JP2011061994A - 超電導回転機 - Google Patents

Abstract

【課題】超電導バルク体を用いた超電導回転機であって、超電導バルク体を着磁することなく回転機に利用し、高効率、高出力が得られる超電導回転機を提供する。
【解決手段】磁場発生用コイルと前記磁場発生用コイルから発生する磁束を遮蔽する超電導バルク体からなるロータとを有する界磁と、電機子コイルを有するステータと、を備え、前記電機子コイルが、前記超電導バルク体の外周側に配置され、前記超電導バルク体が、前記電機子コイルに対して前記磁束の遮蔽部と非遮蔽部とを交互に形成するように複数配設されている超電導回転機である。
【選択図】図１

Description

本発明は、超電導バルク体を用いた超電導回転機に関する。

永久磁石型の電動機（モータ）では、電機子巻線に交流を流すことにより発生する移動（回転）磁界によって、永久磁石からなる界磁磁極を有する回転子（ロータ）を回転させ、外部に機械的出力（動力）を取り出すことができる。逆に、永久磁石型の発電機では、水力、風力、蒸気力などの外力によって、永久磁石からなる界磁磁極を有する回転子を回転させて電機子巻線に電圧を発生させ、電力を取り出すことができる。電動機や発電機などの回転機においては、回転子の界磁磁極の磁場強度が強くなれば、回転機のトルク性能や効率を高めることができるが、一般には強力な永久磁石として知られているネオジウム磁石でも、その表面磁場強度は０．５Ｔ程度である。

そこで、このような永久磁石にバルク状の超電導体（以下、超電導バルク体）を用いると、従来の永久磁石を越える非常に強力な磁場強度を得ることができる。例えば、非特許文献１には、超電導バルク体において表面磁場強度で１７Ｔが得られたことが開示されている。また、非特許文献１には、室温のボア空間を有する中空円筒形状の超電導マグネット装置を利用して、静磁場着磁法というプロセスで超電導バルク体を着磁していることも開示されている。静磁場着磁法では、最初に冷却前の超電導バルク体を中空円筒形状超電導マグネット装置のボア空間に配置し、超電導マグネット装置を所定の磁場まで励磁する。次に、超電導バルク体を臨界温度以下まで冷却する。その後、超電導マグネット装置を減磁する。このような過程を経ることにより、超電導バルク体には磁場がピン止めされるため、超電導バルク体は強力な磁石として作用する。

一方、超電導バルク体を用いた超電導回転機の例として、特許文献１には超電導電動機の例が提案され、特許文献２には超電導発電機の例が提案されている。上述のように、超電導バルク体は、着磁すると強力な磁石となるので、前記特許文献１及び２では、従来の電動機や発電機に使用されている永久磁石を超電導バルク体磁石に置き換えている。超電導バルク体は着磁されて磁石となるが、その着磁方法に関し、特許文献１や特許文献２では、静磁場着磁法ではなく、回転機に組み込んだ着磁用コイルを利用したパルス着磁法というプロセスで超電導バルク体を着磁している。パルス着磁法では、回転機に組み込んだ状態で超電導バルク体を臨界温度以下に冷却し、着磁用コイルにパルス電流を流して超電導バルク体を着磁するものである。超電導回転機としては、超電導線をコイルにして通電することで得られる磁束密度の高い磁石を利用するものが数多く提案されているが、特許文献１や特許文献２では、超電導コイルは超電導体が急激に常伝導体へと転移（クエンチ）し易いので出力に限界があり、超電導バルク体を着磁して磁石とした方が効率よく高い出力が得られるものとしている。また、特許文献１や特許文献２の回転機では、電機子をロータとし、超電導バルク体はステータという関係で構成されている。

一方、特許文献３では、超電導モータにおいて、超電導バルク体をロータに使用することが開示されている。但し、前記超電導バルク体は、電磁石からなるステータと組み合わせた磁気軸受として利用されるものである。特許文献４には、超電導材料を使用した発電・駆動両用モータが開示され、ステータに界磁体を有し、界磁体には超電導界磁コイルあるいは超電導界磁バルクが使用できることが記載されている。しかし、超電導界磁バルクを界磁体とするには、超電導バルク体を着磁して磁石とする必要があるが、着磁方法等については記載されていない。

また、特許文献５、特許文献６、及び特許文献７には、複数の超電導バルク体をロータに設けた超電導同期機が開示されている。これらの特許文献５〜７に開示されている超電導バルク体は、いずれも着磁して磁石として使用されるものであり、特に、特許文献６及び特許文献７に記載の超電導同期機では、着磁に関しては着磁用コイルを有し、該着磁コイルが電磁子コイルや発電用コイルを兼ねる構成にして、小型かつ高効率を図っている。

ところで、超電導体は、強力な磁石として利用できるが、遮蔽効果の高い磁気シールドとしても利用できる。超電導体による磁気シールドは、パーマロイやフェライトのような従来の材料では十分シールドできないような強い磁場を遮蔽しなければならないような設備に使用される。例えば、特許文献８、特許文献９、及び特許文献１０には、磁気共鳴診断撮影装置（ＭＲＩ）や磁気浮上列車（リニアモーターカー）等の超電導マグネットの機器や設備から磁気が外部にもれるのを防ぐために、酸化物超電導体バルク体を磁気シールド材として使用することが開示されている。

なお、電動機や発電機などの回転機では、超電導体はコイルやバルクで磁石として使用され、超電導回転機の漏れ磁場を遮蔽する以外には、一般的に超電導体の磁気シールドは使用されない。これに対して、特許文献１１には、超電導磁気シールドをモータに利用して回転させる超電導モータが開示されている。前記超電導モータでは、ソレノイドコイルを界磁コイルとし、円盤ロータ上に設けられた電機子に対して、電機子の半円部分をNi-Ti薄膜をAl,Cu等でラミネートしたフィルムで磁気シールドするものである。これによって、磁気シールドで覆われていない前記電機子巻線に流れる電流をロータの中心方向と放射方向に流れる電流成分の量を異ならせることができ、それで回転力を得ることが開示されている。

特開平７−８７７２４号公報 特開２００４−２３６４４６号公報 特開２００２−３６９４９４号公報 特開２００７−６０７４４号公報 特開２００５−２２４０００号公報 特開２００４−２３５６２５号公報 国際公開第２００７／２９８２３号 特開平１１−１２６９２７号公報 特開平１１−２７８９５２号公報 特開平７−１７７７４号公報 特開平８−３１７６３１号公報

M. Tomita, M. Murakami, Nature Vol.421, 517-520（2003）.

上述のように、超電導バルク体を用いた従来の超電導回転機は、一般的には超電導バルク体を強力な磁石として利用するものであったため、超電導バルク体を着磁するプロセス及び着磁装置が必要である。非特許文献１に記載されているような静磁場中で超電導バルク体を冷却する静磁場着磁法では、強力な磁石にすることができ、大きな磁場強度が得られやすいが、回転機に組み込んだ超電導バルク体を着磁することは難しいという問題がある。さらに、回転機の界磁磁極は一般的には単極ではなく多極であり、異極（Ｎ極及びＳ極）が交互に配置されているが、静磁場着磁法では異極を交互に着磁することはより困難である。

一方、パルス着磁法を用いると、特許文献１や特許文献２に記載されているように、着磁コイルを予め機器に組み込んでおく場合や、あるいは特許文献６及び特許文献７に記載されているように、電機子コイルを着磁用コイルに利用する場合などでは、超電導バルク体を機器に組み込んだ状態で着磁することが可能となる。しかしながら、パルス着磁法では、静磁場着磁法に比べて着磁できる磁場強度が小さく、着磁された超電導バルク体の磁場分布を均一にするのが難しいという問題がある。その結果、超電導バルク体を界磁用磁石としても、高効率、高出力の回転機が、必ずしも得られない。

また、上述の特許文献１１では、超電導バルク体ではないが、超電導フィルムの磁気シールドを利用して回転力を得るという、即ち、磁石としないで超電導体を利用しているが、前記超電導モータの構成では、十分な出力が得られず、効率も低いという問題がある。

そこで、本発明は、上記の問題を解決し、超電導バルク体を用いた超電導回転機であって、超電導バルク体を着磁することなく回転機に利用し、高効率、高出力が得られる超電導回転機を提供することを目的とする。

本発明者らは、磁場発生用コイルで発生し磁束が電機子コイルに入る前に、超電導バルク体で遮蔽して、磁束遮蔽部と磁束非遮蔽部とを交互に形成することにより、同期型の超電導回転機を構成できることを見出した。更に、前記超電導回転機に関し、高効率、高出力が得られる構成を見出した。即ち、本発明の超電導バルク体を用いた超電導回転機は、以下のとおりである。
（１）磁場発生用コイルと前記磁場発生用コイルから発生する磁束を遮蔽する超電導バルク体からなるロータとを有する界磁と、電機子コイルを有するステータと、を備え、前記電機子コイルが、前記超電導バルク体の外周側に配置され、前記超電導バルク体が、前記電機子コイルに対して前記磁束の遮蔽部と非遮蔽部とを交互に形成するように複数配設されていることを特徴とする超電導回転機。
（２）前記超電導バルク体は、回転方向に離散的に複数配置されており、前記非遮蔽部は、前記回転方向に離散的に配置された隣り合う超電導バルク体によって形成される隙間であり、前記隙間が、前記磁場発生用コイルから遠方に比べて近傍が狭くなっていることを特徴とする上記（１）に記載の超電導回転機。
（３）前記超電導バルク体を動径方向に移動させる機構をさらに備えることを特徴とする上記（１）又は（２）に記載の超電導回転機。
（４）前記超電導バルク体の内部が空洞であることを特徴とする上記（１）〜（３）のいずれかに記載の超電導回転機。
（５）前記超電導バルク体が複数個の要素部材からなり、個々の要素部材が動径方向に積層された積層構造を有し、かつ、隣り合う層ごとに要素部材間の境界面の位置がずれていることを特徴とする上記（１）〜（４）のいずれかに記載の超電導回転機。
（６）前記超電導バルク体が、REBa₂Cu₃O_x相（REは希土類元素から選ばれる１種又は２種以上）のバルク体中にRE₂BaCuO₅相が４モル％〜４０モル％微細分散した酸化物超電導体であることを特徴とする上記（１）〜（５）のいずれかに記載の超電導回転機。
（７）前記超電導バルク体の結晶相のｃ軸が、動径方向に向いていることを特徴とする上記（１）〜（６）のいずれかに記載の超電導回転機。
（８）前記磁場発生用コイルは、互いに対向して配設された２つの磁場発生用コイルからなり、前記２つの磁場発生用コイルの間に、前記超電導バルク体が配置され、前記２つの磁場発生用コイルの磁場の向きが互いに逆向きであることをと特徴とする上記（１）〜（７）のいずれかに記載の超電導回転機。
（９）前記磁場発生用コイルが、超電導コイルであることを特徴とする上記（１）〜（８）のいずれかに記載の超電導回転機。
（１０）前記磁場発生用コイルに磁心を有ることを特徴とする上記（１）〜（９）のいずれかに記載の超電導回転機。

本発明の超電導回転機によれば、超電導バルク体を着磁するプロセスや着磁コイルを使用しなくてもよく、超電導バルク体を用いた超電導回転機を提供することができる。また、高効率、高出力が得られる、超電導バルク体を用いた超電導回転機を提供することができる。

本発明の超電導回転機の第１実施形態を示す構成概略図である。 本発明の超電導回転機の第２実施形態を示す構成概略図である。 第１実施形態及び第２実施形態における超電導バルク体を示す構成概略図である。 本発明の超電導回転機の第２実施形態において、磁場発生用コイルが超電導バルク体の内側に配置した例を示す構成概略図である。 超電導バルク体で形成される隙間（非遮蔽部）を示す構成概略図である。 超電導バルク体が角柱板形状などの四角形状である場合の例を示す構成概略図である。 第２実施形態において、超電導バルク体に酸化物超電導体を用いた場合の例を示す構成概略図である。 本発明の超電導回転機の第３実施形態を示す構成概略図である。 本発明の超電導回転機の第４実施形態を示す構成概略図である。 本発明の超電導回転機の第５実施形態を示す構成概略図である。 本発明の超電導回転機の第６実施形態を示す構成概略図である。 本発明の超電導回転機の第７実施形態を示す構成概略図である。 本発明の超電導回転機の第８実施形態を示す構成概略図である。 本発明の超電導回転機の第９実施形態を示す構成概略図である。 本発明の超電導回転機の第１０実施形態を示す構成概略図である。

以下に、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の第１実施形態における超電導回転機の構成例を示す図であり、図２は、本発明の第２実施形態における超電導回転機の構成例を示す図である。
図１においては、磁場発生用コイル１ａから発生する磁束２を電機子コイル３に対して遮蔽するために、超電導バルク体４が配設されている。また、図２においても、磁場発生用コイル１ｂ、１ｃから発生する磁束２を電機子コイル３に対して遮蔽するために、超電導バルク体４が配設されている。また、図１（ｂ）及び図２（ｂ）のいずれの場合においても、磁束２の遮蔽部５（超電導バルク体４）と非遮蔽部６とを交互に形成するように超電導バルク体４が複数配設されている。即ち、遮蔽部５及び非遮蔽部６は、超電導回転機の回転方向に交互に形成され、界磁を形成している。また、第１及び第２実施形態の超電導回転機では、超電導バルク体４はロータ（回転子）であり、電機子コイル３はステータとする。なお、図１及び図２において、ロータの回転軸、超電導バルク体４の固定材等は省略している。

このような構成にすることにより、超電導バルク体を着磁しなくても回転機に使用することができ、磁場発生用コイルで強力な磁場を発生させても、超電導バルク体による強い遮蔽効果で遮蔽部を形成できるので、強力な界磁が得られる。即ち、高効率、高出力の超電導回転機が得られ、例えば、高効率の発電機や高出力の電動機とすることができる。

図３は、図１及び図２に示す超電導バルク体４の配置を示す図である。
図３に示すように、複数の超電導バルク体４を回転方向に隙間７を設けるように離散的に配設することにより、回転方向に遮蔽部５と非遮蔽部６とが交互に形成される。なお、図３は、回転方向に４つの超電導バルク体４が配設された例であり、遮蔽部５と非遮蔽部６とで構成する８極の界磁の例を示しているが、これよりも少ない極数、例えば、６極であってもよく、これよりも多い極数であってもよい。

図１に示す例では、磁場発生用コイル１ａを囲むように、磁場発生用コイル１ａの外周に超電導バルク体４が複数配設されている。また、電機子コイル３は、磁場発生用コイル１ａから発生する磁束の方向に合わせて回転軸方向に（図１（ａ）において磁場発生用コイル１ａの位置に対して上下に）分割部３ｃを境目に独立した２つの電機子コイル３ａ、３ｂからなる。即ち、電機子コイル３は、回転軸方向に２分割されている。このように第１実施形態では、磁場発生用コイル１ａから発生する両極の磁場（磁束２）を超電導回転機に利用することができる。なお、磁場発生用コイル１ａは、ロータとして超電導バルク体４と一体になって回転する構成であっても、ステータとして回転しないで固定された構成であっても、本発明の効果が得られる。

次に、図１に示す超電導回転機の作動原理について説明する。該超電導回転機では、上述のように、磁場発生用コイル１ａは、複数配列された超電導バルク体４の内側の回転中心側に配設されており、複数配列された超電導バルク体４は、ロータとなる。このような構成において、不図示の冷却機構により超電導バルク体４を臨界温度以下に冷却した後、磁場発生用コイル１ａに電流を流し、磁束２を発生させると、臨界温度以下に冷却された超電導バルク体４は磁気遮蔽体として作用する。これにより、磁場発生用コイル１ａから発生した磁束２は、隣り合う超電導バルク体４によって形成される隙間の非遮蔽部６から外周に出る。このように、電機子コイル３に対して磁束２の遮蔽部５と非遮蔽部６とが交互に形成されることになる。そのため、超電導バルク体４の周囲に配設された電機子コイル３の位置では、周方向に磁場の強弱を繰り返すことになり、超電導回転機における磁極を形成し、界磁を形成することになる。

一方、回転軸方向の上下では磁極の向きが異なるため、上述したように電機子コイル３は回転軸方向で２分割して構造になっている（図１（ａ）参照）。電動機の場合には、上下では電流方向を反対にして電機子コイル３に交流を流すことにより回転磁場が生じ、該回転磁場と前記界磁の磁極とが相互作用することによって、超電導バルク体４を含むロータが回転磁場に同期して回転する。また、発電機の場合には、外力により超電導バルク体４を含むロータが回転すると、界磁の磁極も回転することになり、電機子コイル３の位置の磁場強度が周期的に変動し、電磁誘導によって電機子コイル３に電圧が発生する。

以上のような構成にすると、超電導バルク体４は磁石として作用するのではなく、磁気遮蔽体として作用するので、超電導バルク体４を着磁するプロセスや着磁コイルを使用しなくてもよい超電導回転機とすることができる。また、磁場発生用コイル１ａから発生した磁束２は、隣り合う超電導バルク体４によって形成される隙間から高磁束密度に濃縮された状態で外に出ることになる。従って、電機子コイル３の位置で強い磁場を得ることができ、高効率、高出力が得られる、超電導バルク体を用いた超電導回転機を提供することができる。

また、図２に示す例では、２つの磁場発生用コイル１ｂ、１ｃが互いに対向して配設されており、２つの磁場発生用コイル１ｂ、１ｃの間に超電導バルク体４が配設されている。また、２つの磁場発生用コイル１ｂ、１ｃの磁場の向き（磁束の向き）は互い逆向きである。このように第２実施形態における第１実施形態との相違点は、２つの磁場発生用コイルが互いに対向して配設され、２つの磁場発生用コイルの間にロータである超電導バルク体が配置されている点である。なお、２つの磁場発生用コイル１ｂ、１ｃは、ロータとして超電導バルク体４と一体になって回転する構成であっても、ステータとして回転しないで固定された構成であっても、本発明の効果が得られる。

次に、図２に示す超電導回転機の作動原理について説明する。該超電導回転機では、図２（ｂ）に示すように、２つの磁場発生用コイル１ｂ、１ｃの間に複数の超電導バルク体４が離散的に配置されている。このような構成において、不図示の冷却機構により超電導バルク体４を臨界温度に以下に冷却した後に、対向して配設された磁場発生用コイル１ｂ、１ｃに対して互いに逆向きに電流を流し、磁場（磁束２）の向きが図２（ａ）に示すように互いに逆向きになるようにする。このようにすることによって、２つの磁場発生用コイル１ｂ、１ｃの間に大きく反発した磁場が得られる。また、臨界温度以下に冷却された超電導バルク体４は磁気遮蔽体として作用し、２つの磁場発生用コイル１ｂ、１ｃから発生した磁束２により生じる大きく反発した磁場が、離散的に配置された隣り合う超電導バルク体４によって形成される隙間の非遮蔽部６から濃縮されて外に出る。そのため、超電導バルク体４の周囲に配設された電機子コイル３の位置では、周方向に磁場の強弱を繰り返すことになり、超電導回転機における磁極を形成し、界磁を形成することになる。

なお、図２に示す例では、隣り合う超電導バルク体４によって形成される隙間から出てくる磁極の向きは、回転軸方向で同じであるので、第１実施形態のように電機子コイル３を回転軸方向で２分割する必要はない。電動機の場合には、電機子コイル３に交流を流すと回転磁場が生じ、該回転磁場と前記界磁の磁極とが相互作用することによって、超電導バルク体４を含むロータが回転磁場に同期して回転する。また、発電機の場合には、外力により超電導バルク体４を含むロータが回転すると、界磁の磁極も回転することになり、電機子コイル３の位置の磁場強度が周期的に変動し、電磁誘導によって電機子コイル３に電圧が発生する。

以上の構成にすると、超電導バルク体４は、磁石として作用するのではなく、磁気遮蔽体として作用するので、超電導バルク体４を着磁するプロセスや着磁コイルを使用しなくてもよい超電導回転機とすることができる。また、磁場発生用コイル１ｂ、１ｃから発生した磁束２は、隣り合う超電導バルク体４によって形成される隙間から高磁束密度に濃縮された状態で外に出ることになる。従って、電機子コイル３の位置で強い磁場を得ることができ、高効率、高出力が得られる、超電導バルク体を用いた超電導回転機を提供することができる。

また、図２の破線で示しているように、磁場発生用コイル１ｂ、１ｃから発生する磁束２とは反対側に発生する、超電導回転機に利用されない磁束の影響を抑制するために、磁気遮蔽体４ｓを設けてもよい。さらに、図２に示す例では、２つの磁場発生用コイル１ｂ、１ｃは、ロータである超電導バルク体４の外側に配置されているが、磁場発生用コイル１ｂ、１ｃの位置は必ずしも外側である必要はない。例えば、図４に示すように、２つの磁場発生用コイル１ｂ、１ｃが、ロータである超電導バルク体４の内側にあってもよい。なお、図４は、超電導回転機から電機子コイル３を取り除いた場合の側面図を示しており、以下、側面図については、電機子コイル３を取り除いた場合の側面図として示す。

本発明に用いる超電導バルク体（例えば、第１実施形態や第２実施形態で用いる超電導バルク体４）は、磁気遮蔽効果を生じるものであれば特に材料系を限定するものではないが、磁気遮蔽効果が高い超電導材料が好ましい。超電導材料としては、金属超電導体、酸化物超電導体等が挙げられる。

金属超電導体としては、NbTi、Nb₃Sn等が挙げられる。一方、酸化物超電導体の例としては、例えば、Bi-Sr-Ca-Cu-O系やRE-Ba-Cu-O系酸化物超電導体が挙げられる。ここで、REは、希土類元素から選ばれた少なくとも１つの元素であり、例えば、Y,Eu,Gd,Dy,Er,Sm,La,Ce,Pr,Nd等である。酸化物超電導体の中で、REBa₂Cu₃O_x相（１２３相）のバルク体中にRE₂BaCuO₅相（２１１相）が微細分散した酸化物超電導体は、臨界電流密度が高くピン止め力が強いので、磁気遮蔽効果も高く、本発明に用いる超電導バルク体としてより好ましい。酸化物超電導体では、分散している２１１相の粒子（分散粒）がピン止め点として作用する。よって、そのピン止め効果を十分得るためには２１１相は４モル％以上であることがより好ましい。更に好ましくは６モル％以上である。

また、酸化物超電導体では、超電導相である１２３相がマトリックスとなるので、通常、そのマトリックスに分散する２１１相は５０モル％未満となる。更に、２１１相が微細分散しているとピン止め効果が得られるが、２１１相が４０モル％以下であると、１２３相が良好な結晶性となり、より優れた遮蔽効果が得られる。更に好ましくは３５モル％以下である。

さらに、RE-Ba-Cu-O系酸化物超電導体は、溶融法で結晶成長させて作製して得られる単結晶状の擬単結晶からなる酸化物超電導体がより好ましい。ここで、単結晶状の擬単結晶としているのは、単結晶の１２３相中に２１１相が例えば１μｍ程度の微細に分散した結晶相であるからである。よって、単結晶状の酸化物超電導体では、１２３相がバルク体全体で同一結晶方位に揃い、配向している。また、RE-Ba-Cu-O系酸化物超電導体では、超電導相である１２３相の結晶のｃ軸を回転機の動径方向に向けた方が好ましい。特に、単結晶状のRE-Ba-Cu-O系酸化物超電導体の場合には、結晶のｃ軸を動径方向に向けた効果が顕著に表れる。

また、本発明に用いる磁場発生用コイル（例えば、第１実施形態の磁場発生用コイル１ａや第２実施形態の磁場発生用コイル１ｂ、１ｃ）は、磁場を発生できるものであれば特に制限を設けるものではないが、例えば、通常の電磁石として使用される銅、アルミニウム、銀や合金等の金属の線材をコイルにしたものが使用できる。更に、強磁場を発生できるものがより好ましく、例えば、超電導体の線材を使用したコイルがより好ましい。超電導体は電気抵抗がゼロで大きな電流を通電できるので、線材としてコイルに用いると強力な磁場を発生できる。超電導体の線材を用いたコイルとしては、例えば、NbTiやNb₃Snなどの金属系超電導体の線材を用いたコイルやBi-Sr-Ca-Cu-O系やRE-Ba-Cu-O系の酸化物系超電導体の線材を用いたコイルが挙げられる。また、本発明の磁場発生用コイルの形状はパンケーキ状という単純形状での巻線でよいため、酸化物系超電導体のような脆性系材料の線材であっても比較的容易に巻線できるという利点もある。また、磁場発生用コイルに磁心を設けてもよい。

図５は、超電導バルク体によって形成される隙間の非遮蔽部を示す図である。上述のように、超電導バルク体を電機子コイル３に対して回転方向に離散的に配設することにより、図１の磁場発生用コイル１ａ（または図２の磁場発生用コイル１ｂ、１ｂ）から発生する磁束２の遮蔽部５と非遮蔽部６とを交互に形成する。ここで、非遮蔽部６を形成する、隣り合う超電導バルク体８ａ、８ｂによって形成される隙間が、磁場発生用コイルから遠方に比べて近傍が狭くなっている方が、より高効率、高出力の超電導回転機とすることができる。これは、磁場発生用コイルから発生する磁束密度が、磁場発生用コイルから離れるほど小さくなるので、前記のように非遮蔽部の隙間を磁場発生用コイルからの距離に合わせて変えることによって、均一な磁場を構成する界磁が得られるからである。

図５（ａ）は、図１に示した第１実施形態における超電導バルク体４によって形成される隙間を示している。図５（ａ）に示すように、磁場発生用コイル１ａが隣り合う超電導バルク体８ａ、８ｂで囲まれた中央に位置するので、非遮蔽部となる隙間は、磁場発生用コイル１ａから近傍の隙間Ｓ₁と磁場発生用コイル１ａから遠方の隙間Ｓ₂との関係で、Ｓ₁＜Ｓ₂となる方が、より好ましくなる。なお、図５（ａ）に示す形状以外のものであっても、Ｓ₁＜Ｓ₂となるのであれば、形状は限定されない。

図５（ｂ）は、図２に示した第２実施形態における超電導バルク体４によって形成される隙間を示している。図５（ｂ）に示すように、２つの磁場発生用コイル１ｂ、１ｃが対向して配設され、隣り合う超電導バルク体８ａ、８ｂが２つの磁場発生用コイル１ｂ、１ｃの間に配設されているので、非遮蔽部における回転軸方向の両端部の隙間Ｓ₂が、中央部の隙間Ｓ₁よりも小さくなる方が好ましい。即ち、Ｓ₁＞Ｓ₂の関係となるのが、より好ましい。なお、図５（ｂ）に示す形状以外のものであっても、Ｓ₁＞Ｓ₂となるのであれば、形状は限定されない。

また、図１の第１実施形態及び図２の第２実施形態では、超電導バルク体４の形状は瓦状であり、超電導バルク体４が同心円を形成するように配設されているが、超電導バルク体の形状は、磁場発生用コイルの磁場を遮蔽できればよく、必ずしも瓦形状である必要はない。例えば、図６（ａ）に示すように、超電導バルク体９が離散的に配設され、磁束２の遮蔽部５と非遮蔽部６とが交互に形成されるならば、製作が容易な角柱板形状などの四角形状でもよい。また、超電導バルク体９が単結晶状のRE-Ba-Cu-O系酸化物超電導体である場合には、図６（ｂ）に示すように、結晶のｃ軸を動径方向に向けた方がより好ましい。RE-Ba-Cu-O系酸化物超電導体の臨界電流密度は、結晶のｃ軸に対して垂直な面内で超電導電流が流れる場合が最も大きくなり、磁気遮蔽電流も同様であるので、同結晶のｃ軸を動径方向に向けた方がより高い磁気遮蔽効果が得られる。

図７は、第２実施形態において、超電導バルク体に、溶融法で作製した瓦形状の単結晶状のGd-Ba-Cu-O系酸化物超電導体を用い、結晶のｃ軸を動径方向に向けて周方向に４個離散的に配設した場合の超電導回転機を示す図である。図７に示すように、超電導バルク体１０に単結晶状のGd-Ba-Cu-O系酸化物超電導体を用いると、磁場発生用コイル１ｂ、１ｃから発生した磁場（磁束２）は、超電導バルク体１０の４箇所の隙間から濃縮して外側へ出る。界磁磁極としては、磁場の強い超電導バルク体１０によって形成される隙間部分と磁場の弱い超電導体部分とを合わせて計８極の磁極となる。超電導バルク体１０は、より効果的に磁気遮蔽できるので、磁場発生用コイル１ｂ、１ｃからより強い磁場を発生させて、また、界磁に磁場の強い部分と磁場の弱い部分との強弱をより明確にでき、より高効率、より高出力が得られる、超電導バルク体を用いた超電導回転機を提供することができる。

図８は、第３実施形態を示し、第１実施形態における超電導回転機とは超電導バルク体の形状が異なる超電導回転機を示す図である。なお、図８の上段は、第３実施形態の超電導回転機の断面図を示し、図８の下段は、該超電導回転機の側面図を示している。第１実施形態との相違点は、隣り合う超電導バルク体によって形成される隙間が軸方向にわたって間隔が一定でない点である。なお、図５（ａ）に示したようなものであってもよい。第１実施形態のように、１つの磁場発生用コイル１ａが超電導バルク体４の内側に配設されている場合、図８（ａ）に示すように、隣り合う超電導バルク体１１によって形成される隙間が、磁場が強くなる中央部で狭くなっている。図８（ａ）に示す例は、隣り合う超電導バルク体１１によって形成される隙間の幅は連続的に変化しているが、図８（ｂ）に示すように、超電導バルク体１２の横幅を段階的に変化させてもよい。

以上の構成とすると、磁束の非遮蔽部である隣り合う超電導バルク体によって形成される隙間から出てくる磁場の軸方向の均一性が高まり、より高効率、より高出力が得られる、超電導バルク体を用いた超電導回転機を提供することができる。

図９は、第４実施形態を示し、第２実施形態における超電導回転機とは、超電導バルク体の形状が異なる超電導回転機を示す側面図である。第３実施形態と同様、第２実施形態との相違点は、隣り合う超電導バルク体によって形成される隙間が軸方向にわたって間隔が一定でない点である。なお、図５（ｂ）に示したようなものであってもよい。第２実施形態のように、２つの磁場発生用コイル１ｂ、１ｃが超電導バルク体４の外側に配設されている場合、図９（ａ）に示すように、隣り合う超電導バルク体１３によって形成される隙間が、磁場発生用コイルから遠方になればなるほど狭くなっている。図９（ａ）に示す例は、隣り合う超電導バルク体１３によって形成される隙間の幅は連続的に変化しているが、図９（ｂ）に示すように、超電導バルク体１４の横幅を段階的に変化させてもよい。

以上の構成にすると、磁束の非遮蔽部である隣り合う超電導バルク体によって形成される隙間から出てくる磁場の軸方向の均一性が高まり、より高効率、より高出力が得られる、超電導バルク体を用いた超電導回転機を提供することができる。

図１０は、第５実施形態を示し、第１実施形態または第２実施形態の超伝導回転機に、超電導バルク体が移動できる機構を備えた場合の動径方向の断面図である。第１実施形態や第２実施形態との相違点は、ロータを形成している超電導バルク体１６が動径方向に移動できる機構を有している点である。更に、電機子コイル１５も動径方向に移動できる機構を有していてもよい。超電導バルク体１６が動径方向に移動すると、磁場発生用コイルで発生させた磁場（磁束）を濃縮させて強い磁場を得ることができる。これは、まず、磁場発生用コイルで磁場を発生させ、その後に、不図示の駆動機構を用いて、超電導バルク体１６及び電機子コイル１５が動径方向に径が小さくなるように移動させることにより、磁場発生用コイルで予め発生させたより広範囲の磁場を濃縮することができ、磁極の磁場強度を強めることができる。以上の構成とすると、より高効率、より高出力が得られる、超電導バルク体を用いた超電導回転機を提供することができる。

図１１は、第６実施形態を示し、第２実施形態の構成を回転軸方向で多段に組み合わせた超電導回転機を示す側面図である。なお、図示していないが、第１実施形態の構成を多段に組み合わせることも可能である。第２実施形態との相違点は、４つの磁場発生用コイル１ｄ、１ｅ、１ｆ、１ｇが用いられ、回転軸方向に多段構成（３段構成）になっている点である。以上の構成とすると、より高効率、より高出力が得られる、超電導バルク体を用いた超電導回転機を提供することができる。

図１２は、第７実施形態を示し、第２実施形態における超電導回転機とは超電導バルク体の構成が異なる超電導回転機を示す側面図である。なお、図示していないが、第１実施形態の超伝導回転機にこのような超電導バルク体を用いることも可能である。第２実施形態との相違点は、外観上は、第２実施形態と同様であるが、ロータを形成している超電導バルク体１７の内部が空洞１８になっており、超電導バルク体１７の中心部を、磁気遮蔽効果を損なわない範囲でくり抜いている。以上の構成とすると、磁気遮蔽効果を有する範囲内で、超電導バルク体の内部を取り除くことにより、超電導バルク体の機械的強度を維持しながら、磁気遮蔽効果の性能を低下させずに軽量化することが可能となる。

図１３は、第８実施形態を示し、第２実施形態における超電導回転機とは超電導バルク体の構成が異なる超電導回転機を示す図である。なお、図示していないが、第１実施形態の超伝導回転機にこのような超電導バルク体を用いることも可能である。第２実施形態との相違点は、ロータの１つである遮蔽部５が複数個の要素部材２０の超電導バルク体１９からなり、個々の要素部材２０が動径方向に積層された構造を有する点である。以上の構成とすると、製作が比較的容易な小型の超電導ブロック（要素部材２０）を用いて、性能を低下させずにより大型の回転機にも適用可能となる。更に、図１３に示すように、隣り合う層ごとに要素部材２０間の境界面の位置がずれるように積層された積層構造にすることにより、積層界面からの磁束漏れを抑制できるので、より高い磁気遮蔽効果が得られる。各要素部材２０の接合界面が超電導接合されている場合は磁束の漏れが少ないが、常電導体を接合体として常電導接合されている場合や絶縁体を接合体として接合されている場合には、磁束の漏れが多くなるので前記積層構造にする効果が大きい。

図１４は、第９実施形態を示し、第１実施形態及び第２実施形態における超電導回転機とは超電導バルク体の構成が異なる超電導回転機の回転軸方向から見た動径方向の断面図である。第１実施形態や第２実施形態との相違点は、ロータである超電導バルク体２１を８個にし、遮蔽部及び非遮蔽分を合わせて回転方向に１６分割に増加して、１６極の界磁とした点である。以上のように構成すると、より高効率、より高出力が得られ、電気吸引力の発生箇所が多くなるので大きなトルクが得られ、大型の回転機に適用する場合により好ましい。

図１５は、第１０実施形態に係る超電導回転機を示す図である。第１実施形態や第２実施形態との相違点は、超電導バルク体２２と磁場発生用コイル２３とを固定してともにロータとし、更に、超電導バルク体２２を２段に、磁場発生用コイル２３を３段に組み合わせて、８０極の界磁２４として点である。ここで、２段に配置した超電導バルク体を千鳥状に配列し、磁場発生用コイル２３に流れる電流２７の向きを交互に逆にして、それぞれの段における非遮蔽部からでる磁束の向きがＳ向き２５及びＮ向き２６とで逆になって段間の磁束の影響を受け難くしている。以上のように構成すると、更に大型の回転機に適用する場合に好ましい。

以上のように、本発明の第１〜第１０実施形態について説明したが、これらの形態を２つ以上組み合わせてもよい。例えば、第４実施形態で示した形状の超電導バルク体を第９実施形態で用いてもよく、第７実施形態で示した超電導バルク体を第５実施形態に用いてもよい。

本発明によれば、超電導バルク体を着磁するプロセスを省略できる、超電導バルク体を用いた超電導回転機を提供することができるので、酸化物超電導体の工業上の利用範囲が拡大する。

１ａ〜１ｇ 磁場発生用コイル
２ 磁束
３ 電機子コイル
３ａ 電機子コイルを分割した場合の上部の電機子コイル
３ｂ 電機子コイルを分割した場合の下部の電機子コイル
３ｃ 電機子コイルの分割部
４ 超電導バルク体
４ｓ 磁場発生用コイル１ｂ、１ｃから発生する磁束２とは反対側の磁束を遮蔽する遮蔽体
５ 遮蔽部（超電導バルク体４）
６ 非遮蔽部
７ 非遮蔽部の隙間
８ａ、８ｂ 超電導バルク体（遮蔽部）
９ 角柱板形状の超電導バルク体（遮蔽部）
１０ 瓦形状の単結晶状酸化物超電導体からなる超電導バルク体
１１ 超電導バルク体（隙間（非遮蔽部）が中央コイルから連続的に広くなっている）
１２ 超電導バルク体（隙間（非遮蔽部）が中央コイルからステップ状に広くなっている）
１３ 超電導バルク体（隙間（非遮蔽部）が両端コイルから中央に連続的に広くなっている）
１４ 超電導バルク体（隙間（非遮蔽部）が両端コイルから中央にステップ状に広くなっている）
１５ 移動できる機構を有する電機子コイル
１６ 移動できる機構を有する超電導バルク体
１７ 超電導バルク体
１８ 空洞
１９ 積層構造の超電導バルク体
２０ 超電導バルク体を構成する要素部材
２１ １６極の界磁を形成する超電導バルク体
２２ ８０極の界磁を形成する超電導バルク体
２３ ８０極の界磁を形成する磁場発生用コイル
２４ ８０極の界磁
２５ 磁束（Ｓ向き）
２６ 磁束（Ｎ向き）
２７ 電流

Claims (10)

1. 磁場発生用コイルと前記磁場発生用コイルから発生する磁束を遮蔽する超電導バルク体からなるロータとを有する界磁と、
   電機子コイルを有するステータと、を備え、
   前記電機子コイルが、前記超電導バルク体の外周側に配置され、
   前記超電導バルク体が、前記電機子コイルに対して前記磁束の遮蔽部と非遮蔽部とを交互に形成するように複数配設されていることを特徴とする超電導回転機。
2. 前記超電導バルク体は、回転方向に離散的に複数配置されており、前記非遮蔽部は、前記回転方向に離散的に配置された隣り合う超電導バルク体によって形成される隙間であり、前記隙間が、前記磁場発生用コイルから遠方に比べて近傍が狭くなっていることを特徴とする請求項１に記載の超電導回転機。
3. 前記超電導バルク体を動径方向に移動させる機構をさらに備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の超電導回転機。
4. 前記超電導バルク体の内部が空洞であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の超電導回転機。
5. 前記超電導バルク体が複数個の要素部材からなり、個々の要素部材が動径方向に積層された積層構造を有し、かつ、隣り合う層ごとに要素部材間の境界面の位置がずれていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の超電導回転機。
6. 前記超電導バルク体が、REBa₂Cu₃O_x相（REは希土類元素から選ばれる１種又は２種以上）のバルク体中にRE₂BaCuO₅相が４モル％〜４０モル％微細分散した酸化物超電導体であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の超電導回転機。
7. 前記超電導バルク体の結晶相のｃ軸が、動径方向に向いていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の超電導回転機。
8. 前記磁場発生用コイルは、互いに対向して配設された２つの磁場発生用コイルからなり、前記２つの磁場発生用コイルの間に、前記超電導バルク体が配置され、前記２つの磁場発生用コイルの磁場の向きが互いに逆向きであることをと特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の超電導回転機。
9. 前記磁場発生用コイルが、超電導コイルであることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の超電導回転機。
10. 前記磁場発生用コイルに磁心を有することを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の超電導回転機。

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