WO2021193714A1 - 超電導回転機 - Google Patents

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WO2021193714A1
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superconducting
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stator
magnetic flux
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武恒 中村
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国立大学法人京都大学
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    • Y02E40/60—Superconducting electric elements or equipment; Power systems integrating superconducting elements or equipment

Definitions

  • the present invention relates to a superconducting rotary machine, and particularly to a rotary electric machine having a plurality of rotors.
  • Rotating machines which are electrical equipment, are classified into DC machines and AC machines.
  • the AC machine receives mechanical power to generate AC power, or receives AC power to generate mechanical power, and is mainly classified into an induction machine and a synchronous machine.
  • An induction machine for example, an induction motor, rotates by generating an induced torque in the rotor by a rotating magnetic field generated by applying an AC voltage to the stator winding.
  • Induction motors are widely used because they have a simple structure, are easy to maintain, and are inexpensive, but they have problems in terms of efficiency and speed control.
  • a synchronous machine for example, a synchronous motor, rotates by attracting a rotor equipped with an electromagnet or a permanent magnet to a rotating magnetic field generated by applying an AC voltage to the stator winding.
  • Synchronous motors are efficient, but require additional equipment for start-up and synchronous pull-in.
  • Patent Document 1 discloses a superconducting rotary machine capable of induced rotation and synchronous rotation, having good heat dissipation, and easily capturing magnetic flux for synchronous rotation.
  • stator in order to exert high torque in a rotating machine using a superconducting material for the stator, increase the critical current in the core of the stator (the maximum current value that can formally maintain zero resistance in the superconducting state). Is mentioned as one means.
  • the critical current in the iron core of the stator for example, it is conceivable to use a stator having a toroidal structure (hereinafter, the stator having a toroidal structure may be simply referred to as a "toroidal stator").
  • toroidal stators has been considered disadvantageous in terms of energy conversion efficiency in conventional induction motors that use normal conductive materials, but in motors that use superconductivity for the stator, it is disadvantageous due to energy conversion efficiency.
  • the effect of improving the critical current in the iron core works more predominantly than the above points.
  • the toroidal stator has a large leakage flux not only to the inside in the radial direction but also to the outside due to its structure. Since the leakage flux does not contribute to torque, it is known to contribute to a decrease in energy conversion efficiency from electric power to torque and to affect peripheral devices. Therefore, in order to prevent the influence on peripheral devices, it is necessary to install a magnetic flux leakage preventing means such as a magnetic shield on the outside of the toroidal stator in order to prevent the leakage flux.
  • An object of the present invention is to provide a superconducting rotary machine having excellent energy conversion efficiency in order to solve the above-mentioned problems.
  • the present invention has a stator core having a tubular shape and a stator winding formed of a superconducting material wound around the stator core in a toroidal shape, and a stator that generates a rotating magnetic field, and the stator among the stators.
  • An inner rotor rotatably held on the circumferential side and an outer rotor rotatably held on the outer peripheral side of the stator are provided, and the inner rotor and the outer rotor are singular or plural, respectively.
  • Superconducting wire winding (a) with rotor bar and end ring made of book superconducting material and normal conducting rod winding with rotor bar and end ring made of one or more normal conducting materials (a) b) Provided is a superconducting rotor having at least one rotor winding selected from b) and a rotor core having a plurality of slots for accommodating each rotor bar of the rotor winding.
  • a toroidal stator that is wound in a toroidal shape around a tubular stator core and has a superconducting material as a stator winding is used, so that the critical current in the iron core is high. Further, since the outer rotor is rotatably held on the outer peripheral side of the stator, the leakage flux outward in the radial direction of the stator can be used as the output (torque) of the rotor. Therefore, the superconducting rotary machine of the present invention has excellent energy conversion efficiency and can further increase the output (torque).
  • the outer rotor acts as a magnetic shield to prevent leakage flux, it is possible to suppress the influence of leakage flux on peripheral devices.
  • a superconducting rotor in which at least one of the inner rotor and the outer rotor has at least a superconducting squirrel-cage winding (a) as the rotor winding.
  • the rotor using the superconducting squirrel-cage winding (a) since the superconducting squirrel-cage winding (a) is used for at least one of the inner rotor and the outer rotor, the rotor using the superconducting squirrel-cage winding (a) has a magnetic flux in the superconducting state. Synchronous rotation is possible by capturing.
  • At least one of the inner rotor and the outer rotor has a superconducting squirrel-cage winding (a) and a normal-conducting squirrel-cage winding (b) as the rotor winding.
  • a superconducting squirrel-cage winding a
  • b normal-conducting squirrel-cage winding
  • both the superconducting squirrel-cage winding (a) and the normal-conducting squirrel-cage winding (b) are used as the rotor windings for at least one of the inner rotor and the outer rotor.
  • the rotor using the squirrel-cage winding (a) and the current-conducting squirrel-cage winding (b) can switch between sliding rotation and synchronous rotation.
  • the inner rotor and the outer rotor provide a superconducting rotor having at least a superconducting squirrel-cage winding (a) as the rotor winding.
  • both the inner rotor and the outer rotor are synchronized by capturing the magnetic flux in the superconducting state. Rotation is possible.
  • the inner rotor and the outer rotor have at least a superconducting guide-shaped winding (a) as the rotor winding, and the superconducting guide-shaped winding of the inner rotor.
  • the critical current (A1) for putting (a-1) into the magnetic flux flow state and the critical current (A2) for putting the superconducting guide-shaped winding (a-2) of the outer rotor into the magnetic flux flow state are different. , Provides a superconducting rotor.
  • the inner rotor and the outer rotor have at least a superelectric guide-shaped winding (a) as the rotor windings, and the critical current (A1) of the inner rotor and the outer rotor. Since the critical current (A2) is different, the timing of capturing the magnetic flux in the superconducting state can be made different between the inner rotor and the outer rotor.
  • the inner rotor and the outer rotor have at least a superconducting squirrel-cage winding (a) as the rotor windings of the inner rotor and the outer rotor.
  • a superconducting rotor capable of switching only one of the superconducting squirrel windings (a) to a magnetic flux flow state.
  • the superelectric guided coil winding (a) is put into the magnetic flux flow state, or both rotors are put into the magnetic flux flow state. Since it can be switched, for example, when the load is low, only one of the inner rotor and the outer rotor, the superelectric guided coil winding (a), can be in the magnetic flux flow state. Even when the load is low, the Joule loss is reduced and the rotor can rotate with high efficiency.
  • a critical current (A1) for bringing the superconducting lead winding (a-1) of the inner rotor into a magnetic flux flow state and a superconducting lead winding (a) of the outer rotor. -2) is different from the critical current (A2) for putting the magnetic flux flow state, and depending on the difference between the critical current (A1) and the critical current (A2), either the inner rotor or the outer rotor
  • a superconducting rotary machine capable of switching only one superconducting lead winding (a) to a magnetic current flow state.
  • the critical current (A1) and the critical current (A2) since there is a difference between the critical current (A1) and the critical current (A2), a superconducting guided coil winding having a low critical current in a synchronous rotation state under a low load (low current). An induced current that captures the magnetic flux can be passed only in (a).
  • the superelectric guided squirrel-cage winding (a) is autonomously placed in a magnetic flux flow state according to the load (rotational speed) without providing a physical switch or the like. It is possible to switch between a mode that enables the mode and a mode that enables the magnetic flux flow state of both rotors.
  • FIG. 1 It is a schematic diagram for demonstrating the magnetic mirror image effect in a toroidal stator. It is explanatory drawing which shows an example of the axial cross section and the radial cross section of a superconducting rotary machine. It is explanatory drawing which shows an example of the structure of the toroidal stator. It is explanatory drawing which shows an example of the structure of a rotor. It is a figure which shows the magnetic flux line (FEM analysis result) when the superconducting rotating machine is energized. It is a graph which shows the relationship between the torque and the slip at the time of a slip rotation in a normal conduction state, and at the time of a slip or a synchronous rotation in a superconducting state.
  • FEM analysis result magnetic flux line
  • the superconducting rotor of the present invention uses a toroidal stator using a superconducting material, and can increase the critical current in the stator core.
  • the reason why the critical current in the stator core is increased by using the toroidal stator will be described below with reference to FIG.
  • FIG. 1 is a schematic view for explaining a magnetic mirror image effect in a toroidal stator, FIG. 1 (A) shows a normal winding method, and FIG. 1 (B) shows a toroidal winding.
  • FIG. 1 (A) when an electric current is passed through the superconducting material 1A (conductor) arranged between the two magnetic bodies 2 from the front to the back of the paper, the circumference of the conductor 1A in the figure is determined by the right-handed screw rule. A magnetic field is generated in the direction indicated by the arrow. At this time, a magnetic mirror image 3A shown by a broken line is generated in each magnetic body 2. In relation to the magnetic field generated by the magnetic mirror image 3A, the magnetic field in the space 4 in which the superconducting material 2A exists is parallel to the magnetic flux direction parallel to the magnetic body 2 (parallel to the direction indicated by the arrow X in FIG. 1) due to the magnetic mirror image effect.
  • the vertical direction the direction indicated by the arrow Y in FIG. 1
  • the larger the component (vertical magnetic field) applied in the direction perpendicular to the wide cross-sectional surface the larger the magnetic field vector applied to the superconducting material.
  • the critical current drops. Therefore, for example, the long side side (wide cross-sectional surface side) of the superconducting material 1A is parallel to the depth direction of the magnetic material 2 (indicated by arrow Y in FIG. 1) as in the conventional winding method of FIG. 1 (A).
  • the direction in which the magnetic field is strengthened coincides with the direction in which the critical current of the superconducting material is weakened, and the magnetic flux component (parallel magnetic flux) indicated by a thick arrow around the superconducting material 1A.
  • the critical current is greatly reduced by the component).
  • the critical current is also reduced by the magnetic flux component indicated by the thin arrow in FIG. 1 (A), but the degree is small. That is, as shown in FIG. 1 (A), the long side side (wide cross-sectional surface side) of the superconducting material 1A is parallel to the depth direction of the magnetic body 2 (direction parallel to the direction indicated by the arrow Y in FIG. 1).
  • the parallel magnetic field component strengthened by the magnetic mirror image effect coincides with the direction in which the critical current of the superconducting material is weakened, so that the critical current is greatly reduced.
  • the long side side (wide cross-sectional surface side) of the rectangular superconducting material 1B having a high aspect ratio of the cross-sectional shape is perpendicular to the depth direction of the magnetic body 2.
  • the critical current of the superconducting material 1B is greatly reduced by the vertical magnetic field component indicated by the thin arrow in FIG. 1 (B).
  • the vertical magnetic field component weakened by the magnetic mirror image effect and the direction in which the critical current of the superconducting material weakens coincide with each other.
  • the critical current in the magnetic material (iron core) can be improved as compared with the above.
  • the relationship between "vertical” and “parallel” is a concept including a relationship of substantially vertical and substantially parallel.
  • the superconducting material may be used as a configuration that can be bent in a direction perpendicular to the long side in order to pass the superconducting material to the stator core.
  • the long side (rectangular) side of the cross-sectional shape (rectangular)
  • the (wide cross-sectional side) is perpendicular to the radial direction (depth direction) of the stator.
  • the direction in which the superconducting material having a rectangular cross section can be ticketed is the radial direction of the stator (that is, the direction perpendicular to the long side of the cross section of the superconducting material).
  • the superconducting material when the superconducting material is installed in the slot or groove of the stator core so that the long side (wide cross-sectional side) of the cross-sectional shape (rectangle) is perpendicular to the radial direction (depth direction) of the stator.
  • the material In order to wind the material around the stator, the material is wound in a toroidal manner. Therefore, by winding the superconducting material around the stator core in a toroidal manner, the critical current in the stator core can be increased.
  • the relationship between the long side (wide cross-sectional side) of the cross-sectional shape (rectangle) of the superconducting material and the radial direction (depth direction) of the stator is the relative space between the space inside the (vertical) slot and the superconducting material.
  • the long side direction itself of the slot may be slightly tilted with respect to the radial direction of the stator (for example, in the circumferential direction).
  • the superconducting material used for the stator in the present invention is not limited to a material having a rectangular cross section, and for example, a bulk material having a low aspect ratio of the cross-sectional shape, that is, a substantially circular or substantially square bulk material can be used. .. Even when such a material is used, the stator core is formed by matching the c-axis direction of the crystal structure of the superconducting material with the direction of the magnetic field generated by the right-handed screw rule as shown in FIG. 1 (B).
  • the critical current in the stator core can be increased.
  • FIG. 2 is an explanatory view showing an example of an axial cross section (see FIG. 2A) and a radial cross section (see FIG. 2B) of the superconducting rotary machine 100 of the present embodiment.
  • the superconducting rotor 100 has a stator winding formed of a superconducting wire rod wound in a toroidal shape around a tubular stator core, and has a toroidal stator 12 that generates a rotating magnetic field.
  • the inner rotor 20 is rotatably held on the inner peripheral side of the toroidal stator 12, and the outer rotor 30 is rotatably held on the outer peripheral side of the toroidal stator 12. Further, the toroidal stator 12, the inner rotor 20, and the outer rotor 30 are housed in a cylindrical case 50. As described below, in the superconducting rotor 100 of the present embodiment, the inner rotor 20 and the outer rotor 30 are rotated by passing a three-phase current through the toroidal stator 12, and the energy conversion efficiency is excellent. High torque output can be obtained.
  • FIG. 3 is an explanatory diagram showing an example of the configuration of the toroidal stator 12.
  • the toroidal stator 12 has a tubular stator core 14 and a stator winding 16 wound around the stator core 14 in a toroidal shape and formed of a superconducting wire, and is fixed.
  • a rotating magnetic field is generated by passing a three-phase current through the child winding 16.
  • the stator core 14 is a member having a cylindrical shape and an annular cross section in the radial direction thereof. Further, as the stator core 14, a member obtained by laminating electromagnetic steel sheets such as silicon steel sheets in the axial direction can be used. Further, the stator core 14 is provided with a slot (not shown), and the stator winding 16 is housed in the slot. As shown in FIG. 2, the stator core 14 is fixed to the inner wall of the case 50 of the superconducting rotary machine 100 via the joint portion 14A. Although a stator having a slot is used in the present embodiment, the present invention is not limited to this embodiment, and a stator provided with an open slot or a groove may be used instead of the slot. It is possible.
  • the stator winding 16 is formed by bundling a plurality of superconducting wires (bismuth-based high-temperature superconducting wires in this embodiment), and each wire has a rectangular cross-sectional shape (however, it is not limited to the cross section). No). Although not shown, the plurality of superconducting wires laminated in the radial direction of the stator are arranged so that the long side (wide side of the cross section) of the rectangular cross section of each wire crosses perpendicularly to the radial direction of the stator. ing.
  • the superconducting wire is composed of a plurality of bismuth-based high-temperature superconducting filaments coated with a highly conductive metal such as copper, aluminum, silver, and gold.
  • the stator winding 16 is inserted into a slot on the surface of the stator core 14, and is wound around the stator core 14 in a toroidal manner to serve as a coil.
  • 24 slots are provided on the inner peripheral surface and the outer peripheral surface of the stator core 14 so as to be arranged at equal intervals in the circumferential direction. Further, each slot is formed so as to be continuous over the inner peripheral surface and the outer peripheral surface of the stator core.
  • the term “outside” of the stator means the outer peripheral surface side of the stator
  • the term “inside” of the stator means the inner peripheral surface side of the stator. means.
  • the stator windings 16 are arranged counterclockwise so that a rotating magnetic field is generated in the order of the stator windings 16U, 16V, and 16W along the direction around the stator core 14. It has been wound).
  • the stator winding 16 is a three-phase winding, and each is connected.
  • the superconducting rotor 100 is a three-phase motor, and each stator winding 16 is assigned to any one of a U-phase coil, a V-phase coil, and a W-phase coil. That is, 24 superconducting coils are arranged on the stator core 14.
  • eight U-phase superconducting coils (stator winding 16U), eight V-phase superconducting coils (stator winding 16V), and eight W-phase superconducting coils (stator winding 16W) It is arranged in the stator core 14.
  • the eight U-phase superconducting coils are electrically connected in series, the eight V-phase superconducting coils are electrically connected in series, and the eight W-phase superconducting coils are electrically connected in series.
  • the method of connecting the stator windings 16 may be a series connection or a parallel connection.
  • FIG. 4 is an explanatory diagram showing an example of the configuration of the rotor. Specifically, FIG. 4 (A) shows a rotor core, FIG. 4 (B) shows a superconducting squirrel-cage winding (a), and FIG. 4 (C) shows a normal electric squirrel-cage winding (b). ..
  • the superconducting rotor 100 of the present embodiment has an inner rotor 20 rotatably held on the inner peripheral side of the toroidal stator 12 and an outer side rotatably held on the outer peripheral side.
  • a rotor 30 is provided.
  • each rotor core of the inner rotor 20 and the outer rotor 30 is connected via a connecting portion 20A, and the inner rotor 20 and the outer rotation are rotated. It is configured to rotate as a unit with the child 30.
  • the inner rotor 20 includes a superconducting guide squirrel winding 22A, a normal electric guide squirrel winding 22B, and an inner rotor core 24.
  • the outer rotor 30 includes a superconducting guide squirrel winding 32A, a normal electric guide squirrel winding 32B, and an outer rotor core 34.
  • the inner rotor core 24 and the outer rotor core 34 are connected to each other via the connecting portion 20A, and are configured to be integrated.
  • the inner rotors 20 are arranged on the inner peripheral side of the toroidal stator 12 at predetermined intervals. Subsequently, as shown in FIG. 4A, the inner rotor core 24 of the inner rotor 20 has a cylindrical shape, and a plurality of slots for accommodating each rotor bar of the rotor winding on the outer peripheral surface side thereof. It is equipped with 24S. Further, the inner rotor 20 includes a rotating shaft 40 coaxially attached to the inner rotor core 24.
  • the inner rotor 20 is formed of a superconducting squirrel-cage winding 22A having a rotor bar 26A and an end ring 28A formed of the superconducting wire shown in FIGS. 4 (B) and 4 (C), and a normal conducting wire. It includes a rotor bar 26B and a normal current guide squirrel winding 22B with an end ring 28B.
  • an inner rotor having a slot is used in the present embodiment, the present invention is not limited to this embodiment, and an inner rotor provided with an open slot or a groove is used instead of the slot. Is also possible.
  • the inner rotor core 24 can be formed by laminating electromagnetic steel sheets such as silicon steel sheets in the axial direction. As shown in FIG. 4A, a rotation shaft receiving hole 28 for receiving the rotation shaft 40 is formed in the central portion of the inner rotor core 24. Further, as described above, a plurality of slots 24S penetrating in the axial direction are formed in the vicinity of the outer periphery of the inner rotor core 24 at predetermined intervals in the circumferential direction. In the present embodiment, the slot 24S is formed obliquely with respect to the axial direction of the inner rotor core 24, and has an oblique slot (skew) configuration.
  • the present invention is not limited to this aspect, and for example, the slot 24S is parallel to the axial direction of the inner rotor core 24 (the angle formed by the axial direction of the inner rotor core 24 and the slot 24S is different. It may be 0 °).
  • the superconducting lead winding 22A is composed of a plurality of rotor bars 26A and a pair of annular end rings 28A that short-circuit both ends of each rotor bar 26A.
  • the plurality of rotor bars 26A are housed in slots 24S of the inner rotor core 24.
  • the rotor bar 26A is formed by bundling a plurality of superconducting wires (bismuth-based high-temperature superconducting wires in this embodiment) and has a rectangular cross section (however, the rotor bar 26A is not limited to the rectangular cross section).
  • the superconducting wire can be formed by, for example, coating a plurality of bismuth-based high-temperature superconducting filaments with a highly conductive metal such as copper, aluminum, silver, or gold.
  • the number of rotor bars 26A is the same as the number of slots 24S of the inner rotor core 24. That is, in this embodiment, the number of rotor bars 26A and slots 24S is 24, respectively.
  • the rotor bars 26A are arranged at predetermined intervals in the circumferential direction in order to form a car having a cylindrical and skew structure, and are arranged obliquely with respect to the axial direction of the car.
  • the present invention is not limited to this aspect, and for example, the rotor bar 26A is parallel to the axial direction of the inner rotor core 24 (the axial direction of the inner rotor core 24 and the rotor bar 26A are formed).
  • the superconducting rod winding 22A may be configured so that the angle is 0 °).
  • the rotor bar 26A is formed to be longer than the axial length of the inner rotor core 24, and protrudes from the slot 24S when it is housed in the slot 24S.
  • end ring 28A is configured by using a superconducting wire material such as a bismuth-based high-temperature superconducting wire material like the rotor bar 26A.
  • a superconducting wire material such as a bismuth-based high-temperature superconducting wire material like the rotor bar 26A.
  • the normal electric guide coil 22B is composed of a plurality of rotor bars 26B and a pair of annular end rings 28B that short-circuit both ends of each rotor bar 26B.
  • the plurality of rotor bars 26B are housed in slots 24S of the inner rotor core 24.
  • the rotor bar 26B is made of a highly conductive material such as copper, aluminum, silver, and gold, and has a rectangular cross section (however, the rotor bar 26B is not limited to the rectangular cross section).
  • the number of rotor bars 26B is the same as the number of slots 24S of the inner rotor core 24. That is, in this embodiment, the number of rotor bars 26B is 24.
  • the rotor bars 26B are arranged at predetermined intervals in the circumferential direction so as to form a cylindrical and skewed car larger than the superconducting cage winding 22A, and are oblique to the axial direction of the car. Have been placed.
  • the present invention is not limited to this aspect, and for example, the rotor bar 26B is parallel to the axial direction of the inner rotor core 24 (the axial direction of the inner rotor core 24 and the rotor bar 26B form).
  • the superconducting rod winding 22A may be configured so that the angle is 0 °).
  • the rotor bar 26B is formed longer than the axial length of the inner rotor core 24, and protrudes from the slot 24S when it is housed in the slot 24S.
  • the rotor bar 26B is inserted in the slot 24S and outside the rotor bar 26A of the superconducting squirrel-cage winding 22A. That is, in the inner rotor 20, in the slot 24S, the rotor bar 26A formed of the superconducting wire is arranged on the inner side (center side), and the rotor bar 26B formed of the normal conductive wire is arranged on the outer side (outer peripheral side) of the rotor bar 26A. Will be placed.
  • the end ring 28B is made of a highly conductive material such as copper, aluminum, silver, and gold, like the rotor bar 26B.
  • Each end of the rotor bar 26B protruding from the slot 24S is joined to each of the pair of end rings 28B.
  • the rotating shaft 40 is inserted and attached to the rotating shaft receiving hole 28 of the inner rotor core 24.
  • the rotating shaft 40 is rotatably supported in the case 50 via a bearing 42 such as a bearing.
  • the outer rotors 30 are arranged on the outer peripheral side of the toroidal stator 12 at predetermined intervals.
  • the outer rotor core 34 of the outer rotor 30 has a tubular shape, and a plurality of slots for accommodating each rotor bar of the rotor winding on the inner peripheral surface side thereof. It is equipped with 34S.
  • the outer rotor 30 is formed of a superconducting squirrel-cage winding 32A having a rotor bar 36A and an end ring 38A formed of the superconducting wire shown in FIGS. 4B and 4C, and a normal conducting wire.
  • the superconducting squirrel-cage winding 32A has substantially the same configuration as the normal-conducting squirrel-cage winding 22B of the inner rotor 20 except for the size and material.
  • the normal electric guide squirrel winding 32B has substantially the same configuration as the superconducting guide squirrel winding 22A of the inner rotor 20 except for the size and material. Therefore, in the superconducting guide coil 32A and the normal lead guide winding 32B, the corresponding drawing numbers are given in parentheses in FIGS. 4 (B) and 4 (C), respectively.
  • the outer rotor core 34 can be formed by laminating electromagnetic steel sheets such as silicon steel sheets in the axial direction. Further, as described above, a plurality of slots 34S penetrating in the axial direction are formed in the vicinity of the inner circumference of the outer rotor core 34 at predetermined intervals in the circumferential direction.
  • the slot 34S is formed obliquely with respect to the axial direction of the outer rotor core 34, and has an oblique slot (skew) configuration. Further, as shown in FIG. 2, the outer rotor core 34 and the inner rotor core 24 are connected at one end via a connecting portion 20A.
  • the present invention is not limited to this aspect, and for example, the slot 34S is parallel to the axial direction of the outer rotor core 34 (the angle formed by the axial direction of the outer rotor core 34 and the slot 34S is different. It may be 0 °).
  • an outer rotor provided with a slot is used in the present embodiment, the present invention is not limited to this embodiment, and the outer rotor provided with an open slot or a groove instead of the slot. It is also possible to use.
  • the superconducting lead winding 32A is composed of a plurality of rotor bars 36A and a pair of annular end rings 38A that short-circuit both ends of each rotor bar 36A.
  • the plurality of rotor bars 36A are housed in slots 34S of the outer rotor core 34.
  • the rotor bar 36A is formed by bundling a plurality of superconducting wires (bismuth-based high-temperature superconducting wires in this embodiment) and has a rectangular cross section (however, the rotor bar 36A is not limited to the rectangular cross section).
  • the superconducting wire can be formed by, for example, coating a plurality of bismuth-based high-temperature superconducting filaments with a highly conductive metal such as copper, aluminum, silver, or gold.
  • the number of rotor bars 36A is the same as the number of slots 34S of the outer rotor core 34. That is, in this embodiment, the number of rotor bars 36A and slots 34S is 24, respectively.
  • the rotor bars 36A are arranged at predetermined intervals in the circumferential direction in order to form a car having a cylindrical and skew structure, and are arranged obliquely with respect to the axial direction of the car.
  • the present invention is not limited to this aspect, and for example, the rotor bar 36A is parallel to the axial direction of the outer rotor core 34 (the angle formed by the axial direction of the outer rotor core 34 and the rotor bar 36A). May be configured to be 0 °).
  • the rotor bar 36A is formed to be longer than the axial length of the outer rotor core 34, and protrudes from the slot 34S when it is housed in the slot 34S.
  • end ring 38A is configured by using a superconducting wire material such as a bismuth-based high-temperature superconducting wire material like the rotor bar 36A.
  • a superconducting wire material such as a bismuth-based high-temperature superconducting wire material like the rotor bar 36A.
  • the normal electric guide coil 32B is composed of a plurality of rotor bars 36B and a pair of annular end rings 38B that short-circuit both ends of each rotor bar 36B.
  • the plurality of rotor bars 36B are housed in slots 34S of the outer rotor core 34.
  • the rotor bar 36B is made of a highly conductive material such as copper, aluminum, silver, and gold, and has a rectangular cross section (however, the rotor bar 36B is not limited to the rectangular cross section).
  • the number of rotor bars 36B is the same as the number of slots 34S of the outer rotor core 34. That is, in this embodiment, the number of rotor bars 36B is 24.
  • the rotor bars 36B are arranged at predetermined intervals in the circumferential direction so as to form a cylindrical and skewed car smaller than the superconducting cage winding 32A, and are oblique to the axial direction of the car. Have been placed.
  • the present invention is not limited to this aspect, and for example, the rotor bar 36B is parallel to the axial direction of the outer rotor core 34 (the angle formed by the axial direction of the outer rotor core 34 and the rotor bar 36B). May be configured to be 0 °).
  • the rotor bar 36B is formed longer than the axial length of the outer rotor core 34, and protrudes from the slot 34S when it is housed in the slot 34S.
  • the rotor bar 36B is inserted in the slot 34S and inside the rotor bar 36A of the superconducting squirrel-cage winding 32A. That is, in the outer rotor 30, in the slot 34S, the rotor bar 36B formed of the normal conductive wire is arranged on the inner side (center side), and the rotor bar 36A formed of the superconducting wire is arranged on the outer side (outer peripheral side) of the rotor bar 36B. Will be placed.
  • the end ring 38B is made of a highly conductive material such as copper, aluminum, silver, and gold, like the rotor bar 36B.
  • Each end of the rotor bar 36B protruding from the slot 34S is joined to each of the pair of end rings 38B.
  • the superconducting rotating machine 100 when driving the rotating machine, first, at least the stator winding 16 of the toroidal stator 12 configured by using the superconducting wire is cooled, and then the superconducting state is obtained. To. At this time, it is preferable that the superconducting squirrel-cage winding 22A of the inner rotor 20 and the superconducting squirrel-cage winding 32A of the outer rotor 30 are cooled at the same time. Then, when a three-phase alternating current is applied to the superconducting rotor 100, a current flows through the stator winding 16 of the toroidal stator 12, and a rotating magnetic field is generated in the stator core 14. At this time, since the toroidal stator 12 is used in this embodiment, a rotating magnetic field is generated not only on the inner peripheral side but also on the outer peripheral side of the toroidal stator 12.
  • FIG. 5 is a diagram showing magnetic flux lines (FEM analysis results) when the superconducting rotating machine is energized. As shown in FIG. 5, it can be seen that when a three-phase alternating current is applied to the superconducting rotating machine 100 of the present embodiment, magnetic flux lines are generated on both the inner peripheral side and the outer peripheral side of the toroidal stator 12. ..
  • FIG. 6 is a graph showing the relationship between the torque and the slip during the slip rotation in the normal conduction state and during the slip or synchronous rotation in the superconducting state.
  • the superconducting rotary machine 100 when the superconducting rod windings 22A and 32A change from the normal conduction state to the superconducting state, the superconducting rod windings 22A and 32A capture the magnetic flux of the rotating magnetic field by the toroidal stator 12. By doing so, a synchronous torque is generated (see FIG. 7 (C)).
  • the superconducting rotor 100 rotates with the synchronous torque drive, and each rotor exhibits torque characteristics corresponding to the "synchronous rotation (superconducting state)" shown in FIG.
  • this synchronous rotation extremely slight slippage may occur due to the influence of the connection resistance between each rotor bar and the end ring, but it can be regarded as synchronous rotation as a device characteristic.
  • the superconducting rotor 100 has the torque characteristics as shown in FIG. 6 in each rotor, and each rotor rotates by the induced (sliding) torque driving in the normal conducting state, and normally in the superconducting state. It rotates with synchronous torque driving when loaded and induced (sliding) torque driving when overloaded.
  • the superconducting rotating machine 100 configured as described above can be applied to applications in which rotating machines are used, such as automobiles (small automobiles, medium-sized automobiles, large automobiles such as buses and trucks), railways, submarines, aircraft, and ships.
  • rotating machines such as automobiles (small automobiles, medium-sized automobiles, large automobiles such as buses and trucks), railways, submarines, aircraft, and ships.
  • it can be applied to the superconducting motive system described in International Publication WO2009 / 116219A.
  • the superconducting rotating machine 100 can be applied to a system provided with driven means such as wheels, propellers, and screws that rotate by connecting to the rotating machine.
  • the system includes, for example, a superconducting rotating machine 100, a driven means such as a wheel connected to the superconducting rotating machine 100 directly or via another member, and cooling capable of cooling the superconducting rotating machine 100 until it becomes a superconducting state.
  • a device a control device that controls the cooling device in response to a cooling signal, and controls the superconducting rotary machine 100 via an inverter in response to a motor drive signal, and a battery for driving the superconducting rotary machine 100. It is composed.
  • the cooling device is not particularly limited as long as it can cool the toroidal stator 12, the superconducting rod windings 22A and 32A using superconductivity in the superconducting rotating machine 100 until it reaches the superconducting state (below the critical temperature).
  • a cooling device using helium gas, liquid nitrogen, or the like can be used as the refrigerant.
  • the control device is not particularly limited as long as it is a device that can drive and control the superconducting rotary machine 100 via a power supply device such as an inverter in response to a motor drive signal.
  • the control device controls the amplitude and frequency of the AC voltage applied to the stator winding 16 of the superconducting rotating machine 100 via a power supply device such as an inverter.
  • the control device can feedback-control the rotation speed and torque of the superconducting rotating machine 100.
  • the control device includes a sliding rotation control pattern (first control pattern) used when the superconducting rotary machine 100 rotates with the induced (sliding) torque driving, and when the superconducting rotating machine 100 rotates with the synchronous torque driving.
  • the synchronous rotation control pattern (second control pattern) used for the above in advance.
  • the sliding rotation control pattern a known control pattern used for a conventional induction motor can be adopted.
  • the synchronous rotation control pattern a known control pattern used for a conventional synchronous motor can be adopted.
  • the control device monitors the primary current signal, which is the signal of the primary current flowing in the stator winding 16, from the superconducting rotating machine 100, so that the superconducting rod windings 22A and 32A are brought into the superconducting state. It can be configured to determine whether or not there is (whether or not the superconducting rotating machine 100 is rotating by the synchronous torque drive). For example, if the rotor is rotating with synchronous torque driving, the synchronous rotation control pattern is applied to the superconducting rotor 100, and if not, it is assumed that the rotor is rotating with induction (sliding) torque driving. It can be configured to apply a sliding rotation control pattern.
  • the control device uses the superconducting coil windings 22A and 32A. It can be configured to increase the voltage applied to the stator winding 16 and / or the frequency of the applied voltage so as to be in a magnetic flux flow state.
  • the superconducting squirrel-cage windings 22A and 32A can capture the interlinkage magnetic flux even in a state below the critical temperature once they are in the magnetic flux flow state.
  • the superconducting squirrel windings 22A and 32A capture the magnetic flux due to the stator winding 16. It means that it is in the superconducting state when it is not in the state.
  • a shielding current flows through the superelectric guide squirrel windings 22A and 32A, and the superelectric guide squirrel windings 22A and 32A and the normal current guide squirrel windings 22B and 32B.
  • the interlinking magnetic flux becomes zero (see FIG. 7 (A)).
  • the control device increases the applied voltage and / or the frequency of the applied voltage to the stator winding 16 until the shielding current flowing through the superconducting coil windings 22A and 32A exceeds the critical current, and superconducting coil winding.
  • the wires 22A and 32A are brought into a magnetic flux flow state. Since a finite resistance is generated in the magnetic flux flow state, the magnetic flux can be interlinked with the superconducting squirrel-cage winding even if the temperature remains below the critical temperature (see FIG. 7B).
  • the inner rotor 20 and the outer rotor 30 are accelerated, and if the relative speed between the rotating magnetic field and the inner rotor 20 and the outer rotor 30 becomes smaller accordingly, the inner rotor 20 and the outer rotor 30 flow into the superconducting rod windings 22A and 32A. The current is automatically reduced. Finally, when the current flowing through the superconducting squirrel windings 22A and 32A falls below the critical current, the superconducting squirrel windings 22A and 32A capture the interlinkage magnetic flux (see FIG. 7C).
  • the present invention is not limited to this aspect.
  • the superconducting wire used for the stator winding 16 of the toroidal stator 12 the superconducting wire having a critical temperature higher than the critical temperature of at least one of the superconducting wire rods 22A and 32A used for the superconducting coil windings 22A and 32A.
  • An example using a wire rod will be described.
  • the stator winding 16 is cooled to a temperature lower than the critical temperature of the superconducting wire used for the winding by a cooling device.
  • the cooling temperature is equal to or lower than the critical temperature of the superconducting wire used for the stator winding 16 of the toroidal stator 12, and is higher than the critical temperature of at least one of the superconducting wires used for the superconducting coil windings 22A and 32A.
  • the superconducting rotor 100 is started in a state where at least one of the superconducting coil windings 22A and 32A is in a normal conducting state at a high temperature.
  • a superconducting wire material having a critical temperature higher than the critical temperature of at least one of the superconducting wire materials used for the superconducting rod windings 22A and 32A is used.
  • at least one of the superconducting lead windings 22A and 32A is in the normal conducting state. Therefore, in the rotor in the normal conducting state, the induction (sliding) torque generated in the normal conducting lead windings 22B or 32B. Becomes dominant. That is, the superconducting rotor 100 rotates due to the induction (sliding) torque of the rotor that is not in the superconducting state.
  • both or one of the superconducting squirrel windings 22A and 32A is in the normal conduction state, cooling is continued. In this case, the superconducting rotary machine 100 still operates as an induction motor until either one of the superconducting guide windings 22A and 32A falls below the critical temperature.
  • the control device determines that the shielding current flowing through the superconducting coil windings 22A and 32A exceeds the critical current. Up to, the voltage applied to the stator winding 16 and / or the frequency of the applied voltage is increased to bring the superconducting lead windings 22A and 32A into a magnetic flux flow state. In the magnetic flux flow state, as described above, the magnetic flux can be interlinked with each superconducting squirrel-cage winding even if the temperature remains below the critical temperature.
  • the inner rotor 20 and the outer rotor 30 are accelerated, and if the relative speed between the rotating magnetic field and the inner rotor 20 and the outer rotor 30 becomes smaller accordingly, the inner rotor 20 and the outer rotor 30 flow into the superconducting rod windings 22A and 32A.
  • the current is automatically reduced.
  • the superconducting squirrel windings 22A and 32A capture the interlinkage magnetic flux. Then, the superconducting rotary machine 100 rotates with a synchronous torque drive.
  • the control device applies the synchronous rotation control pattern to the superconducting rotary machine 100 that rotates by the synchronous torque drive, and drives and controls the superconducting rotary machine 100. That is, in the superconducting state, the superconducting rotating machine 100 exhibits the torque characteristics corresponding to the "synchronous rotation (superconducting state)" of FIG.
  • the output (torque / Nm) with respect to the drive time was compared for the superconducting rotors of Examples and Comparative Examples.
  • a superconducting rotor having a toroidal stator and an inner rotor and an outer rotor was used.
  • a superconducting rotor having a toroidal stator and an inner rotor was used.
  • the following conditions are common to both the superconducting rotors of the example and the comparative example (the superconducting rotor of the comparative example has a configuration that does not have an outer rotor with respect to the superconducting rotor of the embodiment). Is. The results are shown in FIG.
  • Example (1) the result of measuring the torque of both the inner rotor and the outer rotor (hereinafter referred to as Example (1)) using the superconducting rotor of the embodiment is shown by a “single point chain line”, and the torque of the inner rotor is shown.
  • Example (2) The result of measuring only the outer rotor
  • Example (3) the result of measuring only the torque of the outer rotor
  • the result of measuring the torque of the inner rotor using the superconducting rotor of the comparative example is shown by the "chain line”. As shown in FIG.
  • the average torque was about 110 Nm in 0 to 0.1 seconds, and maintained 100 Nm or more. ..
  • the average torque of the superconducting rotor (inner rotor only) of the comparative example was about 60 Nm in 0 to 0.1 seconds.
  • the torque of the inner rotor (Example (2)) and the torque of the outer rotor (Example (3)) in the superconducting rotor of the embodiment are about 50 Nm and about 60 Nm, respectively, in 0 to 0.1 seconds. Met.
  • the outer rotor 30 acts as a magnetic shield that prevents leakage flux on the radial outer side of the toroidal stator 12. Therefore, it is possible to suppress the influence of the leakage flux from the superconducting rotating machine 100 on the peripheral equipment without providing a separate magnetic shield.
  • the superconducting rotary machine 100 since both the superconducting guide-shaped winding (a) and the normal-conducting lead-shaped winding (b) are used as the rotor windings for the inner rotor 20 and the outer rotor 30, slippage is performed. Rotation and synchronous rotation are possible. Therefore, it is possible to operate with high efficiency at the time of synchronous rotation, and it is possible to operate at sliding rotation even when the synchronization is lost for some reason or until the superconducting state is reached.
  • the superconducting rotary machine 100 has a critical temperature higher than the critical temperature of at least one of the superconducting wire rods 22A and 32A used for the superconducting wire windings 22A and 32A as the superconducting wire material used for the stator winding 16 of the toroidal stator 12.
  • the superconducting rotary machine 100 can be started by sliding rotation. Therefore, at the time of starting, in order to increase the applied voltage and / or the frequency of the applied voltage to the stator winding 16 until the shielding current flowing through the superconducting lead winding 22A or 32A exceeds the critical current. , It is not necessary to put the superconducting coil windings 22A and 32A in the magnetic flux flow state, and the superconducting rotating machine 100 can be started smoothly.
  • the superconducting wire windings 22A and 32A are composed of the superconducting wire, the heat dissipation is better when heat is generated than when the superconducting bulk material is used. .. Further, since the superconducting squirrel windings 22A and 32A of the superconducting rotating machine 100 are made of a superconducting wire material having a small current capacity, the magnetic flux flow state can be easily achieved as compared with the case where a superconducting bulk material having a large current capacity is used. can do.
  • the superconducting rotary machine 100 even when the superconducting coil windings 22A and 32A are in the superconducting state without capturing the magnetic flux, the superconducting coil windings 22A and 32A are once in the magnetic flux flow state. By setting this, the interlinkage magnetic flux can be easily captured and synchronous rotation can be performed.
  • both the inner rotor 20 and the outer rotor 30 have at least both a superconducting squirrel-cage winding (a) and a normal-conducting squirrel-cage winding (b) as rotor windings.
  • the present invention is not limited to this aspect.
  • the superconducting rotor 100 may have a mode in which both the inner rotor 20 and the outer rotor 30 have only a normal electric guide squirrel winding (b). In this case, the superconducting rotary machine functions only as a sliding rotary motor.
  • the superconducting rotor 100 may have a mode in which only one of the inner rotor and the outer rotor has at least a superconducting squirrel-cage winding (a) as the rotor winding.
  • a superconducting squirrel-cage winding
  • the superconducting rotor 100 may have, for example, a mode in which both the inner rotor 20 and the outer rotor 30 have only the superconducting squirrel-cage winding (a).
  • the superconducting rotary machine functions only as a rotary motor driven by synchronous torque driving.
  • the superconducting rotating machine 100 is a superconducting wire having a critical temperature higher than at least one of the superconducting wire rods 22A and 32A used for the superconducting wire windings 22A and 32A as the superconducting wire used for the stator winding 16 of the toroidal stator 12.
  • a wire rod is used, the present invention is not limited to this aspect. For example, even when the critical temperature of the superconducting wire used for the stator winding 16 is equal to or lower than the critical temperature of the superconducting wire used for the superconducting coil windings 22A and 32A, the superconducting rotor 100 is started. It is possible.
  • the control device increases the voltage applied to the stator winding 16 and / or the frequency of the applied voltage until the shielding current flowing through the superconducting coil windings 22A and 32A exceeds the critical current, thereby superconducting the superconductivity.
  • the cage windings 22A and 32A can be put into a magnetic flux flow state. In the magnetic flux flow state, the magnetic flux can be interlinked with the superconducting squirrel-cage winding even if the temperature remains below the critical temperature.
  • the inner rotor 20 and the outer rotor 30 are accelerated and the relative speed between the rotating magnetic field and the inner rotor 20 and the outer rotor 30 becomes smaller accordingly, they flow into the superconducting rod windings 22A and 32A.
  • the current is automatically reduced.
  • the superconducting squirrel windings 22A and 32A capture the interlinkage magnetic flux. Then, the superconducting motor 1 can be rotated by the synchronous torque drive.
  • the superconducting rotary machine 100 uses only the superconducting wire material for the stator winding 16 of the toroidal stator 12, but the present invention is not limited to this embodiment.
  • the toroidal stator 12 may have other windings (normal conduction windings) using the normal conduction wire material in addition to the stator windings 16.
  • the superconducting rotor 100 can be configured to form a magnetic pole on the toroidal stator 12 with a normal conducting winding so that a rotating magnetic field can be generated even in the normal conducting state. According to this configuration, for example, the superconducting rotary machine 100 can be started and driven even before the superconducting wire material of the stator winding 16 is in the superconducting state.
  • the inner rotor 20 and the outer rotor 30 have at least a superconducting guide rod winding (a) as the rotor windings, and the superconducting guide rod winding 22A of the inner rotor 20 flows through the magnetic flux flow.
  • the critical current (A1) for setting the state and the critical current (A2) for setting the superconducting rod winding 32A of the outer rotor 30 in the magnetic flux flow state can be configured to be different. According to this configuration, for example, one rotor can be in a magnetic flux flow state at a critical current lower than the other, so that the timing of capturing the interlinkage magnetic flux in the two rotors is different. be able to. As a result, both rotors slide and rotate, one rotor slides and the other rotor rotates synchronously, and both rotors rotate synchronously. It can be switched according to the situation such as efficiency.
  • the inner rotor 20 and the outer rotor 30 have at least a superconducting squirrel-cage winding (a) as rotor windings, and the superconducting squirrel-cage winding 22A and the outer rotation of the inner rotor 20.
  • a superconducting squirrel-cage winding (a) as rotor windings
  • the superconducting squirrel-cage winding 22A and the outer rotation of the inner rotor 20 7.
  • the magnetic flux can be linked only to the rotor having a low critical current at the time of a light load, and the other rotor having a high critical current can keep the magnetic flux shielded.
  • the superconducting rotor 100 is output (driven) with an appropriate load by only one rotor. However, it can be driven with high efficiency.
  • the load is high, high-efficiency operation is possible by interlinking magnetic fluxes between the two rotors to carry the output.
  • the switching mechanism by configuring the switching mechanism so that only one rotor can be in the magnetic flux flow state at low load and both rotors can be in the magnetic flux flow state at high load, both at low load and high load.
  • the superconducting rotary machine 100 can be driven with high efficiency.
  • switching mechanism is not limited to the means such as switching by a physical switch or a control means, but for example, the inner rotation is performed so that the critical currents for putting the two rotors into the magnetic flux flow state are different from each other.
  • the inner side is autonomously adjusted according to the load (rotor number) without providing a physical switch or the like. It is possible to switch between a mode in which only one of the rotor and the outer rotor is enabled in the magnetic flux flow state and a mode in which both rotors are enabled in the magnetic flux flow state.
  • the difference in the critical current for bringing the two rotors into the magnetic flux flow state becomes the above-mentioned "switching mechanism".
  • the inner rotor 20 and the inner rotor 20 and the outer rotor 30 are autonomously adjusted according to the load (rotor speed).
  • the principle of switching between a mode in which only one of the outer rotors 30 is enabled by the magnetic flux flow state and a mode in which both rotors are enabled in the magnetic flux flow state will be described.
  • the critical current of the superconducting squirrel-cage winding 22A of the inner rotor 20 is set to "Irc1”
  • the critical current of the superconducting squirrel-cage winding 32A of the outer rotor 30 is set to "Irc2”
  • the critical current is set to "Irc1 ⁇ Irc2”.
  • the relationship between Irc1 and Irc2 is not limited to this.
  • Is Is2 (Is2> Is1), Ir1> Irc1 and Ir2 ⁇ Irc2 (that is, when Ir1 becomes larger than the critical current Irc1)
  • the inner rotor 20 is started. Further, when the inner rotor 20 and the outer rotor are fixed to the same shaft as shown in FIG. 2, the inner rotor 20 and the outer rotor start at the same time.
  • the turns ratio between the stator winding and the superelectric guide coil winding 22A of the inner rotor 20 is set to n1 (> 1), and the stator winding and the superelectric guide coil winding 32A of the outer rotor 30 are set.
  • n2 > 1
  • Is2 can be regarded as a current that is the sum of "Ir1 / n1" and "Ir2 / n2", although it is not an exact value.
  • Ir2 reaches the synchronous rotation speed after starting, it settles at a current value that balances with the load.
  • the current value of the superconducting coil winding 22A of the inner rotor 20 is set to Ir1, st ( ⁇ Irc1), and the current value of the superconducting coil winding 32A of the outer rotor 30 is set to Ir1, st ( ⁇ Irc1).
  • Ir2 and st ( ⁇ Irc2) since Irc1 ⁇ Irc2, Is at this time flows only in Ir1, st / n1, that is, only in the superelectric induction coil 22A of the inner rotor 20, and Is It is small and the Joule loss generated in the winding is also small.
  • the superelectric guide-shaped winding 32A of the outer rotor 30 captures the magnetic flux and shifts to synchronous rotation, and both the outer rotor 30 and the inner rotor 20 bear the output. From the above, in the case of a light load, when the magnetic flux is captured and output only to the superelectrically guided squirrel-cage winding 22A rotor winding of the inner rotor 20, the magnetic flux is interlinked and output to both rotor windings. The loss can be made smaller than that.
  • the superconducting rotor 100 has described a mode in which the inner rotor 20 and the outer rotor 30 are coaxially fixed and exert an output (torque) by one rotating shaft, but the present invention is not limited to this mode. ..
  • the inner rotor 20 and the outer rotor 30 are integrally configured, but the inner rotor and the outer rotor may be configured to rotate independently.
  • FIG. 9 is an explanatory view showing an axial cross section of another example of the superconducting rotating machine. In FIG. 9, the same members as those in FIG. 2 are shown in the same drawing numbers, and the description thereof will be omitted.
  • the superconducting rotor 200 includes a toroidal stator 12, an inner rotor 60, and an outer rotor 70.
  • a rotation shaft 60A is connected to one end of the inner rotor 60.
  • a rotation shaft 70A is connected to one end of the outer rotor 70, and the inner rotor 60 and the outer rotor 70 are configured to be rotatable independently.
  • this configuration for example, it is possible to realize a configuration in which the rotation speed of the inner rotor (RS1) and the rotation speed of the outer rotor (RS2) are different. Further, according to the configuration, it is possible to realize a configuration in which the other rotor can be rotated while one of the inner rotor and the outer rotor is stopped.
  • the rotation speeds of both rotors and the rotation / stop switching are performed according to the surrounding environment, the remaining energy amount, the energy efficiency, and the like. be able to.
  • the superconducting wire described above is not limited to the bismuth-based high temperature superconducting wire, or a metal-based low-temperature superconducting wires represented by NbTi or Nb 3 Sn, yttrium-based high-temperature superconducting wire, a magnesium diboride superconducting wire be able to.
  • the present invention is not limited to this embodiment, and for example, the bulk as the superconducting material and the normal conductive material.
  • Materials may be used.
  • a bulk material can be used as a superconducting material and / or a normal conducting material depending on an application in which it is desired to use a material having a large current capacity in a stator or a rotor (for example, a large superconducting motor or the like).
  • the superconducting lead windings 22A and 32A and the normal current lead windings 22B and 32B are separate bodies, but these may be integrally configured. That is, the highly conductive metal in the superconducting wire rods 22A and 32A of the superconducting lead windings 22A and 32A may have a predetermined thickness or more, and the highly conductive metal portion may be the normal conducting lead windings 22B and 32B.
  • the normal electric guide squirrel winding 22B is arranged outside the inner rotor 20 and the superconducting guide squirrel 22A is arranged inside the inner rotor 20, but the superconducting guide squirrel winding 22A is arranged inside. 22A may be arranged on the outside.
  • the induction (sliding) torque in the normal conduction state and the induction (sliding) torque in the superconducting state can be increased, and when the superconducting guide winding 22A is on the outside. Can increase the synchronous torque in the superconducting state.
  • the arrangement of the superconducting guide squirrel winding 32A and the normal electric guide squirrel winding 32B in the outer rotor 30 may be changed.
  • the superconducting guide windings 22A and 32A and the normal current guide windings 22B and 32B are housed one by one in the slot 34S, but the present invention is not limited to this.
  • a slot for accommodating the superconducting guide windings 22A and 32A and a slot for accommodating the normal electric guide windings 22B and 32B may be provided separately.
  • the number of rotor bars 26A of the superconducting guide windings 22A and 32A and the number of rotor bars 26B of the normal electric guide windings 22B and 32B do not have to be the same.
  • some of the rotor bars 26A and 74a may be housed in the same slot, and the rest may be housed in separate slots.
  • the present embodiment is not limited to the above-described embodiment. Further, the present embodiment can be modified as long as it does not deviate from the purpose.
  • 12 Toroidal stator
  • 14 Stator core
  • 16 Stator winding
  • 20 60: Inner rotor
  • 22A, 32A Superconducting guide coil winding
  • 22B, 32B Normal current guiding rod winding
  • 24S, 34S Slot
  • 26A, 26B, 36A, 36B Rotor bar
  • 28A, 28B, 38A, 38B End ring
  • 30, 70 Outer rotor, 100, 200: Superconducting rotor

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Abstract

筒状の固定子鉄心及び前記固定子鉄心にトロイダル状に巻回され超電導材料で形成された固定子巻線を有し、回転磁界を発生させる固定子と、前記固定子の内周側に回転可能に保持された内側回転子と、前記固定子の外周側に回転可能に保持された外側回転子と、を備え、前記内側回転子及び外側回転子は、各々、単数又は複数本の超電導材料で形成されたローターバー及びエンドリングを有する超電導かご形巻線（ａ）及び単数又は複数本の常電導材料で形成されたローターバー及びエンドリングを有する常電導かご形巻線（ｂ）から選ばれる少なくとも一つの回転子巻線と、前記回転子巻線の各ローターバーを収容する複数のスロットを備えた回転子鉄心と、を有する、超電導回転機。

Description

超電導回転機
　本発明は、超電導回転機に関し、特に複数の回転子を備える回転電機に関する。
　電気機器である回転機は、直流機と交流機とに分類される。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、又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とに分類される。
　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、電磁石又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。
　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（下記特許文献１参照）。例えば、特許文献１によれば、誘導回転及び同期回転が可能であり、熱はけがよく、同期回転のための磁束捕捉が容易である超電導回転機が開示されている。
国際公開ＷＯ２００９／１１６２１９号公報
　超電導材料を用いた回転機としては、回転子に超電導材料を用いたものの他に固定子に超電導材料を用いたものが想定される。固定子に超電導材料を用いた回転機は、電力からトルクへのエネルギー変換効率が更に向上するものと推測される。
　一方、近年では回転機を用いる用途が年々拡充しており、出力（トルク）の高い回転機の開発が切望されている。例えば、固定子に超電導材料を利用した回転機において高いトルクを発揮させるためには、固定子の鉄心内臨界電流（超電導状態において形式的にゼロ抵抗を維持できる最大の電流値）を大きくすることが一つの手段として挙げられる。固定子の鉄心内臨界電流を高めるためには、例えば、トロイダル構造の固定子（以下、トロイダル構造の固定子を単に「トロイダル固定子」と称することがある。）を用いることが考えられる。この点、従前の常電導材料を用いた誘導モータではトロイダル固定子を用いることはエネルギー変換効率の観点から不利とされていたが、固定子に超電導を利用したモータにおいては、エネルギー変換効率による不利な点よりも鉄心内臨界電流の向上効果の方が優位に働く場合が多い。
　しかし、トロイダル固定子は、構造上径方向内側のみならずその外側への漏れ磁束が大きい。漏れ磁束はトルクに寄与しないため、電力からトルクへのエネルギー変換効率の低下の一因となると共に、周辺機器に影響を及ぼすことが知られている。このため、周辺機器への影響を阻止するためには、漏れ磁束を防ぐためにトロイダル固定子の外側に磁気シールド等の磁束漏れ防止手段を設置することが必要となる。
　本発明は、上述の課題を解決すべく、エネルギー変換効率に優れた超電導回転機を提供することを目的とする。
　本発明は、筒状の固定子鉄心及び前記固定子鉄心にトロイダル状に巻回され超電導材料で形成された固定子巻線を有し、回転磁界を発生させる固定子と、前記固定子の内周側に回転可能に保持された内側回転子と、前記固定子の外周側に回転可能に保持された外側回転子と、を備え、前記内側回転子及び外側回転子は、各々、単数又は複数本の超電導材料で形成されたローターバー及びエンドリングを有する超電導かご形巻線（ａ）及び単数又は複数本の常電導材料で形成されたローターバー及びエンドリングを有する常電導かご形巻線（ｂ）から選ばれる少なくとも一つの回転子巻線と、前記回転子巻線の各ローターバーを収容する複数のスロットを備えた回転子鉄心と、を有する、超電導回転機を提供する。
　本発明の超電導回転機によれば、筒状の固定子鉄心にトロイダル状に巻回され、超電導材料を固定子巻線として有するトロイダル固定子を用いるため、鉄心内臨界電流が高い。また、固定子の外周側に回転可能に保持された外側回転子を有するため、固定子の径方向外側への漏れ磁束を回転機の出力（トルク）として利用できる。このため、本発明の超電導回転機はエネルギー変換効率に優れ、さらに出力（トルク）を高めることができる。
　また、本発明の超電導回転機によれば、外側回転子が漏れ磁束を防ぐ磁気シールドの役割を果たすため、漏れ磁束による周辺機器への影響を抑制することができる。
　また、本発明の一態様としては、前記内側回転子及び前記外側回転子の少なくとも一方が、前記回転子巻線として少なくとも超電導かご形巻線（ａ）を有する、超電導回転機を提供する。
　本態様によれば、内側回転子及び外側回転子の少なくとも一方に、超電導かご形巻線（ａ）が用いられるため、超電導かご形巻線（ａ）を用いた回転子が超電導状態にて磁束を捕捉することで同期回転が可能となる。
　さらに本発明の一態様としては、前記内側回転子及び前記外側回転子の少なくとも一方が、前記回転子巻線として超電導かご形巻線（ａ）及び常電導かご形巻線（ｂ）を有する、超電導回転機を提供する。
　本態様によれば、内側回転子及び外側回転子の少なくとも一方に、回転子巻線として超電導かご形巻線（ａ）及び常電導かご形巻線（ｂ）の双方が用いられるため、超電導かご形巻線（ａ）及び常電導かご形巻線（ｂ）を用いた回転子がすべり回転及び同期回転の双方を切り替えて行うことが可能となる。
　さらに本発明の一態様としては、前記内側回転子及び前記外側回転子は、前記回転子巻線として少なくとも超電導かご形巻線（ａ）を有する、超電導回転機を提供する。
　本態様によれば、内側回転子及び外側回転子の双方に超電導かご形巻線（ａ）が用いられるため、内側回転子及び外側回転子の双方が超電導状態にて磁束を捕捉することで同期回転が可能となる。
　さらに本発明の一態様としては、前記内側回転子及び前記外側回転子は、前記回転子巻線として、少なくとも超電導かご形巻線（ａ）を有し、前記内側回転子の超電導かご形巻線（ａ－１）を磁束フロー状態にするための臨界電流（Ａ１）と前記外側回転子の超電導かご形巻線（ａ－２）を磁束フロー状態にするための臨界電流（Ａ２）とが異なる、超電導回転機を提供する。
　本態様によれば、内側回転子及び外側回転子が、回転子巻線として、少なくとも超電導かご形巻線（ａ）を有し、且つ、内側回転子の臨界電流（Ａ１）と外側回転子の臨界電流（Ａ２）とが異なるため、超電導状態にて磁束を捕捉するタイミングを内側回転子と外側回転子とで各々異なるようにすることができる。
　さらに本発明の一態様としては、前記内側回転子及び前記外側回転子は、前記回転子巻線として、少なくとも超電導かご形巻線（ａ）を有し、前記内側回転子及び前記外側回転子のいずれか一方の超電導かご形巻線（ａ）のみを磁束フロー状態に切り替え可能な、超電導回転機を提供する。
　本態様によれば、前記内側回転子及び前記外側回転子のいずれか一方の超電導かご形巻線（ａ）のみを磁束フロー状態にするか、又は、両回転子を磁束フロー状態にするかを切り替えることできるため、例えば、低負荷時には前記内側回転子及び前記外側回転子のいずれか一方の超電導かご形巻線（ａ）のみが磁束フロー状態となることが可能なように構成することで、低負荷時においてもジュール損失を低減し高効率で回転子が回転可能となる。
　さらに本発明の一態様としては、前記内側回転子の超電導かご形巻線（ａ－１）を磁束フロー状態にするための臨界電流（Ａ１）と前記外側回転子の超電導かご形巻線（ａ－２）を磁束フロー状態にするための臨界電流（Ａ２）とが異なり、前記臨界電流（Ａ１）と前記臨界電流（Ａ２）との差によって、前記内側回転子及び前記外側回転子のいずれか一方の超電導かご形巻線（ａ）のみを磁束フロー状態に切り替え可能な、超電導回転機を提供する。
　本態様によれば、前記臨界電流（Ａ１）と前記臨界電流（Ａ２）とに差があるため、低負荷時（低電流時）には、同期回転状態において臨界電流の低い超電導かご形巻線（ａ）のみに磁束を捕捉する誘導電流を流すことができる。これにより、物理的スイッチなどを設けることなく、負荷（回転数）に応じて自律的に前記内側回転子及び前記外側回転子のいずれか一方の超電導かご形巻線（ａ）のみを磁束フロー状態可能にするモードと、両回転子を磁束フロー状態可能にするモードとを切り替えることができる。
　本発明によれば、エネルギー変換効率に優れた超電導回転機を提供することができる。
トロイダル固定子における磁気鏡像効果を説明するための概略図である。 超電導回転機の軸方向断面及び径方向断面の一例を示す説明図である。 トロイダル固定子の構成の一例を示す説明図である。 回転子の構成の一例を示す説明図である。 超電導回転機に通電した際の磁束線（ＦＥＭ解析結果）を示す図である。 常電導状態におけるすべり回転時及び超電導状態におけるすべり又は同期回転時におけるトルクとすべりとの関係を示すグラフである。 遮蔽状態、磁束フロー状態及び磁束捕捉状態を説明するための概略図である。 複数の超電導回転機について駆動時間に対する出力（トルク／Ｎｍ）の結果を示すグラフである。 超電導回転機の他の例の軸方向断面を示す説明図である。
　本発明の超電導回転機は、超電導材料を用いたトロイダル固定子を用いており、固定子鉄心内の臨界電流を高めることができる。以下に、トロイダル固定子を用いることによって固定子鉄心内の臨界電流が高まる理由について図１を用いて説明する。図１は、トロイダル固定子における磁気鏡像効果を説明するための概略図であり、図１（Ａ）は、通常の巻き方を示し、図１（Ｂ）はトロイダル巻を示す。
　図１（Ａ）に示すように、二つの磁性体２の間に配置された超電導材料１Ａ（導体）に電流を紙面手前から奥に流す場合、右ねじの法則によって、図中導体１Ａの周りに矢印で示される方向に磁界が生じる。この際、各磁性体２内には破線で示される磁気鏡像３Ａが生じる。この磁気鏡像３Ａより生じる磁界との関係において、超電導材料２Ａの存在する空間４における磁界は、磁気鏡像効果によって、磁性体２に対し平行な磁束方向（図１中矢印Ｘで示される方向と平行な方向）において強め合い、垂直方向（図１中矢印Ｙで示される方向）において弱め合う。
　また、断面形状のアスペクト比の高い長方形の超電導材料が用いられた場合、当該超電導材料に印加される磁界ベクトルのうち、断面幅広面に対し垂直方向に印加される成分（垂直磁界）が大きくなるほど臨界電流が低下する。このため、例えば、図１（Ａ）の従来の巻き方のように、超電導材料１Ａの長辺側（断面幅広面側）が磁性体２の深さ方向に対し平行（図１中矢印Ｙで示される方向と平行な方向）となるように配置されると、磁界が強まる方向と超電導材料の臨界電流が弱まる方向が一致し、超電導材料１Ａの周辺において太い矢印で示される磁束成分（平行磁束成分）によって臨界電流が大きく低下してしまう。この際、図１（Ａ）において細い矢印で示される磁束成分によっても臨界電流は低下するが、その程度は小さい。すなわち、図１（Ａ）に示すように超電導材料１Ａの長辺側（断面幅広面側）が磁性体２の深さ方向に対し平行（図１中矢印Ｙで示される方向と平行な方向）となるように配置されると、磁気鏡像効果によって強まる平行磁界成分が、超電導材料の臨界電流が弱まる方向と一致してしまうため、臨界電流が大きく低下してしまう。
　これに対し、図１（Ｂ）で示されるように、断面形状のアスペクト比の高い長方形の超電導材料１Ｂの長辺側（断面幅広面側）が磁性体２の深さ方向に対し垂直となる方向（図１中矢印Ｘで示される方向と平行な方向）となるように配置されると、超電導材料１Ｂの臨界電流は、図１（Ｂ）において細い矢印で示される垂直磁界成分によって大きく低下するものの、図１（Ｂ）において太い矢印で示される平行磁界成分においてはさほど低下しない。すなわち、図１（Ｂ）では、磁気鏡像効果によって弱まる垂直磁界成分と、超電導材料の臨界電流が弱まる方向（幅広面に対して垂直な方向）とが一致しているため、図１（Ａ）と比較して、磁性体（鉄心）内の臨界電流を向上させることができる。なお、本明細書において「垂直」「平行」との関係は、略垂直、略平行の関係を含む概念である 。
　ここで、一般に超電導材料は脆性が高く可とう性が低い材料が多い。また、超電導材料の中でも超電導線材は、断面形状がアスペクト比の高い長方形が多い。このため、断面形状が長方形の超電導材料を用いて固定子を作製する場合、当該超電導材料を固定子鉄心に券回するために、長辺と垂直に交わる方向に折り曲げ可能な構成として用いる場合が多い。このように、断面形状が長方形である超電導材料を用いて、上述のように磁気鏡像効果を利用して固定子鉄心内の臨界電流を高めるためには、断面形状（長方形）の長辺側（断面幅広側）が固定子の径方向（深さ方向）と垂直になるように超電導材料を固定子鉄心のスロットや溝内に設置することが好ましい。この場合、断面形状が長方形である超電導材料の券回可能な方向は固定子の径方向（即ち、超電導材料の断面の長辺と垂直に交わる方向）となる。このため、断面形状（長方形）の長辺側（断面幅広側）が固定子の径方向（深さ方向）と垂直になるように超電導材料を固定子鉄心のスロットや溝内に設置されると、当該材料を固定子に巻回するためには、トロイダル状に当該材料を巻回することとなる。よって、超電導材料を固定子鉄心に対しトロイダル状に巻回することで、固定子鉄心内の臨界電流を高めることができる。ただし、超電導材料の断面形状（長方形）の長辺側（断面幅広側）と固定子の径方向（深さ方向）との関係は、（垂直）スロット内部の空間と超電導材料との相対的空間配置が維持されていれば、スロットの長辺方向自体は、固定子の径方向に対して（例えば、周方向に）少し傾いていてもよい。
　なお、本発明において固定子に用いられる超電導材料は、断面が長方形の材料に限定されず、例えば、断面形状のアスペクト比の低い、すなわち、略円形又は略正方形のバルク材等を用いることができる。このような材料を用いた場合であっても、超電導材料の結晶構造のｃ軸方向を、図１（Ｂ）に示すように右ねじの法則によって生じる磁界の方向と合わせることで、固定子鉄心の径方向に対して平行な磁束成分（即ち上述の垂直磁界成分）による超電導材料の臨界電流の低下を抑制できるために、固定子鉄心内の臨界電流を高めることができる。
　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２は、本実施形態の超電導回転機１００の軸方向断面（図２（Ａ）参照）及び径方向断面（図２（Ｂ）参照）の一例を示す説明図である。図２に示すように、超電導回転機１００は、筒状の固定子鉄心にトロイダル状に巻回され超電導線材で形成された固定子巻線を有し、回転磁界を発生させるトロイダル固定子１２と、トロイダル固定子１２の内周側に回転可能に保持された内側回転子２０と、トロイダル固定子１２の外周側に回転可能に保持された外側回転子３０と、を備える。また、トロイダル固定子１２、内側回転子２０、及び、外側回転子３０は、円筒状のケース５０に格納されている。以下に説明するように、本実施形態の超電導回転機１００は、トロイダル固定子１２に三相電流を流すことによって、内側回転子２０と外側回転子３０とが回転し、エネルギー変換効率に優れながら高いトルク出力を得ることができる。
（トロイダル固定子）
　図３は、トロイダル固定子１２の構成の一例を示す説明図である。図３に示すように、トロイダル固定子１２は、筒状の固定子鉄心１４と、固定子鉄心１４にトロイダル状に巻回され超電導線材で形成された固定子巻線１６とを有し、固定子巻線１６に三相電流を流すことによって、回転磁界が発生する。
　固定子鉄心１４は、筒状でありその径方向断面が円環状の部材である。また、固定子鉄心１４は、珪素鋼板等の電磁鋼板を軸方向に積層した部材を用いることができる。また、固定子鉄心１４には図示を省略するスロットが設けられており、当該スロット内に固定子巻線１６が収容されている。図２に示すように、固定子鉄心１４は、接合部１４Ａを介して超電導回転機１００のケース５０の内壁に固着されている。なお、本実施形態においてはスロットを有する固定子が用いられているが、本発明は当該態様に限定されるものではなく、スロットの代わりにオープンスロットや溝が設けられた固定子を用いることも可能である。
　固定子巻線１６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）を複数本束ねてなり、各線材は長方形の断面形状を有している（ただし、当該断面に限定されるものではない）。図示を省略するが、固定子の径方向に積層された複数本の超電導線材は、各線材の長方形断面の長辺（断面幅広面側）が固定子の径方向と垂直に交わるように配置されている。超電導線材は、複数本のビスマス系高温超電導フィラメントを、銅、アルミニウム、銀、金等の高導電性金属によって被覆して構成されている。なお、超電導回転機１００始動時の容易性の観点からは、トロイダル固定子１２の固定子巻線１６に用いられる超電導線材として、超電導かご形巻線２２Ａ及び３２Ａに用いられる超電導線材の少なくとも一方の臨界温度よりも高い臨界温度を有する超電導線材を用いることが好ましい。その理由については後述する。
　上述のように、固定子巻線１６は、固定子鉄心１４表面のスロットに挿通されており、固定子鉄心１４にトロイダル状に巻回され、コイルとしての役割を果たす。本実施形態では、固定子鉄心１４の内周面、外周面に各々２４個のスロットが周方向に等間隔で配列するように設けられている。また、各スロットは固定子鉄心の内周面、外周面に渡って連続するように形成される。本明細書を通じて、単に固定子の「外側」と称した場合には固定子の外周面側を意味し、また、固定子の「内側」と称した場合には固定子の内周面側を意味する。また、図３に示すように、固定子巻線１６は、固定子鉄心１４周方向に沿って、固定子巻線１６Ｕ、１６Ｖ及び１６Ｗの順番で回転磁界ができるように反時計回りに配置（巻回）されている。
　本実施形態において固定子巻線１６は、三相巻線であり各々が結線されている。超電導回転機１００は三相モータであり、それぞれの固定子巻線１６は、Ｕ相コイル、Ｖ相コイル、Ｗ相コイルのいずれかに割り当てられる。すなわち、固定子鉄心１４には２４個の超電導コイルが配設されていることとなる。換言すると、８個のＵ相超電導コイル（固定子巻線１６Ｕ）、８個のＶ相超電導コイル（固定子巻線１６Ｖ）、及び８個のＷ相超電導コイル（固定子巻線１６Ｗ）が、固定子鉄心１４に配設されている。８個のＵ相超電導コイルは各々電気的に直列接続され、８個のＶ相超電導コイルは各々電気的に直列接続され、８個のＷ相超電導コイルは各々電気的に直列接続される。なお、各固定子巻線１６の接続方法は、直列接続でもよいし、並列接続であってもよい。
　各固定子巻線１６の結線の方法は特に限定されず、スター結線でもよいし、デルタ結線等でもよい。また、固定子鉄心１４への固定子巻線１６の巻き方は、集中巻きであってもよいし、分布巻きであってもよい。本実施形態では、固定子巻線１６に三相電流を流すことにより極数＝４の回転磁界が固定子鉄心１４に形成される。なお、本実施形態において、固定子巻線１６の一極一相当たりの巻き数は１２である。
（回転子）
　図４は、回転子の構成の一例を示す説明図である。具体的に、図４（Ａ）は回転子鉄心を示し、図４（Ｂ）は超電導かご形巻線（ａ）を示し、図４（Ｃ）は常電導かご形巻線（ｂ）を示す。
　まず、図２に示すように、本実施形態の超電導回転機１００は、トロイダル固定子１２の内周側に回転可能に保持された内側回転子２０と、外周側に回転可能に保持された外側回転子３０と、を備える。図２（Ａ）に示すように、本実施形態においては、内側回転子２０と外側回転子３０とは各回転子鉄心が連結部２０Ａを介して連結されており、内側回転子２０と外側回転子３０とは一体として回転するように構成されている。
　また、図２（Ｂ）及び図４に示すように、内側回転子２０は超電導かご形巻線２２Ａ及び常電導かご形巻線２２Ｂと内側回転子鉄心２４とを備える。同様に、外側回転子３０は、超電導かご形巻線３２Ａ及び常電導かご形巻線３２Ｂと外側回転子鉄心３４とを備える。なお、上述のように、内側回転子鉄心２４と外側回転子鉄心３４とは連結部２０Ａを介して連結されており、一体となるように構成されている。
－内側回転子－
　図２に示すように、内側回転子２０は、トロイダル固定子１２の内周側に、所定の間隔をあけて配置されている。続いて、図４（Ａ）に示すように、内側回転子２０の内側回転子鉄心２４は、円筒状であり、その外周面側に、回転子巻線の各ローターバーを収容する複数のスロット２４Ｓを備えている。さらに、内側回転子２０は、内側回転子鉄心２４に同軸に取り付けられた回転軸４０を備える。また、内側回転子２０は、図４（Ｂ）及び（Ｃ）に示される超電導線材で形成されたローターバー２６Ａ及びエンドリング２８Ａを有する超電導かご形巻線２２Ａと、常電導線材で形成されたローターバー２６Ｂ及びエンドリング２８Ｂを有する常電導かご形巻線２２Ｂとを備えている。なお、本実施形態においてスロットを有する内側回転子が用いられているが、本発明は当該態様に限定されるものではなく、スロットの代わりにオープンスロットや溝が設けられた内側回転子を用いることも可能である。
　内側回転子鉄心２４は、珪素鋼板等の電磁鋼板を軸方向に積層して形成することができる。図４（Ａ）に示すように、内側回転子鉄心２４の中心部には、回転軸４０を受容するための回転軸受容孔２８が形成されている。また、上述のように、内側回転子鉄心２４の外周近傍には、軸方向に貫通する複数のスロット２４Ｓが、周方向に所定間隔をあけて形成されている。なお、本実施形態においてスロット２４Ｓは、内側回転子鉄心２４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。ただし、本発明は当該態様に限定されるものではなく、例えば、スロット２４Ｓが、内側回転子鉄心２４の軸方向に対して平行（内側回転子鉄心２４の軸方向とスロット２４Ｓとのなす角が０°）であってもよい。
　超電導かご形巻線２２Ａは、図４（Ｂ）に示すように、複数のローターバー２６Ａと、各ローターバー２６Ａの両端をそれぞれ短絡させる一対の環状のエンドリング２８Ａとから構成されている。複数のローターバー２６Ａは内側回転子鉄心２４のスロット２４Ｓに収容される。
　ローターバー２６Ａ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）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るものではない）。超電導線材は、例えば、複数本のビスマス系高温超電導フィラメントを、銅、アルミニウム、銀、金等の高導電性金属によって被覆して構成することができる。ローターバー２６Ａの数は、内側回転子鉄心２４のスロット２４Ｓと同数である。すなわち本実施形態ではローターバー２６Ａ及びスロット２４Ｓの数が各々２４となる。
　ローターバー２６Ａ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。ただし、本発明は当該態様に限定されるものではなく、例えば、ローターバー２６Ａが、内側回転子鉄心２４の軸方向に対して平行（内側回転子鉄心２４の軸方向とローターバー２６Ａとのなす角が０°）となるように超電導かご形巻線２２Ａが構成されていてもよい。
　ローターバー２６Ａは、内側回転子鉄心２４の軸方向長さよりも長く形成されており、スロット２４Ｓに収容された際にスロット２４Ｓから突出するようになっている。また、エンドリング２８Ａは、ローターバー２６Ａと同様に、ビスマス系高温超電導線材等の超電導線材を用いて構成されている。一対のエンドリング２８Ａにはそれぞれ、スロット２４Ｓから突出するローターバー２６Ａの各端部が接合される。
　常電導かご形巻線２２Ｂは、図４（Ｃ）に示すように、複数のローターバー２６Ｂと、各ローターバー２６Ｂの両端をそれぞれ短絡させる環状の一対のエンドリング２８Ｂとから構成されている。複数のローターバー２６Ｂは、内側回転子鉄心２４のスロット２４Ｓに収容される。
　ローターバー２６Ｂ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るものではない）。ローターバー２６Ｂの数は、内側回転子鉄心２４のスロット２４Ｓと同数である。すなわち本実施形態ではローターバー２６Ｂの数は２４となる。ローターバー２６Ｂは、超電導かご形巻線２２Ａ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。ただし、本発明は当該態様に限定されるものではなく、例えば、ローターバー２６Ｂが、内側回転子鉄心２４の軸方向に対して平行（内側回転子鉄心２４の軸方向とローターバー２６Ｂとのなす角が０°）となるように超電導かご形巻線２２Ａが構成されていてもよい。
　ローターバー２６Ｂは、内側回転子鉄心２４の軸方向長さよりも長く形成されており、スロット２４Ｓに収容された際にスロット２４Ｓから突出するようになっている。ローターバー２６Ｂは、スロット２４Ｓ内であって、超電導かご形巻線２２Ａのローターバー２６Ａよりも外側に挿入される。すなわち、内側回転子２０においては、スロット２４Ｓ内において、内側（中心側）に超電導線材で形成されたローターバー２６Ａが配置され、その外側（外周側）に常電導線材で形成されたローターバー２６Ｂが配置されることとなる。
　エンドリング２８Ｂは、ローターバー２６Ｂと同様に、銅、アルミニウム、銀、金等の高導電性材から構成される。一対のエンドリング２８Ｂにはそれぞれ、スロット２４Ｓから突出するローターバー２６Ｂの各端部が接合される。
　回転軸４０は、内側回転子鉄心２４の回転軸受容孔２８に挿入されて取り付けられる。回転軸４０は、ベアリング等の軸受け４２を介して、ケース５０内に回転可能に支持される。
－外側回転子－
　図２に示すように、外側回転子３０は、トロイダル固定子１２の外周側に、所定の間隔をあけて配置されている。また、図４（Ａ）に示すように、外側回転子３０の外側回転子鉄心３４は、筒状であり、その内周面側に、回転子巻線の各ローターバーを収容する複数のスロット３４Ｓを備えている。また、外側回転子３０は、図４（Ｂ）及び（Ｃ）に示される超電導線材で形成されたローターバー３６Ａ及びエンドリング３８Ａを有する超電導かご形巻線３２Ａと、常電導線材で形成されたローターバー３６Ｂ及びエンドリング３８Ｂを有する常電導かご形巻線３２Ｂとを備えている。なお、超電導かご形巻線３２Ａはサイズ及び材料を除き、内側回転子２０の常電導かご形巻線２２Ｂと略同様の構成となる。同様に、常電導かご形巻線３２Ｂは、サイズ及び材料を除き、内側回転子２０の超電導かご形巻線２２Ａと略同様の構成となる。このため、超電導かご形巻線３２Ａ及び常電導かご形巻線３２Ｂにおいては、各図４（Ｂ）及び（Ｃ）において、括弧内に対応する図番を付す。
　外側回転子鉄心３４は、珪素鋼板等の電磁鋼板を軸方向に積層して形成することができる。また、上述のように、外側回転子鉄心３４の内周近傍には、軸方向に貫通する複数のスロット３４Ｓ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３４Ｓは外側回転子鉄心３４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。また、図２に示すように、外側回転子鉄心３４と内側回転子鉄心２４とは一方端部において連結部２０Ａを介して連結されている。ただし、本発明は当該態様に限定されるものではなく、例えば、スロット３４Ｓが、外側回転子鉄心３４の軸方向に対して平行（外側回転子鉄心３４の軸方向とスロット３４Ｓとのなす角が０°）であってもよい。なお、本実施形態においてスロットが設けられている外側回転子が用いられているが、本発明は当該態様に限定されるものではなく、スロットの代わりにオープンスロットや溝が設けられた外側回転子を用いることも可能である。
　超電導かご形巻線３２Ａは、図４（Ｃ）に示すように、複数のローターバー３６Ａと、各ローターバー３６Ａの両端をそれぞれ短絡させる一対の環状のエンドリング３８Ａとから構成されている。複数のローターバー３６Ａは、外側回転子鉄心３４のスロット３４Ｓに収容される
　ローターバー３６Ａ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）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るものではない）。超電導線材は、例えば、複数本のビスマス系高温超電導フィラメントを、銅、アルミニウム、銀、金等の高導電性金属によって被覆して構成することができる。ローターバー３６Ａの数は、外側回転子鉄心３４のスロット３４Ｓと同数である。すなわち本実施形態ではローターバー３６Ａ及びスロット３４Ｓの数が各々２４となる。
　ローターバー３６Ａ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。ただし本発明は当該態様に限定されるものではなく、例えば、ローターバー３６Ａが、外側回転子鉄心３４の軸方向に対して平行（外側回転子鉄心３４の軸方向とローターバー３６Ａとのなす角が０°）となるように超電導かご形巻線３２Ａが構成されていてもよい。
　ローターバー３６Ａは、外側回転子鉄心３４の軸方向長さよりも長く形成されており、スロット３４Ｓに収容された際にスロット３４Ｓから突出するようになっている。また、エンドリング３８Ａは、ローターバー３６Ａと同様に、ビスマス系高温超電導線材等の超電導線材を用いて構成されている。一対のエンドリング３８Ａにはそれぞれ、スロット３４Ｓから突出するローターバー３６Ａの各端部が接合される。
　常電導かご形巻線３２Ｂは、図４（Ｂ）に示すように、複数のローターバー３６Ｂと、各ローターバー３６Ｂの両端をそれぞれ短絡させる環状の一対のエンドリング３８Ｂとから構成されている。複数のローターバー３６Ｂは、外側回転子鉄心３４のスロット３４Ｓに収容される。
　ローターバー３６Ｂ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るものではない）。ローターバー３６Ｂの数は、外側回転子鉄心３４のスロット３４Ｓと同数である。すなわち本実施形態ではローターバー３６Ｂの数は２４となる。ローターバー３６Ｂは、超電導かご形巻線３２Ａよりも小さい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。ただし本発明は当該態様に限定されるものではなく、例えば、ローターバー３６Ｂが、外側回転子鉄心３４の軸方向に対して平行（外側回転子鉄心３４の軸方向とローターバー３６Ｂとのなす角が０°）となるように超電導かご形巻線３２Ａが構成されていてもよい。
　ローターバー３６Ｂは、外側回転子鉄心３４の軸方向長さよりも長く形成されており、スロット３４Ｓに収容された際にスロット３４Ｓから突出するようになっている。ローターバー３６Ｂは、スロット３４Ｓ内であって、超電導かご形巻線３２Ａのローターバー３６Ａよりも内側に挿入される。すなわち、外側回転子３０においては、スロット３４Ｓ内において、内側（中心側）に常電導線材で形成されたローターバー３６Ｂが配置され、その外側（外周側）に超電導線材で形成されたローターバー３６Ａが配置されることとなる。
　エンドリング３８Ｂは、ローターバー３６Ｂと同様に、銅、アルミニウム、銀、金等の高導電性材から構成される。一対のエンドリング３８Ｂにはそれぞれ、スロット３４Ｓから突出するローターバー３６Ｂの各端部が接合される。
　上述のように構成された超電導回転機１００によれば、回転機を駆動させる場合、まず、少なくとも超電導線材を用いて構成されているトロイダル固定子１２の固定子巻線１６を冷却し、超電導状態にする。この際、同時に内側回転子２０の超電導かご形巻線２２Ａ及び外側回転子３０の超電導かご形巻線３２Ａが冷却されることが好ましい。ついで、三相交流を超電導回転機１００に印加すると、トロイダル固定子１２の固定子巻線１６に電流が流れ、固定子鉄心１４に回転磁界が発生する。この際、本実施形態においてはトロイダル固定子１２を用いているため、回転磁界がトロイダル固定子１２の内周側のみならず外周側にも発生する。
　図５は、超電導回転機に通電した際の磁束線（ＦＥＭ解析結果）を示す図である。図５に示されるように、本実施形態の超電導回転機１００に三相交流を印加した際に、磁束線がトロイダル固定子１２の内周側及び外周側の双方に発生していることが分かる。
　超電導かご形巻線２２Ａ及び３２Ａが常電導状態（非超電導状態）にあるとき、トロイダル固定子１２による回転磁界に起因して常電導かご形巻線２２Ｂ及び３２Ｂに誘導電流が流れ、誘導（すべり）トルクが生じる。このとき、超電導回転機１００は当該誘導（すべり）トルク主動で回転し、各回転子は、図６に示す「すべり回転（常電導状態）」に対応するトルク特性を発揮する。図６は、常電導状態におけるすべり回転時及び超電導状態におけるすべり又は同期回転時におけるトルクとすべりとの関係を示すグラフである。
　なお、超電導回転機１００がすべり回転している状態において、超電導かご形巻線２２Ａ及び３２Ａ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２２Ｂ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２２Ａ及び３２Ａに生じる誘導（すべり）トルクよりも、常電導かご形巻線２２Ｂ及び３２Ｂに生じる誘導（すべり）トルクの方が支配的となる。
　一方、超電導回転機１００によれば、超電導かご形巻線２２Ａ及び３２Ａが常電導状態から超電導状態になったとき、トロイダル固定子１２による回転磁界の磁束を超電導かご形巻線２２Ａ及び３２Ａが捕捉することで、同期トルクが生じる（図７（Ｃ）参照）。このとき、超電導回転機１００は当該同期トルク主動で回転し、各回転子は、図６に示す「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、各ローターバーとエンドリングと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、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、仮に超電導回転機１００に過大な負荷がかかっても、超電導かご形巻線２２Ａ及び３２Ａが磁束フロー状態（図７（Ｂ）参照）に移行して誘導（すべり）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（すべり）トルクは、磁束フロー状態にある超電導かご形巻線２２Ａ及び３２Ａに並ぶ常電導かご形巻線２２Ｂ及び３２Ｂの両方から提供され、各回転子は、図６に示される「すべり回転（超電導状態）」に対応するトルク特性が発揮される。
　つまり、超電導回転機１００は、各回転子において図６に示すようなトルク特性を有し、各回転子は、常電導状態においては誘導（すべり）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（すべり）トルク主動で回転する。
［超電導回転機の駆動方法］
　上述のように構成された超電導回転機１００は、例えば自動車（小型自動車、中型自動車、バス・トラック等大型自動車）、鉄道、潜水艦、航空機、船舶など回転機が用いられる用途に適用が可能であり、例えば、国際公開ＷＯ２００９／１１６２１９号公報に記載の超電導電動機システムなどに適用することができる。
　例えば、超電導回転機１００は、回転機に連結することで回転する車輪、プロペラ、スクリュー等の被駆動手段を備えたシステムに適用することができる。当該システムは、例えば、超電導回転機１００と、超電導回転機１００に直接又は他の部材を介して連結される車輪等の被駆動手段と、超電導回転機１００を超電導状態になるまで冷却し得る冷却装置と、冷却装置を冷却信号に応じて制御すると共に、電動機駆動信号に応じインバータを介して超電導回転機１００を制御する制御装置と、超電導回転機１００を駆動するためのバッテリーと、を備えて構成される。
　冷却装置は、超電導回転機１００内における超電導を用いたトロイダル固定子１２、超電導かご形巻線２２Ａ及び３２Ａを超電導状態になるまで（臨界温度未満まで）冷却できるものであれば特に限定はないが、例えば、冷媒としては、ヘリウムガスや液体窒素等を用いた冷却装置を用いることができる。
　制御装置は、電動機駆動信号に応じ、インバータ等の電源装置を介して超電導回転機１００を駆動制御できる装置であれば特に限定はない。例えば、制御装置は、インバータ等の電源装置を介して、超電導回転機１００の固定子巻線１６に印加される交流電圧の振幅及び周波数を制御する。これにより、制御装置は、超電導回転機１００の回転数及びトルクをフィードバック制御することができる。また、制御装置には、超電導回転機１００が誘導（すべり）トルク主動で回転する際に用いるすべり回転用制御パターン（第１の制御パターン）と、超電導回転機１００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）とを、予め格納しておくことが好ましい。ここで、すべり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を採用することができる。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を採用することができる。
　また、制御装置は、超電導回転機１００から、固定子巻線１６内を流れる１次電流の信号である１次電流信号等をモニタリングすることで、超電導かご形巻線２２Ａ及び３２Ａが超電導状態にあるか否か（超電導回転機１００が同期トルク主動で回転しているか否か）を判定するように構成することができる。例えば、回転子が同期トルク主動で回転している場合は、超電導回転機１００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（すべり）トルク主動で回転しているとして、すべり回転用制御パターンを適用するように構成することができる。
　また、制御装置は、超電導かご形巻線２２Ａ及び３２Ａが、固定子巻線１６による回転磁界の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、超電導かご形巻線２２Ａ及び３２Ａを磁束フロー状態にするように、固定子巻線１６への印加電圧及び／又は当該印加電圧の周波数を増大させるように構成することができる。超電導かご形巻線２２Ａ及び３２Ａ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。
　例えば、運転開始前から、超電導かご形巻線２２Ａ及び３２Ａが冷却装置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２２Ａ及び３２Ａは、固定子巻線１６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１６に交流電圧を印加すると、超電導かご形巻線２２Ａ及び３２Ａには遮蔽電流が流れ、超電導かご形巻線２２Ａ及び３２Ａ並びに常電導かご形巻線２２Ｂ及び３２Ｂに鎖交する磁束はゼロとなる（図７（Ａ）参照）。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２２Ｂ及び３２Ｂに誘導電流が流れないため、誘導（すべり）トルクも発生しないことになる。したがって、当該状態では超電導回転機１００は動作し得ない。
　そこで、制御装置により、超電導かご形巻線２２Ａ及び３２Ａに流れる遮蔽電流が臨界電流を超えるまで、固定子巻線１６への印加電圧及び／又は当該印加電圧の周波数を増大させ、超電導かご形巻線２２Ａ及び３２Ａ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７（Ｂ）参照）。
　その後、内側回転子２０及び外側回転子３０は加速され、これに伴い回転磁界と内側回転子２０と外側回転子３０との相対速度が小さくなれば、超電導かご形巻線２２Ａ及び３２Ａ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２２Ａ及び３２Ａ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２２Ａ及び３２Ａが鎖交磁束を捕捉する（図７（Ｃ）参照）。
　以下に、超電導回転機１００を用いたシステムの駆動方法の一例について説明する。ただし、本発明は当該態様に限定されるものではない。なお、以下においては、トロイダル固定子１２の固定子巻線１６に用いられる超電導線材として、超電導かご形巻線２２Ａ及び３２Ａに用いられる超電導線材の少なくとも一方の臨界温度よりも高い臨界温度を有する超電導線材を用いた例について説明する。
　まず、トロイダル固定子１２を超電導状態にするため冷却装置にて固定子巻線１６を、当該巻線に用いられている超電導線材の臨界温度未満まで冷却する。この際、冷却温度は、トロイダル固定子１２の固定子巻線１６に用いられる超電導線材臨界温度以下であって、超電導かご形巻線２２Ａ及び３２Ａに用いられる超電導線材の少なくとも一方の臨界温度よりも高い温度とし、超電導かご形巻線２２Ａ及び３２Ａのうち少なくとも一方が常電導状態である状態で超電導回転機１００を始動させる。
　トロイダル固定子１２が超電導状態となった後、超電導かご形巻線２２Ａ及び３２Ａに鎖交する磁束がゼロの初期状態において、固定子巻線１６に交流電圧を印加する。この際、超電導かご形巻線２２Ａ及び３２Ａの双方が臨界温度未満まで冷却されている状態、すなわち、超電導かご形巻線２２Ａ及び３２Ａの双方が超電導状態であると、超電導かご形巻線２２Ａ及び３２Ａに流れる遮蔽電流が各々の臨界電流未満である場合固定子巻線１６の内側及び外側に回転磁界が発生していても、超電導かご形巻線２２Ａ及び３２Ａ並びに常電導かご形巻線２２Ｂ及び３２Ｂに鎖交する磁束はゼロとなり、超電導回転機１００は動作しない。
　これに対し、トロイダル固定子１２の固定子巻線１６に用いられる超電導線材として、超電導かご形巻線２２Ａ及び３２Ａに用いられる超電導線材の少なくとも一方の臨界温度よりも高い臨界温度を有する超電導線材を用いた場合、超電導かご形巻線２２Ａ及び３２Ａのうち少なくとも一方が常電導状態であるため、常電導状態にある回転子においては、常電導かご形巻線２２Ｂ又は３２Ｂに生じる誘導（すべり）トルクが支配的となる。すなわち、超電導状態ではない回転子の誘導（すべり）トルクにより、超電導回転機１００が回転する。
　超電導かご形巻線２２Ａ及び３２Ａの双方又はいずれか一方が常電導状態の場合には、冷却を継続する。この場合、超電導かご形巻線２２Ａ及び３２Ａのいずれか一方が臨界温度未満になるまでは、依然として超電導回転機１００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２２Ａ及び３２Ａのいずれもが臨界温度未満となって超電導状態に移行すると、制御装置は、超電導かご形巻線２２Ａ及び３２Ａに流れる遮蔽電流が臨界電流を超えるまで、固定子巻線１６への印加電圧及び／又は当該印加電圧の周波数を増大させ、超電導かご形巻線２２Ａ及び３２Ａ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各超電導かご形巻線に鎖交することができる。
　その後、内側回転子２０及び外側回転子３０は加速され、これに伴い回転磁界と内側回転子２０及び外側回転子３０との相対速度が小さくなれば、超電導かご形巻線２２Ａ及び３２Ａ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２２Ａ及び３２Ａ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２２Ａ及び３２Ａが鎖交磁束を捕捉する。そして、超電導回転機１００は同期トルク主動で回転する。そして、制御装置は、同期トルク主動で回転する超電導回転機１００に対して同期回転用制御パターンを適用し、超電導回転機１００を駆動制御する。つまり、超電導状態において、超電導回転機１００は、図６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回転機１００によれば、固定子として、超電導線材を用いたトロイダル固定子を用いるため、固定子鉄心内の臨界電流が高い。このため、固定子から発生する磁界強度を高めることができ、回転機の出力（トルク）を向上させることができる。さらに、超電導回転機１００によれば、トロイダル固定子の外側に発生した漏れ磁束を外側回転子３０によってトルクに変換することができる。このため、優れたエネルギー変換効率を発揮しつつ、回転機の出力を高めることができる。
　例えば、以下の条件にて、実施例及び比較例の超電導回転機について駆動時間に対する出力（トルク／Ｎｍ）を比較した。
　各実施例においては、トロイダル固定子と、内側回転子及び外側回転子とを有する超電導回転機を用いた。また、比較例においては、トロイダル固定子と、内側回転子とを有する超電導回転機を用いた。なお、以下の条件は、実施例及び比較例（比較例の超電導回転機は実施例の超電導回転機に対し外側回転子を有していない構成となる）の双方の超電導回転機において共通するものである。結果を図８に示す。
（条件）
・内側回転子の外径：１７４．８ｍｍ
・固定子の内径：１７６．０ｍｍ
・固定子の外径：３１８．０ｍｍ
・外側回転子の内径：３１９．２ｍｍ
・外側回転子の外径：４００．０ｍｍ
・軸長：１０２．０ｍｍ
・１極１相辺りの巻数：１２
・極数：４
・ギャップ長：０．６ｍｍ
・回転速度（Ｒｏｔａｔｉｏｎ　ｓｐｅｅｄ）：１４９７ｒｐｍ
・すべり（Ｓｌｉｐ）：０．００１３３
・電流（Ｃｕｒｒｅｎｔ）：５０Ａ（実効値）
・電圧（Ｖｏｌｔａｇｅ）：８２Ｖ（実効値）
・周波数（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）：５０Ｈｚ
　図８においては、実施例の超電導回転機を用い、内側回転子及び外側回転子双方のトルクを測定した結果（以下、実施例（１））を“一点鎖線”で示し、内側回転子のトルクのみを測定した結果（以下、実施例（２））を“太線”で示し、外側回転子のトルクのみを測定した結果（以下、実施例（３））を“細線”で示す。また、比較例の超電導回転機を用い、内側回転子のトルクを測定した結果を“鎖線”で示す。図８に示されるように、内側回転子及び外側回転子双方のトルクを測定した実施例（１）においては、０～０．１秒において平均トルクが約１１０Ｎｍであり、１００Ｎｍ以上を保っていた。これに対し、比較例の超電導回転機（内側回転子のみ）の平均トルクは、０～０．１秒において約６０Ｎｍであった。結果、比較例に比して実施例の超電導回転機のトルクが高く、エネルギー効率に優れていることが証明された。なお、実施例の超電導回転機における内側回転子のトルク（実施例（２））及び外側回転子のトルク（実施例（３））は、０～０．１秒において各々、約５０Ｎｍ及び約６０Ｎｍであった。
　また、超電導回転機１００によれば、外側回転子３０がトロイダル固定子１２の径方向外側における漏れ磁束を防ぐ磁気シールドの役割を果たす。このため、別途磁気シールドを設けることなく、超電導回転機１００からの漏れ磁束による周辺機器への影響を抑制することができる。
　さらに、超電導回転機１００は、内側回転子２０及び外側回転子３０に、回転子巻線として超電導かご形巻線（ａ）及び常電導かご形巻線（ｂ）の双方が用いられるため、すべり回転と同期回転とが可能である。このため、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、すべり回転で運転することができる。
　また、超電導回転機１００は、トロイダル固定子１２の固定子巻線１６に用いられる超電導線材として、超電導かご形巻線２２Ａ及び３２Ａに用いられる超電導線材の少なくとも一方の臨界温度よりも高い臨界温度を有する超電導線材を用いることで、超電導回転機１００をすべり回転にて始動させることができる。このため、始動時において、超電導かご形巻線２２Ａ又は３２Ａに対し、流れる遮蔽電流が臨界電流を超えるまで、固定子巻線１６への印加電圧及び／又は当該印加電圧の周波数を増大させるために、超電導かご形巻線２２Ａ及び３２Ａを磁束フロー状態にする必要がなく、超電導回転機１００の始動を円滑に行うことができる。
　また、超電導回転機１００によれば、超電導かご形巻線２２Ａ及び３２Ａとして超電導線材によって構成されているため、超電導バルク材を使用した場合に比して、発熱が起こった場合の熱はけが良い。また、超電導回転機１００の超電導かご形巻線２２Ａ及び３２Ａは電流容量の小さい超電導線材からなっているため、電流容量が大きい超電導バルク材を用いた場合に比して、容易に磁束フロー状態にすることができる。それゆえ、超電導回転機１００によれば、超電導かご形巻線２２Ａ及び３２Ａ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２２Ａ及び３２Ａ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。
［変形例］
　以上、本実施形態について具体的に説明したが、本実施形態は次のように変形して実施することができる。
（第１の変形例）
　例えば、上述の例では、内側回転子２０及び外側回転子３０の双方が、回転子巻線として少なくとも超電導かご形巻線（ａ）及び常電導かご形巻線（ｂ）の双方を有する態様について説明したが、本発明は当該態様に限定されるものではない。例えば、超電導回転機１００は、内側回転子２０及び外側回転子３０の双方が常電導かご形巻線（ｂ）のみを有する態様であってもよい。この場合、超電導回転機はすべり回転モータとしてのみ機能することとなる。
（第２の変形例）
　超電導回転機１００は、内側回転子及び外側回転子の一方のみが、回転子巻線として少なくとも超電導かご形巻線（ａ）を有する態様であってもよい。例えば、いずれか一方の回転子にてすべり回転を行いつつ、他方の回転子を同期回転に切り替えを制御することで回転機の出力（トルク）の切り替えを制御することができる。
（第３の変形例）
　超電導回転機１００は、例えば、内側回転子２０及び外側回転子３０の双方が超電導かご形巻線（ａ）のみを有する態様であってもよい。この場合、超電導回転機は同期トルク主動で駆動する回転モータとしてのみ機能することなる。
（第４の変形例）
　超電導回転機１００は、トロイダル固定子１２の固定子巻線１６に用いられる超電導線材として、超電導かご形巻線２２Ａ及び３２Ａに用いられる超電導線材の少なくとも一方の臨界温度よりも高い臨界温度を有する超電導線材を用いているが、本発明は当該態様に限定されるものではない。例えば、固定子巻線１６に用いられる超電導線材の臨界温度が、超電導かご形巻線２２Ａ及び３２Ａに用いられる超電導線材の臨界温度と同等又は低い場合であっても、超電導回転機１００を始動させることは可能である。
　例えば、トロイダル固定子１２の固定子巻線１６、超電導かご形巻線２２Ａ及び３２Ａの全てが超電導状態である場合、上述のように、超電導かご形巻線２２Ａ及び３２Ａ並びに常電導かご形巻線２２Ｂ及び３２Ｂに鎖交する磁束はゼロとなり、超電導回転機１００は動作しない。この場合、制御装置によって、超電導かご形巻線２２Ａ及び３２Ａに流れる遮蔽電流が臨界電流を超えるまで、固定子巻線１６への印加電圧及び／又は当該印加電圧の周波数を増大させることで、超電導かご形巻線２２Ａ及び３２Ａを磁束フロー状態にすることができる。磁束フロー状態では、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、内側回転子２０及び外側回転子３０が加速され、それに伴って回転磁界と内側回転子２０及び外側回転子３０との相対速度が小さくなれば、超電導かご形巻線２２Ａ及び３２Ａ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２２Ａ及び３２Ａ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２２Ａ及び３２Ａ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させることができる。
（第５の変形例）
　超電導回転機１００は、トロイダル固定子１２の固定子巻線１６に超電導線材のみを用いているが、本発明は当該態様に限定されるものではない。例えば、トロイダル固定子１２は、固定子巻線１６の他に常電導線材を用いた他の巻線（常電導巻線）を有していてもよい。この場合、例えば、超電導回転機１００は、トロイダル固定子１２に常電導巻線で磁極を形成し、常電導状態においても回転磁界を発生可能なように構成することができる。当該構成によれば、例えば、固定子巻線１６の超電導線材が超電導状態になる前であっても、超電導回転機１００を始動及び駆動させることが可能となる。
（第６の変形例）
　超電導回転機１００は、内側回転子２０及び外側回転子３０が、回転子巻線として、少なくとも超電導かご形巻線（ａ）を有し、内側回転子２０の超電導かご形巻線２２Ａを磁束フロー状態にするための臨界電流（Ａ１）と外側回転子３０の超電導かご形巻線３２Ａを磁束フロー状態にするための臨界電流（Ａ２）とが異なるように構成することができる。当該構成によれば、例えば、一方の回転子において、一方よりも低い臨界電流において磁束フロー状態にすることが可能となるため、二つの回転子における鎖交磁束を捕捉するタイミングを異なるものとすることができる。これにより、双方の回転子がすべり回転、一方の回転子がすべり回転であり他方の回転子が同期回転、及び、双方の回転子が同期回転という複数のモードを周辺環境やエネルギー残量及びエネルギー効率などの状況に合わせて切り替えることができる。
（第７の変形例）
　超電導回転機１００は、内側回転子２０及び外側回転子３０が、回転子巻線として、少なくとも超電導かご形巻線（ａ）を有し、内側回転子２０の超電導かご形巻線２２Ａ及び外側回転子３０の超電導かご形巻線３２Ａのいずれか一方のみを磁束フロー状態とするか、又は、両回転子の超電導かご形巻線を磁束フロー状態にするかを切り替え可能な切換機構を備えるように構成することができる。当該切換機構を備えることで、軽負荷時には臨界電流の低い回転子にのみに磁束を鎖交させて、もう一方の臨界電流の高い回転子は磁束を遮蔽させたままとすることができる。ジュール損失を抑制し高効率で超電導回転機１００を駆動させるためには、まず、低負荷時には、一方の回転子のみによって適度な負荷で出力（駆動）することで、超電導回転機１００を低出力でも高効率で駆動させることが可能となる。一方、高負荷時には、２つの回転子の両方に磁束を鎖交させて出力を担わせることで高効率運転が可能となる。すなわち、切換機構により、低負荷時には一方の回転子のみ磁束フロー状態可能とし、高負荷時には双方の回転子が磁束フロー状態可能となるように構成することで、低負荷及び高負荷時の双方において超電導回転機１００を高効率で駆動させることができる。
　また、上述の“切換機構”は物理的なスイッチ又は制御手段により切り替えるなどその手段は限定されないが、例えば、２つの回転子を磁束フロー状態にするための臨界電流がお互い異なるように、内側回転子２０の超電導かご形巻線２２Ａと外側回転子３０の超電導かご形巻線３２Ａとを構成することで、物理的スイッチなどを設けることなく、負荷（回転数）に応じて自律的に前記内側回転子及び前記外側回転子のいずれか一方の超電導かご形巻線（ａ）のみを磁束フロー状態可能にするモードと、両回転子を磁束フロー状態可能にするモードと、を切り替えることができる。換言すると、２つの回転子を磁束フロー状態にするための臨界電流の差が、上述の“切換機構”となる。これにより、物理的スイッチの設置に伴う、システムの大型化や物理的スイッチからの発熱による影響などを懸念する必要がなく、また、別途制御手段による切り替え制御によるシステム負担を軽減することができる。
　内側回転子２０の超電導かご形巻線２２Ａと外側回転子３０の超電導かご形巻線３２Ａの臨界電流が異なるものとすることで、負荷（回転数）に応じて自律的に内側回転子２０及び外側回転子３０のいずれか一方の超電導かご形巻線のみを磁束フロー状態可能にするモードと、両回転子を磁束フロー状態可能にするモードと、が切り替わる原理について説明する。例えば、内側回転子２０の超電導かご形巻線２２Ａの臨界電流を“Ｉｒｃ１”とし、外側回転子３０の超電導かご形巻線３２Ａの臨界電流を“Ｉｒｃ２”とし、“Ｉｒｃ１＜Ｉｒｃ２”とする。ただし、本実施形態においてＩｒｃ１とＩｒｃ２との関係はこれに限定されるものではない。
　まず、一次側の固定子巻線に電圧を印加して一次電流Ｉｓを“Ｉｓ１”として流すと、当該電流に伴って内側回転子２０の超電導かご形巻線２２Ａに流れる電流Ｉｒ１と外側回転子３０の超電導かご形巻線３２Ａに流れる電流Ｉｒ２とは、それぞれ“Ｉｒ１＜Ｉｒｃ１”、“Ｉｒ２＜Ｉｒｃ２”の条件を満たす場合、即ち、Ｉｒ１及びＩｒ２ｎの各々が臨界電流Ｉｒｃ１及びＩｒｃ２よりも小さいと、固定子巻線が作る磁束は鎖交せず、回転子は始動しない。
　次に、固定子電流を大きくしていき、Ｉｓ＝Ｉｓ２（Ｉｓ２＞Ｉｓ１）に達したところで、Ｉｒ１＞Ｉｒｃ１、Ｉｒ２＜Ｉｒｃ２となると（すなわち、Ｉｒ１が臨界電流Ｉｒｃ１より大きくなると）、内側回転子２０の超電導かご形巻線２２Ａのみに固定子巻線が作る磁束が鎖交し、内側回転子２０が始動する。また、図２に記載のように内側回転子２０と外側回転子とが同じシャフトに固定されている場合には、内側回転子２０と外側回転子とが同時に始動する。このとき、仮に、固定子巻線と内側回転子２０の超電導かご形巻線２２Ａとの巻数比をｎ１（＞１）とし、固定子巻線と外側回転子３０の超電導かご形巻線３２Ａとの巻数比をｎ２（＞１）とすると、厳密な値ではないが、Ｉｓ２は凡そ“Ｉｒ１／ｎ１”と“Ｉｒ２／ｎ２”との和の電流が流れるとみなすことができる。Ｉｒ２は、始動後に同期回転数に達すれば、負荷とバランスする電流値に落ち着く。負荷とバランスする電流値に落ち着いた時に、内側回転子２０の超電導かご形巻線２２Ａの電流値をＩｒ１，ｓｔ（＜Ｉｒｃ１）とし、外側回転子３０の超電導かご形巻線３２Ａの電流値をＩｒ２，ｓｔ（＜Ｉｒｃ２）とすると、Ｉｒｃ１＜Ｉｒｃ２であるため、このときのＩｓはＩｒ１，ｓｔ／ｎ１だけ、即ち、内側回転子２０の超電導かご形巻線２２Ａのみに流れており、Ｉｓは小さく、巻線に発生するジュール損失も小さい。すなわち、例えば、外側回転子３０の超電導かご形巻線３２Ａと内側回転子２０の超電導かご形巻線２２Ａとの臨界電流が同じ場合（Ｉｒｃ１＝Ｉｒｃ２の場合）、厳密には、径方向の内側と外側とで巻線の大きさが異なるので両者の臨界電流が同じでも巻線インピーダンスが異なることが想定されるもののＩｓは大雑把には“Ｉｒ１，ｓｔ／ｎ１”＋“Ｉｒ１，ｓｔ／ｎ２”とみなすことができる。この場合、Ｉｓが大きくなり、ジュール損失が大きくなってしまう。このため、軽負荷時では、片方の回転子（上記場合は、内側回転子２０）にのみ磁束を鎖交させることで（上記の場合においては内側回転子２０のみで出力を担うことで）、ジュール損失を低減することができる。
　一方、負荷が大きくなると、Ｉｒ１，ｓｔは大きくなるが、Ｉｒ１，ｓｔ＞Ｉｒｃ１となったところで内側回転子２０に回転子からの磁束が鎖交し、すべり回転に移行する。この際、内側回転子２０がすべり回転に移行したタイミングで、即座にＩｒ２，ｓｔ＞Ｉｒｃ２が満たされれば外側回転子３０の超電導かご形巻線３２Ａが磁束を捕捉し同期回転に移行できる。一方、即座にＩｒ２，ｓｔ＞Ｉｒｃ２が満たされない場合には、さらに負荷が大きくなってＩｒ２，ｓｔ＞Ｉｒｃ２となり外側回転子３０に固定子からの磁束が鎖交し、すべり回転に移行したところで、外側回転子３０の超電導かご形巻線３２Ａが磁束を捕捉し、同期回転に移行すると共に、外側回転子３０と内側回転子２０の両者で出力を担うことになる。
　以上より、軽負荷においては、内側回転子２０の超電導かご形巻線２２Ａ回転子巻線にのみ磁束が捕捉されて出力されることにより、両方の回転子巻線に鎖交して出力する場合よりもその損失を小さくできる。
（第８の変形例）
　超電導回転機１００は、内側回転子２０及び外側回転子３０が同軸に固定され、一つの回転軸によって出力（トルク）を発揮する態様について説明したが本発明は当該態様に限定されるものではない。例えば、超電導回転機１００においては、内側回転子２０と外側回転子３０とが一体的に構成されているが、内側回転子と外側回転子とが独立して回転する構成であってもよい。図９は、超電導回転機の他の例の軸方向断面を示す説明図である。なお、図９において図２と同様の部材については同様の図番を示しその説明を省略する。
　図９に示すように、超電導回転機２００は、トロイダル固定子１２と内側回転子６０と外側回転子７０と、を備える。内側回転子６０の一方の端部には回転軸６０Ａが接続されている。また、外側回転子７０の一方の端部には回転軸７０Ａが接続されており、内側回転子６０と外側回転子７０とは独立して回転可能なように構成されている。
　当該構成によれば、例えば、内側回転子の回転速度（ＲＳ１）と、外側回転子の回転速度（ＲＳ２）とが異なる構成を実現することができる。また、当該構成によれば、内側回転子及び外側回転子のいずれか一方の回転子が停止した状態で、他方の回転子を回転可能な構成を実現することができる。
　これら構成によれば、上述の第６の変形例のように、周辺環境やエネルギー残量及びエネルギー効率などの状況に合わせて、双方の回転子の回転速度、及び、回転／停止の切り替えなど行うことができる。
（その他の変形例）
　例えば、上述の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Ｎｂ3Ｓｎ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、上述の本実施形態においては超電導材料及び常電導材料として線材を用いた場合について説明したが、本発明は当該態様に限定されるものではなく、例えば、超電導材料及び常電導材料として、バルク材を用いてもよい。例えば、固定子や回転子において電流容量の大きい材料を用いることが望まれる用途（例えば、大型超電導モータ等）などに応じて、超電導材料及び／又は常電導材料としてバルク材を用いることができる。
　また、上述の実施形態において、超電導かご形巻線２２Ａ及び３２Ａと常電導かご形巻線２２Ｂ及び３２Ｂ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２２Ａ及び３２Ａ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２２Ｂ及び３２Ｂとしてもよい。
　また、上述の実施形態において、内側回転子２０にて、常電導かご形巻線２２Ｂを内側回転子２０における外側に、超電導かご形巻線２２Ａをその内側に配置したが、超電導かご形巻線２２Ａを外側に配置してもよい。常電導かご形巻線２２Ｂを外側にした場合は、常電導状態における誘導（すべり）トルク及び超電導状態における誘導（すべり）トルクを大きくすることができ、超電導かご形巻線２２Ａ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。同様に、外側回転子３０における、超電導かご形巻線３２Ａ及び常電導かご形巻線３２Ｂの配置を変更してもよい。
　さらに、上述実施形態においては、超電導かご形巻線２２Ａ及び３２Ａと常電導かご形巻線２２Ｂ及び３２Ｂとをスロット３４Ｓ内に１本ずつ収容したが、これに限定されるものではない。例えば、超電導かご形巻線２２Ａ及び３２Ａを収容するスロットと、常電導かご形巻線２２Ｂ及び３２Ｂ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２２Ａ及び３２Ａのローターバー２６Ａの数と常電導かご形巻線２２Ｂ及び３２Ｂのローターバー２６Ｂの数とは同数でなくてもよい。また、ローターバー２６Ａ，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。
　以上、本実施形態の様々な実施形態について説明したが、本実施形態は、上述実施形態に限定されることはない。また、本実施形態は、その趣旨を逸脱しない限りにおいて、変形可能である。
　２０２０年３月２６日に出願された日本国特許出願２０２０－０５６７９２号の開示は、その全体が参照により本明細書に取り込まれる。
　また、明細書に記載された全ての文献、特許出願、及び技術規格は、個々の文献、特許出願、及び技術規格が参照により取り込まれることが具体的かつ個々に記された場合と同程度に、本明細書中に参照により取り込まれる。
１２：トロイダル固定子、１４：固定子鉄心、１６：固定子巻線、２０，６０：内側回転子、２２Ａ，３２Ａ：超電導かご形巻線、２２Ｂ，３２Ｂ：常電導かご形巻線、２４Ｓ，３４Ｓ：スロット、２６Ａ，２６Ｂ，３６Ａ，３６Ｂ：ローターバー、２８Ａ，２８Ｂ，３８Ａ，３８Ｂ：エンドリング、３０，７０：外側回転子、１００，２００：超電導回転機

Claims (7)

  1. 　筒状の固定子鉄心及び前記固定子鉄心にトロイダル状に巻回され超電導材料で形成された固定子巻線を有し、回転磁界を発生させる固定子と、
    　前記固定子の内周側に回転可能に保持された内側回転子と、
    　前記固定子の外周側に回転可能に保持された外側回転子と、
    を備え、
    　前記内側回転子及び外側回転子は、各々、
    　単数又は複数本の超電導材料で形成されたローターバー及びエンドリングを有する超電導かご形巻線（ａ）及び単数又は複数本の常電導材料で形成されたローターバー及びエンドリングを有する常電導かご形巻線（ｂ）から選ばれる少なくとも一つの回転子巻線と、
    　前記回転子巻線の各ローターバーを収容する複数のスロットを備えた回転子鉄心と、
    を有する、超電導回転機。
  2. 　前記内側回転子及び前記外側回転子の少なくとも一方が、前記回転子巻線として少なくとも超電導かご形巻線（ａ）を有する、請求項１に記載の超電導回転機。
  3. 　前記内側回転子及び前記外側回転子の少なくとも一方が、前記回転子巻線として超電導かご形巻線（ａ）及び常電導かご形巻線（ｂ）を有する、請求項１又は請求項２に記載の超電導回転機。
  4. 　前記内側回転子及び前記外側回転子は、前記回転子巻線として少なくとも超電導かご形巻線（ａ）を有する、請求項１～請求項３のいずれか一項に記載の超電導回転機。
  5. 　前記内側回転子及び前記外側回転子は、前記回転子巻線として、少なくとも超電導かご形巻線（ａ）を有し、前記内側回転子の超電導かご形巻線（ａ－１）を磁束フロー状態にするための臨界電流（Ａ１）と前記外側回転子の超電導かご形巻線（ａ－２）を磁束フロー状態にするための臨界電流（Ａ２）とが異なる、請求項３又は請求項４に記載の超電導回転機。
  6. 　前記内側回転子及び前記外側回転子は、前記回転子巻線として、少なくとも超電導かご形巻線（ａ）を有し、前記内側回転子及び前記外側回転子のいずれか一方の超電導かご形巻線（ａ）のみを磁束フロー状態に切り替え可能な、請求項１～請求項４のいずれか一項に記載の超電導回転機。
  7. 　前記内側回転子の超電導かご形巻線（ａ－１）を磁束フロー状態にするための臨界電流（Ａ１）と前記外側回転子の超電導かご形巻線（ａ－２）を磁束フロー状態にするための臨界電流（Ａ２）とが異なり、前記臨界電流（Ａ１）と前記臨界電流（Ａ２）との差によって、前記内側回転子及び前記外側回転子のいずれか一方の超電導かご形巻線（ａ）のみを磁束フロー状態に切り替え可能な、請求項６に記載の超電導回転機。
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