(57)【要約】【課題】発電機の電機子に印加される磁場の強化をねらって、高温超伝導バルクによる強力な磁場を用いることで安定的に強磁場が利用できる高効率の発電機を提供する。【解決手段】電機子２０と界磁極としての高温超伝導バルク材１１とを備えている静磁場界磁極と電機子からなる高温超伝導バルク材を用いた発電機で、高温超伝導バルク材１１は臨界温度以下に冷却する極低温冷凍機１２とその冷却部材１３に直接的に接触されており、高温超伝導バルク材１１を臨界温度以下に冷却する冷却過程であるいは冷却した後にパルス着磁により磁化して磁場発生部材とし、その磁場中で銅コイル１８を巻かれたコア１９をもつ電機子２０を回転され発電を行わせるものである。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
静磁場界磁極と電機子からなる発電機において、前記界磁極は高温超伝導バルク材で前記高温超伝導バルク材を臨界温度以下に冷却する手段を備え電機子を囲んで配置されおり、前記電機子はコイル状の電機子であり、前記界磁極としての高温超伝導バルク材を磁化して磁場発生部材とし、その磁場中で電機子を回転させることを特徴とする高温超伝導バルク材を用いた発電機。
【請求項２】
高温超伝導バルク材を臨界温度以下に冷却する手段は、冷凍機の冷凍部分、あるいは前記冷凍部分に接触している伝熱体を界磁極となる高温超伝導バルク材に直接接触させて、高温超伝導バルク材を臨界温度以下に冷却する構成としたことを特徴とする請求項１に記載の高温超伝導バルク材を用いた発電機。
【請求項３】
高温超伝導バルク材を臨界温度以下に冷却する手段は、冷媒を介して間接的に界磁極となる高温超伝導バルク材を臨界温度以下に冷却する構成としたことを特徴とする請求項１に記載の高温超伝導バルク材を用いた発電機。
【請求項４】
界磁極としての高温超伝導バルク材の磁化は、冷凍機で高温超伝導バルク材を臨界温度以下に冷却する冷却過程で、あるいは高温超伝導バルク材を臨界温度以下に冷却した後にパルス着磁により磁化して磁場発生部材とすることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の高温超伝導バルク材を用いた発電機。
【請求項５】
界磁極としての高温超伝導バルク材の磁化は、外部磁界を印加しながら臨界温度以下に冷却する磁場中冷却法により磁化して磁場発生部材とすることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の高温超伝導バルク材を用いた発電機。
【請求項６】
高温超伝導バルク材からなる界磁極が、電機子を囲んで複数組配置されたことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の高温超伝導バルク材を用いた発電機。
【請求項７】
界磁極として高温超伝導バルク材は、ＲＥＢａ２Ｃｕ３０ｙで示される化合物を主成分とし、第二相としてＲＥ２ＢａＣｕ０５で示される化合物を５０モル％以下含有し、ここでＲＥは、イットリウム、サマリウム、ネオジム、ユーロピウム、エルビウム、イッテルビウム、ホロミウム、ガドリニウムのうち一種あるいは二種以上の元素からなるものであり、銀を０〜３０モル％、白金またはセリウムを０〜５モル％含有したもので、大きな結晶組織を成長させたものであることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の高温超伝導バルク材を用いた発電機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、静磁場界磁極と電機子からなる発電機に係り、高温超伝導バルク材を用いた発電機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、鉄心と巻線によってなる界磁中で、あるいは酸化物磁石や希土類磁石などの永久磁石を使った界磁中で、電機子を回転子とし、これを外部からのエネルギーによって回転させて電力を発生させる発電機が知られている。また、モータとしては液体窒素によって冷却された状態で磁化された高温超伝導バルクを使って作られた界磁中に電機子を配し、その強磁場により強トルクを得ることを目的としたものが知られている（特許文献１）。また、回転部に超電導コイル用いた発電機が知られている（特許文献２）。
【特許文献１】特開平７−８７７２４号公報
【特許文献２】特開平８−１７２７６７号公報
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来の鉄心と巻線によってなる界磁中で電機子を外部からのエネルギーによって回転させる発電機は、発生できる界磁の強さは弱く、発電電圧が低く、発電効率の低いものであった。また希土類磁石などの永久磁石を使った発電機も、界磁の強さが弱く、発電電圧、発電効率も低く、また永久磁石の大ききに制限があり、中型以上の発電設備には対応できなかった。また特許文献１の高温超伝導バルク材を使ったモータは、電機子に対向配設した高温超伝導バルク材の磁石部を冷媒容器に収容して冷却操作を行うという特殊な設備を必要とするために全体として全く効率が稼げないものであり、発電機にするには十分といえないものであった。
また、特許文献２の発電機は、回転部に超電導コイル用いたもので、冷却に特殊な設備が必要となり、簡便で小型化を図れるものではなかった。
本発明は、静磁場界磁と電機子からなる発電機において、回転子となる電機子に印加される磁場の強化をねらって、高温超伝導バルクによる強力な磁場を用いることで安定的に強磁場が利用できる高効率の発電機を提供するものである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、静磁場界磁極と電機子からなる発電機において、前記界磁極は高温超伝導バルク材で前記高温超伝導バルク材を臨界温度以下に冷却する手段を備え電機子を囲んで配置されおり、前記電機子はコイル状の電機子であり、前記界磁極としての高温超伝導バルク材を磁化して磁場発生部材とし、その磁場中で電機子を回転させることを特徴とする高温超伝導バルク材を用いた発電機である。
また、本発明の高温超伝導バルク材を用いた発電機は、高温超伝導バルク材を臨界温度以下に冷却する手段が、冷凍機の冷凍部分、あるいは前記冷凍部分に接触している伝熱体を界磁極となる高温超伝導バルク材に直接接触させて、高温超伝導バルク材を臨界温度以下に冷却する構成としたことを特徴とするものであるまた、本発明の高温超伝導バルク材を用いた発電機は、高温超伝導バルク材を臨界温度以下に冷却する手段が、冷媒を介して間接的に界磁極となる高温超伝導バルク材を臨界温度以下に冷却する構成としたことを特徴とするものである。
【０００５】
また、本発明の高温超伝導バルク材を用いた発電機は、界磁極としての高温超伝導バルク材の磁化が、冷凍機で高温超伝導バルク材を臨界温度以下に冷却する冷却過程で、あるいは高温超伝導バルク材を臨界温度以下に冷却した後にパルス着磁により磁化して磁場発生部材とすることを特徴とするものである。
また、本発明の高温超伝導バルク材を用いた発電機は、界磁極としての高温超伝導バルク材の磁化が、外部磁界を印加しながら臨界温度以下に冷却する磁場中冷却法により磁化して磁場発生部材とすることを特徴とするものである。
また、本発明の高温超伝導バルク材を用いた発電機は、高温超伝導バルク材からなる界磁極が、電機子を囲んで複数組配置されたことを特徴とするものである。
【０００６】
また、本発明の高温超伝導バルク材を用いた発電機は、界磁極として高温超伝導バルク材は、ＲＥＢａ２Ｃｕ３０ｙで示される化合物を主成分とし、第二相とし  てＲＥ２ＢａＣｕ０５で示される化合物を５０モル％以下含有し、ここでＲＥは、イットリウム、サマリウム、ネオジム、ユーロピウム、エルビウム、イッテルビウム、ホロミウム、ガドリニウムのうち一種あるいは二種以上の元素からなりものであり、銀を０〜３０モル％、白金またはセリウムを０〜５モル％含有したもので、大きな結晶組織を成長させたものであることを特徴とするものである。
【０００７】
【作用】
本発明の静磁場界磁極と電機子からなる発電機は、界磁極として高温超伝導バルク材が強磁場であることにより、その分、電機子の電流を低くでき、電機子の電流の低減はコイル断面積を低減することができ、発電機を小型化、高効率化することができる。また電機子の電流の低減は発熱を低減させることができる。また、電機子の冷却に関わる冷却システムの小型化につながるため、発電機本体のみならず冷却システムの小型軽量化にもなるものである。
また、強磁場による発電機は、高トルクで低回転型となるため、従来用いられるよりも低回転型の軸受けが利用でき、軸受けの小型化、信頼性向上、さらにはコスト低減にもなる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態につて、図面を参照して説明する。
図１は本発明の実施形態の高温超伝導バルク材を用いた発電機の概要を示した図である。
図１に示すように、静磁場界磁極と電機子からなる発電機は、電機子２０と界磁極としての高温超伝導バルク材１１とを備えている。
図１では、高温超伝導バルク材１１による磁極は対向する二極を示したが、これに制限されるものではなく、電機子２０の極数に応じて、その周囲に四、六、八極のように配置することができる。いずれの場合も発電機として小型化、あるいは高効率化を具現できるものであり、高温超伝導バルク材１１からなる界磁極は、電機子２０を囲んで複数組配置させるものである。
また、高温超伝導バルク材１１による磁極は、軸方向で電機子２０の長さとほぼ等しい長さであり、電機子２０の長さに応じて高温超伝導バルク材を複数数を並べることもできる。
【０００９】
図１に示すように、界磁極としての高温超伝導バルク材１１は、極低温冷凍機１２によって冷却される冷却部材１３に直接的に接触して固定されており、高温超伝導バルク材１１を臨界温度以下に冷却するものである。高温超伝導バルク材１１と冷却部材１３は真空容器１４の内部に設置し、真空ポンプシステム１５によって真空断熱の有効な領域まで減圧される。真空ポンプとしてはタ一ボ分子ポンプ、油回転ポンプ、あるいはこれらを組み合わせたものである。冷凍機１２はその圧縮機２４によって冷媒としてのヘリウムガスを循環させ駆動される。
また、図示していないが、高温超伝導バルク材を臨界温度以下に冷却する手段として冷媒、例えば液体窒素、液体ヘリウム、ガス窒素、ガスヘリウムのうちのいずれかを介して間接的に高温超伝導バルク材を臨界温度以下に冷却する構成としてもよい。
【００１０】
本発明において、界磁極として高温超伝導バルク材として、マトリックス部分は希土類系１２３相と呼ばれるもので、第二相は希土類系２１１相と呼ばれるもので、適宜、銀、白金を含んでいるものを用いることにより、７７Ｋ（液体窒素温度）に冷却して超伝導状態とすることができるものであり、コストの高いヘリウムを用いることなく液体窒素で冷却し、また高温超伝導バルク材を極低温冷凍機によって冷却される冷却部材に直接的に接触して固定されることにより、簡潔な冷却設備とすることができるものである。
極低温冷凍機としては、１段あるいは２段のＧＭサイクル式、パルス管式、スターリングサイクル式、ソルベーサイクル式あるいはこれらを複数種組み合わせた構成の極低温冷凍機を用い、絶対温度４Ｋないし９０Ｋの温度範囲に高温超伝導バルク体を冷却保持するものである。
【００１１】
また、高温超伝導バルク材１１をパルス着磁させるために、励磁されるパルスコイル（図示省略）とパルス電源（図示省略）が設けられている。
界磁極としての高温超伝導バルク材１１の磁化は、直接的に接触して冷却部材１３とその冷凍機１２で臨界温度以下に冷却する冷却過程でパルス着磁により磁化して磁場発生部材とする。あるいは高温超伝導バルク材１１を直接的に接触して冷却部材１３とその冷凍機１２で臨界温度以下に冷却した後にパルス着磁により磁化して磁場発生部材とする。
また、高温超伝導バルク材１１に、外部磁界を印加し臨界温度以下に冷却する過程で静磁場によるあるいは準静的磁場中冷却法により磁化して磁場発生部材としてもよい。
【００１２】
しかし、高温超伝導バルク材１１に、励磁されるパルスコイルとパルス電源を設け、パルス着磁させることが、電流が流れる時間は極めて短く、ジュール発熱も小さいものであり、パルス電流を供給する電源の容量も小さくでき、小型化できる。特に界磁極としての高温超伝導バルク材１１に直接的に接触している冷却部材１３とその冷凍機１２で臨界温度以下に冷却するものでは、パルス着磁させることにより効率的である。
【００１３】
界磁極としての高温超伝導バルク材１１を対向して配置した空間に、銅コイル１８が巻かれたコア１９をもつ電機子２０が軸受け（図示されない）を伴って配置されている。
本発明の発電機は、界磁極としての高温超伝導バルク材が強磁場であることにより、その分、電機子の電流を低くでき、電機子の電流の低減はコイル断面積を低減することができるので、電機子のコイルを細くすることができ、発電機の体格（重量、体積など）を小型化することができる。
また、電機子２０には整流子２１とブラシ２２が設けられており、発電電圧は直流に整流される。
発電された電力は交流として取り出すこともでき、この場合は整流子２１は必要なく、ブラシ２２の代わりにスリップリングが用いられる。この場合も上述の直流発電と同様のメリットが期待できる。
【００１４】
界磁極として高温超伝導バルク材は、マトリックス部分は希土類系１２３相と呼ばれるもので、第二相は希土類系２１１相と呼ばれるものである。また銀、白金を含んでいるものである。
具体的には、ＲＥＢａ２Ｃｕ３０ｙで示される化合物を主成分とし、第二相とし  てＲＥ２ＢａＣｕ０５で示される化合物を５０モル％以下含有したもので、（ＲＥは、イットリウム、サマリウム、ネオジム、ユーロピウム、エルビウム、イッテルビウム、ホロミウム、ガドリニウムのうち一種あるいは二種以上の元素）からなる高温超伝導バルク材、ＲＥＢａ２Ｃｕ３０ｙで示される化合物を主成分とし、  第二相としてＲＥ２ＢａＣｕ０５で示される化合物を５０モル％以下含有したもので、（ＲＥは、イットリウム、サマリウム、ネオジム、ユーロピウム、エルビウム、イッテルビウム、ホロミウム、ガドリニウムのうち一種あるいは二種以上の元素）からなりものであり、銀を３０モル％以下含有した高温超伝導バルク材、または、ＲＥＢａ２Ｃｕ３０ｙで示される化合物を主成分とし、第二相としてＲＥ２ＢａＣｕ０５で示される化合物を５０モル％以下含有したもので、（ＲＥは、イ  ットリウム、サマリウム、ネオジム、ユーロピウム、エルビウム、イッテルビウム、ホロミウム、ガドリニウムのうち一種あるいは二種以上の元素）からなりものであり、銀を３０モル％以下含有し、さらに白金またはセリウムを５モル％以下含有した高温超伝導バルク材ある。
【００１５】
上述したような高温超伝導バルク材は、粗大結晶に溶融法によって合成したものを捕捉磁場マグネットとして利用する。粗大結晶とは、例えば数ｍｍの大きさで、通常の数μｍに比して粗大なものである。
例えば、原料としてＲＥ、Ｂａ、Ｃｕを所定の比率になるように配合し、仮焼、粉砕、混合した。仮焼後の材料を溶融処理、急冷し、この急冷凝固したものを粉砕し、次いで予備成形した後に冷間等方圧（ＣＩＰ）で成形して圧粉体とした。この圧粉体を低酸素分圧雰囲気で１１００℃に加熱、保持し、冷却後にアニール処理するものである。
また、種結晶を用いて粗大な結晶組織を成長させるときには、種結晶としては、例えば母相よりも融点の高い同じ結晶構造をもつ結晶がそれである。具体的に例示すると、イットリウム系バルクはサマリウム系バルクを種結晶に用いることができるし、銀を添加してその融点が下がったサマリウム系バルク、あるいはガドリニウム系バルクに対してはそれぞれの組成で銀を含まない（高融点のままの）サマリウム系バルク、あるいはガドリニウム系バルクが種結晶として用いられる。これら溶融法において高温長時間保持により粗大結晶にするものである。
【００１６】
また、高温超伝導バルク材は、その捕捉磁場分布が同心円状に近い分布を示すような性能をもったものである。図２は着磁された高温超伝導バルク材の磁石が発生する磁場の分布を示した図であり、ｘ軸（ｍｍ）、ｙ軸（ｍｍ）は高温超伝導バルク材のサイズである。ｚ軸Ｂｚ（Ｔ）は磁石が発生する磁場である。
その捕捉磁場分布は、高温超伝導バルク材の中央部（ｘ軸の０ｍｍ、ｙ軸の０ｍｍ）の磁場が３Ｔ（テスラ）と強く、その捕捉磁場分布が同心円状に近い分布を示すような性能をもったものである。
【００１７】
図１の高温超伝導バルク材を用いた発電機について操作を説明する。
図１に示すように、界磁極としての高温超伝導バルク材１１は、冷却部材１３に直接的に接触して固定され真空容器１４の内部に設置されている。界磁極としての高温超伝導バルク材１１を対向して配置した空間に、銅コイル１８を巻かれたコア１９をもつ電機子２０が軸受け（図示されない）を伴って配置されている。
真空ポンプシステム１５によって真空容器１４の内部を真空断熱の有効な領域まで減圧する。極低温冷凍機１２によって冷却される冷却部材１３により直接的に接触してされている界磁極としての高温超伝導バルク材１１を臨界温度以下に冷却する。
【００１８】
真空容器１４内で冷却された高温超伝導バルク材１１は、パルスコイル（図示されない）とパルス電源（図示されない）によって励磁される。電流は最大１万アンペア、コンデンサバンクの最大充電電圧は１ｋＶであった。
パルス着磁によって高温超伝導バルク材１１に励磁される磁場は、最高で５Ｔ程度であり、磁極間には３Ｔの磁場が発生した。この磁場中に設置した電機子を外部エネルギーによる回転エネルギーを印加して発電を行うものであり、電機子２０に誘起された発電電圧は、整流子２１とブラシ２２で直流に整流され、例えばバッテリー２３に送られる。
電機子は、エンジン、蒸気タービン、水力タービン、風力エネルギーなどの回転エネルギーで回転され発電を行わせるものである。また自転車等の回転エネルギー発生部に取り付ける小型発電機としても、高電圧で高効率の発電を行うものである。
【００１９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、界磁極として高温超伝導バルク材による静磁場を利用することによって、簡便で小型、安定に強磁場が利用でき、高効率、高電圧な発電機とすることができるという効果を有する。
すなわち、本発明によれば、界磁極として高温超伝導バルク材が強磁場であることにより、その分、電機子の電流を低くでき、電機子の電流の低減はコイル断面積を低減することができ、発電機を小型化、高効率化することができるという効果を有する。
また、従来の中型、大型発電機では、冷却ファン用いて電機子を冷却する必要があったが、本発明によれば、電機子の電流の低減は発熱を低減させるものであり、従来は電機子の冷却に関わる冷却システムに比較して、電機子の冷却システムの小型化が図れ、あるいは電機子の冷却システムを除去できるという効果を有する。
また、発電機の高電圧化ができることによって、伝送時の昇圧が少なくて済むので、昇圧に関わる機器を小型化でき、昇圧に係る効率を向上できるという効果を有する。
また、本発明によれば、界磁極として高温超伝導バルク材を利用することによる強磁場による発電機は、高トルクで低回転型となるため、従来用いられるよりも低回転型の軸受けが利用でき、軸受けの小型化、信頼性向上、さらにはコスト低減にも有効である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態を示す図
【図２】本発明の実施形態の高温超伝導バルク材を示す図
【符号の説明】
１１  高温超伝導バルク材
１２  冷凍機
１３  冷却部材
１４  真空容器
１５  真空ポンプシステム
１８  コイル
１９  コア
２０  電機子
２１  整流子
２２  ブラシ
２３  バッテリー
２４  圧縮機
【図１】
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【図２】
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