の電圧および周波数を変換する電力変換器３４と、を含んでなる超電導発電機システム３１とすることができる。
　超電導発電機システム３１は、ブレード３２の回転によって超電導回転子７を回転させ、固定子巻線３ｂに交流電力を発生させる。超電導発電機システム３１は、上記実施形態における超電導電動機システム２１と同様に、超電導かご形巻線７３が常電導状態であるとき誘導発電機として動作し、超電導状態であるとき同期発電機として動作する。
　なお、超電導発電機システム３１は、図９Ｂに示す如く、ブレード３２と超電導発電機１との間に増速機３６を接続して、ブレード３２の回転速度を増加させるように構成することもできる。

Claims

回転磁界を発生させる固定子内に配置されて回転する超電導回転子であって、
複数の超電導線を高導電性金属で被覆した単数または複数本の超電導線材からなるロータバーおよびエンドリングによって形成された超電導かご形巻線と、
常電導材からなるロータバーおよびエンドリングによって形成された常電導かご形巻線と、
前記両かご形巻線の前記各ロータバーを収容する複数のスロットを備えた円柱状の回転子鉄心と、
前記回転子鉄心に同軸に設けられた回転子軸と、
を含んでいて、
前記超電導かご形巻線が非超電導状態であるとき、前記回転磁界に起因して前記常電導かご形巻線に生じる誘導トルク主動で回転する一方、前記超電導かご形巻線が超電導状態であるとき、前記超電導かご形巻線が前記回転磁界の磁束を捕捉することで生じる同期トルク主動で回転するようになっていることを特徴とする超電導回転子。
前記超電導線は、ＮｂＴｉもしくはＮｂ_３Ｓｎに代表される金属系低温超電導体、イットリウム系もしくはビスマス系に代表される酸化物系高温超電導体、あるいは二ホウ化マグネシウム超電導体からなっており、
前記高導電性金属は、銀、銅、金、アルミニウムもしくはそれらの合金であることを特徴とする請求項１に記載の超電導回転子。
前記常電導かご形巻線は、前記超電導かご形巻線における前記高導電性金属を所定厚さ以上にすることによって形成されていて、前記超電導かご形巻線と一体的になっていることを特徴とする請求項１または２に記載の超電導回転子。
前記超電導かご形巻線と前記常電導かご形巻線とは別体になっており、さらに、前記超電導かご形巻線は、前記常電導かご形巻線よりもかごが大きく、前記各ロータバーが前記常電導かご形巻線の各ロータバーよりも外側に位置していることを特徴とする請求項１または２に記載の超電導回転子。
前記超電導かご形巻線と前記常電導かご形巻線とは別体になっており、さらに、前記常電導かご形巻線は、前記超電導かご形巻線よりもかごが大きく、前記各ロータバーが前記超電導かご形巻線の各ロータバーよりも外側に位置していることを特徴とする請求項１または２に記載の超電導回転子。
前記超電導かご形巻線の前記ロータバーの数と、前記常電導かご形巻線の前記ロータバーの数と、前記回転子鉄心の前記スロットの数とは同数であり、各スロット内に前記超電導かご形巻線の前記ロータバーと前記常電導かご形巻線の前記ロータバーとが１本ずつ収容されていることを特徴とする請求項１～５のいずれか１項に記載の超電導回転子。
回転磁界を発生させる固定子巻線を備えた固定子内に、請求項１～６のいずれか１項に記載の超電導回転子が配置されてなることを特徴とする超電導回転機。
前記固定子巻線は超電導材からなっており、当該超電導材の臨界温度は、前記超電導かご形巻線を形成する前記超電導線材の臨界温度以上になっていることを特徴とする請求項７に記載の超電導回転機。
請求項７に記載の超電導回転機と、
前記超電導回転機を超電導状態になるまで冷却し得る冷却装置と、
前記超電導回転機を制御する制御装置と、
を含んでいて、
前記制御装置は、前記超電導回転機が前記誘導トルク主動で回転している場合に使用すべき第１の制御パターンと、前記超電導回転機が前記同期トルク主動で回転している場合に使用すべき第２の制御パターンと、を有しており、前記固定子巻線内を流れる電流の値が、前記超電導かご形巻線が超電導状態になったことに起因して低下したとき、前記第２の制御パターンを用いて前記超電導回転機を制御し、そうでないとき、前記第１の制御パターンを用いて前記超電導回転機を制御するようになっていることを特徴とする超電導回転機システム。
前記制御装置は、始動時において前記超電導かご形巻線が前記回転磁界の磁束を捕捉してない状態で超電導状態になっている場合、前記超電導かご形巻線に流れる電流が臨界電流を越えるように、前記固定子巻線への印加電圧および／または当該印加電圧の周波数を変化させ、前記超電導かご形巻線を磁束フロー状態にし、前記超電導かご形巻線に前記回転磁界の磁束を鎖交させるようになっていることを特徴とする請求項９に記載の超電導回転機システム。