JP5407448B2

JP5407448B2 - 回転機器

Info

Publication number: JP5407448B2
Application number: JP2009061216A
Authority: JP
Inventors: 剛新里; 仁尾山; 裕小松; 猛馬場; 剛有吉
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2009-03-13
Filing date: 2009-03-13
Publication date: 2014-02-05
Anticipated expiration: 2029-03-13
Also published as: JP2010219118A

Description

本発明は、回転機器に関する。

従来より、超電導線材を巻きつけて形成した超電導コイルが開示されている（たとえば特公平７−７９０４８号公報（特許文献１））。特許文献１には、鞍形超電導マグネットコイルの接続方法が開示されている。特許文献１には、断面寸法の異なる超電導線材を巻線した内層コイルと外層コイルとを重ね合わせて配置し、直列に接続することで、鞍形超電導マグネットコイルを接続することが開示されている。

特公平７−７９０４８号公報

上記特許文献１では、超電導コイルを鞍形に形成しているので、コイルエンド部（湾曲部）の底面が湾曲している。このため、超電導コイルの底面を円筒面に沿わすことができるので、円筒面に沿って鞍形の超電導コイルを配置することができる。

しかしながら、鞍形の超電導コイルを形成するためには、コイルエンド部の底面が湾曲するように、超電導線材を巻きつける必要がある。超電導線材には、曲げやすい方向（フラットワイズ）と、曲げにくい方向（エッジワイズ）とがある。上記特許文献１の鞍形の超電導コイルを製造するためには、この曲げにくい方向に超電導線材を曲げる必要がある。曲げにくい方向に超電導線材を曲げると、超電導線材の性能が劣化してしまう。したがって、上記特許文献１の超電導コイルの性能が劣化するという問題がある。

そこで、本発明の目的は、性能を向上した回転機器を提供することである。

本発明の回転機器は、湾曲部では、上縁が下縁よりも内周側に位置し、直線部では、上縁が下縁よりも外周側に位置するように、超電導線材が巻きつけられている超電導コイルを備えている。超電導コイルは、第１の超電導コイルと第２の超電導コイルとを含む。第１の超電導コイルは、ロータ軸の円弧状の外表面に沿うように配置されている。第２の超電導コイルは、ステータヨークの円弧状の外表面に沿うように配置されている。本発明の回転機器によれば、性能の劣化を抑制できる超電導コイルを用いている。このため、回転機器の性能の劣化を抑制することができる。また、超電導コイルは鞍形であるので、超電導コイルの底部（下縁）を回転機器の円筒面に沿って配置することができる。このため、小型化を図ることができる。

以上より、本発明の回転機器によれば、湾曲部では、上縁が下縁よりも内周側に位置し、直線部では、上縁が下縁よりも外周側に位置する超電導コイルを有しているので、性能の劣化を抑制することができる。また、超電導コイルは鞍形であるので、超電導コイルの底部（下縁）を回転機器の円筒面に沿って配置することができる。このため、小型化を図ることができる。

本発明の実施の形態１における超電導コイルを概略的に示し、（Ａ）は斜視図であり、（Ｂ）は（Ａ）の矢印Ｉ（Ｂ）から見たときの側面図である。本発明の実施の形態１における超電導コイルの上縁と下縁とを概略的に示す模式図である。図２におけるＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う概略的な断面図である。図２におけるＩＶ−ＩＶ線に沿う概略的な断面図である。図２におけるＶ−Ｖ線に沿う概略的な断面図である。（Ａ）は、図１におけるＶＩ（Ａ）−ＶＩ（Ａ）線に沿う概略的な断面図であり、（Ｂ）は、図１におけるＶＩ（Ｂ）−ＶＩ（Ｂ）線に沿う概略的な断面図である。本発明の実施の形態１における超電導線材を概略的に示す斜視図である。本発明の実施の形態１における超電導線材を概略的に示す斜視図である。本発明の実施の形態１における超電導線材のフラットワイズを説明するための図である。本発明の実施の形態１における超電導線材のエッジワイズを説明するための図である。本発明の実施の形態１における超電導コイルを製造するための装置を概略的に示す上面図である。図１１におけるＸＩＩ−ＸＩＩ線に沿う概略的な断面図である。図１１におけるＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ線に沿う概略的な断面図である。比較例１における超電導コイルを概略的に示す斜視図である。比較例１における超電導コイルを概略的に示す平面図である。比較例２における超電導コイルの上縁と下縁とを概略的に示す模式図である。図１６におけるＸＶＩＩ−ＸＶＩＩ線に沿う概略的な断面図である。図１６におけるＸＶＩＩＩ−ＸＶＩＩＩに沿う概略的な断面図である。本発明の実施の形態２におけるモータを概略的に示す断面図である。本発明の実施の形態２におけるロータを概略的に示す斜視図である。本発明の実施の形態２におけるステータを概略的に示す斜視図である。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照符号を付し、その説明は繰り返さない。

（実施の形態１）
図１〜図１０を参照して、本発明の一実施の形態における超電導コイル１０について説明する。本実施の形態における超電導コイル１０は、図１（Ａ）、（Ｂ）および図２に示すように、レーストラック状に超電導線材１１が巻きつけられた鞍形の超電導コイルである。つまり、超電導コイル１０を上から見ると、レーストラック状である。

超電導コイル１０は、直線部１０ａと、直線部１０ａと接続された湾曲部１０ｂとを備えている。直線部１０ａは、長軸方向に延びる直線の部分であり、湾曲部１０ｂは上から見たときに曲線となる部分（コイルエンド部）である。湾曲部１０ｂは、図１（Ｂ）に示すように底部である下縁１０ｄが円弧状に湾曲している鞍形である。

図２は、超電導コイル１０を構成する１本の超電導線材１１において、上縁１０ｃが位置するコースと、下縁１０ｄが位置するコースとを示し、他の超電導線材１１等は省略している。また、図２において、中心Ｒは、湾曲部１０ｂでの超電導線材の円弧の中心を示す。

図２および図３に示すように、湾曲部１０ｂでは、上縁１０ｃが下縁１０ｄよりも内周側（超電導コイル１０に囲まれる中空側）に位置している。つまり、湾曲部１０ｂでは、上縁１０ｃと中心Ｒとの距離Ｒ１０ｃは、下縁１０ｄと中心Ｒとの距離Ｒ１０ｄよりも狭い。

図２および図４に示すように、直線部１０ａでは、上縁１０ｃが下縁１０ｄよりも外周側（超電導コイル１０に囲まれる中空側と反対側）に位置している。つまり、直線部１０ａでは、上縁１０ｃと中心Ｒとの距離Ｒ１０ｃは、下縁１０ｄと中心Ｒとの距離Ｒ１０ｄよりも広い。

図２および図５に示すように、上縁１０ｃと下縁１０ｄとが周方向において一致する位置が存在する。言い換えると、この位置における上縁１０ｃと下縁１０ｄとのなす面は、中心Ｒを通る軸と平行である。この位置では、上縁１０ｃと中心Ｒとの距離Ｒ１０ｃと、下縁１０ｄと中心Ｒとの距離Ｒ１０ｄとは同じである。この位置は、直線部１０ａと湾曲部１０ｂとが接続される位置に存在していてもよく、直線部１０ａまたは湾曲部１０ｂに存在していてもよい。

また、上縁１０ｃと下縁１０ｄとの長さが同じであることが好ましい。この場合、湾曲部１０ｂにおいて、超電導線材１１の傾きが徐々に変わるように、超電導線材１１が配置される。

このように超電導線材１１を配置すると、図６（Ａ）および（Ｂ）に示すように、超電導コイル１０の長手方向と短手方向において、超電導線材１１の傾く方向は互いに反対になる。

なお、上述した上縁１０ｃおよび下縁１０ｄは、超電導コイル１０を平坦な面に載置したときに現れる。このため、超電導コイル１０を図１に示す状態と反対に載置すると（上縁１０ｃが下側に、下縁１０ｄが上側に載置すると）、湾曲部では、上縁が下縁よりも外周側に位置し、直線部では、上縁が下縁よりも内周側に位置することになる。

ここで、超電導コイル１０を構成する超電導線材１１について説明する。超電導線材１１は、テープ状であり、図７に示すように、ビスマス（Ｂｉ）系の超電導線材を用いてもよく、図８に示すように、薄膜超電導線材を用いてもよい。

ビスマス系の超電導線材は、図７に示すように、長手方向に延びる複数本の超電導体１１ａと、複数の超電導体１１ａの全周を被覆するシース部１１ｂとを有している。シース部１１ｂは超電導体１１ａに接触している。複数本の超電導体１１ａの各々は、たとえばＢｉ−Ｐｂ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ系の組成を有するビスマス系超電導体が好ましく、特に、（ビスマスと鉛）：ストロンチウム：カルシウム：銅の原子比がほぼ２：２：２：３の比率で近似して表されるＢｉ２２２３相を含む材質が最適である。シース部１１ｂの材質は、たとえば銀や銀合金よりなっている。なお、超電導体１１ａは、単数本であってもよい。

薄膜超電導線材は、図８に示すように、基板１１ｃと、基板１１ｃ上に接して設けられた中間層１１ｄと、中間層１１ｄ上に接して設けられた超電導層１１ｅと、超電導層１１ｅ上に接して設けられた安定化層１１ｆとを有している。

基板１１ｃは、たとえばステンレス鋼、ニッケル合金（たとえばハステロイ）、または銀合金などの金属よりなっている。中間層１１ｄは、たとえばイットリア安定化ジルコニア、酸化セリウム、酸化マグネシウムまたはチタン酸ストロンチウムなどよりなっている。なお、中間層１１ｄは省略されてもよい。

超電導層１１ｅはたとえばＲＥ１２３系超電導体よりなっている。ＲＥ１２３系超電導体とは、ＲＥ_xＢａ_yＣｕ_zＯ_7-dにおいて、０．７≦ｘ≦１．３、１．７≦ｙ≦２．３、２．７≦ｚ≦３．３であることを意味する。また、ＲＥ１２３系超電導体のＲＥとは、希土類元素およびイットリウム元素の少なくともいずれかを含む材質を意味する。また、希土類元素としては、たとえばネオジム（Ｎｄ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、ホルミニウム（Ｈｏ）、サマリウム（Ｓｍ）などが含まれる。ＲＥ１２３系超電導線材は、液体窒素温度（７７．３Ｋ）での臨界電流密度がビスマス系の超電導線材よりも高いという利点を有している。また、低温下および一定磁場下における臨界電流値が高いという利点を有している。一方で、ＲＥ１２３系超電導体はビスマス系超電導体のようにシース部で被覆することができないので、配向金属基板上に気相法のみまたは液相法のみによって超電導体（超電導薄膜材料）を成膜する方法で製造される。

また、安定化層１１ｆは、超電導層１１ｅの表面保護のために設けられる層であり、たとえば銀や銅などよりなっている。安定化層１１ｆは省略されてもよい。

図７および図８に示すように、超電導線材１１がレーストラック状に巻きつけられたときに、上縁１０ｃに位置する上面１２と、下縁１０ｄに位置する下面１３と、側面１４、１５とを超電導線材１１は有している。図８に示す超電導線材１１については、上面と下面とが反対になるように巻きつけてもよい。超電導層１１ｅが内周側に配置する場合には、超電導層１１ｅに圧縮応力が加えられることを抑制できるので、超電導層１１ｅの劣化を抑制できる点で有利である。超電導層１１ｅを外側に配置する場合には、外部電源との端子をとりやすい点で有利である。

図９に示すように、一方の長手方向に延びる側面１４を内周側に、他方の長手方向に延びる側面１５を外周側に位置するように（図９における矢印の方向に）超電導線材１１を曲げると、湾曲部１０ｂを形成することができる。この方向には超電導線材１１は曲げやすい（フラットワイズ）。

一方、図１０に示すように、下縁１０ｄに位置する下面１３が円弧状に沿うように（図１０に示す矢印の方向に）超電導線材１１を曲げると、鞍形を形成することができる。この方向には超電導線材１１は曲げにくい（エッジワイズ）。

続いて、図１１〜図１３を参照して、本実施の形態における超電導コイル１０の製造方法について説明する。まず、図１１〜図１３に示すように、まず、円筒面を有する台座５１を準備する。

次に、台座５１の円筒面５１ａ上に、レーストラック状の鞍形の巻枠５２を配置する。巻枠５２は、湾曲部５２ｂと、湾曲部５２ｂと接続された直線部５２ａとを有している。湾曲部５２ｂでは、上縁５２ｃが下縁５２ｄよりも内周側に位置している。直線部５２ａでは、上縁５２ｃが下縁５２ｄよりも外周側に位置している。

次に、台座５１の円筒面５１ａ上に、巻枠５２に沿って超電導線材１１を巻きつける。円筒面５１ａ上に超電導線材１１を巻きつけることにより、鞍形を形成することができる。巻枠５２に沿って超電導線材１１を巻きつけることにより、エッジワイズに超電導線材１１を曲げることを抑制できる。

以上の工程を実施することにより、図１に示す本実施の形態における超電導コイル１０を製造することができる。このように製造すると、超電導線材１１をレーストラック状に巻きつけた後に、プレスすることにより鞍形に形成する場合と比べて、超電導線材１１に亀裂が入ることを抑制できる。

続いて、図１４および図１５に示す比較例１の超電導コイル２０および図１６〜図１８に示す比較例２の超電導コイル３０と比較して、本実施の形態における超電導コイル１０の効果について説明する。

図１４および図１５に示すように、比較例１における超電導コイル２０は、直線部２０ａと湾曲部２０ｂとを有するレーストラック状であり、湾曲部２０ｂは鞍形でない。つまり、図１４の矢印ＸＶから見たときの側面図である図１５に示すように、湾曲部２０ｂでは、上縁２０ｃおよび下縁２０ｄは平坦である。比較例１の超電導コイル２０を円筒面に沿って配置することができないため、小型化を図ることができないという問題がある。

なお、比較例１のレーストラック状の超電導コイル２０では、超電導線材の側面と、湾曲部での円弧の中心軸とは平行である。このため、湾曲部でエッジワイズ曲げの力が加えられることを抑制できる。

図１６は、超電導コイル１０を構成する１本の超電導線材１１において、上縁１０ｃが位置するコースと、下縁１０ｄが位置するコースとを示し、他の超電導線材１１等は省略している。また、図１６において、中心Ｒは、湾曲部での超電導線材の円弧の中心を示す。

図１６〜図１８に示すように、比較例２における超電導コイル３０は、比較例１と同様に直線部と湾曲部とを有するレーストラック状であり、湾曲部は鞍形である。湾曲部では、図１７に示すように、超電導線材１１の上縁１０ｃが下縁１０ｄよりも内周側に位置している。つまり、湾曲部では、上縁１０ｃと中心Ｒとの距離Ｒ１０ｃは、下縁１０ｄと中心Ｒとの距離Ｒ１０ｄとの距離よりも狭い。直線部では、図１８に示すように、超電導線材１１の上縁１０ｃと下縁１０ｄとは周方向において一致している。つまり、上縁１０ｃと中心Ｒとの距離Ｒ１０ｄと、下縁１０ｄと中心Ｒとの距離Ｒ１０ｄとの距離は同じである。このため、比較例２の超電導コイル３０を構成する超電導線材において、上縁１０ｃを通る長さよりも下縁１０ｄを通る長さが大きくなる。

このような比較例２の超電導コイル３０において、鞍形を形成するためには、上述したように、図１６〜図１８に示すように、湾曲部１０ｂで超電導線材１１の側面１４、１５を傾ける必要がある。言い換えると、湾曲部において、超電導線材の側面を、円弧の中心軸から傾ける必要がある。この場合、超電導線材１１をエッジワイズ曲げの力が加えられた状態を維持することになる。このため、比較例２の超電導コイル３０では、円筒面に沿って配置することができるものの、超電導線材１１の性能が劣化してしまうという問題がある。

本実施の形態における超電導コイル１０では、湾曲部１０ｂでは、上縁１０ｃが下縁１０ｄよりも内周側に位置し、直線部１０ａでは、上縁１０ｃが下縁１０ｄよりも外周側に位置するように、超電導線材１１が巻きつけられている。これにより、超電導コイル１０の上縁１０ｃと下縁１０ｄとの長さの差を低減できる。このため、曲げにくい方向の力（エッジワイズ曲げ）が超電導線材１１に加えられることを抑制できる。つまり、湾曲部１０ｂで超電導線材１１の側面１４、１５の傾きを徐々に変えて、エッジワイズ曲げ成分をキャンセルさせている。したがって、超電導線材１１の性能の劣化を抑制できるので、超電導コイル１０の性能の劣化を抑制できる。

また、湾曲部１０ｂが鞍形であるので、円筒面に沿って超電導コイル１０を配置することができる。このため、本実施の形態の超電導コイル１０を回転機器に用いると、回転機器の小型化を図ることができる。

以上より、本実施の形態における超電導コイル１０によれば、鞍形でないレーストラック状の比較例１超電導コイル２０の超電導特性を維持できる効果と、鞍形の比較例２の円筒面に沿って配置できる効果とを兼ね備えている。

（実施の形態２）
図１９〜図２１を参照して、本発明の回転機器の一実施の形態におけるモータ１００を説明する。図１９に示すように、モータ１００は、回転子であるロータ１１０と、ロータ１１０の周囲に配置された固定子であるステータ１２０とを備えている。

図１９および図２０に示すように、ロータ１１０は、実施の形態１の超電導コイル１０と、回転軸１１８と、ロータコア１１３と、ロータ軸１１６と、冷媒１１７とを含んでいる。

ロータ軸１１６は、回転軸１１８の長軸方向に延びる外周面の周囲に形成されている。ロータ軸１１６の外表面は円弧状である。ロータコア１１３は、ロータ軸１１６の、回転軸１１８に交差する断面における中央部分（回転軸１１８が配置されている領域）から放射状に、ロータ軸１１６の外周面から突出するように延びている。超電導コイル１０は、ロータコア１１３を囲むように、かつロータ軸１１６の円弧状の外表面に沿うように配置されている。冷媒１１７は、超電導コイル１０を冷却する。超電導コイル１０と冷媒１１７とは、断熱容器の内部に配置されている。

ロータ１１０の周囲には、モータ１００の固定子としてのステータ１２０が形成されている。ステータ１２０は、実施の形態１の超電導コイル１０と、ステータヨーク１２１と、冷媒１２７と、ステータコア１２３とを含んでいる。

ステータヨーク１２１は、ロータコア１１３の外周を取り囲んでいる。ステータヨーク１２１の外表面は円弧状である。超電導コイル１０は、ステータヨーク１２１の円弧状の外表面に沿うように配置されている。冷媒１２７は、超電導コイル１０を冷却する。超電導コイル１０と冷媒１２７とは、断熱容器の内部に配置されている。断熱容器は、ステータコア１２３の一部が配置されるように超電導コイル１０の中心において開口部を有している。ステータコア１２３は、超電導コイル１０の周囲を取り囲み、超電導コイル１０の中心部を貫通するように配置されている。なお、図２１においては、ステータコア１２３の記載が省略されている。

なお、本実施の形態では、ロータ１１０の超電導コイル１０および超電導コイル１０の中心を貫通するロータコア１１３の一部は４本配置されているが、ロータコア１１３の本数はたとえば６本、８本、３本など任意の本数とすることができる。同様に、本実施の形態では、ステータ１２０の超電導コイル１０および超電導コイル１０の中心を貫通するステータコア１２３の一部は６本配置されているが、たとえば４本、８本、３本など任意の本数とすることができる。

以上説明したように、本実施の形態における回転機器としてのモータ１００は、実施の形態１における超電導コイル１０を備えている。つまり、性能の劣化を抑制できる超電導コイルを用いている。このため、モータ１００の性能の劣化を抑制することができる。また、超電導コイル１０は鞍形であるので、超電導コイル１０の底部（下縁）を円筒面に沿って配置することができる。このため、モータ１００の小型化を図ることができる。

なお、本実施の形態では、回転機器として、ロータ１１０とステータ１２０とを含むモータ１００を例に挙げて説明したが、本発明の回転機器はモータに特に限定されず、たとえば、発電機などにも適用可能である。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した実施の形態ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１０，２０，３０超電導コイル、１０ａ，２０ａ，５２ａ直線部、１０ｂ，２０ｂ，５２ｂ湾曲部、１０ｃ，２０ｃ，５２ｃ上縁、１０ｄ，２０ｄ，５２ｄ下縁、１１超電導線材、１１ａ超電導体、１１ｂシース部、１１ｃ基板、１１ｄ中間層、１１ｅ超電導層、１１ｆ安定化層、１２上面、１３下面、１４，１５側面、５１台座、５１ａ円筒面、５２巻枠、１００モータ、１１０ロータ、１１３ロータコア、１１６ロータ軸、１１７，１２７冷媒、１１８回転軸、１２０ステータ、１２１ステータヨーク、１２３ステータコア、Ｒ中心、Ｒ１０ｃ，Ｒ１０ｄ距離。

Claims

レーストラック状に超電導線材が巻きつけられた鞍形の超電導コイルと、
外表面が円弧状であるロータ軸と、
外表面が円弧状であるステータヨークとを備え、
前記超電導コイルは、第１の超電導コイルと第２の超電導コイルとを含み、
前記第１の超電導コイルおよび前記第２の超電導コイルの各々は、
湾曲部と、
前記湾曲部と接続された直線部とを含み、
前記湾曲部では、上縁が下縁よりも内周側に位置し、
前記直線部では、上縁が下縁よりも外周側に位置し、
前記第１の超電導コイルは、前記ロータ軸の円弧状の外表面に沿うように配置され、
前記第２の超電導コイルは、前記ステータヨークの円弧状の外表面に沿うように配置されている、回転機器。