WO2019220723A1 - 超電導回転機 - Google Patents

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WO2019220723A1
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superconducting
cylindrical structure
rotating machine
substantially cylindrical
superconductor
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Inventor
洋太 一木
竜弥 安藤
Original Assignee
株式会社日立製作所
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    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F6/00—Superconducting magnets; Superconducting coils
    • H01F6/06—Coils, e.g. winding, insulating, terminating or casing arrangements therefor
    • 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
    • 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
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E40/00—Technologies for an efficient electrical power generation, transmission or distribution
    • Y02E40/60—Superconducting electric elements or equipment; Power systems integrating superconducting elements or equipment

Definitions

  • the present invention relates to a superconducting rotating machine.
  • both the field element 3 (rotor) and the armature 4 (stator) are constituted by superconducting coils.
  • a radial superconducting rotating machine 90 in which an armature 4 is arranged around see, for example, Patent Document 1.
  • Such a superconducting rotating machine is excellent in that a large current can be passed through the field element and the armature, thereby obtaining a high magnetic field strength, and an iron core is provided for the field element and the armature. Since there is no need to use it, the superconducting rotating machine can be reduced in weight.
  • the back yoke 7 (back iron) for confining the generated magnetic field is provided around the cooling vessel 81. Since the back yoke 7 is formed of a high-density electromagnetic steel plate and is provided so as to cover the outermost periphery of the cooling vessel 81 and has a large volume, it cannot be said that a sufficient weight reduction is still achieved.
  • the present invention has been made based on the circumstances as described above, and an object of the present invention is to provide a superconducting rotating machine capable of reducing the weight by shielding a magnetic field without using a heavy member such as an electromagnetic steel sheet. It is to provide.
  • a superconducting rotating machine in which the field element and / or the armature includes a superconductor;
  • a substantially cylindrical structure that is provided so as to surround the field element and the armature, and that confines the magnetic field generated by the armature;
  • a superconducting rotating machine in which the substantially cylindrical structure has a superconductor.
  • superconducting coil means a coiled superconductor
  • superconducting thin film means a thin film superconductor
  • superconducting bulk means a bulk superconductor
  • the present invention can provide a superconducting rotating machine that can reduce the weight by shielding a magnetic field without using a heavy member such as a magnetic steel sheet.
  • the superconducting rotator is a superconducting rotator in which a field element and / or an armature includes a superconductor, and is provided so as to surround the field element and the armature so as to confine a magnetic field generated by the armature.
  • a cylindrical structure is provided, and the substantially cylindrical structure has a superconductor.
  • FIGS. 1A and 1B are schematic views showing a first embodiment of the present invention.
  • the superconducting rotating machine 11 is roughly composed of a shaft 2, a field element 3, an armature 4, a cooling means 5, and a substantially cylindrical structure 61. It is configured.
  • the shaft 2 is a member that becomes a rotating shaft of the superconducting rotating machine 11.
  • the shaft 2 is rotatably supported by a bearing of a housing (not shown), and functions as a motor driving shaft and a generator driven shaft.
  • the field element 3 is provided to generate a magnetic field.
  • a wire containing a superconducting material hereinafter also referred to as “superconducting wire”
  • superconducting wire a wire containing a superconducting material
  • a plurality of superconducting bulks arranged along the circumferential direction of the shaft 2 according to the number of poles, and the like can be employed.
  • the field element 3 is connected to the outer periphery of the shaft 2 and is fixed to the shaft 2 by a connecting member (not shown).
  • the armature 4 is provided in order to interact with the magnetic field generated by the field element 3 and generate a rotational force by passing an electric current or to obtain an electric current by rotating the shaft 2.
  • this armature 4 is disposed outside the field element 3 so as to face the field element 3, for example, a superconducting wire wound in a racetrack shape (superconducting coil),
  • a plurality of arrangements along the circumferential direction of the shaft 2 can be employed.
  • the superconducting rotating machine 11 can act as a motor for driving the shaft 2 if the armature 4 is energized with the field element 3 excited or magnetized, and the field element 3 is excited. Alternatively, if the shaft 2 is rotated in a magnetized state, it can be made to act as a generator that extracts current from the armature 4.
  • the cooling means 5 cools the field element 3 and / or the armature 4 and the substantially cylindrical structure 61 to be described later, and cools the superconducting material contained in these members to maintain the superconducting state.
  • This cooling means 5 can be comprised by the cooling container 51 filled with the refrigerant
  • the refrigerant C is not particularly limited as long as the superconducting material can be maintained in the superconducting state.
  • helium, hydrogen, neon, nitrogen, or the like in a liquid or gas state can be used according to the critical temperature of the superconducting material.
  • the cooling container 51 a container that includes the field element 3, the armature 4, and the entire substantially cylindrical structure 61 described later is employed, and the refrigerant C in the cooling container 51 is contained in the cooling container 51.
  • the field element 3, the armature 4, and the substantially cylindrical structure 61 are immersed therein.
  • the substantially cylindrical structure 61 is provided so as to surround the field element 3 and the armature 4 and offsets and confines the magnetic field generated by the armature 4.
  • the substantially cylindrical structure 61 has a superconducting coil 611 as a superconductor and a support member 612.
  • the superconducting coil 611 is formed by, for example, being arranged so as to cover the outer periphery of the armature 4 and winding in a racetrack shape along the axial direction of the shaft 2. it can.
  • the armature 4 is connected to the inner peripheral surface of the superconducting coil 611, and the support member 612 described later is disposed so as to contact the outer peripheral surface of the superconducting coil 611.
  • the superconductor in the substantially cylindrical structure 61 contains magnesium diboride (MgB 2 ). According to this MgB 2 , it is not necessary to align the crystal direction of the superconductor and easy to manufacture (for example, after mixing raw material magnesium and boron powder, filling this mixture into a metal tube and drawing, Therefore, the superconducting wire can be manufactured at low cost.
  • an active type in which a current is supplied from a power source to actively generate a magnetic field, a loop is formed by electrically connecting both ends of the superconducting coil, and the magnetic field is canceled by an induced current.
  • passive type is preferable in that a simple configuration can be achieved.
  • Support member 612 supports superconducting coil 611.
  • the mode of support by the support member is not particularly limited as long as the effects of the present invention are not impaired.
  • Examples of the material constituting the support member 612 include a metal material such as a magnetic body (for example, an electromagnetic steel plate), a resin material, a fiber reinforced resin material obtained by mixing fibers in a resin material, and the like.
  • a metal material such as a magnetic body (for example, an electromagnetic steel plate), a resin material, a fiber reinforced resin material obtained by mixing fibers in a resin material, and the like.
  • Examples of the resin material include a polyester resin, a vinyl ester resin, an epoxy resin, and a phenol resin.
  • the fibers to be mixed with the above resin material include glass fibers, carbon fibers, aramid fibers, polyethylene fibers, Zylon fibers (registered trademark), and boron fibers.
  • the material constituting the support member 612 preferably includes a fiber reinforced resin material from the viewpoint of improving mechanical strength, and can withstand extremely low temperatures and improve mechanical strength.
  • a fiber reinforced resin material from the viewpoint of improving mechanical strength, and can withstand extremely low temperatures and improve mechanical strength.
  • Glass fiber reinforced resin and carbon fiber reinforced resin are preferable, and glass fiber reinforced epoxy resin and carbon fiber reinforced epoxy resin are more preferable.
  • the density of the support member 612 is smaller than the density of the electromagnetic steel sheet (about 7.6 g / cm 3 ).
  • the support member 612 is preferably disposed at least on the outermost periphery of the substantially cylindrical structure 61 (the outermost peripheral portion of the substantially cylindrical structure 61).
  • the superconducting coil 611 is disposed in an inner portion of the substantially cylindrical structure 61, and at least a part of the support member 612 is disposed in an outer portion of the superconducting coil 611. 611 and the support member 612 are in close contact with each other.
  • the support member 612 is disposed at least on the outermost peripheral side of the substantially cylindrical structure 61, thereby resisting the electromagnetic force directed radially outward generated by the application of the magnetic field to the superconducting coil 611.
  • the superconducting coil 611 can be stably supported.
  • the support member is embedded in the support member so that the entire outer periphery of the superconducting coil is in close contact with the support member. Thereby, a superconducting coil can be reinforced more firmly.
  • the superconducting rotating machine 11 can reinforce the superconductor (superconducting coil 611) because the substantially cylindrical structure 61 includes the support member 612. Further, since the superconducting rotating machine 11 has the above-described configuration, the magnetic field generated by the armature 4 by the superconducting coil 611 can be confined in the superconducting rotating machine 11, and a heavy member such as an electromagnetic steel plate is used. Therefore, it is possible to reduce the weight of the superconducting rotating machine 11 by shielding the magnetic field.
  • FIGS. 2A and 2B are schematic views showing a second embodiment of the present invention.
  • the superconducting rotating machine 12 is roughly composed of a shaft 2, a field element 3, an armature 4, a cooling means 5, and a substantially cylindrical structure 62. It is configured.
  • the superconducting rotating machine 12 is different from the first embodiment in a substantially cylindrical structure 62.
  • the shaft 2, the field element 3, the armature 4, and the cooling means 5 are configured in the same manner as in the first embodiment. Omitted.
  • the substantially cylindrical structure 62 is provided so as to surround the field element 3 and the armature 4 and offsets and confines the magnetic field generated by the armature 4.
  • the substantially cylindrical structure 62 has a superconducting bulk 621 as a superconductor and a support member 622.
  • the superconducting bulk 621 is composed of, for example, a single member provided so as to cover the outer peripheral surface of the armature 4.
  • a superconducting material similar to that exemplified in the first embodiment can be used.
  • MgB 2 is easy to produce because it is not necessary to align the crystal direction as described above, and it is easy to increase the size as compared with the oxide superconducting material.
  • the MgB 2 bulk can be obtained by mixing magnesium and boron powders, applying a pressure of several hundred MPa to 1 GPa, press-molding, and firing at 600 ° C. to 800 ° C.
  • the support member 622 supports the superconductor (superconducting bulk 621) in the substantially cylindrical structure 62.
  • the mode of support by the support member is not particularly limited as long as the effects of the present invention are not impaired.
  • a mode of supporting the support member so as to impregnate the pores of the porous body, a mode of supporting these in combination, and the like can be adopted.
  • a fiber reinforced resin material is used as the support member 622, and the support member 622 is disposed on the outermost peripheral side of the substantially cylindrical structure 62, and the entire outer periphery of the superconducting bulk 621.
  • the superconducting bulk 621 is embedded by being in close contact and impregnating the pores of the porous body.
  • the superconductor is the superconducting bulk 621, since the superconductor is the superconducting bulk 621, the winding process of the superconducting wire becomes unnecessary.
  • the superconductor is a superconducting bulk, for example, when the superconductor is a superconducting coil or a superconducting thin film, an essential metal sheath or metal substrate is not required. It is possible to improve the manufacturability by making it easier.
  • a superconducting thin film 621f may be employed as the superconductor instead of the superconducting bulk 621.
  • the superconducting thin film 621f can be obtained, for example, by vapor-depositing a raw material containing a superconducting material on a metal substrate.
  • the superconductor is the superconducting thin film 621f
  • the winding process of the superconducting wire is not required, and as a result, the manufacturability can be improved.
  • FIGS. 3A and 3B are schematic views showing a third embodiment of the present invention.
  • the superconducting rotating machine 13 is roughly composed of a shaft 2, a field element 3, an armature 4, a cooling means 5, and a substantially cylindrical structure 63. It is configured.
  • the superconducting rotating machine 13 is different from the second embodiment in a substantially cylindrical structure 63.
  • the shaft 2, the field element 3, the armature 4, and the cooling means 5 are configured in the same manner as in the first embodiment. Omitted.
  • the substantially cylindrical structure 63 is provided so as to surround the field element 3 and the armature 4 and offsets and confines the magnetic field generated by the armature 4.
  • the substantially cylindrical structure 63 has a plurality of superconducting bulks 631 as superconductors and a support member 632. Since the support member 632 is the same as that of the second embodiment, the description thereof is incorporated.
  • the plurality of superconducting bulks 631 are arranged in the axial direction and / or the circumferential direction of the substantially cylindrical structure 63.
  • each of the superconducting bulks 631 has a substantially flat plate shape, and the substantially flat superconducting bulk 631 is arranged in both the axial direction and the circumferential direction, and is also arranged in a layered manner in the radial direction.
  • the shape of the superconducting bulk is not particularly limited as long as a substantially cylindrical structure can be formed, and may have a shape other than a substantially flat plate shape.
  • the superconducting bulk 631B located outside the adjacent superconducting bulk 631 arranged in the radial direction is It is preferable to be disposed so as to cover the gap between adjacent superconducting bulks 631A located inside the superconducting bulk 631B located outside and disposed in the axial direction and / or the circumferential direction.
  • the superconducting bulk 631B located on the outer side is superposed on the superconducting bulk A so that the armature 4 cannot be seen through the gap between the adjacent superconducting bulks 631A located on the inner side arranged in the axial direction. They can be arranged alternately.
  • the superconducting bulk 631A and the superconducting bulk 631B may be separated from or in contact with each other.
  • a support member 632 can be interposed therebetween (see FIGS. 3A and 3B).
  • the substantially cylindrical structure 63 has a plurality of superconducting bulks 631, and the plurality of superconducting bulks 631 are arranged in the axial direction of the substantially cylindrical structure 63 and / or.
  • an apparently large superconducting bulk can be formed by using a plurality of small-shaped superconducting bulks, and the large superconducting bulk that is difficult to produce alone can be increased.
  • the superconducting rotating machine 13 is arranged so that the superconducting bulk 631B covers the gap between the superconducting bulks 631A, so that leakage of a magnetic field from the gap can be suppressed.
  • a superconducting thin film 631f may be employed instead of the superconducting bulk 631 as a superconductor.
  • a method for forming the superconducting thin film 631f for example, a method similar to that for the superconducting thin film 621f described above can be used.
  • the superconducting rotating machine 13 using either the superconducting bulk 631 or the superconducting thin film 631f has been described.
  • a superconducting rotating machine in which a superconducting bulk and a superconducting thin film are mixed may be used. .
  • the superconducting rotating machine 13 in which a plurality of superconducting bulks 631 or superconducting thin films 631f are arranged in layers in the radial direction has been described, but only in the axial direction and / or the circumferential direction.
  • Superconducting rotator in which superconducting bulk and / or superconducting thin film is arranged for example, superconducting rotator 13m in which superconducting bulk 631 or superconducting thin film 631f is arranged only in the axial direction and circumferential direction as shown in FIGS. 4A and 4B. ).

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Abstract

電磁鋼板のような重い部材を用いることなく磁場を遮蔽して軽量化を図ることが可能な超電導回転機の提供を目的とする。　当該超電導回転機１１は、界磁子３および／または電機子４が超電導体を含む超電導回転機であって、界磁子３および電機子４を取り囲むように設けられ、電機子４が発生する磁場を閉じ込める略円筒状の構造体６１を備え、略円筒状の構造体６１が超電導体を有していることを特徴とする。

Description

超電導回転機
　本発明は、超電導回転機に関する。
　近年、自動車や航空機の電動化、および風力発電機の大容量化などに伴い、高い出力密度（回転機単位質量当たりの出力）を有する超電導回転機（モータ・発電機）への期待が高まっている。
　このような状況下、従来の電磁鋼板で形成された鉄芯を用いる常電導回転機に代わり、磁束密度をより高めて軽量化が可能な超電導回転機が注目されている。このような超電導回転機としては、例えば、図５Ａ、図５Ｂに示すような、界磁子３（回転子）および電機子４（固定子）の両者が超電導コイルにより構成され、界磁子３の周りに電機子４が配置されたラジアル型の超電導回転機９０が知られている（例えば、特許文献１参照）。
　このような超電導回転機では、界磁子や電機子に大電流を流すことができ、これにより高い磁場強度を得ることができる点で優れていると共に、界磁子および電機子に鉄芯を用いる必要がない分、超電導回転機の軽量化を図ることができる。
特開２００５－１７６５７８号公報
　しかしながら、上述したような従来の超電導回転機では、図５Ａ、図５Ｂに示すように、発生した磁場を閉じ込めるためのバックヨーク７（バックアイアン）が冷却容器８１の周囲に設けられており、このバックヨーク７は密度の高い電磁鋼板で形成されかつ冷却容器８１の最外周を覆うように設けられてその体積も大きいため、依然として十分な軽量化が図られているとは言えない。
　本発明は、以上のような事情に基づいてなされたものであり、その目的は、電磁鋼板のような重い部材を用いることなく磁場を遮蔽して軽量化を図ることが可能な超電導回転機を提供することにある。
　上記課題を解決するためになされた発明は、
　界磁子および／または電機子が超電導体を含む超電導回転機であって、
　前記界磁子および電機子を取り囲むように設けられ、前記電機子が発生する磁場を閉じ込める略円筒状の構造体を備え、
　前記略円筒状の構造体が超電導体を有していることを特徴とする超電導回転機である。
　なお、本明細書において、「超電導コイル」とはコイル状の超電導体、「超電導薄膜」とは薄膜状の超電導体、「超電導バルク」とはバルク状の超電導体を意味する。
　本発明は、電磁鋼板のような重い部材を用いることなく磁場を遮蔽して軽量化を図ることが可能な超電導回転機を提供することができる。
本発明の第１の実施形態を示す概略図であって、シャフトに直交する方向の断面図である。 本発明の第１の実施形態を示す概略図であって、図１Ａのシャフト方向の断面図である。 本発明の第２の実施形態を示す概略図であって、シャフトに直交する方向の断面図である。 本発明の第２の実施形態を示す概略図であって、図２Ａのシャフト方向の断面図である。 本発明の第３の実施形態を示す概略図であって、シャフトに直交する方向の断面図である。 本発明の第３の実施形態を示す概略図であって、図３Ａのシャフト方向の断面図である。 第３の実施形態の変形例を示す概略図であって、シャフトに直交する方向の断面図である。 第３の実施形態の変形例を示す概略図であって、図４Ａのシャフト方向の断面図である。 従来の技術を説明するための概略図であって、シャフトに直交する方向の断面図である。 従来の技術を説明するための概略図であって、図５Ａのシャフト方向の断面図である。
　当該超電導回転機は、界磁子および／または電機子が超電導体を含む超電導回転機であって、上記界磁子および電機子を取り囲むように設けられ、上記電機子が発生する磁場を閉じ込める略円筒状の構造体を備え、上記略円筒状の構造体が超電導体を有していることを特徴とする。
　以下、本発明の第１～第３の実施形態について図面を参照して説明するが、本発明は、当該図面に記載の実施形態にのみ限定されるものではない。なお、以下に示す図面では、便宜上、界磁子および電機子の詳細な構造、並びに冷却容器内の冷媒が省略されている。
［第１の実施形態］
　図１Ａ、図１Ｂは、本発明の第１の実施形態を示す概略図である。当該超電導回転機１１は、図１Ａ、図１Ｂに示すように、概略的に、シャフト２と、界磁子３と、電機子４と、冷却手段５と、略円筒状の構造体６１とにより構成されている。
　シャフト２は、超電導回転機１１の回転軸となる部材である。このシャフト２は、図示していない筐体の軸受により回転自在に軸支されており、モータの駆動軸や発電機の被駆動軸として機能する。
　界磁子３は、磁界を発生するために設けられる。この界磁子３としては、具体的には、例えば、超電導材料を含む線材（以下、「超電導線材」ともいう）をシャフト２の軸方向に沿ってレーストラック形状に巻回したもの（超電導コイル）、超電導バルクを極数に応じてシャフト２の周方向に沿って複数配置したもの等を採用することができる。界磁子３は、シャフト２の外周に接続されており、図示していない接続部材によりシャフト２に固定されている。
　電機子４は、界磁子３により発生した磁界と相互作用し、電流を流すことで回転力を発生させたり、シャフト２の回転により電流を得たりするために設けられる。この電機子４は、具体的には、例えば、界磁子３に対向するようにこの界磁子３の外側に配置され、超電導線材をレーストラック形状に巻回したもの（超電導コイル）を、極数・相数に応じてシャフト２の周方向に沿って複数配置したもの等を採用することができる。
　なお、当該超電導回転機１１は、界磁子３を励磁または着磁した状態で電機子４に交流電流を通電すればシャフト２を駆動するモータとして作用させることができ、界磁子３を励磁または着磁した状態でシャフト２を回転すれば電機子４から電流を取り出す発電機として作用させることができる。
　冷却手段５は、界磁子３および／または電機子４、並びに後述する略円筒状の構造体６１を冷却し、これらの部材に含まれる超電導材料を冷却して超電導状態に維持する。この冷却手段５は、例えば、後述する略円筒状の構造体６１を冷却するための冷媒Ｃで満たされた冷却容器５１で構成することができる。冷媒Ｃとしては、超電導材料を超電導状態に維持することができれば特に限定されず、超電導材料の臨界温度に応じ、例えば、液体またはガス状態のヘリウム、水素、ネオン、窒素等を用いることができる。なお、本実施形態では、冷却容器５１として、内部に界磁子３、電機子４および後述する略円筒状の構造体６１全体を内包する容器が採用され、この冷却容器５１内の冷媒Ｃ中に界磁子３、電機子４および略円筒状の構造体６１が浸漬されている。
　略円筒状の構造体６１は、界磁子３および電機子４を取り囲むように設けられ、電機子４が発生する磁場を相殺して閉じ込める。この略円筒状の構造体６１は、超電導体としての超電導コイル６１１と、支持部材６１２とを有している。
　超電導コイル６１１は、図１Ａ、図１Ｂに示すように、例えば、電機子４の外周を覆うように配置されかつシャフト２の軸方向に沿ってレーストラック形状に巻回することで形成することができる。また、本実施形態では、超電導コイル６１１の内周面に電機子４が接続されていると共に、超電導コイル６１１の外周面に後述する支持部材６１２が当接するように配置されている。
　超電導体を形成する超電導材料としては、例えば、ＢｉＳｒＣａＣｕＯなどのビスマス系酸化物、ＲＥＢａＣｕＯ（ＲＥ＝Ｄｙ，Ｅｒ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｈｏ，Ｌａ，Ｌｕ）などのレアアース系酸化物、ＭｇＢ２等が挙げられる。これらの中では、略円筒状の構造体６１における超電導体が二ホウ化マグネシウム（ＭｇＢ２）を含有していることが好ましい。このＭｇＢ２によれば、超電導体の結晶方向を揃える必要がなくかつ作製が容易（例えば、原料のマグネシウムおよびボロンの粉末を混合し、この混合物を金属管に充填して伸線加工した後、６００℃～８００℃で焼成する）であるため、低コストで超電導線材を作製することができる。
　超電導コイル６１１の作動方式としては、例えば、電源から電流を供給して能動的に磁場を発生させるアクティブ型、超電導コイルの両端を電気的に接続してループを形成し、誘導電流により磁場を相殺するパッシブ型等が挙げられる。これらの中では、簡易な構成にすることができる点で、パッシブ型が好ましい。
　支持部材６１２は、超電導コイル６１１を支持する。支持部材による支持の態様としては、本発明の効果を損なわない限り特に限定されず、例えば、超電導コイルの外周の一部または全部を支持部材が密着するように支持する態様等を採用することができる。
　支持部材６１２を構成する材料としては、例えば、磁性体（例えば、電磁鋼板）などの金属材料、樹脂材料、樹脂材料に繊維を混合した繊維強化樹脂材料等が挙げられる。
　上述の樹脂材料としては、例えば、ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂等が挙げられる。また、上述の樹脂材料に混合する繊維としては、例えば、ガラス繊維、炭素繊維、アラミド繊維、ポリエチレン繊維、ザイロン繊維（登録商標）、ボロン繊維等が挙げられる。
　これらの中で、支持部材６１２を構成する材料としては、機械的強度を向上させる観点から、繊維強化樹脂材料を含んでいることが好ましく、極低温に耐えられかつ機械的強度を向上させる観点から、ガラス繊維強化樹脂および炭素繊維強化樹脂が好ましく、ガラス繊維強化エポキシ樹脂および炭素繊維強化エポキシ樹脂がより好ましい。また、軽量化を図る観点から、支持部材６１２の密度が電磁鋼板の密度（約７．６ｇ／ｃｍ３）よりも小さいことも好ましい。
　ここで、支持部材６１２は、少なくとも略円筒状の構造体６１の最外周（略円筒状の構造体６１のうちの最外周部）に配置されていることが好ましい。本実施形態では、略円筒状の構造体６１のうちの内側の部位に超電導コイル６１１が配置され、この超電導コイル６１１の外側の部位に支持部材６１２の少なくとも一部が配置されており、超電導コイル６１１と支持部材６１２とが密着している。このように支持部材６１２が少なくとも略円筒状の構造体６１の最外周側に配置されていることで、超電導コイル６１１への磁場の印加により生じた径方向外側へ向かう電磁力に抗することができ、超電導コイル６１１を安定して支持することができる。
　また、支持部材は、超電導コイルの外周全体が支持部材に密着するように、超電導コイルが支持部材に埋め込まれていることも好ましい。これにより、超電導コイルをより強固に補強することができる。
　以上のように、当該超電導回転機１１は、略円筒状の構造体６１が支持部材６１２を有していることで、超電導体（超電導コイル６１１）を補強することができる。また、当該超電導回転機１１は、上述した構成であるので、超電導コイル６１１により電機子４が発生する磁場を当該超電導回転機１１内に閉じ込めることができ、電磁鋼板のような重い部材を用いることなく磁場を遮蔽して超電導回転機１１の軽量化を図ることができる。
[第２の実施形態]
　図２Ａ、図２Ｂは、本発明の第２の実施形態を示す概略図である。当該超電導回転機１２は、図２Ａ、図２Ｂに示すように、概略的に、シャフト２と、界磁子３と、電機子４と、冷却手段５と、略円筒状の構造体６２とにより構成されている。当該超電導回転機１２は、略円筒状の構造体６２が第１の実施形態と異なっている。なお、シャフト２、界磁子３、電機子４、および冷却手段５の構成は、第１の実施形態のものと同様であるので、同一部位には同一符号を付してその詳細な説明を省略する。
　略円筒状の構造体６２は、界磁子３および電機子４を取り囲むように設けられ、電機子４が発生する磁場を相殺して閉じ込める。この略円筒状の構造体６２は、超電導体としての超電導バルク６２１と、支持部材６２２とを有している。
　超電導バルク６２１は、例えば、電機子４の外周面を覆うように設けられた単一の部材で構成されている。この超電導バルク６２１には、第１の実施形態にて例示したものと同様の超電導材料を使用可能である。中でもＭｇＢ２は、前述のとおり結晶方向を揃える必要がないため作製が容易であり、また酸化物超電導材料と比べて大型化が容易である。ＭｇＢ２バルクは、マグネシウムおよびボロンの粉末を混合し、数百ＭＰａ～１ＧＰａの圧力を加えてプレス成型した後、６００℃～８００℃で焼成することで得ることができる。
　支持部材６２２は、略円筒状の構造体６２における超電導体（超電導バルク６２１）を支持する。支持部材による支持の態様としては、本発明の効果を損なわない限り特に限定されず、例えば、超電導バルクの外周の一部または全部を支持部材が密着するように支持する態様、超電導バルクを構成する多孔体の細孔に支持部材が含侵するように支持する態様、これらを組み合わせて支持する態様等を採用することができる。なお、本実施形態では、支持部材６２２として繊維強化樹脂材料が用いられ、この支持部材６２２が略円筒状の構造体６２の最外周側にも配置されていると共に、超電導バルク６２１の外周全部に密着しかつ多孔体の細孔に含侵することで超電導バルク６２１を埋め込んでいる。
　以上のように、当該超電導回転機１２は、超電導体が超電導バルク６２１であることで、超電導線材の巻線工程が不要となる。さらに超電導体が超電導バルクの場合は、例えば超電導体が超電導コイルや超電導薄膜である場合に必須の金属シースや金属基板が不要になるため、結果として軽量化による出力密度の向上、および部材の簡素化による製造容易性の向上を図ることができる。
　ここで、上述した第２の実施形態では、超電導体として超電導バルク６２１に代えて超電導薄膜６２１ｆを採用してもよい。この超電導薄膜６２１ｆは、例えば、超電導材料を含む原料を金属基板上に蒸着することで得ることができる。
　このように、超電導体が超電導薄膜６２１ｆであることで、超電導線材の巻線工程が不要となり、結果として製造容易性の向上を図ることができる。
[第３の実施形態]
　図３Ａ、図３Ｂは、本発明の第３の実施形態を示す概略図である。当該超電導回転機１３は、図３Ａ、図３Ｂに示すように、概略的に、シャフト２と、界磁子３と、電機子４と、冷却手段５と、略円筒状の構造体６３とにより構成されている。当該超電導回転機１３は、略円筒状の構造体６３が第２の実施形態と異なっている。なお、シャフト２、界磁子３、電機子４、および冷却手段５の構成は、第１の実施形態のものと同様であるので、同一部位には同一符号を付してその詳細な説明を省略する。
　略円筒状の構造体６３は、界磁子３および電機子４を取り囲むように設けられ、電機子４が発生する磁場を相殺して閉じ込める。この略円筒状の構造体６３は、超電導体としての複数個の超電導バルク６３１と、支持部材６３２とを有している。なお、支持部材６３２については第２の実施形態のものと同様であるので、その説明を援用する。
　複数個の超電導バルク６３１は、略円筒状の構造体６３の軸方向および／または周方向に配置される。本実施形態では、超電導バルク６３１それぞれが略平板状であり、この略平板状の超電導バルク６３１が、軸方向および周方向のいずれの方向にも配置されていると共に、径方向にも層状に配置されている。なお、超電導バルクの形状としては、略円筒状の構造体を形成することができれば特に限定されず、略平板状以外の形状であってもよい。
　ここで、当該超電導回転機１３のように、超電導バルク６３１が径方向にも層状に配置される場合、径方向に配置された隣り合う超電導バルク６３１のうちの外側に位置する超電導バルク６３１Ｂが、この外側に位置する超電導バルク６３１Ｂの内側に位置しかつ軸方向および／または周方向に配置された隣り合う超電導バルク６３１Ａどうしの間隙を覆うように配置されていることが好ましい。
　具体的には、例えば、軸方向に配列された内側に位置する隣り合う超電導バルク６３１Ａの間の間隙を介して電機子４が見えないように、外側に位置する超電導バルク６３１Ｂを超電導バルクＡと交互に配置することができる。なお、超電導バルク６３１Ａと超電導バルク６３１Ｂとは離間していてもよく、接していてもよい。超電導バルク６３１Ａと超電導バルク６３１Ｂとが離間する場合、例えば、これらの間に支持部材６３２を介在させることができる（図３Ａ、図３Ｂ参照）。
　このように、当該超電導回転機１３は、略円筒状の構造体６３が複数個の超電導バルク６３１を有し、この複数個の超電導バルク６３１が略円筒状の構造体６３の軸方向および／または周方向に配置されていることで、小さな形状の超電導バルクを複数個用いて見かけ上大きな超電導バルクを形成することができ、単独では作製が困難な大きな超電導バルクの大型化を図ることができる。また、当該超電導回転機１３は、超電導バルク６３１Ｂが超電導バルク６３１Ａどうしの間隙を覆うように配置されていることで、この間隙からの磁界の漏れを抑制することができる。
　ここで、上述した第３の実施形態では、超電導体として超電導バルク６３１に代えて超電導薄膜６３１ｆを採用してもよい。この超電導薄膜６３１ｆの形成方法は、例えば、上述した超電導薄膜６２１ｆと同様の方法等を用いることができる。
　なお、本発明は、上述した実施形態の構成に限定されるものではなく、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および範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。
　例えば、上述した第３の実施形態では、超電導バルク６３１または超電導薄膜６３１ｆのいずれかを用いた超電導回転機１３について説明したが、超電導バルクと超電導薄膜とが混在した超電導回転機であってもよい。
　また、上述した第３の実施形態では、複数個の超電導バルク６３１または超電導薄膜６３１ｆが径方向にも層状に配置されている超電導回転機１３について説明したが、軸方向および／または周方向にのみ超電導バルクおよび／または超電導薄膜が配置されている超電導回転機（例えば、図４Ａ、図４Ｂに示すような軸方向および周方向にのみ超電導バルク６３１または超電導薄膜６３１ｆが配列されている超電導回転機１３ｍ）であってもよい。
　１１、１２、１３、１３ｍ、９０　超電導回転機
　２　シャフト
　３　界磁子
　４　電機子
　５　冷却手段
　６１、６２、６３　略円筒状の構造体
　６１１　超電導コイル
　６２１、６３１　バルク状の超電導体（超電導バルク）
　６２１ｆ、６３１ｆ　薄膜状の超電導体（超電導薄膜）
　６１２、６２２、６３２　支持部材

Claims (10)

  1. 　界磁子および／または電機子が超電導体を含む超電導回転機であって、
    　前記界磁子および電機子を取り囲むように設けられ、前記電機子が発生する磁場を閉じ込める略円筒状の構造体を備え、
    　前記略円筒状の構造体が超電導体を有していることを特徴とする超電導回転機。
  2. 　略円筒状の構造体における超電導体が、超電導バルクまたは超電導薄膜である請求項１に記載の超電導回転機。
  3. 　略円筒状の構造体が、複数個の超電導バルクおよび／または超電導薄膜を有し、
    　この複数個の超電導バルクおよび／または超電導薄膜が、前記略円筒状の構造体の軸方向および／または周方向に配置されている請求項１または請求項２に記載の超電導回転機。
  4. 　複数個の超電導バルクおよび／または超電導薄膜が、径方向に層状に配置されており、
    　前記径方向に配置された隣り合う前記超電導バルクおよび／または超電導薄膜のうちの外側に位置する超電導体が、この外側に位置する超電導体の内側に位置しかつ軸方向および／または周方向に配置された隣り合う超電導体どうしの間隙を覆うように配置されている請求項３に記載の超電導回転機。
  5. 　略円筒状の構造体における超電導体がＭｇＢ２を含有する請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の超電導回転機。
  6. 　略円筒状の構造体は、この略円筒状の構造体における超電導体を支持する支持部材を有している請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の超電導回転機。
  7. 　支持部材の密度が、電磁鋼板の密度よりも小さい請求項６に記載の超電導回転機。
  8. 　支持部材が繊維強化樹脂材料を含んでいる請求項６または請求項７に記載の超電導回転機。
  9. 　支持部材が、少なくとも略円筒状の構造体の最外周に配置されている請求項６から請求項８のいずれか１項に記載の超電導回転機。
  10. 　略円筒状の構造体における超電導体が、支持部材に埋め込まれている請求項６から請求項９のいずれか１項に記載の超電導回転機。
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