WO2011030874A1

WO2011030874A1 - 超電導回転電機及び超電導回転電機用固定子

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Publication number: WO2011030874A1
Application number: PCT/JP2010/065662
Authority: WO
Inventors: 勝弥梅本; 清志合澤; 稔横山; 洋介木村
Original assignee: 川崎重工業株式会社
Priority date: 2009-09-11
Filing date: 2010-09-10
Publication date: 2011-03-17
Also published as: JPWO2011030874A1; CN102498649A; US8643240B2; US20120161568A1; JP5122685B2; EP2477317B1; EP2477317A4; KR101413941B1; CN102498649B; EP2477317A1; KR20120088666A

Abstract

　超電導界磁巻線を有する回転子と前記回転子の周囲に配置された固定子を備えた超電導回転電機である。この回転電機において、固定子は、回転子の回転軸方向に周方向に所定の間隔をあけて配置された複数のティースであって隣接するティースの間にスロットを形成するものと、帯状電線を巻いて構成された複数の巻線であって、前記帯状電線は長方形断面の導体素線を互いに絶縁して並列に配置して構成されており、前記巻線は前記帯状電線を巻回して積層することによって前記導体素線が格子状に配置された断面を有する第１と第２の巻線部分を有するものを備えている。ここで、回転子の中心軸と直交する断面上で、第１の巻線部分における導体素線の配置と第２の巻線部分における導体素線の配置は同じである。また、第１の巻線部分が一つのスロットの径方向外側領域に配置され、第２の巻線部分が別のスロットの径方向内側領域に配置されている。

Description

超電導回転電機及び超電導回転電機用固定子

　本発明は、超電導回転電機、及び該回転電機と共に使用される固定子に関する。特に、本発明は、回転電機の電力変換効率の向上を図ることができる固定子に関する。

　従来、誘導電動機、永久磁石同期電動機など、回転電機や発電機で使用される種々の回転電機が提案されている。これらの回転電機のほとんどは巻線と鉄心を備えており、電流が流れると磁束が鉄芯内に収束し、磁場強度及び結果的に生じる回転力を高めようにしてある。

　そのため、鉄心は、鉄などの強磁性材料で形成されており、巻線を収容するためのスロット又は溝を備えている。鉄心は、電機絶縁材料で被覆された複数の薄板を積層して作られる。この板は、巻線や永久磁石で形成される磁束の変化によって生じる渦電流を抑制するために、磁気ヒステリシスが小さく且つ飽和磁化の高い電磁鋼板などの合金鋼で形成される。

　回転電動機は優れた電力変換効率を有することが望まれる。この要求に応えるためは、銅損と渦電流損を最小限にすべきである。とりわけ、銅損は、電機子巻線や固定子巻線の導体を流れる電流によって生じる電気抵抗加熱となって表れる。特に、小型や中型のブラシレス回転電機や永久磁石同期発電機などの回転電機にとって、銅損は総損失の大部分を占める。

　一方、渦電流損は、磁束の周りに発生する渦電流によって生じる電気抵抗発熱として表れ、回転電機の駆動周波数の２乗に比例する。したがって、回転周波数を上げるために駆動周波数を上げると、巻線に発生する渦電流が著しく増大する。

　したがって、銅損を減少するためには、電機子とステータの巻線における電機抵抗を減少することが重要である。この考えに沿って、特許文献１には、巻線が収容されるスロット又は溝の断面積に対する巻線の総断面積の比率を上げて、固定子に発生する銅損を減少することが開示されている。

　従来、巻線における渦電流損を減少するために、例えば円形又は矩形断面を有する複数の素線を束ねて束巻線を形成することが知られている。この束巻線を使用することにより、より太い巻線を使用するよりも渦電流損を減少できる。また、この束巻線は、平行に配置された複数のワイヤを単に束ねただけのものである。これに対し、特許文献２には、複数の細い素線を撚ることによって得られた撚巻線が開示されている。

　一方、回転電機の一例である超電導回転電機において、近年、超電導回転電機の電力変換効率向上及び小型化を図るため、固定子に設けられた電機子巻線を超電導線材で構成することにより、回転子及び固定子を超電導化した超電導回転電機が提案されている（例えば、特許文献３参照。）。また、特許文献３では、超電導の回転子と固定子を組み入れた超電導回転電機が開示されており、そこでは、高い電力変換効率を有し小型の回転電機を得るために、超電導材料で巻線を製造することによって超電導性が誘導されている。

特開２０００－２１７２８２号公報特開２００６－３２５３３８号公報特開２００５－１７６５７８号公報

　固定子又は回転子が鉄などの強磁性材料で形成された常電導回転電機の大きさは、実質的に、飽和磁場強度、所望出力を得るために必要な強磁性材料の断面積、およびコイルの巻数により決定される。また、上述のように、磁性鋼などの鉄損の少ない材料で形成されて絶縁材料が被覆された薄い板を重ねることにより、回転電機の渦電流損が抑制されている。

　常電導回転電機では、スロットの総断面積に対する巻線の断面積の比率が約３０～４０％であるが、その比率は、大電流が巻線に印加された場合、固定子における銅損による温度上昇を効果的に抑制するには十分でない。

　また、巻線作業を容易にするために円形又は矩形断面の導線を束ねた束巻線が使用されているが、渦電流損に影響を及ぼす巻線の数は約２０～３０に制限される。

　一方、超電導回転電機において、一般的な超電導回転電機に用いられている例えば、ビスマス系等の超電導線材を固定子の電機子巻線に適用すると、通電中の交流損失等による発熱で温度が上昇し、臨界電流値が低下するなど、超電導特性上の障害が起こりやすくなる。そのため、固定子を超電導化することは技術的に容易ではない。しかも、固定子を超電導化することは、超電導回転電機全体のコストアップを招来する。さらに、上述した超伝導回転電機の固定子巻線を、従来の超電導回転電機に使用されてきたビスマス系超伝導材料で形成した場合、交流損によって巻線の温度が上昇し、それによって、巻線の超電導性に影響を与える臨界電流を低下させることになる。そして、技術的に、固定子に超電導性を誘導することは困難であるかもしれない。さらに、固定子に超電導性を誘導することは、超電導回転電機の製造コストの上昇を招く。

　逆に、回転子側を超電導化し、固定子側を常電導化した形態の通常の超電導回転電機とした場合、界磁磁界を高くできるので超電導回転電機全体のコストアップを回避できる。しかし、超電導体である回転子側で銅損がなくなるため高効率化できる一方で、固定子側が常電導であるため通電中に銅損、鉄損及び渦電流損が生じてしまう。また、電機子で生じる高い界磁磁場により容易に鉄芯の磁場が飽和してしまい、交番磁場を付与できなくなる。このため、超電導化により回転子側で得られた高効率が固定子側で生じる損失によって相殺され、結果として、超電導回転電機の更なる高効率化を達成することができないという問題があった。これに対し、超電動ロータと常電導ステータを組み合わせることにより、磁場強度が向上し、それによって製造コストの大幅な上昇は避けられる。また、回転電機の電力変換効率も向上する。しかし、トレードオフとして、ステータの常電動性によって銅損、鉄損、渦電流損を生じる。また、鉄芯の磁界が電機子の高磁場の影響を受けて短時間で飽和し、交流磁界が弱くなる。したがって、結果的に、超電動化された回転子によって得られる高効率性が、ステータにおける損失によって相殺されてしまう。

　したがって、本発明は前記問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、回転子を超電導化し固定子を常電導化した超電導回転電機において、更なる電力変換効率の向上を図ることにある。

　本発明の一つの形態は、超電導界磁巻線を有する回転子と前記回転子の周囲に配置された固定子を備えた超電導回転電機に用いられる固定子であって、
　前記回転子の回転軸方向に周方向に所定の間隔をあけて配置された複数のティースであって隣接するティースの間にスロットを形成する、複数のティースと、
　帯状電線を巻いて構成された複数の巻線であって、前記帯状電線は長方形断面の導体素線を互いに絶縁して並列に配置して構成されており、前記巻線は前記帯状電線を巻回して積層することによって前記導体素線が格子状に配置された断面を有する第１と第２の巻線部分を有する、複数の巻線を備えており、
　前記回転子の中心軸と直交する断面上で、前記第１の巻線部分における前記導体素線の配置と前記第２の巻線部分における前記導体素線の配置は同じであり、
　前記第１の巻線部分が一つのスロットの径方向外側領域に配置され、第２の巻線部分が別のスロットの径方向内側領域に配置されている。

　本発明の他の形態では、
　超電導界磁巻線を有する回転子と前記回転子の周囲に配置された固定子を備えた超電導回転電機に用いられる固定子であって、
　前記回転子の回転軸方向に周方向に所定の間隔をあけて配置された複数のティースであって隣接するティースの間にスロットを形成する、複数のティースと、
　帯状電線を巻いて構成された複数の巻線であって、前記帯状電線は導体素線を互いに絶縁して並列に配置して構成されており、前記巻線は前記帯状電線を前記巻線の対向部分で捻り返して前記帯状電線の表裏を反転させながら巻回して積層することによって前記導体素線が格子状に配置された断面を有する第１と第２の巻線部分を有する、複数の巻線を備えており、
　前記回転子の中心軸と直交する断面上で、前記第１の巻線部分における前記導体素線の配置と前記第２の巻線部分における前記導体素線の配置は同じであり、
　前記第１の巻線部分が一つのスロットの径方向外側領域に配置され、第２の巻線部分が別のスロットの径方向内側領域に配置されており、
　前記巻線を構成する一つの帯状電線と、前記巻線に隣接して配置された別の巻線の帯状電線は、前記一つの帯状電線の、前記第２の巻線部分において前記回転子の回転方向に関して上流側から下流側に順番に配置された複数の導体素線のそれぞれが、前記別の帯状電線の、前記第１の巻線部分において前記回転子の回転方向に関して下流側から上流側に順番に配置された複数の導体素線のそれぞれと接続されている。

　本発明の他の形態では、前記中心軸に直交する断面上で、前記ステータの断面積に対する前記素線の断面積の割合が５５％以上である。

本発明によれば、回転子を超電導化し固定子を常電導化した超電導回転電機において、更なる電力変換効率の向上を図ることができる。

本発明に係る超電導回転電機の一部を取り除いた斜視図である。図１に示す超電導回転電機の横断面図である。巻線の斜視図（図３（ａ））、巻線の端面図（図３（ｂ）、（ｃ））、巻線の断面図（図３（ｄ））である。巻線の斜視図である。巻線の配置を示す図（図５（ａ）、（ｂ））で、図中の１～４８の符号はスロット番号である。超電導回転電機の部分断面図（図６（ａ））と、ティースと巻線の断面図（図６（ｂ））である。図１に示す超電導回転電機のステータの縦断面図である。巻線の接続を示す図（図８（ａ））と超電導回転電機のＹ結線を示す図（図８（ｂ））で、図中の１～４８の符号はスロット番号である。導体に渦電流が発生する状況を説明する図（図９（ａ））、磁場の移動とともに導体を磁場が横切る状態を示す図（図９（ｂ））、巻線断面に発生する渦電流の大きさを示す図（図９（ｃ））である。コイル間接続の説明図である（図１０（ａ），（ｂ），（ｃ））。本発明のコイル間接続によって渦電流がキャンセルされる状況を説明する図である。巻線間に生じる位相のずれを説明する図である。４極４８スロットの回転電機におけるコイル間接続を説明する図である（図１３（ａ），（ｂ），（ｃ））。４極３６スロットの回転電機におけるコイル間接続を説明する図である（図１４（ａ），（ｂ），（ｃ））。６極５４スロットの回転電機におけるコイル間接続を説明する図である（図１５（ａ），（ｂ），（ｃ））。６極７２スロットの回転電機におけるコイル間接続を説明する図である（図１６（ａ），（ｂ），（ｃ））。

１０：回転電機、１２：ハウジング、１４：中心軸、１６：ロータ、１８：ステータ、２８：超伝導コイル、３４：ティース、３６：スロット、４０：巻線、４２：電線、４４：素線、５０：始端側直線部分、５２：終端側直線部分、５４：始端、５６：終端、６０：内側領域、６２：外側領域、７２：巻線群。

　以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態に係る超電導回転電機及びこの回転電機に組み込まれた固定子について説明する。

　図１はラジアルギャップ型の超電導回転電機の外観とその内部構造を示し、図２は図１に示す回転電機の断面を示す。図示するように、符号１０で示す回転電機は、概略、ハウジング１２と、ハウジング１２によって定義された中心軸１４を中心に回転自在に支持されたロータ１６と、ロータ１６の周囲を囲むようにハウジング１２の内壁に固定されたステータ１８を有する。

　ロータ１６は、中心軸１４に沿って伸び、ハウジング１２によって回転自在に支持された回転シャフト２０を有する。シャフト２０は、中心軸１４を中心とする内側円筒体からなるコア２２と外側円筒体からなるケーシング２４を支持しており、コア２２とケーシング２４の間に筒状の真空断熱空間２６が形成されている。コア２２の外周部には、周方向に等間隔に複数対の無鉄芯型超電導コイル２８が設けてあり、これら超電導コイル２８が図示しない電源回路に接続されている。図２に示すように、実施形態では、４つの超電導コイル２８が周方向に等間隔に配置されており、これら超電導コイル２８に電流を印加することで、径方向外側に向けて４つの極がＮ極とＳ極を交互に配置した状態で形成されるようにしてある。また、コア２２には、中心軸１４と平行に伸びる複数の冷媒流路３０が形成されており、そこに図示しない冷媒供給源から供給されるヘリウムガス等の冷媒が供給されるようになっている。このようなコア２２は、非磁性材料で低温特性に優れた材料、例えば、ＳＵＳ３１６からなる中実円柱体の鍛造材料を切削加工して形成することが好ましい。ケーシング２４はまた、低温に対する断熱性が優れた一つ又は複数の断熱材層を備えていることが好ましい。

　ステータ１８は、ハウジング１２の内周面に固定された筒状のバックヨーク３２を有する。バックヨーク３２は、中心軸１４と直交する方向に伸びる複数の電磁鋼板（例えば、珪素鋼鈑）を積層して形成することが好ましい。バックヨーク３２はまた、内周面に、中心軸１４を中心とする周方向に一定の間隔をあけて配置された多数のティース３４を支持している。各ティース３４は、バックヨーク３２から径方向内側に向けて伸びているとともに中心軸１４と平行な方向に伸び、周方向に隣接するティース３４との間に中心軸１４と平行な方向に伸びる略長方形断面の溝又はスロット３６を形成しており、このスロット３６に後述する巻線４０（図３参照）の一部が収容されている。実施形態では、回転電機１０は４８個のティース３４とスロット３６を有する。また、各スロット３６は、径方向に一対の長辺を有し、周方向に一対の短辺を有する長方形断面の領域を有する。

　ティース３４は非磁性材料で形成されている。実施形態では、ティース３４は、繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）などの高い機械的強度を有する剛性樹脂材料で形成されている。ティース３４は、非磁性金属、例えばステンレスで形成してもよい。材料に拘わらず、ティース３４は、中心軸１４と平行な方向に多数の薄板を積層して形成してもよい。このようにティース３４を非磁性材料で形成したことにより、ロータ１６の回転に伴う磁界の移動によってティース３４の内部に渦電流を発生することがない。そのため、ティース３４の冷却機構が不要である。また、ティース３４の径方向内側端部（ロータ１６に対向する端部）に磁束が集中することもない。

　図３を参照すると、巻線４０は電線４２を巻いて構成されている。電線４２は、ストリップ（帯状）の形をしており、並列配置された複数の素線４４を備えている。各素線４４は絶縁材によって他の素線４４から電気的に絶縁されている。実施形態では、素線４４は、電線４２の厚み方向に向けられた長辺と巻線４０の幅方向に向けられた短辺で形成される長方形の断面をしており、例えば長辺６ｍｍ×短辺２．８３ｍｍの入手可能な典型的な銅製角棒材が利用される。

　実施形態では、電線４２は一列に配置された１２個の素線４４（ａ）～４４（ｌ）を備えており、５層に巻き重ねて一つの巻線４０が構成されている。実施形態では、電線４２は亀甲状に巻かれており、巻線の対向する部分である捻り部４６、４８で１８０°捻り返されて表裏反転されながら巻回されて積層されている。したがって、捻り部４６，４８の両側に位置する直線部分５０，５２の断面上で、素線４４は５行１２列の素線格子を形成しており、各段（行）の素線４４（ａ）～４４（ｌ）が図の左から右に向かって同じ順序で表れている。以下、素線４４の始端５４側に位置する直線部分を「始端側直線部分」５０といい、素線４４の終端５６側に位置する直線部分を「終端側直線部分」５２という。

　このように構成された巻線４０（１）・・・４０（４８）はスロットの数（実施形態では４８個）だけ用意される。各巻線４０は、周方向に１２個のスロットをあけて、例えば、始端側直線部分５０を一つのスロット３６（ｉ）の径方向内側領域６０に、終端側直線部分５２を別のスロット３６（ｉ＋１２）の径方向外側領域６２に位置させて、ステータ１８に装着される（図４参照）。例えば、図５に示すように（図中、数値１～４８はスロットの番号を示す。）、巻線４０（１）・・・４０（４８）はそれぞれ、始端側直線部分５０がスロット３６（１）・・・（４８）の径方向内側領域６０、終端側直線部分５２がスロット３６（１３）・・・３６（１２）の径方向外側領域６２に配置される。これにより、各スロット３６の内側（特に、長方形断面の領域６０（図４（ｂ）参照））には、１０行１２列の素線格子が形成される。また、巻線４０の捻り部４６，４８、始端５４、終端５６は、スロット３６の端部から引き出され、始端５４と終端５６が後に説明するように結線される（図７参照）。

　このように配置された巻線４０は公知の手法で結線される。実施形態の回転電機は４極６コイル４８スロットの三相回転電機である。そのために、巻線４０（１）～４０（４８）は、コイル数に対応して、連続する４つの巻線からなる１２個の巻線群に分けられている。

　具体的に説明すると、図８に示すように、巻線（１）の始端が端子Ｕ１に接続され、巻線４０（１）の終端と巻線４０（２）の始端、巻線４０（２）の終端と巻線４０（３）の始端、巻線４０（３）の終端と巻線４０（４）の始端が接続され、巻線４０（４）の終端が巻線４０（２５）の始端に接続される。また、巻線４０（２５）の終端と巻線４０（２６）の始端、巻線４０（２６）の終端と巻線４０（２７）の始端、巻線４０（２７）の終端と巻線４０（２８）の始端が接続され、巻線４０（２９）の終端が端子Ｘ１に接続される。

　また、巻線４０（５）の終端と巻線４０（６）の始端、巻線４０（６）の終端と巻線４０（７）の始端、巻線４０（７）の終端と巻線４０（８）の始端が接続され、巻線４０（８）の終端が端子Ｗ２に接続される。また、巻線４０（２９）の始端が端子Ｚ２に接続され、巻線４０（２９）の終端と巻線４０（３０）の始端、巻線４０（３０）の終端と巻線４０（３１）の始端、巻線４０（３１）の終端と巻線４０（３２）の始端が接続され、巻線４０（３２）の終端が巻線４０（５）の始端に接続される。

　さらに、巻線（９）の始端が端子Ｖ１に接続され、巻線４０（９）の終端と巻線４０（１０）の始端、巻線４０（１０）の終端と巻線４０（１１）の始端、巻線４０（１１）の終端と巻線４０（１２）の始端が接続され、巻線４０（１２）の終端が巻線４０（３３）の始端に接続される。また、巻線４０（３３）の終端と巻線４０（３４）の始端、巻線４０（３４）の終端と巻線４０（３５）の始端、巻線４０（３５）の終端と巻線４０（３６）の始端が接続され、巻線４０（３６）の終端が端子Ｙ１に接続される。

　同様に、巻線４０（１３）の始端が端子Ｘ２に接続され、巻線４０（１３）の終端と巻線４０（１４）の始端、巻線４０（１４）の終端と巻線４０（１５）の始端、巻線４０（１５）の終端と巻線４０（１６）の始端が接続され、巻線４０（１６）の終端が巻線４０（３７）の始端に接続される。また、巻線４０（３７）の終端と巻線４０（３８）の始端、巻線４０（３８）の終端と巻線４０（３９）の始端、巻線４０（３９）の終端と巻線４０（４０）の始端が接続され、巻線４０（４０）の始端が端子Ｕ２に接続される。

　また、巻線４０（１７）の始端が端子Ｗ１に接続され、巻線４０（１７）の終端と巻線４０（１８）の始端、巻線４０（１８）の終端と巻線４０（１９）の始端、巻線４０（１９）の終端と巻線４０（２０）の始端、巻線４０（２０）の終端が巻線４０（４１）の始端に接続される。また、巻線４０（４１）の終端と巻線４０（４２）の始端、巻線４０（４２）の終端と巻線４０（４３）の始端、巻線４０（４３）の終端と巻線４０（４４）の始端、巻線４０（４４）の終端が端子Ｚ１に接続される。

　さらに、巻線（２１）の始端が端子Ｙ２に接続され、巻線４０（２１）の終端と巻線４０（２２）の始端、巻線４０（２２）の終端と巻線４０（２３）の始端、巻線４０（２３）の終端と巻線４０（２４）の始端が接続され、巻線４０（２４）の終端が巻線４０（４５）の始端に接続される。また、巻線４０（４５）の終端と巻線４０（４６）の始端、巻線４０（４６）の終端と巻線４０（４７）の始端、巻線４０（４７）の終端と巻線４０（４８）の始端が接続され、巻線４０（４８）の終端が端子Ｖ２に接続される。

　このように構成された回転電機１０によれば、図示しない電源回路から超電導コイル２８に電流が印加され、ロータ１６の外周にＮ極とＳ極が９０°の間隔をあけて交互に形成される。また、図示しない電源回路から巻線４０に所定のタイミングで電流が印加される。これにより、巻線によって形成される磁界の変化に従ってロータが図２の反時計回り方向に回転する。

　ロータ１６の回転時、超伝導コイル２８によって形成される磁場が回転方向（図２において反時計回り方向）に移動する。ところで、図９（ａ）に示すように、導体（素線、素線束）６６の近傍を磁場６８が移動すると、導体６６中に渦電流７０が発生する。このとき、ティースが磁性材料で形成されていれば、超伝導コイルの磁場はティースに集まる。しかし、上述の回転電機１０ではティース３４が非磁性材料で形成されているため、図９（ｂ）、（ｃ）に示すように、ロータ１６の回転に伴って、超伝導コイル２８で形成される磁場６８がスロット内の素線４４の束を横切って各素線４４に渦電流を誘発する。そして、素線４４に発生する渦電流の大きさは、磁界の移動とともに時間的に変化し、ロータ回転方向上流側の素線と下流側素線との間に電位差を生じる。

　渦電流が流れる方向は素線４４の束が対向している磁場の極性に依存する。実施形態の４極６コイル４８スロットの回転電機の場合、例えば巻線４０（１）～４０（４）の始端側直線部分５０が超電導コイル２８のＮ極に対向しているとき、その終端側直線部分５２は超電導コイル２８のＳ極に対向している。そのため、図９（ｃ）に示すように、Ｎ極に対向している始端側直線部分５０の巻線断面では、ロータ回転方向の上流側にある素線には電機軸方向に大きな電位差（＋）が発生し、下流側にある素線には電機軸方向に小さな電位差（＋）が発生し、それらの間に電位差（上流側の正電圧が下流側の正電圧よりも大きい。）により、それら素線を結合した場合、上流側素線および下流側素線を循環する渦電流が生じる。一方、Ｓ極に対向している終端側直線部分５２では、電機軸方向に対し逆方向の電位差が発生し、ロータ回転方向の上流側にある素線電機軸方向により小さな電位差（－）が発生し、下流側にある素線電機軸方向により大きな電位差（－）が発生し、それら素線を結合した場合、上流側素線および下流側素線を循環する渦電流が生じる（ただし、電位については、上流側の負電圧が下流側の負電圧よりも大きい。）。

　そこで、実施形態では、第１の方法として、隣接する巻線同士の接続、例えば図１０に示すように、巻線４０（１）と４０（２）、４０（２）と４０（３）、４０（３）と４０（４）の接続（以下、接続を「コイル間接続」という。）では、一方の巻線端（終端）５４の素線４４（ａ）・・・（ｌ）を隣接する他方の巻線端（始端）５６の素線４４（ｌ）・・・（ａ）に接続している（すなわち、４４（ａ）と４４（ｌ）、４４（ｂ）と４４（ｋ）、・・・４４（ｋ）と４４（ｂ）、４４（ｌ）と４４（ａ）を接続している）。その結果、図１１に示すように、同一巻線の始端側直線部分５０に発生する渦電流と終端側直線部分５２に発生する逆方向の渦電流のほとんどが相殺され、巻線に発生する渦電流が最小化される。

　ただし、巻線は周方向に一定の間隔をあけて配置されているため、図１２に示すように、一つの巻線に発生する渦電流と隣接する巻線に発生する渦電流との間には位相差が存在するため、すべての渦電流は相殺されず残差が発生する。そこで、実施形態に係る４極６コイル４８スロットの回転電機では、第２の方法として、図１３に示すように、連続する複数のスロットに配置されている複数の巻線群７２（１）（例えば、巻線４０（１）～４０（４））と周方向に１８０度離れて他方の極に対向する対応の複数の巻線群７２（２）（例えば、巻線４０（２５）～４０（２８））との接続（以下、接続を「極間接続」という。）では、一方の巻線群７２（１）における巻線４０（４）の素線４４（ａ）・・・（ｌ）を対応する他方の巻線群７２（２）における巻線４０（２５）の素線４４（ａ）・・・（ｌ）にそれぞれ接続している。これにより、図１４（ａ）、（ｂ）に示すように、一方の巻線群の電位とこれに接続される他方の巻線群の電位が実質的に同じになり、結果的に相殺後の渦電流の残差がほぼゼロとなる。

　極間接続は、接続状態とスロット数に依存する。例えば、図１３に示すように、４極４８スロット（３相電機を想定し１相１極あたりのスロット数が４）の回転電機の場合、例えば、一つの巻線群に含まれる４つの巻線４０（１）～４０（４）と別の巻線群に含まれる４つの巻線４０（２５）～４０（２８）を、スロット３６（１６）の外側領域から引き出された巻線４０（４）の端部とスロット３６（２５）の内側領域から引き出された巻線４０（２５）の端部との間で接続する場合、これら２つの巻線群を径方向外側から内側又は内側から外側に見たとき、両巻線群は同一方向に巻かれているように見える。また、一つの巻線群が４つの巻線によって構成されている。そのため、図示する極間接続では、巻線４０（４）の素線４４（ａ）・・・（ｌ）は対応する巻線４０（２５）の素線４４（ａ）・・・（ｌ）にそれぞれ接続する。その結果、一方の巻線群の電位とこれに接続される他方の巻線群の電位が実質的に同じになり、結果的に相殺後の渦電流の残差がほぼゼロとなる。

　図１４に示すように、４極３６スロット（３相電機を想定し１相１極あたりのスロット数が３）の回転電機の場合、例えば、一つの巻線群に含まれる３つの巻線４０（１）～４０（３）と別の巻線群に含まれる３つの巻線４０（１９）～４０（２１）を、スロット３６（１２）の外側領域から引き出された巻線４０（３）の端部とスロット３６（１９）の内側領域から引き出された巻線４０（１９）の端部との間で接続する場合、これら２つの巻線群を径方向外側から内側又は内側から外側に見たとき、両巻線群は同一方向に巻かれているように見える。また、一つの巻線群が３つの巻線によって構成されている。そのため、図示する極間接続では、巻線４０（４）の素線４４（ａ）・・・（ｌ）は対応する巻線４０（２５）の素線４４（ｌ）・・・（ａ）にそれぞれ接続する。その結果、一方の巻線群の電位とこれに接続される他方の巻線群の電位が実質的に同じになり、結果的に相殺後の渦電流の残差がほぼゼロとなる。

　図１５に示すように、６極５４スロット（３相電機を想定し１相１極あたりのスロット数が３）の回転電機の場合、例えば、一つの巻線群に含まれる３つの巻線４０（１）～４０（３）と別の巻線群に含まれる３つの巻線４０（２８）～４０（３０）を、スロット３６（１２）の外側領域から引き出された巻線４０（３）の端部とスロット３６（３０）の外側領域から引き出された巻線４０（１９）の端部との間で接続する場合、これら２つの巻線群を径方向外側から内側又は内側から外側に見たとき、両巻線群は逆方向に巻かれているように見える。また、一つの巻線群が３つの巻線によって構成されている。そのため、４極５４スロットの回転電機の極間接続では、巻線４０（４）の素線４４（ａ）・・・（ｌ）は対応する巻線４０（２５）の素線４４（ａ）・・・（ｌ）にそれぞれ接続する。その結果、一方の巻線群の電位はこれに接続される他方の巻線群の電位によって相殺され、結果的に相殺後の渦電流の残差がほぼゼロとなる。

　図１６に示すように、６極７２スロット（３相電機を想定し１相１極あたりのスロット数が４）の回転電機の場合、例えば、一つの巻線群に含まれる３つの巻線４０（１）～４０（４）と別の巻線群に含まれる４つの巻線４０（３７）～４０（４０）を、スロット３６（１６）の外側領域から引き出された巻線４０（４）の端部とスロット３６（４０）の外側領域から引き出された巻線４０（３７）の端部との間で接続する場合、これら２つの巻線群を径方向外側から内側又は内側から外側に見たとき、両巻線群は逆方向に巻かれているように見える。また、一つの巻線群が４つの巻線によって構成されている。そのため、４極７２スロットの回転電機の極間接続では、巻線４０（４）の素線４４（ａ）・・・（ｌ）は対応する巻線４０（３７）の素線４４（ｌ）・・・（ａ）にそれぞれ接続する。その結果、一方の巻線群の電位はこれに接続される他方の巻線群の電位によって相殺され、結果的に相殺後の渦電流の残差がほぼゼロとなる。

　実施形態の回転電機によればその他に種々の利点が得られる。具体的に説明すると、各スロットには長方形断面の素線４４を高密度に格子配置したので、素線４４の集合体に流れる渦電流を細分化し、巻線４０に生じる渦電流損を最小化できる。なお、本発明者らが行った実験によれば、少なくとも５０以上の素線４４をスロット３６に収容することが、巻線４０に生じる渦電流損を最小化するうえで好ましいことが分かった。

　また、上述の巻線４０は、単に平角型や丸型の細線を平行に配置した巻線や、撚線束を用いた巻線よりも、巻線処理が簡単に行える。その結果、ステータ１８をより安価に製造できる。

　なお、上述の実施形態では素線に銅線を用いたが、良導電性で巻線時に手で曲げることができる程度の柔軟性を有する材料であれば、銀、金又は真鍮などの他の材料も使用できる。

　そして、一つの実施形態では、ステータ１８の全横断面積（ティースとスロットの合計断面積）は、１４２８７０ｍｍ^２、素線（素線の被覆を含む。）の全断面積は９７９２０ｍｍ^２（４８個×６０ｍｍ×３４ｍｍ）で、超電導回転電機の素線占積率は６８．５４％である。したがって、この構成の超電導回転電機では、大電流を流しても、ステータ１８で発生する銅損に起因する温度上昇を抑制することができる。なお、本発明者らが行った実験によれば、ステータ１８における素線占積率を５５％以上とすることが銅損を最小化するうで好ましいことが分かった。

　発明者らは、上述のようにロータ１６を超電導化し、ステータ１８を常電導化した１ＭＷ級の超電導回転電機の電力変換効率がどの程度向上したかを検証した。その結果、ロータ１６での損失が０．５％、ステータ１８での損失が１．５％（このうち銅損が０．７５％、渦電流損が０．７５％）、合計２％の非常に低い損失に抑える（９８％の非常に高い電力変換効率９８％が得られる）ことを確認した。この検証から明らかなように、実施形態のステータ１８を備えた超電導回転電機は、固定子が常電導であっても更なる電力変換効率の向上を図ることができるとともに、ステータまでも超電導化する必要がないのでコストアップを招来しない。

　以上、本発明の各形態によれば、固定子の巻線における銅損及び渦電流損、およびそれらに起因する発熱を最小限に抑えることができる。その結果、回転電機に組み込まれる冷却装置を小型化できる。また、それによって回転電機全体のコストを抑えることができる。

　以上で説明した実施形態は単なる例示であって、本発明の範囲はこれによって制限されるものではない。また、本発明は、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲での全ての変更が含むことを意図するものである。

Claims

　超電導界磁巻線を有する回転子と前記回転子の周囲に配置された固定子を備えた超電導回転電機に用いられる固定子であって、
　前記固定子は、
　前記回転子の回転軸方向に周方向に所定の間隔をあけて配置された複数のティースであって隣接するティースの間にスロットを形成する、複数のティースと、
　帯状電線を巻いて構成された複数の巻線であって、前記帯状電線は長方形断面の導体素線を互いに絶縁して並列に配置して構成されており、前記巻線は前記帯状電線を巻回して積層することによって前記導体素線が格子状に配置された断面を有する第１と第２の巻線部分を有する、複数の巻線を備えており、
　前記回転子の中心軸と直交する断面上で、前記第１の巻線部分における前記導体素線の配置と前記第２の巻線部分における前記導体素線の配置は同じであり、
　前記第１の巻線部分が一つのスロットの径方向外側領域に配置され、第２の巻線部分が別のスロットの径方向内側領域に配置されていることを特徴とする超電導回転電機の固定子。
　超電導界磁巻線を有する回転子と前記回転子の周囲に配置された固定子を備えた超電導回転電機に用いられる固定子であって、
前記固定子は、
　前記回転子の回転軸方向に周方向に所定の間隔をあけて配置された複数のティースであって隣接するティースの間にスロットを形成する、複数のティースと、
　帯状電線を巻いて構成された複数の巻線であって、前記帯状電線は導体素線を互いに絶縁して並列に配置して構成されており、前記巻線は前記帯状電線を前記巻線の対向部分で捻り返して前記帯状電線の表裏を反転させながら巻回して積層することによって前記導体素線が格子状に配置された断面を有する第１と第２の巻線部分を有する、複数の巻線を備えており、
　前記回転子の中心軸と直交する断面上で、前記第１の巻線部分における前記導体素線の配置と前記第２の巻線部分における前記導体素線の配置は同じであり、
　前記第１の巻線部分が一つのスロットの径方向外側領域に配置され、第２の巻線部分が別のスロットの径方向内側領域に配置されており、
　前記巻線を構成する一つの帯状電線と、前記巻線に隣接して配置された別の巻線の帯状電線は、前記一つの帯状電線の、前記第２の巻線部分において前記回転子の回転方向に関して上流側から下流側に順番に配置された複数の導体素線のそれぞれが、前記別の帯状電線の、前記第１の巻線部分において前記回転子の回転方向に関して下流側から上流側に順番に配置された複数の導体素線のそれぞれと接続されていることを特徴とする固定子。
　前記固定子は前記回転子の極数に対応する複数の巻線群を備えており、
　各巻線群が偶数の巻線によって構成されている場合、
　一つの巻線群とこれに対応する別の巻線群は、
　前記一つの巻線群において前記スロットの外側領域から引き出された第１の帯状電線端部と前記別の巻線群において前記スロットの内側領域から引き出された第２の帯状電線端部とを接続するとき、
　前記第１の帯状電線端部において前記回転子の回転方向に関して上流側から下流側に順番に配置された複数の導体素線のそれぞれが、前記第２の帯状電線端部において前記回転子の回転方向に関して上流側から下流側に順番に配置された複数の導体素線にそれぞれ接続されていることを特徴とする請求項２の固定子。
　前記固定子は前記回転子の極数に対応する複数の巻線群を備えており、
　各巻線群が奇数の巻線によって構成されている場合、
　一つの巻線群とこれに対応する別の巻線群は、
　前記一つの巻線群において前記スロットの外側領域から引き出された第１の帯状電線端部と前記別の巻線群において前記スロットの内側領域から引き出された第２の帯状電線端部とを接続するとき、
　前記第１の帯状電線端部において前記回転子の回転方向に関して上流側から下流側に順番に配置された複数の導体素線のそれぞれが、前記第２の帯状電線端部において前記回転子の回転方向に関して下流側から上流側に順番に配置された複数の導体素線にそれぞれ接続されていることを特徴とする請求項２の固定子。
　前記固定子は前記回転子の極数に対応する複数の巻線群を備えており、
　各巻線群が偶数の巻線によって構成されている場合、
　一つの巻線群とこれに対応する別の巻線群は、
　前記一つの巻線群において前記スロットの外側領域から引き出された第１の帯状電線端部と前記別の巻線群において前記スロットの外側領域から引き出された第２の帯状電線端部とを接続するとき、
　前記第１の帯状電線端部において前記回転子の回転方向に関して上流側から下流側に順番に配置された複数の導体素線のそれぞれが、前記第２の帯状電線端部において前記回転子の回転方向に関して下流側から上流側に順番に配置された複数の導体素線にそれぞれ接続されていることを特徴とする請求項２の固定子。
　前記固定子は前記回転子の極数に対応する複数の巻線群を備えており、
　各巻線群が奇数の巻線によって構成されている場合、
　一つの巻線群とこれに対応する別の巻線群は、
　前記一つの巻線群において前記スロットの外側領域から引き出された第１の帯状電線端部と前記別の巻線群において前記スロットの外側領域から引き出された第２の帯状電線端部とを接続するとき、
　前記第１の帯状電線端部において前記回転子の回転方向に関して上流側から下流側に順番に配置された複数の導体素線のそれぞれが、前記第２の帯状電線端部において前記回転子の回転方向に関して上流側から下流側に順番に配置された複数の導体素線にそれぞれ接続されていることを特徴とする請求項２の固定子。
　前記導体素線は、長辺と短辺を有する長方形の断面を有し、前記長辺を固定子径方向に配置し、前記短辺を固定子周方向に配置することを特徴とする請求項２の固定子。
　前記スロットは、径方向に伸びる一対の第１の辺と前記周方向に伸びる一対の第２の辺によって囲まれた実質的に四角形の断面を有し、
　前記導体素線は四角形断面を有し、一方の辺を前記スロットの第１の辺に向け、他方の辺を前記スロットの第２の辺に向けて配置されていることを特徴とする請求項１の固定子。
　前記第１と第２の巻線部分の断面には５０以上の素線断面が含まれていることを特徴とする請求項１の固定子。
　前記ティースが非磁性材料からなることを特徴とする請求項１の固定子。
　前記中心軸に直交する断面上で、前記ステータの断面積に対する前記素線の断面積の割合が５５％以上であることを特徴とする請求項１の固定子。
　請求項１の固定子を備えた超電導回転電機。