バルク超電導体の着磁装置、着磁方法及び超電導同期機
【課題】液体窒素で冷却可能な７７ケルビンの温度で磁束密度１テスラ以上の磁界を着磁することができ、かつ、着磁用磁束を効率よく利用でき、しかも、着磁後のバルク超電導体を単体として簡単に取り出して利用することができるバルク超電導体の着磁装置、着磁方法、および、それを利用した超電導同期機を提供する。
【解決手段】バルク超電導体と、前記バルク超電導体を超電導に転移する臨界温度以下の温度に冷却する冷却手段と、前記バルク超電導体の結晶のａ−ｂ軸平面の断面形状とほぼ同形状に巻成した着磁コイルを有する着磁手段と、前記バルク超電導体をその結晶のｃ軸が前記着磁コイルの巻線中心軸と平行となりかつ前記バルク超電導体の結晶のａ−ｂ軸平面の断面形状が前記着磁コイルの巻線の中心軸に垂直な方向の横断面形状と整合するように支持する支持手段と、を備えた。
【解決手段】バルク超電導体と、前記バルク超電導体を超電導に転移する臨界温度以下の温度に冷却する冷却手段と、前記バルク超電導体の結晶のａ−ｂ軸平面の断面形状とほぼ同形状に巻成した着磁コイルを有する着磁手段と、前記バルク超電導体をその結晶のｃ軸が前記着磁コイルの巻線中心軸と平行となりかつ前記バルク超電導体の結晶のａ−ｂ軸平面の断面形状が前記着磁コイルの巻線の中心軸に垂直な方向の横断面形状と整合するように支持する支持手段と、を備えた。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はバルク超電導体（高温超電導体）を着磁させる着磁装置およびその着磁方法、および前記着磁装置及び着磁方法を適用した超電導同期機に関する。
【背景技術】
【０００２】
バルク超電導体は、超電導材料中にピン止め効果を示す非超電導相を分散して溶融成長させた高温超電導体の固まりである。バルク超電導体は大きな磁場を捕捉することができ、着磁させたのちに磁石として用いれば、高性能のモーターや発電機等に有効に利用することができる。
【０００３】
上記バルク超電導体の着磁方法には、大別して静磁場着磁法とパルス着磁法がある。静磁場着磁法は着磁対象のバルク超電導体とは別個の超電導磁石を用意し、静磁場によってバルク超電導体を着磁させる。静磁場着磁法によれば、７７ケルビンにおいて磁束密度４テスラを超える磁界をバルク超電導体に着磁させることができ、強い磁界を得ることができる。しかし、静磁場着磁法を行う着磁装置は装置の小型化に限界があり、バルク超電導体を組み込んだ機器において該バルク超電導体を着磁させるには不利であった。
【０００４】
これに対して、パルス着磁法は、バルク超電導体の側面にコイルを配置し、該コイルにパルス電流を流してパルス着磁させるものである。パルス着磁法を行う装置は静磁場着磁法の装置より一般に小型化が可能であり、大きさの面でバルク超電導体を組み込んだ機器において該バルク超電導体を着磁させるのに適している。
【０００５】
以下に従来のバルク超電導体の着磁法を図面を用いて説明する。
【０００６】
図１２は従来のバルク超電導体の着磁装置（その１）の構成図である。
【０００７】
この図において、符号６１はバルク超電導体を磁石として用いる機器、６２は機器６１内に設置された真空容器、６３は真空容器６２内に設置された冷媒容器、６４は冷媒容器６３内に設置された着磁コイル、６５は着磁コイルの中空部に設置されたバルク超電導体、６は機器６１の外に設置された電源、６７は着磁コイル６４と電源６６とを接続する接続線、６８は冷媒容器６３に接続された冷媒配管、６９は冷媒としての液体窒素である。７０は冷媒配管６８に設けられた接続線６７のための貫通部である。
【０００８】
バルク超電導体６５は冷媒配管６８を通して冷媒容器６３に入れられた液体窒素６９によって超電導に転移する臨界温度以下の温度に冷却され、超電導の状態になる。この状態で電源６６から接続線６７を介して着磁コイル６４に電流を流すようにすると、着磁コイル６４は磁束がバルク超電導体６５の外周から着磁コイル６４の中空部を図面における垂直方向に通る磁場を発生する。この磁場をバルク超電導体６５に磁束が侵入する第１（下部）臨界磁場と第２（上部）臨界磁場の間の磁場にすると、バルク超電導体６５は磁化される。このバルク超電導体６５の磁化された状態は電源６６の電流を遮断した後も維持され、機器６１の磁石として機能する。
【０００９】
次に、従来のパルス着磁法によるバルク超電導体の着磁装置について説明する。
【００１０】
図１３は従来のパルス着磁法によるバルク超電導体の着磁装置（その２）の構成図である。
【００１１】
図において、符号７１は断熱容器、７２は断熱容器７１内のコールドヘッド、７３は冷凍機、７４は圧縮機、７５は銅ブロック、７６はバルク超電導体、７７は着磁コイル、７８は着磁用パルス電流を流すパルス電源である。パルス電源７８は、直流可変電圧源７９と切換スイッチ８０とコンデンサ８１とダイオード８２とを有している。着磁コイル７７はバルク超電導体７６の外周を囲むように巻成されている。
【００１２】
図１３の着磁装置において、バルク超電導体７６は冷凍機７３によって冷却されたコールドヘッド７２により銅ブロック７５を介して超電導に転移する臨界温度以下の温度に冷却されて超電導の状態になる。この状態で、パルス電源７８ははじめに切換スイッチ８０によって直流可変電圧源７９とコンデンサ８１を接続してコンデンサ８１を充電し、次に、切換スイッチ８０を切り換えてコンデンサ８１と着磁コイル７７を接続して着磁コイル７７にパルス電流を流す。パルス電源７８はこの動作を繰り返して着磁コイル７７にパルス状のパルス電流を流す。
【００１３】
着磁コイル７７にパルス電流が流されると、そのときどきの電流の大きさに比例して着磁コイル７７の中空部を通る磁束が生成される。この磁束は超電導の状態になったバルク超電導体７６によって捕捉され、バルク超電導体７６が着磁される。バルク超電導体の７６が捕捉する磁束の量は着磁コイル７７に流されるパルス電流の大きさすなわちパルス電流の振幅に比例する。このパルス電流の振幅は直流可変電圧源７９の電圧を変えることによってコンデンサ８１の充電電圧が変わりそれによって変化する。したがって、直流可変電圧源７９の電圧を高くするとバルク超電導体７６が強く着磁される。
【特許文献１】特許第３１７２６１１号公報
【特許文献２】特開平１０−１２４２９号公報
【特許文献３】特開平１０−１５４６２０号公報
【特許文献４】特開２００１−１１０６３７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかし、上記従来のパルス着磁法によるバルク超電導体の着磁は、７７ケルビンにおいて磁束密度１テスラを超える磁界を着磁させることが困難であった。具体的には、従来のパルス着磁法によって磁束密度１テスラを超える磁界を着磁させるには、ヘリウムによって７７ケルビン以下の温度に冷却しなければならなかった。
【００１５】
このため、液体窒素によって簡易に冷却できる７７ケルビンにおいて磁束密度１テスラを超える磁界を着磁させる装置・方法が従来から強く求められていた。
【００１６】
加えて、従来のバルク超電導体の着磁装置・方法は、着磁効率が低いという問題があった。
【００１７】
すなわち、従来のバルク超電導体の着磁装置・方法は、図１２及び図１３に示されているように、着磁コイルがバルク超電導体の側面外周に設置されており、磁束は着磁コイルの周囲に同心円状に発生して着磁コイルの中空部を通る。この場合に、着磁コイルとバルク超電導体の距離が長いため、着磁に利用される磁束が減少するという問題があった。
【００１８】
さらに、従来のバルク超電導体の着磁装置・方法は、図１２及び図１３から明らかなように、バルク超電導体の側面外周を着磁コイルで囲む構造であった。このため、着磁後にバルク超電導体を単体として取り出して永久磁石として利用するためには少なくともバルク超電導体を着磁コイルの中空部から抜き出す動きが必要であり、このため、バルク超電導体を利用する実機において複雑なバルク超電導体の支持機構を備える必要があり不便であった。
【００１９】
そこで、本発明の解決しようとする課題は、液体窒素で冷却可能な７７ケルビンの温度で磁束密度１テスラ以上の磁界を着磁することができ、かつ、着磁用磁束を効率よく利用でき、しかも、着磁後のバルク超電導体を単体として簡単に取り出して利用することができるバルク超電導体の着磁装置、着磁方法、および、それを利用した超電導同期機を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
本発明の発明者は、十分に着磁されたバルク超電導体の磁場分布と同一の磁場分布を有する着磁用の磁界によってバルク超電導体を着磁させれば、効率よくバルク超電導体を着磁させることができるという知見を得て、本発明を発明したものである。本発明は、着磁対象のバルク超電導体の磁場分布と同一の磁場分布を有する着磁用磁界を発生させるために、バルク超電導体の結晶のａ−ｂ軸平面の断面形状とほぼ同形状に渦巻状に巻成した着磁コイルを用いる。
【００２１】
すなわち、本発明によるバルク超電導体の着磁装置は、バルク超電導体と、前記バルク超電導体を超電導に転移する臨界温度以下の温度に冷却する冷却手段と、前記バルク超電導体の結晶のａ−ｂ軸平面の断面形状とほぼ同形状に巻成した着磁コイルを有する着磁手段と、前記バルク超電導体をその結晶のｃ軸が前記着磁コイルの巻線中心軸と平行となりかつ前記バルク超電導体の結晶のａ−ｂ軸平面の断面形状が前記着磁コイルの巻線の中心軸に垂直な方向の横断面形状と整合するように支持する支持手段と、を有することを特徴とするものである。
【００２２】
前記着磁コイルは、巻線の中心部が空洞にすることができる。
【００２３】
また、前記着磁手段は、対をなす前記着磁コイルを有し、前記対をなす着磁コイルをそれらの巻線の中心軸が一致しかつ前記中心軸に垂直な方向の前記着磁コイルの横断面形状が整合するように前記着磁コイルを設けており、前記支持手段は、前記バルク超電導体を前記着磁手段の前記着磁コイルの間に、前記バルク超電導体の結晶のｃ軸が前記着磁コイルの巻線の中心軸と平行となりかつ前記バルク超電導体の結晶のａ−ｂ軸平面の断面形状が前記着磁コイルの巻線の中心軸に垂直な方向の横断面形状と整合するように支持するようにすることができる。
【００２４】
前記支持手段は、前記着磁コイルに対して前記バルク超電導体を移動可能に支持するようにするのが好ましい。
【００２５】
あるいは、前記着磁手段は、前記バルク超電導体に対して前記着磁コイルを相対的に移動可能に構成されているようにすることもできる。
【００２６】
本発明によるバルク超電導体の着磁方法は、バルク超電導体を、前記バルク超電導体の結晶のａ−ｂ軸平面の断面形状とほぼ同形状に巻成した着磁コイルの近傍に、前記バルク超電導体の結晶のｃ軸が前記着磁コイルの巻線中心軸と平行となりかつ前記バルク超電導体の結晶のａ−ｂ軸平面の断面形状が前記着磁コイルの巻線中心軸に垂直な方向の前記着磁コイルの横断面形状と整合するように配置する段階と、前記バルク超電導体を超電導に転移する臨界温度以下の温度に冷却する段階と、前記着磁コイルに第１臨界磁場と第２臨界磁場の間の磁場を発生する電流を流す段階と、を有することを特徴とするものである。
【００２７】
前記着磁コイルは、巻線の中心部が空洞になっているようにすることができる。
【００２８】
前記着磁コイルは一対の着磁コイルからなり、前記対をなす着磁コイルはそれらの巻線の中心軸が一致しかつ前記中心軸に垂直な方向の前記着磁コイルの横断面形状が整合するように配置され、前記バルク超電導体は前記着磁コイルの間に、その結晶のｃ軸が前記着磁コイルの巻線の中心軸と平行となりかつ前記バルク超電導体の結晶のａ−ｂ軸平面の断面形状が前記着磁コイルの巻線の中心軸に垂直な方向の横断面形状と整合するように配置されるようにすることができる。
【００２９】
前記着磁コイルに第１臨界磁場と第２臨界磁場の間の磁場を発生する電流を流した後に、前記バルク超電導体を前記臨界温度以下の温度に維持したまま前記着磁コイルに対して相対的に移動させる段階をさらに有するようにすることができる。
【００３０】
本発明による超電導同期機は、回転軸に該回転軸に垂直な方向に円板を固定し、前記円板の周方向に結晶のｃ軸が前記回転軸の軸方向と平行になるように配置した複数のバルク超電導体と、前記バルク超電導体を超電導に転移する臨界温度以下の温度に冷却する冷却手段と、前記バルク超電導体の結晶のａ−ｂ軸平面の断面形状とほぼ同形状に巻成したコイルを有し、前記円板が所定の回転角度のときに前記コイルの巻線の中心軸が前記バルク超電導体の結晶のｃ軸と平行になりかつ前記バルク超電導体の結晶のａ−ｂ軸平面の断面形状が前記コイルの巻線の中心軸に垂直な方向の横断面形状と整合するように前記コイルを設けた磁場生成手段と、前記コイルに第１臨界磁場と第２臨界磁場の間の磁場を生成する電流を供給する着磁用電源と、前記バルク超電導体を駆動する電流を前記磁場生成手段のコイルに供給する交流電源と、磁場生成モードと交流電流供給モードとを切り換える切換スイッチと、を具備することを特徴とするものである。
【００３１】
本発明による他の超電導同期機は、回転軸に該回転軸に垂直な方向に円板を固定し、前記円板の周方向に結晶のｃ軸が前記回転軸の軸方向と平行になるように配置した複数のバルク超電導体と、前記バルク超電導体を超電導に転移する臨界温度以下の温度に冷却する冷却手段と、前記バルク超電導体の結晶のａ−ｂ軸平面の断面形状とほぼ同形状に巻成したコイルを有し、前記円板が所定の回転角度のときに前記コイルの巻線の中心軸が前記バルク超電導体の結晶のｃ軸と平行になりかつ前記バルク超電導体の結晶のａ−ｂ軸平面の断面形状が前記コイルの巻線の中心軸に垂直な方向の横断面形状と整合するように前記コイルを設けた磁場生成手段と、前記コイルに第１臨界磁場と第２臨界磁場の間の磁場を生成する電流を供給する着磁用電源と、前記超電導体が配置された前記円板を回転駆動する原動機と、磁場生成モードと発電モードとを切り換えるモード切換スイッチと、を具備することを特徴とするものである。
【００３２】
本発明によるさらに他の超電導同期機は、回転軸に該回転軸に垂直な方向に円板を固定し、前記円板の周方向に結晶のｃ軸が前記回転軸の軸方向と平行になるように配置した複数のバルク超電導体と、前記バルク超電導体を超電導に転移する臨界温度以下の温度に冷却する冷却手段と、前記バルク超電導体の結晶のａ−ｂ軸平面の断面形状とほぼ同形状に巻成したコイルを有し、前記円板が所定の回転角度のときに前記コイルの巻線の中心軸が前記バルク超電導体の結晶のｃ軸と平行になりかつ前記バルク超電導体の結晶のａ−ｂ軸平面の断面形状が前記コイルの巻線の中心軸に垂直な方向の横断面形状と整合するように前記コイルを設けた磁場生成手段と、前記コイルに第１臨界磁場と第２臨界磁場の間の磁場を生成する電流を供給する着磁用電源と、前記バルク超電導体を駆動する電流を前記磁場生成手段のコイルに供給する交流電源と、前記超電導体が配置された前記円板を回転駆動する原動機と、磁場生成モードと交流電流供給モードと発電モードとを切り換えるモード切換スイッチと、を具備することを特徴とするものである。
【００３３】
前記バルク超電導体の磁界の強さを検出するセンサーを具備し、前記センサーの信号を入力し前記バルク超電導体を着磁させる磁場生成モードに切り換える制御手段を有するようにすることができる。
【００３４】
前記コイルは前記バルク超電導体を挟んで対をなし、対をなすコイルはそれらの巻線の中心軸が一致しかつ前記中心軸に垂直な方向の前記着磁コイルの横断面形状が前記バルク超電導体の結晶のａ−ｂ軸平面の断面形状と整合するようにすることができる。
【００３５】
前記コイル対の数は３の整数倍、前記バルク超電導体の数は２の整数倍とするのが好ましい。
【発明の効果】
【００３６】
本発明のバルク超電導体の着磁装置によれば、着磁コイルをバルク超電導体の結晶のａ−ｂ軸平面の断面形状とほぼ同形状に巻成することにより、十分に着磁されたバルク超電導体が生じる磁場分布と同一形状の磁場分布を有する着磁用磁界を発生することができる。そして、上記着磁コイルに対して、バルク超電導体をその結晶のｃ軸が着磁コイルの巻線中心軸と平行となりかつバルク超電導体の結晶のａ−ｂ軸平面の断面形状が着磁コイルの巻線の中心軸に垂直な方向の横断面形状と整合するように支持し、着磁コイルに着磁用の電流を流すことにより、着磁されるバルク超電導体の磁場分布と同一の磁場分布の磁界によってバルク超電導体を磁化することができる。この結果、７７ケルビンにおいてバルク超電導体に磁束密度１テスラ以上の磁界を発生させることができる。
【００３７】
その上、本発明のバルク超電導体の着磁装置によれば、着磁コイルと着磁対象のバルク超電導体を極めて近くに保持して、着磁用磁束をほとんど無駄なくバルク超電導体に貫通させることができる。これにより、磁束が着磁のために有効に利用される。さらに、着磁後に、着磁されたバルク超電導体を磁極方向と垂直な方向（側方方向）に平行移動させることによってバルク超電導体を着磁コイルの間から取り出し、永久磁石として利用することができる。これにより、バルク超電導体を利用する機器に簡単に組み込むことができ、バルク超電導体を利用する機器に幅広く適用することができる。
【００３８】
また、着磁コイルが巻線の中心部が空洞になっているバルク超電導体の着磁装置・着磁方法によれば、着磁コイルの材料を節約でき、かつ、着磁コイルが高温超電導体からなる場合に加工が困難な小径部分の巻線を形成することなく、十分に着磁されたバルク超電導体が生じる磁場分布と概略同一形状の磁場分布の着磁用磁界を発生させることができる。
【００３９】
本発明の超電導同期機は、回転軸に垂直に固定された円板上にその周方向にバルク超電導体を配置し、バルク超電導体に対向する位置の電機子コイルをバルク超電導体の結晶のａ−ｂ軸平面の断面形状とほぼ同形状に巻成し、円板が所定の回転角度になったときにコイルの巻線の中心軸が前記バルク超電導体の結晶のｃ軸と平行になりかつバルク超電導体の結晶のａ−ｂ軸平面の断面形状がコイルの巻線の中心軸に垂直な方向の横断面形状と整合するようにすることにより、本発明の着磁装置を実現することができる。
【００４０】
しかも、円板が回転することにより、着磁されたバルク超電導体は簡単に永久磁石として利用できる。
【００４１】
これにより、同期機の電機子コイルを着磁コイルとして利用するとともに、駆動用あるいは発電用のコイルとしてそのまま利用することができる。すなわち、バルク超電導体を着磁した後に電機子コイルに制御された駆動用駆動用を流せば、超電導モーターとして利用でき、あるいは、バルク超電導体を着磁した後に回転軸を回転駆動することによって電機子コイルを発電用コイルとして利用することができる。このように本発明によれば、電機子コイルを着磁用コイル、駆動用コイル、発電用コイルとして兼用して利用することができるので、小型かつ高効率の超電導同期機を提供することができる。
【００４２】
磁界センサーと制御手段を有する本発明の超電導同期機によれば、超電導同期機のバルク超電導体の磁力が低減すると、自動的にそれを検知して着磁モードヘ切り換えて、着磁することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４３】
以下に本発明の実施の形態について説明する。
【００４４】
図１は本発明の一実施形態によるバルク超電導体の着磁装置の構成を示している。
【００４５】
本実施形態の着磁装置１は、バルク超電導体２と、冷却手段３と、着磁手段４と、支持手段５を有している。
【００４６】
バルク超電導体２は、高温超電導体のうち液体窒素で簡単に冷却できる７７ケルビン付近で高磁場中でも高い臨界電流密度を示し超電導の状態が破れないＲＥ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ超電導体（ＲＥはＧｄ，Ｓｍ，Ｙなどの希土類元素）を用いるのが好ましい。
【００４７】
ＲＥ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ等のバルク超電導体は、原料中にピン止め効果を示す非超電導相を分散して溶融成長させた高温超電導体の固まり（バルク）である。バルク超電導体は高性能の永久磁石よりも大きな磁場を捕捉することができる。
【００４８】
本実施形態のバルク超電導体２は円柱状に形成され、側面にステンレスの側帯２ａを有し、側帯２ａの内部に酸化物超電導バルク材料２ｂ（仕込み組成：Ｄｄ１Ｂａ２Ｃｕ３Ｏ６．９，７０．９ｗｔ％、Ｇｄ２Ｂａ１Ｃｕ１Ｏ５．０，１９．２ｗｔ％、Ｐｔ ０．５ｗｔ％、Ａｇ ９．４ｗｔ％）を配置している。側帯２ａは適宜省略し、あるいは破損防止の他の代替手段とすることができる。
【００４９】
酸化物超電導バルク材料２ｂは、図１に示す方向に結晶のａ，ｂ軸及びｃ軸を有しているように成形する。すなわち、ｃ軸が円柱の中心軸と平行となるように成形する。
【００５０】
冷却手段３は、冷却装置３ａと冷媒通路３ｂとを有している。冷却装置３ａは内部に冷媒を有している。冷却通路３ｂは、配管あるいは支持手段５中に設けられた冷媒用の流路を含む。冷媒通路３ｂは、好ましくはバルク超電導体２の外周を循環し、バルク超電導体２を超電導の状態に転移する臨界温度以下の温度、すなわち本実施形態では７７ケルビン以下の温度に冷却することができるように配設されている。
【００５１】
着磁手段４は、一対の着磁コイル４ａと、着磁用のパルス電源４ｂと、接続線４ｃとを有している。接続線４ｃは着磁コイル４ａとパルス電源４ｂの間及び着磁コイル４ａ同士の間を接続している。
【００５２】
着磁コイル４ａは、バルク超電導体２（厳密には酸化物超電導バルク材料２ｂ）の結晶のａ−ｂ軸平面の断面形状とほぼ同形状に巻成されている。具体的には、着磁コイル４ａは渦巻状に円形に巻かれた導線が多層状に形成されている。なお、「同形状」とは、相似の場合を含み、輪郭が同一であって寸法が異なっている場合を含む。
【００５３】
各渦巻状の銅線の中心を結ぶ線を「巻線の中心軸」と呼ぶ。帯状の銅線を渦巻状に巻成する場合は、渦巻の中心で渦巻面に垂直な線が巻線の中心軸となる。
【００５４】
本実施形態のように、着磁コイル４ａが対をなす場合は、対をなす着磁コイル４ａの各着磁コイル４ａの巻線中心軸が一致しかつ巻線の中心軸に垂直な方向の着磁コイル４ａの横断面形状が整合するように配置する。なお本実施形態では、巻線の中心軸に垂直な方向の着磁コイル４ａの横断面形状は円形であるので、各着磁コイル４ａの巻線中心軸が一致すれば、各着磁コイル４ａの巻線の中心軸に垂直な方向の横断面形状は自動的に整合するが、例えば上記着磁コイル４ａの横断面形状が四角形の場合は各着磁コイル４ａの四角形の４辺が整合するように配置する。
【００５５】
対をなす着磁コイル４ａは、上述したように配置され、接続線４ｃによって着磁コイル４ａ同士、着磁コイル４ａとパルス電源４ｂの間が直列的に接続されている。
【００５６】
パルス電源４ｂは、従来のパルス電源のように図示しない直流可変電圧源と切換スイッチとコンデンサとダイオードとを有している。パルス電源４ｂは、従来技術のところで既述したように、切換スイッチの切り換えによってパルス状の着磁電流を着磁コイル４ａに流すことができるようになっている。
【００５７】
支持手段５は、バルク超電導体２をその酸化物超電導バルク材料の結晶のｃ軸が着磁コイル４ａの巻線中心軸と平行となりかつバルク超電導体２の酸化物超電導バルク材料の結晶のａ−ｂ軸平面の断面形状が着磁コイル４ａの巻線の中心軸に垂直な方向の横断面形状と整合するように支持する手段である。なお、バルク超電導体２と着磁コイル４ａの大きさが異なるときは巻線の中心軸が一致し、断面形状の頂点や辺が中心軸に関して同一の半径方向線上にあるように支持する。
【００５８】
支持手段５は、好ましくはバルク超電導体２を保持した状態で、バルク超電導体２を着磁コイル４ａの巻線中心軸に対して横断する方向に移動させることができるように構成されている。
【００５９】
着磁装置１において、着磁するときは、支持手段５により、バルク超電導体２を着磁手段４の着磁コイル４ａの間に、バルク超電導体２（酸化物超電導バルク材料２ｂ）の結晶のｃ軸が着磁コイル４ａの巻線の中心軸と平行となり、かつ、バルク超電導体２（酸化物超電導バルク材料２ｂ）の結晶のａ−ｂ軸平面の断面形状が着磁コイル４ａの巻線の中心軸に垂直な方向の横断面形状と整合する位置まで移動させ、その位置に支持する。
【００６０】
一方、冷却手段３により、冷媒通路３ｂを通じて冷媒を送り、バルク超電導体２を超電導の状態に転移する臨界温度以下の温度に冷却する。
【００６１】
その状態で、パルス電源４ｂにより、着磁用のパルス電流を着磁コイル４ａに流し、着磁コイル４ａに着磁用の磁界を発生させる。着磁コイル４ａに第１臨界磁場と第２臨界磁場の間の磁場を発生する電流を流すと、バルク超電導体２は着磁される。
【００６２】
図２は、着磁コイル４ａによつて生成される磁界の磁場分布を示している。
【００６３】
図２（ａ）は対をなす着磁コイル４ａとその間に支持されるバルク超電導体２の側面を示しており、図２（ｂ）は着磁コイル４ａによって発生される磁界の磁場分布を示している。
【００６４】
図２（ｂ）に示すように、横断面円形の渦巻状に巻成された着磁コイル４ａは、着磁用のパルス電流を流すと、円錐状の磁場分布の磁界を発生する。この円錐状の磁場は、円柱状のバルク超電導体２が十分に着磁された場合に発生する磁界と同一形状である。
【００６５】
このように磁場分布が同一形状の磁界によってバルク超電導体２を着磁させることにより、図３に示すように、着磁コイル４ａに加えたパルス電流の大きさに比例して着磁の最大磁場が増加し、パルス電流のピーク値が３５００アンペア付近で従来のパルス着磁法では得られなかった１テスラの最大捕捉磁束密度を超えることができる。
【００６６】
この着磁装置および着磁方法により、従来ヘリウム冷凍機や静静磁場着磁法を用いて１テスラを超える着磁を、液体窒素を用いてパルス着磁法によつて簡単かつ高効率で行うことができる。
【００６７】
また、本発明の着磁装置及び着磁方法によれば、着磁コイル４ａとバルク超電導体２を極めて近傍に配置して着磁させることができ、着磁コイル４ａによって発生された磁束が無駄なくバルク超電導体２の着磁用に使用され、高効率の着磁を行うことができる。
【００６８】
さらに、本発明の着磁装置及び着磁方法によれば、着磁後に支持手段５を旋回あるいは並進的に移動させれば、着磁コイル４ａの間からバルク超電導体２を取り出し、単体の永久磁石として利用することがてきる。これにより、着磁後に永久磁石として簡単に利用することができる機器を構成することができる。なお、バルク超電導体２の超電導の状態を維持するために、移動中および移動後も冷却手段３により、臨界温度（超電導遷移温度）以下の温度にバルク超電導体２を冷却する。
【００６９】
上記実施形態では支持手段５が可動的手段であり着磁コイル４ａが固定的手段であったが、要は着磁後のバルク超電導体２と着磁コイル４ａを相対的に移動させられればよく、必要に応じて支持手段５を固定側とし着磁コイル４ａを可動側としてもよい。
【００７０】
図４は、図１の着磁装置１の変形例である。
【００７１】
図４において、図１と同一の部分は図１と同一の符号を付して重複する説明を省略する。
【００７２】
図４の着磁装置１’は、着磁コイル４ａ’が巻線の中心部が空洞になっている点が図１の着磁装置１と異なり、その他の構成は図１の着磁装置１と同一である。
【００７３】
着磁装置１’の着磁方法は、図１の着磁装置１と同様である。ただし、着磁コイル４ａ’が中心部空洞になっていることにより着磁の磁場分布が異なる。
【００７４】
図５は着磁コイル４ａによつて生成される磁界の磁場分布を示している。
【００７５】
図５（ａ）は対をなす巻線中心部が空洞の着磁コイル４ａ’とその間に支持されるバルク超電導体２の側面を示しており、図５（ｂ）は着磁コイル４ａ’によって発生される磁界の磁場分布を示している。
【００７６】
図５（ｂ）に示すように、横断面円形の渦巻状に巻成され巻線中心部が空洞になった着磁コイル４ａ’は、着磁用のパルス電流を流すと、概略円錐状であるが頂部がわずかに窪んだ円錐台状の磁場分布の磁界を発生する。この円錐台状の磁場は、円柱状のバルク超電導体２が着磁された場合に発生する磁界と完全に同一形状ではないが、類似する磁場分布により図１の着磁装置１とほぼ同様に高効率の着磁を実現することができる。
【００７７】
本着磁装置１’のように、着磁コイル４ａ’が巻線の中心部が空洞になっている場合は、着磁コイルの材料を節約でき、かつ、高温超電導体の線材によって着磁コイルを形成するときに加工が困難な小径部分の巻線を巻くことなく巻線を形成することができ、かつ、着磁されたバルク超電導体の磁場分布と概略同一形状の磁場分布の着磁用磁界を発生することができるので、実用性の高い着磁装置・着磁方法を得ることができる。
【００７８】
以上の実施形態では円柱状のバルク超電導体と円柱状に巻成した着磁コイルについて説明した。しかし、十分に着磁されたバルク超電導体の磁場分布と同一の磁場分布を有する着磁用の磁界によってバルク超電導体を着磁させれば、効率よくバルク超電導体を着磁させることができるという技術的思想は任意の形状の超電導体に適用することができる。以下にその一例として棒状の直方体に形成したバルク超電導体を着磁する着磁装置について説明する。
【００７９】
図６は、棒状の直方体に形成したバルク超電導体を着磁する着磁装置を示している。
【００８０】
本実施形態の着磁装置６は、バルク超電導体７と、冷却手段８と、着磁手段９と、支持手段１０を有している。
【００８１】
バルク超電導体７は、全体として棒状の直方体に形成されている。実際にはサイコロ状のバルク超電導体を複数個接続して形成するが、全体として結晶のｃ軸が長さ方向に直交する方向に同一の向きを有するように形成する。
【００８２】
バルク超電導体７の材料は図１のバルク超電導体２と同一のものとすることができる。
【００８３】
冷却手段８は、冷却装置８ａと冷媒通路８ｂとを有している。冷却装置８ａは内部に冷媒を有している。冷却通路８ｂは、配管あるいは支持手段１０中に設けられた冷媒用の流路を含む。冷媒通路８ｂは、好ましくはバルク超電導体７の外周を循環し、バルク超電導体７を超電導の状態に転移する臨界温度以下の温度に冷却することができるように配設されている。
【００８４】
着磁手段９は、一対の着磁コイル９ａと、着磁用のパルス電源９ｂと、接続線９ｃとを有している。接続線９ｃは着磁コイル９ａとパルス電源９ｂの間及び着磁コイル９ａ同士の間を接続している。
【００８５】
着磁コイル９ａは、バルク超電導体７の結晶のａ−ｂ軸平面の断面形状とほぼ同形状に巻成されている。具体的には、着磁コイル９ａは輪郭が長方形で渦巻状に巻かれた導線が多層状に形成されている。なお、「同形状」とは、既述したように相似の場合を含む。
【００８６】
着磁コイル９ａは、多層構造とすることなく、帯状の線材を渦巻状に単層に巻成することができる。
【００８７】
各渦巻状の銅線の中心を結ぶ線を巻線の中心軸と呼ぶが、この場合は長さ方向の中心であって且つ渦巻状の銅線の中心（幅方向の中心）が巻線の中心軸となる。帯状の銅線を渦巻状に巻成する場合は、渦巻の中心（幅方向の中心）かつ長さ方向の中心を通り渦巻面に垂直な線が巻線の中心軸となる。
【００８８】
本実施形態は着磁コイル９ａが対をなすので、対をなす着磁コイル９ａの各着磁コイル９ａの巻線の中心軸が一致しかつ巻線の中心軸に垂直な方向の着磁コイル９ａの横断面形状（概略長方形）が整合するように配置する。概略長方形の横断面が整合するというのは、巻線中心軸に対して長方形の頂点あるいは４辺が同一角度に位置することをいう。あるいは巻線中心軸から見たときに、両着磁コイル９ａの横断面形状が一致するようにしてもよい。
【００８９】
両着磁コイル９ａは接続線９ｃによって直列的に接続され、さらにパルス電源９ｂに接続されている。
【００９０】
パルス電源９ｂは、従来のパルス電源のように図示しない直流可変電圧源と切換スイッチとコンデンサとダイオードとを有し、切換スイッチの切り換えによってパルス状の着磁電流を着磁コイル９ａに流すことができるようになっている。
【００９１】
支持手段１０は、バルク超電導体７をその結晶のｃ軸が着磁コイル９ａの巻線中心軸と平行となりかつバルク超電導体７の結晶のａ−ｂ軸平面の断面形状が着磁コイル９ａの巻線の中心軸に垂直な方向の横断面形状と整合するように支持する手段である。
【００９２】
支持手段１０は、好ましくはバルク超電導体７を保持した状態で、バルク超電導体７を着磁コイル９ａの巻線中心軸に対して横断する方向に移動させることができるように構成される。
【００９３】
図７は、着磁コイル９ａによって生成される磁界の磁場分布を示している。
【００９４】
図７（ａ）は対をなす着磁コイル９ａとその間に支持されるバルク超電導体７を幅方向から見た側面を示しており、図７（ｂ）は着磁コイル９ａによって発生される磁界の磁場分布を示している。
【００９５】
図７（ｂ）に示すように、横断面が概略長方形の渦巻状に巻成された着磁コイル９ａは、着磁用のパルス電流を流すと、長い畝状で長さ方向に直交する横断面が三角形の磁場を発生する。この長い畝状の磁場は、棒状の直方体のバルク超電導体７が十分に着磁された場合に発生する磁界と同一形状である。
【００９６】
このように磁場分布が同一形状の磁界によってバルク超電導体７を着磁させることにより、７７ケルビンで１テスラの磁束密度を超える着磁を行うことができる。
【００９７】
着磁後は、支持手段１０を巻線の中心軸と直交する方向に移動させることにより、着磁されたバルク超電導体７を着磁コイル９ａの間から簡単に取り出すことができ、永久磁石として利用することができる。
【００９８】
上記着磁コイル９ａにおいて、巻線の中心部を空洞とすることもできる。この場合は、着磁コイル９ａが生じる畝状の磁場は、その頂部が少し窪むようになるが、概略着磁されたバルク超電導体７が生じる磁界の磁場分布と同一となる。この場合も、高効率でバルク超電導体７を着磁させることができるとともに、曲げ半径が小さい巻線中心部を巻くことを要しないので、製造容易な着磁装置６を得ることができる。
【００９９】
以上の実施形態は、すべて着磁コイルが対をなす実施形態について説明したが、一つの着磁コイルを用いてバルク超電導体を片側から着磁させることもできる。
【０１００】
以上は本発明の着磁装置および着磁方法についての説明であったが、次に本発明の着磁装置・着磁方法を利用した超電導同期機について以下に説明する。
【０１０１】
図８は本発明の一実施形態によるバルク超電導体の着磁装置を有する同期機の構成図、図９はそのバルク超電導体の部分を示す平面図である。
【０１０２】
図８及び図９において、符号１１は回転軸、１２は回転軸１１に垂直な方向に固定された円板、１３は外側ケーシング、１４は内側ケーシング、１５は管、１６は冷却手段を構成する冷媒生成機、１７は着磁用のパルス電流を生成する着磁用電源、１８は接続線、１９Ａ，１９Ｂは軸受、２０Ａ，２０Ｂはシール、２１，２１’〜２６，２６’は磁場生成手段の構成要素および駆動用コイルを兼ねる電機子コイル、２７は冷却手段を構成する冷媒チャンバ、２８は断熱部、２９〜３６は円板１２に形成された穴、３７〜４４は穴２９〜３６にそれぞれ配置されたバルク超電導体、４５は同期機を駆動するための交流電源、４６は着磁をするための磁場生成モードと駆動運転をするための交流電流供給モードとを切り換える切換スイッチである。
【０１０３】
なお、円板１２は本発明の着磁装置の支持手段に相当し、回転軸１１に垂直な方向に固定され、その周方向に結晶のｃ軸が回転軸１１と平行になるようにバルク超電導体３７〜４４を保持している。
【０１０４】
また、電機子コイル２１，２１’〜２６，２６’は、バルク超電導体３７〜４４の結晶のａ−ｂ軸平面の断面形状とほぼ同形状に巻成され、円板１２が所定の回転角度のときに前記コイルの巻線の中心軸がバルク超電導体３７〜４４の結晶のｃ軸と平行になりかつ前記バルク超電導体の結晶のａ−ｂ軸平面の断面形状が前記コイルの巻線の中心軸に垂直な方向の横断面形状と整合するように設けられている。
【０１０５】
また、ここでは、内側ケーシング１４の内部に磁界センサー(ここではホール素子)４７を配置し、この磁界センサー４７により検出されるバルク超電導体の磁力が所定値より下がると制御手段（制御器；PC）４８を介して、自動的にを着磁モードに切り換えるようにしている。なお、円板１２自体を冷却することができ、その場合には図示されていない冷却手段を別途付加する。
【０１０６】
以下、そのバルク超電導体の着磁装置を有する同期機の動作について説明する。
【０１０７】
まず、着磁のための磁場生成モードについて説明する。
【０１０８】
円板１２に取り付けられた8個のバルク超電導体３７〜４４は冷媒チャンバ２７内の冷媒、例えば液体窒素によって超電導に転移する臨界温度以下に冷却される。
【０１０９】
その間に、磁場生成手段の要素であり内側ケーシング１４の側面部に対向するように6個ずつ取り付けられている電機子コイル２１，２１’〜２６，２６’に対して、円板１２を回転させ、例えば、電機子コイル２１，２１’とバルク超電導体３７の中心を合わせる(このとき図９に示すように電機子コイル２４，２４’とバルク超電導体４１の中心も合う)。
【０１１０】
この状態で電機子コイル２１，２１’に着磁用電源１７から電流を流して（電機子コイル２１，２１’と電機子コイル２４，２４’に同時に電流を流すことが可能）、バルク超電導体３７の周りにバルク超電導体３７に磁束が侵入する第１臨界磁場と第２臨界磁場の間の磁場をつくる。そのようにすると、バルク超電導体３７は磁化され、電機子コイル２１と電機子コイル２１’に流,していた着磁用電源１７の電流を遮断した後もバルク超電導体３７が磁化されたまま残りバルク超電導体３７は磁石になる（バルク超電導体４１も同時に磁化させることができる)。
【０１１１】
次に、円板１２を回転させ、例えば、電機子コイル２１，２１’とバルク超電導体３８の中心を合わせ（このとき電機子コイル２４，２４’とバルク超電導体４２の中心も合う）、同様なことを前述した電流とは逆向きに流す。これにより、バルク超電導体３８は磁石になる（バルク超電導体４２も同時に磁化することが可能）。このようにしてバルク超電導体３７，３９，４１，４３を同じ極性、バルク超電導体３８，４０，４２，４４をそれらとは逆極性の磁石にする。
【０１１２】
このように本実施形態において、電機子コイル２１，２１’〜２６，２６’は、後述するように回転軸１１を回転駆動する機能とともに、上述したようなバルク超電導体３７〜４４を磁化する機能も有している。
【０１１３】
次に回転駆動のための交流電流供給モードについて説明する。
【０１１４】
バルク超電導体３７〜４４が着磁されると、切換スイッチ４６を切り換えることにより、着磁用電源１７から交流電源４５に電流の供給源が変わり、交流電流供給モードになり、着磁されたバルク超電導体３７〜４４と電機子コイル２１，２１’〜２６，２６’間にフレミングの左手の法則による力が働き、超電導電動機としての機能を発揮する。そして、その駆動状態で、上記したように、バルク超電導体の磁力の強さが磁界センサー４７と制御手段４８によりモニターされ、磁力の強さが所定値より下がると、制御手段４８により自動的にバルク超電導体の着磁モード（磁場生成モード）に切り換えることができる。
【０１１５】
このように、本実施形態によれば、電機子コイル２１，２１’〜２６，２６’をバルク超電導体３７〜４４の着磁用とともに、着磁されたバルク超電導体３７〜４４の回転駆動用にも利用するようにしたので、超電導同期機を小型化することができる。
【０１１６】
また、本実施形態の超電導同期機は、本発明による着磁装置を用いているので、高効率で強力な着磁を行えるなど本発明による着磁装置の特有の作用効果をすべて奏することができる。
【０１１７】
次に他の実施形態による超電導同期機について説明する。
【０１１８】
図１０は上記他の実施形態による超電導同期機の構成を示している。図１０において、図８の超電導同期機と同一の部分は図８と同一の符号を付して重複する説明を省略する。
【０１１９】
本実施形態による超電導同期機は、本発明の着磁装置を有する発電機型の同期機である。
【０１２０】
本実施形態の超電導同期機は、負荷４９を有し、磁場生成モード(着磁モード)と発電モードとを切り換えるモード切り換えスィッチ５０を有している。また、発電モード時に回転軸１１を回転駆動する原動機５１も備えている。
【０１２１】
本実施形態の超電導同期機では、図８の超電導同期機と同様の磁場生成モード（着磁モード）により、バルク超電導体３７〜４４を着磁させる。
【０１２２】
発電モードは、バルク超電導体３７〜４４を着磁させた後に、モード切り換えスィッチ５０を切り換えて発電モードとし、原動機５１により回転軸１１を回転駆動する。回転軸１１を原動機５１で回転駆動することにより、着磁されたバルク超電導体３７〜４４と電機子コイル２１，２１’〜２６，２６’の間でフレミングの右手の法則による電磁誘導作用により発電が行われる。このときに発生された電流は負荷４９に供給され、仕事をすることができる。
【０１２３】
磁界センサー４７はバルク超電導体３７〜４４の磁力を検出し、制御手段４８は磁界センサー４７の検出信号を入力し、バルク超電導体３７〜４４の磁力が所定の値より小さくなったときに、自動的に着磁モード（磁場生成モード）に切り換えてバルク超電導体３７〜４４を着磁するようにモード切り換えスィッチ５０を制御する。
【０１２４】
本実施形態によれば、電機子コイル２１，２１’〜２６，２６’をバルク超電導体３７〜４４の着磁用に使用するとともに、着磁されたバルク超電導体３７〜４４によって電流が発生する発電用コイルとしても利用するようにしたので、超電導同期機を小型化することができる。
【０１２５】
次にさらに他の実施形態による超電導同期機について説明する。
【０１２６】
図１１は上記さらに他の実施形態による超電導同期機の構成を示している。図１１において、図８の超電導同期機と同一の部分は図８と同一の符号を付して重複する説明を省略する。
【０１２７】
本実施形態による超電導同期機は、本発明の着磁装置を有し、磁場生成モード(着磁モード)と、交流電流供給モード(駆動モード)と、発電モードとを切り換えて運転することができる同期機である。
【０１２８】
本実施形態の超電導同期機は、交流電源５２と、負荷５３と、モード切換スイッチ５４と、制御手段５５と、原動機５６とを有している。
【０１２９】
本実施形態の超電導同期機は、図８および図１０の超電導同期機と同様の磁場生成モード（着磁モード）により、バルク超電導体３７〜４４を着磁させる。
【０１３０】
モード切換スイッチ５４の切り換えにより、交流電流供給モード(駆動モード)にある場合には、図８の超電導同期機と同様に、交流電源５２から電機子コイル２１，２１’〜２６，２６’へ交流電流を供給し、着磁されたバルク超電導体３７〜４４との相互作用により超電導電動機として機能する。
【０１３１】
一方モード切換スイッチ５４の切換により、発電モードにある場合には、図１０の超電導同期機と同様に、原動機５６により回転軸１１を積極的に回転駆動することにより、着磁されたバルク超電導体３７〜４４と電機子コイル２１，２１’〜２６，２６’の間でフレミングの右手の法則による電磁誘導作用により発電を行い、負荷５３に電力を供給することができる。
【０１３２】
本実施形態においても、発電モード又は電動モ一ドのいずれの場合においても、磁界センサー４７がバルク超電導体３７〜４４の磁力の強さを検出し、制御手段５５は磁界センサー４７の検出信号を入力し、バルク超電導体３７〜４４の磁力がある値以下に低下した場合には、着磁モード（磁場生成モード）に切り換えてバルク超電導体３７〜４４を着磁するようにモード切換スイッチ５４を制御する。
【０１３３】
なお、本実施形態のように横断面（結晶のａ−ｂ軸断面）が円形のバルク超電導体は十分に磁化されると円錐状の磁束密度分布になる。このとき電機子コイル２１，２１’〜２６，２６’が渦巻状に円形に巻成されていると、同期機の起電力が正弦波状になるという効果も生じる。逆に渦巻状の円形のコイルに電流を流したとき作られる磁場は円錐状の磁束密度を生成するので、これは前述したように十分磁化されたバルク超電導体の磁東密度分布と同じ形状であるので、バルク超電導体を効率よく磁化できるという効果を奏する。
【０１３４】
以上のように、本実施形態によれば、電機子コイル２１，２１’〜２６，２６’をバルク超電導体３７〜４４の着磁用に使用するとともに、着磁されたバルク超電導体３７〜４４の回転駆動用にも利用し、さらに着磁されたバルク超電導体３７〜４４によって電流が発生する発電用コイルとしても利用するようにしたので、多機能かつ小型化された超電導同期機を提供することができる。
【０１３５】
なお、上記実施形態においては、コイル対の数は３、バルク超電導体の数は８になっているが、本願発明ではコイル対の数を３の整数倍、バルク超電導体の数を２の整数倍にするのが好ましい。この構成により、着磁するために電機子コイルと位置整合する一対のバルク超電導体以外のバルク超電導体は電機子コイルと位置整合せず、不均衡な力が生じないようにバランスされる。また、バルク超電導体と電機子コイルの位相がわずかずつずれるので、駆動用あるいは発電用として好適である。
【０１３６】
また、上記実施形態においては、電機子コイルが着磁コイルと駆動用コイルを兼ね、あいるは着磁コイルと発電用コイルを兼ね、あるいは着磁コイルと駆動用コイルと発電用コイルを兼ねているが、むろん駆動用コイルと発電用コイルとは別個に着磁コイルを用意してもよい。この場合においても、着磁効率が高く、また着磁後にバルク超電導体を移動させて永久磁石として簡単に利用することができるという作用効果を有する。
【０１３７】
本発明の超電導同期機によれば、強力な磁場によって大きなトルクを発生することができ、電力変換効率が高く、従来の超電導同期機を格段に小型軽量化することができる。
【０１３８】
また、本発明は電気推進のプロペラを回す舶用高温超電導同期機において、着磁巻線と鉄芯レス電気子巻線との併用を可能にするものであり、その設計と製作に大きく貢献することができる。
【０１３９】
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【図面の簡単な説明】
【０１４０】
【図１】本発明の一実施形態によるバルク超電導体の着磁装置の構成図。
【図２】本発明の一実施形態によるバルク超電導体の着磁装置と着磁用磁界の磁場分布の関係を示した図。
【図３】パルス電流の強さとバルク超電導体による最大捕捉磁束密度の関係を示したグラフ。
【図４】本発明の一実施形態によるバルク超電導体の着磁装置の構成図。
【図５】図４の実施形態によるバルク超電導体の着磁装置と着磁用磁界の磁場分布の関係を示した図。
【図６】本発明の一実施形態によるバルク超電導体の着磁装置の構成図。
【図７】図６の実施形態によるバルク超電導体の着磁装置と着磁用磁界の磁場分布の関係を示した図。
【図８】本発明の一実施形態による超電導同期機の構成図。
【図９】図８の超電導同期機のバルク超電導体と電機子コイルの位置関係を示した図。
【図１０】本発明の一実施形態による超電導同期機の構成図。
【図１１】本発明の一実施形態による超電導同期機の構成図。
【図１２】従来の着磁装置の構成図。
【図１３】従来の着磁装置の構成図。
【符号の説明】
【０１４１】
１ 着磁装置
２ バルク超電導体
２ａ 側帯
２ｂ 酸化物超電導バルク材料
３ 冷却手段
３ａ 冷凍装置
３ｂ 冷媒通路
４ 着磁手段
４ａ 着磁コイル
４ｂ パルス電源
４ｃ 接続線
５ 支持手段
６ 着磁装置
７ バルク超電導体
８ 冷却手段
９ 着磁手段
９ａ 着磁コイル
９ｂ パルス電源
９ｃ 接続線
１０ 支持手段
１１ 回転軸
１２ 円板
１３ 外側ケーシング
１４ 内側ケーシング
１５ 管
１６ 冷媒生成機
１７ 着磁用電源
１８ 接続線
１９ 軸受
２０ シール
２１ 電機子コイル
２１’ 電機子コイル
２２ 電機子コイル
２２’ 電機子コイル
２３ 電機子コイル
２３’ 電機子コイル
２４ 電機子コイル
２４’ 電機子コイル
２５ 電機子コイル
２５’ 電機子コイル
２６ 電機子コイル
２６’ 電機子コイル
２７ 冷媒チャンバ
２８ 断熱部
２９ 穴
３０ 穴
３１ 穴
３２ 穴
３３ 穴
３４ 穴
３５ 穴
３６ 穴
３７ バルク超電導体
３８ バルク超電導体
３９ バルク超電導体
４０ バルク超電導体
４１ バルク超電導体
４２ バルク超電導体
４３ バルク超電導体
４４ バルク超電導体
４５ 交流電源
４６ 切換スイッチ
４８ 制御手段
４９ 負荷
５０ モード切り換えスィッチ
５１ 原動機
５２ 交流電源
５３ 負荷
５４ モード切換スイッチ
５５ 制御手段
５６ 原動機
【技術分野】
【０００１】
本発明はバルク超電導体（高温超電導体）を着磁させる着磁装置およびその着磁方法、および前記着磁装置及び着磁方法を適用した超電導同期機に関する。
【背景技術】
【０００２】
バルク超電導体は、超電導材料中にピン止め効果を示す非超電導相を分散して溶融成長させた高温超電導体の固まりである。バルク超電導体は大きな磁場を捕捉することができ、着磁させたのちに磁石として用いれば、高性能のモーターや発電機等に有効に利用することができる。
【０００３】
上記バルク超電導体の着磁方法には、大別して静磁場着磁法とパルス着磁法がある。静磁場着磁法は着磁対象のバルク超電導体とは別個の超電導磁石を用意し、静磁場によってバルク超電導体を着磁させる。静磁場着磁法によれば、７７ケルビンにおいて磁束密度４テスラを超える磁界をバルク超電導体に着磁させることができ、強い磁界を得ることができる。しかし、静磁場着磁法を行う着磁装置は装置の小型化に限界があり、バルク超電導体を組み込んだ機器において該バルク超電導体を着磁させるには不利であった。
【０００４】
これに対して、パルス着磁法は、バルク超電導体の側面にコイルを配置し、該コイルにパルス電流を流してパルス着磁させるものである。パルス着磁法を行う装置は静磁場着磁法の装置より一般に小型化が可能であり、大きさの面でバルク超電導体を組み込んだ機器において該バルク超電導体を着磁させるのに適している。
【０００５】
以下に従来のバルク超電導体の着磁法を図面を用いて説明する。
【０００６】
図１２は従来のバルク超電導体の着磁装置（その１）の構成図である。
【０００７】
この図において、符号６１はバルク超電導体を磁石として用いる機器、６２は機器６１内に設置された真空容器、６３は真空容器６２内に設置された冷媒容器、６４は冷媒容器６３内に設置された着磁コイル、６５は着磁コイルの中空部に設置されたバルク超電導体、６は機器６１の外に設置された電源、６７は着磁コイル６４と電源６６とを接続する接続線、６８は冷媒容器６３に接続された冷媒配管、６９は冷媒としての液体窒素である。７０は冷媒配管６８に設けられた接続線６７のための貫通部である。
【０００８】
バルク超電導体６５は冷媒配管６８を通して冷媒容器６３に入れられた液体窒素６９によって超電導に転移する臨界温度以下の温度に冷却され、超電導の状態になる。この状態で電源６６から接続線６７を介して着磁コイル６４に電流を流すようにすると、着磁コイル６４は磁束がバルク超電導体６５の外周から着磁コイル６４の中空部を図面における垂直方向に通る磁場を発生する。この磁場をバルク超電導体６５に磁束が侵入する第１（下部）臨界磁場と第２（上部）臨界磁場の間の磁場にすると、バルク超電導体６５は磁化される。このバルク超電導体６５の磁化された状態は電源６６の電流を遮断した後も維持され、機器６１の磁石として機能する。
【０００９】
次に、従来のパルス着磁法によるバルク超電導体の着磁装置について説明する。
【００１０】
図１３は従来のパルス着磁法によるバルク超電導体の着磁装置（その２）の構成図である。
【００１１】
図において、符号７１は断熱容器、７２は断熱容器７１内のコールドヘッド、７３は冷凍機、７４は圧縮機、７５は銅ブロック、７６はバルク超電導体、７７は着磁コイル、７８は着磁用パルス電流を流すパルス電源である。パルス電源７８は、直流可変電圧源７９と切換スイッチ８０とコンデンサ８１とダイオード８２とを有している。着磁コイル７７はバルク超電導体７６の外周を囲むように巻成されている。
【００１２】
図１３の着磁装置において、バルク超電導体７６は冷凍機７３によって冷却されたコールドヘッド７２により銅ブロック７５を介して超電導に転移する臨界温度以下の温度に冷却されて超電導の状態になる。この状態で、パルス電源７８ははじめに切換スイッチ８０によって直流可変電圧源７９とコンデンサ８１を接続してコンデンサ８１を充電し、次に、切換スイッチ８０を切り換えてコンデンサ８１と着磁コイル７７を接続して着磁コイル７７にパルス電流を流す。パルス電源７８はこの動作を繰り返して着磁コイル７７にパルス状のパルス電流を流す。
【００１３】
着磁コイル７７にパルス電流が流されると、そのときどきの電流の大きさに比例して着磁コイル７７の中空部を通る磁束が生成される。この磁束は超電導の状態になったバルク超電導体７６によって捕捉され、バルク超電導体７６が着磁される。バルク超電導体の７６が捕捉する磁束の量は着磁コイル７７に流されるパルス電流の大きさすなわちパルス電流の振幅に比例する。このパルス電流の振幅は直流可変電圧源７９の電圧を変えることによってコンデンサ８１の充電電圧が変わりそれによって変化する。したがって、直流可変電圧源７９の電圧を高くするとバルク超電導体７６が強く着磁される。
【特許文献１】特許第３１７２６１１号公報
【特許文献２】特開平１０−１２４２９号公報
【特許文献３】特開平１０−１５４６２０号公報
【特許文献４】特開２００１−１１０６３７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかし、上記従来のパルス着磁法によるバルク超電導体の着磁は、７７ケルビンにおいて磁束密度１テスラを超える磁界を着磁させることが困難であった。具体的には、従来のパルス着磁法によって磁束密度１テスラを超える磁界を着磁させるには、ヘリウムによって７７ケルビン以下の温度に冷却しなければならなかった。
【００１５】
このため、液体窒素によって簡易に冷却できる７７ケルビンにおいて磁束密度１テスラを超える磁界を着磁させる装置・方法が従来から強く求められていた。
【００１６】
加えて、従来のバルク超電導体の着磁装置・方法は、着磁効率が低いという問題があった。
【００１７】
すなわち、従来のバルク超電導体の着磁装置・方法は、図１２及び図１３に示されているように、着磁コイルがバルク超電導体の側面外周に設置されており、磁束は着磁コイルの周囲に同心円状に発生して着磁コイルの中空部を通る。この場合に、着磁コイルとバルク超電導体の距離が長いため、着磁に利用される磁束が減少するという問題があった。
【００１８】
さらに、従来のバルク超電導体の着磁装置・方法は、図１２及び図１３から明らかなように、バルク超電導体の側面外周を着磁コイルで囲む構造であった。このため、着磁後にバルク超電導体を単体として取り出して永久磁石として利用するためには少なくともバルク超電導体を着磁コイルの中空部から抜き出す動きが必要であり、このため、バルク超電導体を利用する実機において複雑なバルク超電導体の支持機構を備える必要があり不便であった。
【００１９】
そこで、本発明の解決しようとする課題は、液体窒素で冷却可能な７７ケルビンの温度で磁束密度１テスラ以上の磁界を着磁することができ、かつ、着磁用磁束を効率よく利用でき、しかも、着磁後のバルク超電導体を単体として簡単に取り出して利用することができるバルク超電導体の着磁装置、着磁方法、および、それを利用した超電導同期機を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
本発明の発明者は、十分に着磁されたバルク超電導体の磁場分布と同一の磁場分布を有する着磁用の磁界によってバルク超電導体を着磁させれば、効率よくバルク超電導体を着磁させることができるという知見を得て、本発明を発明したものである。本発明は、着磁対象のバルク超電導体の磁場分布と同一の磁場分布を有する着磁用磁界を発生させるために、バルク超電導体の結晶のａ−ｂ軸平面の断面形状とほぼ同形状に渦巻状に巻成した着磁コイルを用いる。
【００２１】
すなわち、本発明によるバルク超電導体の着磁装置は、バルク超電導体と、前記バルク超電導体を超電導に転移する臨界温度以下の温度に冷却する冷却手段と、前記バルク超電導体の結晶のａ−ｂ軸平面の断面形状とほぼ同形状に巻成した着磁コイルを有する着磁手段と、前記バルク超電導体をその結晶のｃ軸が前記着磁コイルの巻線中心軸と平行となりかつ前記バルク超電導体の結晶のａ−ｂ軸平面の断面形状が前記着磁コイルの巻線の中心軸に垂直な方向の横断面形状と整合するように支持する支持手段と、を有することを特徴とするものである。
【００２２】
前記着磁コイルは、巻線の中心部が空洞にすることができる。
【００２３】
また、前記着磁手段は、対をなす前記着磁コイルを有し、前記対をなす着磁コイルをそれらの巻線の中心軸が一致しかつ前記中心軸に垂直な方向の前記着磁コイルの横断面形状が整合するように前記着磁コイルを設けており、前記支持手段は、前記バルク超電導体を前記着磁手段の前記着磁コイルの間に、前記バルク超電導体の結晶のｃ軸が前記着磁コイルの巻線の中心軸と平行となりかつ前記バルク超電導体の結晶のａ−ｂ軸平面の断面形状が前記着磁コイルの巻線の中心軸に垂直な方向の横断面形状と整合するように支持するようにすることができる。
【００２４】
前記支持手段は、前記着磁コイルに対して前記バルク超電導体を移動可能に支持するようにするのが好ましい。
【００２５】
あるいは、前記着磁手段は、前記バルク超電導体に対して前記着磁コイルを相対的に移動可能に構成されているようにすることもできる。
【００２６】
本発明によるバルク超電導体の着磁方法は、バルク超電導体を、前記バルク超電導体の結晶のａ−ｂ軸平面の断面形状とほぼ同形状に巻成した着磁コイルの近傍に、前記バルク超電導体の結晶のｃ軸が前記着磁コイルの巻線中心軸と平行となりかつ前記バルク超電導体の結晶のａ−ｂ軸平面の断面形状が前記着磁コイルの巻線中心軸に垂直な方向の前記着磁コイルの横断面形状と整合するように配置する段階と、前記バルク超電導体を超電導に転移する臨界温度以下の温度に冷却する段階と、前記着磁コイルに第１臨界磁場と第２臨界磁場の間の磁場を発生する電流を流す段階と、を有することを特徴とするものである。
【００２７】
前記着磁コイルは、巻線の中心部が空洞になっているようにすることができる。
【００２８】
前記着磁コイルは一対の着磁コイルからなり、前記対をなす着磁コイルはそれらの巻線の中心軸が一致しかつ前記中心軸に垂直な方向の前記着磁コイルの横断面形状が整合するように配置され、前記バルク超電導体は前記着磁コイルの間に、その結晶のｃ軸が前記着磁コイルの巻線の中心軸と平行となりかつ前記バルク超電導体の結晶のａ−ｂ軸平面の断面形状が前記着磁コイルの巻線の中心軸に垂直な方向の横断面形状と整合するように配置されるようにすることができる。
【００２９】
前記着磁コイルに第１臨界磁場と第２臨界磁場の間の磁場を発生する電流を流した後に、前記バルク超電導体を前記臨界温度以下の温度に維持したまま前記着磁コイルに対して相対的に移動させる段階をさらに有するようにすることができる。
【００３０】
本発明による超電導同期機は、回転軸に該回転軸に垂直な方向に円板を固定し、前記円板の周方向に結晶のｃ軸が前記回転軸の軸方向と平行になるように配置した複数のバルク超電導体と、前記バルク超電導体を超電導に転移する臨界温度以下の温度に冷却する冷却手段と、前記バルク超電導体の結晶のａ−ｂ軸平面の断面形状とほぼ同形状に巻成したコイルを有し、前記円板が所定の回転角度のときに前記コイルの巻線の中心軸が前記バルク超電導体の結晶のｃ軸と平行になりかつ前記バルク超電導体の結晶のａ−ｂ軸平面の断面形状が前記コイルの巻線の中心軸に垂直な方向の横断面形状と整合するように前記コイルを設けた磁場生成手段と、前記コイルに第１臨界磁場と第２臨界磁場の間の磁場を生成する電流を供給する着磁用電源と、前記バルク超電導体を駆動する電流を前記磁場生成手段のコイルに供給する交流電源と、磁場生成モードと交流電流供給モードとを切り換える切換スイッチと、を具備することを特徴とするものである。
【００３１】
本発明による他の超電導同期機は、回転軸に該回転軸に垂直な方向に円板を固定し、前記円板の周方向に結晶のｃ軸が前記回転軸の軸方向と平行になるように配置した複数のバルク超電導体と、前記バルク超電導体を超電導に転移する臨界温度以下の温度に冷却する冷却手段と、前記バルク超電導体の結晶のａ−ｂ軸平面の断面形状とほぼ同形状に巻成したコイルを有し、前記円板が所定の回転角度のときに前記コイルの巻線の中心軸が前記バルク超電導体の結晶のｃ軸と平行になりかつ前記バルク超電導体の結晶のａ−ｂ軸平面の断面形状が前記コイルの巻線の中心軸に垂直な方向の横断面形状と整合するように前記コイルを設けた磁場生成手段と、前記コイルに第１臨界磁場と第２臨界磁場の間の磁場を生成する電流を供給する着磁用電源と、前記超電導体が配置された前記円板を回転駆動する原動機と、磁場生成モードと発電モードとを切り換えるモード切換スイッチと、を具備することを特徴とするものである。
【００３２】
本発明によるさらに他の超電導同期機は、回転軸に該回転軸に垂直な方向に円板を固定し、前記円板の周方向に結晶のｃ軸が前記回転軸の軸方向と平行になるように配置した複数のバルク超電導体と、前記バルク超電導体を超電導に転移する臨界温度以下の温度に冷却する冷却手段と、前記バルク超電導体の結晶のａ−ｂ軸平面の断面形状とほぼ同形状に巻成したコイルを有し、前記円板が所定の回転角度のときに前記コイルの巻線の中心軸が前記バルク超電導体の結晶のｃ軸と平行になりかつ前記バルク超電導体の結晶のａ−ｂ軸平面の断面形状が前記コイルの巻線の中心軸に垂直な方向の横断面形状と整合するように前記コイルを設けた磁場生成手段と、前記コイルに第１臨界磁場と第２臨界磁場の間の磁場を生成する電流を供給する着磁用電源と、前記バルク超電導体を駆動する電流を前記磁場生成手段のコイルに供給する交流電源と、前記超電導体が配置された前記円板を回転駆動する原動機と、磁場生成モードと交流電流供給モードと発電モードとを切り換えるモード切換スイッチと、を具備することを特徴とするものである。
【００３３】
前記バルク超電導体の磁界の強さを検出するセンサーを具備し、前記センサーの信号を入力し前記バルク超電導体を着磁させる磁場生成モードに切り換える制御手段を有するようにすることができる。
【００３４】
前記コイルは前記バルク超電導体を挟んで対をなし、対をなすコイルはそれらの巻線の中心軸が一致しかつ前記中心軸に垂直な方向の前記着磁コイルの横断面形状が前記バルク超電導体の結晶のａ−ｂ軸平面の断面形状と整合するようにすることができる。
【００３５】
前記コイル対の数は３の整数倍、前記バルク超電導体の数は２の整数倍とするのが好ましい。
【発明の効果】
【００３６】
本発明のバルク超電導体の着磁装置によれば、着磁コイルをバルク超電導体の結晶のａ−ｂ軸平面の断面形状とほぼ同形状に巻成することにより、十分に着磁されたバルク超電導体が生じる磁場分布と同一形状の磁場分布を有する着磁用磁界を発生することができる。そして、上記着磁コイルに対して、バルク超電導体をその結晶のｃ軸が着磁コイルの巻線中心軸と平行となりかつバルク超電導体の結晶のａ−ｂ軸平面の断面形状が着磁コイルの巻線の中心軸に垂直な方向の横断面形状と整合するように支持し、着磁コイルに着磁用の電流を流すことにより、着磁されるバルク超電導体の磁場分布と同一の磁場分布の磁界によってバルク超電導体を磁化することができる。この結果、７７ケルビンにおいてバルク超電導体に磁束密度１テスラ以上の磁界を発生させることができる。
【００３７】
その上、本発明のバルク超電導体の着磁装置によれば、着磁コイルと着磁対象のバルク超電導体を極めて近くに保持して、着磁用磁束をほとんど無駄なくバルク超電導体に貫通させることができる。これにより、磁束が着磁のために有効に利用される。さらに、着磁後に、着磁されたバルク超電導体を磁極方向と垂直な方向（側方方向）に平行移動させることによってバルク超電導体を着磁コイルの間から取り出し、永久磁石として利用することができる。これにより、バルク超電導体を利用する機器に簡単に組み込むことができ、バルク超電導体を利用する機器に幅広く適用することができる。
【００３８】
また、着磁コイルが巻線の中心部が空洞になっているバルク超電導体の着磁装置・着磁方法によれば、着磁コイルの材料を節約でき、かつ、着磁コイルが高温超電導体からなる場合に加工が困難な小径部分の巻線を形成することなく、十分に着磁されたバルク超電導体が生じる磁場分布と概略同一形状の磁場分布の着磁用磁界を発生させることができる。
【００３９】
本発明の超電導同期機は、回転軸に垂直に固定された円板上にその周方向にバルク超電導体を配置し、バルク超電導体に対向する位置の電機子コイルをバルク超電導体の結晶のａ−ｂ軸平面の断面形状とほぼ同形状に巻成し、円板が所定の回転角度になったときにコイルの巻線の中心軸が前記バルク超電導体の結晶のｃ軸と平行になりかつバルク超電導体の結晶のａ−ｂ軸平面の断面形状がコイルの巻線の中心軸に垂直な方向の横断面形状と整合するようにすることにより、本発明の着磁装置を実現することができる。
【００４０】
しかも、円板が回転することにより、着磁されたバルク超電導体は簡単に永久磁石として利用できる。
【００４１】
これにより、同期機の電機子コイルを着磁コイルとして利用するとともに、駆動用あるいは発電用のコイルとしてそのまま利用することができる。すなわち、バルク超電導体を着磁した後に電機子コイルに制御された駆動用駆動用を流せば、超電導モーターとして利用でき、あるいは、バルク超電導体を着磁した後に回転軸を回転駆動することによって電機子コイルを発電用コイルとして利用することができる。このように本発明によれば、電機子コイルを着磁用コイル、駆動用コイル、発電用コイルとして兼用して利用することができるので、小型かつ高効率の超電導同期機を提供することができる。
【００４２】
磁界センサーと制御手段を有する本発明の超電導同期機によれば、超電導同期機のバルク超電導体の磁力が低減すると、自動的にそれを検知して着磁モードヘ切り換えて、着磁することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４３】
以下に本発明の実施の形態について説明する。
【００４４】
図１は本発明の一実施形態によるバルク超電導体の着磁装置の構成を示している。
【００４５】
本実施形態の着磁装置１は、バルク超電導体２と、冷却手段３と、着磁手段４と、支持手段５を有している。
【００４６】
バルク超電導体２は、高温超電導体のうち液体窒素で簡単に冷却できる７７ケルビン付近で高磁場中でも高い臨界電流密度を示し超電導の状態が破れないＲＥ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ超電導体（ＲＥはＧｄ，Ｓｍ，Ｙなどの希土類元素）を用いるのが好ましい。
【００４７】
ＲＥ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ等のバルク超電導体は、原料中にピン止め効果を示す非超電導相を分散して溶融成長させた高温超電導体の固まり（バルク）である。バルク超電導体は高性能の永久磁石よりも大きな磁場を捕捉することができる。
【００４８】
本実施形態のバルク超電導体２は円柱状に形成され、側面にステンレスの側帯２ａを有し、側帯２ａの内部に酸化物超電導バルク材料２ｂ（仕込み組成：Ｄｄ１Ｂａ２Ｃｕ３Ｏ６．９，７０．９ｗｔ％、Ｇｄ２Ｂａ１Ｃｕ１Ｏ５．０，１９．２ｗｔ％、Ｐｔ ０．５ｗｔ％、Ａｇ ９．４ｗｔ％）を配置している。側帯２ａは適宜省略し、あるいは破損防止の他の代替手段とすることができる。
【００４９】
酸化物超電導バルク材料２ｂは、図１に示す方向に結晶のａ，ｂ軸及びｃ軸を有しているように成形する。すなわち、ｃ軸が円柱の中心軸と平行となるように成形する。
【００５０】
冷却手段３は、冷却装置３ａと冷媒通路３ｂとを有している。冷却装置３ａは内部に冷媒を有している。冷却通路３ｂは、配管あるいは支持手段５中に設けられた冷媒用の流路を含む。冷媒通路３ｂは、好ましくはバルク超電導体２の外周を循環し、バルク超電導体２を超電導の状態に転移する臨界温度以下の温度、すなわち本実施形態では７７ケルビン以下の温度に冷却することができるように配設されている。
【００５１】
着磁手段４は、一対の着磁コイル４ａと、着磁用のパルス電源４ｂと、接続線４ｃとを有している。接続線４ｃは着磁コイル４ａとパルス電源４ｂの間及び着磁コイル４ａ同士の間を接続している。
【００５２】
着磁コイル４ａは、バルク超電導体２（厳密には酸化物超電導バルク材料２ｂ）の結晶のａ−ｂ軸平面の断面形状とほぼ同形状に巻成されている。具体的には、着磁コイル４ａは渦巻状に円形に巻かれた導線が多層状に形成されている。なお、「同形状」とは、相似の場合を含み、輪郭が同一であって寸法が異なっている場合を含む。
【００５３】
各渦巻状の銅線の中心を結ぶ線を「巻線の中心軸」と呼ぶ。帯状の銅線を渦巻状に巻成する場合は、渦巻の中心で渦巻面に垂直な線が巻線の中心軸となる。
【００５４】
本実施形態のように、着磁コイル４ａが対をなす場合は、対をなす着磁コイル４ａの各着磁コイル４ａの巻線中心軸が一致しかつ巻線の中心軸に垂直な方向の着磁コイル４ａの横断面形状が整合するように配置する。なお本実施形態では、巻線の中心軸に垂直な方向の着磁コイル４ａの横断面形状は円形であるので、各着磁コイル４ａの巻線中心軸が一致すれば、各着磁コイル４ａの巻線の中心軸に垂直な方向の横断面形状は自動的に整合するが、例えば上記着磁コイル４ａの横断面形状が四角形の場合は各着磁コイル４ａの四角形の４辺が整合するように配置する。
【００５５】
対をなす着磁コイル４ａは、上述したように配置され、接続線４ｃによって着磁コイル４ａ同士、着磁コイル４ａとパルス電源４ｂの間が直列的に接続されている。
【００５６】
パルス電源４ｂは、従来のパルス電源のように図示しない直流可変電圧源と切換スイッチとコンデンサとダイオードとを有している。パルス電源４ｂは、従来技術のところで既述したように、切換スイッチの切り換えによってパルス状の着磁電流を着磁コイル４ａに流すことができるようになっている。
【００５７】
支持手段５は、バルク超電導体２をその酸化物超電導バルク材料の結晶のｃ軸が着磁コイル４ａの巻線中心軸と平行となりかつバルク超電導体２の酸化物超電導バルク材料の結晶のａ−ｂ軸平面の断面形状が着磁コイル４ａの巻線の中心軸に垂直な方向の横断面形状と整合するように支持する手段である。なお、バルク超電導体２と着磁コイル４ａの大きさが異なるときは巻線の中心軸が一致し、断面形状の頂点や辺が中心軸に関して同一の半径方向線上にあるように支持する。
【００５８】
支持手段５は、好ましくはバルク超電導体２を保持した状態で、バルク超電導体２を着磁コイル４ａの巻線中心軸に対して横断する方向に移動させることができるように構成されている。
【００５９】
着磁装置１において、着磁するときは、支持手段５により、バルク超電導体２を着磁手段４の着磁コイル４ａの間に、バルク超電導体２（酸化物超電導バルク材料２ｂ）の結晶のｃ軸が着磁コイル４ａの巻線の中心軸と平行となり、かつ、バルク超電導体２（酸化物超電導バルク材料２ｂ）の結晶のａ−ｂ軸平面の断面形状が着磁コイル４ａの巻線の中心軸に垂直な方向の横断面形状と整合する位置まで移動させ、その位置に支持する。
【００６０】
一方、冷却手段３により、冷媒通路３ｂを通じて冷媒を送り、バルク超電導体２を超電導の状態に転移する臨界温度以下の温度に冷却する。
【００６１】
その状態で、パルス電源４ｂにより、着磁用のパルス電流を着磁コイル４ａに流し、着磁コイル４ａに着磁用の磁界を発生させる。着磁コイル４ａに第１臨界磁場と第２臨界磁場の間の磁場を発生する電流を流すと、バルク超電導体２は着磁される。
【００６２】
図２は、着磁コイル４ａによつて生成される磁界の磁場分布を示している。
【００６３】
図２（ａ）は対をなす着磁コイル４ａとその間に支持されるバルク超電導体２の側面を示しており、図２（ｂ）は着磁コイル４ａによって発生される磁界の磁場分布を示している。
【００６４】
図２（ｂ）に示すように、横断面円形の渦巻状に巻成された着磁コイル４ａは、着磁用のパルス電流を流すと、円錐状の磁場分布の磁界を発生する。この円錐状の磁場は、円柱状のバルク超電導体２が十分に着磁された場合に発生する磁界と同一形状である。
【００６５】
このように磁場分布が同一形状の磁界によってバルク超電導体２を着磁させることにより、図３に示すように、着磁コイル４ａに加えたパルス電流の大きさに比例して着磁の最大磁場が増加し、パルス電流のピーク値が３５００アンペア付近で従来のパルス着磁法では得られなかった１テスラの最大捕捉磁束密度を超えることができる。
【００６６】
この着磁装置および着磁方法により、従来ヘリウム冷凍機や静静磁場着磁法を用いて１テスラを超える着磁を、液体窒素を用いてパルス着磁法によつて簡単かつ高効率で行うことができる。
【００６７】
また、本発明の着磁装置及び着磁方法によれば、着磁コイル４ａとバルク超電導体２を極めて近傍に配置して着磁させることができ、着磁コイル４ａによって発生された磁束が無駄なくバルク超電導体２の着磁用に使用され、高効率の着磁を行うことができる。
【００６８】
さらに、本発明の着磁装置及び着磁方法によれば、着磁後に支持手段５を旋回あるいは並進的に移動させれば、着磁コイル４ａの間からバルク超電導体２を取り出し、単体の永久磁石として利用することがてきる。これにより、着磁後に永久磁石として簡単に利用することができる機器を構成することができる。なお、バルク超電導体２の超電導の状態を維持するために、移動中および移動後も冷却手段３により、臨界温度（超電導遷移温度）以下の温度にバルク超電導体２を冷却する。
【００６９】
上記実施形態では支持手段５が可動的手段であり着磁コイル４ａが固定的手段であったが、要は着磁後のバルク超電導体２と着磁コイル４ａを相対的に移動させられればよく、必要に応じて支持手段５を固定側とし着磁コイル４ａを可動側としてもよい。
【００７０】
図４は、図１の着磁装置１の変形例である。
【００７１】
図４において、図１と同一の部分は図１と同一の符号を付して重複する説明を省略する。
【００７２】
図４の着磁装置１’は、着磁コイル４ａ’が巻線の中心部が空洞になっている点が図１の着磁装置１と異なり、その他の構成は図１の着磁装置１と同一である。
【００７３】
着磁装置１’の着磁方法は、図１の着磁装置１と同様である。ただし、着磁コイル４ａ’が中心部空洞になっていることにより着磁の磁場分布が異なる。
【００７４】
図５は着磁コイル４ａによつて生成される磁界の磁場分布を示している。
【００７５】
図５（ａ）は対をなす巻線中心部が空洞の着磁コイル４ａ’とその間に支持されるバルク超電導体２の側面を示しており、図５（ｂ）は着磁コイル４ａ’によって発生される磁界の磁場分布を示している。
【００７６】
図５（ｂ）に示すように、横断面円形の渦巻状に巻成され巻線中心部が空洞になった着磁コイル４ａ’は、着磁用のパルス電流を流すと、概略円錐状であるが頂部がわずかに窪んだ円錐台状の磁場分布の磁界を発生する。この円錐台状の磁場は、円柱状のバルク超電導体２が着磁された場合に発生する磁界と完全に同一形状ではないが、類似する磁場分布により図１の着磁装置１とほぼ同様に高効率の着磁を実現することができる。
【００７７】
本着磁装置１’のように、着磁コイル４ａ’が巻線の中心部が空洞になっている場合は、着磁コイルの材料を節約でき、かつ、高温超電導体の線材によって着磁コイルを形成するときに加工が困難な小径部分の巻線を巻くことなく巻線を形成することができ、かつ、着磁されたバルク超電導体の磁場分布と概略同一形状の磁場分布の着磁用磁界を発生することができるので、実用性の高い着磁装置・着磁方法を得ることができる。
【００７８】
以上の実施形態では円柱状のバルク超電導体と円柱状に巻成した着磁コイルについて説明した。しかし、十分に着磁されたバルク超電導体の磁場分布と同一の磁場分布を有する着磁用の磁界によってバルク超電導体を着磁させれば、効率よくバルク超電導体を着磁させることができるという技術的思想は任意の形状の超電導体に適用することができる。以下にその一例として棒状の直方体に形成したバルク超電導体を着磁する着磁装置について説明する。
【００７９】
図６は、棒状の直方体に形成したバルク超電導体を着磁する着磁装置を示している。
【００８０】
本実施形態の着磁装置６は、バルク超電導体７と、冷却手段８と、着磁手段９と、支持手段１０を有している。
【００８１】
バルク超電導体７は、全体として棒状の直方体に形成されている。実際にはサイコロ状のバルク超電導体を複数個接続して形成するが、全体として結晶のｃ軸が長さ方向に直交する方向に同一の向きを有するように形成する。
【００８２】
バルク超電導体７の材料は図１のバルク超電導体２と同一のものとすることができる。
【００８３】
冷却手段８は、冷却装置８ａと冷媒通路８ｂとを有している。冷却装置８ａは内部に冷媒を有している。冷却通路８ｂは、配管あるいは支持手段１０中に設けられた冷媒用の流路を含む。冷媒通路８ｂは、好ましくはバルク超電導体７の外周を循環し、バルク超電導体７を超電導の状態に転移する臨界温度以下の温度に冷却することができるように配設されている。
【００８４】
着磁手段９は、一対の着磁コイル９ａと、着磁用のパルス電源９ｂと、接続線９ｃとを有している。接続線９ｃは着磁コイル９ａとパルス電源９ｂの間及び着磁コイル９ａ同士の間を接続している。
【００８５】
着磁コイル９ａは、バルク超電導体７の結晶のａ−ｂ軸平面の断面形状とほぼ同形状に巻成されている。具体的には、着磁コイル９ａは輪郭が長方形で渦巻状に巻かれた導線が多層状に形成されている。なお、「同形状」とは、既述したように相似の場合を含む。
【００８６】
着磁コイル９ａは、多層構造とすることなく、帯状の線材を渦巻状に単層に巻成することができる。
【００８７】
各渦巻状の銅線の中心を結ぶ線を巻線の中心軸と呼ぶが、この場合は長さ方向の中心であって且つ渦巻状の銅線の中心（幅方向の中心）が巻線の中心軸となる。帯状の銅線を渦巻状に巻成する場合は、渦巻の中心（幅方向の中心）かつ長さ方向の中心を通り渦巻面に垂直な線が巻線の中心軸となる。
【００８８】
本実施形態は着磁コイル９ａが対をなすので、対をなす着磁コイル９ａの各着磁コイル９ａの巻線の中心軸が一致しかつ巻線の中心軸に垂直な方向の着磁コイル９ａの横断面形状（概略長方形）が整合するように配置する。概略長方形の横断面が整合するというのは、巻線中心軸に対して長方形の頂点あるいは４辺が同一角度に位置することをいう。あるいは巻線中心軸から見たときに、両着磁コイル９ａの横断面形状が一致するようにしてもよい。
【００８９】
両着磁コイル９ａは接続線９ｃによって直列的に接続され、さらにパルス電源９ｂに接続されている。
【００９０】
パルス電源９ｂは、従来のパルス電源のように図示しない直流可変電圧源と切換スイッチとコンデンサとダイオードとを有し、切換スイッチの切り換えによってパルス状の着磁電流を着磁コイル９ａに流すことができるようになっている。
【００９１】
支持手段１０は、バルク超電導体７をその結晶のｃ軸が着磁コイル９ａの巻線中心軸と平行となりかつバルク超電導体７の結晶のａ−ｂ軸平面の断面形状が着磁コイル９ａの巻線の中心軸に垂直な方向の横断面形状と整合するように支持する手段である。
【００９２】
支持手段１０は、好ましくはバルク超電導体７を保持した状態で、バルク超電導体７を着磁コイル９ａの巻線中心軸に対して横断する方向に移動させることができるように構成される。
【００９３】
図７は、着磁コイル９ａによって生成される磁界の磁場分布を示している。
【００９４】
図７（ａ）は対をなす着磁コイル９ａとその間に支持されるバルク超電導体７を幅方向から見た側面を示しており、図７（ｂ）は着磁コイル９ａによって発生される磁界の磁場分布を示している。
【００９５】
図７（ｂ）に示すように、横断面が概略長方形の渦巻状に巻成された着磁コイル９ａは、着磁用のパルス電流を流すと、長い畝状で長さ方向に直交する横断面が三角形の磁場を発生する。この長い畝状の磁場は、棒状の直方体のバルク超電導体７が十分に着磁された場合に発生する磁界と同一形状である。
【００９６】
このように磁場分布が同一形状の磁界によってバルク超電導体７を着磁させることにより、７７ケルビンで１テスラの磁束密度を超える着磁を行うことができる。
【００９７】
着磁後は、支持手段１０を巻線の中心軸と直交する方向に移動させることにより、着磁されたバルク超電導体７を着磁コイル９ａの間から簡単に取り出すことができ、永久磁石として利用することができる。
【００９８】
上記着磁コイル９ａにおいて、巻線の中心部を空洞とすることもできる。この場合は、着磁コイル９ａが生じる畝状の磁場は、その頂部が少し窪むようになるが、概略着磁されたバルク超電導体７が生じる磁界の磁場分布と同一となる。この場合も、高効率でバルク超電導体７を着磁させることができるとともに、曲げ半径が小さい巻線中心部を巻くことを要しないので、製造容易な着磁装置６を得ることができる。
【００９９】
以上の実施形態は、すべて着磁コイルが対をなす実施形態について説明したが、一つの着磁コイルを用いてバルク超電導体を片側から着磁させることもできる。
【０１００】
以上は本発明の着磁装置および着磁方法についての説明であったが、次に本発明の着磁装置・着磁方法を利用した超電導同期機について以下に説明する。
【０１０１】
図８は本発明の一実施形態によるバルク超電導体の着磁装置を有する同期機の構成図、図９はそのバルク超電導体の部分を示す平面図である。
【０１０２】
図８及び図９において、符号１１は回転軸、１２は回転軸１１に垂直な方向に固定された円板、１３は外側ケーシング、１４は内側ケーシング、１５は管、１６は冷却手段を構成する冷媒生成機、１７は着磁用のパルス電流を生成する着磁用電源、１８は接続線、１９Ａ，１９Ｂは軸受、２０Ａ，２０Ｂはシール、２１，２１’〜２６，２６’は磁場生成手段の構成要素および駆動用コイルを兼ねる電機子コイル、２７は冷却手段を構成する冷媒チャンバ、２８は断熱部、２９〜３６は円板１２に形成された穴、３７〜４４は穴２９〜３６にそれぞれ配置されたバルク超電導体、４５は同期機を駆動するための交流電源、４６は着磁をするための磁場生成モードと駆動運転をするための交流電流供給モードとを切り換える切換スイッチである。
【０１０３】
なお、円板１２は本発明の着磁装置の支持手段に相当し、回転軸１１に垂直な方向に固定され、その周方向に結晶のｃ軸が回転軸１１と平行になるようにバルク超電導体３７〜４４を保持している。
【０１０４】
また、電機子コイル２１，２１’〜２６，２６’は、バルク超電導体３７〜４４の結晶のａ−ｂ軸平面の断面形状とほぼ同形状に巻成され、円板１２が所定の回転角度のときに前記コイルの巻線の中心軸がバルク超電導体３７〜４４の結晶のｃ軸と平行になりかつ前記バルク超電導体の結晶のａ−ｂ軸平面の断面形状が前記コイルの巻線の中心軸に垂直な方向の横断面形状と整合するように設けられている。
【０１０５】
また、ここでは、内側ケーシング１４の内部に磁界センサー(ここではホール素子)４７を配置し、この磁界センサー４７により検出されるバルク超電導体の磁力が所定値より下がると制御手段（制御器；PC）４８を介して、自動的にを着磁モードに切り換えるようにしている。なお、円板１２自体を冷却することができ、その場合には図示されていない冷却手段を別途付加する。
【０１０６】
以下、そのバルク超電導体の着磁装置を有する同期機の動作について説明する。
【０１０７】
まず、着磁のための磁場生成モードについて説明する。
【０１０８】
円板１２に取り付けられた8個のバルク超電導体３７〜４４は冷媒チャンバ２７内の冷媒、例えば液体窒素によって超電導に転移する臨界温度以下に冷却される。
【０１０９】
その間に、磁場生成手段の要素であり内側ケーシング１４の側面部に対向するように6個ずつ取り付けられている電機子コイル２１，２１’〜２６，２６’に対して、円板１２を回転させ、例えば、電機子コイル２１，２１’とバルク超電導体３７の中心を合わせる(このとき図９に示すように電機子コイル２４，２４’とバルク超電導体４１の中心も合う)。
【０１１０】
この状態で電機子コイル２１，２１’に着磁用電源１７から電流を流して（電機子コイル２１，２１’と電機子コイル２４，２４’に同時に電流を流すことが可能）、バルク超電導体３７の周りにバルク超電導体３７に磁束が侵入する第１臨界磁場と第２臨界磁場の間の磁場をつくる。そのようにすると、バルク超電導体３７は磁化され、電機子コイル２１と電機子コイル２１’に流,していた着磁用電源１７の電流を遮断した後もバルク超電導体３７が磁化されたまま残りバルク超電導体３７は磁石になる（バルク超電導体４１も同時に磁化させることができる)。
【０１１１】
次に、円板１２を回転させ、例えば、電機子コイル２１，２１’とバルク超電導体３８の中心を合わせ（このとき電機子コイル２４，２４’とバルク超電導体４２の中心も合う）、同様なことを前述した電流とは逆向きに流す。これにより、バルク超電導体３８は磁石になる（バルク超電導体４２も同時に磁化することが可能）。このようにしてバルク超電導体３７，３９，４１，４３を同じ極性、バルク超電導体３８，４０，４２，４４をそれらとは逆極性の磁石にする。
【０１１２】
このように本実施形態において、電機子コイル２１，２１’〜２６，２６’は、後述するように回転軸１１を回転駆動する機能とともに、上述したようなバルク超電導体３７〜４４を磁化する機能も有している。
【０１１３】
次に回転駆動のための交流電流供給モードについて説明する。
【０１１４】
バルク超電導体３７〜４４が着磁されると、切換スイッチ４６を切り換えることにより、着磁用電源１７から交流電源４５に電流の供給源が変わり、交流電流供給モードになり、着磁されたバルク超電導体３７〜４４と電機子コイル２１，２１’〜２６，２６’間にフレミングの左手の法則による力が働き、超電導電動機としての機能を発揮する。そして、その駆動状態で、上記したように、バルク超電導体の磁力の強さが磁界センサー４７と制御手段４８によりモニターされ、磁力の強さが所定値より下がると、制御手段４８により自動的にバルク超電導体の着磁モード（磁場生成モード）に切り換えることができる。
【０１１５】
このように、本実施形態によれば、電機子コイル２１，２１’〜２６，２６’をバルク超電導体３７〜４４の着磁用とともに、着磁されたバルク超電導体３７〜４４の回転駆動用にも利用するようにしたので、超電導同期機を小型化することができる。
【０１１６】
また、本実施形態の超電導同期機は、本発明による着磁装置を用いているので、高効率で強力な着磁を行えるなど本発明による着磁装置の特有の作用効果をすべて奏することができる。
【０１１７】
次に他の実施形態による超電導同期機について説明する。
【０１１８】
図１０は上記他の実施形態による超電導同期機の構成を示している。図１０において、図８の超電導同期機と同一の部分は図８と同一の符号を付して重複する説明を省略する。
【０１１９】
本実施形態による超電導同期機は、本発明の着磁装置を有する発電機型の同期機である。
【０１２０】
本実施形態の超電導同期機は、負荷４９を有し、磁場生成モード(着磁モード)と発電モードとを切り換えるモード切り換えスィッチ５０を有している。また、発電モード時に回転軸１１を回転駆動する原動機５１も備えている。
【０１２１】
本実施形態の超電導同期機では、図８の超電導同期機と同様の磁場生成モード（着磁モード）により、バルク超電導体３７〜４４を着磁させる。
【０１２２】
発電モードは、バルク超電導体３７〜４４を着磁させた後に、モード切り換えスィッチ５０を切り換えて発電モードとし、原動機５１により回転軸１１を回転駆動する。回転軸１１を原動機５１で回転駆動することにより、着磁されたバルク超電導体３７〜４４と電機子コイル２１，２１’〜２６，２６’の間でフレミングの右手の法則による電磁誘導作用により発電が行われる。このときに発生された電流は負荷４９に供給され、仕事をすることができる。
【０１２３】
磁界センサー４７はバルク超電導体３７〜４４の磁力を検出し、制御手段４８は磁界センサー４７の検出信号を入力し、バルク超電導体３７〜４４の磁力が所定の値より小さくなったときに、自動的に着磁モード（磁場生成モード）に切り換えてバルク超電導体３７〜４４を着磁するようにモード切り換えスィッチ５０を制御する。
【０１２４】
本実施形態によれば、電機子コイル２１，２１’〜２６，２６’をバルク超電導体３７〜４４の着磁用に使用するとともに、着磁されたバルク超電導体３７〜４４によって電流が発生する発電用コイルとしても利用するようにしたので、超電導同期機を小型化することができる。
【０１２５】
次にさらに他の実施形態による超電導同期機について説明する。
【０１２６】
図１１は上記さらに他の実施形態による超電導同期機の構成を示している。図１１において、図８の超電導同期機と同一の部分は図８と同一の符号を付して重複する説明を省略する。
【０１２７】
本実施形態による超電導同期機は、本発明の着磁装置を有し、磁場生成モード(着磁モード)と、交流電流供給モード(駆動モード)と、発電モードとを切り換えて運転することができる同期機である。
【０１２８】
本実施形態の超電導同期機は、交流電源５２と、負荷５３と、モード切換スイッチ５４と、制御手段５５と、原動機５６とを有している。
【０１２９】
本実施形態の超電導同期機は、図８および図１０の超電導同期機と同様の磁場生成モード（着磁モード）により、バルク超電導体３７〜４４を着磁させる。
【０１３０】
モード切換スイッチ５４の切り換えにより、交流電流供給モード(駆動モード)にある場合には、図８の超電導同期機と同様に、交流電源５２から電機子コイル２１，２１’〜２６，２６’へ交流電流を供給し、着磁されたバルク超電導体３７〜４４との相互作用により超電導電動機として機能する。
【０１３１】
一方モード切換スイッチ５４の切換により、発電モードにある場合には、図１０の超電導同期機と同様に、原動機５６により回転軸１１を積極的に回転駆動することにより、着磁されたバルク超電導体３７〜４４と電機子コイル２１，２１’〜２６，２６’の間でフレミングの右手の法則による電磁誘導作用により発電を行い、負荷５３に電力を供給することができる。
【０１３２】
本実施形態においても、発電モード又は電動モ一ドのいずれの場合においても、磁界センサー４７がバルク超電導体３７〜４４の磁力の強さを検出し、制御手段５５は磁界センサー４７の検出信号を入力し、バルク超電導体３７〜４４の磁力がある値以下に低下した場合には、着磁モード（磁場生成モード）に切り換えてバルク超電導体３７〜４４を着磁するようにモード切換スイッチ５４を制御する。
【０１３３】
なお、本実施形態のように横断面（結晶のａ−ｂ軸断面）が円形のバルク超電導体は十分に磁化されると円錐状の磁束密度分布になる。このとき電機子コイル２１，２１’〜２６，２６’が渦巻状に円形に巻成されていると、同期機の起電力が正弦波状になるという効果も生じる。逆に渦巻状の円形のコイルに電流を流したとき作られる磁場は円錐状の磁束密度を生成するので、これは前述したように十分磁化されたバルク超電導体の磁東密度分布と同じ形状であるので、バルク超電導体を効率よく磁化できるという効果を奏する。
【０１３４】
以上のように、本実施形態によれば、電機子コイル２１，２１’〜２６，２６’をバルク超電導体３７〜４４の着磁用に使用するとともに、着磁されたバルク超電導体３７〜４４の回転駆動用にも利用し、さらに着磁されたバルク超電導体３７〜４４によって電流が発生する発電用コイルとしても利用するようにしたので、多機能かつ小型化された超電導同期機を提供することができる。
【０１３５】
なお、上記実施形態においては、コイル対の数は３、バルク超電導体の数は８になっているが、本願発明ではコイル対の数を３の整数倍、バルク超電導体の数を２の整数倍にするのが好ましい。この構成により、着磁するために電機子コイルと位置整合する一対のバルク超電導体以外のバルク超電導体は電機子コイルと位置整合せず、不均衡な力が生じないようにバランスされる。また、バルク超電導体と電機子コイルの位相がわずかずつずれるので、駆動用あるいは発電用として好適である。
【０１３６】
また、上記実施形態においては、電機子コイルが着磁コイルと駆動用コイルを兼ね、あいるは着磁コイルと発電用コイルを兼ね、あるいは着磁コイルと駆動用コイルと発電用コイルを兼ねているが、むろん駆動用コイルと発電用コイルとは別個に着磁コイルを用意してもよい。この場合においても、着磁効率が高く、また着磁後にバルク超電導体を移動させて永久磁石として簡単に利用することができるという作用効果を有する。
【０１３７】
本発明の超電導同期機によれば、強力な磁場によって大きなトルクを発生することができ、電力変換効率が高く、従来の超電導同期機を格段に小型軽量化することができる。
【０１３８】
また、本発明は電気推進のプロペラを回す舶用高温超電導同期機において、着磁巻線と鉄芯レス電気子巻線との併用を可能にするものであり、その設計と製作に大きく貢献することができる。
【０１３９】
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【図面の簡単な説明】
【０１４０】
【図１】本発明の一実施形態によるバルク超電導体の着磁装置の構成図。
【図２】本発明の一実施形態によるバルク超電導体の着磁装置と着磁用磁界の磁場分布の関係を示した図。
【図３】パルス電流の強さとバルク超電導体による最大捕捉磁束密度の関係を示したグラフ。
【図４】本発明の一実施形態によるバルク超電導体の着磁装置の構成図。
【図５】図４の実施形態によるバルク超電導体の着磁装置と着磁用磁界の磁場分布の関係を示した図。
【図６】本発明の一実施形態によるバルク超電導体の着磁装置の構成図。
【図７】図６の実施形態によるバルク超電導体の着磁装置と着磁用磁界の磁場分布の関係を示した図。
【図８】本発明の一実施形態による超電導同期機の構成図。
【図９】図８の超電導同期機のバルク超電導体と電機子コイルの位置関係を示した図。
【図１０】本発明の一実施形態による超電導同期機の構成図。
【図１１】本発明の一実施形態による超電導同期機の構成図。
【図１２】従来の着磁装置の構成図。
【図１３】従来の着磁装置の構成図。
【符号の説明】
【０１４１】
１ 着磁装置
２ バルク超電導体
２ａ 側帯
２ｂ 酸化物超電導バルク材料
３ 冷却手段
３ａ 冷凍装置
３ｂ 冷媒通路
４ 着磁手段
４ａ 着磁コイル
４ｂ パルス電源
４ｃ 接続線
５ 支持手段
６ 着磁装置
７ バルク超電導体
８ 冷却手段
９ 着磁手段
９ａ 着磁コイル
９ｂ パルス電源
９ｃ 接続線
１０ 支持手段
１１ 回転軸
１２ 円板
１３ 外側ケーシング
１４ 内側ケーシング
１５ 管
１６ 冷媒生成機
１７ 着磁用電源
１８ 接続線
１９ 軸受
２０ シール
２１ 電機子コイル
２１’ 電機子コイル
２２ 電機子コイル
２２’ 電機子コイル
２３ 電機子コイル
２３’ 電機子コイル
２４ 電機子コイル
２４’ 電機子コイル
２５ 電機子コイル
２５’ 電機子コイル
２６ 電機子コイル
２６’ 電機子コイル
２７ 冷媒チャンバ
２８ 断熱部
２９ 穴
３０ 穴
３１ 穴
３２ 穴
３３ 穴
３４ 穴
３５ 穴
３６ 穴
３７ バルク超電導体
３８ バルク超電導体
３９ バルク超電導体
４０ バルク超電導体
４１ バルク超電導体
４２ バルク超電導体
４３ バルク超電導体
４４ バルク超電導体
４５ 交流電源
４６ 切換スイッチ
４８ 制御手段
４９ 負荷
５０ モード切り換えスィッチ
５１ 原動機
５２ 交流電源
５３ 負荷
５４ モード切換スイッチ
５５ 制御手段
５６ 原動機
【特許請求の範囲】
【請求項１】
バルク超電導体と、
前記バルク超電導体を超電導に転移する臨界温度以下の温度に冷却する冷却手段と、
前記バルク超電導体の結晶のａ−ｂ軸平面の断面形状とほぼ同形状に巻成した着磁コイルを有する着磁手段と、
前記バルク超電導体をその結晶のｃ軸が前記着磁コイルの巻線中心軸と平行となりかつ前記バルク超電導体の結晶のａ−ｂ軸平面の断面形状が前記着磁コイルの巻線の中心軸に垂直な方向の横断面形状と整合するように支持する支持手段と、を有することを特徴とするバルク超電導体の着磁装置。
【請求項２】
前記着磁コイルは、巻線の中心部が空洞になっていることを特徴とする請求項１に記載のバルク超電導体の着磁装置。
【請求項３】
前記着磁手段は、対をなす前記着磁コイルを有し、前記対をなす着磁コイルをそれらの巻線の中心軸が一致しかつ前記中心軸に垂直な方向の前記着磁コイルの横断面形状が整合するように前記着磁コイルを設けており、
前記支持手段は、前記バルク超電導体を前記着磁手段の前記着磁コイルの間に、前記バルク超電導体の結晶のｃ軸が前記着磁コイルの巻線の中心軸と平行となりかつ前記バルク超電導体の結晶のａ−ｂ軸平面の断面形状が前記着磁コイルの巻線の中心軸に垂直な方向の横断面形状と整合するように支持することを特徴とする請求項１または２に記載のバルク超電導体の着磁装置。
【請求項４】
前記支持手段は、前記着磁コイルに対して前記バルク超電導体を移動可能に支持していることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のバルク超電導体の着磁装置。
【請求項５】
前記着磁手段は、前記バルク超電導体に対して前記着磁コイルを相対的に移動可能に構成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のバルク超電導体の着磁装置。
【請求項６】
バルク超電導体を、前記バルク超電導体の結晶のａ−ｂ軸平面の断面形状とほぼ同形状に巻成した着磁コイルの近傍に、前記バルク超電導体の結晶のｃ軸が前記着磁コイルの巻線中心軸と平行となりかつ前記バルク超電導体の結晶のａ−ｂ軸平面の断面形状が前記着磁コイルの巻線中心軸に垂直な方向の前記着磁コイルの横断面形状と整合するように配置する段階と、
前記バルク超電導体を超電導に転移する臨界温度以下の温度に冷却する段階と、
前記着磁コイルに第１臨界磁場と第２臨界の間の磁場を発生する電流を流す段階と、を有することを特徴とするバルク超電導体の着磁方法。
【請求項７】
前記着磁コイルは、巻線の中心部が空洞になっていることを特徴とする請求項６に記載のバルク超電導体の着磁方法。
【請求項８】
前記着磁コイルは一対の着磁コイルからなり、前記対をなす着磁コイルはそれらの巻線の中心軸が一致しかつ前記中心軸に垂直な方向の前記着磁コイルの横断面形状が整合するように配置され、前記バルク超電導体は前記着磁コイルの間に、その結晶のｃ軸が前記着磁コイルの巻線の中心軸と平行となりかつ前記バルク超電導体の結晶のａ−ｂ軸平面の断面形状が前記着磁コイルの巻線の中心軸に垂直な方向の横断面形状と整合するように配置されることを特徴とする請求項６に記載のバルク超電導体の着磁方法。
【請求項９】
前記着磁コイルに第１臨界磁場と第２臨界磁場の間の磁場を発生する電流を流した後に、前記バルク超電導体を前記臨界温度以下の温度に維持したまま前記着磁コイルに対して相対的に移動させる段階をさらに有することを特徴とする請求項６〜８のいずれかに記載のバルク超電導体の着磁方法。
【請求項１０】
回転軸に該回転軸に垂直な方向に円板を固定し、前記円板の周方向に結晶のｃ軸が前記回転軸の軸方向と平行になるように配置した複数のバルク超電導体と、
前記バルク超電導体を超電導に転移する臨界温度以下の温度に冷却する冷却手段と、
前記バルク超電導体の結晶のａ−ｂ軸平面の断面形状とほぼ同形状に巻成したコイルを有し、前記円板が所定の回転角度のときに前記コイルの巻線の中心軸が前記バルク超電導体の結晶のｃ軸と平行になりかつ前記バルク超電導体の結晶のａ−ｂ軸平面の断面形状が前記コイルの巻線の中心軸に垂直な方向の横断面形状と整合するように前記コイルを設けた磁場生成手段と、
前記コイルに第１臨界磁場と第２臨界磁場の間の磁場を生成する電流を供給する着磁用電源と、
前記バルク超電導体を駆動する電流を前記磁場生成手段のコイルに供給する交流電源と、
磁場生成モードと交流電流供給モードとを切り換える切換スイッチと、を具備することを特徴とする超電導同期機。
【請求項１１】
回転軸に該回転軸に垂直な方向に円板を固定し、前記円板の周方向に結晶のｃ軸が前記回転軸の軸方向と平行になるように配置した複数のバルク超電導体と、
前記バルク超電導体を超電導に転移する臨界温度以下の温度に冷却する冷却手段と、
前記バルク超電導体の結晶のａ−ｂ軸平面の断面形状とほぼ同形状に巻成したコイルを有し、前記円板が所定の回転角度のときに前記コイルの巻線の中心軸が前記バルク超電導体の結晶のｃ軸と平行になりかつ前記バルク超電導体の結晶のａ−ｂ軸平面の断面形状が前記コイルの巻線の中心軸に垂直な方向の横断面形状と整合するように前記コイルを設けた磁場生成手段と、
前記コイルに第１臨界磁場と第２臨界磁場の間の磁場を生成する電流を供給する着磁用電源と、
前記超電導体が配置された前記円板を回転駆動する原動機と、
磁場生成モードと発電モードとを切り換えるモード切換スイッチと、を具備することを特徴とする超電導同期機。
【請求項１２】
回転軸に該回転軸に垂直な方向に円板を固定し、前記円板の周方向に結晶のｃ軸が前記回転軸の軸方向と平行になるように配置した複数のバルク超電導体と、
前記バルク超電導体を超電導に転移する臨界温度以下の温度に冷却する冷却手段と、
前記バルク超電導体の結晶のａ−ｂ軸平面の断面形状とほぼ同形状に巻成したコイルを有し、前記円板が所定の回転角度のときに前記コイルの巻線の中心軸が前記バルク超電導体の結晶のｃ軸と平行になりかつ前記バルク超電導体の結晶のａ−ｂ軸平面の断面形状が前記コイルの巻線の中心軸に垂直な方向の横断面形状と整合するように前記コイルを設けた磁場生成手段と、
前記コイルに第１臨界磁場と第２臨界磁場の間の磁場を生成する電流を供給する着磁用電源と、
前記バルク超電導体を駆動する電流を前記磁場生成手段のコイルに供給する交流電源と、
前記超電導体が配置された前記円板を回転駆動する原動機と、
磁場生成モードと交流電流供給モードと発電モードとを切り換えるモード切換スイッチと、を具備することを特徴とする超電導同期機。
【請求項１３】
前記バルク超電導体の磁界の強さを検出するセンサーを具備し、前記センサーの信号を入力し前記バルク超電導体を着磁させる磁場生成モードに切り換える制御手段を有していることを特徴とする請求項１０〜１２のいずれかに記載の超電導同期機。
【請求項１４】
前記コイルは前記バルク超電導体を挟んで対をなし、対をなすコイルはそれらの巻線の中心軸が一致しかつ前記中心軸に垂直な方向の前記着磁コイルの横断面形状が前記バルク超電導体の結晶のａ−ｂ軸平面の断面形状と整合していることを特徴とする請求項１１〜１３のいずれかに記載の超電導同期機。
【請求項１５】
前記コイル対の数は３の整数倍、前記バルク超電導体の数は２の整数倍であることを特徴とする請求項１４に記載の超電導同期機。
【請求項１】
バルク超電導体と、
前記バルク超電導体を超電導に転移する臨界温度以下の温度に冷却する冷却手段と、
前記バルク超電導体の結晶のａ−ｂ軸平面の断面形状とほぼ同形状に巻成した着磁コイルを有する着磁手段と、
前記バルク超電導体をその結晶のｃ軸が前記着磁コイルの巻線中心軸と平行となりかつ前記バルク超電導体の結晶のａ−ｂ軸平面の断面形状が前記着磁コイルの巻線の中心軸に垂直な方向の横断面形状と整合するように支持する支持手段と、を有することを特徴とするバルク超電導体の着磁装置。
【請求項２】
前記着磁コイルは、巻線の中心部が空洞になっていることを特徴とする請求項１に記載のバルク超電導体の着磁装置。
【請求項３】
前記着磁手段は、対をなす前記着磁コイルを有し、前記対をなす着磁コイルをそれらの巻線の中心軸が一致しかつ前記中心軸に垂直な方向の前記着磁コイルの横断面形状が整合するように前記着磁コイルを設けており、
前記支持手段は、前記バルク超電導体を前記着磁手段の前記着磁コイルの間に、前記バルク超電導体の結晶のｃ軸が前記着磁コイルの巻線の中心軸と平行となりかつ前記バルク超電導体の結晶のａ−ｂ軸平面の断面形状が前記着磁コイルの巻線の中心軸に垂直な方向の横断面形状と整合するように支持することを特徴とする請求項１または２に記載のバルク超電導体の着磁装置。
【請求項４】
前記支持手段は、前記着磁コイルに対して前記バルク超電導体を移動可能に支持していることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のバルク超電導体の着磁装置。
【請求項５】
前記着磁手段は、前記バルク超電導体に対して前記着磁コイルを相対的に移動可能に構成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のバルク超電導体の着磁装置。
【請求項６】
バルク超電導体を、前記バルク超電導体の結晶のａ−ｂ軸平面の断面形状とほぼ同形状に巻成した着磁コイルの近傍に、前記バルク超電導体の結晶のｃ軸が前記着磁コイルの巻線中心軸と平行となりかつ前記バルク超電導体の結晶のａ−ｂ軸平面の断面形状が前記着磁コイルの巻線中心軸に垂直な方向の前記着磁コイルの横断面形状と整合するように配置する段階と、
前記バルク超電導体を超電導に転移する臨界温度以下の温度に冷却する段階と、
前記着磁コイルに第１臨界磁場と第２臨界の間の磁場を発生する電流を流す段階と、を有することを特徴とするバルク超電導体の着磁方法。
【請求項７】
前記着磁コイルは、巻線の中心部が空洞になっていることを特徴とする請求項６に記載のバルク超電導体の着磁方法。
【請求項８】
前記着磁コイルは一対の着磁コイルからなり、前記対をなす着磁コイルはそれらの巻線の中心軸が一致しかつ前記中心軸に垂直な方向の前記着磁コイルの横断面形状が整合するように配置され、前記バルク超電導体は前記着磁コイルの間に、その結晶のｃ軸が前記着磁コイルの巻線の中心軸と平行となりかつ前記バルク超電導体の結晶のａ−ｂ軸平面の断面形状が前記着磁コイルの巻線の中心軸に垂直な方向の横断面形状と整合するように配置されることを特徴とする請求項６に記載のバルク超電導体の着磁方法。
【請求項９】
前記着磁コイルに第１臨界磁場と第２臨界磁場の間の磁場を発生する電流を流した後に、前記バルク超電導体を前記臨界温度以下の温度に維持したまま前記着磁コイルに対して相対的に移動させる段階をさらに有することを特徴とする請求項６〜８のいずれかに記載のバルク超電導体の着磁方法。
【請求項１０】
回転軸に該回転軸に垂直な方向に円板を固定し、前記円板の周方向に結晶のｃ軸が前記回転軸の軸方向と平行になるように配置した複数のバルク超電導体と、
前記バルク超電導体を超電導に転移する臨界温度以下の温度に冷却する冷却手段と、
前記バルク超電導体の結晶のａ−ｂ軸平面の断面形状とほぼ同形状に巻成したコイルを有し、前記円板が所定の回転角度のときに前記コイルの巻線の中心軸が前記バルク超電導体の結晶のｃ軸と平行になりかつ前記バルク超電導体の結晶のａ−ｂ軸平面の断面形状が前記コイルの巻線の中心軸に垂直な方向の横断面形状と整合するように前記コイルを設けた磁場生成手段と、
前記コイルに第１臨界磁場と第２臨界磁場の間の磁場を生成する電流を供給する着磁用電源と、
前記バルク超電導体を駆動する電流を前記磁場生成手段のコイルに供給する交流電源と、
磁場生成モードと交流電流供給モードとを切り換える切換スイッチと、を具備することを特徴とする超電導同期機。
【請求項１１】
回転軸に該回転軸に垂直な方向に円板を固定し、前記円板の周方向に結晶のｃ軸が前記回転軸の軸方向と平行になるように配置した複数のバルク超電導体と、
前記バルク超電導体を超電導に転移する臨界温度以下の温度に冷却する冷却手段と、
前記バルク超電導体の結晶のａ−ｂ軸平面の断面形状とほぼ同形状に巻成したコイルを有し、前記円板が所定の回転角度のときに前記コイルの巻線の中心軸が前記バルク超電導体の結晶のｃ軸と平行になりかつ前記バルク超電導体の結晶のａ−ｂ軸平面の断面形状が前記コイルの巻線の中心軸に垂直な方向の横断面形状と整合するように前記コイルを設けた磁場生成手段と、
前記コイルに第１臨界磁場と第２臨界磁場の間の磁場を生成する電流を供給する着磁用電源と、
前記超電導体が配置された前記円板を回転駆動する原動機と、
磁場生成モードと発電モードとを切り換えるモード切換スイッチと、を具備することを特徴とする超電導同期機。
【請求項１２】
回転軸に該回転軸に垂直な方向に円板を固定し、前記円板の周方向に結晶のｃ軸が前記回転軸の軸方向と平行になるように配置した複数のバルク超電導体と、
前記バルク超電導体を超電導に転移する臨界温度以下の温度に冷却する冷却手段と、
前記バルク超電導体の結晶のａ−ｂ軸平面の断面形状とほぼ同形状に巻成したコイルを有し、前記円板が所定の回転角度のときに前記コイルの巻線の中心軸が前記バルク超電導体の結晶のｃ軸と平行になりかつ前記バルク超電導体の結晶のａ−ｂ軸平面の断面形状が前記コイルの巻線の中心軸に垂直な方向の横断面形状と整合するように前記コイルを設けた磁場生成手段と、
前記コイルに第１臨界磁場と第２臨界磁場の間の磁場を生成する電流を供給する着磁用電源と、
前記バルク超電導体を駆動する電流を前記磁場生成手段のコイルに供給する交流電源と、
前記超電導体が配置された前記円板を回転駆動する原動機と、
磁場生成モードと交流電流供給モードと発電モードとを切り換えるモード切換スイッチと、を具備することを特徴とする超電導同期機。
【請求項１３】
前記バルク超電導体の磁界の強さを検出するセンサーを具備し、前記センサーの信号を入力し前記バルク超電導体を着磁させる磁場生成モードに切り換える制御手段を有していることを特徴とする請求項１０〜１２のいずれかに記載の超電導同期機。
【請求項１４】
前記コイルは前記バルク超電導体を挟んで対をなし、対をなすコイルはそれらの巻線の中心軸が一致しかつ前記中心軸に垂直な方向の前記着磁コイルの横断面形状が前記バルク超電導体の結晶のａ−ｂ軸平面の断面形状と整合していることを特徴とする請求項１１〜１３のいずれかに記載の超電導同期機。
【請求項１５】
前記コイル対の数は３の整数倍、前記バルク超電導体の数は２の整数倍であることを特徴とする請求項１４に記載の超電導同期機。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２００６−１７３６３９（Ｐ２００６−１７３６３９Ａ）
【公開日】平成１８年６月２９日（２００６．６．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−３６８３７３（Ｐ２００５−３６８３７３）
【出願日】平成１７年１２月２１日（２００５．１２．２１）
【分割の表示】特願２００４−３９３３（Ｐ２００４−３９３３）の分割
【原出願日】平成１６年１月９日（２００４．１．９）
【出願人】（５０４１４５３２０）国立大学法人福井大学 (287)
【出願人】（５０４１９６３００）国立大学法人東京海洋大学 (83)
【出願人】（５０３０１８０３２）北野精機株式会社 (4)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年６月２９日（２００６．６．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年１２月２１日（２００５．１２．２１）
【分割の表示】特願２００４−３９３３（Ｐ２００４−３９３３）の分割
【原出願日】平成１６年１月９日（２００４．１．９）
【出願人】（５０４１４５３２０）国立大学法人福井大学 (287)
【出願人】（５０４１９６３００）国立大学法人東京海洋大学 (83)
【出願人】（５０３０１８０３２）北野精機株式会社 (4)
【Ｆターム（参考）】
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