(57)【要約】【課題】  電圧と電流の位相のずれを抑えて、力率（ｃｏｓφ）を高めることのできる超伝導モーターを提供する。【解決手段】  永久磁石が設けられた回転子と、超伝導ワイヤーによって形成されたコイル６０がＮ相（Ｎは３以上の任意の整数）に設けられた固定子と、第ｎ相（ｎは１以上Ｎ以下のある整数）のコイル６３を除く各相のコイル６１，６２のそれぞれに所定の位相差を有する交流電流を流すための電流源１２０とを備え、コイル６０を流れる電流Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３によりコイル６１，６２，６３に生じる交流磁場と、永久磁石により発生する磁場との相互作用によって、固定子に対して回転子が回転するようにした超伝導モーターにおいて、第ｎ相のコイル６３を、電圧源１３０に接続し、電圧源１３０が、第ｎ相のコイル６３に生ずる起電力を打ち消すように電圧を出力するようにした。【選択図】  図２
2018019473.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
永久磁石が設けられた回転子と、
超伝導ワイヤーによって形成されたコイルがＮ相（Ｎは３以上の任意の整数）に設けられた固定子と、
第ｎ相（ｎは１以上Ｎ以下のある整数）のコイルを除く各相のコイルのそれぞれに所定の位相差を有する交流電流を流すための電流源と、
を備え、
コイルを流れる電流と永久磁石により発生する磁場との相互作用によって、固定子に対して回転子が回転するようにした超伝導モーターであって、
第ｎ相のコイルが、電圧源に接続され、当該電圧源が、第ｎ相のコイルに生ずる起電力を打ち消すように電圧を出力することを特徴とする超伝導モーター。
【請求項２】
各相のコイルのそれぞれにおける電流源側の電圧Ｖ１〜ＶＮ（第ｎ相のコイルにおける電圧源側の電圧Ｖｎは含まない。）を加算して正負を反転させた制御信号を生成する制御信号生成手段を備え、
当該制御信号によって電圧源が制御されるようにした
請求項１記載の超伝導モーター。
【請求項３】
力率が０．９以上とされた請求項１記載の超伝導モーター。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コイルを超伝導ワイヤーで形成した超伝導モーターに関する。
【背景技術】
【０００２】
コイルや導線を超伝導材料からなる線材（超伝導ワイヤー）で形成した超伝導モーターは、出力効率及び出力密度の高いモーターを実現するアプローチの１つとして注目されている（例えば、特許文献１及び特許文献２を参照。）。常伝導状態から超伝導状態に相転移する臨界温度以下まで冷却した超伝導ワイヤーには、いわゆる「ゼロ抵抗」の状態で電流を流すことができる。このため、超伝導モーターは、コイル等で発生する銅損を低減させることができる等の利点を有している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−２３９５９６号公報
【特許文献２】特開２０１３−０３４２７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、コイル等のインピーダンスが実質的にゼロである超伝導モーターは、電圧制御方式ではなく電流制御方式によって駆動する必要がある。このため、超伝導モーターにおいては、コイルに生ずる起電力による影響が無視できなくなる。というのも、超伝導モーターの有効電力を「Ｐ」とし、電圧の実行値を「Ｖ」とし、電流の実行値を「Ｉ」とし、電圧に対する電流の位相のずれ（「力率角」と呼ばれる。）を「φ」とすると、超伝導モーターの出力電力Ｐは、下記式１で表されるところ、コイルに起電力が生じると、電圧と電流との間に位相のずれが生じて（力率角φが０°からずれて）、その位相のずれによって下記式１における「ｃｏｓφ」の値が小さくなるからである。下記式１における「ｃｏｓφ」は、「力率」と呼ばれている。
【数１】
2018019473.tif 000003
【０００５】
例えば、３相交流の超伝導モーターにおいて採用し得る最も単純な回路構成としては、図１に示す電気回路が挙げられる。図１に示した電気回路においては、コイル６０が３相に設けられており、第１相のコイル６１には、電流Ｉ１（交流）を出力する電流源１２１が接続され、第２相のコイル６２には、電流Ｉ１に対して位相が１２０°遅れた電流Ｉ２（交流）を出力する電流源１２２が接続されている。このため、第３相のコイル６３には、電流Ｉ１に対して位相が２４０°遅れた電流Ｉ３（交流）が流れるようになる。これらの電流Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３と、超伝導モーターの回転子に設けられた永久磁石による磁場との相互作用（ローレンツ力の作用）によって、回転子が回転するようになる。図１の電気回路を採用した超伝導モーターにおいては、力率角φが３０°となるため、力率（ｃｏｓφ）は、約０．８６６になる。すなわち、図１に示す電気回路を用いた超伝導モーターでは、その出力効率は、最大でも約８６．６％であり、改善の余地を残している。
【０００６】
本発明は、上記課題を解決するために為されたものであり、電圧と電流の位相のずれを抑えて、力率（ｃｏｓφ）を高めることのできる超伝導モーターを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題は、
永久磁石が設けられた回転子と、
超伝導ワイヤーによって形成されたコイルがＮ相（Ｎは３以上の任意の整数）に設けられた固定子と、
第ｎ相（ｎは１以上Ｎ以下のある整数）のコイルを除く各相のコイルのそれぞれに所定の位相差を有する交流電流を流すための電流源と、
を備え、
コイルを流れる電流と永久磁石により発生する磁場との相互作用によって、固定子に対して回転子が回転するようにした超伝導モーターであって、
第ｎ相のコイルが、電圧源に接続され、当該電圧源が、第ｎ相のコイルに生ずる起電力を打ち消すように電圧を出力することを特徴とする超伝導モーター
を提供することによって解決される。
【０００８】
このように、１つの相のコイル（第ｎ相のコイル）に接続された電圧源から、当該コイルに生ずる起電力を打ち消す向きの電圧を強制的に出力することによって、当該コイルに生ずる起電力を抑えることが可能になる。このため、第ｎ相のコイルに入力される電圧に対する第ｎ相のコイルを流れる電流の位相差（力率角φ）を小さく抑え、力率（ｃｏｓφ）を高める（１に近づける）ことが可能になる。
【０００９】
本発明の超伝導モーターにおいて、電圧源から出力される電圧をどのように制御するかは特に限定されない。結果的に第ｎ相のコイルに生ずる起電力を打ち消すような電圧が電圧源から出力される各種の制御を行うことができる。しかし、電圧源から出力される電圧の制御の精度を高めて、力率（ｃｏｓφ）をより高めるためには、電圧源を制御する制御信号を生成するための制御信号生成手段を設けることが好ましい。また、それによって生成される制御信号は、各相のコイルが配された電気回路における所定箇所の電圧に基づいて生成されるものであることが好ましい。
【００１０】
このような制御信号生成手段としては、例えば、各相のコイルのそれぞれにおける電流源側の電圧Ｖ１〜ＶＮ（第ｎ相のコイルにおける電圧源側の電圧Ｖｎは含まない。）を加算して正負を反転させたものを前記制御信号として生成するものが挙げられる。以下においては、この種の制御信号を生成する制御信号生成手段を「反転加算手段」と呼ぶことがある。この反転加算手段は、電子回路（アナログ回路だけでなくデジタル回路も含む。）や、数値計算（コンピュータプログラム等）によって実現することができる。
【００１１】
上記の反転加算手段を電子回路によって実現した例を図２に示す。図２の反転加算手段１４０（制御信号生成手段）は、オペアンプ１４１と、抵抗１４２．１と、抵抗１４２．２と、抵抗１４３とを備えたものとなっている。オペアンプ１４１は、抵抗１４３を介して負帰還が施されている。オペアンプ１４１の非反転入力端子（＋）は、アースされ、オペアンプ１４１の反転入力端子（−）には、各相のコイル６１，６２のそれぞれにおける電流源１２１，１２２側の電圧Ｖ１，Ｖ２（第３相のコイル６３の電圧源１３０側の電圧Ｖ３は含まない。）が、それぞれ抵抗１４２．１及び抵抗１４２．２を介して並列に入力されるようになっている。
【００１２】
ここで、オペアンプ１４１の入力インピーダンスは十分に大きいことに加えて、抵抗１４２．１、抵抗１４２．２及び抵抗１４３の抵抗値も十分に大きいため、点Ｐ１及び点Ｐ２から反転加算手段１４０に流れ込む電流は、無視することができる。図２においては、電流源１２１，１２２に由来する電流Ｉ１，Ｉ２が流れ込まない部分（流れ込んでも無視することができる部分）を破線で示している。このことについては、後述する図３や図１０においても同様である。
【００１３】
図２の反転加算手段１４０における抵抗１４２．１、抵抗１４２．２及び抵抗１４３の抵抗値を全て等しく設定すると、オペアンプ１４１から出力される電圧（「ＶＯＵＴ」とする。）は、下記式２に示すようになる。この電圧ＶＯＵＴが電圧源の制御信号（図２における制御信号ＳＯＵＴ）として電圧源に入力されるようになる。
【数２】
2018019473.tif 000004
【００１４】
上記式２は、コイルを３相に設け（Ｎの値を３に設定し）、第１相のコイルと第２相のコイルとを電流源に接続し、第３相のコイルを電圧源に接続した（ｎの値を３に設定した）場合のものであるが、上記式２を、そのような場合以外にも適用できるように拡張すると、下記式３に示すようになる。下記式３における「Ｖｋ」は、第ｋ相のコイルの電流源側（ｋ＝ｎの場合は電圧源側）の電圧であり、下記式３における「Ｖｎ」は、電圧源に接続した第ｋ相のコイルの電圧源側の電圧である。ただし、下記式３における「−Ｖｎ」の項は、実際に電圧Ｖｎを減算することを意味しておらず、加算を行う対象の電圧Ｖ１〜ＶＮから電圧Ｖｎを除外することを意味している。電圧Ｖｎを一旦加算した後に減算を行う構成を、本発明の技術的範囲からは除外しないが、敢えて当該構成を採用するメリットはない。
【数３】
2018019473.tif 000005
【００１５】
一方、上記の反転加算手段を数値計算（コンピュータプログラム等）によって実現したものとしては、図３に示す構成を挙げることができる。図３の反転加算手段１４０（制御信号生成手段）は、Ａ／Ｄコンバータ１４４と、演算装置１４５とを備えたものとなっている。Ａ／Ｄコンバータ１４４は、各相のコイル６１，６２のそれぞれにおける電流源１２１，１２２側の電圧Ｖ１，Ｖ２（第３相のコイル６３における電圧源１３０側の電圧Ｖ３は含まない。）を数値化（デジタルデータ化）するためのものとなっている。演算装置１４５は、数値化された電圧Ｖ１，Ｖ２から、上記式３に基づいて電圧ＶＯＵＴを求めるためのものとなっている。演算装置１４５によって得られた電圧ＶＯＵＴは、制御信号ＳＯＵＴとして電圧源１３０に入力される。このように、上記の反転加算手段は、数値計算に実現することも可能である。
【００１６】
以上のように、制御信号生成手段で生成された制御信号で電圧源の出力電圧を制御すると、力率（ｃｏｓφ）を効率よく高めることが可能である。本発明の構成を採用すると、力率（ｃｏｓφ）が０．９以上の超伝導モーターを得ることも可能である。力率（ｃｏｓφ）は、０．９５以上とすることもでき、０．９９以上とすることもできる。本発明の超伝導モーターでは、上記式３の電圧ＶＯＵＴが制御信号として電圧源に入力されるようにすると、コイルに生ずる起電力を完全に打ち消し、力率（ｃｏｓφ）を１とすることも可能である。
【発明の効果】
【００１７】
以上のように、本発明によって、電圧と電流の位相のずれを抑えて、力率（ｃｏｓφ）を高めることのできる超伝導モーターを提供することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】従来の超伝導モーターにおける電気回路の一例を示した図である。
【図２】本発明の超伝導モーターにおける電気回路の一例を示した図である。
【図３】本発明の超伝導モーターにおける反転加算手段（制御信号生成手段）を数値計算によって実現した例を示した図である。
【図４】本発明の超伝導モーターをその出力軸の中心線Ａ１を含む平面で切断した状態を示した断面図である。
【図５】本発明の超伝導モーターを構成する一対の回転子と固定子との相対的な位置を説明する斜視図である。
【図６】本発明の超伝導モーターを構成する一対の回転子のそれぞれに永久磁石を取り付ける様子を示した斜視図である。
【図７】本発明の超伝導モーターを構成する固定子の冷却用金属板に磁性体コアを取り付ける様子を示した斜視図である。
【図８】本発明の超伝導モーターを図５における円弧面αで切断した断面を示した断面図である。
【図９】本発明の超伝導モーターのモーターギャップ周辺に生じる磁場を有限要素法により解析した結果を示した図である。
【図１０】本発明の超伝導モーターの配線を模式的に表した図である。
【図１１】本発明の超伝導モーターにおける各相のコイルに入力される電圧及び電流を測定した結果を示したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明の超伝導モーターの好適な実施態様について、図面を用いてより具体的に説明する。本発明の構成は、３相以上の交流で駆動される各種の超伝導モーターにおいて採用することができるが、以下においては、本発明の構成を、図４〜１０に示されるように、アキシャルギャップ型の超伝導モーターであって、特殊な構造を有するもので採用する場合を例に挙げて説明する。ここで、「アキシャルギャップ型の超伝導モーター」とは、図４に示されるように、回転子４０，５０と固定子７０との隙間Ｇ１，Ｇ２（ギャップ）が回転子４０の回転中心線Ａ１（アックス）に平行な方向に形成された超伝導モーターのことを云っている。
【００２０】
図４は、本実施態様の超伝導モーターをその出力軸１０の中心線Ａ１を含む平面で切断した状態を示した断面図である。図５は、本実施態様の超伝導モーターを構成する一対の回転子４０，５０と固定子７０との相対的な位置を説明する斜視図である。図６は、本実施態様の超伝導モーターを構成する一対の回転子４０，５０のそれぞれに永久磁石２０，３０を取り付ける様子を示した斜視図である。図７は、本実施態様御の超伝導モーターを構成する固定子７０の冷却用金属板７２に磁性体コア７１を取り付ける様子を示した斜視図である。図８は、本実施態様の超伝導モーターを図５における円弧面α（点Ｐ１，Ｐ２，Ｑ２，Ｑ１を頂点とする円弧面。辺Ｐ１Ｐ２及び辺Ｑ１Ｑ２は、回転中心線Ａ１を中心とした円弧を為す。）で切断した断面を示した断面図である。図８においては、図示の便宜上、コイル６０を簡素化して描いている。図９は、本実施態様の超伝導モーターのモーターギャップＧ１，Ｇ２周辺に生じる磁場を有限要素法により解析した結果を示した図である。図１０は、本実施態様の超伝導モーターの配線を模式的に表した図である。
【００２１】
既に述べたように、本発明の超伝導モーターは、第ｎ相のコイル（本実施態様の超伝導モーターにおいては第３相のコイル６３）に入力される電圧に対する第ｎ相のコイルを流れる電流の位相差（力率角φ）を小さく抑えることによって、力率（ｃｏｓφ）を高めることのできる構成を備えたものとなっているが、当該構成を、図４〜１０に示した超伝導モーターで採用することによって、さらに、
［１］  固定子７０に設けられたコイル６０の熱的安定性を高めて、コイル６０の臨界電流の低減を抑えることができる、
［２］  ローレンツ力の利用効率を高めることができる、
［３］  コイル６０の自己インダクタンスを抑えることができる、及び、
［４］  各相のコイル６０の自己インダクタンスによる誘導電流の影響を抑えることができる、
という効果を奏することも可能になる。
【００２２】
以下においては、図中（図４等）におけるｚ軸方向正側を「上」側とし、ｚ軸方向負側を「下」側として本発明の超伝導モーターを説明する。しかし、「上」や「下」という語句は、各部材の相対的位置関係を示すために便宜的に用いたものであり、各部材の絶対的な位置関係（本発明の超伝導モーターを使用する向き）を制限するものではない。
【００２３】
１．超伝導モーターの概要
本発明の超伝導モーターにおける主要な構成（制御信号生成手段等、力率φを高める構成）を説明する前に、まず、図４〜１０に示されるアキシャルギャップ型の構造的な構成について説明する。本実施態様の超伝導モーターは、図４及び図５に示すように、永久磁石２０，３０が設けられた一対の回転子４０，５０と、超伝導ワイヤーで形成されたコイル６０が相ごとに設けられた固定子７０とを備え、永久磁石２０，３０による磁場がコイル６０を流れる電流に及ぼすローレンツ力の反力によって、固定子７０の両側に配された一対の回転子４０，５０が回転中心線Ａ１を中心として回転するようにしたものとなっている。
【００２４】
一方の回転子４０に設けられた永久磁石２０と、他方の回転子５０に設けられた永久磁石３０は、同極が向き合う（永久磁石２０のＮ極が永久磁石３０のＮ極を向き、永久磁石２０のＳ極が永久磁石３０のＳ極を向く）ように対向配置されている。なお、当然のことながら、「Ｎ極」という語句における「Ｎ」という文字は、磁極としての「Ｎ」（「Ｎｏｒｔｈ  Ｐｏｌｅ」の「Ｎ」）を意味するものであり、数値としての「Ｎ」（コイル６０の相数Ｎ）を意味するものではない。
【００２５】
固定子７０は、図４及び図７に示すように、回転子４０，５０（図４）の回転中心線（出力軸１０の中心線Ａ１に一致）に対して垂直な平板環状を為す磁性体コア７１（図７）を備えている。コイル６０は、図４及び図５に示すように、超伝導ワイヤーを磁性体コア７１の両面側（磁性体コア７１ａの上面側及び磁性体コア７１ｂの下面側）で前記磁場（磁性体コア７１の両面側においては、ｚ軸方向に略平行となる。）に対して略直交させた状態で磁性体コア７１の環状部分に巻き付けることにより、固定子７０に固定されている。
【００２６】
本実施態様の超伝導モーターにおいて、一対の回転子４０，５０及び固定子７０は、密閉容器８０（図４）内に収容されている。この密閉容器８０には、図示省略のバルブを介して図示省略の真空ポンプが接続されており、超伝導モーターの駆動時においては、密閉容器８０の内部を真空又は真空に近い減圧状態に維持することができるようになっている。したがって、密閉容器８０の外部から固定子７０に熱が伝わりにくくして、外気によってコイル６０の温度が上昇しないようにすることが可能となっている。
【００２７】
以下、本実施態様の超伝導モーターを構成する各部材について、詳しく説明する。
【００２８】
２．回転子
回転子４０と回転子５０は、図４に示すように、固定子７０を挟んで反対側（固定子７０の上面側と下面側）に対向するように配置されている。回転子４０の中心部と回転子５０の中心部は、いずれも出力軸１０に対して一体的に固定されており、回転子４０及び回転子５０に回転中心線Ａ１回りの回転力が生じると、出力軸１０が回転するようになっている。出力軸１０は、シール軸受９０を介して、密閉容器８０に対して回転可能な状態で取り付けられている。回転子４０及び回転子５０は、それぞれ後述する永久磁石２０及び永久磁石３０を設けることができるのであれば、その形態を特に限定されない。本実施態様の超伝導モーターにおいて、回転子４０及び回転子５０は、図５に示すように、いずれも回転中心線Ａ１に対して回転対称な円盤状を為している。回転子４０の下面には、永久磁石２０が設けられており、回転子５０の上面には、永久磁石４０が設けられている。
【００２９】
永久磁石２０及び永久磁石３０は、それぞれ回転子４０及び回転子５０につき、偶数個ずつ設けられる。永久磁石２０と永久磁石３０は、通常、同数とされる。本実施態様の超伝導モーターにおいては、図６に示すように、永久磁石２０を、計４個の永久磁石２１，２２，２３，２４で構成しており、永久磁石３０を、計４個の永久磁石３１，３２，３３，３４で構成している。
【００３０】
永久磁石２１〜２４の形態は、特に限定されず、永久磁石２１〜２４のそれぞれを異なる形態としてもよいが、通常、同形とされる。本実施態様の超伝導モーターにおいて、永久磁石２１〜２４は、それぞれ四分円の円弧に沿った帯板状を為しており、その上面又は下面のうちの一方がＮ極となり、他方がＳ極となっている。図中においては、永久磁石２１〜２４におけるＮ極側を密な（目の小さな）網掛けハッチングで示しており、Ｓ極側を粗な（目の大きな）網掛けハッチングで示している。これは、後述する永久磁石３１〜３４においても同様である。永久磁石２１〜２４は、隣り合う永久磁石２１〜２４の磁極が交互に入れ替わるように、回転中心線Ａ１を中心として回転対称に配されている。固定子４０に対する永久磁石２１〜２４の固定方法は、特に限定されないが、本実施態様の超伝導モーターにおいては、回転子４０の下面に設けた環状溝４１に永久磁石２１〜２４を嵌め込んだ状態で固定している（図６の矢印Ａ２を参照）。
【００３１】
また、永久磁石３１〜３４の形態も、特に限定されないが、通常、それぞれ永久磁石２１〜２４と同形とされる。本実施態様の超伝導モーターにおいても、永久磁石３１〜３４は、それぞれ永久磁石２１〜２４と同形の四分円の円弧に沿った帯板状を為しており、その上面又は下面のうちの一方がＮ極となり、他方がＳ極となっている。永久磁石３１〜３４は、それぞれ永久磁石２１〜２４と上下方向（ｚ軸方向）に重なる位置に配置している。このとき、上下方向に重なる、永久磁石２１と永久磁石３１、永久磁石２２と永久磁石３２、永久磁石２３と永久磁石３３、及び、永久磁石２４と永久磁石３４において、同極が向き合うように対向配置される（図６の矢印Ａ４を参照）。固定子５０に対する永久磁石３１〜３４の固定方法も、特に限定されないが、本実施態様の超伝導モーターにおいては、回転子５０の上面に設けた環状溝５１に永久磁石３１〜３４を嵌め込んだ状態で固定している（図６の矢印Ａ３を参照）。
【００３２】
３．固定子
本実施態様の超伝導モーターにおいて、固定子７０は、図７に示すように、磁性体コア７１と、冷却用金属板７２とで構成されている。磁性体コア７１は、冷却用金属板７２の上面側に設けられる第一の磁性体コア７１ａと、冷却用金属板７２の下面側に設けられる第二の磁性体コア７１ｂとで構成されている。換言すると、磁性体コア７１ａ，７１ｂが、固定子７０の上下両面を形成し、冷却用金属板７２が、固定子７０の板厚方向中間部を形成するようになっている。
【００３３】
冷却用金属板７２は、密閉容器８０（図４）に対して動かない状態で支持される。冷却用固定版７２を密閉容器８０に支持する構造は、特に限定されないが、本実施態様の超伝導モーターにおいては、図示省略のＰＢＩ支持棒を介して、冷却用金属板７２の外周部を密閉容器８０に対して動かない状態で支持している。冷却用金属板７２ｃは、回転中心線Ａ１に垂直な円環状を為しており、その中心部に設けられた開口部７２ａに出力軸１０（図４）が回転可能な状態で挿通される。
【００３４】
冷却用金属板７２は、コイル６０（図５）に直接的に熱接触することで、又は、磁性体コア７１ａ，７１ｂを介してコイル６０に間接的に熱接触することで、コイル６０を冷却するためのものとなっている。冷却用金属板７２は、その外周部から外方に突出して設けられた伝熱部７２ｂを介して、冷熱供給源１００に接続されている。この冷熱供給源１００は、冷却用金属板７２に冷熱を供給するためものとなっており、冷却用金属板７２とともに、コイル６０を冷却するためのコイル冷却手段として機能するものとなっている。冷熱供給源１００は、コイル６０を超伝導現象が生じる低温域まで冷却できるものであれば特に限定されない。本実施態様の超伝導モーターにおいては、冷熱供給源１００として冷凍機を用いている。１つの冷熱供給源１００では冷却が追いつかない場合には、冷熱供給源１００を複数箇所（通常、回転子４０，５０の回転中心線Ａ１に対して回転対称な複数箇所）に設けることもできる。
【００３５】
冷却用金属板７２は、熱伝導性に優れた金属で形成されたものを用いると好ましい。具体的には、０℃における熱伝導率が２００Ｗ・ｍ・Ｋ−１以上の金属によって冷却用金属板７２を形成すると好ましい。０℃における熱伝導率が２００Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１以上の金属としては、アルミニウム（２３６Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１）や、銅（４０３Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１）等が例示される。本実施態様の超伝導モーターにおいて、冷却用金属板７２は、アルミニウムで形成している。
【００３６】
伝熱部７２ｂも、冷却用金属板７２と同様、熱伝導性に優れた金属で形成される。本実施態様の超伝導モーターにおいて、伝熱部７２ｂは、白金測温抵抗体によって形成している。この白金測温抵抗体（伝熱部７２ｂ）は、冷熱供給源１００で発生した冷熱を冷却用金属板７２に伝達するだけでなく、冷却用金属板７２の温度を測定するための測温手段としても機能するようになっている。冷却用金属板７２の測温手段は、冷却用金属板７２の外周部における他の箇所にも設けられている（図示省略の熱電対が設けられている。）。これらの測温手段は、密閉容器８０の外部に設けられた、図示省略の計測機に接続されている。このため、冷却用金属板７２の温度を監視することで、冷凍機１００から供給される冷熱をフィードバック制御することができるようになっている。
【００３７】
第一の磁性体コア７１ａと第二の磁性体コア７１ｂは、永久磁石２０，３０による磁束密度を高めるとともに、永久磁石２０，３０による磁場の向き（磁束密度Ｂの向き）を、図８に示すように制御するためのものとなっている。第一の磁性体コア７１ａと第二の磁性体コア７１ｂとを配したことによって、固定子７０と一対の回転子４０，５０との隙間（ギャップＧ１，Ｇ２）に生ずる磁束密度Ｂの向きが、磁性体コア７１ａの上面及び磁性体コア７１ｂの下面に対して略直交するようになる。したがって、コイル６０を形成する超伝導ワイヤーにおける第一の磁性体コア７１ａの上面側に位置する部分に流れる電流（図８の紙面手前側に向かって流れる。）の向き、及び、第二の磁性体コア７１ｂの下面側に位置する部分に流れる電流（図８の紙面奥側に向かって流れる。）の向きを、磁束密度Ｂの向きと略直交させ、回転子４０，５０の回転力Ｆ１’，Ｆ２’の元となるローレンツ力Ｆ１，Ｆ２（ローレンツ力Ｆ１，Ｆ２の反力が回転力Ｆ１’，Ｆ２’になる。）の回転方向成分を大きくすることが可能となっている。よって、超伝導モーターの出力効率を高めることが可能となっている。本実施態様の超伝導モーターにおけるギャップＧ１，Ｇ２の周辺に生じる磁場を有限要素法により解析したところ、図９に示す結果が得られた。図９における永久磁石２１，３１によって形成される磁束を見ると、磁束線が図８に示した状態とかなり近くなっていることが分かる。
【００３８】
また、第一の磁性体コア７１ａと第二の磁性体コア７１ｂとを配したことによって、ギャップＧ１，Ｇ２を広くしても、上述した効果が奏される。このため、ギャップＧ１，Ｇ２を広く確保することで、図４に示すように、厚みを有する断熱材１１０（断熱効果の高い断熱材）をギャップＧ１，Ｇ２に配することが可能になり、コイル６０が設けられた固定子７０の冷却効率や断熱効率を高めることができるようになる。本実施態様の超伝導モーターにおいては、断熱材１１０として、多層構造を有するスーパーインシュレーターを用いている。断熱材１１０は、図４のみに図示しており、他の図面においては図示を省略している。
【００３９】
第一の磁性体コア７１ａと第二の磁性体コア７１ｂの形態は、回転中心線Ａ１に対して略垂直な平板環状であれば特に限定されない。ここで、「平板環状」とは、その環状部分における幅Ｗ１（図７）が厚みＴ１（図７）よりも大きな環状部材のことを云う。また、「平板環状」における「環状」とは、その環状部分の一部が切断された開環状であってもよいが、通常、その環状部分が連続した閉環状とされる。さらに、「平板環状」における「環状」とは、その環状部分が真円状を為す円環状に限定されず、その環状部分が多角形を為す多角環状等、円環状以外の環状をも含む。さらにまた、第一の磁性体コア７１ａと第二の磁性体コア７１ｂは、必ずしも同じ形態とする必要はないが、通常、同じ形態とされる。本実施態様の超伝導モーターにおいて、第一の磁性体コア７１ａと第二の磁性体コア７１ｂは、いずれも回転中心線Ａ１に対して垂直で、且つ、回転中心線Ａ１に対して回転対称な平板円環状としている。
【００４０】
磁性体コア７１ａ，７１ｂに用いる磁性体の種類は、特に限定されない。磁性体コア７１ａ，７１ｂに用いることのできる磁性体としては、バリウムフェライト等のフェライトや、ＳＵＳ４３０等のステンレスや、酸化クロムや、コバルトや、酸化鉄等が例示される。ただし、回転子４０，５０を高速回転させることを想定する場合には、渦電流損失とヒステリシス損失が極めて小さい磁性体を用いると好ましい。具体的には、磁性体コア７１ａ，７１ｂにおけるヒステリシス損失及び渦電流損失を冷凍機１００（コイル冷却手段）による冷却能力を超えない範囲に抑えることができる磁性体によって磁性体コア７１ａ，７１ｂを形成すると好ましい。より好適には、冷却に必要なエネルギーを考慮すると、使用条件下において最大損失が１０ｋＷ／ｍ３程度以下の磁性体によって磁性体コア７１ａ，７１ｂを形成すると好ましい。このような磁性体としては薄巻鉄コアやフェライト等が例示される。これにより、回転子４０，５０を高速回転させる場合においても、高い出力効率を維持することが可能になる。
【００４１】
４．コイル
コイル６０は、図５に示すように、磁性体コア７１（固定子７０）を周回方向に分割する各位置に相ごとに設けられている。コイル６０の相数Ｎは、３以上であれば特に限定されない。しかし、コイル６０の相数Ｎを多くしすぎると、電子回路が複雑となってコストが増大するため、通常は、２４相程度まで、好ましくは１２相以下、より好ましくは６相以下とされる。本実施態様の超伝導モーターにおいては、６個のコイル６１ａ，６１ｂ，６２ａ，６２ｂ，６３ａ，６３ｂを３相に設けている。具体的には、コイル６１ａ，６１ｂを第１相とし、コイル６２ａ，６２ｂを第２相とし、コイル６３ａ，６３ｂを第３相としている。それぞれのコイル６０は、回転中心線Ａ１に対して回転対称な位置に配しており、同一位相（同じ相）のコイル６０は、１８０°の回転対称な位置に配している。
【００４２】
ところで、本明細書においては、説明の便宜上、コイルの符号として、「６０」、「６１」、「６２」、「６３」、「６１ａ」、「６１ｂ」、「６２ａ」、「６２ｂ」、「６３ａ」及び「６３ｂ」という１０種類を用いている。これらの符号は、以下のように使い分けている。すなわち、個々のコイルをそれぞれ具体的に指すときには、符号「６１ａ」、「６１ｂ」、「６２ａ」、「６２ｂ」、「６３ａ」及び「６３ｂ」を用いている。また、第１相を構成する全てのコイル（コイル６１ａ及びコイル６１ｂ）を指すときには、符号「６１」を用い、第２相を構成する全てのコイル（コイル６２ａ及びコイル６２ｂ）を指すときには、符号「６２」を用い、第３相を構成する全てのコイル（コイル６３ａ及びコイル６３ｂ）を指すときには、符号「６３」を用いている。さらに、全てのコイル（第１相のコイル６１ａ及びコイル６１ｂ、第２相のコイル６２ａ及びコイル６２ｂ、並びに、第３相のコイル６３ａ及びコイル６３ｂ）を特に区別なく示すときは、符号「６０」を用いている。
【００４３】
コイル６０は、それにおける、磁性体コア７１の両面側（磁性体コア７１ａの上面側及び磁性体コア７１ｂの下面側）に配される部分を形成する超伝導ワイヤーが、磁場Ｂ（図８）及び回転子４０，５０の回転方向の双方に対して略垂直となる状態で、磁性体コア７１（固定子７０）の環状部分に巻き付けられる。すなわち、コイル６０を形成する超伝導ワイヤーは、第一の磁性体コア７１ａにおける上面側と第二の磁性体コア７１ｂにおける下面側とを交互に往来するように巻き付けられる。コイル６０のそれぞれの巻数は、特に限定されないが、多くした方が、伝導モーターの出力効率を高めることができるため好ましい。コイル６０は、それぞれ多層に巻いてもよい。
【００４４】
本実施態様の超伝導モーターにおいて、コイル６０が巻き付けられる固定子７０の環状部分は、その断面形状が矩形状となっているため、コイル６０の断面形状も矩形状となっている。このコイル６０における磁性体コア７１（固定子７０）の両面側に位置する部分が、回転子４０，５０を回転させる元となるローレンツ力Ｆ１，Ｆ２（図８）の発生源として寄与することになる。このため、コイル６０の断面形状は、扁平な形状とし、その横幅Ｗ２（図５）をその縦幅Ｗ３に対してできるだけ大きく確保できる形状とすると好ましい。具体的には、コイル６０の縦幅Ｗ３に対する横幅Ｗ２の比Ｗ２／Ｗ３を１．５以上とすると好ましい。比Ｗ２／Ｗ３は、２以上であるとより好ましく、２．５以上であるとさらに好ましい。比Ｗ２／Ｗ３の上限は、特に制限されないが、通常、１００以下とされる。
【００４５】
コイル６０を形成する超伝導ワイヤーとしては、超伝導材料からなる各種の線材（帯状のものを含む。）を用いることができる。本実施態様の超伝導モーターにおいては、コイル６０を形成する超伝導ワイヤーとして、帯状のもの（断面矩形状のもの）を用いている。また、コイル６０として用いる超伝導ワイヤーは、超伝導材料であれば、その材料を特に限定されず、金属系や酸化物系や有機系等の各種の超伝導材料で形成することができる。金属系の超伝導材料としては、ＮｂＴｉや、Ｎｂ３Ｓｎや、ＭｇＢ２や、ＮｂＮ等を挙げることができ、酸化物系の超伝導材料としては、ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ４（ＹＢＣＯ）や、Ｂｉ２Ｓｒ２ＣａＣｕ２Ｏｘ（Ｂｉ２２１２）等を挙げることができ、有機系の超伝導線材としては、β−（ＢＥＤＴ−ＴＴＦ）２／３や、Ｋ３Ｃ６０や、Ｒｂ３Ｃ６０や、Ｃ６Ｃａ（グラファイト）等を挙げることができる。
【００４６】
ところで、第１相のコイル６１ａ，６１ｂと、第２相のコイル６２ａ，６２ｂと、第３相のコイル６３ａ，６３ｂには、それぞれの相ごとに位相のずれた交流電流が流される。本実施態様の超伝導モーターにおいて、第２相のコイル６２ａ，６２ｂに流れる電流Ｉ２（図１０）の位相は、第１相のコイル６１ａ，６１ｂを流れる電流Ｉ１（図１０）の位相よりも１２０°遅れており、第３相のコイル６３ａ，６３ｂを流れる電流Ｉ３（図１０）の位相は、第１相のコイル６１ａ，６１ｂを流れる電流Ｉ１の位相よりも２４０°遅れている。超伝導モーターの相数を３相以外（４相以上）とする場合には、各相のモーター６０を流れる電流に与える位相差は、相数や配線等に応じて適宜決定される。このように、位相差を有する電流Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３を各相のコイル６０に流すことによって、各相のコイル６０を流れる電流Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３を順次切り替え、上述したローレンツ力Ｆ１，Ｆ２の反力Ｆ１’，Ｆ２’（図８）の作用により、固定子７０に対して回転子４０，５０を回転させることができる。回転子４０，５０の回転力は、出力軸１０（図１）を介して超伝導モーターの外部へと出力される。各相のコイル６０の具体的な配線については後述する。
【００４７】
５．超伝導モーターの配線
本実施態様の超伝導モーターにおいては、図１０に示すように、第１相から第Ｎ相（Ｎは３以上の任意の整数）までのコイル６０（第１相のコイル６１、第２相のコイル６２、及び、第３相のコイル６３）が相ごとに互いに並列となるように接続される。各相のコイル６０のうち、特定の第ｎ相（ｎは１以上Ｎ以下のある整数）のコイル（本実施態様の超伝導モーターにおいては第３相のコイル６３）は、電圧源１３０に接続され、第Ｎ相以外の他のコイル（本実施態様の超伝導モーターにおいては第１相のコイル６１及び第２相のコイル６２）は、電流源１２０に接続される。本実施態様の超伝導モーターにおいては、既に述べた通り、各相のコイル６０を複数本のコイル６０によって構成した（第１相のコイル６１を２本のコイル６１ａ，６１ｂで構成し、第２相のコイル６２を２本のコイル６２ａ，６２ｂで構成し、第３相のコイル６３を２本のコイル６３ａ，６３ｂで構成した）ため、以下のように配線を行っている。
【００４８】
すなわち、図１０に示すように、第１相のコイル６１を構成するコイル６１ａとコイル６１ｂとを直列に接続し、第２相のコイル６２を構成するコイル６２ａとコイル６２ｂとを直列に接続し、第３相のコイル６３を構成するコイル６３ａとコイル６３ｂとを直列に接続している。第１相のコイル６１と、第２相のコイル６２と、第３相のコイル６３は、後述する電流源１２０及び電圧源１３０とともに、並列に接続された状態となっている。第１相のコイル６１を構成するコイル６１ａ及びコイル６１ｂは、円環状を為す固定子７０における対向する箇所に配されており、コイル６１ａの巻回方向（超伝導ワイヤーの巻回方向）とコイル６１ｂの巻回方向（超伝導ワイヤーの巻回方向）とが固定子７０の周回方向に対して揃うようにしている。第２相のコイル６２を構成するコイル６２ａ及びコイル６２ｂ、並びに、第３相のコイル６３を構成するコイル６３ａ及びコイル６３ｂも、第１相のコイル６１を構成するコイル６１ａ及びコイル６１ｂと同様に配している。超伝導モーターの相数を３相以外（４相以上）とする場合には、電流源１２０に接続されたコイルを、第１相のコイル６１、第２相のコイル６２及び第３相のコイル６３に対して並列に接続する。４相以上の場合であっても、電圧源１３０に接続するコイル６０は、第ｎ相の計１相のみである。
【００４９】
各相のコイル６０を上記のように接続すると、各相のコイル６１，６２，６３を流れる電流Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３の和Ｉ１＋Ｉ２＋Ｉ３が常に０になるようにし、各相のコイル６１，６２，６３の自己インダクタンスの和が常に０になるようにすることが可能になる（各相のコイル６１，６２，６３の自己インダクタンスは、電流Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３の時間微分で与えられる）。換言すると、コイル６１，６２，６３の自己インダクタンスを、他相からの相互インダクタンスを利用してキャンセルすることが可能になる。よって、回転速度によらないトルクの発生を可能とし、最大効率、最大トルク、最大力率制御等を同時に実現することも可能になる。
【００５０】
また、第１相のコイル６１を構成する２本のコイル６１ａ，６１ｂのうち、一方のコイル６１ａにおける、コイル６１ｂに接続された側の反対側の端部は、電流源１２１の非接地側端子（Ｌ端子）に接続され、第２相のコイル６２を構成する２本のコイル６２ａ，６２ｂのうち、一方のコイル６２ａにおける、コイル６２ｂに接続された側の反対側の端部は、電流源１２２の非接地側端子（Ｌ端子）に接続され、第３相のコイル６３を構成する２本のコイル６３ａ，６３ｂのうち、一方のコイル６３ａにおける、コイル６３ｂに接続された側の反対側の端部は、電圧源１３０の非接地側端子（Ｌ端子）に接続されている。電流源１２１，１２２及び電圧源１３０の接地側端子（Ｎ端子）は、いずれも接地されている（図１０における点Ｐ０を参照）。第１相のコイル６１ｂにおける、コイル６１ａに接続された側の反対側の端部と、第２相のコイル６２ｂにおける、コイル６２ａに接続された側の反対側の端部と、第３相のコイル６３ｂにおける、コイル６３ａに接続された側の反対側の端部は、互いに接続されている（図１０における点Ｐ３を参照）。
【００５１】
第１相のコイル６１ａと電流源１２１との間の点Ｐ１には、信号線が接続され、後述する制御信号生成手段１４０に入力されている。同様に、第２相のコイル６２ａと電流源１２１との間の点Ｐ２にも、信号線が接続され、後述する制御信号生成手段１４０に入力されている。制御信号生成手段１４０は、入力インピーダンスが非常に高く設定されているため、点Ｐ１や点Ｐ２から制御信号生成手段１４０には、電流は実質的に流れ込まないようになっている。このため、制御信号生成手段１４０には、点Ｐ１の電圧（第１相のコイル６１の入力電圧Ｖ１）及び点Ｐ２の電圧（第２相のコイル６２の入力電圧Ｖ２）が、それぞれ、入力信号ＳＩＮ１及び入力信号ＳＩＮ２として入力されるようになっている。制御信号生成手段１４０の出力端子は、電流源１３０の入力端子に接続されている。電流源１３０は、制御信号生成手段１４０からの制御信号（出力信号ＳＯＵＴ）によって駆動されるようになっている。一方、電流源１２１，１２２は、第１相のコイル６１を流れる電流Ｉ１と第２相のコイル６２を流れる電流Ｉ２に上記の位相差を与えるように駆動されるようになっている。
【００５２】
６．制御信号生成手段
本実施態様の超伝導モーターにおいて、制御信号生成手段１４０は、図１０に示すように、入力信号ＳＩＮ１として入力されてくる、第１相のコイル６１における電流源１２１側の電圧Ｖ１と、入力信号ＳＩＮ２として入力されてくる、第２相のコイル６２における電流源１２２側の電圧Ｖ２とを加算して正負を反転させたものを制御信号ＳＯＵＴとして生成するもの（反転加算手段）となっている。具体的には、反転加算手段である制御信号生成手段１４０によって、下記式２で示される電圧ＶＯＵＴが制御信号（出力信号ＳＯＵＴ）として生成されるようになっている。
【数４】
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【００５３】
電圧源１３０は、この制御信号ＳＯＵＴとして入力されてくる電圧ＶＯＵＴに基づいてその出力電圧Ｖ３を第３相のコイル６３（第ｎ相のコイル６０）に出力する。電流源１３０の出力電圧Ｖ３は、上記式２の電圧ＶＯＵＴと位相差を有していてもよいが、超伝導モーターの力率（ｃｏｓφ）を高くするためには、出力電圧Ｖ３と電圧ＶＯＵＴとの位相差は、できるだけ小さくした方が好ましい。具体的に、出力電圧Ｖ３と電圧ＶＯＵＴとの位相差は、２０°以下とすると好ましく、１０°以下とするとより好ましく、５°以下とするとさらに好ましく、０°（位相差なし）とすると最適である。
【００５４】
また、上記式２の電圧ＶＯＵＴは、通常、正弦波形を示すところ、電圧源１３０の出力電圧Ｖ３は、必ずしも正弦波形とする必要はなく、例えば矩形波形としても、超伝導モーターの力率（ｃｏｓφ）を改善することができる。しかし、超伝導モーターの力率（ｃｏｓφ）をさらに高くするためには、電圧源１３０の出力電圧Ｖ３は、上記式２の電圧ＶＯＵＴに比例する正弦波形とすると好ましい。
【００５５】
本実施態様の超伝導モーターにおいては、電流源１３０の出力電圧Ｖ３を、上記式２の電圧ＶＯＵＴとの位相差のない正弦波形としており、出力電圧Ｖ３の最大値を、電圧ＶＯＵＴの最大値と一致させている。換言すると、電流源１３０の出力電圧Ｖ３を、上記式２の電圧ＶＯＵＴに完全に一致させている。このため、本実施態様の超伝導モーターでは、後述するように、第３相のコイル６３ａ，６３ｂに生ずる起電力を完全に打ち消して、力率（ｃｏｓφ）を１とすることが可能となっている。
【００５６】
ところで、上記式２は、コイルを３相に設け（Ｎの値を３に設定し）、第１相のコイル６１と第２相のコイル６２とを電流源１２０に接続し、第３相のコイル６３を電圧源１３０に接続した（ｎの値を３に設定した）場合のものである。この点、上記式２を、そのような場合以外（例えば、第１相のコイル６１と第３相のコイル６３を電流源１２０に接続し、第２相のコイル６２を電圧源１３０に接続する場合や、第２相のコイル６２と第３相のコイル６３を電流源１２０に接続し、第１相のコイル６１を電圧源１３０に接続する場合や、そもそも、コイル６０の相数を４相以上（Ｎを４以上）とし、いずれか１つの相（第ｎ相）のコイル６０を電圧源１３０に接続し、残りの計Ｎ−１相のコイル６０を電流源１２０に接続する場合）にも適用できるように拡張すると、下記式３に示すようになる。下記式３における「Ｖｋ」は、第ｋ相のコイル６０の電流源１２０側（ｋ＝ｎの場合は、電圧源１３０側）の電圧であり、下記式３における「Ｖｎ」は、電圧源１３０に接続した第ｎ相のコイル６０の電圧源１３０側の電圧である。
【数５】
2018019473.tif 000007
【００５７】
以上のように、第ｎ相のコイル６０の入力される電圧Ｖｎ（本実施態様の超伝導モーターにおいては第３相のコイル６３に入力される電圧Ｖ３）を、上記のように制御すると、第ｎ相のコイル６０を流れる電流と第ｎ相のコイル６０に入力される電圧との位相差を抑えて（力率角φを小さくして）、超伝導モーターの力率（ｃｏｓφ）を効率よく高めることが可能である。
【００５８】
ところで、上記式２や上記式３に示される電圧ＶＯＵＴを生成可能な反転加算手段１４０（制御信号生成手段）としては、電子回路（アナログ回路だけでなくデジタル回路も含む。）によって実現したものと、数値計算（コンピュータプログラム等）によって実現したものとを例示することができる。以下、電子回路によって実現した反転加算手段１４０（電子回路式の反転加算手段）と、数値計算によって実現した反転加算手段１４０（数値計算式の反転加算手段）とのそれぞれについて、説明する。
【００５９】
７．電子回路式の反転加算手段
まず、電子回路式の反転加算手段１４０について説明する。
【００６０】
図２は、本実施態様の超伝導モーターにおける反転加算手段１４０（制御信号生成手段）を電気回路によって実現した例を示した図である。図２においては、説明の便宜上、コイル６０の周辺を簡略化して図示している。すなわち、上述した図１０においては、第１相のコイル６１を構成する２本のコイル６１ａ，６１ｂ、第２相のコイル６２を構成する２本のコイル６２ａ，６２ｂ、及び、第３相のコイル６３を構成する２本のコイル６３ａ，６３ｂを、それぞれ分離して図示していたが、図２においては、第１相の２本のコイル６１ａ，６１ｂを１本のコイル６１に集約し、第２相の２本のコイル６２ａ，６２ｂを１本のコイル６２に集約し、第３相の２本のコイル６３ａ，６３ｂを１本のコイル６３に集約して図示している。また、図１０において、各相のコイル６１，６２，６３は、円環状の固定子７０に対して回転対称に配置した状態で図示していたが、図２において、各相のコイル６１，６２，６３は、単純な並列回路の構成要素として図示している。
【００６１】
図２に示した反転加算手段１４０（制御信号生成手段）は、オペアンプ１４１と、抵抗１４２．１と、抵抗１４２．２と、抵抗１４３とを備えたものとなっている。オペアンプ１４１は、抵抗１４３を介して負帰還が施されている。オペアンプ１４１の非反転入力端子（＋）は、アースされている。抵抗１４２．１は、その一端を、第１相のコイル６１ａと電流源１２１との間の点Ｐ１に接続され、その他端を、オペアンプ１４１の反転入力端子（−）に接続されている。抵抗１４２．２は、その一端を、第１相のコイル６１ａと電流源１２１との間の点Ｐ２に接続され、その他端を、オペアンプ１４１の反転入力端子（−）に接続されている。超伝導モーターを、図２に示されるものよりも相数を追加して４相以上する場合には、追加された相のコイル６０における電流源１２０側の点も、抵抗を介してオペアンプ１４１の反転入力端子（−）に接続する。
【００６２】
オペアンプ１４１の入力インピーダンスは十分に大きいことに加えて、抵抗１４２．１、抵抗１４２．２及び抵抗１４３の抵抗値も、超伝導ワイヤーの抵抗値よりも十分に大きく設定されるため、点Ｐ１及び点Ｐ２から反転加算手段１４０に流れ込む電流は、無視することができる。これと同様に、超伝導モーターを４相以上とする場合にも、追加された相のコイル６０における電流源１２０側の点から反転加算手段１４０に流れ込む電流も、無視することができる。図２に示す反転加算手段１４０において、抵抗１４２．１、抵抗１４２．２及び抵抗１４３の抵抗値は、全て等しく設定されている。超伝導モーターを４相以上とする場合には、追加された相のコイル６０における電流源１２０側の点と反転加算手段１４０との間に配される抵抗の抵抗値も、抵抗１４２．１、抵抗１４２．２及び抵抗１４３の抵抗値と等しく設定される。
【００６３】
以上で述べた図２の反転加算手段１４０は、上記式２又は上記式３に示す電圧ＶＯＵＴを制御信号（出力信号ＳＯＵＴ）として電圧源１３０に出力することができるものとなっている。図２に示した電圧源１３０は、アナログ電気信号によって駆動されるものとなっているため、図２の反転加算回路１４０では、アナログ電気信号として出力された出力信号ＳＯＵＴがそのまま電圧源１３０に入力されるようになっているが、電圧源１３０がデジタル電気信号によって駆動されるものである場合には、オペアンプ１４１の出力端子と電圧源１３０の入力端子との間には、図示省略のＡ／Ｄコンバータが設けられる。
【００６４】
このように、反転加算手段１４０は、オペアンプ１４１を用いた電子回路によって実現することができる。
【００６５】
８．数値計算式の反転加算手段
続いて、数値計算式の反転加算手段１４０について説明する。
【００６６】
図３は、本実施態様の超伝導モーターにおける反転加算手段１４０（制御信号生成手段）を数値計算によって実現した例を示した図である。図３に示した反転加算手段１４０は、Ａ／Ｄコンバータ１４４と、演算手段１４５とを備えたものとなっている。Ａ／Ｄコンバータ１４４の入力端子は、第１相のコイル６１の電流源１２０側の点Ｐ１と、第２相のコイル６２の電流源１２０側の点Ｐ２とに接続されている。超伝導モーターを、図３に示されるものよりも相数を追加して４相以上する場合には、追加された相のコイル６０における電流源１２０側の点も、Ａ／Ｄコンバータ１４４の入力端子に接続する。
【００６７】
Ａ／Ｄコンバータ１４４の入力インピーダンスは、超伝導ワイヤーの抵抗値よりも十分に大きいため、点Ｐ１及び点Ｐ２から反転加算手段１４０に流れ込む電流は、無視することができる。これと同様に、超伝導モーターを４相以上とする場合にも、追加された相のコイル６０における電流源１２０側の点から反転加算手段１４０に流れ込む電流も、無視することができる。Ａ／Ｄコンバータ１４４には、点Ｐ１，Ｐ２のそれぞれの電圧Ｖ１，Ｖ２が入力信号ＳＩＮ１，ＳＩＮ２として入力されるようになっている。Ａ／Ｄコンバータ１４４は、それに対してアナログ値として入力された電圧Ｖ１，Ｖ２を数値化（デジタルデータ化）して演算手段１４５に出力するためのものとなっている。超伝導モーターを４相以上とする場合には、追加された相のコイル６０における電流源１２０側の点の電圧も、Ａ／Ｄコンバータ１４４によって数値化されて演算手段１４５に出力される。
【００６８】
Ａ／Ｄコンバータ１４４は、アナログ電気信号をデジタル電気信号に変換することができるものであれば、その種類を限定されるものではなく、従来公知の各種のアナログ−デジタル変換回路を用いたものを使用することができる。アナログ−デジタル変換回路としては、「フラッシュ型（並列比較型）」や、「逐次比較型及びパイプライン型」や、「傾斜型及び追従型」や、「ＶＦ変換型」や、「二重積分型（二重傾斜型）」や、「ウィルキンソン型」や、「デルタ・シグマ型」の回路等を例示することができる。
【００６９】
一方、演算装置１４５は、Ａ／Ｄコンバータ１４４で数値化された電圧Ｖ１，Ｖ２から、上記式２に基づいて電圧ＶＯＵＴを演算するためのものとなっている。超伝導モーターを４相以上とする場合には、電圧ＶＯＵＴは、上記式３によって演算される。演算装置１４５によって得られた電圧ＶＯＵＴは、制御信号（出力信号ＳＯＵＴ）として電圧源１３０に入力される。
【００７０】
演算装置１４５は、デジタル電気信号として入力された電圧を、上記式２や上記式３に基づいて演算し、出力することができるものであれば、その種類を限定されない。しかし、演算装置１４５が大型のもの（例えば、プログラマブルコンピュータや、パーソナルコンピュータ等）であると、超伝導モーターも大型化して、その用途が制限されることに加えて、オーバースペックでコストも増大するため、演算装置１４５は、小型のものを好適に用いることができる。小型の演算装置１４５としては、ＰＬＤ（プログラマブルロジックデバイス）等のマイクロコントローラ等が例示される。
【００７１】
以上で述べた図３の反転加算手段１４０は、上記式２又は上記式３に示す電圧ＶＯＵＴを制御信号（出力信号ＳＯＵＴ）として電圧源１３０に出力することができるものとなっている。図３に示した電圧源１３０は、デジタル電気信号によって駆動されるものとなっているため、図３の反転加算回路１４０では、デジタル電気信号として出力された出力信号ＳＯＵＴがそのまま電圧源１３０に入力されるようになっているが、電圧源１３０がアナログ電気信号によって駆動されるものである場合には、演算装置１４５の出力端子と電圧源１３０の入力端子との間には、図示省略のＤ／Ａコンバータが設けられる。
【００７２】
このように、反転加算手段１４０は、演算装置１４５を用いた数値計算によって実現することができる。
【００７３】
９．用途
本発明の超伝導モーターは、その用途を限定されるものではなく、様々な分野において好適に採用することができる。本発明の超伝導モーターは、出力効率や出力密度が高いものであるため、大きな出力が要求される用途にも好適に採用することができる。このような用途としては、自動車、船舶、電車、航空機又は昇降機等の輸送機器又は移送機器における駆動機構等が例示される。
【００７４】
特に、本発明の超伝導モーターにおいて、磁性体コアを渦電流損失及びヒステリシス損失が小さな磁性体で形成すれば、これまで不可能と考えられていた高速回転での高出力も可能になるため、航空機に使用されているジェットエンジン等を超伝導モーターで置き換えることも不可能ではなく、燃料電池による高効率電機ジェット機の実現も期待される。また、本発明の超伝導モーターは、回転速度や回転トルクの変動が大きい場合でも高効率を維持することが可能であるため、昇降機の駆動機構等、回転速度や回転トルクの変動が大きい用途においても好適に採用することができる。
【００７５】
１０．実験結果
本発明の超伝導モーターの効果を確認するため、各相のコイル６１，６２，６３に入力される電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３に対する、各相のコイル６１，６２，６３を流れる電流Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３の位相差を確認する実験を行った。超伝導モーターは、図２及び図１０に示した配線のものを用いた。制御信号生成手段１４０は、上記式２の電圧ＶＯＵＴを制御信号（出力信号ＳＯＵＴ）として出力するものとし、電圧源１３０は、上記式２における電圧ＶＯＵＴに完全に一致（波形、最大値及び位相が完全に一致）する出力電圧Ｖ３を出力するものとした。この超伝導モーターにおいて、各相のコイル６１，６２，６３に入力される電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３の波形と、各相のコイル６１，６２，６３を流れる電流Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３の波形を、それぞれモニタしたところ、図１１に示す結果が得られた。図１１は、本発明の超伝導モーターにおける各相のコイル６１，６２，６３に入力される電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３及び電流Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３を測定した結果を示したグラフである。
【００７６】
図１１を見ると、第１相の電圧（第１相のコイル６１に入力される電圧Ｖ１）は、第１相の電流（第１相のコイル６１を流れる電流Ｉ１）と同位相であり、第２相の電圧（第２相のコイル６２に入力される電圧Ｖ２）は、第２相の電流（第２相のコイル６２を流れるＩ２）と同位相であり、第３相の電圧（第３相のコイル６３に入力される電圧Ｖ３）は、第３相の電流（第３相のコイル６３を流れるＩ３）と同位相であることが分かる。すなわち、本実験結果から、本発明の超伝導モーターは、力率ｃｏｓφを１とすることが可能であり、従来の超伝導モーターよりも、有効電力において優れたものであることが確認できた。
【符号の説明】
【００７７】
１０      出力軸
２０      永久磁石
３０      永久磁石
４０      回転子
４１      環状溝
５０      回転子
５１      環状溝
６０      コイル
７０      固定子
７１      磁性体コア
７１ａ    第一の磁性体コア
７１ｂ    第二の磁性体コア
７２      冷却用金属板（コイル冷却手段）
７２ａ    開口部
７２ｂ    伝熱部（コイル冷却手段）
８０      密閉容器
９０      シール軸受
１００      冷熱供給源（コイル冷却手段）
１１０      断熱材
１２０      電流源
１２１      第１相の電流源
１２２      第２相の電流源
１３０      電圧源
１４０      反転加算手段（制御信号生成手段）
１４１      オペアンプ
１４２．１  抵抗
１４２．２  抵抗
１４３      抵抗
１４４      Ａ／Ｄコンバータ
１４５      演算手段
Ａ１  出力軸の中心線（回転子の回転中心線）
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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