(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
永久磁石が設けられた一対の回転子と、
超伝導ワイヤーで形成されたコイルが相ごとに設けられた固定子と、
を備え、
永久磁石による磁場がコイルを流れる電流に及ぼすローレンツ力の反力によって、固定子の両側に配された一対の回転子が回転するようにした、
アキシャルギャップ型の超伝導モーターであって、
一方の回転子に設けられた永久磁石と他方の回転子に設けられた永久磁石とが、同極が向き合うように対向配置されるとともに、
固定子が、回転子の回転中心線に対して略垂直な平板環状を為す磁性体コアを備えたものとされ、
コイルを形成する超伝導ワイヤーを磁性体コアの両面側で前記磁場に対して略直交させた状態で磁性体コアの環状部分に巻き付けることにより、コイルが固定子に固定された、
ことを特徴とする超伝導モーター。
【請求項２】
磁性体コアを周回方向に分割する各位置に各相のコイルを設けることにより、各相のコイルに生ずる自己インダクタンスがキャンセル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】
コイルを冷却するためのコイル冷却手段が固定子に設けられた請求項１又は２記載の超伝導モーター。
【請求項４】
磁性体コアが、磁性体コアにおけるヒステリシス損失及び渦電流損失を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形成されたものである請求項３記載の超伝導モーター。
【請求項５】
コイル冷却手段が、
固定子の板厚方向中間部を形成する冷却用金属板と、
冷却用金属板に冷熱を供給するための冷熱供給源と、
で構成され、
磁性体コアが、
冷却用金属板における一面側に固定された第一の磁性体コアと、
冷却用金属板における他面側に固定された第二の磁性体コアと、
で構成され、
コイルを形成する超伝導ワイヤーが、第一の磁性体コアにおける一面側と第二の磁性体コアにおける他面側とを往来するように磁性体コアの環状部分に巻き付けられた、
請求項３又は４記載の超伝導モーター。
【請求項６】
固定子とそれぞれの回転子との隙間に断熱材を配した請求項１〜５いずれか記載の超伝導モーター。
【請求項７】
永久磁石が設けられた一対の回転子と、
超伝導ワイヤーで形成されたコイルが相ごとに設けられた固定子と、
を備え、
固定子の両側に配された一対の回転子が回転して永久磁石による磁場が変動することによって、コイルに誘導電流が流れるようにした、
アキシャルギャップ型の超伝導発電機であって、
一方の回転子に設けられた永久磁石と他方の回転子に設けられた永久磁石とが、同極が向き合うように対向配置されるとともに、
固定子が、回転子の回転中心線に対して略垂直な平板環状を為す磁性体コアを備えたものとされ、
コイルを形成する超伝導ワイヤーを磁性体コアの両面側で前記磁場に対して略直交させた状態で磁性体コアの環状部分に巻き付けることにより、コイルが固定子に固定された、
ことを特徴とする超伝導発電機。
【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と超伝導発電機とに関する。
【背景技術】
【０００２】
超伝導モーターや超伝導発電機等の超伝導回転機は、第二種超伝導体が発見された後の１９６０年頃から開発が開始された。当初は、液体ヘリウム冷却による大出力の超伝導回転機の開発競争が世界的に行われていたが、近年では、高温超電導ワイヤーを用いた液体窒素冷却及び冷凍機による超伝導モーターの開発が各国で行われるようになっている。ところが、これらの超伝導回転機は、通常の回転機のコイルを超伝導ワイヤーに置き換えた構造のものであり、主に、銅損を低減することによって大きな出力が得られるようにすることを目的として開発されたものである。すなわち、これらの超伝導回転機は、超伝導体の性質を十分に利用したものとは言えず、その出力特性や冷却に必要なエネルギーを考慮した場合、必ずしも実用性の高いものとは言えなかった。
【０００３】
このような実状に鑑みて、本発明者は、これまでに、特許文献１及び特許文献２の超伝導回転機を提案した。
【０００４】
このうち、特許文献１の超伝導回転機は、円環状に形成した固定子の円環部分に、コイルを形成する線材（超伝導ワイヤー）を巻き付けたものとなっている。同文献の超伝導回転機は、回転子に設けられた永久磁石の磁場がコイルを流れる電流に及ぼすローレンツ力の利用効率（超伝導モーターの場合）や、回転子に設けられた永久磁石による変動磁場がコイルに発生させる電磁誘導作用の利用効率（超伝導発電機の場合）が高く、また、各相のコイルが円環上で同一方向に揃っており、自己誘導がキャンセルする構造となっているため、それまでの超伝導回転機と比較して、高速回転時でもトルクの減少が小さく、高い出力密度を実現できるものとなっていた。
【０００５】
しかし、特許文献１の超伝導回転機は、固定子の円環部分の断面が真円を為しており、固定子が厚みを有する構造となっていた。このため、同文献の超伝導回転機では、コイル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させるために極数を多くする必要があった。したがって、同文献の超伝導回転機では、構造が複雑になるだけでなく、駆動周波数を高くする必要が生じ、渦電流損失の増加による発熱が問題となりやすかったため、固定子の円環部分に熱伝導率の高い金属を使用することができなかった。にもかかわらず、同文献の超伝導回転機では、回転子と固定子との隙間（ギャップ）を広く確保しにくく、当該隙間に、断熱効果の高い断熱材を配するといったことも困難であったため、コイルが設けられた固定子の冷却効率や断熱効率を高めにくいという問題があった（超伝導回転機では、コイルを冷却するために固定子を冷却し、固定子をコイルとともに断熱状態に保つことが行われている。）。
【０００６】
一方、特許文献２の超伝導回転機は、回転子と固定子との隙間（ギャップ）が回転子の回転中心線（アックス）に平行な方向に形成されたいわゆる「アキシャルギャップ型」と呼ばれる構造を有している。同文献の超伝導回転機では、固定子を平板状に形成するとともに、略半円状に巻かれたコイルを固定子の両面に固定している。同文献の超伝導回転機は、上述した特許文献１の超伝導回転機と比較して、固定子の冷却効率や断熱効率を高めやすい構造となっている。また、特許文献２の超伝導回転機では、コイルが固定子の両側に配されているため、理論的には、各相のコイルの自己インダクタンスによる誘導電流をキャンセルすることも可能となっている。
【０００７】
しかし、特許文献２の超伝導モーターは、略半円状に巻かれたコイルの一部（平面的・二次元的に巻かれたコイルの片面側）しか固定子に接触させることができず、コイルと固定子との接触面積が小さいため、コイルの熱的安定性が乱れやすく、コイルの臨界電流が低減しやすいものとなっていた。また、同文献の超伝導モーターは、コイルにおける円弧状に延びる部分に流れる電流に作用するローレンツ力の反力が回転子を回転させる向きに作用しないため、ローレンツ力の利用効率が低いものとなっていた。ローレンツ力の利用効率を高めることだけを考慮するならば、極数を増加させればよいが、この場合には、磁束密度が低下するだけでなく、駆動周波数を高くする必要が生じ、誘導及びヒステリシス損失の増加による発熱が問題となりやすくなる。この発熱の問題を解決するために、固定子を熱伝導性に優れた金属で形成したとしても、固定子自身に誘導電流が流れてしまい、発熱が引き起こされてしまう。また、出力効率の低下も引き起こされる。このため、同文献の超伝導回転機は、出力効率等について、他の超伝導回転機と比較して大きな優位性を有するものとは言い難かった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【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】
【０００９】
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、出力効率に優れた超伝導回転機（超伝導モーター又は超伝導発電機）を提供するものである。具体的には、固定子に設けられたコイルの熱的安定性を高め、コイルの臨界電流の低減を抑えることを目的としている。また、ローレンツ力の利用効率（超伝導モーターの場合）や電磁誘導作用の利用効率（超伝導発電機の場合）を高めることも本発明の目的である。さらに、コイルの自己インダクタンスを抑えることも本発明の目的である。さらにまた、各相のコイル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も本発明の目的である。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題は、
永久磁石が設けられた一対の回転子と、
超伝導ワイヤーで形成されたコイルが相ごとに設けられた固定子と、
を備え、
永久磁石による磁場がコイルを流れる電流に及ぼすローレンツ力の反力によって、固定子の両側に配された一対の回転子が回転するようにした、
アキシャルギャップ型の超伝導モーターであって、
一方の回転子に設けられた永久磁石と他方の回転子に設けられた永久磁石とが、同極が向き合うように対向配置されるとともに、
固定子が、回転子の回転中心線に対して略垂直な平板環状を為す磁性体コアを備えたものとされ、
コイルを形成する超伝導ワイヤーを磁性体コアの両面側（磁性体コアにおける一方の回転子を向く面側、及び、磁性体コアにおける他方の回転子を向く面側）で前記磁場に対して略直交させた状態で磁性体コアの環状部分に巻き付けることにより、コイルが固定子に固定された、
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。
【００１１】
本発明の超伝導モーターは、高い出力効率を発揮することが可能なものとなっている。
【００１２】
すなわち、本発明の超伝導モーターでは、コイルを形成する超伝導ワイヤーにおける磁性体コアの両面側に位置する部分に流れる電流に作用するローレンツ力の反力が、回転子を回転させる向きに作用するところ、磁性体コアを平板状に形成したことによって、コイルを形成する超伝導ワイヤーにおける磁性体コアの両面側に位置する部分の割合が大きくなっている。このため、ローレンツ力の利用効率を高めることが可能となっている。
【００１３】
また、本発明の超伝導モーターでは、コイルは、平板状の磁性体コアに巻き付けられるため、コイルの断面形状を細長くして、コイルの断面積を小さくし、コイルの自己インダクタンスを小さくすることができる（コイルの自己インダクタンスは、コイルの断面積に比例する。）。加えて、磁性体コアを周回方向に分割する各位置に各相のコイルを設ければ、各相のコイルに生ずる自己インダクタンスの大部分がキャンセルされるようにすることもできる。このため、各相のコイル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可能になる。よって、本発明の超伝導モーターを、各相のコイルの自己インダクタンスによる誘導電流の影響がない「超伝導無誘導モーター」とすることもできる。
【００１４】
さらに、本発明の超伝導モーターでは、磁性体コアの環状部分における所定区間に亘ってコイルを多数回巻き付ければ（立体的・三次元的に巻き付ければ）、その分、コイルと固定子との接触面積を増大させ、コイルの熱的安定性を高めることができるようになっている。このため、コイルの臨界電流の低減を抑えることも可能となっている。
【００１５】
さらにまた、本発明の超伝導モーターでは、一方の回転子に設けられた永久磁石と他方の回転子に設けられた永久磁石とを、磁性体コアを挟んで、同極が向き合うように対向配置したことにより、永久磁石による磁場をモーターギャップ（固定子とそれぞれの回転子との隙間）内に均一に発生させることができるようになっている。このため、コイルを形成する超伝導ワイヤーにおける磁性体コアの両面側に位置する部分の略全体に、磁場が略垂直に加わるようにし、ローレンツ力の利用効率をさらに高めることができる。加えて、回転子の表面における磁場の強度のモーターギャップ依存度が小さくなるため、モーターギャップを広く確保することもできる。したがって、モーターギャップに、多層構造を有するスーパーインシュレーター等、断熱効果の高い断熱材を配することも容易で、固定子の冷却効率や断熱効率を高めることも可能となっている。
【００１６】
本発明の超伝導モーターにおいて、磁性体コアに用いる磁性体は、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、磁性体コアにおけるヒステリシス損失及び渦電流損失を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を形成すると好ましい。より具体的には、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を形成すると好ましい。これにより、回転子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。これは、従来の超伝導モーターにおいては、非常に困難であると考えられていたことである。
【００１７】
本発明の超伝導モーターにおいては、コイルを冷却するためのコイル冷却手段を固定子に設けることも好ましい。この場合、コイル冷却手段の具体的な構成は、特に限定されないが、例えば、以下の構成を採用すると好ましい。すなわち、コイル冷却手段を、固定子の板厚方向中間部を形成する冷却用金属板と、冷却用金属板に冷熱を供給するための冷熱供給源とで構成し、磁性体コアを、冷却用金属板における一面側に固定された第一の磁性体コアと、冷却用金属板における他面側に固定された第二の磁性体コアとで構成し、コイルを形成する超伝導ワイヤーを、第一の磁性体コアにおける一面側と第二の磁性体コアにおける他面側とを往来するように磁性体コアの環状部分に巻き付けると好ましい。これにより、磁性体コア（第一の磁性体コア及び第二の磁性体コア）を冷却用金属板で効率的に冷却しながらも、永久磁石の磁場が冷却用金属板に当たりにくくし、渦電流損失を抑えることが可能となっている。
【００１８】
また、上記課題は、
永久磁石が設けられた一対の回転子と、
超伝導ワイヤーで形成されたコイルが相ごとに設けられた固定子と、
を備え、
固定子の両側に配された一対の回転子が回転して永久磁石による磁場が変動することによって、コイルに誘導電流が流れるようにした、
アキシャルギャップ型の超伝導発電機であって、
一方の回転子に設けられた永久磁石と他方の回転子に設けられた永久磁石とが、同極が向き合うように対向配置されるとともに、
固定子が、回転子の回転中心線に対して略垂直な平板環状を為す磁性体コアを備えたものとされ、
コイルを形成する超伝導ワイヤーを磁性体コアの両面側で前記磁場に対して略直交させた状態で磁性体コアの環状部分に巻き付けることにより、コイルが固定子に固定された、
ことを特徴とする超伝導発電機
を提供することによっても解決される。
【００１９】
超伝導発電機は、上述した超伝導モーターと入力と出力との関係が逆になるだけであり、超伝導発電機の装置構成は、超伝導モーターの装置構成と同様である。このため、本発明の超伝導モーターで述べたものと同様の効果が、本発明の超伝導発電機においても奏されることになる。本明細書においては、主に超伝導モーターに関する構成を説明し、超伝導発電機に関する構成については説明を割愛しているが、本発明の超伝導モーターに関して述べた構成は、本発明の超伝導発電機においても好適に採用することができる。
【発明の効果】
【００２０】
以上のように、本発明によって、出力効率に優れた超伝導回転機（超伝導モーター又は超伝導発電機）を提供することが可能になる。具体的には、固定子に設けられたコイルの熱的安定性を高め、コイルの臨界電流の低減を抑えることが可能になる。また、ローレンツ力の利用効率（超伝導モーターの場合）や電磁誘導作用の利用効率（超伝導発電機の場合）を高めることも可能になる。さらに、コイルの自己インダクタンスを抑えることも可能になる。さらにまた、各相のコイル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も可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】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２】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３】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４】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５】本発明の超伝導モーターを図２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６】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７】本発明の超伝導モーターの回路構成等を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
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。図１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２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３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４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５は、本実施態様の超伝導モーターを図２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５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６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７は、本実施態様の超伝導モーターの回路構成等を示した図である。
【００２３】
以下の説明においては、「上面」、「下面」又は「上下方向」等、「上」又は「下」を含む語句を用いているが、これらの語句は、説明の便宜上、図面中におけるｚ軸方向正側を「上」とし、ｚ軸方向負側を「下」として用いたものであり、本発明の超伝導モーターを使用する向きを限定するものではない。
【００２４】
１．超伝導モーターの概要
本発明の超伝導モーターは、図１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が回転子の回転中心線Ａ１を中心として回転するようにしたアキシャルギャップ型のものとなっている。
【００２５】
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。
【００２６】
固定子７０は、図４に示すように、回転子４０，５０（図１）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を備えている。
コイル６０は、図１及び図２に示すように、それを形成する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。
【００２７】
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。
以下、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１に示すように、固定子７０を挟んだ反対側（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は、図２に示すように、回転子４０及び回転子５０は、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３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３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３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３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４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１）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１）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２）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。
【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５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Ｉ１（図５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Ｉ２（図５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も可能となっている。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６に示す結果が得られた。図６
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５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１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１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４）が厚みＴ１（図４）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２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。本実施態様の超伝導モーターにおいて、コイル６０は、６個のコイル６１ａ，６１ｂ，６２ａ，６２ｂ，６３ａ，６３ｂを３相に設けており（コイル６１ａとコイル６１ｂとを同一位相とし、コイル６２ａとコイル６２ｂとを同一位相とし、コイル６３ａとコイル６３ｂとを同一位相としている。）、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、同一位相のコイル６０は、１８０°の回転対称な位置に配している。コイル６０は、コイル６０を形成する超伝導ワイヤーが磁性体コア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）で磁場Ｂ（図５）に対して略直交し、その部分の超伝導ワイヤーが回転子４０，５０の回転方向に対して略直交した状態となるように、磁性体コア７１（固定子７０）の環状部分に巻き付けられる（超伝導ワイヤーが、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。
【００４２】
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５）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２）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。
【００４３】
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を用いることができる。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。
【００４４】
コイル６１ａ及びコイル６１ｂからなる組と、コイル６２ａ及びコイル６２ｂからなる組と、コイル６３ａ及びコイル６３ｂからなる組には、それぞれの組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、コイル６２ａ，６２ｂに流れる電流Ｉ２（図７）の位相は、コイル６１ａ，６１ｂを流れる電流Ｉ１（図７）の位相よりも１２０°遅れており、コイル６３ａ，６３ｂを流れる電流Ｉ３（図７）の位相は、コイル６１ａ，６１ｂを流れる電流Ｉ１の位相よりも２４０°遅れている。このため、永久磁石２１〜２３及び永久磁石３１〜３３の磁場によってコイル６１ａ，６１ｂ，６２ａ，６２ｂ，６３ａ，６３ｂのそれぞれが受けるローレンツ力Ｆ１，Ｆ２（図５）の向きが、コイル６１ａ，６１ｂ，６２ａ，６２ｂ，６３ａ，６３ｂで揃う（回転子４０，５０の回転方向における同じ側を向く）ようになっており、回転子４０，５０がコイル６１ａ，６１ｂ，６２ａ，６２ｂ，６３ａ，６３ｂのそれぞれから受ける回転力Ｆ１’，Ｆ２’（ローレンツ力Ｆ１，Ｆ２の反力）の向きも揃うようになっている。また、コイル６１ａ，６１ｂ，６２ａ，６２ｂ，６３ａ，６３ｂが永久磁石２０，３０のＮ極同士が向き合う領域からＳ極同士が向き合う領域に入ったとき、又は、コイル６１ａ，６１ｂ，６２ａ，６２ｂ，６３ａ，６３ｂが永久磁石２０，３０のＳ極同士が向き合う領域からＮ極同士が向き合う領域に入ったときには、コイル６１ａ，６１ｂ，６２ａ，６２ｂ，６３ａ，６３ｂを流れる電流の向きがそれまでとは逆になることから、ローレンツ力Ｆ１，Ｆ２の向きは変わらない。このため、回転子４０，５０は、同じ向きに回転をし続ける。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。
【００４５】
上記のような位相差でコイル６１ａ，６１ｂ，６２ａ，６２ｂ，６３ａ，６３ｂに電流を流すことができるのであれば、コイル６１ａ，６１ｂ，６２ａ，６２ｂ，６３ａ，６３ｂをどのような回路に組み込むかは特に限定されない。本実施態様の超伝導モーターにおいては、図７に示すように、コイル６１ａ，６１ｂ，６２ａ，６２ｂ，６３ａ，６３ｂの一端（回転子４０，５０の回転方向に対して一側を向く端部）同士を接続するとともに、コイル６１ａ，６１ｂ，６２ａ，６２ｂ，６３ａ，６３ｂの他端（回転子４０，５０の回転方向に対して他側を向く端部）同士を接地している。コイル６１ａとコイル６１ｂは、直列に接続されているため、図７（ｂ）においては「コイル６１」に集約して示しており、コイル６２ａとコイル６２ｂは、直列に接続されているため、図７（ｂ）においては「コイル６２」に集約して示しており、コイル６３ａとコイル６３ｂは、直列に接続されているため、図７（ｂ）においては「コイル６３」に集約して示している。これにより、電流Ｉ１（ｔ），Ｉ２（ｔ），Ｉ３（ｔ）の和Ｉ１（ｔ）＋Ｉ２（ｔ）＋Ｉ３（ｔ）が常に０になるようにし、コイル６１〜６３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（コイル６１〜６３の自己インダクタンスは、電流Ｉ１（ｔ），Ｉ２（ｔ），Ｉ３（ｔ）の時間微分で与えられる）。換言すると、コイル６１〜６３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され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。
【００４６】
５．用途
本発明の超伝導回転機（超伝導モーター及び超伝導発電機）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。本発明の超伝導回転機は、出力効率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としての用途や、風力発電や水力発電や火力発電等の各種発電機項としての用途が例示される。
【００４７】
特に、本発明の超伝導回転機において、磁性体コアをフェライト等の渦電流損失及びヒステリシス損失が極めて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、本発明の超伝導回転機は、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、昇降機の駆動機構や、風力発電装置や、自動車のブレーキングによるエネルギー回収機構等、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。
【符号の説明】
【００４８】
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
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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