JP4853406B2 - 超電導コイルユニットおよび該超電導コイルユニットを備えた超電導機器 - Google Patents

Description

本発明は、超電導コイルユニットおよび該超電導コイルユニットを備えた超電導機器に関し、詳しくは、複数のパンケーキコイルを積層した超電導コイルユニットにおいて、各パンケーキコイルが回転するのを防止するものである。

従来、ダブルパンケーキ形状あるいはシングルパンケーキ形状の超電導コイルからなるパンケーキコイルを軸線方向に複数積層して形成した超電導コイルユニットが提供されている。
この種の超電導コイルユニットとして、本出願人は、特開平６−１５１１６８号公報（特許文献１）において、図７に示す超電導コイルユニット１を提供している。該超電導コイルユニット１は、複数の超電導コイルからなるパンケーキコイル２を軸線方向に積層しており、隣接したパンケーキコイル２同士をガラス繊維強化シート３を介して接着固定している。

特開平６−１５１１６８号公報

前記特許文献１で提供している超電導コイルユニット１であると、各パンケーキコイル２をガラス繊維強化シート３を介して接着により固定しているだけであるため、超電導コイルユニット１の稼動時に各パンケーキコイル２に大きな負荷がかかって、接着力が緩み、パンケーキコイル２が回転してしまうおそれがある。パンケーキコイル２が回転すると、隣接するパンケーキコイル２のリード線接続用の端子同士が接触してしまい、隣接するパンケーキコイル２が導通してしまうおそれがある点で改善の余地がある。

本発明は前記問題に鑑みてなされたものであり、複数の超電導コイルからなるパンケーキコイルを積層する超電導コイルユニットにおいて、パンケーキコイルを接着固定するのではなく、機械的な構造によりパンケーキコイルを確実に回転不可とすることを課題としている。

前記課題を解決するため、本発明は、最内周ターンを渡り部として巻枠の外周面に巻き付けたダブルパンケーキコイルを、中央連結芯材に対して積層固定してなる超電導コイルユニットであって、
前記各ダブルパンケーキコイルの外周面に位置するリード線接続部となる２つの巻き終端位置を周方向に離して位置させ、これら巻き終端位置に挟まれた周方向の中心と位置ずれした箇所と対向する前記巻枠の内周面に溝または突起を設ける一方、
前記中央連結芯材の外周面に軸線方向に延在し、前記巻枠の溝を嵌合固定する突起または前記巻枠の突起を嵌合固定する溝を設け、
前記中央連結芯材に順次外嵌して積層するダブルパンケーキコイルは、隣接するダブルパンケーキコイルを軸線方向の上下を逆として中央連結芯材に固定し、隣接するダブルパンケーキコイルの巻き終端位置を位置ずれさせていることを特徴とする超電導コイルユニットを提供している。

本発明の超電導コイルユニットでは、前記中央連結芯材の外周面に突起あるいは溝を設ける一方、前記巻枠の内周面に溝あるいは突起を設け、突起を溝に挿入して、突起と溝を干渉させることにより巻枠に超電導線を巻回して形成したダブルパンケーキコイルを回転不可としている。このように、本発明の超電導コイルユニットは、接着剤等の接着力によってダブルパンケーキコイルの回転を防止するのではなく、機械的な構造によりダブルパンケーキコイルの回転を防止しているため、保持力が低下することがなく、超電導コイルユニットの稼動時にダブルパンケーキコイルに大きな負荷がかかっても、ダブルパンケーキコイルが回転するのを防止することができる。
これにより、各ダブルパンケーキコイルが回転して、隣接するダブルパンケーキコイルに設けたリード線接続用の端子同士が接触したり、端子と他の端子に接続したリード線端末の端子が接触してしまうのを防止することができる。
また、各ダブルパンケーキコイル同士を接着していないため、損傷等の理由によりダブルパンケーキコイルを交換する必要が生じたときに、所要のダブルパンケーキコイルのみを交換すればよく、他のダブルパンケーキコイルを交換する必要がない。

さらに、前記２つの巻き終端位置を巻枠の溝あるいは突起に対して非対称位置に設けたことにより、隣接するダブルパンケーキコイルを中央連結芯材に軸線方向逆向きに取り付けると、隣接するダブルパンケーキコイルの巻き終端位置が周方向に位置ズレさせて配置されることとなる。これにより、予め巻き終端位置に端子を取り付けている場合には、端子同士の接触を確実に防止できると共に、これら端子にリード線端末の端子を接続する際に隣接するダブルパンケーキコイルの端子が邪魔にならず、端子接続作業を容易にすることができる。
また、ダブルパンケーキコイルの巻き終端位置に端子を取り付けていない状態で各ダブルパンケーキコイルを中央連結芯材に外嵌固定した場合には、周方向に位置ずれさせた巻き終端位置に前記端子を半田付け等により容易に取り付けることができる。

前記巻枠の溝あるいは突起は、前記２つの巻き終端位置間の周方向中心位置から周方向に１０〜２０度ズレた位置に設け、前記巻枠を中央連結芯材に外嵌固定した状態で隣接するダブルパンケーキコイルの巻き終端位置を周方向に２０〜４０度位置ズレさせていることが好ましい。
隣接するダブルパンケーキコイルの巻き終端位置が周方向に大きく離れた位置にあると、逆に巻き終端位置への端子の取付作業や該端子へのリード線側端子の接続作業が行いにくくなるが、前記構成によれば、隣接するダブルパンケーキコイルの端子が適度な範囲で周方向に位置ズレして配置されるため、前記作業を効率良く行うことができる。

また、本発明は、前記超電導コイルユニットを備えた超電導機器を提供している。
前記超電導機器としては、モータ、発電機、変圧器、超電導電力貯蔵装置（ＳＭＥＳ）、限流器等が挙げられる。

前述したように、本発明によれば、前記中央連結芯材の外周面に突起あるいは溝を設ける一方、前記巻枠の内周面に溝あるいは突起を設け、突起を溝に挿入して、突起と溝を干渉させることにより巻枠に超電導線を巻回して形成したダブルパンケーキコイルを回転不可としている。このように、本発明の超電導コイルユニットは、接着剤等の接着力によってダブルパンケーキコイルの回転を防止するのではなく、機械的な構造によりダブルパンケーキコイルの回転を防止しているため、保持力が低下することがなく、超電導コイルユニットの稼動時にダブルパンケーキコイルに大きな負荷がかかっても、ダブルパンケーキコイルが回転するのを防止することができる。
これにより、各ダブルパンケーキコイルが回転して、隣接するダブルパンケーキコイルに設けたリード線接続用の端子同士が接触したり、端子と他の端子に接続したリード線端末の端子が接触してしまうのを防止することができる。

本発明の実施形態を図面を参照して説明する。
図１乃至図５に、本発明の第１実施形態を示す。
本実施形態の超電導コイルユニット１０は、超電導機器である超電導モータに用いられるものであり、図２に示すように、超電導線を巻回して形成した複数のダブルパンケーキコイル２０を中央連結芯材３０に外嵌して、軸線方向に積層固定している。本実施形態では、１４個のダブルパンケーキコイル２０を積層している。

前記中央連結芯材３０は繊維強化樹脂（ＦＲＰ）からなり、軸線方向に長尺な円筒形状とし、図４（Ａ）に示すように、外周面に上端から所要間隔をあけた位置から下端にかけて軸線方向に延在する突起３０ａを設けている。該突起３０ａは、図４（Ｂ）に示すように、周方向の１０度の範囲に設けた均一幅としている。

一方、超電導線２１が巻回される巻枠２２はＦＲＰからなり、軸線方向に短尺な円筒形状とし、その内径を中央連結芯材３０の外径と略同径としている。該巻枠２２の内周面には、図５に示すように、軸線方向の上端から下端にかけて延在する溝２２ａを設けており、該溝２２ａは周方向の１０度の範囲に設けた均一幅としている。即ち、巻枠２２の溝２２ａの周方向の幅を中央連結芯材３０の突起３０ａの周方向の幅と略同一幅としている。

図３に示すように、前記巻枠２２に幅４ｍｍの帯状のビスマス系超電導線２１と絶縁テープ（図示せず）を重ね合わせた状態で巻回して超電導コイルからなるダブルパンケーキコイル２０を形成している。該ダブルパンケーキコイル２０は、第１コイル部２０ａと第２コイル部２０ｂとを最内周ターンの斜めに延びる渡り部（図示せず）の超電導線２１で連続させている。また、第１、第２コイル部２０ａ、２０ｂとの間およびコイル軸線方向の両端面にはＦＲＰからなる厚さ０．２ｍｍの絶縁シート（図示せず）を配置している。
また、第１、第２コイル部２０ａ、２０ｂの最外周ターンを構成する超電導線２１の巻き終端位置２１ａ、２１ｂには、リード線接続用の端子２３Ａ、２３Ｂをそれぞれ設けている。これら２つの巻き終端位置２１ａ、２１ｂに挟まれた周方向の中心と位置ずれした箇所と対向する巻枠２２の内周面に前記溝２２ａを設けている。即ち、巻き終端位置２１ａ、２１ｂは、巻枠２２の溝２２ａに対して対称ではない位置としており、全てのダブルパンケーキコイル２０で巻き終端位置２１ａ、２１ｂを同一箇所としている。本実施形態では、図３（Ｂ）に示すように、第１コイル部２０ａの端子２３Ａを取り付ける巻き終端位置２１ａを溝２２ａの幅方向の中央から周方向に１３５度の間隔をあけた位置とする一方、第２コイル部２０ｂの端子２３Ｂを取り付ける巻き終端位置２１ｂを溝２２ａの幅方向の中央から周方向に１０５度の間隔をあけた位置としている。即ち、巻枠２２の溝２２ａを２つの巻き終端位置２１ａ、２１ｂの周方向中間位置Ｐから周方向に１５度ズレた位置に設けている。

前記端子２３は、超電導線２１へ取り付ける円弧状の導体接続部２３ａと、該導体接続部２３ａに対して直交する方向に屈曲させた端子接続部２３ｂからなり、導体接続部２３ａを超電導線２１の端末に半田付け接続している。該端子２３の端子接続部２３ｂにはボルト挿通用の貫通穴２３ｃを設けており、端子接続部２３ｂにリード線端末の端子（図示せず）がボルト締め接続される。

図３に示すように、中央連結芯材３０の下端部には下側フランジ１１を外嵌しており、円盤状の下側フランジ１１の貫通穴１１ａの内周面に設けた段差部１１ｂに中央連結芯材３０の下端面３０ｂを当接させて位置決めしている。
前記ダブルパンケーキコイル２０は中央連結芯材３０に外嵌した状態で下側フランジ１１上に載置して積層している。前記中央連結芯材３０の突起３０ａにダブルパンケーキコイル２０の巻枠２２に設けた溝２２ａを嵌合し、ダブルパンケーキコイル２０を回転不可となるように位置決めしている。

詳細には、最下層のダブルパンケーキコイル２０Ａは、図１（Ａ）に示すように、第１コイル部２０ａが上方、第２コイル部２０ｂが下方となるように配置する一方、最下層のダブルパンケーキコイル２０Ａに隣接するダブルパンケーキコイル２０Ｂは、図１（Ｂ）に示すように、第２コイル部２０ｂが上方、第１コイル部２０ａが下方となるように配置している。
前記ダブルパンケーキコイル２０Ａと同様に配置したダブルパンケーキコイル２０と前記ダブルパンケーキコイル２０Ｂと同様に配置したダブルパンケーキコイル２０を交互に積層しており、隣接するダブルパンケーキコイルを軸線方向に逆向きになるように配置している。
なお、図１において、破線で示した端子２３Ａ、２３Ｂは隣接するダブルパンケーキコイル２０の端子２３Ａ、２３Ｂの配置位置を示し、隣接するダブルパンケーキコイルでは、端子２３Ａ、２３Ｂが周方向に３０度位置ズレしていることを示している。

前記中央連結芯材３０の上端位置には上側フランジ１２を外嵌し、該上側フランジ１２を最上層のダブルパンケーキコイル２０上に載置している。該上側フランジ１２を前記下側フランジ１１とボルトＢとナットＮで締め付け固定して、ダブルパンケーキコイル２０を軸線方向に位置決め固定している。

次に、超電導コイルユニット１０の製造方法について説明する。
まず、中央連結芯材３０の下端に下側フランジ１１を外嵌する。
次いで、中央連結芯材３０の突起３０ａにダブルパンケーキコイル２０の巻枠２２に設けた溝２２ａを位置合わせして、第１コイル部２０ａを上方、第２コイル部２０ｂを下方に配置した状態でダブルパンケーキコイル２０の巻枠２２を中央連結芯材３０に外嵌する。これによりダブルパンケーキコイル２０を周方向に回転不可とした状態で中央連結芯材３０に外嵌固定している。
次いで、別のダブルパンケーキコイル２０を今度は第２コイル部２０ｂを上方、第１コイル部２０ａを下方に配置した状態で、突起３０ａと溝２２ａを嵌合させて、巻き枠２２を中央連結芯材３０に外嵌する。
前記ダブルパンケーキコイル２０の中央連結芯材３０への取付作業を繰り返し、所要個数（本実施形態では１４個）のダブルパンケーキコイル２０を中央連結芯材３０に外嵌した後、中央連結芯材３０の上端に上側フランジ１２を外嵌して、下側フランジ１１と上側フランジ１２とをボルトＢとナットＮで締め付け固定する。
このように、超電導コイルユニット１０を形成した後、ダブルパンケーキコイル２０の端子２３にリード線端末の端子を接続している。

前記構成によれば、中央連結芯材３０の突起３０ａを巻枠２２の溝２２ａに挿入して、突起３０ａと溝２２ａを干渉させることにより巻枠２２に超電導線２１を巻回して形成したダブルパンケーキコイル２０を回転不可としている。このように、本発明の超電導コイルユニット１０は、接着剤等の接着力によってダブルパンケーキコイル２０の回転を防止するのではなく、機械的な構造によりダブルパンケーキコイル２０の回転を防止しているため、保持力が低下することがなく、超電導コイルユニット１０の稼動時にダブルパンケーキコイル２０に大きな負荷がかかっても、ダブルパンケーキコイル２０が回転するのを防止することができる。
これにより、各ダブルパンケーキコイル２０が回転して、隣接するダブルパンケーキコイル２０に設けたリード線接続用の端子２３同士が接触したり、端子と他の端子に接続したリード線端末の端子が接触してしまうのを防止することができる。
また、各ダブルパンケーキコイル２０同士を接着していないため、損傷等の理由によりダブルパンケーキコイルを交換する必要が生じたときに、所要のダブルパンケーキコイルのみを交換すればよく、他のダブルパンケーキコイルを交換する必要がない。

さらに、隣接するダブルパンケーキコイル２０では、端子２３を周方向に位置ズレさせて配置しているため、端子２３同士の接触を確実に防止できると共に、これら端子２３にリード線端末の端子を接続する際に隣接するダブルパンケーキコイル２０の端子２３が邪魔にならず、端子接続作業を容易にすることができる。
なお、本実施形態では、ダブルパンケーキコイル２０の第１コイル部２０ａと第２コイル部２０ｂの間に空隙を設けていないが、第１、第２コイル部２０ａと２０ｂの間にスペーサを介在させて冷却効率を向上させる構成としてもよい。また、隣接するダブルパンケーキコイル２０間にスペーサを介在させる構成としてもよい。

図６に、本発明の第２実施形態を示す。
本実施形態では、中央連結芯材３０の外周面に軸線方向に延在する溝３０ｃを設ける一方、ダブルパンケーキコイル２０の巻枠２２の内周面に軸線方向に延在する突起２２ｂを設け、中央連結芯材３０の溝３０ｃと巻枠２２の突起２２ｂを嵌合して、中央連結芯材３０に巻き枠２２を外嵌している。中央連結芯材３０の溝３０ｃを周方向の１０度の範囲に設ける一方、巻枠２２の突起２２ｂを周方向の１０度の範囲に設け、溝３０ｃと突起２２ｂを略同一幅としている。

本実施形態においても、第１実施形態と同様に、隣接するダブルパンケーキコイル２０Ａと２０Ｂを軸線方向逆向きに配置して、端子２３を周方向に位置ズレさせている。

前記構成によっても。各ダブルパンケーキコイル２０の回転を防止でき、端子２３同士の接触を防止できると共に、隣接するダブルパンケーキコイル２０Ａと２０Ｂの端子２３を周方向に位置ズレさせているため、端子接続作業を容易にすることができる。
なお、他の構成及び作用効果は第１実施形態と同様のため、同一の符号を付して説明を省略する。

前記実施の形態はすべての点で例示であって、これら実施形態に限定されず、本発明の範囲は、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の範囲内でのすべての変更が含まれる。

本発明の超電導コイルユニットは、自動車等の駆動用モータや、その他発電機、変圧器、超電導電力貯蔵装置（ＳＭＥＳ）等の超電導機器に用いられるものである。

（Ａ）（Ｂ）は本発明の第１実施形態を示し、ダブルパンケーキコイルを中央連結芯材に外嵌した状態を示す平面図である。 超電導コイルユニットの断面図である。 ダブルパンケーキコイルを示し、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は平面図である。 中央連結芯材を示し、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は平面図である。 巻枠を示し、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は平面図である。 （Ａ）（Ｂ）は本発明の第２実施形態を示し、ダブルパンケーキコイルを中央連結芯材に外嵌した状態を示す平面図である。 従来例を示す図面である。

符号の説明

１０ 超電導コイルユニット
２０ ダブルパンケーキコイル
２１ 超電導線
２２ 巻枠
２２ａ 溝
２３ 端子
３０ 中央連結芯材
３０ａ 突起

Claims (3)

1. 最内周ターンを渡り部として巻枠の外周面に巻き付けたダブルパンケーキコイルを、中央連結芯材に対して積層固定してなる超電導コイルユニットであって、
   前記各ダブルパンケーキコイルの外周面に位置するリード線接続部となる２つの巻き終端位置を周方向に離して位置させ、これら巻き終端位置に挟まれた周方向の中心と位置ずれした箇所と対向する前記巻枠の内周面に溝または突起を設ける一方、
   前記中央連結芯材の外周面に軸線方向に延在し、前記巻枠の溝を嵌合固定する突起または前記巻枠の突起を嵌合固定する溝を設け、
   前記中央連結芯材に順次外嵌して積層するダブルパンケーキコイルは、隣接するダブルパンケーキコイルを軸線方向の上下を逆として中央連結芯材に固定し、隣接するダブルパンケーキコイルの巻き終端位置を位置ずれさせていることを特徴とする超電導コイルユニット。
2. 前記巻枠の溝あるいは突起は、前記２つの巻き終端位置間の周方向中心位置から周方向に１０〜２０度ズレた位置に設け、前記巻枠を中央連結芯材に外嵌固定した状態で隣接するダブルパンケーキコイルの巻き終端位置を周方向に２０〜４０度位置ズレさせている請求項１に記載の超電導コイルユニット。
3. 請求項１または請求項２に記載の超電導コイルユニットを備えた超電導機器。

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