(57)【要約】【課題】損失を低減することが可能な、磁気回路部材を備える超電導コイル体および超電導機器を提供する。【解決手段】超電導コイル体１０を備える超電導機器において、超電導コイル体１０は、超電導線材１５を巻回したコイル本体部と、超電導線材１５の主表面と交差する端面側に位置するコイル本体部の表面と対向するように配置された、磁性体からなる磁気回路部材とを含み、超電導コイル体１０の中心軸と超電導線材１５の前記主表面とがなす角度が、１０°以上である。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
超電導コイル体を備える超電導機器において、
前記超電導コイル体は、超電導線材を巻回したコイル本体部と、
前記超電導線材の主表面と交差する端面側に位置する前記コイル本体部の表面と対向するように配置された、磁性体からなる磁気回路部材とを含み、
前記超電導コイル体の中心軸と、前記超電導線材の前記主表面とがなす角度が、１０°以上である、超電導機器。
【請求項２】
前記角度が３０°以上である、請求項１に記載の超電導機器。
【請求項３】
前記角度が４５°以下である、請求項１または請求項２に記載の超電導機器。
【請求項４】
前記コイル本体部は、
前記超電導線材を巻回した第１のコイルと、
前記第１のコイルに積層され、前記超電導線材を巻回した第２のコイルとを有し、
前記超電導コイル体は、前記第１のコイルと前記第２のコイルとの間に配置された中間磁気回路部材をさらに含む、請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の超電導機器。
【請求項５】
前記超電導コイル体は、前記コイル本体部の外周を囲むように配置され、超電導線材を巻回した外周側コイル本体部をさらに含み、
前記外周側コイル本体部は、前記超電導線材の主表面と交差する端面側に位置する表面を有し、
前記磁気回路部材は、前記外周側コイル本体部における前記表面と対向する外周側対向面を含み、
前記超電導コイル体の中心軸と、前記外周側コイル本体部の前記超電導線材の主表面とがなす角度が、１０°以上である、請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の超電導機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、超電導機器に関し、より特定的には、磁気回路を構成する磁気回路部材を備える超電導機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、超電導線材を巻回して構成される超電導コイルが知られている（たとえば、特開２０１１−０９１０９４号公報（特許文献１）参照）。超電導コイルでは、電流を流すことにより磁界を発生させたときに、超電導線材の主表面を当該磁界の磁束線が貫通すると、超電導コイルの電気的特性が劣化するという問題がある。以下、より具体的に説明する。
【０００３】
超電導コイルに交流電流を流すことで交流磁界が発生した場合に、ヒステリシス損、結合損失、渦電流損失などの、いわゆるＡＣロスが発生する。このＡＣロスの大きさは、磁界における磁束密度の大きさにより決まるが、同時に磁束線の超電導コイル（具体的には超電導線の主表面）に対する方向により当該損失（ＡＣロス）の大きさは異なる。たとえば、磁束密度がある程度大きい領域では、超電導コイルを構成する超電導線材の主表面に対して垂直な方向の磁束は、当該主表面に対して平行な磁束よりも１０倍以上大きな損失を発生させる場合がある。なお、ここで超電導線材の主表面とは、超電導線材がテープ状の線材である場合に、超電導線材の側面を構成する面のうち表面積の相対的に広い面を言う。
【０００４】
上述した特開２０１１−０９１０９４号公報では、超電導コイルを構成する超電導線材の主表面を、発生が予測される磁束線の伸びる方向に沿うように、超電導線材の巻回の中心軸に対して傾斜して配置することで、超電導線材の主表面を貫通する磁束線の割合を低減することが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１１−０９１０９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、発明者らが検討している磁気回路部材を備える超電導コイルに関して、超電導電材の巻回の中心軸に対して超電導線材の主表面を傾斜させる傾斜角度の影響に関しては、上記特開２０１１−０９１０９４号公報では何ら開示も示唆もされていない。磁気回路部材を備える超電導コイルでは、当該磁気回路部材の存在により磁束線の分布が影響を受けるため、上述した傾斜角度について損失を低減するための好ましい範囲やその影響に関して新たな検討が必要である。
【０００７】
この発明は、上記のような課題を解決するために成されたものであり、この発明の目的は、損失を低減することが可能な、磁気回路部材を備える超電導コイル体および超電導機器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明に従った超電導機器は、超電導コイル体を備える超電導機器において、超電導コイル体は、超電導線材を巻回したコイル本体部と、超電導線材の主表面と交差する端面側に位置するコイル本体部の表面と対向するように配置された、磁性体からなる磁気回路部材とを含み、超電導コイル体の中心軸と超電導線材の前記主表面とがなす角度が、１０°以上である。
【０００９】
この場合、コイル本体部と磁気回路部材とが磁気回路の一部を構成し、また、磁気回路部材の側面がコイル本体部寄りに平面部を有しているので、コイル本体部の表面と磁気回路部材の対向面とが対向する領域では、磁気回路部材からコイル本体部へ伸びる磁束線の向きを、コイル本体部の超電導線材の主表面に沿った方向へ効率的に規定することができる。つまり、コイル本体部の超電導線材の主表面と交差する端面側に、磁性体からなる磁気回路部材を配置することにより、コイル本体部を流れる電流の中心に対して磁束がその周囲を回ることができるように、コイル本体部および磁気回路部材を配置することになる。この結果、コイル本体部に流れる電流によって発生する磁束の向きを、上述のように超電導線材の主表面に沿った方向に誘導することができる。このため、コイル本体部において超電導線材の主表面を貫通するように延びる磁束線の割合を効果的に低減できる。したがって、超電導線材の主表面を貫通する磁束線の存在に起因する超電導コイルでの損失の発生を抑制できる。
【００１０】
さらに、上記角度を１０°以上とすることで、超電導コイル体におけるＡＣロスの発生を効果的に抑制でき、臨界電流値も向上させることができる。ここで、上記角度を１０°以上としたのは、当該角度を１０°以上とした範囲で本発明による超電導コイル体でのＡＣロスの低減効果がより顕著になるためである。
【発明の効果】
【００１１】
この発明によれば、超電導機器において、超電導コイル体を構成する超電導線材の主表面を、超電導線材の巻回の中心軸に対して傾斜させることで、ＡＣロスの発生を効果的に抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】発明による超電導機器の実施の形態１を示す断面模式図である。
【図２】図１に示した超電導機器を構成する超電導コイル体が格納された冷却容器を示す断面模式図である。
【図３】図２に示した超電導コイル体の部分断面模式図である。
【図４】図３に示した超電導コイル体の部分拡大断面模式図である。
【図５】本発明による超電導機器の実施の形態２を構成する超電導コイル体の部分断面模式図である。
【図６】図４に示した超電導コイル体の部分断面模式図である。
【図７】本発明の実施例１を説明するための特性図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
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番号を付しその説明は繰返さない。
【００１４】
（実施の形態１）
図１および図２を参照して、本実施の形態に係る超電導機器１００は、回転子であるロータと、ロータの周囲に配置された固定子であるステータとを備える。ロータは、図１の紙面に垂直な長軸方向に延びる回転軸１１８と、当該回転軸１１８と接続され、この回転軸１１８の周囲に配置されたロータ軸１１６と、ロータ軸１１６の外表面に等間隔で配置された４つの永久磁石１２０とを含む。ロータ軸１１６の外表面は、その断面形状が円弧状になっている。ロータ軸１１６の外表面の周方向において等間隔に配置された永久磁石１２０は、その断面形状が四角形状となっている。永久磁石１２０は、図１の紙面に垂直な方向に、回転軸１１８の延在方向に沿って伸びるように配置されている。永久磁石１２０としては、たとえばネオジウム系磁石、サマリウム系磁石、フェライト系磁石などを用いることができる。
【００１５】
ロータの周囲には、図１に示すように超電導機器１００の固定子としてのステータが配置されている。ステータは、ステータヨーク１２１と、このステータヨーク１２１の内周側からロータに向けて突出するように形成されたステータコア１２３と、このステータコア１２３の外周を囲むように配置された超電導コイル体１０と、この超電導コイル体を内部に保持する冷却容器１０７とを含む。本実施の形態に係る超電導機器においては、ステータコア１２３が６箇所に等間隔に配置されており、それぞれのステータコア１２３を囲むように超電導コイル体１０が設けられている。つまり、３相６スロットのステータとして、６つの超電導コイル体１０が等間隔に配置されている。
【００１６】
ステータヨーク１２１は、ロータ軸１１６の外周を取囲むように配置されている。ステータヨーク１２１の内側表面はその断面形状（回転軸１１８の延在方向に対して垂直な平面における断面形状）が円弧状になっている。超電導コイル体１０はステータヨーク１２１の円弧状の内表面に沿うように配置されている。冷却容器１０７は、ステータコア１２３の一部が挿入された状態とできるように、超電導コイル体１０の中心部に位置する領域に開口部を有している。すなわち、超電導コイル体１０は、ステータコア１２３の外周を囲むように配置されている。
【００１７】
冷却容器１０７は、冷媒１１７と超電導コイル体１０とを内部に保持する冷却容器内槽１０５と、この冷却容器内槽１０５の外周を囲むように配置された冷却容器外槽１０６とを含む。冷却容器外槽１０６と冷却容器内槽１０５との間には間隙が設けられ、当該間隙の内部は実質的に真空状態になっている。つまり冷却容器１０７は断熱容器となっている。
【００１８】
超電導コイル体１０は、図１〜図３に示すように、ステータコア１２３の内周を囲む内周コイル体１２ａ、１２ｂと、この内周コイル体１２ａ、１２ｂの外周側を囲むように配置された外周コイル体１１ａ、１１ｂと、内周コイル体１２ａの上部端面と、外周コイル体１１ａの上部端面との間を繋ぐように配置された第１磁性体１３と、内周コイル体１２ｂの下方端面と外周コイル体１１ｂの下方端面との間を繋ぐように配置された第２磁性体１４とを含む。内周コイル体１２ａ、１２ｂおよび外周コイル体１１ａ、１１ｂは、テープ状の超電導線材１５を巻回して構成されている。このように内周コイル体１２ａ、１２ｂおよび外周コイル体１１ａ、１１ｂ並びに第１磁性体１３および第２磁性体１４を配置することにより、超電導線材１５を流れる電流によって発生する磁束を、第１磁性体１３および第２磁性体１４によって、超電導線材１５の主表面に平行な方向に引き延ばすことができる。この結果、磁束が超電導線材１５の主表面を貫通することを抑制することができる。内周コイル体１２ａ、１２ｂおよび外周コイル体１１ａ、１１ｂは、図３に示した中心軸１６の周囲を環状に囲むように形成されている。つまり、中心軸１６は、超電導線材１５の巻回の中心軸である。
【００１９】
内周コイル体１２ａ、１２ｂは、互いに超電導線材１５の端面（主表面と連なる端面）が対向するように積層配置されている。また、外周コイル体１１ａ、１１ｂも、互いに超電導線材１５の端面（主表面と連なる端面）が対向するように積層配置されている。なお、ここでは内周コイル体１２ａ、１２ｂという２つのコイルが積層された構造を示しているが、内周コイル体を１つだけ配置する、あるいは３つ以上の内周コイル体を積層配置するようにしてもよい。また、外周コイル体１１ａ、１１ｂについても、１つだけ外周コイル体を配置する、あるいは３つ以上の外周コイル体を積層配置するようにしてもよい。
【００２０】
内周コイル体１２ａ、１２ｂおよび外周コイル体１１ａ、１１ｂにおける超電導線材１５の主表面は、上記中心軸１６に対して１０°以上の角度を持って傾斜した状態となるように、形成されている。つまり、中心軸１６と、超電導線材１５の主表面とがなす角度（図３の角度θ）は１０°以上となっている。また、当該角度θは、好ましくは３０°以上であり、より好ましくは、当該角度θは３０°以上４５°以下である。また異なる観点から言えば、図２に示す断面における超電導コイル体１０の長手方向軸１３１は、ステータコアの中心軸１３０に対して上記角度θで傾斜するように形成されている。
【００２１】
このとき、超電導線材１５を流れる電流に起因する磁束線の一部は、超電導線材１５を中心として、通常超電導コイル体１０よりも比較的外側を廻ることによりステータヨーク１２１の内部を通過する。しかし、一部の磁束線は漏れ磁束となって、上記磁束線よりも比較的内側を廻り、冷却容器内槽１０５内部に侵入して超電導線材１５の内部を貫通する。超電導線材１５を貫通した漏れ磁束は、ＡＣロスを引き起こし、超電導コイル体１０の電流特性を劣化させ、超電導機器の電気効率を低下させる可能性がある。
【００２２】
これに対し、超電導線材１５の主表面を、中心軸１６に対して上記の角度θで傾斜させることにより、ステータコア１２３の側面から超電導コイル体１０側に漏れ出た漏れ磁束を、磁気回路部材（たとえば第２磁性体１４）に引き寄せるとともに超電導線材１５の周囲を周回させる、あるいは漏れ磁束を、ステータコア１２３の先端部１２４の端部と、隣接する他のステータコアの先端部の端部との間の開口部に向けて流れるようにガイドすることができる。この結果、漏れ磁束が超電導線材１５の主表面を貫通することを抑制することができる。
【００２３】
ここで、具体的には、上記角度θが１０°未満であった場合には、特にステータコア１２３の側面から超電導コイル体１０側に漏れ出た漏れ磁束の一部が超電導コイル体１０の超電導線材１５を貫通してしまうため、ＡＣロスが発生する。また、上記漏れ磁束の一部は、第２磁性体１４に引き寄せられてその延在方向が変わった結果、同じ冷却容器内槽に隣接して設けられた別の超電導コイル体１０にまで到達する場合がある。一方、上記角度が１０°以上であれば、冷却容器内槽に侵入した漏れ磁束は第２磁性体１４内を通ってステータコア１２３の先端部１２４側（たとえば隣接する他のステータコアの先端部の端部との間の開口部）に抜けるため、漏れ磁束が超電導線材１５を貫通することを抑制できる。特に、３０°以上４５°以下の角度θでは、より効果的に漏れ磁束が超電導線材１５の主表面を貫通することを抑制でき、ＡＣロスを低減できる。なお、実際の超電導機器では、構造の制約上、上記角度θ（傾斜角）を４５°以上として超電導コイル体１０を形成することは、超電導機器の大型化を伴うため、好ましくない。つまり、上記角度θは４５°以下が好ましい。
【００２４】
図１の例では、内周コイル体１２ａ、１２ｂおよび外周コイル体１１ａ、１１ｂの超電導線材１５の主表面は、互いに平行としている。これにより、それぞれの超電導線材１５を流れる電流による磁束密度ベクトルが打ち消し合うことができ、超電導線材１５の主表面を貫通する磁束を低減することができる。一方で、超電導線材１５の主表面は、超電導線材に対する漏れ磁束の影響が許容される限りにおいて、内周コイル体１２ａ、１２ｂと外周コイル体１１ａ、１１ｂとで平行でなくてもよい。この場合、内周コイル体１２ａ、１２ｂの超電導線材１５の主表面と、外周コイル体１１ａ、１１ｂの超電導線材１５の主表面とは、超電導コイル体１０の中心軸に対して、それぞれ上記範囲内の傾斜角を取ることが好ましい。
【００２５】
第１磁性体１３および第２磁性体１４は、図２や図３に示すように、その断面形状が扇型のように屈曲した形状とすることもできる。また、超電導コイル体１０を平面視した場合（中心軸１６に沿った方向から超電導コイル体１０を見た場合）には、第１磁性体１３および第２磁性体１４はステータコア１２３の周囲を囲む形状（環状の形状）となっていてもよい。また、図４に示すように、外周コイル体１１ｂと第２磁性体１４とは接着剤などの接合剤２９により接続固定することができる。このような接合剤２９は外周コイル体１１ａおよび内周コイル体１２ａ、１２ｂと、第２磁性体１４および第１磁性体１３との接続固定にも用いることができる。第１磁性体１３および第２磁性体１４を構成する材料は、磁性体であれば任意の材料を採用可能であり、それぞれ異なる磁性体を採用してもよい。
【００２６】
図２および図３に示すように、本発明による超電導機器１００を構成する超電導コイル体１０においては、内周コイル体１２ａ、１２ｂ、外周コイル体１１ａ、１１ｂ、第１磁性体１３および第２磁性体１４によって磁気回路が構成される。さらに、図４に示すように、第２磁性体１４において、外周コイル体１１ｂと対向する端面の端部は、外周コイル体１１ｂにおいて第２磁性体１４と対向する表面より外側に突出している。そして、このように突出した端部を含む凸部１９は、図３に示すように第１磁性体１３および第２磁性体１４において内周コイル体１２ａ、１２ｂ、外周コイル体１１ａ、１１ｂと対向する領域においてそれぞれ形成されている。
【００２７】
このため、特に内周コイル体１２ａ、１２ｂおよび外周コイル体１１ａ、１１ｂと第１磁性体１３および第２磁性体１４との境界部において、周囲の磁束線を凸部１９から第１磁性体１３および第２磁性体１４の内部に引き込むことができる。つまり、当該境界部において超電導線材１５の主表面１５ａ、１５ｂを貫通するような磁束線の発生を抑制できる。このため、超電導線材１５の主表面１５ａ、１５ｂを貫通するように磁束線が発生することに起因して超電導コイル体１０での損失が大きくなり、結果的に超電導コイル体１０の性能が劣化するといった問題の発生を抑制できる。
【００２８】
なお、図２および図３に示すように、第１磁性体１３および第２磁性体１４において、内周コイル体１２ａ、１２ｂおよび外周コイル体１１ａ、１１ｂのいずれかと対向する端面と連なる側面１４ａ（図４参照）の端部には、超電導線材１５の主表面１５ａ、１５ｂの延びる方向に対して傾斜した表面部３７が形成されている。当該表面部３７は平坦面であってもよいし、図３などに示すように曲面状の形状を有していてもよい。
【００２９】
（実施の形態２）
図５および図６を参照して、本発明による超電導機器の実施の形態２を説明する。本実施の形態２に係る超電導機器は、基本的には図１〜図４に示した超電導機器と同様の構造を備え、同様の効果を得ることができるが、超電導コイル体の構造のみ異なっている。
【００３０】
具体的には、超電導コイル体１０を構成する内周コイル体１２ａおよび１２ｂの間に中間磁気回路部材４２が配置されている。中間磁気回路部材４２の平面形状は、内周コイル体１２ａ、１２ｂと同様に円環状であって、その幅（図６の左右方向における幅）は、内周コイル体１２ａ、１２ｂのいずれの厚さよりも大きくなっている。中間磁気回路部材４２を構成する材料は、磁性体であれば任意の材料を採用することができるが、第１磁性体１３または第２磁性体１４を構成する材料と同じ材料を用いることが好ましい。
【００３１】
内周コイル体１２ａと内周コイル体１２ｂとは、当該コイルの中心軸から見た径方向における厚さは異なっていてもよい。具体的には、内周コイル体１２ｂの厚さは、内周コイル体１２ａの厚さより小さくなっていてもよい。内周コイル体１２ａ、１２ｂの接続部には段差部が形成される。
【００３２】
このとき、各内周コイル体１２ａ、１２ｂは、超電導線材１５のターン数が異なるため、各内周コイル体１２ａ、１２ｂを流れる電流に起因する磁束密度ベクトルが相殺されず、超電導線材１５の主表面を通過する磁束線の割合が大きくなる。この結果、当該段差部において大きな損失が発生する。
【００３３】
そこで、本実施の形態では、内周コイル体１２ａと１２ｂとの間に、中間磁気回路部材４２を配置することにより、内周コイル体１２ａと内周コイル体１２ｂとのうちの一方に流れる電流に起因する磁束線の方向が、他方の内周コイル体に直接的な影響を与えないようにすることができる。このため、ターン数の異なる内周コイル体１２ａ、１２ｂを積層配置しても、当該内周コイル体１２ａ、１２ｂを構成する超電導線材１５の主表面を通過する磁束線の割合が増加することを抑制できる。
【００３４】
さらに、ステータコアの中心軸１３０により近い位置に配置される内周コイル体１２ｂの厚さを、相対的に上記中心軸１３０から離れた位置に配置される内周コイル体１２ａの厚さより小さくすることにより、内周コイル体１２ｂをステータコアの中心軸１３０から出来るだけ離れた位置に配置できる。このため、内周コイル体１２ｂの主表面を漏れ磁束が貫通する可能性を低減できる。
【００３５】
また、図５および図６に示した例では、超電導コイル体１０は、外周コイル体１１ａと外周コイル体１１ｂとの間にも中間磁気回路部材４１を有している。中間磁気回路部材４１の平面形状は、外周コイル体１１ａ、１１ｂと同様に円環状であって、その幅（図６の左右方向における幅）は、外周コイル体１１ａ、１１ｂのいずれの厚さよりも大きくなっている。中間磁気回路部材４１を構成する材料は、磁性体であれば任意の材料を採用することができるが、中間磁気回路部材４２と同様に、第１磁性体１３または第２磁性体１４を構成する材料と同じ材料を用いることが好ましい。
【００３６】
また、外周コイル体１１ａ、１１ｂの間に中間磁気回路部材４１を備えることにより、内周コイル体１２ａ、１２ｂの間に中間磁気回路部材４２を配置した場合と同様に、外周コイル体１１ａと外周コイル体１１ｂとのうちの一方に流れる電流に起因する磁束線の方向が他方の内周コイル体に与える直接的な影響を、効果的に低減することができる。つまり、外周コイル体１１ｂの厚さを、外周コイル体１１ａの厚さより小さくしても、外周コイル体１１ａ、１１ｂを構成する超電導線材１５の主表面を通過する磁束線の割合が増加することを抑制できる。
【００３７】
また、図５および図６に示した超電導コイル体１０を備える本発明の超電導機器１００は、超電導コイル体１０の中心軸１６に対して１０°以上の角度θ（傾斜角）を持って超電導線材１５が巻回されているため、図１〜図４などに示した超電導機器と同様に、超電導コイル体１０における損失が抑制され、高効率化が可能となる。
【００３８】
以下、上述した実施の形態と重複する部分もあるが、本発明の特徴的な構成を列挙する。
【００３９】
この発明に従った超電導機器は、超電導コイル体１０を備える超電導機器であって、超電導コイル体１０は、超電導線材１５を巻回したコイル本体部と、超電導線材１５の主表面と交差する端面側に位置するコイル本体部の表面と対向するように配置された、磁性体からなる磁気回路部材（第１磁性体１３および第２磁性体１４）とを含み、超電導コイル体１０の中心軸と超電導線材１５の主表面とがなす角度θが、１０°以上である。
【００４０】
この場合、コイル本体部と磁気回路部材（第１磁性体１３および第２磁性体１４）とが磁気回路の一部を構成する。また、図５などに示すように磁気回路部材（第１磁性体１３および第２磁性体１４）の側面がコイル本体部寄りに平面部を有しているので、コイル本体部の表面と磁気回路部材の対向面とが対向する領域では、磁気回路部材（第１磁性体１３および第２磁性体１４）からコイル本体部へ伸びる磁束線の向きを、コイル本体部の超電導線材１５の主表面に沿った方向へ効率的に規定することができる。つまり、コイル本体部の超電導線材１５の主表面と交差する端面側に、磁性体からなる磁気回路部材（第１磁性体１３および第２磁性体１４）を配置することにより、コイル本体部を流れる電流の中心に対して磁束がその周囲を回ることができるように、コイル本体部および磁気回路部材（第１磁性体１３および第２磁性体１４）を配置することになる。この結果、コイル本体部に流れる電流によって発生する磁束の向きを、上述のように超電導線材１５の主表面に沿った方向に誘導することができる。このため、コイル本体部において超電導線材１５の主表面を貫通するように延びる磁束線の割合を効果的に低減できる。したがって、超電導線材１５の主表面を貫通する磁束線の存在に起因する超電導コイルでの損失の発生を抑制できる。
【００４１】
さらに、上記角度θを１０°以上とすることで、超電導コイル体におけるＡＣロスの発生を効果的に抑制でき、臨界電流値も向上させることができる。
【００４２】
上記超電導コイル体の中心軸と超電導線材１５の主表面とがなす角度θは、３０°以上が好ましく、より好ましくは４５°以下である。ここで、上記角度θの好ましい範囲として３０°以上としたのは、当該角度θが３０°以上であれば、臨界電流値が充分大きくなると同時に、ＡＣロスの低減効果をより確実に得ることができるためである。また、当該角度θの上限を４５°としたのは、当該角度θを４５°超えとすると、超電導コイル体を構成する超電導線材１５を巻回する作業がやり難くなるとともに、超電導コイル体のサイズ（占有面積）が大きくなりすぎるため、超電導機器の設計の自由度が小さくなるという問題が顕著になるためである。
【００４３】
コイル本体部は、超電導線材１５を巻回した第１のコイル（内周コイル体１２ａ）と、当該第１のコイルに積層され、超電導線材１５を巻回した第２のコイル（内周コイル体１２ｂ）とを有していてもよい。超電導コイル体１０は、第１のコイルと第２のコイルとの間に配置された中間磁気回路部材４２をさらに含んでいてもよい。中間磁気回路部材４２は磁性体からなっていてもよい。
【００４４】
この場合、第１のコイル（内周コイル体１２ａ）と第２のコイル（内周コイル体１２ｂ）との間でターン数が異なる場合であっても、第１のコイルと第２のコイルとのうちの一方に流れる電流に起因する磁束線の方向が、他方のコイルに直接的な影響を与えることを防止できる。
【００４５】
超電導コイル体は、コイル本体部の外周を囲むように配置され、超電導線材１５を巻回した外周側コイル本体部（外周コイル体１１ａ、１１ｂ）をさらに含んでいてもよい。外周側コイル本体部は、超電導線材１５の主表面と交差する端面側に位置する表面を有していてもよい。磁気回路部材（第１磁性体１３および第２磁性体１４）は、外周側コイル本体部における上記表面と対向する外周側対向面を含んでいてもよい。超電導コイル体の中心軸と、外周側コイル本体部の超電導線材１５の主表面とがなす角度θが、１０°以上であってもよい。
【００４６】
この場合、コイル本体部（内周コイル体１２ａ、１２ｂ）と外周側コイル本体部（外周コイル体１１ａ、１１ｂ）とが中心軸１６を中心とした同心に配置され、またこれらのコイル本体部と外周側コイル本体部とをつなぐように磁気回路部材（第１磁性体１３）が配置されるので、これらのコイル本体部（内周コイル体１２ａ、１２ｂ）、磁気回路部材（第１磁性体１３）、外周側コイル本体部（外周コイル体１１ａ、１１ｂ）、さらには図６に示す他の磁気回路部材（第２磁性体１４）により磁気回路を形成することができる。この結果、コイル本体部および外周側コイル本体部を構成する超電導線材１５の主表面を貫通するような磁束線の発生をより確実に抑制できるので、当該磁束線の存在に起因する損失の発生を抑制できる。
【００４７】
さらに、超電導コイル体の中心軸１６と、外周側コイル本体部（外周コイル体１１ａ、１１ｂ）の超電導線材１５の主表面とがなす上記角度θを１０°以上とすることで、外周側コイル本体部におけるＡＣロスの発生を効果的に抑制でき、臨界電流値も向上させることができる。ここで、上記角度θを１０°以上としたのは、当該角度θを１０°以上とした範囲で本発明による超電導コイル体でのＡＣロスの低減効果がより顕著になるためである。
【００４８】
超電導コイル体の中心軸と、外周側コイル本体部（外周コイル体１１ａ、１１ｂ）の超電導線材１５の主表面とがなす角度θは、好ましくは３０°以上であり、より好ましくは４５°以下である。ここで、上記角度θの好ましい範囲として３０°以上としたのは、当該角度θが３０°以上であれば、外周側コイル本体部における臨界電流値が充分大きくなると同時に、ＡＣロスの低減効果をより確実に得ることができるためである。また、当該角度θの上限を４５°としたのは、当該角度θを４５°超えとすると、外周側コイル本体部を構成する超電導線材１５を巻回する作業がやり難くなるとともに、超電導コイル体のサイズ（占有面積）が大きくなりすぎるため、超電導機器の設計の自由度が小さくなるという問題が顕著になるためである。
【実施例１】
【００４９】
本発明の効果を確認するために、以下のようなシミュレーションを行った。具体的には、実施の形態１に係る超電導機器において、ステータコア１２３の中心軸１３０に対する、超電導線材１５の主表面の傾斜角とＡＣロスとの関係をシミュレーションにより評価した。
【００５０】
（評価対象）
図１に示す、本実施の形態１の超電導機器を採用した。具体的には、内周コイル体１２ａ、１２ｂ、外周コイル体１１ａ、１１ｂのターン数（巻き数）をすべて１４とし、これらのコイル体を構成する超電導線材１５のサイズを幅：４．６５ｍｍ、厚み：０．３１ｍｍ、コイル全長あたりの電気抵抗を１×１０-5Ωとした。また、図１に示した隣接するステータコア１２３の先端部１２４の間に形成される開口部の幅（スロット開口幅）を、１０ｍｍとした。
【００５１】
また、第１磁性体１３および第２磁性体１４のサイズとして、図３に示される外周コイル体１１ａ、１１ｂ、内周コイル体１２ａ、１２ｂと対向する表面の幅を６．３４ｍｍとし、また、第１磁性体１３および第２磁性体１４の磁気的特性についてはシミュレーションに用いたソフトウェアに搭載されている電磁鋼板の物性ライブラリを用いた。
【００５２】
（検討方法）
上述した実施例について、ステータコアの中心軸に対する、超電導線材の主表面の傾斜角を適宜変更しながら、ＡＣロスおよび臨界電流値をシミュレーションにより求めた。なお、シミュレーションの条件としては、線材１本当たりの電流値を１５９Ａ（波高値）、モータ回転速度７３５ｒｐｍといったものを用いた。また、シミュレーションで用いたソフトウェアはＪＭＡＧである。
【００５３】
（結果）
図７を参照して、上記のようなシミュレーションの結果、傾斜角が１０°以上で、ＡＣロスの低減と同時に、臨界電流値Ｉｃの増加が認められた。なお、図７の横軸はコイル角度（図３に示した角度θあるいは傾斜角：単位はｄｅｇ．）を示し、左側の縦軸はＡＣロス（単位：Ｗ）、右側の縦軸は臨界電流値Ｉｃ（単位：Ａ）を示す。
【００５４】
図７を参照して、臨界電流値は傾斜角３０°まで増加する傾向にあり、傾斜角が３０°以上５０°に至るまでの範囲では臨界電流値と傾斜角との間に顕著な相関は見られなかった。一方、ＡＣロスは、傾斜角を１０°から４０°に増加させるに伴い顕著な減少傾向が見られた。一方、傾斜角４０°以上でＡＣロスの減少傾向は傾斜角１０°以上４０°以下の範囲に比べて顕著ではなくなった。なお、実際の超電導機器では、構造の制約上、４５°以上の傾斜角で超電導コイル体を形成することは好ましくない。
【００５５】
つまり、超電導線材の主表面を、ステータコアの中心軸（すなわち超電導コイル体１０の中心軸）に対して傾斜角１０°以上、好ましくは３０°以上４５°以下とすることで、超電導機器におけるＡＣロスを低減でき、臨界電流値を増加させることができることが示された。
【実施例２】
【００５６】
実施例１から、超電導コイル体を構成する超電導線材の主表面の傾斜角を最適化することで、超電導機器におけるＡＣロスの低減、および臨界電流値の向上が実現できることが分かった。しかし、超電導コイル体周囲のステータの形状によって、漏れ磁束の発生の仕方も変化し、上記傾斜角の最適値も変わってくる可能性がある。そこで、ステータコアにおいて、超電導コイル体を含む冷却容器より内周側に位置し、ステータコアと接続している先端部１２４（図２参照）によって規定される開口部に着目した。つまり、本実施例では、開口部の大きさ（スロット開口幅）がＡＣロスと臨界電流値に与える影響をシミュレーションにより評価した。
【００５７】
（評価対象）
本実施の形態１に係る超電導機器と同様の構成を評価対象とした。また、開口部の大きさ（スロット開口部）として１０ｍｍ、２７ｍｍ、４４ｍｍの３種類の条件を用いて解析した。
【００５８】
（検討方法）
上記実施例１と同様の手法でシミュレーションを行った。
【００５９】
（結果）
上記のようなシミュレーションの結果、上記のようにスロット開口幅を変更しても、ＡＣロスおよび臨界電流値の値はほとんど変化しなかった。つまり、スロット開口幅はＡＣロスおよび臨海電流値に対してほとんど影響しないことが示された。
【００６０】
今回開示された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。本発明の範囲は上記した説明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。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
本発明の超電導機器は、超電導コイル体を用いた超電導機器などに特に有利に適用される。
【符号の説明】
【００６２】
１０  超電導コイル体、１１ａ，１１ｂ  外周コイル体、１２ａ，１２ｂ  内周コイル体、１３  第１磁性体、１４  第２磁性体、１４ａ  側面、１５  超電導線材、１５ａ、１５ｂ  主表面、１６，１３０  中心軸、１７  平面部、２９  接合剤、３７  表面部、４１，４２  中間磁気回路部材、１００  超電導機器、１０５  冷却容器内槽、１０６  冷却容器外槽、１０７  冷却容器、１１６  ロータ軸、１１７  冷媒、１１８  回転軸、１２０  永久磁石、１２１  ステータヨーク、１２３  ステータコア、１３１  長手方向軸。
【図１】
2014039365.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【手続補正書】
【提出日】平成25年5月15日(2013.5.15)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超電導コイル体を備える超電導機器において、
前記超電導コイル体は、超電導線材を巻回したコイル本体部と、
前記超電導線材の主表面と交差する端面側に位置する前記コイル本体部の表面と対向するように配置された、磁性体からなる磁気回路部材とを含み、
前記超電導コイル体の中心軸と、前記超電導線材の前記主表面とがなす第１の角度が、１０°以上であり、
前記超電導コイル体は、前記コイル本体部の外周を囲むように配置され、超電導線材を巻回した外周側コイル本体部をさらに含み、
前記外周側コイル本体部は、前記超電導線材の主表面と交差する端面側に位置する表面を有し、
前記磁気回路部材は、前記外周側コイル本体部における前記表面と対向する外周側対向面を含み、
前記超電導コイル体の中心軸と、前記外周側コイル本体部の前記超電導線材の主表面とがなす第２の角度が、１０°以上である、超電導機器。
【請求項２】
前記第１の角度が３０°以上である、請求項１に記載の超電導機器。
【請求項３】
前記第１の角度が４５°以下である、請求項１または請求項２に記載の超電導機器。
【請求項４】
前記コイル本体部は、
前記超電導線材を巻回した第１のコイルと、
前記第１のコイルに積層され、前記超電導線材を巻回した第２のコイルとを有し、
前記超電導コイル体は、前記第１のコイルと前記第２のコイルとの間に配置された中間磁気回路部材をさらに含む、請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の超電導機器。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００８】
この発明に従った超電導機器は、超電導コイル体を備える超電導機器において、超電導コイル体は、超電導線材を巻回したコイル本体部と、超電導線材の主表面と交差する端面側に位置するコイル本体部の表面と対向するように配置された、磁性体からなる磁気回路部材とを含み、超電導コイル体の中心軸と超電導線材の前記主表面とがなす第１の角度が、１０°以上である。超電導コイル体は、コイル本体部の外周を囲むように配置され、超電導線材を巻回した外周側コイル本体部をさらに含む。外周側コイル本体部は、超電導線材の主表面と交差する端面側に位置する表面を有する。磁気回路部材は、外周側コイル本体部における表面と対向する外周側対向面を含む。超電導コイル体の中心軸と、外周側コイル本体部の超電導線材の主表面とがなす第２の角度が、１０°以上である。