(57)【要約】【課題】電気特性の劣化を抑制することが可能な超電導コイル、および当該超電導コイルを用いた超電導機器を提供する。【解決手段】本発明に係る超電導コイル１１，２１は、レーストラック型コイルを複数個積層した超電導コイル１１，２１である。レーストラック型コイルの内径が、積層方向の一方端から他方端に向けて徐々に大きくなる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーストラック型コイルを複数個積層した超電導コイルであって、
前記レーストラック型コイルの内径が、積層方向の一方端から他方端に向けて徐々に大きくなる、超電導コイル。
【請求項２】
前記一方端側における前記レーストラック型コイルと前記他方端側における前記レーストラック型コイルとで、複数の前記レーストラック型コイルのターン数がそれぞれ異なる、請求項１に記載の超電導コイル。
【請求項３】
前記一方端側における前記ターン数が、前記他方端側における前記ターン数よりも多い、請求項２に記載の超電導コイル。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の超電導コイルを用いた超電導機器。
【請求項５】
レーストラック型コイルを複数個積層した超電導コイルを用いたロータであって、
前記ロータに用いられる複数の前記レーストラック型コイルの内径は、前記ロータの中央側から外周側に向けて徐々に大きくなるロータ。
【請求項６】
前記ロータに用いられる複数の前記レーストラック型コイルは、前記ロータの中央側におけるターン数が、前記ロータの外周側における前記ターン数よりも多い、請求項５に記載のロータ。
【請求項７】
レーストラック型コイルを複数個積層した超電導コイルを用いたステータであって、
前記ステータに用いられる複数の前記レーストラック型コイルの内径は、前記ステータの外周側から中央側に向けて徐々に大きくなるステータ。
【請求項８】
前記ステータに用いられる複数の前記レーストラック型コイルは、前記ステータの外周側におけるターン数が、前記ステータの中央側における前記ターン数よりも多い、請求項７に記載のステータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超電導コイル、超電導機器、ロータおよびステータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
超電導体は、電気抵抗が極めて低いためエネルギー損失が小さく、かつ電流密度が高いため、省エネルギー技術としても期待されている。このため超電導技術の応用分野として、超電導モータで駆動する電気自動車の開発が進められている。
【０００３】
通常の電気自動車用モータ用のコイルには銅線が用いられている。しかし銅線は電気抵抗により発熱する。このため銅線に流すことができる電流値は制限されている。したがって、銅線を用いたコイルの場合は比較的小さなサイズを維持したままで大きなトルク（回転力）を得ることが困難である。一方、超電導体は電気抵抗が極めて低いため、損失を最小限に保ちながら大きな電流を流すことができる。このため超電導コイルは大きなトルクを連続して得ることができるとともに、バッテリのエネルギーを効率よく使用することができる。したがって超電導コイルは省エネルギーに寄与できる。
【０００４】
上述のように超電導コイルは駆動力が大きい上に省エネルギーに寄与できることから、自動車の中でも小型の乗用車のみならず、バス、トラックなどの大型車へ応用するための開発が進められている。電気自動車における超電導モータ装置としては、たとえば以下の特許文献１に開示された態様のものが考えられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−８６９１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
一般的に、超電導モータを冷却する冷媒を供給するために、たとえば外部から冷媒配管などを配置すれば、冷媒配管を保冷する手段が必要になるため冷却設備が大型化、複雑化する。そこで特許文献１では、液体を貯留するタンクの内部に超電導モータを収容し、当該液体で超電導モータを冷却する構成を有する電気自動車用の超電導モータ装置が開示されている。このようにすれば、超電導モータは、収容されたタンクの内部に貯留された液体（液体窒素など）により冷却されるため、外部から冷却設備を接続する必要がなくなる。このため、装置の大型化を抑制できるとともに、超電導モータを冷却する効率が向上する。
【０００７】
ところで、超電導モータには、モータを構成するロータおよびステータのそれぞれにおいて、磁場が強い領域が存在する。この磁場が強い領域とは、ロータおよびステータのそれぞれにおける超電導コイルが作る磁場が集中する領域である。図５は、従来の超電導モータのロータとステータが構成される領域の断面図である。言い換えれば図５は、後述する図１の線分Ｖ−Ｖにおける断面図である。
【０００８】
モータ本体部３０を示す図５にて丸点線で囲まれた領域１ａは、図５の中心部に存在するロータのロータコイル１１が巻回されたロータコア１３の側部において、もっとも外側の領域（外周側）である。また図５中にて丸点線で囲まれた領域１ｂは、ロータの外周部に存在するステータのステータコイル２１が巻回されたステータコア２３の側部において、もっとも内側の領域（中央側）である。これらの領域は、発明者がシミュレーションなどを用いて検討したところ、磁場の強度が高くなりやすい。
【０００９】
ここで、超電導コイルに磁場が印加されると、当該超電導コイルの電流特性が劣化する（たとえば臨界電流値が低下する）。そして、磁場のなかでも特に、超電導コイルの幅方向や長軸方向に交差する方向、特に超電導コイルを構成する超電導線材の厚み方向に沿った方向（より具体的には超電導線材の主表面を貫通する方向）に加わる磁場は、当該超電導コイルの電流特性を劣化させ、当該超電導コイルにおいてクエンチングなどの現象が起きる原因となる。図５に示す従来のモータ本体部３０においては、領域１ａ、１ｂにロータコイル１１やステータコイル２１が配置されている。このため、領域１ａ、１ｂに配置されたロータコイル１１やステータコイル２１の部分には、強い磁場が印加されることになるので、ロータコイル１１やステータコイル２１においてクエンチングなどの現象が起きる可能性が高くなる。しかし特許文献１においては、この点に関して開示も示唆もされておらず、また上記問題に対する対策なども何ら言及されていない。
【００１０】
本発明は、以上の問題に鑑みなされたものであり、その目的は、電気特性の劣化を抑制することが可能な超電導コイル、および当該超電導コイルを用いた超電導機器を提供することである。さらに当該超電導機器を構成するロータ、ステータを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に係る超電導コイルは、レーストラック型コイルを複数個積層した超電導コイルであって、レーストラック型コイルの内径が、積層方向の一方端から他方端に向けて徐々に大きくなる。なお、ここで内径とは、レーストラック型コイルの内周側側面の間の幅であり、特にレーストラック型コイルの互いに対向する１対の長辺方向に延在する直線部の間隔をいう。すなわち、言い換えれば上記内径とは、レーストラック型コイルを形成する１対の対向する直線部の内周側側面間の最短距離をいう。
【００１２】
上述したように、超電導コイルは、たとえば超電導モータなどの超電導機器に用いた際に、磁場の相対的に強い領域に配置すれば、特に超電導コイルの厚み方向における磁場により、電気特性が劣化する可能性がある。このため、超電導コイルは、磁場の強い領域には配置せず、磁場の弱い領域に配置することが好ましい。
【００１３】
ここで、本発明による超電導コイルを超電導モータなどの超電導機器に適用する場合、超電導モータを構成するロータやステータのコアの周囲を巻回するように当該超電導コイルを配置する。そして、上述のようにロータコアの側部においてもっとも外側の領域やステータコアの側部においてもっとも内側の領域など、コアの一方端部近傍に磁場の強い領域が形成される。本発明による超電導コイルでは、当該超電導コイルを構成する複数のレーストラック型コイルの内径が、上述のように積層方向の一方端から他方端に向けて徐々に大きくなる。そのため、上記磁場の強い領域が、超電導コイルにおいて他方端側の内周部に配置されるように、超電導コイルを設置することができる。このようにすれば、磁場の強い領域を避けるように超電導コイルを配置することになる。この結果、強い磁場の影響により超電導コイルの電気的特性が劣化する可能性を低減できる。
【００１４】
さらに、本発明による超電導コイルの他方端側の内径を大きくする一方、一方端側については内径を相対的に小さくしているので、一方端側でのレーストラック型コイルのターン数を十分大きくすることができる。このため、超電導コイルの内径を一律に大きくする場合より、超電導コイルの外周が占める体積に対する超電導体の体積の割合を向上させることができる。
【００１５】
すなわち、超電導機器のサイズを一定にした場合、磁場の強い領域に対して超電導コイルを設けなければ、当該超電導機器における超電導コイルの占める体積である占積率が低下する。占積率が低下すれば、当該超電導機器における超電導コイルにより発生する磁力の強度が低下し、結果的に超電導機器の性能の低下を招く。したがって、当該超電導機器における超電導コイルの占積率を向上することが好ましい。
【００１６】
そこで、たとえば磁場の強い領域においては、当該磁場の強い領域がレーストラック型コイルを構成する輪環形状の内部（空洞部分）に収まるように超電導コイルを配置する。すなわち、当該超電導コイルが磁場の強い領域の外側を取り囲むように配置する。このとき、当該超電導コイルは磁場の強い領域を通ることなく、磁場の強い領域の外部の領域を通るように配置される。つまり、当該超電導コイルは磁場の強い領域の外側の領域を通るため、内径が大きくなる。また、磁場の弱い領域については、当該領域について上記のように超電導コイルを避けるように配置する必要がない。このため、上記の磁場の強い領域の外周側を通る超電導コイルに比べて当該超電導コイルの内径を小さくすることができる。このように、磁場の強さに応じて超電導コイルの内径を変化させることができる。したがって、積層方向の一方端側から他方端側に向けて徐々に磁場が強くなる場合、積層されるレーストラック型コイルは、一方端側から他方端側に向けて内径が徐々に大きくなることが好ましい。
【００１７】
このようにすれば、レーストラック型コイルが磁場の強い領域を通ることを抑制することができるとともに、レーストラック型コイルの占積率を低下させずに確保することができる。このため、当該超電導コイルは、強い磁場が印加されることに起因する電気特性の劣化を抑制し、かつ適用された超電導機器において十分な性能を発揮することができる。
【００１８】
なお、上述した超電導コイルにおいては、上記一方端側におけるレーストラック型コイルと上記他方端側におけるレーストラック型コイルとで、複数のレーストラック型コイルのターン数がそれぞれ異なることが好ましい。
【００１９】
上述したように磁場の大きさに応じてレーストラック型コイルの内径を調整する場合は、たとえば積層されるレーストラック型コイルの外径を等しくする。ここで外径とは、レーストラック型コイルのレーストラック形状の外周部の幅であり、互いに対向する１対の長辺方向に延在する直線部の外周部の間隔をいう。
【００２０】
このとき、各レーストラック型コイルにおけるターン数を変化させることにより、たとえばターン数が少ないレーストラック型コイルについては内径が大きくなり、ターン数が多いレーストラック型コイルについては内径が小さくなる。したがって、ターン数を調整することにより、レーストラック型コイルの内径を調整することができる。レーストラック型コイルの内径を調整することにより、上述したように、超電導コイルの電気特性の劣化を抑制することができる。
【００２１】
なお、上述した超電導コイルにおいては、一方端側におけるターン数が、他方端側におけるターン数よりも多いことが好ましい。上述したように、レーストラック型コイルの内径にかかわらず外径を等しくする場合には、ターン数を変化させることにより、内径を変化させることができる。したがって、積層方向の一方端側から他方端側に向けて徐々に磁場が強くなる場合、一方端側においてターン数を大きくすることにより内径を小さくし、他方端側においてターン数を少なくすることにより内径を大きくすることができる。このようにすれば、一方端側のターン数の多いレーストラック型コイルによりコイルの占積率を向上させると同時に、他方端側の内径の大きいレーストラック型コイルにより、磁場の影響による超電導コイルの電気特性の劣化を抑制できる。
【００２２】
上述した超電導コイルを用いた超電導機器は、磁場の影響による超電導コイルの電気特性の劣化が抑制されるとともに、超電導コイルの占積率の低下も抑制されている。このため、高い性能の超電導機器を実現できる。
【００２３】
本発明におけるロータは、レーストラック型コイルを複数個積層した超電導コイルを用いたロータである。上記ロータに用いられる複数のレーストラック型コイルの内径は、ロータの中央側から外周側に向けて徐々に大きくなる。
【００２４】
上述した超電導機器としては、たとえば電気自動車用モータを挙げることができる。上述したように、モータを構成するロータの、当該レーストラック型コイルが巻回されたロータコアの側部において、最も外側の領域（外周側）の磁場が強くなる。そこで、磁場が強いロータの外周側の領域におけるレーストラック型コイルの内径を、ロータの中央側の領域におけるレーストラック型コイルの内径よりも大きくし、レーストラック型コイルが磁場の強い領域を避けて通るように配置する。このようにすれば、磁場の影響による超電導コイルの電気特性の劣化を抑制できる。
【００２５】
上記ロータに用いられる複数のレーストラック型コイルは、ロータの中央側におけるターン数が、ロータの外周側におけるターン数よりも多いことが好ましい。
【００２６】
レーストラック型コイルの内径を、ロータの中央側から外周側に向けて徐々に大きくするために、ロータの外周側の領域におけるレーストラック型コイルのターン数を、ロータの中央側の領域におけるレーストラック型コイルのターン数よりも少なくする。言い換えれば、ロータの中央側におけるターン数を、ロータの外周側におけるターン数よりも多くする。このためにはたとえば、積層されるレーストラック型コイルの外径を外周側も中央側もほぼ一定とし、ロータの外周側におけるターン数を少なくし、ロータの中央側におけるターン数を多くする。このようにすれば、ロータの外周側におけるレーストラック型コイルの内径が、ロータの中央側におけるレーストラック型コイルの内径よりも大きくなる。
【００２７】
このようにしてたとえば、ロータの外周側の領域においては、磁場の強い領域を避けて当該磁場の強い領域よりもレーストラック型コイルの径方向に関する外側のみをレーストラック型コイルが通るように配置する。このようにすれば、磁場の影響による超電導コイルの電気特性の劣化を抑制できる。
【００２８】
本発明に係るステータは、レーストラック型コイルを複数個積層した超電導コイルを用いたステータである。上記ステータに用いられる複数のレーストラック型コイルの内径は、ステータの外周側から中央側に向けて徐々に大きくなる。
【００２９】
モータを構成するステータは、ロータよりも外周側に存在する。このため上述したように、ステータの、当該レーストラック型コイルが巻回されたステータコアの側部において、最も内側の領域（中央側）の磁場が強くなる。そこで、磁場が強いステータの中央側の領域におけるレーストラック型コイルの内径を、ステータの外周側の領域におけるレーストラック型コイルの内径よりも大きくし、レーストラック型コイルが磁場の強い領域を避けて通るように配置する。このようにすれば、磁場の影響による超電導コイルの電気特性の劣化を抑制できる。
【００３０】
上記ステータに用いられる複数のレーストラック型コイルは、ステータの外周側におけるターン数が、ステータの中央側におけるターン数よりも多いことが好ましい。
【００３１】
磁場が強いステータの中央側の領域におけるレーストラック型コイルのターン数を、ステータの外周側の領域におけるレーストラック型コイルのターン数よりも少なくする。言い換えれば、ステータの外周側におけるターン数を、ステータの中央側におけるターン数よりも多くする。このためにはたとえば、積層されるレーストラック型コイルの外径を外周側も中央側もほぼ一定とし、ステータの中央側におけるターン数を少なくし、ステータの外周側におけるターン数を多くする。このようにすれば、ステータの中央側におけるレーストラック型コイルの内径が、ステータの外周側におけるレーストラック型コイルの内径よりも大きくなる。
【００３２】
このようにしてたとえば、ステータの中央側の領域においては、磁場の強い領域を避けて当該磁場の強い領域よりもレーストラック型コイルの径方向に関する外側のみをレーストラック型コイルが通るように配置する。このようにすれば、磁場の影響による超電導コイルの電気特性の劣化を抑制できる。
【発明の効果】
【００３３】
本発明によれば、超電導コイルにおける磁場の影響による電気特性の劣化を抑制するとともに、当該超電導コイルを用いた超電導機器における性能の劣化を抑制できる。さらに当該超電導機器を構成するロータ、ステータにおける性能の劣化も抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の各実施の形態に係るモータの概略構成図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係るモータの断面の態様を示す、図１の線分ＩＩ−ＩＩにおける概略断面図である。
【図３】本発明の実施の形態２に係るモータの断面の態様を示す、図１の線分ＩＩＩ−ＩＩＩにおける概略断面図である。
【図４】本発明に係るモータのコイルに用いる超電導線材を６５Ｋで使用した際に当該超電導線材に加わる垂直磁場の大きさと、当該超電導線材の臨界電流の大きさとの関係を示すグラフである。
【図５】従来から用いられるモータの断面の態様を示す、図１の線分Ｖ−Ｖにおける概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
以下、図面を参照しながら、本発明の各実施の形態について説明する。なお、各実施の形態において、同一の機能を果たす要素には同一の参照符号を付し、その説明は、特に必要がなければ繰り返さない。
【００３６】
（実施の形態１）
図１、図２を参照して、本発明の実施の形態１に係るモータ１００は、回転子であるロータ１０と、ロータ１０の周囲に配置されたステータ２０とからなるモータ本体部３０と、ロータ１０の回転を出力する負荷に接続される出力軸１８とを備える。出力軸１８は回転するため、ベアリング３５によりステータ２０に回転可能に固定される。
【００３７】
ロータ１０は、出力軸１８の長軸方向に延びる外周面の周囲に形成されたロータ軸１６を含む。また、ロータ１０は、ロータ軸１６の、出力軸１８に交差する断面における中央部分（出力軸１８が配置されている領域）から放射状に、ロータ軸１６の外周面から突出するように延びるロータコア１３と、ロータコア１３に巻回されたロータコイル１１とを含んでいる。ステータ２０は、ロータ軸１６の、出力軸１８に交差する断面において、ロータ１０の周囲を囲むように配置されており、磁界を発生させるステータコイル２１と、ステータコイル２１を含むステータ２０の本体をなすステータコア２３とを含んでいる。
【００３８】
ロータ１０における各ロータコイル１１は、図１に示すように、各ロータコア１３の長手方向の側面を覆うようにレーストラック形状をなすように複数回巻回（ターン）されたレーストラック型コイルを複数個積層した超電導コイルである。各ロータコイル１１を構成するレーストラック型コイルは、パンケーキ巻きされることにより、レーストラック型コイルとしての態様をなしている。ステータ２０における各ステータコイル２１も同様に、図２に示すようにロータ１０の配置される方向に（すなわちモータ本体部３０の中央側に）ステータコア２３が突出する領域を覆うように複数回巻回（ターン）されたレーストラック型コイルを複数個積層した超電導コイルである。各ステータコイル２１を構成するレーストラック型コイルは、パンケーキ巻きされることにより、レーストラック型コイルとしての態様をなしている。なお、図１においては図を見やすくするため、図２に示したステータコア２３やステータコイル２１、コイル冷却容器１７などについては図示を省略している。
【００３９】
図１、図２に示すように、モータ１００において、ロータコイル１１ではレーストラック型コイルが４層積層されており、ステータコイル２１ではレーストラック型コイルが３層積層されている。ロータコイル１１およびステータコイル２１を構成する複数個のレーストラック型コイルは、超電導線材により形成された超電導コイルである。したがって当該レーストラック型コイルを冷却するために、図２に示すように、レーストラック型コイルの巻回される周囲にコイル冷却容器１７が配置される。異なる観点から言えば、コイル冷却容器の内部にロータコイル１１またはステータコイル２１が配置されている。
【００４０】
図２に示すように、モータ本体部３０のロータコイル１１は、４層積層されたレーストラック型コイルのそれぞれの内径が異なる。同様に、ステータコイル２１は、３層積層されたレーストラック型コイルのそれぞれの内径が異なる。なお、図２に示すロータコイル１１の４層積層されたレーストラック型コイルのそれぞれの外径はほぼ等しく、ステータコイル２１の３層積層されたレーストラック型コイルのそれぞれの外径もほぼ等しい。
【００４１】
ロータ１０には、ロータコア１３の外周側（ステータ２０が配置される側）に、図２中に丸点線で囲まれた高磁場領域１ａが存在する。同様にステータ２０には、ステータコア２３の中央側（ロータ１０が配置される側）、すなわち図２中に丸点線で囲まれた高磁場領域１ｂが存在する。上述したようにロータコイル１１およびステータコイル２１では、それぞれ複数個積層されたレーストラック型コイルの内径が異なる。ロータコイル１１については、ロータ１０の外周側に向かうほどレーストラック型コイルの内径が大きくなっているので、複数個積層されたレーストラック型コイルを構成する超電導線材が高磁場領域１ａを通らないように配置されている。またステータコイル２１についても同様に、ステータ２０の中央側に向かうほどレーストラック型コイルの内径が大きくなっているので、複数個積層されたレーストラック型コイルを構成する超電導線材が高磁場領域１ｂを通らないように配置されている。
【００４２】
ロータコイル１１においてはロータコア１３の中央側（出力軸１８側）から外周側（ステータ２０側）に向けて、徐々に磁場が大きくなり、ロータコア１３の外周側に高磁場領域１ａが存在する。ステータコイル２１においてはステータコア２３の外周側から中央側（ロータ１０が配置される側）に高磁場領域１ｂが存在する。これらの領域は、ロータコイル１１およびステータコイル２１の両方から比較的近い領域である。
【００４３】
超電導線材からなるロータコイル１１やステータコイル２１が高磁場領域１ａや高磁場領域１ｂを通るように配置されれば、当該高磁場領域１ａ、１ｂにおいて、当該コイルに磁場が印加される。このなかでも特に垂直磁場、すなわちコイルを構成する超電導線材の長手方向および幅方向に交差する方向（すなわち厚み方向（高さ方向）に沿った方向）に加わる磁場は、超電導コイルの電気特性を劣化させる（つまり臨界電流値を低下させる）。したがって、図２に示すように、ロータコイル１１やステータコイル２１が、それぞれ高磁場領域１ａや高磁場領域１ｂを通らないように配置（巻回）されることが好ましい。このようにすれば、ロータコイル１１では、高磁場領域１ａの高い磁場により電気特性が劣化する可能性が低減される。このため、ロータコイル１１に関して、高い電気特性を確保する（つまり高い臨界電流値を維持する）ことができる。同様に、ステータコイル２１も、高磁場領域１ｂの高い磁場により電気特性が劣化する可能性が低減される。このため、ステータコイル２１に関して、高い電気特性を確保することができる。
【００４４】
しかし、たとえば高磁場領域１ａ、１ｂを超電導コイルが通らないようにするために、たとえばロータコイル１１やステータコイル２１を構成するレーストラック型コイルの積層数（ターン数）を単純に減少させれば、モータにおける超電導コイルの占有率が低下し、結果的にロータコイル１１やステータコイル２１に流れる超電導電流による磁場の強さが低下する。すると、同一の大きさの超電導電流を流したとしても発生する磁場の大きさが減少するため、モータ１００の出力が低下する。このため、ロータコイル１１やステータコイル２１を構成するレーストラック型コイルの占積率を減少させないことが好ましい。ロータコイル１１やステータコイル２１を構成するレーストラック型コイルの占積率を減少させず、ほぼ一定に保てば、当該モータ１００が超電導コイルの電気特性の劣化を抑制することができる。
【００４５】
レーストラック型コイルの占積率を減少させないためには、レーストラック型コイルの積層数を減少させないことが好ましい。このため、図２に示すように、高磁場領域１ａや高磁場領域１ｂを取り囲むようにレーストラック型コイルを配置することが好ましい。たとえばロータコイル１１を構成する４層積層されたレーストラック型コイルのうち、ロータコイル１１の積層方向（図２の中央側と外周側とを結ぶ方向）に関して高磁場領域１ａが存在する、レーストラック型コイルの外周側の２層分の領域について、レーストラック型コイルをまったく配置しない場合は、ロータコイル１１のレーストラック型コイルの占積率はレーストラック型コイル２層分になる。これに対して図２のように、ロータコイル１１の積層方向に関して高磁場領域１ａが存在する、外周側の２層分の領域に関しても、高磁場領域１ａを避けるように、すなわち高磁場領域１ａを外側から取り囲むように巻回されたレーストラック型コイルを配置する。このようにすれば、当該ロータコイル１１のレーストラック型コイルの占積率はレーストラック型コイル４層分になる。したがって、積層方向に関する高磁場領域１ａの外周側についても、レーストラック型コイルを配置することにより、当該レーストラック型コイルの占積率を向上させる結果、当該モータの十分な出力を確保することができる。
【００４６】
したがって高磁場領域１ａがロータコア１３の外周側の領域に存在する場合、図２に示すようにロータコイル１１についてはレーストラック型コイルの積層方向の一方端（すなわち中央側）から他方端（すなわち外周側）に向けて、レーストラック型コイルの内径が徐々に大きくなることが好ましい。同様に、高磁場領域１ｂがステータコア２３の中央側の領域に存在する場合、ステータコイル２１についてはレーストラック型コイルの積層方向の一方端（すなわち外周側）から他方端（すなわち中央側）に向けて、レーストラック型コイルの内径が徐々に大きくなることが好ましい。このようにすれば、ロータコイル１１およびステータコイル２１におけるレーストラック型コイルの占積率を確保しつつ、高磁場領域１ａ、１ｂを避けて当該コイルを巻回させることができる。このため、ロータコイル１１およびステータコイル２１の電気特性の劣化を抑制できるとともに、当該モータ１００の出力を向上させることができる。
【００４７】
上述したように、ロータコイル１１のそれぞれにおいて積層された複数個のレーストラック型コイルの外径はほぼ等しい。ここで当該レーストラック型コイルはパンケーキ巻きにより超電導線材が複数回巻回されている。したがって、ロータコイル１１はレーストラック型コイルの積層方向の一方端側（中央側）における、内径の小さいレーストラック型コイルと、当該積層方向の他方端側（外周側）における、内径の大きいレーストラック型コイルとではターン数が異なる。
【００４８】
たとえば図２に示すように、ロータコイル１１の中央側におけるレーストラック型コイルは、ロータコイル１１の外周側におけるレーストラック型コイルに比べて、当該コイルが周方向（積層方向に交差する方向）に有する幅（厚み）が広い。上記幅はレーストラック型コイルを構成する超電導線材のパンケーキ巻きによるターン数に対応する。このため、内径の小さい中央側のレーストラック型コイルは、内径の大きい外周側のレーストラック型コイルに比べて、ターン数が多い。このように、超電導コイルにおいて、複数個積層される各レーストラック型コイルの外径をほぼ等しくした場合には、超電導線材をパンケーキ巻きするターン数を変化させ、当該コイルの周方向に関する幅（厚み）を変化させることにより、内径を変化させることができる。具体的には、レーストラック型コイルのターン数が多いほど、当該レーストラック型コイルの幅が広くなり、内径が小さくなる。またレーストラック型コイルのターン数が少ないほど、当該幅が狭くなり、内径が大きくなる。このようにして、たとえば内径を大きくすることにより、高磁場領域１ａを通らないようにレーストラック型コイルを配置することができる。
【００４９】
図２に示すように、ステータコイル２１についても上述したロータコイル１１と同様のことが言える。すなわちステータコイル２１の外周側におけるレーストラック型コイルでは、ステータコイル２１の中央側におけるレーストラック型コイルに比べて、当該コイルが周方向に有する幅が広い。したがって、内径の小さい外周側のレーストラック型コイルは、内径の大きい中央側のレーストラック型コイルに比べて、ターン数が多い。
【００５０】
このように、レーストラック型コイルごとにターン数を変化させることにより内径を変化させれば、たとえば高磁場領域１ａでない領域に配置される、高磁場領域１ａに配置されるレーストラック型コイルよりもターン数が多いレーストラック型コイルは、占積率が大きいためにより大きな磁場を作ることができる。したがって、当該モータ１００の出力をさらに向上させることができる。
【００５１】
なお、上述したロータコイル１１およびステータコイル２１を構成する各レーストラック型コイルに用いる超電導線材は、超電導層を含む積層構造を有する薄膜超電導線材であってもよいし、超電導体としての粉末をチューブに充填し、伸線加工、焼結処理などを行なうことにより形成した超電導線材であってもよい。また、当該超電導線材に用いる超電導体の材質としては、たとえばＢｉ（ビスマス）系やＹ（イットリウム）系などの酸化物から構成される、酸化物超電導線材を用いることが好ましい。酸化物超電導線材は、金属超電導線材に比べて高温で超電導体としての機能を発揮しうるため、酸化物超電導線材を用いることにより、たとえばコイルを冷却する設備の簡素化などを図ることができる。
【００５２】
また、ロータコイル１１およびステータコイル２１を構成する超電導コイルは、上述したレーストラック型コイルの代わりに、たとえば鞍型コイルを用いてもよい。あるいはたとえばレーストラック型コイルの延在する方向における面（すなわち超電導コイルとして複数のレーストラック型コイルを積層した場合における、積層したレーストラック型コイルの互いに対向する面）に対して、超電導線材の表面（主表面）が一定の傾斜角を有するように、超電導線材を巻回させたレーストラック型コイルを用いてもよい。上記のコイルを用いれば、超電導コイルの主表面の延在方向を、超電導コイルにより発生する磁場での磁力線の向きに容易に沿うように、超電導コイルを配置することができるので、レーストラック型コイルを用いるよりも垂直磁場の大きさを低下させることができる。
【００５３】
なお、以上に述べたモータ１００においてはロータ１０とステータ２０との両方に対してレーストラック型コイルの内径が、積層方向の一方端から他方端に向けて徐々に大きくなる態様としている。しかし状況に応じて、たとえばロータ１０とステータ２０とのいずれか一方に対してのみ、上述した態様を有するレーストラック型コイルとし、他方のレーストラック型コイルはたとえば図５に示すレーストラック型コイルと同様としてもよい。
【００５４】
（実施の形態２）
実施の形態２におけるモータ１００についても、外観上の態様は上述した実施の形態１におけるモータ１００とほぼ同様である。したがって、ここでは外観を示す概略構成図は実施の形態１におけるモータ１００を示す図１と同一のものを共有する。実施の形態１のモータ１００における図２の断面と同一の箇所における、実施の形態２のモータ１００の断面を示したものが図３である。また、上述した従来の超電導モータにおいても、図２、図３と同一の箇所における断面を図５に示している。このため、図１中に断面を示す領域を「ＩＩ、ＩＩＩ、Ｖ」と示している。
【００５５】
実施の形態２のモータ１００に対して、実施の形態１のモータ１００の図２と同様の箇所における断面を示す図３に示すように、実施の形態２のモータ１００は、実施の形態１のモータ１００と、大筋で同様の態様を備えている。しかし実施の形態２のモータ１００は、ロータコイル１１およびステータコイル２１を構成する複数個積層されたレーストラック型コイルが、断面図上において階段状に配置されている。すなわち、たとえばロータコイル１１の外周側におけるレーストラック型コイルと中央側におけるレーストラック型コイルとは、当該コイルが周方向（積層方向に交差する方向）に有する幅（厚み）がほぼ等しい。ステータコイル２１についても同様であり、ステータコイル２１の外周側におけるレーストラック型コイルと中央側におけるレーストラック型コイルとは、当該コイルが周方向に有する幅がほぼ等しい。
【００５６】
積層される各レーストラック型コイルの周方向の幅がほぼ等しいため、実施の形態２のロータコイル１１およびステータコイル２１については、各レーストラック型コイルのターン数がほぼ等しい。この場合についても、図３に示すように各レーストラック型コイルを巻回すれば、レーストラック型コイルの内径を、レーストラック型コイルごとに変化させることができる。
【００５７】
具体的には、図３に示すように、ロータコイル１１について、レーストラック型コイルの積層方向の一方端（すなわち中央側）から他方端（すなわち外周側）に向けて、レーストラック型コイルの内径が徐々に大きくなることが好ましい。このようにすれば、ロータコア１３の外周側の領域に存在する高磁場領域１ａを通らないように、レーストラック型コイルを巻回させることができる。ここで、積層された各レーストラック型コイルのターン数がいずれもほぼ等しいため、レーストラック型コイルの内径のみならず外径についても、レーストラック型コイルの積層方向の一方端（中央側）から他方端（外周側）に向けて徐々に大きくなるように、超電導線材は巻回される。
【００５８】
ステータコイル２１についてもロータコイル１１と同様に、レーストラック型コイルの積層方向の一方端（外周側）から他方端（中央側）に向けて、レーストラック型コイルの内径が徐々に大きくなるように配置されている。このようにすれば、ステータコア２３の中央側の領域に存在する高磁場領域１ｂを通らないように、レーストラック型コイルを構成する超電導線材を巻回させることができる。ここで、レーストラック型コイルの内径のみならず外径についても、レーストラック型コイルの積層方向の一方端（外周側）から他方端（中央側）に向けて徐々に大きくなるように超電導線材は巻回される。
【００５９】
この場合においても、実施の形態１におけるモータ１００と同様に、レーストラック型コイルが高磁場領域１ａ、１ｂを避けて巻回されることにより、当該レーストラック型コイルにおける超電導電流の電気特性を向上させることができる。さらに、高磁場領域１ａ、１ｂの（レーストラック型コイルの径方向における）外周側についてもレーストラック型コイルを配置することによりレーストラック型コイルの積層数を確保している。このため、レーストラック型コイルの占積率を確保することにより、当該モータ１００の出力を維持することができる。
【００６０】
なお実施の形態２のモータ１００についても、実施の形態１のモータ１００と同様に、状況に応じて、たとえばロータ１０とステータ２０とのいずれか一方に対してのみ、上述した態様を有するレーストラック型コイルとし、他方のレーストラック型コイルは図５と同様としてもよい。また、たとえばロータ１０とステータ２０のいずれか一方に対しては実施の形態１におけるレーストラック型コイル（ターン数を変化）とし、他方に対しては実施の形態２におけるレーストラック型コイル（ターン数は一定）としてもよい。
【００６１】
実施の形態２は以上のように、レーストラック型コイルの巻回の状態についてのみ、実施の形態１と異なる。したがって実施の形態２について、上述しなかった構成や条件、手順や効果などは、全て実施の形態１に順ずる。
【実施例１】
【００６２】
上述した実施の形態１に係るモータ１００における超電導コイルの電気特性と、従来のモータにおける超電導コイルの電気特性との比較を行なった。以下にその詳細について説明する。
【００６３】
ここでは上述した図２の概略断面図に示す態様の、実施の形態１に係るモータ１００と、上述した図５の概略断面図に示す態様の、従来のモータとを用いて評価を行なった。図２のモータと図５のモータとは、ロータコイル１１とステータコイル２１との巻回のされ方が異なるが、その他の構成についてはすべて同一である。具体的には上述したように、図２のモータはレーストラック型コイルのターン数を変化させることにより、ロータコイル１１およびステータコイル２１がそれぞれ高磁場領域１ａ、高磁場領域１ｂを通らないように配置されている。これに対して、図５のモータは積層された各レーストラック型コイルのターン数は同一であり、内径や外径もすべてほぼ同一となっている。このためロータコイル１１およびステータコイル２１がそれぞれ高磁場領域１ａ、高磁場領域１ｂを通っている。また、図２のモータと図５のモータとのそれぞれの寸法は、以下の表１に示すとおりである。
【００６４】
【表１】
2010259191.tif 000003
【００６５】
表１中の「モータ外径」とは、図２および図５に示す各モータの断面図のステータ２０の外周部の外側に配置されたコイルカバー（図２、図５において図示せず）を含めたモータ全体の断面の直径である。「モータ積厚」とは、図２および図５に示す出力軸１８の延在方向の長さである。「ロータ内径」とは、図２および図５に示す出力軸１８の断面の円形の直径である。「ロータ外径」とは、図２および図５に示すロータコア１３の外周部の直径である。「ステータ内径」とは、図２および図５に示すステータ２０の内周部（ロータコア１３の外周部と対向する領域）の直径である。「ステータ外径」とは図２および図５に示すステータ２０の外周部の直径である。「ギャップ長」とは、ロータコア１３の外周部とステータ２０の内周部とに挟まれた隙間の幅である。「バックヨーク幅」とは、ステータコイル２１が巻回された領域の最外部と、ステータ２０の外周部との距離である。「線材の断面寸法」とは、ロータコイル１１およびステータコイル２１を構成する超電導線材の延在方向に交差する断面が示す矩形状の寸法である。
【００６６】
このような寸法を有する各モータのロータコイル１１は、図２および図５に示すように４層のレーストラック型コイルが積層された構成をなしている。図２のロータコイル１１の４層のレーストラック型コイルのターン数（巻回された回数）は、もっとも中央側のレーストラック型コイルが４０ターン、その上に積層されたレーストラック型コイルが３０ターン、その上に積層されたレーストラック型コイルが２０ターン、さらにその上に積層された（もっとも外周側の）レーストラック型コイルが１０ターンである。また図５のロータコイル１１は、４層のレーストラック型コイルのそれぞれが２５ターンずつである。図２のモータ、図５のモータのいずれのロータコイル１１も、ターン数の総和は１００ターンであり、実際の使用上当該コイルに流す超電導電流の設計値は２０Ａである。
【００６７】
同様に、各モータのステータコイル２１は、図２および図５に示すように３層のレーストラック型コイルが積層された構成をなしている。図２のステータコイル２１について、３層のレーストラック型コイルのターン数は、もっとも外周側のレーストラック型コイルが５０ターン、その上に積層されたレーストラック型コイルが３０ターン、さらにその上に積層された（もっとも中央側の）レーストラック型コイルが１０ターンである。また図５のステータコイル２１については、３層のレーストラック型コイルのそれぞれが３０ターンずつである。図２のモータ、図５のモータのいずれのステータコイル２１も、ターン数の総和は９０ターンであり、実際の使用上当該コイルに流す超電導電流の設計値は１００Ａである。
【００６８】
上述したターン数や形状を有する各コイルを備える各モータに対して、所望の超電導電流を流すことによる通電動作が可能か否かを調査した結果を下の表２に示す。なお、これらのコイルはすべて、超電導体としての粉末をチューブに充填し、伸線加工、焼結処理などを行なうことにより形成したＢｉ系超電導線材を用いて形成した。
【００６９】
【表２】
2010259191.tif 000004
【００７０】
表２においては、「断面形状」に示す図２のモータと図５のモータとのそれぞれに対して、「積層数」の欄にレーストラック型コイルの積層数を、「コイルのターン数」の欄に上述した積層される各レーストラック型コイルのターン数とその総和を、「電流設計値」の欄に実使用においてコイルに流す超電導電流の設計値を示している。「コイル印加垂直磁場」とは、６５Ｋの温度条件下で当該コイルを使用した際にコイルを構成する超電導線材に加わる垂直磁場（超電導線材の主表面に対して垂直方向に印加される磁場の強度）の大きさを示したものである。そして「通電」の欄には、設計値どおりの超電導電流を当該コイルに流すことが可能か否かを「○（可能）」または「×（不可）」で示している。
【００７１】
表２より、ロータコイル１１については、図２のコイル、図５のコイルともにモータを駆動させるために必要な、設計値どおりの超電導電流を流すことは可能である。図２のモータのロータコイル１１におけるコイル印加垂直磁場を測定すると、表２に示すとおり０．５４Ｔであり、図５のモータのロータコイル１１におけるコイル印加垂直磁場の測定結果は、０．５７Ｔであった。結果的にロータコイル１１については、モータを駆動させるために必要な超電導電流が２０Ａと低いため、従来の巻回態様によるロータコイル１１を用いた場合も、本発明の巻回態様によるロータコイル１１を用いた場合も、同様に通電可能とするデータが得られた。しかし通電時にロータコイル１１に加わる垂直磁場の大きさは、従来の巻回態様（図５）によるロータコイル１１を用いた場合に比べて、本発明の巻回態様（図２）によるロータコイル１１を用いた方が、僅かではあるが減少している。垂直磁場は超電導コイルの電気特性を劣化させる原因と考えられるため、本発明の巻回態様によりロータコイル１１に加わる垂直磁場を減少させ、当該電気特性を向上させることができるといえる。
【００７２】
またステータコイル２１については、図２のコイルについてはモータを駆動させるために必要な、設計値どおりの超電導電流を流すことは可能である。しかし図５のコイルについては当該電流を流すことができない。駆動時におけるステータコイル２１のコイル印加垂直磁場の大きさは、従来の巻回態様（図５）によるステータコイル２１が０．４６Ｔであるのに対し、本発明の巻回態様（図２）によるステータコイル２１が０．３２Ｔと大幅に低減されている。このため、従来の巻回態様（図５）によるステータコイル２１は垂直磁場が大きくて所望の電流を当該コイルに流すことができないのに対し、本発明の巻回態様（図２）によるステータコイル２１には所望の電流を当該コイルに流すことができる。
【００７３】
なお、上述した通電の可否については、図４に示すデータを参考に判断している。図４のグラフにおいて横軸は、上述した各レーストラック型コイルに用いる超電導線材に加わる磁場の大きさを示しており、縦軸は、各大きさの磁場が当該コイルに加わったときの臨界電流Ｉｃ（Ａ）の大きさを示している。図４のデータは当該超電導線材を、表２に示すデータを抽出したときの条件と同様に６５Ｋの温度条件下で使用したときのデータである。なお、当該超電導線材は、７７Ｋで垂直磁場が０Ｔの条件下における臨界電流Ｉｃの大きさが１８０Ａである。また、折れ線１０１は当該超電導線材に平行磁場が印加されたときのデータを、折れ線１０２は当該超電導線材に垂直磁場が印加されたときのデータを示す。ここで平行磁場とは、コイルを構成する超電導線材の幅方向ないし長軸方向に沿った方向（すなわち厚み方向（高さ方向）に交差する方向）に加わる磁場を意味する。
【００７４】
図４に示すように、超電導線材に平行磁場が加わった場合よりも、垂直磁場が加わった場合の方が、当該超電導線材に流すことができる電流の最大値である臨界電流Ｉｃは低下する。上述した表２に示す、従来の巻回態様（図５）のステータコイル２１のように０．４６Ｔの垂直磁場が加わった場合、図４から臨界電流Ｉｃは約８０Ａとなる。したがって当該ステータコイル２１の電流の設計値である１００Ａを流すことは不可となる。逆にたとえば本発明の巻回態様（図２）のステータコイル２１のように０．３２Ｔの垂直磁場が加わった場合、図４から臨界電流は約１１０Ａとなる。したがって当該ステータコイル２１の電流の設計値である１００Ａを流すことが可能となる。
【００７５】
以上のように本発明の各実施の形態および実施例について説明を行なったが、今回開示した各実施の形態および実施例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。
【産業上の利用可能性】
【００７６】
本発明は、超電導コイルおよび当該超電導コイルを用いた超電導機器の電気特性を向上させる技術として、特に優れている。
【符号の説明】
【００７７】
１ａ，１ｂ  高磁場領域、１０  ロータ、１１  ロータコイル、１３  ロータコア、１６  ロータ軸、１７  コイル冷却容器、１８  出力軸、２０  ステータ、２１  ステータコイル、２３  ステータコア、３０  モータ本体部、３５  ベアリング、１００  モータ、１０１，１０２  折れ線。
【図１】
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【図２】
2010259191.tif 000006
【図３】
2010259191.tif 000007
【図４】
2010259191.tif 000008
【図５】
2010259191.tif 000009