(57)【要約】【課題】既存の極低温冷却システムの問題を解決して、同一容量で要求される超伝導線の量を最小化する超伝導電動機／発電機に使用される超伝導界磁コイルを提供する。【解決手段】二つの誘導子と界磁鉄心でなる回転子とＢｉ−２２２３あるいは２世代線材であるＹＢＣＯ高温超伝導線材を利用してシングルパンケーキコイルまたはダブルパンケーキコイル形態に巻線される界磁コイルを有する単極型超伝導同期電動機の超伝導界磁コイルであって、超伝導線材が巻線されたシングルパンケーキコイルまたはダブルパンケーキコイルでなった超伝導界磁コイルと；磁性材でなった鉄心型の回転子と；固定子の鉄心表面に３相に励磁される共心型の電気子巻線とからなる単極型超伝導同期電動機の超伝導界磁コイルの構造、冷却及び作動原理である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流磁場を発生する超伝導界磁コイルが、極低温冷媒である液体窒素または液体ネオンを収容するとともに極低温冷却機と直結されて伝導冷却方式で冷却させる冷媒槽内に設置され、前記超伝導界磁コイルは超伝導線材でなることを特徴とする、超伝導同期電動機。
【請求項２】
前記超伝導界磁コイルは、
前記超伝導界磁コイル及び冷媒槽の両端にそれぞれ位置する回転子；
前記回転子外側に形成された鉄心型の固定子；及び
前記固定子の内表面に形成され、前記誘導子を取り囲むように形成され、３相に励磁される共心型の電気子巻線；をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の超伝導同期電動機。
【請求項３】
前記超伝導界磁コイルは、
前記超伝導界磁コイル及び冷媒槽を取り囲むように形成され、前記回転子からの放射熱と前記電気子巻線で発生する交流磁場を遮断させるダンパーをさらに含むことを特徴とする、請求項２に記載の超伝導同期電動機。
【請求項４】
前記冷媒槽の周りは放射熱浸入の遮断のための多重の断熱材で取り囲まれ、前記冷媒槽とダンパーの間には真空層が形成されることを特徴とする、請求項３に記載の超伝導同期電動機。
【請求項５】
超伝導線材が巻線されたシングルパンケーキコイルまたはダブルパンケーキコイルでなり、直流電源を励磁させる超伝導界磁コイルと；
前記超伝導界磁コイルの両端にそれぞれ位置し、磁性材でなった鉄心型の誘導子、前記超伝導界磁コイルの中心部に結合される界磁コア、及び前記誘導子及び界磁コアに同軸状に結合されて軸回転するシャフトでなる回転子と；
前記回転子の外側に形成された鉄心型の固定子と；
前記固定子の内表面に前記誘導子を取り囲むように形成され、３相に励磁される共心型の電気子巻線と；
前記超伝導界磁コイルを取り囲むように形成され、前記回転子からの放射熱と前記電気子巻線で発生する交流磁場を遮断させるダンパーと；を含んでなり、
前記超伝導界磁コイルは、極低温冷媒である液体窒素または液体ネオンを収容するとともに極低温冷却機と直結されて、伝導冷却方式で冷却させる冷媒槽内に設置され、
前記冷媒槽の周りは放射熱浸入の遮断のための多重の断熱材で取り囲まれ、前記冷媒槽とダンパーの間には真空層が形成されることを特徴とする、超伝導同期電動機。
【請求項６】
前記誘導子は、
前記界磁コアと一体に形成され、前記界磁コアの一端部から直径方向に突出するように多数の突出極部が形成された第１誘導子；及び
前記第１誘導子と対向し、多数の突出極部が形成された第２誘導子；を含んでなることを特徴とする、請求項５に記載の超伝導同期電動機。
【請求項７】
前記超伝導界磁コイルは、
前記第１誘導子と第２誘導子の突出極部の間に形成されることを特徴とする、請求項６に記載の超伝導同期電動機。
【請求項８】
前記ダンパーは、
前記冷媒槽の外側に高真空で維持可能な強度を有し、非正常運転の際に発生する交流磁場を遮蔽することができるアルミニウムまたは銅合金材質であることを特徴とする、請求項５に記載の超伝導同期電動機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転子が磁性材でなった両側の二つの誘導子と界磁鉄心（ｆｉｅｌｄ ｃｏｒｅ）で構成されており、界磁巻線は運転中に回転しない超伝導巻線で構成され、界磁巻線が直流電源で励磁されて、二つの誘導子の中で一方はＮ極、他方はＳ極に励磁され、誘導子の周りに３相（３ ｐｈａｓｅ）に励磁される電気子巻線（ａｒｍａｔｕｒｅ ｗｉｎｄｉｎｇ）が共心型に配置され、最外側を機械シールドで取り囲んでいる構造の超伝導同期電動機の超伝導界磁巻線に関するもので、コイルの構造、冷却などに関する技術である。
【背景技術】
【０００２】
一般に、既存の相伝導電動機の場合は、回転子の重さの殆どを積層された珪素鋼板のような磁性材でなった鉄心が占め、界磁と電気子コイルは鉄心でなったスロット内に挿入されることでその構造がなされる。一方、超伝導電動機の場合は、強磁場を発生させる超伝導界磁巻線（Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ Ｆｉｅｌｄ Ｗｉｎｄｉｎｇ）を利用することにより、器機内部の鉄心を使用しなくても既存の相伝導電動機の１／２〜１／３の大きさで同等な出力を発生させることができる。
【０００３】
このような鉄心を使用しない共心型の構造において、目標出力を得るために、回転する極低温容器（Ｃｒｙｏｓｔａｔ）内に界磁コイルを配置して超伝導状態に作った後、強磁場が発生するようにする。したがって、超伝導コイルを冷却させるための装置が電気的なコイルとともに配置されてならなければならなく、既存の回転機技術では使用されない極低温分野の技術であって、現在主に使用されるＢｉ２２２３酸化物系超伝導線で作られた界磁コイルの場合、３０Ｋｅｌｖｉｎ前後に冷却されて使用されており、冷媒としては液体ネオンまたはヘリウムガスを主に使用している。
【０００４】
超伝導電動機／発電機の利点としては、超伝導界磁コイルで強磁場を発生させることができるので、既存の機器に比べて大きさ及び重さを大幅に減りながら効率を向上させることができるが、欠点としては、超伝導界磁コイルを運転温度である５０Ｋｅｌｖｉｎ以下の極低温に冷却させなければならないものである。そして、ＭＲＩのような停止状態の超伝導マグネットの場合は、極低温冷却技術の発達によって、４．２Ｋｅｌｖｉｎまで冷却しなければならない金属系超伝導線を使用した場合であっても技術的な困難があまりないが、超伝導回転機とともに回転する超伝導界磁コイルに冷媒を供給するためには、冷媒が液化する停止状態の極低温冷却機に対して冷媒が流出または流入する管路も必ず極低温に維持されるとともに回転部と非回転部を連結する部分が存在しなければならなく、主に磁性流体シーリング（Ｆｅｒｒｏ−ｆｌｕｉｄ ｓｅａｌ）部を備えてこのような問題を解決している。しかし、このような連結部は、構造が複雑で、脆弱であり、結果として長期間の運転時、信頼性の問題を引き起こすことができ、冷却効率が落ちて超伝導電動機／発電機全体の効率向上に影響を及ぼすことになる。
【０００５】
このように回転する極低温超伝導界磁コイルは一般的に直流磁場を発生するようになっているので、殆どが同期機または直流機の界磁コイルに使用され、交流磁場が発生する電気子巻線（Ａｒｍａｔｕｒｅ Ｗｉｎｄｉｎｇ）には既存の電動機と同様な相伝導銅コイルが使用される。
【０００６】
したがって、現在開発されている大部分の超伝導電動機は、磁場遮蔽シールドが機械の最外層に円筒状に、既存の回転機で採用される強磁性体を積層して使用し、機械シールドのすぐ内側に３相の相伝導コイルが配置される。
【０００７】
このように配置された電気子巻線と超伝導界磁コイルとの間には電気伝導に優れたアルミニウム銅などで製作される常温ダンパー（Ｗａｒｍ Ｄａｍｐｅｒ）が取り付けられ、既存の同期電動機が脱調した場合に誘導電流を流して再び同期速度に回復することを助ける。また、電気子巻線で発生する交流磁場が直流磁場を発生させる超伝導界磁コイルに影響を及ぼすことを防ぐ役目をし、極低温容器と超伝導界磁コイルとの間に配置される低温ダンパー（Ｃｒｙｏｇｅｎｉｃ Ｄａｍｐｅｒ）の場合は、回転子の外筒から流入する放射熱を遮蔽する役割も同時に果たすことになる。通常、安全性にすぐれた酸化物系超伝導線を使用する場合は常温ダンパーを使用する。
【０００８】
現在開発されている超伝導電動機／発電機は回転界磁型であるので、回転する超伝導界磁コイルを冷却するために前述した構造が複雑であり、長期運転の際に信頼性の問題を引き起こすことができ、冷却効率を低下させる要因になるなど、超伝導回転機の極低温冷却システムの改善が要求されており、さらに、１０ＭＷ前後の中小型機では、超伝導界磁コイルを共心にする場合、まだ高価である超伝導線の量があまり多く必要となり、究極には超伝導電動機／発電機の経済性の問題を引き起こす。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
したがって、本発明は前記のような問題点を解決するためになされたもので、既存の極低温冷却システムの問題を解決するとともに、同一容量で要求される超伝導線の量を最小化することができる超伝導電動機／発電機に使用される超伝導界磁コイルを提供することをその目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、前記課題を解決するために、直流磁場を発生する超伝導界磁コイルが、極低温冷媒である液体窒素または液体ネオンを収容し、極低温冷却機と直結されて伝導冷却方式で冷却させる冷媒槽の内に設置され、前記超伝導界磁コイルは超伝導線材でなる超伝導同期電動機を提供する。
【００１１】
そして、前記超伝導界磁コイルは、前記超伝導界磁コイル及び冷媒槽の両端にそれぞれ位置する回転子；前記回転子の外側に形成された鉄心型の固定子；及び前記固定子の内表面に前記誘導子を取り囲むように形成され、３相に励磁される共心型の電気子巻線；をさらに含むことができる。
【００１２】
そして、前記超伝導界磁コイルは、前記超伝導界磁コイル及び冷媒槽を取り囲むように形成され、前記回転子からの放射熱と前記電気子巻線で発生する交流磁場を遮断させるダンパーをさらに含むことができる。
【００１３】
そして、前記冷媒槽の周りは放射熱浸入の遮断のための多重の断熱材で取り囲まれ、前記冷媒槽とダンパーの間には真空層が形成されることができる。
【００１４】
一方、本発明は、超伝導線材が巻線されたシングルパンケーキコイルまたはダブルパンケーキコイルでなって直流電源を励磁させる超伝導界磁コイルと；前記パンケーキコイルの両端にそれぞれ位置し、磁性材でなった鉄心型の誘導子、前記超伝導界磁コイルの中心部に結合される界磁コア、及び前記誘導子及び界磁コアに同軸状に結合されて軸回転するシャフトでなる回転子と；前記回転子の外側に形成された鉄心型の固定子と；前記固定子の内表面に形成され、３相に励磁される共心型の電気子巻線と；前記超伝導界磁コイルを取り囲むように形成され、前記回転子からの放射熱と前記電気子巻線で発生する交流磁場を遮断させるダンパーと；を含んでなり、前記超伝導界磁コイルは、極低温冷媒である液体窒素または液体ネオンを収容し、極低温冷却機と直結されて伝導冷却方式で冷却させる冷媒槽の内に設置され、前記冷媒槽の周りは放射熱浸入の遮断のための多重の断熱材で取り囲まれ、前記冷媒槽と界磁コアの外周面の間、及び前記冷媒槽の外周面と前記ダンパーの間には真空層を形成される超伝導同期電動機を提供する。
【００１５】
そして、前記誘導子は、前記界磁コアと一体に形成され、前記界磁コアの一端部から直径方向に突出するように多数の突出極部が形成された第１誘導子；及び前記第１誘導子に対向して多数の突出極部が形成された第２誘導子でなる誘導子；を含んでなることができる。
【００１６】
ここで、前記超伝導界磁コイルは、前記第１誘導子と第２誘導子の突出極部の間に位置し、超伝導界磁コイルはＢＳＣＣＯまたはＹＢＣＯ超伝導線で作られ、多数のパンケーキコイルまたはダブルパンケーキコイルで構成される。
【００１７】
超伝導界磁コイルの冷却のために、前述したように、冷媒槽内に超伝導界磁コイルが設置され、液体窒素または液体ネオン等の冷媒を注入して冷却することもでき、本発明では、界磁コイルが停止状態にあるから、極低温冷却機を界磁コイルに直接連結して伝導冷却で界磁コイルを冷却することもできる。
【００１８】
また、前記ダンパーは前記冷媒槽の外周面の間に高真空で維持可能な強度を有し、非正常運転の際に発生する交流磁場を遮蔽することができるアルミニウムまたは銅合金材質であることができる。
【００１９】
ここで、前記界磁コイルの外周面と冷媒槽の内周面及び前記冷媒槽の外周面とダンパーの内周面との間には高真空層を設置して冷媒槽への熱浸入を遮断し、冷媒槽の周りに断熱材を多重に設置して放射熱の浸入を遮断するができる。
【００２０】
この際、前記ダンパーは高真空を維持するとともに非正常運転の際に発生する電気子コイルからの交流磁場の浸入を遮断する役目もしなければならないので、十分な強度を有するとともに電気伝導性に優れたアルミニウムまたは銅合金を使用することができる。
【発明の効果】
【００２１】
前記のような構成の本発明は、運転中に超伝導界磁コイルが回転しないので、回転界磁型超伝導同期電動機に比べ、超伝導界磁コイルの冷却のための冷却システムの設計が容易で単純になり、電動機の信頼性及び安全性を向上させ、全体システムの体積を減少させる効果がある。
【００２２】
また、ダンパーが第１誘導子及び第２誘導子の突出極部の間に取り付けられるので、有効空隙が減少し、回転子が磁性材でなるので、起磁力損失が低減して超伝導線材量を減少させることができ、界磁コアによって発生した磁束の経路になるので、超伝導界磁コイルに及ぶ磁場の影響が低減し、よって超伝導界磁コイルで発生することができる磁界による超伝導クエンチ（ｑｕｅｎｃｈ）の影響を低減させることができる効果がある。
【００２３】
また、空隙磁束密度が交番しないので、電動機の体積は増加するが、冷却システムが単純になることによって全体システムの体積が減少し、誘導子数の変化によって電動機の多極化が可能であり、超伝導界磁コイルがシングルパンケーキコイルあるいはダブルパンケーキコイルの形態であるので、巻線作業が容易である効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、本発明の好適な実施例を添付図面に基づいて詳細に説明する。
【００２５】
本発明の好適な実施例として、回転子２００の極数が６で、電気子巻線４００の巻線方式が共心型である単極（Ｈｏｍｏｐｏｌａｒ）型超伝導同期電動機について説明する。
【００２６】
一般に、単極型超伝導同期電動機は、電動機の極数と運転周波数に対する同期速度（ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｓｐｅｅｄ）で回転する同期機（ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｍａｃｈｉｎｅ）であって、運転速度は負荷変動に影響を受けないものを言う。
【００２７】
本発明による超伝導同期電動機の主要部の構造及び形状は図１に示されており、図２は本発明による超伝導同期電動機において超伝導界磁コイルと冷媒槽が設置され、極低温冷却機が超伝導界磁コイルに連結されたものを示すものである。
【００２８】
図示のように、本発明による超伝導同期電動機は、大別して超伝導界磁コイル１００、回転子２００、固定子（ｓｔａｔｏｒ）３００、電気子巻線（ａｒｍａｔｕｒｅ ｗｉｎｄｉｎｇ）４００及びダンパー５００で構成される。
【００２９】
前記超伝導界磁コイル１００は、テープ形状をしている超伝導線材が巻線されたシングルパンケーキコイルまたはダブルパンケーキコイルの形態に巻線されてなり、所望の磁場及び強度を得るために、前記シングルパンケーキコイルまたはダブルパンケーキコイルを単数または複数積層して形成させる。
【００３０】
このようなシングルパンケーキコイルまたはダブルパンケーキコイルを積層して形成した前記超伝導界磁コイル１００を界磁コア２２０と同軸状に結合させる。
【００３１】
ここで、前記超伝導線材は、Ｂｉ−２２２３あるいは２世代線材であるＹＢＣＯ高温超伝導線材を使用する。
【００３２】
前記超伝導界磁コイル１００は磁性材で形成された二つの誘導子２１０の間に位置することになり、一つの誘導子２１０と一体に形成された界磁コア２２０に同軸状に結合され、前記超伝導界磁コイル１００に直流電源を印加することにより、超伝導界磁コイル１００は直流電源で励磁され、二つの誘導子２１０の一方はＮ極、他方はＳ極になる。
【００３３】
前記誘導子２１０は、界磁コア２２０と一体に形成された第１誘導子２１１と、前記第１誘導子２１１に対向するように形成された第２誘導子２１２とから構成され、前記第１誘導子２１１は、界磁コア２２０の一端部から直径方向に突出するように多数の突出極部２１３が形成され、前記第２誘導子２１２もこれに対応するように、多数の突出極部２１３が形成されることにより、回転子２００の極数が六つになる。
【００３４】
本発明においては前記突出極部２１３が三つ形成されたものとして示されているが、これに限定されなく、当業界で通常の知識を持った者であれば、前記突出極部２１３の数を適宜選択して装着することができることはもちろんである。
【００３５】
そして、前記回転子２００の外側には鉄心型の固定子３００が形成され、一側に装着された極低温冷却機６００が前記超伝導界磁コイル１００と熱的に互いに連結される。
【００３６】
そして、前記固定子３００の内周面と回転子２００との間に、より詳細には前記誘導子２１０の外周面との間には共心型に配置され、３相に励磁される電気子巻線４００が形成される。
【００３７】
ここで、前記超伝導界磁コイル１００は回転しない状態で、前記誘導子２１０と界磁コア２２０でなる回転子２００の周りに共心型に配置され、３相に励磁される電気子巻線４００によって回転磁界が発生することによって前記回転子２００が回転することになるものである。
【００３８】
そして、前記超伝導界磁コイル１００は、運転温度である極低温を維持するために、冷媒槽１１０内に設置され、液体窒素または液体ネオンなどの冷媒のなかで運転温度によって適当な冷媒を選定して冷却する。
【００３９】
他の冷却方法として、Ｇ−Ｍ型（Ｇ−Ｍｔｙｐｅ）またはパルスチューブ型（Ｐｕｌｓｅ ｔｕｂｅ Ｔｙｐｅ）などの極低温冷却機６００を停止状態の超伝導界磁コイル１００に直接連結して、伝導冷却方式で前記超伝導界磁コイル１００を冷却することができる。
【００４０】
この場合、運転温度を多様に選定することができる利点があり、特に現在一番経済性にすぐれるものと予測されるＹＢＣＯ ２世代線の場合、運転温度をよほど高めることができると判断されるので、５０Ｋｅｌｖｉｎ前後の運転領域で有効な冷却方法として使用できる。
【００４１】
前記冷媒槽１１０の外側には、図１（ａ）及び図２に示すように、外部からの熱浸入を遮断するために、１０−５Ｔｏｒｒ程度の真空層１２０を形成し、前記冷媒槽１１０の表面には多重の断熱材、つまり放射力（Ｅｍｉｔｔａｎｃｅ）の極小なアルミニウム薄膜のようなものを取り囲むことで、放射熱を遮断する。
【００４２】
最終に、前記冷媒槽１１０の外側に円筒形状のダンパー５００を取り付け、前記真空層１２０は前記冷媒槽１１０と前記ダンパー５００の内面との間に１０−５Ｔｏｒｒ程度に形成されるものである。
【００４３】
ここで、前記ダンパー５００は、前記電気子巻線４００で発生する交流磁場を遮断させる役目をする。
【００４４】
したがって、広い運転速度範囲に対して高トルク及び静トルク出力特性の満足が容易な単極型超伝導同期電動機の特徴を回転界磁型超伝導電動機と比較して説明しようとする。
【００４５】
前記のような構成の単極型超伝導同期電動機は、界磁コイルが固定されて、運転中に超伝導界磁コイルが回転しないので、前記超伝導界磁コイルを冷却させるための冷却装置の構成が容易で単純になる。
【００４６】
そして、ダンパー５００が第１及び第２誘導子２１１、２１２の間に設置されるので、有効空隙が減少し、回転子が磁性材でなるため、起磁力の損失が低減して超伝導線材量が減少し、界磁コア２２０は界磁コイルによって発生した磁束の経路になるので、超伝導界磁コイル１００に及ぶ磁場の影響が低減する。
【００４７】
したがって、界磁コイル１００で発生し得る磁界による超伝導クエンチ（ｑｕｅｎｃｈ）の影響が低減し、空隙磁束密度が交番しなくて電動機体積は増加するが、冷却システムが単純になり、全体システムの体積は減少することになる。
【００４８】
また、回転子が磁性材を用いる鉄心型であるので、機構的安全性が増加し、誘導子数の変化によって電動機の多極化が可能であり、界磁巻線がシングルパンケーキあるいはダブルパンケーキ形態であるので、巻線作業を容易に実施することができることになるものである。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
本発明は、同一容量で要求される超伝導線の量を最小化する超伝導電動機／発電機に使用される超伝導界磁コイルに適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明による超伝導同期電動機の構造を示す縦断面図及び横断面図である。
【図２】本発明の主要部である超伝導界磁コイルと冷媒槽及びダンパーの構造を示す横断面図である。
【符号の説明】
【００５１】
１００    超伝導界磁コイル
１１０    冷媒槽
１２０    真空層
２００    回転子
２１０    誘導子
２１１    第１誘導子
２１２    第２誘導子
２１３    突出極部
２２０    界磁コア
２３０    シャフト
３００    固定子
４００    電気子巻線
５００    ダンパー
６００    極低温冷却機
【図１（ａ）】
2010511366.tif 000003
【図１（ｂ）】
2010511366.tif 000004
【図２】
2010511366.tif 000005
【国際調査報告】
2010511366.tif 000006
2010511366.tif 000007