(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高温超電導テープを平巻きしたパンケーキ型コイルを回転子の径方向に複数個積層して構成した高温超電導回転電機の界磁巻線において、
界磁巻線の横断面を回転子の径方向に内径部、中間部、および外径部に分けたとき、
前記内径部および前記外径部を構成するパンケーキ型コイルには、高温超電導材のｃ軸方向の磁界に対する臨界電流密度の高い高温超電導テープが巻線され、
前記中間部を構成するパンケーキ型コイルには、高温超電導材のａｂ軸方向の磁界に対する臨界電流密度の高い高温超電導テープが巻線されている
ことを特徴とする高温超電導回転電機の界磁巻線。
【請求項２】
請求項１に記載の高温超電導回転電機の界磁巻線において、
前記内径部および前記外径部を構成するパンケーキ型コイルはBi2223系高温超電導テープからなり、前記中間部を構成するパンケーキ型コイルはBi2212系高温超電導テープからなっていることを特徴とする高温超電導回転電機の界磁巻線。
【請求項３】
請求項１または２に記載の高温超電導回転電機の界磁巻線において、
前記パンケーキ型コイルが、任意枚数重ね巻きされた高温超電導テープからなり、かつ前記パンケーキ型コイルそれぞれに異なる枚数の高温超電導テープが重ね巻きされていることを特徴とする高温超電導回転電機の界磁巻線。
【請求項４】
請求項１ないし３の何れかに記載の高温超電導回転電機の界磁巻線において、
前記パンケーキ型コイルの配置位置によって前記高温超電導テープの断面積が異なることを特徴とする高温超電導回転電機の界磁巻線。
【請求項５】
請求項４に記載の高温超電導回転電機の界磁巻線において、
前記高温超電導テープの厚さが前記パンケーキ型コイルのどれにおいても同一であることを特徴とする高温超電導回転電機の界磁巻線。
【請求項６】
請求項１に記載の高温超電導回転電機の界磁巻線において、
前記界磁巻線の断面を前記回転子の径方向に内径部、中間部、および外径部に分けたときの内径部および外径部であって、かつ前記パンケーキ型コイルの径方向に内径部、中間部、および外径部に分けたときの中間部の空間には、前記高温超電導テープが配置されることなく絶縁物が充填されていることを特徴とする高温超電導回転電機の界磁巻線。
【請求項７】
請求項１に記載の高温超電導回転電機の界磁巻線において、
前記界磁巻線の断面を前記回転子の径方向に内径部、中間部、および外径部に分けたときの内径部および外径部であって、かつ前記パンケーキ型コイルの径方向に内径部、中間部、および外径部に分けたときの中間部の空間には、前記高温超電導テープが配置されることなく、銅またはアルミニウムまたはそれらの合金からなる常電導金属からなる導体が配置されていることを特徴とする高温超電導回転電機の界磁巻線。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高温超電導導体を適用した高温超電導回転電機の界磁巻線に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の超電導回転電機の界磁巻線は、金属系超電導導体からなる素線またはより線をソレノイドコイルとして巻線したものを回転子内に装着し固定している。金属系超電導導体はその臨界電流の磁界依存性にほとんど異方性がなく、導体に流す電流と直交する磁界成分の絶対値に逆比例の関係で臨界電流が小さくなるので、超電導導体の巻き方は、磁界の方向に関係なく、平巻き（フラットワイズ）でも平打巻き（エッジワイズ）でも可能である。従来のより線の金属系超電導導体を平打巻きのソレノイドコイルとして構成された、超電導回転電機の界磁巻線の横断面図を図６に示す。
【０００３】
図６において、回転子４に巻装されている界磁巻線１は、より線として構成された多数の金属系超電導導体１８からなっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
２７Ｋあるいは７７Ｋという絶対温度の下で使用できる高温超電導導体を適用した高温超電導回転電機の界磁巻線は既に知られているところである。以下に、そのような高温超電導導体を超電導回転電機の界磁巻線に適用する際の技術的課題について検討する。
【０００５】
高温超電導導体はペロブスカイト結晶構造を有し、その臨界電流密度特性は結晶の配向性を高めることにより向上する。結晶の配向性を高めるには、圧延処理などにより一方向に圧縮する必要がある。そのため、工業的に量産できるような高温超電導導体は、磁気テープのような厚さが１ｍｍ以下のテープに限られているのが現状である。また、高温超電導テープの場合、ａｂ軸はテープ平面と平行な方向に、ｃ軸はテープ平面と垂直な方向に生じる。Bi2223系超電導導体では、７７Ｋという温度においてａｂ軸方向とｃ軸方向とでは図７に示すように臨界電流密度特性７１，７２が大きく異なり、たとえば０．１Ｔの磁界下では、ｃ軸方向の磁界に対する臨界電流密度はａｂ軸方向の磁界に対する臨界電流密度の半分以下となる。
【０００６】
次に、従来の高温超電導回転電機の界磁巻線内部の回転子軸中央部断面で見た磁界Ｈの分布を図８に示す。図６に示すように、コイル横断面をＸ−Ｙ座標平面で見たコイル各部の位置を、Ｘ軸方向にＸ１〜Ｘ２と定義し、Ｙ軸方向にＹ１〜Ｙ２と定義する。図８において、図６で定義するＹ軸方向の磁界成分は界磁巻線１の座標（Ｘ１，Ｙ１）〜（Ｘｌ，Ｙ２）の線上が最大となる。また、Ｘ軸方向の磁界成分は界磁巻線１の（Ｘｌ，Ｙ１）〜（Ｘ２，Ｙ１）および（Ｘｌ，Ｙ２）〜（Ｘ２，Ｙ２）の線上が最大となる。各々の磁界成分の最大値を比較すると、Ｙ軸方向の磁界成分はＸ軸方向の磁界成分より大きく、両者の比は１．４〜ｌ．７程度である。
【０００７】
以上のことから、従来行われているように、磁界の方向に無関係に、界磁巻線１のＹ軸と高温超電導テープのｃ軸とが一致するような界磁巻線１を作ると、界磁巻線１内部の各位置における高温超電導テープの臨界電流密度の最大値と最小値の比率がほぼ４倍近くにまで拡大することになる。界磁巻線１は直列に接続された１本の高温超電導テープから構成されており、そのテープの最小の臨界電流密度で通電性能が決定されるから、界磁巻線１の電流密度は界磁巻線１の中の最小の臨界電流密度に制約され、大幅に低下してしまう。
【０００８】
そこで本発明は、電流密度を大きく制約するｃ軸方向の磁界成分の影響を受けにくく、ｃ軸方向の磁界成分により局部的に臨界電流密度が低下しても平均電流密度を低下させずにすむ高温超電導回転電機の界磁巻線を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本願では次の発明を提供する。
請求項１記載の発明では、高温超電導テープを平巻きしたパンケーキ型コイルを回転子の径方向に複数個積層して構成した高温超電導回転電機の界磁巻線において、
界磁巻線の横断面を回転子の径方向に内径部、中間部、および外径部に分けたとき、
前記内径部および外径部を構成するパンケーキ型コイルには、高温超電導材のｃ軸方向の磁界に対する臨界電流密度の高い高温超電導テープが巻線され、
中間部を構成するパンケーキ型コイルには、高温超電導材のａｂ軸方向の磁界に対する臨界電流密度の高い高温超電導テープが巻線されている
ことを特徴とする。
【００１０】
このように構成すると、高温超電導テープのａｂ軸は界磁巻線のＹ軸方向と一致する。界磁巻線で最大磁界の成分はＹ軸方向であり、それと一致するａｂ軸方向の磁界に対する高温超電導テープの臨界電流密度は大きい。一方、Ｘ軸方向は高温超電導テープのｃ軸と一致するが、その磁界成分はＹ軸方向の６〜７割であるから、ｃ軸方向の磁界成分による臨界電流密度の低下を少なくすることができる。
【００１１】
そして、界磁巻線の中でＹ軸方向とＸ軸方向の磁界成分が同位置で最大値をとることはなく、何れか一方の磁界成分が臨界電流密度を低下させる要因となるので、ａｂ軸方向の磁界成分が大きく、ｃ軸方向の磁界成分が小さい位置には、ａｂ軸方向の磁界に対する臨界電流密度が高い高温超電導テープが巻線され、ｃ軸方向の磁界成分が大きく、ａｂ軸方向の磁界成分が小さい位置には、ｃ軸方向の磁界に対するテープの臨界電流密度が高い高温超電導テープが巻線される。したがって、ｃ軸方向の磁界に対するテープの臨界電流密度を向上させることができる。
【００１２】
請求項２に係る高温超電導回転電機の界磁巻線は、請求項１に記載の高温超電導回転電機の界磁巻線において、パンケーキ型コイルが、任意枚数重ね巻きされた高温超電導テープからなり、かつパンケーキ型コイルごとに異なる枚数の高温超電導テープが重ね巻きされていることを特徴とするものである。重ね巻きした高温超電導テープは両端で並列に接続する。従来は複数のパンケーキ型コイルの中でも臨界電流密度の小さいパンケーキ型コイルで界磁巻線全体の臨界電流密度が制約されていたが、本発明に従って構成すると、臨界電流密度の小さいパンケーキ型コイルの高温超電導テープの重ね巻き枚数を増加し、それによってパンケーキ型コイルの臨界電流値は重ね巻き枚数倍に増加させることができる。したがって、界磁巻線全体の電流密度を向上させることができる。
請求項３に係る高温超電導回転電機の界磁巻線は、請求項１または２に記載の高温超電導回転電機の界磁巻線において、パンケーキ型コイルの配置位置によって高温超電導テープの断面積が異なることを特徴とするものである。
請求項５に係る高温超電導回転電機の界磁巻線は、請求項５に記載の高温超電導回転電機の界磁巻線において、高温超電導テープの厚さがどのパンケーキ型コイルにおいても同一であることを特徴とするものである。
【００１３】
請求項４または５のように構成することにより、臨界電流密度の小さいパンケーキ型コイルの高温超電導テープの断面積を増やすことができるので、各々のパンケーキ型コイルの臨界電流値を一致させることができる。それにより、界磁巻線全体の電流密度を向上させることができる。また、テープ厚さを同一にし、かつ巻回数を同一にすることにより、各パンケーキ型コイルの内外径寸法を一致させることができる。このパンケーキ型コイルを積層することにより、界磁巻線の外側面の凹凸を無くすことができるので、無駄な空間を削減でき、ひいては界磁巻線の電流密度を向上させることができる。
【００１４】
請求項６に係る高温超電導回転電機の界磁巻線は、請求項１に記載の高温超電導回転電機の界磁巻線において、界磁巻線の断面を回転子の径方向に内径部、中間部、および外径部に分けたときの内径部および外径部であって、かつパンケーキ型コイルの径方向に内径部、中間部、および外径部に分けたときの中間部の空間には、高温超電導テープが配置されることなく絶縁物が充填されていることを特徴とするものである。
【００１５】
請求項７に係る高温超電導回転電機の界磁巻線は、請求項１に記載の高温超電導回転電機の界磁巻線において、界磁巻線の断面を回転子の径方向に内径部、中間部、および外径部に分けたときの内径部および外径部であって、かつパンケーキ型コイルの径方向に内径部、中間部、および外径部に分けたときの中間部の空間には、高温超電導テープが配置されることなく、銅またはアルミニウムまたはそれらの合金からなる常電導金属からなる導体が配置されていることを特徴とするものである。
【００１６】
請求項６または７に記載の界磁巻線においては、Ｘ軸方向の磁界成分の最大値は界磁巻線の（（Ｘ１＋Ｘ２）／２，Ｙ１）および（（Ｘｌ＋Ｘ２）／２，Ｙ２）、すなわち回転子の径方向で内径部および外径部で、かつパンケーキ型コイルの径方向の中間部に発生し、この位置の臨界電流密度が最小値となる。したがって、この位置に高温超電導テープを巻線しなければ臨界電流密度の最小値は大きくなる。高温超電導テープの代わりに絶縁物を充填することにより、パンケーキ型コイルを所定形状に保つことができる。また、絶縁物の代わりに常電導金属からなる導体を巻線することにより、界磁巻線の電流密度を向上させることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態による界磁巻線１Ａを備えた高温超電導回転電機の回転子４の横断面図である。界磁巻線１Ａは、高温超電導テープ２を平巻きコイルとして巻線したパンケーキ型コイル３を回転子４の径方向５に３層に積層したものである。
このように構成することにより、高温超電導テープ２のａｂ軸６は界磁巻線１ＡのＹ軸方向７と一致する。界磁巻線１Ａで最大磁界の成分はＹ軸方向７であり、それと一致するａｂ軸６方向の磁界に対する高温超電導テープ２の臨界電流密度は大きい。
一方、Ｘ軸方向８は高温超電導テープ２のｃ軸９と一致するが、その磁界成分はＹ軸方向７の６０〜７０％であるから、その分、ｃ軸９方向の磁界成分による臨界電流密度の低下を少なくすることができる。
【００１８】
第１の実施の形態による高温超電導回転電機の界磁巻線は、回転子４の径方向５に内径部１０、中間部１１、および外径部１２に分けたときの、内径部１０および外径部１２を構成するパンケーキ型コイル３にはｃ軸９方向の磁界に対するテープの臨界電流密度の高い高温超電導テープ１３を巻線し、中間部１１を構成するパンケーキ型コイル３にはａｂ軸６方向の磁界に対するテープの臨界電流密度の高い高温超電導テープ１４を巻線して構成する。
ｃ軸９方向の磁界に対するテープの臨界電流密度が高い高温超電導テープ１３としてはBi2223系超電導テープを、またａｂ軸６方向の磁界に対するテープの臨界電流密度が高い高温超電導テープ１４としてはBi2212系超電導テープをそれぞれ適用することができる。界磁巻線１Ａの中で、Ｙ軸方向７とＸ軸方向８の磁界成分が同位置で最大値をとることはなく、何れか一方の磁界成分が臨界電流密度を低下させる要因となる。
したがって、上記のように構成すると、ａｂ軸６方向の磁界成分が大きく、ｃ軸方向９の磁界成分が小さい位置には、ａｂ軸６方向の磁界に対する臨界電流密度の高い高温超電導テープ１４が巻線され、ｃ軸９方向の磁界成分が大きくａｂ軸方向６の磁界成分が小さい位置には、ｃ軸９方向の磁界に対するテープの臨界電流密度の高い高温超電導テープ１３が巻線される。したがって、ｃ軸９方向の磁界に対するテープの臨界電流密度をより向上させることができる。
【００１９】
（第２の実施の形態）
図２は、本発明の第２の実施の形態に係る界磁巻線１Ｂを備えた高温超電導回転電機の回転子を示すものである。この界磁巻線１Ｂにおいては、パンケーキ型コイル３に巻線する高温超電導テープ２は任意の枚数を重ね巻きし、かつパンケーキ型コイル３毎に異なる枚数を重ね巻きするように構成される。図２は、回転子４の径方向の内径部１０および回転子の径方向の外径部２の高温超電導テープ２は重ね巻き枚数を２とし、回転子４の径方向の中間部１１の高温超電導テープ２は重ね巻き枚数を１としたものである。重ね巻きした高温超電導テープ２は、両端で並列に接続される。
このように構成することにより、回転子４の径方向の内径部１０および外径部１２の通電電流は高温超電導テープ２枚の臨界電流まで増加することが可能となり、従来、この位置のｃ軸９方向の磁界に対するテープの臨界電流値で制限されていた界磁巻線１Ｂ全体の臨界電流値を最大その２倍まで増加することができる。その結果、大きな臨界電流密度を有する回転子４の径方向の中間部１１にはその最大能力まで通電することができ、したがって、界磁巻線１全体の電流密度を向上させることができる。
【００２０】
各パンケーキ型コイル３の高温超電導テープ２の重ね巻き枚数は、この第２の実施の形態のほかに、任意の枚数から選ぶことができ、それにより、界磁巻線１Ｂ全体の電流密度をさらに向上させることができる。
【００２１】
（第３の実施の形態）
図３は、本発明の第３の実施の形態に係る界磁巻線１Ｃを備えた高温超電導回転電機の横断面図である。この界磁巻線１Ｃは、回転子径方向の中間部１１のパンケーキ型コイル３に巻く高温超電導テープ２に対し、回転子径方向の内径部１０および外径部１２のパンケーキ型コイル３に巻く高温超電導テープ２の断面積が中間部１１のそれよりも大きくなるように構成されている。また、断面積が異なる高温超電導テープ２のテープ厚さは、すべてのパンケーキ型コイル３で同一とする。
このように構成することにより、臨界電流密度の小さい回転子径方向の内径部１０および外径部１２のパンケーキ型コイル３の高温超電導テープ２の断面積を増やすことができるので、各パンケーキ型コイル３の臨界電流値を一致させることができる。それにより、界磁巻線１Ｃ全体の電流密度の向上を達成することができる。また、テープ厚さを同一にし、かつ巻回数を同一にすることにより、各パンケーキ型コイル３の内外径寸法を一致させることができる。このようなパンケーキ型コイル３を積層することにより、界磁巻線１Ｃの外側面１５の凹凸を無くすことができるので、無効空間を低減することができ、延いては界磁巻線１Ｃの電流密度の向上を達成することができる。
【００２２】
（第４の実施の形態）
図４および図５は、本発明の第４の実施の形態に係る界磁巻線１Ｄおよび１Ｅを備えた高温超電導回転電機の回転子の横断面図を示すものである。図４の実施の形態においては、界磁巻線１Ｄの断面を回転子４の径方向５に見て内径部１０、中間部１１、および外径部１２に分けたときの内径部１０および外径部１２であって、かつパンケーキ型コイル３の径方向に内径部１５、中間部１６および外径部１７に分けたときの中間部１６の空間には、高温超電導テープ２を巻線しないものとする。
このパンケーキ型コイル３の径方向の中間部１６には、絶縁物１９を充填するか、あるいは図５に示すように、銅またはアルミニウムまたはそれらの合金で構成される常電導金属からなる導体２０を巻装し、その両端を高温超電導テープ２と接続することにより、パンケーキ型コイル３を構成する。Ｘ軸方向の磁界成分の最大値は、界磁巻線１Ｄ，１Ｅの（（Ｘ１＋Ｘ２）／２，Ｙ１）および（（Ｘ１＋Ｘ２）／２，Ｙ２）、すなわち回転子４の径方向５で内径部１０および外径部１２で、かつパンケーキ型コイル３の径方向の中間部１６に発生し、この位置の臨界電流密度が最小値となる。
したがって、この位置に高温超電導テープ２を配置しないことにより、臨界電流密度の最小値を大きくすることができる。高温超電導テープ２の代わりに絶縁物１９を充填する（図４）ことにより、パンケーキ型コイル３を所定形状に保つことができる。さらにまた、絶縁物１９の代わりに常電導金属からなる導体２０を巻装することにより、界磁巻線１Ｅの電流密度を向上させることができる。
【００２３】
【発明の効果】
本発明によれば、界磁巻線内部の位置による高温超電導テープに加わるｃ軸方向の磁界の差異による高温超電導テープの臨界電流の変動を抑制し、臨界電流の向上を達成することができる。この結果、界磁巻線全体の運転電流密度の向上を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の第１の実施の形態による高温超電導回転電機の界磁巻線の横断面図。
【図２】  本発明の第２の実施の形態による高温超電導回転電機の界磁巻線の横断面図。
【図３】  本発明の第３の実施の形態による高温超電導回転電機の界磁巻線の横断面図。
【図４】  本発明の第４の実施の形態による高温超電導回転電機の界磁巻線の横断面図。
【図５】  本発明の第５の実施の形態による高温超電導回転電機の界磁巻線の横断面図。
【図６】  従来の高温超電導回転電機の界磁巻線の斜視図およびその要部の拡大横断面図。
【図７】  超電導導体の臨界電流密度の磁界依存性を表す線図。
【図８】  従来の高温超電導回転電機の界磁巻線内部の回転子軸中央部断面の磁界分布を説明するための図。
【符号の説明】
１  界磁巻線
１Ａ  第１の実施の形態による界磁巻線
１Ｂ  第２の実施の形態による界磁巻線
１Ｃ  第３の実施の形態による界磁巻線
１Ｄ  第４の実施の形態による界磁巻線
１Ｅ  第５の実施の形態による界磁巻線
２  高温超電導テープ
３  パンケーキ型コイル
４  回転子
６  ａｂ軸
７  Ｙ軸方向
８  Ｘ軸方向
９  ｃ軸
【図１】
0003853515.tif 000002
【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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