(57)【要約】【課題】冷媒の漏れを適切に防止することが可能な超伝導回転機を提供する。【解決手段】超伝導回転機１００は、ステータ１０に支持されるステータコイル１１及びロータ２０が有する超伝導材料を冷却する冷媒を収容する収容室３１を形成するインナーケース３０と、インナーケース３０を真空断熱するアウターケース４０と、ロータ２０と一体回転する非磁性体からなる第１ロータ軸２１と、第１ロータ軸２１と一体回転する強磁性体材料を有する第２ロータ軸２２と、当該第２ロータ軸２２をアウターケース４０に対して相対回転可能に支持する軸受部５０と、第２ロータ軸２２の外周面と軸受部５０を支持するアウターケース４０の軸受支持部４６の内周面との間の環状空間７５において配設された環状の一対の永久磁石６０と、当該一対の永久磁石６０の内周面と第２ロータ軸２２の外周面との間に注入された磁性流体８０と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステータコイルを支持するステータと、
超伝導材料を有し、前記ステータに対して回転可能に設けられるロータと、
前記ステータと前記ロータとを収容すると共に、前記ステータコイル及び前記超伝導材料を冷却する冷媒を収容する収容室を形成するインナーケースと、
前記インナーケースを内包するように設けられ、前記インナーケースを真空断熱するアウターケースと、
前記ロータの径方向中央部を軸方向に貫通し前記ロータと一体回転する非磁性体からなる第１ロータ軸と、
前記第１ロータ軸の軸方向両側のうち少なくとも一方の側に前記第１ロータ軸と同軸心上に設けられ、前記第１ロータ軸と一体回転する強磁性体材料を有する第２ロータ軸と、
前記第２ロータ軸を前記アウターケースに対して相対回転可能に支持する軸受部と、
前記第２ロータ軸の外周面と前記軸受部を支持する前記アウターケースの軸受支持部の内周面とで形成される環状空間において、前記第２ロータ軸の軸方向に離間して磁気的に互いに引き合うように配設された環状の一対の永久磁石と、
前記一対の永久磁石の内周面と前記第２ロータ軸の外周面との間に注入された磁性流体と、
を備える超伝導回転機。
【請求項２】
前記第２ロータ軸は円柱状に形成され、前記第１ロータ軸を軸方向に延長するように設けられてある請求項１に記載の超伝導回転機。
【請求項３】
前記第２ロータ軸は、前記永久磁石の夫々が対向する前記第２ロータ軸の外周面に隣接する前記一対の永久磁石の間隔方向外側の領域に小径部が設けられてある請求項１又は２に記載の超伝導回転機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超伝導材料を有する超伝導回転機に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、高効率化及び小型化の観点から超伝導材料を有する超伝導回転機が用いられてきた。超伝導回転機にあっては、運転中、超伝導材料を超伝導状態にするために冷却しておく必要がある。このような超伝導材料の冷却を行う方法の一つとして、冷媒（例えば液体窒素）を用いる方法がある。ここで、冷媒を用いて超伝導材料を効率良く冷却するためには、冷媒が外気から断熱されるように構成しておくと好適である。このような技術として下記に出展を示す特許文献１に記載のものがある。
【０００３】
特許文献１に記載の超電導回転電機（以下「超伝導回転機」とする）は、基体に保持された固定子と、固定子に対して回転可能に設けられ超電導材料（以下「超伝導材料」とする）を有する回転子と、回転子を保持する回転軸と、固定子を冷却させる冷却部と、固定子及び回転子を収容すると共に冷熱媒体を収容する収容室を形成する低温容器と、収容室の外側に配置され収容室を真空断熱させる真空断熱室と、基体のうち収容室以外で且つ大気を含む雰囲気に対面する部位に設けられ回転軸を回転可能に支持する軸受とを備えて構成される。これにより、冷媒を外部に逃がすことなく少ない熱侵入量で回転体から動力を取り出すことが可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１１−６７００６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ここで、超伝導回転機は低温状態とされるため、回転軸を構成する材料として低温脆性の無いオーステナイト系ステンレスが利用される。一方、冷媒が回転軸に沿って漏れないように、回転軸の外周面のシール性を高めることが必要である。このような回転軸の外周面のシール性を高める方法の一つとして、磁性流体を利用した磁気シールが考えられる。しかしながら、回転軸に用いられるオーステナイト系ステンレスは強磁性体ではないので、これを磁気シールの一部として利用することは容易ではない。このため、磁気シール装置を別途取り付ける必要がある。
【０００６】
このような磁気シール装置を回転軸に取り付ける場合には、取り付け部からの冷媒の漏れを防止するシールを用いて、且つ、当該シールが回転軸と一体回転するようにキー手段等を形成する必要がある。このため、構造が複雑となり、大型化する可能性がある。また、キー手段を用いずに締め付けによりシール装置を取り付けることも可能であるが、一般的に超伝導回転機は高トルクで使用されることが多く、そのトルクは締め付けトルクを上回るので、滑りが発生する可能性がある。このため、シール性が損なわれ、更には回転軸が腐食し、故障の原因となる。そこで、エラストマー型のシールを取り付けることが考えられるが、係る場合、摺動部に油脂が必要となり、冷媒が汚染される可能性がある。
【０００７】
本発明の目的は、上記問題に鑑み、冷媒の漏れを適切に防止することが可能な超伝導回転機を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するための本発明に係る超伝導回転機の特徴構成は、ステータコイルを支持するステータと、超伝導材料を有し、前記ステータに対して回転可能に設けられるロータと、前記ステータと前記ロータとを収容すると共に、前記ステータコイル及び前記超伝導材料を冷却する冷媒を収容する収容室を形成するインナーケースと、前記インナーケースを内包するように設けられ、前記インナーケースを真空断熱するアウターケースと、前記ロータの径方向中央部を軸方向に貫通し前記ロータと一体回転する非磁性体からなる第１ロータ軸と、前記第１ロータ軸の軸方向両側のうち少なくとも一方の側に前記第１ロータ軸と同軸心上に設けられ、前記第１ロータ軸と一体回転する強磁性体材料を有する第２ロータ軸と、前記第２ロータ軸を前記アウターケースに対して相対回転可能に支持する軸受部と、前記第２ロータ軸の外周面と前記軸受部を支持する前記アウターケースの軸受支持部の内周面とで形成される環状空間において、前記第２ロータ軸の軸方向に離間して磁気的に互いに引き合うように配設された環状の一対の永久磁石と、前記一対の永久磁石の内周面と前記第２ロータ軸の外周面との間に注入された磁性流体と、を備えている点にある。
【０００９】
このような特徴構成とすれば、永久磁石の径方向内側に強磁性体材料を有する第２ロータ軸が設けられるので、一対の永久磁石の一方からの磁束が第２ロータ軸を介して他方の永久磁石に達するように構成することができる。このため、一対の永久磁石の内周面と第２ロータ軸の外周面との間に形成された環状空間に一対の永久磁石に応じた磁束を生じさせることができるので、当該環状空間に磁性流体を滞留させておくことが可能となる。したがって、磁性流体をシール部材として機能させることができるので、ロータ軸に沿った冷媒の漏れを防止することが可能となる。
【００１０】
また、前記第２ロータ軸は円柱状に形成され、前記第１ロータ軸を軸方向に延長するように設けられてあると好適である。
【００１１】
このような構成とすれば、第２ロータ軸を第１ロータ軸の軸方向端部に接続するように構成するだけで良いので、第２ロータ軸の位置決め等を容易に行うことができる。
【００１２】
また、前記第２ロータ軸は、前記永久磁石の夫々が対向する前記第２ロータ軸の外周面に隣接する前記一対の永久磁石の間隔方向外側の領域に小径部が設けられてあると好適である。
【００１３】
このような構成とすれば、一対の永久磁石の内周面が対向する第２ロータ軸の外周面に隣接する領域の磁気抵抗を大きくできる。このため、一対の永久磁石が対向する第２ロータの外周面の磁束密度を高められるので、磁性流体を所期の位置に滞留させ易くなる。したがって、シール効果を高めることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】超伝導回転機の断面図である。
【図２】第２ロータ軸の近傍を拡大した図である。
【図３】永久磁石により生じる磁束を模式的に示した図である。
【図４】その他の実施形態に係る第２ロータ軸の近傍を拡大した図である。
【図５】その他の実施形態に係る第２ロータ軸の近傍を拡大した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明に係る超伝導回転機は、ロータ軸に沿って冷媒が漏れることを防止する機能を備えて構成される。以下、本実施形態の超伝導回転機１００について詳細に説明する。図１には、超伝導回転機１００の断面図が示される。超伝導回転機１００は、ステータ１０、ロータ２０、インナーケース３０、アウターケース４０、第１ロータ軸２１、第２ロータ軸２２、軸受部５０、永久磁石６０、磁性流体８０を備えて構成される。
【００１６】
ステータ１０は、ステータコイル１１を支持する。ステータコイル１１は、超伝導材料からなる線材をステータ１０の歯部（図示せず）に巻き回して形成され、外部に設けられる通電装置により通電されることで磁界を発生する。超伝導材料は臨界温度以下に冷却されると電気抵抗が大幅に低減する超伝導状態となる材料である。本実施形態では、超伝導材料として所謂「高温超伝導」が用いられ、臨界温度は液体窒素により実現される。このようなステータコイル１１を支持するステータ１０は、インナーケース３０の内壁面に固定される。
【００１７】
ロータ２０は、超伝導材料を有し、ステータ１０に対して回転可能に設けられる。ロータ２０は円板状の鋼板を軸方向に積層して円筒状に構成される。このように円筒状にした積層鋼板を軸方向にロッド２５が貫通され、軸方向両側からロータ支持板２３を介してナット２６により締結固定される。このような円筒状のロータ２０の径方向中央部には、当該ロータ２０を軸方向に貫通する第１ロータ軸２１が設けられる。第１ロータ軸２１はロータ２０と一体回転するよう同軸心上に固定される。
【００１８】
このようなロータ２０における第１ロータ軸２１よりも径方向外側の部分には、ロータ２０を軸方向に貫通し、ロータ２０の周方向に沿って所定の間隔を有して棒状の超伝導材料（超伝導磁石）２７が配置される。もちろん、ロータ２０自体を超伝導材料で形成することも可能である。このようなロータ２０は、ステータ１０の径方向内側であって、ステータ１０に対して所定のギャップを有して回転可能に設けられる。
【００１９】
インナーケース３０は、ステータ１０とロータ２０とを収容すると共に、ステータコイル１１及び超伝導材料を冷却する冷媒を収容する収容室３１を形成する。インナーケース３０は内側に空間を有する。この空間が収容室３１に相当する。ステータ１０とロータ２０とは当該収容室３１内に配置される。この収容室３１の中央部には第１ロータ軸２１が貫通するように設けられる。ここで、上述のように第１ロータ軸２１は回転する回転系となるが、インナーケース３０は回転しない静止系となる。このため、インナーケース３０において第１ロータ軸２１が貫通する部位にあっては、インナーケース３０と第１ロータ軸２１との間には所定の隙間を有するように構成される。もちろん、第１ロータ軸２１がインナーケース３０に対して回転可能なようにシール部材等を用いて構成することも可能である。
【００２０】
このような収容室３１の内部には、ステータ１０が支持するステータコイル１１及びロータ２０に設けられる超伝導材料を冷却する冷媒が導入される。本実施形態では、冷媒は上述の液体窒素が用いられる。これにより、ステータコイル１１及びロータ２０に設けられる超伝導材料を臨界温度以下に冷却しつつ、液体窒素を収容室３１内に滞留させ易くすることができる。なお、インナーケース３０には、外部から液体窒素を導入しつつ、気化した窒素を外部に排出する冷媒供給装置に接続される配管（図示せず）が設けられる。
【００２１】
アウターケース４０は、インナーケース３０を内包するように設けられ、インナーケース３０を真空断熱する。「インナーケース３０を内包するように」とは、収容室３１にステータ１０及びロータ２０を収容した状態のインナーケース３０を、外側から覆うことを意味する。また、アウターケース４０の内壁の天井部４１及び底部４２には、インナーケース３０を鉛直方向に支持する、断熱性の優れた材料からなる支持部４３，４４が設けられる。これにより、インナーケース３０をアウターケース４０に対して位置決めすることが可能となる。
【００２２】
ここで、図１に示されるように第１ロータ軸２１は、インナーケース３０から第１ロータ軸２１の軸方向両側が突出するように設けられる。このようにインナーケース３０から突出して設けられる第１ロータ軸２１の軸方向一方の側に（図１における左側部）には、アウターケース４０から突出するように第２ロータ軸２２が連結固定される。また、この第２ロータ軸２２の軸方向他方の側には、更に第１ロータ軸２１が連結固定される。これにより、ロータ２０の回転に基づく回転力を外部に出力することが可能となる。このような第１ロータ軸２１は非磁性体により構成され、第２ロータ軸２２は強磁性体により構成される。
【００２３】
インナーケース３０から突出している第１ロータ軸２１の径方向外側には、第１ロータ軸２１が回転可能に第１ロータ軸２１の外周面に対して所定の隙間を有して円環状の円環状部７０，７１が設けられる。このような円環状部７０，７１によりインナーケース３０及びアウターケース４０が第１ロータ軸２１の軸方向に沿って連結される。インナーケース３０、アウターケース４０、支持部４３，４４、及び円環状部７０，７１により密閉された空間４９が形成され、当該空間４９は真空状態とされる。これにより、インナーケース３０内の収容室３１をアウターケース４０の外側（外気）に対して断熱することが可能となる。したがって、収容室３１に導入された液体窒素を気化し難くすることができるので、ステータ１０のステータコイル１１及びロータ２０の超伝導材料の冷却効果を高めることが可能となる。
【００２４】
また、本実施形態では、ステータコイル１１に通電するためのリード線９１がアウターケース４０から一旦空間４９に導入され、当該空間４９からインナーケース３０を挿通してステータコイル１１に接続される。このため、リード線９１がアウターケース４０を挿通する孔部４５はシール部材４７により液蜜的に封止され、リード線９１がインナーケース３０を挿通する孔部３３はシール部材３９により液蜜的に封止される。これにより、空間４９の真空状態を維持することが可能となる。
【００２５】
第２ロータ軸２２は、第１ロータ軸２１の軸方向両側のうち少なくとも一方の側に第１ロータ軸２１と同軸心上に設けられ、第１ロータ軸２１と一体回転する強磁性体材料を有して構成される。本実施形態では、図１における左側部において第２ロータ軸２２が設けられる。本実施形態における第２ロータ軸２２は円柱状に形成され、第１ロータ軸２１を軸方向に延長するように設けられる。第２ロータ軸２２は円柱状に形成されるとは、軸心から外周面まで強磁性体材料で形成されていることを意味する。このような第１ロータ軸２１と第２ロータ軸２２とは、一体回転可能に連結固定される。
【００２６】
軸受部５０は、第２ロータ軸２２をアウターケース４０に対して相対回転可能に支持する。上述のようにインナーケース３０から第１ロータ軸２１が突出して設けられ、当該第１ロータ軸２１を同軸心上に延長するように第２ロータ軸２２が設けられる。また、第１ロータ軸２１はロータ２０と一体回転する。このため、第２ロータ軸２２はロータ２０と一体回転する。一方、アウターケース４０は静止系であるインナーケース３０に固定される。このため、第２ロータ軸２２が静止系となるアウターケース４０に対して相対回転できるように、アウターケース４０と第２ロータ軸２２の外周面との間に軸受部５０が設けられる。本実施形態では、図１におけるロータ２０の右側に設けられる軸受部には符号「５１」を付し、図１におけるロータ２０の左側に設けられる軸受部には符号「５２」を付している。
【００２７】
第２ロータ軸２２の近傍を拡大した図が図２に示される。軸受部５２は、当該軸受部５２を支持するアウターケース４０の軸受支持部４６に接して設けられる。アウターケース４０の軸受支持部４６とは、軸受部５２を支持するアウターケース４０の部位であり、具体的には軸受部５２のアウターレースが対向する部位である。これにより、第２ロータ軸２２の外周面と軸受支持部４６の内周面とで環状空間７５が形成される。環状空間７５は、第２ロータ軸２２の軸方向に延在する形状の環状の空間である。
【００２８】
永久磁石６０は、環状空間７５において、第２ロータ軸２２の軸方向に離間して磁気的に互いに引き合うように配設される。本実施形態では、環状の永久磁石６０が一対で配設される。磁気的に互いに引き合うとは、第２ロータ軸２２の軸方向に沿って互いに対向する面（軸方向端面）が、互いに異なる磁極になるように配置されることをいう。また、一対の永久磁石６０は、夫々環状に形成され、外周面が軸受支持部４６の内周面に対してＯリングにより液蜜的にシールされる。一方、内周面は、第２ロータ軸２２の外周面に対して所定の隙間９０を有するように構成される。このような一対の永久磁石６０が、環状のスペーサ６５を第２ロータ軸２２の軸方向に沿って挟持するように形成される。これにより、一対の永久磁石６０を軸方向に離間させることが可能となる。このスペーサ６５は、例えば樹脂等で構成すると好適である。
【００２９】
一対の永久磁石６０の内周面と第２ロータ軸２２の外周面との間には、磁性流体８０が注入される。永久磁石６０の内周面と第２ロータ軸２２の外周面との間とは、上述の隙間９０が相当する。また、上述のように一対の永久磁石６０の間には、一対の永久磁石６０が軸方向に沿ってスペーサ６５を挟持するように設けられる。また、一対の永久磁石６０及びスペーサ６５の内周面に対向する第２ロータ軸２２の外周面には、複数の環状溝２４が軸方向に沿って形成される。このような永久磁石６０及びスペーサ６５の内周面と、第２ロータ軸２２の外周面との間に、磁性を帯び磁石に吸着される特性を有する流体である磁性流体８０が注入される。
【００３０】
ここで、一対の永久磁石６０は、互いに引力が作用するように配設される。したがって、一対の永久磁石６０の間には、図３において破線で示されるように、一方の永久磁石６０から他方の永久磁石６０に向かうように磁束が生じる。この磁束は、一対の永久磁石６０が互いに対向する領域においては、一方の永久磁石６０から生じた磁束は、スペーサ６５を介して他方の永久磁石６０に達する。一方、一対の永久磁石６０が互いに対向しない領域においては、一方の永久磁石６０から生じた磁束は、強磁性体材料からなる第２ロータ軸２２を介して他方の永久磁石６０に達する。このため、一対の永久磁石６０、スペーサ６５、第２ロータ軸２２により囲まれた、隙間９０及び複数の環状溝２４に磁性流体８０を滞留させることができる。したがって、軸受部５０の外側と（アウターケース４０の外側）と内側（インナーケース３０の内側）とを仕切ることができるので、冷媒の漏れを防止することができると共に、インナーケース３０の断熱性を高めることが可能となる。
【００３１】
〔その他の実施形態〕
上記実施形態では、第２ロータ軸２２が第１ロータ軸２１の軸方向一方の側に設けられるとして説明した。しかしながら、本発明の適用範囲はこれに限定されるものではない。第２ロータ軸２２が第１ロータ軸２１の軸方向両側に設けられるように構成することも当然に可能である。係る場合、上記実施形態と同様に、磁性流体８０を第１ロータ軸２１の軸方向両側に配置するように構成することができる。したがって、断熱効果を更に高めることが可能となる。
【００３２】
上記実施形態では、第２ロータ軸２２が円柱状に形成され、第１ロータ軸２１を軸方向に延長するように設けられているとして説明した。しかしながら、本発明の適用範囲はこれに限定されるものではない。例えば、図４に示されるように第２ロータ軸２２を円筒状に構成し、当該第２ロータ軸２２の径方向内側を第１ロータ軸２１が貫通するように構成することも当然に可能である。係る場合、第２ロータ軸２２が第１ロータ軸２１に対して相対回転しないように、且つ、軸方向の位置がずれないように例えばろう付け等により、第２ロータ軸２２を第１ロータ軸２１に対して固定しておくと好適である。このような構成であっても、上述したように磁性流体８０を所定の位置に滞留させることができる。したがって、断熱効果を高めることが可能である。
【００３３】
上記実施形態では、第２ロータ軸２２が円柱状に形成されるとして説明した。しかしながら、本発明の適用範囲はこれに限定されるものではない。例えば、第２ロータ軸２２に、永久磁石６０の夫々が対向する第２ロータ軸２２の外周面に隣接する一対の永久磁石６０の間隔方向外側の領域に小径部２９を設けることも可能である。このような第２ロータ軸２２に設けられた小径部２９が図５に示される。小径部２９は、第２ロータ軸２２に設けられた複数の環状溝２４のうち、最も軸方向外側に設けられた環状溝２４の更に軸方向外側に設けられる。このような小径部２９は、第２ロータ軸２２の軸方向中央部の外径よりも、小さい外径で構成される。これにより、一対の永久磁石６０から離間した位置における磁気抵抗を大きくすることができるので、一対の永久磁石６０及びスペーサ６５が対向する第２ロータ軸２２を通過する磁束の密度を高めることが可能となる。したがって、磁性流体８０を所期の位置に滞留させ易くなる。
【００３４】
上記実施形態では、第２ロータ軸２２の外周面に環状溝２４が形成されてあるとして説明した。しかしながら、本発明の適用範囲はこれに限定されるものではない。すなわち、第２ロータ軸２２の外周面に環状溝２４を形成しないように構成することも当然に可能である。
【００３５】
本発明は、超伝導材料を有する超伝導回転機に用いることが可能である。
【符号の説明】
【００３６】
１０：ステータ
１１：ステータコイル
２０：ロータ
２１：第１ロータ軸
２２：第２ロータ軸
２９：小径部
３０：インナーケース
３１：収容室
４０：アウターケース
４６：軸受支持部
５０：軸受部
６０：永久磁石
７５：環状空間
８０：磁性流体
１００：超伝導回転機
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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