(57)【要約】【課題】自己磁界を主体とする低損失で高効率的な単芯の超伝導線を提供する。【解決手段】断面円形状の単芯超伝導線１の内側に低抵抗材からなる安定化層２を配設し、安定化層２の外側に超伝導体からなる超伝導層３を配設し、超伝導層３が、長手方向に対して垂直な断面において周方向に超伝導体を連続して形成されている。また、低抵抗材が銅（Ｃｕ）で、超伝導体が二ホウ化マグネシウム（ＭｇＢ2）の場合、安定化層２と超伝導層３との間にバリア層４を有する。超伝導層３の外側には高抵抗材からなる高抵抗シース層５を配設している。【選択図】図７
2012059511.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
断面円形状の超伝導線の内側に低抵抗材からなる安定化層を配設し、当該安定化層の外側に超伝導体からなる超伝導層を配設し、前記超伝導層が、長手方向に対して垂直な断面において周方向に前記超伝導体を連続して形成されていることを特徴とする単芯超伝導線。
【請求項２】
請求項１に記載の単芯超伝導線において、
前記低抵抗材が銅（Ｃｕ）であり、前記超伝導体が二ホウ化マグネシウム（ＭｇＢ2）であり、
前記安定化層と超伝導層との間に、前記銅と二ホウ化マグネシウムとの反応を防止するバリア層を有することを特徴とする単芯超伝導線。
【請求項３】
請求項１に記載の単芯超伝導線において、
前記低抵抗材が純鉄であることを特徴とする単芯超伝導線。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載の単芯超伝導線において、
前記超伝導層の外側に高抵抗のシースを配設することを特徴とする単芯超伝導線。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれかに記載の単芯超伝導線が、超伝導回転機の固定子の鉄心における凹部に収納されて巻回されるコイルであることを特徴とする単芯超伝導線。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超伝導モータのコイルに用いる単芯の超伝導線に関する。
【背景技術】
【０００２】
エネルギー問題や環境問題を是正する技術として、水素利用の可能性が検討されている。燃料電池等で水素を酸化し、エネルギーを生成し続けるためには、水素を安全に且つ安定的に製造、輸送、貯蔵、移送等を行うシステムの構築が必要である。その際、圧縮ガスとしてだけではなく、液化ガスとして水素を利用することも不可欠となる。これは、液体水素やスラッシュ水素の体積密度が圧縮ガスに比べて非常に大きく、貯蔵効率が優れているためである（非特許文献１を参照）。
【０００３】
そこで、液体水素やスラッシュ水素を循環又は移送するための手段として、超伝導モータが提案されている（非特許文献２を参照）。本モータは、移送すべき液体水素自体が冷媒として機能するため、冷却ペナルティを考慮する必要がなくなり、常伝導モータに比べてはるかに低消費電力で液体水素用ポンプを駆動することが期待される。つまり、超伝導線をかご型誘導モータの回転子巻線に適用すると、非特許文献３−８で既に実証されているように、当該モータの同期回転により極低温環境における損失を大幅に抑制でき、さらに従来機に比べてトルクや出力を大幅に向上することが可能となる。また、三相交流が流れる固定子巻線をも超伝導線で構成すると、従来機の銅巻線を液体水素温度に冷却した場合に比べて、一次巻線で発生する損失を大幅に低減することが期待される。
【０００４】
また、超伝導体を利用した技術として、例えば特許文献１に銅合金からなる複数のフィラメントを中心に配設し、その外側に磁気的に分離された複数の超伝導体（テープ状の超伝導体）をスパイラル状に配設する構造の超伝導ケーブル、特許文献２にＮｂ3Ａｌ化合物系超伝導線材において、安定化材を内部に配設すると共にＮｂ−Ａｌ複合物で形成されるシングル線材を複数配設する構造が開示されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】R.D.McCarty: "Hydrogen technology survey-Thermophysical properties," NASA Special Publication (1975) SP-3089.
【非特許文献２】K.Kajikawa and T.Nakamura: "Proposal of a fully superconducting motor for liquid hydrogen pump with MgB2 wire," IEEE Trans. Appl. Supercond., Vol.19, No.3 (2009) pp.1669-1673.
【非特許文献３】J.Sim, M.Park, H.Lim, G.Cha, J.Ji and J.Lee: "Test of an induction motor with HTS wire at end ring and bars," IEEE Trans. Appl. Supercond., Vol.13, No.2 (2003) pp.2231-2234.
【非特許文献４】J.Sim, K.Lee, G.Cha and J.-K.Lee: "Development of a HTS squirrel cage induction motor with HTS rotor bars," IEEE Trans. Appl. Supercond., Vol.14, No.2 (2004) pp.916-919.
【非特許文献５】T.Nakamura, H.Miyake, Y.Ogama, G.Morita, I.Muta and T.Hoshino: "Fabrication and characteristics of HTS induction motor by the use of Bi-2223/Ag squirrel-cage rotor," IEEE Trans. Appl. Supercond., Vol.16, No.2 (2006) pp.1469-1472.
【非特許文献６】G.Morita, T.Nakamura and I.Muta: "Theoretical analysis of a YBCO squirrel-cage type induction motor based on an equivalent circuit," Supercond. Sci. Technol., Vol.19, No.6 (2006) pp.473-478.
【非特許文献７】T.Nakamura, Y,Ogama, H.Miyake, K.Nagao and T.Nishimura: "Novel rotating characteristics of a squirrel-cage-type HTS induction/synchronous motor," Supercond. Sci. Technol., Vol.20, No.10 (2007) pp.911-918.
【非特許文献８】T.Nakamura, K.Nagao, T.Nishimura, Y.Ogama, M.Kawamoto, T.Okazaki, N.Ayai and H.Oyama: "The direct relationship between output power and current carrying capability of rotor bars in HTS induction/synchronous motor with the use of DI-BSCCO tapes," Supercond. Sci. Techno1., Vol.21, No.8 (2008) 085006.
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特表２００７−５３６７００号公報
【特許文献２】特開２００１−５２５４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、非特許文献２−８に記載のモータを構成する固定子巻線に三相交流を通電すると、従来機と同様な銅線を適用した場合は多大なジュール損失や渦電流損失が発生し、また超伝導線を適用した場合は超伝導体のピンニング機構に伴う電磁気的な損失（履歴損失という）や常伝導金属部で生じる渦電流損失等の交流損失が発生するため、高効率なモータを実現できない。
【０００８】
また、特許文献１、２に記載の技術は、多芯構造の超伝導体であることから明らかなように、いずれも超伝導体をスパイラル状に捻って電流を通電するため、超伝導層の内側にも導体長手方向の自己磁界（自分自身に流れる電流がつくる磁界）が発生し、内部にある常伝導金属部（銅合金等）に渦電流が生じるといった交流損失が発生し、効率よく電流を通電することができない。
【０００９】
そこで、本発明は上記のような超伝導ケーブルや外部磁界を主体とする多芯構造の超伝導線と異なり、自己磁界を主体とする低損失で高効率的な単芯の超伝導線を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本願に開示する単芯超伝導線は、断面円形状の超伝導線の内側に低抵抗材からなる安定化層を配設し、当該安定化層の外側に超伝導体からなる超伝導層を配設し、前記超伝導層が、長手方向に対して垂直な断面において周方向に前記超伝導体を連続して形成されているものである。
【００１１】
このように、本願に開示する単芯超伝導線においては、低抵抗材の安定化層を内側に配設し、超伝導体からなる超伝導層を外側に配設しているため、超伝導層を流れる電流による低抵抗材への渦電流の誘起をなくすことができ、交流損失を低減することができるという効果を奏する。また、超伝導層が、長手方向に対して垂直な断面において、周方向に前記超伝導体を連続して形成する単芯であるため、多芯構造のようにスパイラル状にすることで内部に自己磁界を生じるようなことがなく、低抵抗材への渦電流の誘起をなくして交流損失を低減することができるという効果を奏する。
【００１２】
また、内側に低抵抗材の安定化層を配設することで、超伝導層の外径が相対的に大きくなり、履歴損失を低減させることができるという効果を奏する。すなわち、超伝導層の内径をＲ0、外径をＲ1とすると、Ｂｅａｎモデルに基づく単位長あたりの履歴損失Ｑは、次式のように表される。
【００１３】
【数１】
2012059511.tif 000003
【００１４】
ここで、ｉmは臨界電流Ｉcで規格化した通電電流振幅であり、Ｑ0＝μ0Ｉc2／π、ｃ＝１−Ｒ02／Ｒ12である。（１）式より、超伝導層の履歴損失はｃに比例していることから、超伝導層を円筒状（内部が中空状であり、その中空領域に低抵抗材が配設される構造）に形成することで、外径Ｒ1が相対的に大きくなりｃが小さくなるため、履歴損失を低減できることが可能であることがわかる。
【００１５】
本願に開示する単芯超伝導線は、前記低抵抗材が銅（Ｃｕ）であり、前記超伝導体が二ホウ化マグネシウム（ＭｇＢ2）であり、前記安定化層と超伝導層との間に、前記銅と二ホウ化マグネシウムとの反応を防止するバリア層を有するものである。
【００１６】
このように、本願に開示する単芯超伝導線においては、低抵抗材のＣｕと超伝導体のＭｇＢ2との間にバリア層を有するため、ＣｕとＭｇＢ2との反応を確実に防止して、高性能な単芯超伝導線を形成することができるという効果を奏する。
【００１７】
本願に開示する単芯超伝導線は、前記低抵抗材が純鉄であることを特徴とするものである。
このように、本願に開示する単芯超伝導線においては、低抵抗材が純鉄であるため、安定化層としての機能を有すると共に、安定化層と超伝導層との結合反応を防止するバリア層としての機能を有し、製造工程を簡略化して作業効率を上げることができるという効果を奏する。
【００１８】
本願に開示する単芯超伝導線は、前記超伝導層の外側に高抵抗のシースを配設するものである。
このように、本願に開示する単芯超伝導線においては、超伝導層の外側に高抵抗のシースを配設するため、超伝導層を確実に保護すると共に、超伝導層を流れる大電流によりシースに誘起される渦電流が生じにくくなり、交流損失を低減することができるという効果を奏する。
【００１９】
本願に開示する単芯超伝導線は、当該単芯超伝導線が、超伝導回転機の固定子の鉄心における凹部に収納されて巻回されるコイルであるものである。
このように、本願に開示する単芯超伝導線においては、単芯超伝導線が、超伝導回転機の固定子の鉄心における凹部に収納されて巻回されるコイルであるため、自己磁界が主体となる電磁環境下の交流損失を低減した高効率な超伝導回転機を実現することができるという効果を奏する。また、交流損失を低減させることができることから、コイルの細線化が可能となり、超伝導回転機の小型化を実現することができるという効果を奏する。さらに、コイルを細線化することで、固定子の鉄心における凹部間の距離を大きく確保することができ、ギャップ磁界を大きくして高性能な回転機を実現することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】交流損失を測定するための試料としての超伝導線の特性を示す図である。
【図２】試料線材の単位長さ、１周期当りの通電損失を示す図である。
【図３】負荷率一定で周波数１０〜１００Ｈｚの範囲で交流損失を測定した結果を示す図である。
【図４】交流通電時における超伝導部、シース材のＮｂ層、Ｃｕ層、全体の損失の電流振幅依存性を示す図である。
【図５】試料線材中の電流配分の数値計算結果を示す図である。
【図６】交流電流をＭｇＢ2試料線材に通電したときの線材内の磁界分布を示す図である。
【図７】第１の実施形態に係る単芯超伝導線の断面を示す図である。
【図８】第１の実施形態に係る単芯超伝導線について単位長当たりの線材全体の交流損失計算結果を比較したものである。
【図９】第１の実施形態に係る単芯超伝導線材を利用した超伝導モータの固定子の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の実施の形態を説明する。本発明は多くの異なる形態で実施可能である。また、本実施形態の全体を通して同じ要素には同じ符号を付けている。
【００２２】
（本発明の第１の実施形態）
本実施形態に係る単芯超伝導線材について図１ないし図９を用いて説明する。図１は、交流損失を測定するための試料としての超伝導線の特性を示す図、図２は、試料線材の単位長さ、１周期当りの通電損失を示す図、図３は、負荷率一定で周波数１０〜１００Ｈｚの範囲で交流損失を測定した結果を示す図、図４は、交流通電時における超伝導部、シース材のＮｂ層、Ｃｕ層、全体の損失の電流振幅依存性を示す図、図５は、試料線材中の電流配分の数値計算結果を示す図、図６は、交流電流をＭｇＢ2試料線材に通電したときの線材内の磁界分布を示す図、図７は、本実施形態に係る単芯超伝導線の断面を示す図、図８は、本実施形態に係る単芯超伝導線について単位長当たりの線材全体の交流損失計算結果を比較したもの、図９は、本実施形態に係る単芯超伝導線材を利用した超伝導モータの固定子の模式図である。
【００２３】
なお、本実施形態においては、超伝導体として二ホウ化マグネシウム（ＭｇＢ2）を用いた単芯超伝導線について説明する。ＭｇＢ2は、２１世紀初めに発見された新しい金属系超伝導体であり、約３９Ｋの超伝導転位温度（臨界温度）を有し、大気圧下で約２０Ｋの沸点を持つ液体水素中で電気抵抗のない超伝導状態を維持できる。しかし、現状のＭｇＢ2線材の臨界電流密度は２０Ｋ中で数テスラの外部磁界が印加されると大幅に低下するため、自己磁界（自分自身に流れる電流がつくる磁界）が主体となる場合を含む低磁界応用が適当と考えられる。
【００２４】
まず、本願の発明者らが鋭意努力の結果判明した、ＭｇＢ2単芯線の交流損失特性について説明する。
（１）通電損失の測定
下記の表１に試料線材の諸元を示す。試料線材は、Ｃｕとニオブ（Ｎｂ）をシース材とした単芯構造線で、線径２Ｒ3は０．８ｍｍ、Ｎｂの外径２Ｒ2は０．６８５ｍｍ、超伝導フィラメントの外径２Ｒ1は０．５５５ｍｍである。
【００２５】
【表１】
2012059511.tif 000004
【００２６】
また、試料線材の断面図と抵抗率の温度特性を図１（ａ）、（ｂ）に示す。線材には１Ａの直流電流を流し、そのとき線材に設けた電圧タップ間に生じる電圧を測定して抵抗率を求める。図１（ｂ）から、ＭｇＢ2試料線材の臨界温度Ｔcは３６Ｋである。ＭｇＢ2の抵抗率が非常に大きく全て金属シース部の抵抗率であると仮定して、２０Ｋ以下で抵抗率の値が一定となるように通電損失測定の試験温度下（２６．４Ｋと３０．３Ｋ）の金属シース部の抵抗率を外挿する。この試験温度下の金属シース部の抵抗率とＮｂの抵抗率からＣｕの抵抗率を求める。
【００２７】
通電損失測定は、自己磁界中で所謂四端子法により行う。温度制御はヘリウムガスフローによる伝導冷却であり、ヒータとガス流量で調整する。サンプルホルダは銅ブロックで構成され、試料とサンプルホルダの間は電気絶縁材で熱伝導率のよい窒化アルミニウム基板が配設されている。試料温度は、この基板上の試料近くに設置した温度センサで測定する。測定温度は、２６．４Ｋ、３０．３Ｋの２点であり、測定中の温度の安定性は±０．１Ｋの範囲である。また、試料線材のタップ間電圧は発振器信号を参照信号としロックインアンプによって測定する。タップ間距離は１０ｍｍである。また、回路内に設置した液体窒素温度下の誘導コイルの信号を用いて測定系に生じる位相のずれを補正する。
【００２８】
試料線材の単位長さ、１周期当りの通電損失を図２に示す。周波数は５０Ｈｚと１００Ｈｚである。横軸の負荷率ｉm＝Ｉm／Ｉcは、電流振幅Ｉmを臨界電流Ｉcで規格化したものである。また、曲線は臨界電流密度一定のＢｅａｎモデルを仮定したときの丸線の単位長さ、一周期当りの通電損失であり、
【００２９】
【数２】
2012059511.tif 000005
【００３０】
ここで、Ｑ0＝μ0Ｉc2／πである。この図から、温度が高くなると通電損失が減少することが分かる。これは、臨界電流の温度依存性により温度が高いと臨界電流が減少するためである。次に、負荷率一定で周波数１０〜１００Ｈｚの範囲で測定した結果を図３に示す。この図から、周波数が高いと損失が多少大きくなることが分かる。これは、金属シース部において通電電流の周波数に依存する渦電流損失が発生したためと推察される。
【００３１】
（２）通電損失の数値解析
ここでは、超伝導フィラメント径２Ｒl、シース部のＮｂとＣｕの外径がそれぞれ２Ｒ2、２Ｒ3の無限長超伝導丸線モデルを考え、この超伝導線の交流損失の数値解析を行った。長手方向の中心軸をｚ軸とし、ｚ方向に交流電流Ｉを通電するとき、超伝導丸線内の電磁界は１次元のＭａｘｗｅｌｌの方程式
【００３２】
【数３】
2012059511.tif 000006
【００３３】
を満足する。ここで、Ｂはθ方向の局所的磁束密度、Ｅ，Ｊはそれぞれｚ方向の局所的電界と電流密度である。ただし、(４)式において、変位電流の項は無視している。試料線材のＥ−Ｊ特性は、超伝導体部にｎ値モデルを、金属シース部にオームの法則を適用すると、
【００３４】
【数４】
2012059511.tif 000007
となる。ここで、Ｊcは臨界電流密度、Ｅcは電界基準、ρmは金属シース部の抵抗率である。また、境界条件は次式で与えられる。
【００３５】
【数５】
2012059511.tif 000008
【００３６】
ここで、Ｉmは電流振幅、ωは角周波数である。式(３)、（４）を径方向に等間隔に離散化した１次元差分法により、丸線内の電磁界分布の時間変化を数値解析する（例えば、寺澤裕一，「酸化物超伝導線材の簡便な通電損失評価法の提案」，九州大学大学院システム情報科学府電気電子システム工学専攻修士論文，２００２，ｐ．１０を参照）。得られた電磁界分布より、各部の単位長さ、１周期当りの交流損失Ｑは、
【００３７】
【数６】
2012059511.tif 000009
で与えられる。ここで、ｒは各部の径方向領域である。
【００３８】
図４（ａ）は、２６．４Ｋにおける５０Ｈｚ交流通電時の超伝導部、シース材のＮｂ層、Ｃｕ層、そして全体の損失の電流振幅依存性を示したものである。また、併せて通電損失の実験結果も表示している。この図から、全交流損失の数値計算結果は、実験結果とよく一致することが分かる。また、超伝導部の損失の数値計算結果はＢｅａｎモデルによる理論値とよく一致する。さらに、Ｎｂシース部の損失は非常に小さく無視できるものだが、Ｃｕシース部の損失は無視できず、超伝導部の損失と同程度の大きさであることが分かる。以上のことから、Ｃｕシース部の損失が比較的大きいため、実験結果はＢｅａｎモデルに基づく理論値よりも大きくなるといえる。
【００３９】
図４（ｂ）の２６．４Ｋにおける１００Ｈｚ交流通電時の結果、図４（ｃ）の３０．３Ｋにおける５０Ｈｚ交流通電時の結果、図４（ｄ）の３０．３Ｋにおける１００Ｈｚ交流通電時の結果も、上記の結果と同様である。ただし、３０．３Ｋにおける結果において、電流振幅が大きい場合、実験結果が数値計算結果より多少大きいが、その原因として交流損失に伴う発熱により試料線材の温度が上昇していることが考えられる。なお、図４（ａ）〜（ｄ）の三角（▲）記号と菱形（◆）記号が示す結果については後述する。
【００４０】
次に、試料線材中の電流配分の数値計算結果を図５に示す。横軸に負荷率をとり、全電流を１として各部に流れる電流の割合を表す。この結果から、金属シース部に流れる電流は無視できるほど微小であり、ほとんど超伝導部に流れることが分かる。ただし、臨界電流値に近いところでは超伝導部に流れる電流は多少減少する。
【００４１】
（３）渦電流損失の理論表式
図５より、ＭｇＢ2試料線材に交流通電した場合、ほとんどの電流が超伝導部に流れるため、ここでは全電流が超伝導部のみに流れると仮定して、金属シース部で発生する渦電流損失の理論表式を導出する。まず、交流電流をＭｇＢ2試料線材に通電したときの線材内の磁界分布を図６に示す。超伝導体表面の磁界Ｂi(ｔ)と最大磁界Ｂimは通電電流Ｉ（ｔ）（＝Ｉmｃｏｓωｔ）を用いて、
【００４２】
【数７】
2012059511.tif 000010
と表される。交流ピーク時の磁束フロント位置ｒ1は、次式で与えられる。
【００４３】
【数８】
2012059511.tif 000011
ここで、Ｂpは中心到達磁界であり、
【００４４】
【数９】
2012059511.tif 000012
と表わされる。また、減磁過程における磁束の折れ曲がり位置ｒ2は、次式で与えられる。
【００４５】
【数１０】
2012059511.tif 000013
したがって、超伝導体内部の鎖交磁束をΦとすると、超伝導体表面における電界Ｅ（Ｒ1）は、
【００４６】
【数１１】
2012059511.tif 000014
と表わせる。また、（１３）式を用いて超伝導フィラメント表面上のポインティングベクトルを１周期にわたって積算すると、（２）式と同じ結果が得られる。つぎに、超伝導フィラメント外部の誘導電界は、
【００４７】
【数１２】
2012059511.tif 000015
となる。よって、金属シース部における損失Ｑeは
【００４８】
【数１３】
2012059511.tif 000016
と表わされる。ここで、fは周波数、Ｓm、ρm、ｒmはそれぞれ金属シース部の断面積、抵抗率、平均半径である。この理論表式から、渦電流損失は周波数fと抵抗率ρmの逆数に比例することが分かる。
【００４９】
ここで、交流損失の電流振幅依存性について説明する。図４（ａ）〜（ｄ）における三角記号（▲）と菱形記号（◆）が、理論表式から求められるＣｕシース部、Ｎｂシース部での単位長さ、１周期当りの渦電流損失の電流振幅依存性を示している。これらの図から、求めた渦電流損失の理論表式は数値解析結果を非常によく再現しているといえる。また、渦電流損失は振幅の小さいところでは２乗に、大きいところでは３乗に比例している。さらに、図より電流振幅Ｉmが臨界電流Ｉcに近づくと、Ｃｕシース部に多少の電流が分流して全ての電流が超伝導部に流れるという仮定が成り立たなくなるため、理論値は数値計算結果よりも大きくなることが分かる。以上のことから、ＭｇＢ2試料線材の金属シース部で見られた損失は渦電流損失であると考えられ、また求めた理論表式はそれをよく説明しているといえる。
【００５０】
このように、図１（ａ）のような構造を持つ線材の通電損失は、Ｂｅａｎモデルに基づくＭｇＢ2フィラメント部の履歴損失と、Ｃｕシース部の渦電流損失の和で与えられる。つまり、比較的大きな抵抗率をもつＮｂシース部の損失は非常に小さく無視できるが、ＭｇＢ2フィラメント部に流れる大部分の通電電流により、比較的小さな抵抗率をもつＣｕシース部に渦電流が誘起され、Ｂｅａｎモデルに基づく理論表式よりも大きな交流損失が発生する。
【００５１】
そこで、超伝導線の構造を図７に示すような単芯超伝導線とする。図７（ａ）は、低抵抗材からなる安定化層２と超伝導体からなる超伝導層３との間にバリア層４を配設した構造の単芯超伝導線１であり、図７（ｂ）は、安定化層２と超伝導層３との間にバリア層４を配設しない構造の単芯超伝導線１であり、図７（ｃ）は、図７（ａ）の単芯超伝導線の超伝導層３にのみ電流が流れた場合の線材内の磁界分布である。超伝導体をＭｇＢ2とし、低抵抗材をＣｕとした場合、単芯超伝導線１の製造工程において、ＭｇＢ2とＣｕとが反応してしまうため、間にバリア層４が必要となる。一方、超伝導体をＭｇＢ2とし、低抵抗材を純鉄とした場合は、単芯超伝導線１の製造工程において、純鉄がバリア層４の役目を兼用することができるため、別途バリア層４を形成する必要がない。したがって、材料に応じて図７（ａ）の構造にするか、図７（ｂ）の構造にするかが決定される。
【００５２】
また、超伝導層３の内半径をＲ0、外半径をＲ1とすると、Ｂｅａｎモデルに基づく単位長あたりの履歴損失Ｑは（１）式となり、幾何学的係数ｃに比例する。したがって、超伝導層３の内側に安定化層２を有する図７（ａ）、（ｂ）のような構造にすることで、超伝導層３が円筒状となり、外半径Ｒ1が相対的に大きくなってｃが小さくなり、履歴損失が小さくなる。さらに、超伝導層３の外側には、高抵抗材からなる高抵抗シース層５が配設されている。この高抵抗シース層５により、超伝導層４を確実に保護すると共に、高抵抗シース層５が高抵抗であるため、超伝導層４を流れる大部分の電流により誘起される渦電
流が生じにくくなり、交流損失を低減することができる。
【００５３】
超伝導層３にのみ電流が流れた場合の磁界は、図７（ｃ）に示すような分布となり、この図から明らかなように、超伝導層３の内側の安定化層２は磁界がゼロであることがわかる。すなわち、図６に示したような安定化層における渦電流がなくなり、交流損失を低減することができる。
【００５４】
図７（ａ）の構造における損失低減効果を確認するために、図１（ａ）の構造との比較を行った結果を説明する。まず、超伝導部のＥ−Ｊ特性としてｎ値モデルを仮定し、更に単芯超伝導線１の各層の断面積を図１（ａ）の場合と同じとする条件で設計し、臨界電流及びｎ値も図１（ａ）の場合と同じと仮定する。数値解析には円柱座標系の径方向を等間隔に離散化した１次元差分法を用いて電磁界分布の時間変化を求める。差分法により得られた電磁界分布より、交流損失は局所的電界と電流密度の積を径方向に空間積分し、１周期にわたり時間積分することで求められる。
【００５５】
解析結果として２６．４Ｋ、１００Ｈｚにおける単位長当たりの線材全体の交流損失計算結果を比較したものを図８に示す。このとき、線径が０．８ｍｍ、臨界電流Ｉcが１９２Ａ、ｎ値が１１６である。図８より、図７（ａ）の場合の線材において、全体の通電損失が図１（ａ）の場合の３分の１程度まで下がっており、低損失な線材であることが明らかである。
【００５６】
なお、単芯超伝導線１の構造において、低抵抗材として例えば、銅、アルミ、銀等を使用することができ、バリア層の材料且つ低抵抗材として例えば、純鉄等を使用することができ、バリア層や高抵抗シースとして例えば、Ｎｂ、ステンレス鋼、ＣｕＮｉ、Ｔａ等を使用することができ、超伝導体としてＭｇＢ2、Ｂｉ系酸化物、Ｙ系酸化物、希土類系酸化物等を使用することができる。また、上記単芯超伝導線１は、超伝導モータや超伝導発電機等の超伝導回転機の固定子に巻回されるコイル、超伝導電流リード等に適用することができるものである。
【００５７】
以下に単芯超伝導線１を超伝導回転機に適用した場合について説明する。
【００５８】
単芯超伝導線１は超伝導回転機の固定子の鉄心における凹部に収納されて巻回されるコイルとして利用することができる。図９は、単芯超伝導線１を超伝導モータの固定子のコイルとして利用した場合の模式図である。図９（ａ）が固定子全体の模式図であり、図９（ｂ）が固定子の一部拡大図である。
【００５９】
なお、ここでは超伝導モータについて説明するが、同様の構成で超伝導発電機に利用することも可能である。
【００６０】
図中のａ、ｂ、ｃは、それぞれａ相、ｂ相、ｃ相を示しており、符号は電流の向きを示している。各鉄心スロットには位相が異なる２つのコイルが収納され（各コイルのターン数は任意とし、例えば１つのスロットに３ターンずつコイルが巻回されているものとする）、それらの電流の和で与えられる正味の電流はｉa＋ｉb＋ｉc＝０（ｉa、ｉb、ｉcは互いに１２０度ずれた三相交流電流とする）より、反対向きの残りの相の電流に等しくなる。すなわち、ｉa＋ｉb＝−ｉcとなる。
【００６１】
コイルの巻き方は、例えば図９（ｂ）に示すように、＋ａ11を通って収納された１本の単芯超伝導線１が−ａ12を通って収納され、それが決まった数のターン数（例えば、１〜１０ターンのうち予め設計されたターン数）で巻回されると、次に＋ａ21を通って収納された単芯超伝導線１が−ａ22を通って収納され、それが決まった数のターン数で巻回され
ると、次に＋ａ31を通って収納された単芯超伝導線１が−ａ32を通って収納され、それが決まった数のターン数で巻回される。他の±ａ、±ｂ、±ｃの各スロットで上記のように単芯超伝導線１が巻回されて超伝導モータの固定子が形成される。回転子については、固定子に対してトルクが得られる一般的に知られている構成であればよく、ここでの詳細な説明は省略する。また、回転子については、必ずしも超伝導体を用いる必要はなく、銅線やアルミ、永久磁石等であってもよい。
【００６２】
一般的に全超伝導モータの固定子巻線については、鉄心の飽和磁界（〜約２Ｔ）以上の発生磁界を利用するため、鉄心における凹部には収納されず、外部磁界が主体となるものであるが、本実施形態の場合は、鉄心を利用し、コイルを単芯超伝導線１で形成して、鉄心における凹部に収納するものである。すなわち、固定子側のコイルで生じる外部磁界が透磁率の高い鉄心を通ることで、自己磁界を主体として回転子を回転させることができる。従って、本実施形態に係る単芯超伝導線１のような自己磁界を主体として交流損失を低減させることができる超伝導線をコイルとして利用することが非常に有効となる。
【００６３】
このように、単芯超伝導線１を超伝導回転機の固定子の鉄心における凹部に収納されて巻回されるコイルとして利用することで、交流損失を低減した高効率な超伝導回転機を実現することができる。また、交流損失を低減させることができることから、コイルの細線化が可能となり、超伝導回転機の小型化を実現することができる。さらに、コイルを細線化することで、固定子の鉄心における凹部間の距離ｄ2を大きく確保することができ（図９（ｂ）のｄ1を小さくすることで、ｄ1とｄ2との比率を大きくすることができ）、ギャップ磁界を大きくして高性能な回転機を実現することができる。さらにまた、移送する対象を液体水素とすると、その移送すべき液体水素自身が冷媒として働くため、冷却ペナルティを考慮する必要がなくなり、既存の常伝導モータに比べはるかに低消費電力で液体水素用ポンプを駆動可能になる。
【００６４】
以上の前記実施形態により本発明を説明したが、本発明の技術的範囲は実施形態に記載の範囲には限定されず、この実施形態に多様な変更又は改良を加えることが可能である。
【符号の説明】
【００６５】
１  単芯超伝導線
２  安定化層
３  超伝導層
４  バリア層
５  高抵抗シース層
【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８】
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【図９】
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【図１】
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【図６】
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【図７】
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