超電導回転機
【課題】ステータを間に挟んで半径方向に２つのロータ部分を配置する構成を備える超電導回転機において、２つのロータ部分の半径方向のギャップ間隔の変動を抑制する。
【解決手段】ステータ２ａを間に挟んで半径方向に２つのロータ部分３を配置する構成を備える超電導回転機１ａにおいて、半径方向の外周側に設けたロータ３ｂを片持ち支持に代えて、ロータの両端を支持する両持ち支持とすることによって、２つのロータ部分の半径方向のギャップ間隔の変動を抑制する。ローター３ｂを両持ち支持とする構成として、ローター３ｂの自由端と回転軸３ｅとの間に、ステータ３の一部を挟んで半径方向に２重のラジアル軸受け９ａ、９ｂを設け、内側のラジアル軸受け９ａはステータ３に対して回転軸３ｅを回転自在に支持し、外側のラジアル軸受け９ｂはステータ３に対して自由端を有するローター３ｂを回転自在に支持する。
【解決手段】ステータ２ａを間に挟んで半径方向に２つのロータ部分３を配置する構成を備える超電導回転機１ａにおいて、半径方向の外周側に設けたロータ３ｂを片持ち支持に代えて、ロータの両端を支持する両持ち支持とすることによって、２つのロータ部分の半径方向のギャップ間隔の変動を抑制する。ローター３ｂを両持ち支持とする構成として、ローター３ｂの自由端と回転軸３ｅとの間に、ステータ３の一部を挟んで半径方向に２重のラジアル軸受け９ａ、９ｂを設け、内側のラジアル軸受け９ａはステータ３に対して回転軸３ｅを回転自在に支持し、外側のラジアル軸受け９ｂはステータ３に対して自由端を有するローター３ｂを回転自在に支持する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超電導線材を用いた巻線を備える超電導回転機に関する。
【背景技術】
【０００２】
エネルギー源の多様化の観点から、自然エネルギーの利用促進が注目されている。特に、風力発電は発電サイト単位面積から取り出せる電力が回転機の単機容量が増大するとともに増大することが知られている。そのスケールメリットを生かすべく、欧州では単機容量５MW以上の大規模風力発電の開発が進められている。
【０００３】
一般に、現用の交流回転機の出力Ｐと磁気装荷φ・電気装荷Ａ・周波数ｆの関係は、以下の式で表される。なお、磁気装荷は磁束総量であり、電気装荷はアンペア導体数である。
Ｐ∝Ａ・φ・ｆ …（１）
【０００４】
風力発電機は出力が大きくなるに従い風車の径は大きくなる。風車の翼端の速度は騒音の関係から一定の値以下に抑える必要があり、出力が大きくなるに従って風車の回転数は低くなる。出力が５MWを超える大型風力発電では２０rpm以下になる。この低速の回転数では、風車に発電機を直結する場合、例えば４８極の発電機出力の周波数は８Hz程度となる。
【０００５】
増速機を用いずに直結駆動によって発電する場合には周波数が低く、一定の出力を得るために磁気装荷および電気装荷ともに大きくする必要がある。さらに、出力が大きくなるのに比例する以上に磁気装荷および電気装荷ともに大きくする必要がある。従って、出力が大きくなるにともない、風力発電のタワー頭部の重量が過大になり、土木コストの増大につながる。他方、増速機を用いる場合には、大出力の風力発電では大トルクに耐える増速機コストと信頼性が問題となる。
【０００６】
従って、大型風力発電では、直結、低回転・高トルクで、かつ、高効率・軽量な同期回転機の開発が求められる。
【０００７】
一方、近年の高温超電導の線材技術の進歩は著しく、高電流密度・高磁界という超電導の特徴を生かすことによって、風力回転機の軽量・高出力・高効率化の可能性が検討されている。
【０００８】
風力タービン発電や船用推進電動機等の、小型で、低速かつ高トルクの回転機として、超電導電気機器が提案されている（例えば、特許文献１）。
【０００９】
図１７は、上記した特許文献１に示される超電導電気機器の概略を説明するための断面図である。
【００１０】
図１７において、超電導電気機器１０１はステータ１０２とローター１０３を備える。ステータ１０２は固定され、ベアリング１０８を介して回転軸１０７を回転自在に支持する。ローター１０３は回転軸１０７と共に回転する。ローター１０３は、環状の低温真空容器１０４ａ、１０４ｂ内にそれぞれ収納された２つの界磁巻線１０５ａ、１０５ｂを備える。
【００１１】
また、ステータ１０２は電機子巻線１０６を備える。この電機子巻線１０６は、ローター１０３が半径方向に所定のギャップを設けて配置された２つの界磁巻線１０５ａ、１０５ｂの間に配置される。
【００１２】
ローター１０３が回転すると、ローターの界磁巻線１０５ａ、１０５ｂが形成する界磁磁束はステータ１０２に対して回転して電機子巻線１０６と鎖交する。電機子巻線１０６に鎖交する界磁磁束が変化することによって電機子巻線１０６に電流が流れ、発電が行われる。
【００１３】
２つの界磁巻線１０５ａ、１０５ｂを半径方向に分離して配置する構成は、ステータ側の電機子巻線との間で鎖交する界磁磁束を増加させ、これによって発電出力を増加させるためである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】国際公開第２００６／０１６１３４号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
上記した超電導電気機器の構成では、ローター１０３において、界磁巻線１０５ａが設けられるローター部分は回転軸１０７に対して片持ち状態で保持され、この保持端と反対側の端部は自由端となっている。このローター１０３の自由端側は、自重による撓みや、回転時の振動等によって、半径方向の位置が変動する。
【００１６】
２つの界磁巻線１０５ａ、１０５ｂを設けたローター部分の間には、半径方向に所定のギャップが設けられているが、このギャップ内には電機子巻線１０６を設けたステータ１０２が配置されているため、ローター１０３の自由端の半径方向の位置が変動すると、ステータ１０２に設けた電機子巻線１０６と鎖交する界磁磁束の変化に歪みが生じ、発電機では発生する電圧や電流に歪みが生じるという問題が発生し、また、電動機では回転速度や発生トルクに変動が生じるという問題が発生する。さらに、ローター１０３の自由端の半径方向の位置変動が大きい場合には、ローター１０３の自由端がステータ１０２と接触し、ローターやステータが機械的に損傷するという問題が発生する。
【００１７】
上記したように、ステータを間に挟んで半径方向に２つのローター部分を配置することによって、電機子巻線で鎖交する界磁磁束を増加させる構成では、ローターの一端が自由端となって片持ちで支持されるため、ローターの自由端の半径方向の位置が変動し、発電機では発生する電圧や電流が変動し、電動機では回転速度やトルクが変動するといった問題があり、さらには、機械的な損傷が生じるという問題もある。
【００１８】
そこで、本発明は前記した従来の問題点を解決し、ステータを間に挟んで半径方向に２つのローター部分を配置する構成を備える超電導回転機において、２つのローター部分の半径方向のギャップ間隔の変動を抑制することを目的とする。
【００１９】
また、本発明は、２つのローター部分の半径方向のギャップ間隔の変動を抑制することによって、ローターとステータとの半径方向のクリアランスの変動を抑制して、発電機においては発生する電圧や電流の歪みの発生を抑制し、電動機においては回転速度や発生トルクの変動を抑制することを目的とし、また、ローターとステータとの接触による機械的損傷を防ぐことを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
本発明は、ステータを間に挟んで半径方向に２つのローター部分を配置する構成を備える超電導回転機において、半径方向の外周側に設けたローターを片持ち支持に代えて、ローターの両端を支持する両持ち支持とすることによって、２つのローター部分の半径方向のギャップ間隔の変動を抑制する。
【００２１】
また、ローターを両持ち支持とする構成として、ローターの自由端と回転軸との間に、ステータの一部を挟んで半径方向に２重のラジアル軸受けを設けた構成とする。２重のラジアル軸受けの内で、内側のラジアル軸受けはステータに対して回転軸を回転自在に支持し、外側のラジアル軸受けはステータに対して自由端を有するローターを回転自在に支持する。
【００２２】
ローターの自由端側が外側のラジアル軸受けによってステータに対して回転支持されるため、ローターは両持ち支持される。
【００２３】
また、ローターを両持ち支持とする構成は外側のラジアル軸受けのみによっても可能であるが、内側のラジアル軸受けを設けることによって、ステータに対する回転軸の回転支持を行うことができる。
【００２４】
したがって、本発明に用いる２重のラジアル軸受けは、回転軸の軸方向において必ずしも同一位置である必要はなく、軸方向の異なる位置に配置してもよい。
【００２５】
本発明の超電導回転機は、ステータとローターを備える。ローターは、軸部と、軸方向に延びると共に半径方向の断面が環状のローター外周部とを備える。軸部とローター外周部は、互いに半径方向にギャップを有して配置される。
【００２６】
ステータは、軸方向に延びると共に半径方向の断面が環状のステータ内周部とステータ外周部を備える。ステータ内周部とステータ外周部は、互いに半径方向にギャップを有して配置される。ステータ内周部は、ローターの軸部とローター外周部との間で形成されるギャップ内に非接触の状態で配置される。
【００２７】
一方、ローターは、そのローター外周部において、軸方向の一端をローターの軸部と半径方向で連接し、軸方向の他端をステータに対して回転自在に支持することによって両持ち機構とする。両持ち機構は、ローター外周部の他端において、この端部とローターの軸部との間にステータの一部を挟んで半径方向に２重に配置した２重ラジアル軸受けを備える。２重のラジアル軸受けにおいて、内側のラジアル軸受けはステータに対して回転軸を回転自在に支持し、外側のラジアル軸受けはステータに対して自由端を有するローターを回転自在に支持する。
【００２８】
また、ステータ又はローターは超電導線材を用いた巻線を備え、超電導化した巻線を界磁巻線として界磁磁束を形成する。超電導線材は、冷媒によって超電導化される。巻線を超電導化することによって、高電流密度、高磁界、直流において損失を零とするといった超電導の特徴を利用することができる。
【００２９】
本発明の２重のラジアル軸受けにおいて、内側のラジアル軸受けと外側のラジアル軸受けとの間に、ステータ外周部とステータ内周部とを連結する連結部を通すことによって、内側ラジアル軸受けと外側ラジアル軸受けとをステータに対して支持させ、また、ローター外周部の端部の半径方向に加重を、内側ラジアル軸受け、連結部、および外側ラジアル軸受けを介して、軸部に支持させる。
【００３０】
本発明の２重のラジアル軸受けは、ベアリングによる機械的軸受けとする他、磁気力による非接触軸受けとすることができる。
【００３１】
本発明の超電導回転機は、ローターとステータ、および界磁巻線と電機子巻線との関係において２つの態様とすることができる。第１の態様は、ローターに界磁巻線を設けステータに電機子巻線を設ける構成であり、第２の態様は、ステータに界磁巻線を設けローターに電機子巻線を設ける構成である。
【００３２】
本発明の超電導回転機の第１の態様は、ローターに界磁磁束を形成する界磁巻線を設け、ステータに界磁磁束と鎖交する電機子巻線を設ける構成とする。
【００３３】
ローターは、界磁巻線を超電導化するために、内部に冷媒を収容する低温容器を備える。低温容器は、中心軸側の円筒状部と、外周側の半径方向の断面が環状の環状部と、円筒状部および環状部を軸方向の一端において半径方向で連通する連通部とを備える。環状部の軸方向の他端は、２重ラジアル軸受けの外側のラジアル軸受けによってステータに対して回転自在に支持される。低温容器は、少なくとも環状部内に超電導の界磁巻線を備える。
【００３４】
一方、ステータは、少なくともステータ内周部に電機子巻線を備え、超電導の界磁巻線が形成する界磁磁束と鎖交する。
【００３５】
界磁巻線又は電機子巻線は半径方向に２分割した構成とし、この２分割構成によって、ステータ側の電機子巻線において鎖交する界磁磁束を増加させ、発電の効率又はトルクの出力効率を高めることができる。
【００３６】
界磁巻線を半径方向に２分割する構成では、分割した一方の界磁巻線を軸部に配置し、分割した他方の界磁巻線をローター外周部に配置する。
【００３７】
また、電機子巻線を半径方向に２分割する構成では、分割した一方の電機子巻線をステータ内周部内に配置し、分割した他方の電機子巻線をステータ外周部内に配置する。
【００３８】
本発明の超電導回転機の第２の態様は、ステータに界磁磁束を形成する界磁巻線を設け、ローターに界磁磁束と鎖交する電機子巻線を設ける構成とする。
【００３９】
ステータは、界磁巻線を超電導化するために、内部に冷媒を収容する低温容器を備える。低温容器は、中心軸側の半径方向の断面が環状の内周側環状部と、外周側の半径方向の断面が環状の外周側環状部と、内周側環状部および外周側環状部を軸方向の一端において半径方向で連通する連通部とを備える。低温容器は、少なくとも何れか一方の環状部内に超電導の界磁巻線を備える。
【００４０】
ローターは外周側環状部を備え、その環状部の軸方向の一端は回転軸に連結され、他端は２重ラジアル軸受けの外側のラジアル軸受けによってステータに対して回転自在に支持される。ローターには電機子巻線が設けられ、超電導の界磁巻線が形成する界磁磁束と鎖交する。
【００４１】
界磁巻線又は電機子巻線は半径方向に２分割した構成とし、この２分割構成によって、ステータ側の電機子巻線において鎖交する界磁磁束を増加させ、発電の効率又はトルクの出力効率を高めることができる。
【００４２】
界磁巻線を半径方向に２分割する構成では、分割した一方の界磁巻線をステータ内周部に配置し、分割した他方の界磁巻線をステータ外周部に配置する。
【００４３】
また、電機子巻線を半径方向に２分割する構成では、分割した一方の電機子巻線を軸部内に配置し、分割した他方の電機子巻線をローター外周部内に配置する。
【００４４】
本発明の超電導回転機は、発電機又は電動機とすることができる。
【００４５】
超電導回転機を発電機として構成する場合には、ローターを回転駆動してローターとステータとを相対移動させ、相対移動によって界磁巻線が形成する界磁磁束を変化させ、界磁磁束の磁束変化を電機子巻線によって電流に変換する。
【００４６】
超電導回転機を電動機として構成する場合には、電機子巻線に電流を印加して磁界を形成し、磁界と界磁巻線が形成する界磁磁束との鎖交によって、電流を回転力に変換する。
【００４７】
本願の超電導回転機は、増速ギアを用いずに、回転軸の回転によってローターを直接に回転させる直接駆動の構成とすることによって軽量化することができ、大容量の風力発電に好適な構成とすることができる。
【００４８】
本発明の超電導回転機は、同期発電／電力変換とすることによって出力制御を容易とすることができる。
【００４９】
電機子を回転機させる構成の場合には、発電出力を摺動で取り出す構成が必要であるが、本発明の超電導回転機は、界磁を回転させる態様とすることで発電出力の取り出しが容易とすることができる。
【００５０】
本発明の超電導回転機は、発電領域に鉄心を導入しない空心構造とすることによって、軽量化することができる。
【発明の効果】
【００５１】
以上説明したように、本発明の超電導回転機によれば、ステータを間に挟んで半径方向に２つのローター部分を配置する構成を備える超電導回転機において、２つのローター部分の半径方向のギャップ間隔の変動を抑制することができる。
【００５２】
また、本発明の超電導回転機によれば、２つのローター部分の半径方向のギャップ間隔の変動を抑制することによって、ローターとステータとの半径方向のクリアランスの変動を抑制して、発電機においては発生する電圧や電流の歪みの発生を抑制し、電動機においては回転速度や発生トルクの変動を抑制することができる。
【００５３】
また、本発明の超電導回転機によれば、ローターとステータとの接触による機械的損傷を防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明の第１の態様の第１の形態を説明するための断面図である。
【図２】本発明の第１の態様の第１の形態を説明するための一部を断面で示した斜視図である。
【図３】本発明の第１の態様の第２の形態を説明するための断面図である。
【図４】本発明の第１の態様の第３の形態を説明するための断面図である。
【図５】本発明の第１の態様の第４の形態を説明するための断面図である。
【図６】本発明の第２の態様の第１の形態を説明するための断面図である。
【図７】本発明の第２の態様の第２の形態を説明するための断面図である。
【図８】本発明の第２の態様の第３の形態を説明するための断面図である。
【図９】本発明の第２の態様の第４の形態を説明するための断面図である。
【図１０】本発明の超電導回転機の構成例の界磁巻線と電機子巻線を示す図である。
【図１１】本発明の超電導回転機の構成例のギャップ磁束密度の分布を示す図である。
【図１２】本発明の超電導回転機の構成例の電機子導体／スロットの寸法を説明するための図である。
【図１３】本発明の超電導回転機の構成例の界磁巻線、電機子巻線の配置および寸法を説明するための図である。
【図１４】本発明の超電導回転機の構成例の誘導起電力の瞬時波形を説明するための図である。
【図１５】本発明の超電導回転機の構成例の負荷解析に用いた回路を説明するための図である。
【図１６】本発明の超電導回転機の構成例の電流・相電圧波形の解析結果を説明するための図である。
【図１７】従来の超電導電気機器の概略を説明するための断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００５５】
以下、本発明の実施の形態について、図を参照しながら詳細に説明する。以下、本発明の超電導回転機の構成例について、図１〜図１６を用いて説明する。
【００５６】
図１〜図５は、ローターに界磁巻線を設け、ステータに電機子巻線を設ける第１の態様を説明するための図であり、図６〜図９は、ステータに界磁巻線を設け、ローターに電機子巻線を設ける第２の態様を説明するための図であり、第１の態様および第２の態様ではそれぞれ４つの形態について示している。また、図１０〜図１６は、図１，２に示す第１の態様の一形態の構成例を説明するための図である。
【００５７】
[超電導回転機の基本構造]
はじめに、大容量風力発電機を想定した場合の超電導回転機に適した基本構造について示す。なお、ここでは、１０MW級の大容量風力発電機を想定するものとする。
【００５８】
１０MW級の風力発電機は、ローター直径１５０ｍ程度となり、翼端速度の騒音上の制約からローター回転数は１０rpm程度となり、ロータートルクは１０７Nm程度と巨大となる。発電機は１００ｍを越えるタワー上に載せる必要があるため、軽量でコンパクトであることが求められる。
【００５９】
以上のような前提条件を考慮すると、以下に示すように、超電導回転機を用いた風力発電システムとして、（ａ）増速ギアを用いない直接駆動、（ｂ）同期発電/電力変換、（ｃ）回転界磁、（ｄ）発電領域に鉄心を導入しない空心構造等が適している。
【００６０】
（ａ）従来の常電導型風力発電機の主流は、増速ギアを用いた誘導発電機方式である。しかし、１０MW級の大容量風力発電では、大きなロータートルクに耐える信頼性の高い増速ギアの実現が困難であるという問題がある。また、重量も非常に大きくなるため、増速ギアを用いる構造は実現が難しい。したがって、超電導回転機を用いた風力発電システムでは、増速ギアを用いない直接駆動が適している。
【００６１】
（ｂ）誘導発電機による電力変換は、１０MW級の大容量では事故時の短絡電流が大きい、出力制御の自由度が少ない等の点で、電力系統の連系上で問題が大きい。したがって、超電導回転機を用いた風力発電システムでは、出力制御が容易な半導体電力変換装置を用いた同期発電/電力変換方式が適している。
【００６２】
（ｃ）電機子を回転子とした構成の場合には、回転する電機子から固定側に電力を取り出すために、摺動機構が必要となる。このような、摺動によって大電力を取り出す機構は、保守性や信頼性の観点から好ましくない。したがって、超電導回転機を用いた風力発電システムでは、実用機としては回転界磁が適当である。
【００６３】
（ｄ）発電領域に鉄心を導入する構成は、磁束を有効に利用することができることから、発電機のコンパクト化や超電導線材の節約の点で空心機と比較して検討する価値があるが、重量の点を考慮すると、発電領域に鉄心を導入する構成は超電導化の利点を利用する点で有効であるとは云えない。
【００６４】
また、高電流密度、高磁界、直流における無損失等の超電導が有する特徴を十分に生かすには、界磁巻線のみを超電導化して少なくとも３T以上の高磁界化を図ることが有効と考えられる。この場合、鉄心を用いることはできないため空心機となる。一般に空心機では、界磁巻線外部に大きな磁束を飛散させることが難しい。そこで、本発明では、界磁磁束を有効に電機子巻線に鎖交させるために、界磁巻線を半径方向に２分割したスプリット構造とし、２分割した界磁巻線のギャップ間に電機子巻線を配置する構造を採用する。
【００６５】
次に、本発明の超電導回転機の構成の種類について、他の構成種と比較して示す。本発明の超電導回転機は、界磁巻線として超電導巻線を用いると共に電機子として銅巻線を用いる部分超電導巻線とする。
【００６６】
電機子巻線までも超電導化する全超電導発電機と界磁巻線のみを超電導化する部分超電導発電機とを比較すると、以下に示すように、電力損失の点から部分超電導が好適である。
【００６７】
電機子巻線までも超電導化した全超電導発電機では、機器の大幅なコンパクト化が可能となるが、空心型では電機子巻線に交流磁界が加わるため交流損失が発生し、その大きさは機器の効率・実現可能性に大きく作用する。
【００６８】
カップ型の構成について全超電導化した場合の界磁巻線の交流損失を試算した例を示す。
【００６９】
界磁巻線総交流損失Ｗd[w]は下式で与えられる．
Ｗd＝ｐ・n・Ｑm・Ｌs
ただし，ｐ：極対数，ｎ：ローター回転数，Ｌs：素線総延長である。
【００７０】
テープ導体の磁化損失特性の一例では、Ｂm＝２Ｔにおける磁化損失はＱm＝１０J/m/cycleとなり、このときの界磁巻線総交流損失Ｗd[w]は、
Ｗd＝０．１MW （at ２０K）
となる。
【００７１】
２０Kでの冷凍機のＣＯＰ（冷却効率：冷凍能力／消費電力）＝１／１４０を考慮すると冷凍電力は１４MWとなる。この値は、交流損失の冷凍電力が１０MW級の発電出力を上回るか同等のレベルとなるため現実的とは云えない。線材を１０分割し、仮に鉄心を使い線材に印加される磁界を０．１Ｔに抑えることができれば、損失はほぼ３００分の１になり、効率的には問題の無いレベルに収まるが、発電機の重量を抑えつつ鉄心を導入して印加磁界を低減する現実的な方法を見つけるのはかなり困難である。したがって、全超電導化は界磁方式の種類に関わらず，永久磁石方式も含めて適当とは云えない。
【００７２】
超電導回転機において、界磁として超電導巻線型、超電導バルク型、永久磁石型が考えられ、また、電機子巻線として銅コイル型と交流超電導型とが考えられる。ここで、界磁のみが超電導のものを部分超電導型と呼び、界磁および電機子ともに超電導のものを全超電導型と呼ぶことにする。
【００７３】
さらに、巻線界磁型の部分超電導発電機は、円筒回転子方式、横方向磁束型方式、カップ型方式等、構造によりいくつかに分類することができる。
【００７４】
超電導巻線型と超電導バルク型とを比較すると、超電導バルク型は電流供給が不要である、回転子構造が簡易であるといった長所がある一方、着磁および再着磁が必要であり、また、界磁分布の調整が困難であるという短所がある。これに対して、超電導巻線型は、電流供給が必要であるものの、空隙磁束分布形状の設計の自由度が高く、空隙界磁の制御が容易であるという長所があるため、実用性の観点から超電導回転機を用いた風力発電システムには超電導巻線型が好適である。
【００７５】
上記比較から、超電導界磁巻線型の部分超電導発電機が好適な構造である。この部分超電導発電機の構成例として、従来から知られる円筒回転子型の他、横方向磁束型やカップ型と呼ばれる構成が提案されている。
【００７６】
円筒回転子方式は、超電導界磁巻線が円筒形のクライオスタットに収納される構造である。この構成はシンプルな構造であるが、回転子巻線の外周に電機子を置くため、電機子巻線領域の磁束密度が界磁巻線内の磁束密度に比べ大きく低下し、機器のコンパクト軽量化の観点からは不利である。特に、この傾向は極数が大きくなると著しくなる。
【００７７】
上記課題に対して、電機子巻線領域の磁束密度を高く保ち、回転機のコンパクト化を図る構成として横方向磁束型やカップ型方式と呼ばれる構成が提案されている。
【００７８】
横方向磁束型は、円形のモジュールコイルを周方向に並べることによって回転軸方向の磁界を形成する構成であり、電機子巻線領域の磁界を円筒回転子型より３倍程度大きくすることができる。
【００７９】
また、カップ型は，界磁コイルを２分割して軸方向の一端で結合すると共に他端を開放し、この開放端側から２分割した界磁コイルの間に電機子巻線を挿入する構成であり、円筒回転子型に比較し電機子巻線領域の磁束密度をやはり３倍程度大きくすることができる。したがって、横方向磁束型やカップ型では、円筒回転子方式と比較してよりコンパクトで軽量化が可能となる。
【００８０】
超電導回転機として、カップ型は横方向磁束型よりも発電機外径が小さいが、カップ型は鉄心の磁気シールド用バックヨークで回転部を覆う必要があり、その分外径が増す。また、電機子巻線および界磁巻線いずれも片持ち支持構造であるため、機械強度の観点からの補強する必要があり、発電機体格がより大きくなる可能性がある。
【００８１】
また、横方向磁束型は、カップ型と比較して外部漏れ磁束は少ないものの磁気シールドは必要であり、発電機体格がより大きくなる可能性は同様にある。
【００８２】
本発明は、カップ型の構成において、巻線が片持ち支持構造であることに起因する機械強度の問題を解消するものであり、ステータを間に挟んで半径方向に２つのローター部分を配置する構成を備える超電導回転機において、半径方向の外周側に設けたローターを片持ち支持構造に代えて、ローターの両端を支持する両持ち支持構造とする。この両持ち支持構造とすることによって、２つのローター部分の半径方向のギャップ間隔の変動を抑制し、ギャップ間隔変動に伴い磁束変動を低減して、電流や電圧の変動を低減し、また、ステータとローターとの機械的な接触を防ぐ。
【００８３】
次に、本発明の超電導回転機の第１の態様および第２の態様について説明する。各態様では、４つの形態例について説明する。
【００８４】
［第１の態様］
はじめに、本発明の第１の態様について、図１〜図５を用いて説明する。本発明の第１の態様は、ローターに界磁巻線を設け、ステータに電機子巻線を設ける態様である。以下、この第１の態様の４つの形態例について説明する。
【００８５】
なお、以下では、超電導回転機は発電機を構成する場合について説明しているが、電動機としても同様に構成することができる。
【００８６】
[第１の態様の第１の形態]
はじめに、第１の態様の第１の形態について図１の断面図および図２の一部を断面で示した斜視図を用いて説明する。図１（ａ）の断面図は軸方向の断面を示し、図１（ｂ）の断面図は径方向の断面を示している。
【００８７】
第１の態様の第１の形態は、ローターに界磁巻線を設け、ステータに電機子巻線を設ける態様において、ローター側では界磁巻線を２分割してスプリット構造とし、ステータ側では２分割した界磁巻線の間に電機子巻線を配置し、外側界磁巻線の外側にバックヨークを設ける構成である。
【００８８】
第１の態様の第１の形態の超電導回転機１Ａは、ステータ２とローター３を備え、ステータ２又はローター３は超電導線材を用いた巻線を備える。図１、２では、内側界磁巻線５ａ、外側界磁巻線５ｂを超電導線材によって形成する。
【００８９】
ローター３は、軸部３ａと、軸方向に延びると共に半径方向の断面が環状のローター外周部３ｂとを備える。軸部３ａとローター外周部３ｂとは互いに半径方向に間隔を開けて配置され、この間にギャップ３ｄを形成している。また、ローター外周部３ｂの一方の端部は連結部３ｃによって軸部３ａに連結し、他方の端部はギャップ３ｄによって環状の開放端を形成している。
【００９０】
軸部３ａは回転軸３ｅと連結され、ローター外周部３ｂは連結部３ｃを介して軸部３ａに連結されており、軸部３ａとローター外周部３ｂとは回転軸３ｅの回転と共に回転する。また、ローター外周部３ｂは、軸方向の一端をローター３の軸部３ａと半径方向で連接し、軸方向の他端をステータ２に対して回転自在に支持することによって両持ち機構によって支持される。両持ち機構は、ローター外周部３ｂの他端において、この端部とローター３の軸部３ａとの間にステータ２の一部を挟んで半径方向に２重に配置した２重ラジアル軸受け９を備える。２重ラジアル軸受け９は、内側ラジアル軸受け９ａと外側ラジアル軸受け９ｂとからなる。
【００９１】
２重ラジアル軸受け９は、ローター外周部３ｂを両持ち機構で支持すると共に、軸部３ａとローター外周部３ｂとの間に挟まれたギャップ３ｄに配置されたステータ内周部２ａに干渉されることなく、ローター外周部３ｂを回転支持することができる。２重ラジアル軸受け９は、ベアリング等の機械的軸受けで構成する他、磁気軸受け等の非接触軸受けで構成することもできる。また、磁気軸受けを超電導巻線により発生する磁束を用いて構成してもよい。
【００９２】
ステータ２は、軸方向に延びると共に半径方向の断面が環状の、それぞれ半径を異にするステータ内周部２ａとステータ外周部２ｂとを備える。ステータ内周部２ａとステータ外周部２ｂとは、互いに半径方向に間隔を開けて配置され、これらの間にギャップ２ｄを形成している。
【００９３】
ステータ内周部２ａは、ローター３の軸部３ａとローター外周部３ｂとの間で形成されるギャップ３ｄ内に非接触状態で配置される。ステータ内周部２ａの一端は、ラジアル軸受け８ｂによって軸部３ａを回転自在に支持し、ステータ外周部２ｂの一端は、ラジアル軸受け８ａによって軸部３ａを回転自在に支持する。また、ステータ外周部２ｂは、バックヨーク７を構成し、外側界磁巻線５ｂの界磁磁束の磁路を形成している。
【００９４】
ローター外周部３ｂは、ステータ内周部２ａとステータ外周部２ｂが形成するギャップ２ｄ内において、２重ラジアル軸受け９によって回転自在に支持される。ローター外周部３ｂの開放側の端部は半径方向に延びた支持部３ｆが設けられ、支持部３ｆの先端は、２重ラジアル軸受け９の外側ラジアル軸受け９ｂを介してステータ２によって回転自在に支持される。
【００９５】
２重ラジアル軸受け９では、内側ラジアル軸受け９ａと外側ラジアル軸受け９ｂとの間に、ステータ内周部２ａとステータ外周部２ｂとを連結する連結部２ｃが通される。したがって、２重ラジアル軸受け９の位置では、軸中心から放射方向の外側に向かって軸部３ａ、内側ラジアル軸受け９ａ、連結部２ｃ、外側ラジアル軸受け９ｂ、支持部３ｆが配置されることになる。
【００９６】
間にステータの連結部２ｃを挟む構成とすることによって、２重ラジアル軸受け９の外側ラジアル軸受け９ｂは、ローター外周部３ｂをステータに対して回転自在に支持し、ローター外周部３ｂを両持ち機構で支持する。また、２重ラジアル軸受け９の内側ラジアル軸受け９ａは、ステータに支持された状態でローター３の軸部３ａを回転自在に支持する。
【００９７】
図１，２において、ローター３は界磁巻線５を備え、ステータ２は電機子巻線６を備える。界磁巻線５は、半径方向に２分割したスプリット構造を成し、一方の内側界磁巻線５ａを軸部３ａに設け、他方の外側界磁巻線５ｂをローター外周部３ｂに設ける。
【００９８】
スプリット構造とした２つの界磁巻線は、２つの界磁巻線に挟まれる部分の磁束を集中させて形成する。電機子巻線６は、内側界磁巻線５ａと外側界磁巻線５ｂとの間に配置されるため、電機子巻線６には集中した界磁磁束が鎖交することになる。
【００９９】
超電導回転機１Ａは、ローターに設けた内側界磁巻線５ａ，外側界磁巻線５ｂを超電導化するために、ローターを低温容器４で構成し、低温容器４内に内側界磁巻線５ａ，外側界磁巻線５ｂを配置する。低温容器４はクライオスタットを構成し、内側界磁巻線５ａ，外側界磁巻線５ｂを超電導状態に保持する。低温容器４は、軸部３ａに相当する円筒状部４ａ、ローター外周部３ｂに相当する環状部４ｂ、円筒状部４ａと環状部４ｂとを連通する連通部４ｃを備え、内部に冷媒を通す空間を形成している。
【０１００】
また、低温容器４の内部空間には、導出入部４ｄを通って外部から内部に冷媒を導入すると共に、内部から外部に冷媒を導出する。図２中の矢印は、冷媒の移動を示している。導出入部４ｄから導入された冷媒は、円筒状部４ａに設けられた内側界磁巻線５ａを冷却する。また、冷媒は、連通部４ｃを通ってローター外周部３ｂ側の環状部４ｂ内に導入され、環状部４ｂ内に設けられた界磁巻線５ｂを冷却する。冷却後の冷媒は、連通部４ｃを通って円筒状部４ａ内に戻り、導出入部４ｄを通って外部に導出される。
【０１０１】
この導出入部４ｄは、ステータ側に固定されているため、回転軸３ｅと共に回転する低温容器４との間には磁性流体シール４ｅを設けることによって、互いに相対的に回転移動を許容すると共に、冷媒が低温容器４から漏れ出すことを防いでいる。なお、内側界磁巻線５ａ，外側界磁巻線５ｂに電流を流す電源機構は、低温容器４内に設けることができる。
【０１０２】
[第１の態様の第２の形態]
次に、第１の態様の第２の形態について図３の断面図を用いて説明する。以下では、第１の形態と相違する部分のみ示し、共通する部分の説明は省略する。
【０１０３】
第２の形態の超電導回転機１Ｂは、ローターに界磁巻線を設け、ステータに電機子巻線を設ける態様において、ローター側において界磁巻線を２分割してスプリット構造とすると共に、ステータ側においても電機子巻線を２分割してスプリット構造とし、それぞれ分割した界磁巻線および電機子巻線を、半径方向に交互に配置する構成である。前記した第１の形態の構成との相違は、バックヨーク７の部分に外側電機子巻線６ｂを設ける点である。
【０１０４】
電機子巻線についても２分割したスプリット構造とすることによって、界磁磁束と鎖交する量を増加させ、変換効率を向上させることができる。
【０１０５】
[第１の態様の第３の形態]
次に、第１の態様の第３の形態について図４の断面図を用いて説明する。以下では、第１の形態と相違する部分のみ示し、共通する部分の説明は省略する。
【０１０６】
第３の形態の超電導回転機１Ｃは、ローターに界磁巻線を設け、ステータに電機子巻線を設ける態様において、ステータ側において電機子巻線を２分割してスプリット構造とし、電機子巻線を、半径方向に交互に配置する構成である。前記した第２の形態の構成との相違は、軸部３ａ側の設けた内側界磁巻線５ａを省く点である。
【０１０７】
電機子巻線について２分割したスプリット構造とすることによって、界磁磁束と鎖交する量を増加させ、変換効率を向上させる。
【０１０８】
[第１の態様の第４の形態]
次に、第１の態様の第４の形態について図５の断面図を用いて説明する。以下では、第１の形態と相違する部分のみ示し、共通する部分の説明は省略する。
【０１０９】
第４の形態の超電導回転機１Ｄは、ローターに界磁巻線を設け、ステータに電機子巻線を設ける態様において、ローター側およびステータ側の何れも巻線を２分割するスプリット構造を有しない構成であり、ローター側に界磁巻線５を、また、ステータ側に電機子巻線６をそれぞれ分割することなく設ける。この際、界磁巻線５の内側に電機子巻線６を配置する。この配置とすることで、電機子巻線６において界磁磁束が鎖交する量を多くとることができる。
【０１１０】
［第２の態様］
次に、本発明の第２の態様について、図６〜図９を用いて説明する。本発明の第２の態様は、ステータに界磁巻線を設け、ローターに電機子巻線を設ける態様である。以下、この第２の態様の４つの形態例について説明する。以下では、第１の態様と相違する部分のみ示し、共通する部分の説明は省略する。
【０１１１】
[第２の態様の第１の形態]
第２の態様の第１の形態について図６の断面図を用いて説明する。
第１の形態の超電導回転機１Ｅは、ステータに界磁巻線を設け、ローターに電機子巻線を設ける態様において、ローター側においてのみ電気機巻線を２分割してスプリット構造とし、半径方向において分割した電気機巻線の間に界磁巻線を配置する構成である。
【０１１２】
電機子巻線について２分割したスプリット構造とすることによって、界磁磁束と鎖交する量を増加させ、変換効率を向上させることができる。
【０１１３】
また、この形態では、ステータに低温容器を設ける。この構成では、低温容器はステータに固定されているため、磁性流体シール等を不要とすることができる。
【０１１４】
[第２の態様の第２の形態]
次に、第２態様の第２の形態について図７の断面図を用いて説明する。以下では、前記した形態と相違する部分のみ示し、共通する部分の説明は省略する。
【０１１５】
第２の形態の超電導回転機１Ｆは、ステータに界磁巻線を設け、ローターに電機子巻線を設ける態様において、ステータ側において電気機巻線を２分割してスプリット構造とすると共に、ローター側においても電機子巻線を２分割してスプリット構造とし、それぞれ分割した界磁巻線および電機子巻線を、半径方向に交互に配置する構成である。前記した第１の形態の構成との相違は、バックヨーク７の部分に外側電機子巻線６ｂを設ける点である。
【０１１６】
電機子巻線についても２分割したスプリット構造とすることによって、界磁磁束と鎖交する量を増加させ、変換効率を向上させることができる。
【０１１７】
[第２の態様の第３の形態]
次に、第２の態様の第３の形態について図８の断面図を用いて説明する。以下では、前記した形態と相違する部分のみ示し、共通する部分の説明は省略する。
【０１１８】
第３の形態の超電導回転機１Ｇは、ステータに界磁巻線を設け、ローターに電機子巻線を設ける態様において、ステータ側において電機子巻線を２分割してスプリット構造とし、電機子巻線を、半径方向に交互に配置する構成である。前記した第２の形態の構成との相違は、軸部３ａ側の設けた内側電機子巻線６ａを省く点である。
【０１１９】
界磁巻線について２分割したスプリット構造とすることによって、電機子巻線が界磁磁束と鎖交する量を増加させ、変換効率を向上させる。
【０１２０】
[第２の態様の第４の形態]
次に、第２の態様の第４の形態について図９の断面図を用いて説明する。以下では、前記した形態と相違する部分のみ示し、共通する部分の説明は省略する。
【０１２１】
第４のローター超電導回転機１Ｈは、ステータに界磁巻線を設け、ローターに電機子巻線を設ける態様において、ローター側およびステータ側の何れも巻線を２分割するスプリット構造を有しない構成であり、ステータ側に界磁巻線５を、また、ローター側に電機子巻線６をそれぞれ分割することなく設ける。
【０１２２】
［構成例］
次に、本発明の第１の態様の第１の形態の一構成例について図１０〜図１６を用いて説明する。なお、ここでは、２０K冷却でＹ系高温超電導線材を適用することを想定して、電流密度＝１．６〜２．０×１０８A/m2で検討を行なう。
【０１２３】
Ｙ系高温超電導線材は、ハステロイの基板にＩＢＡＤ−ＭｇＯの中間層を備える構成で、幅４mm、厚さ０．１mm、超電導層の厚さ０．００１mm、基板の厚さ０．０５mm、銅安定化層の厚さ０．０２mmである。また、膜構造は、２０μmのＣｕ層上に、５０μmのHastelloy基板、〜１０μmのＩＢＡＤ ＭｇＯ層、〜３０μmのＨｏｍｏ−ｅｐｉＭｇＯ層、〜３０μmのＬＭＯ層、１μmのＨＴＳ層、２μmのＡｇ層を積層して形成される。
【０１２４】
このＹ系高温超電導線材は、温度２０K垂直磁界１０T下での臨界電流は７７Kの自己磁界下での臨界電流と同程度であるとされており、ここでは、臨界電流密度を２．０×１０８A/m2程度に設定する。
【０１２５】
図１０に界磁巻線と電機子巻線の構成例を示す。図１０において、スプリット構造とした界磁巻線５の内側界磁巻線５ａと外側界磁巻線５ｂの半径をそれぞれ、Ｒfi [mm]及びＲfo [mm]とする。機械的な支持やクライオスタット等のスペースを考慮して、界磁巻線間のギャップを３００mm以上としている。電機子巻線６を配置する電機子巻線スロットの中心位置の半径をＲa [mm]とする。各界磁巻線の断面寸法は、内側界磁巻線５ａをＷfi [mm]×ｄfi [mm]とし，外側界磁巻線５ｂをＷfo [mm]×ｄfo [mm]とする。
【０１２６】
はじめに、界磁巻線の中心部分に集中電流が流れていると仮定して簡単な解析的計算によりギャップ中心位置に３Tの磁束密度が発生できるように、Ｗfi [mm]×ｄfi [mm]およびＷfo [mm]×ｄfo [mm]の値を見積もる。
【０１２７】
これにより得られた界磁巻線の諸元を以下の表１に示す。
【表１】
【０１２８】
表1に示すCase I〜IIIについてＦＥＭ解析を行うことで以下の結果が得られた。
Case IとIIの比較から極数を大きくしても1極当りの断面積はあまり小さくならず、超電導線材量は１６極の場合には大きくなる。
【０１２９】
巻線部分の最大磁界は、Case Iでは約１２T、Case IIIでは約１０Tとなる。したがって、極数が小さい場合は高電流密度で設計を行うよりも，電流密度を若干抑えて巻線断面積を増やす設計の方が有効である。
【０１３０】
図１１は、ギャップ磁束密度の分布を示している。ｒ＝２０５０mmはギャップ中心線（すなわち，電機子スロット中央）を表し、ｒ＝２１１０mmは電機子スロット外端付近を表し、ｒ＝１９９０mmは電機子スロット内端付近を表している。図１１から明らかなように、ｒの平均値として考えても、ギャップにおいて磁束密度は３Tを確保することができる。
【０１３１】
高電流密度、高磁界、直流での無損失という超電導の特徴を十分に生かすには、界磁巻線のみを超電導化して少なくとも３T以上の高磁界化を図ることが望ましい。
【０１３２】
空心機では、界磁巻線外部に大きな磁束を飛散させることが難しいため、界磁磁束を有効に電機子巻線に鎖交させるために界磁巻線を半径方向に２分割したスプリット構造とし、その界磁巻線のギャップ間に電機子巻線を配置する。
【０１３３】
ここでは、大規模風力発電の容量として１０MW／電圧３．３kVを想定する。
【０１３４】
以下の表２に定格容量，定格電圧，極数，定格回転数等回転機の基本仕様を示し、図３に、Ｙ系高温超電導線材を適用した１０MW級風力発電用カップ型回転機の界磁巻線の寸法設計例を示す。
【０１３５】
【表２】
【０１３６】
【表３】
【０１３７】
前記した図１０から平均値として考えてもギャップ磁束密度は３Tを確保することができるため、以下の電機子寸法の設計においては，ギャップ磁束密度を３Tとして設計を行なう。
【０１３８】
電機子巻線は、短節・分布巻の２層巻構成とする。毎相・毎極のスロット数をｑ＝３．５とする。１相当たりのスロット数はＱ＝Ｐ・ｑ＝２８、全スロット数は３Ｑ＝８４となる。
【０１３９】
まず、電機子巻線の直列導線数を見積もる。相電圧は、
Ｅa＝３３００／√３＝１９０５[Ｖ] …（２）
となる。
【０１４０】
一方、ギャップ磁束分布を正弦波と仮定した場合の１相当りの誘導起電力から相電圧を計算すると、
Ｅ０＝（１／√２）・ｖＢl・ｎ０・Ｑ
＝（１／√２）・２τｆ・Ｂl・ｎ０・Ｑ …（３）
と書ける。
【０１４１】
ここで、ｎ０: 1スロット当りの導体数、τ: 極ピッチ，ｆ : 周波数，ｌ : 有効長である。
【０１４２】
また、
ｖ＝２πｒａ・Ｎ／６０
Ｎ＝１２０ｆ／Ｐ
τ＝２πｒａ／Ｐ …（４）
の関係を用いた。
【０１４３】
この式に、ｒａ＝２．０５[m]、Ｐ＝８，Ｂ＝３[T]、ｌ＝１．５[m]、Ｑ＝２８を代入すると、
Ｅ０＝２８６．８・ｎ０・ｆ …（５）
【０１４４】
Ｎ＝10rpmの場合、ｆ＝0.667Hzなので、
ｎ０＝１９０５/（２８６．８×０．６６７）≒１０[本] …（６）
となるが、電機子巻線を２層巻にすることを考えてｎ０＝１２ [本]とすると、
Ｅ０＝２８６．８×１２×０．６６７＝２２９５[V] …（７）
となる。この値は、目標値である1905[V]（3300[V]）よりも大きいが、増加分は目標値に対するマージン分とする。
【０１４５】
次に、電機子導体／スロットの寸法を見積もる。
電機子電流（線電流）は、
Ｉａ＝（１０×１０６／３３００）／√３＝１７５０[A] …（８）
となるので、銅線の電流密度を５ [A/mm2]として、1スロット当りの銅線の必要断面積は、
Ｓｃｕ＝１７５０／５＝３５０[mm２] …（９）
となる。
【０１４６】
スロット内の占積率を０．５、スロットの深さを１２０ [mm]とすると、必要なスロット断面積は、
Ｓｓｌｏｔ＝３５０[mm２]×１２[本]／０．５
＝８４００[mm２]
＝１２０[mm]×７０[mm] …（１０）
となる。
【０１４７】
また、導体断面寸法は、
ｄｃ＝１２０[mm]／６[本]×√０．５＝１４．１４[mm]
Ｗｃ＝７０[mm] ／２[列]×√０．５＝２４．７５[mm] …（１１）
となる。
【０１４８】
図１２は、電機子導体／スロットの寸法を説明するための図であり、式（１０）、（１１）で示したスロットの断面寸法、および電機子導体の断面寸法を示している。
【０１４９】
スロットピッチは、１極当りのスロット数が３ｑ＝１０．５であるので、
τ／３ｑ＝２πｒａ／Ｐ・３ｑ＝１４９．６[mm]
π／４．３ｑ＝０．０７４８[rad.]＝４．２８５７[deg.] …（１２）
となる。
【０１５０】
図１３は、上記で求めた界磁巻線、電機子巻線の配置および寸法を説明するための図であり、外側界磁巻線半径２２１０[mm]、内側界磁巻線半径１７６０[mm]、界磁巻線のギャップ間中心半径（電機子巻線のスロット半径）２０５０[mm]、式（１２）で示したスロットピッチ４．２８５７[deg.]、各はスロットの断面寸法、スロットサイズ１２０[mm]×７０ [mm]、外側巻線幅１６５[mm]、外側巻線厚さ１６０[mm]、内側巻線幅１６０[mm]、内側巻線厚さ１３０[mm]の各寸法を示している。
【０１５１】
なお、電機子巻線は、Ｕ相巻線を黒地で示し、Ｖ相巻線を斜線で示し、Ｗ相巻線を白地で示して、界磁巻線は、界磁電流の方向を×印と点印で示している。
【０１５２】
電機子導体全長は、３Ｑ・ｎ０・ｌ＝８４×１２×１．５＝１．５１２[km]
である。以上の設計数値を表４に示す。
【０１５３】
【表４】
【０１５４】
次に、上記した設計例についてのＦＥＭ解析を示す。
はじめに、無負荷時の誘導起電力（相電圧）をＦＥＭ解析を示す。誘導起電力の瞬時波形を図１４に示す。図１４により、基本波成分（ｆ＝０．６６７Hz）に対する誘導起電力（相電圧）の実効値は２７２１[V]であり、設計値の２２９５[V]よりも大きな値となった。これは、ギャップ磁束の分布が矩形波に近いためと考えられる。
【０１５５】
振幅±Ａの矩形波の基本正弦波成分のフーリエ係数が４Ａ／πであり、Ａ＝ｖＢｌ・ｎ０・Ｑ＝３１７０[V]と考えると、４Ａ／π＝４０３６[V]なので、実効値は４０３６／√２＝２８５７[V]となる。つまり、ギャップ磁束分布が矩形波に近くなると、ギャップ磁束分布を正弦波として見積もった電圧値よりも大きくなる。
【０１５６】
ＤＣリンク方式の風力回転機を想定した場合には、電圧波形は正弦波にこだわる必要は無く、むしろ、コンバータによって全波整流することを考えると、矩形波に近い程効率的であると考えられる。
【０１５７】
次に、線電流の基本波成分が定格電流値（１７５０ [Arms]）になるような抵抗負荷を接続した場合の負荷解析を示す。
【０１５８】
図１５は負荷解析に用いた回路を示している。図１５に示す回路は、本発明の超電導回転機を発電機として出力した三相出力を、スター結線してなる抵抗負荷に供給した場合の等価回路を示している。ここでは、抵抗としてＲ＝１．５５Ωとしている。
【０１５９】
ここでは、回転機部分のＦＥＭ解析と外部回路の電気回路解析を連成させて解き、得られた線電流・相電圧波形の解析結果を図１６に示す。図１６（ａ）はＵ相を示し、図１６（ｂ）はＶ相を示し、図１６（ｃ）はＷ相を示している。
【０１６０】
図１６に示す解析結果のデータをフーリエ解析し、相電圧・相電流の基本波成分の実効値を求めると、それぞれ２７１０ [V]および１７５０ [A]となる。
【０１６１】
これより、負荷に供給される電力は１４．２ [MW]となる。このことから、前記したCase IIIの寸法から約８％程度体格を小さくした場合であっても１０ [MW]は確保できることを示している。
【０１６２】
なお、本発明は前記各実施の形態に限定されるものではない。本発明の趣旨に基づいて種々変形することが可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【産業上の利用可能性】
【０１６３】
本発明の超電導回転機は、発電機に限らず、電動機に適用することができる。
【符号の説明】
【０１６４】
１Ａ 超電導回転機
１Ｂ 超電導回転機
１Ｃ 超電導回転機
１Ｄ 超電導回転機
１Ｅ 超電導回転機
１Ｆ 超電導回転機
１Ｇ 超電導回転機
１Ｈ 超電導回転機
２ ステータ
２ａ ステータ内周部
２ｂ ステータ外周部
２ｃ 連結部
２ｄ ギャップ
３ ローター
３ａ 軸部
３ｂ ローター外周部
３ｃ 連結部
３ｄ ギャップ
３ｅ 回転軸
３ｆ 支持部
４ 低温容器
４ａ 円筒状部
４ｂ 環状部
４ｃ 連通部
４ｄ 導出入部
４ｅ 磁性流体シール
５ 界磁巻線
５ａ 内側界磁巻線
５ｂ 外側界磁巻線
６ 電機子巻線
６ａ 内側電機子巻線
６ｂ 外側電機子巻線
７ バックヨーク
１０１ 超電導電気機器
１０２ ステータ
１０３ ローター
１０４ａ 低温真空容器
１０５ａ 界磁巻線
１０６ 電機子巻線
１０７ 回転軸
１０８ ベアリング
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超電導線材を用いた巻線を備える超電導回転機に関する。
【背景技術】
【０００２】
エネルギー源の多様化の観点から、自然エネルギーの利用促進が注目されている。特に、風力発電は発電サイト単位面積から取り出せる電力が回転機の単機容量が増大するとともに増大することが知られている。そのスケールメリットを生かすべく、欧州では単機容量５MW以上の大規模風力発電の開発が進められている。
【０００３】
一般に、現用の交流回転機の出力Ｐと磁気装荷φ・電気装荷Ａ・周波数ｆの関係は、以下の式で表される。なお、磁気装荷は磁束総量であり、電気装荷はアンペア導体数である。
Ｐ∝Ａ・φ・ｆ …（１）
【０００４】
風力発電機は出力が大きくなるに従い風車の径は大きくなる。風車の翼端の速度は騒音の関係から一定の値以下に抑える必要があり、出力が大きくなるに従って風車の回転数は低くなる。出力が５MWを超える大型風力発電では２０rpm以下になる。この低速の回転数では、風車に発電機を直結する場合、例えば４８極の発電機出力の周波数は８Hz程度となる。
【０００５】
増速機を用いずに直結駆動によって発電する場合には周波数が低く、一定の出力を得るために磁気装荷および電気装荷ともに大きくする必要がある。さらに、出力が大きくなるのに比例する以上に磁気装荷および電気装荷ともに大きくする必要がある。従って、出力が大きくなるにともない、風力発電のタワー頭部の重量が過大になり、土木コストの増大につながる。他方、増速機を用いる場合には、大出力の風力発電では大トルクに耐える増速機コストと信頼性が問題となる。
【０００６】
従って、大型風力発電では、直結、低回転・高トルクで、かつ、高効率・軽量な同期回転機の開発が求められる。
【０００７】
一方、近年の高温超電導の線材技術の進歩は著しく、高電流密度・高磁界という超電導の特徴を生かすことによって、風力回転機の軽量・高出力・高効率化の可能性が検討されている。
【０００８】
風力タービン発電や船用推進電動機等の、小型で、低速かつ高トルクの回転機として、超電導電気機器が提案されている（例えば、特許文献１）。
【０００９】
図１７は、上記した特許文献１に示される超電導電気機器の概略を説明するための断面図である。
【００１０】
図１７において、超電導電気機器１０１はステータ１０２とローター１０３を備える。ステータ１０２は固定され、ベアリング１０８を介して回転軸１０７を回転自在に支持する。ローター１０３は回転軸１０７と共に回転する。ローター１０３は、環状の低温真空容器１０４ａ、１０４ｂ内にそれぞれ収納された２つの界磁巻線１０５ａ、１０５ｂを備える。
【００１１】
また、ステータ１０２は電機子巻線１０６を備える。この電機子巻線１０６は、ローター１０３が半径方向に所定のギャップを設けて配置された２つの界磁巻線１０５ａ、１０５ｂの間に配置される。
【００１２】
ローター１０３が回転すると、ローターの界磁巻線１０５ａ、１０５ｂが形成する界磁磁束はステータ１０２に対して回転して電機子巻線１０６と鎖交する。電機子巻線１０６に鎖交する界磁磁束が変化することによって電機子巻線１０６に電流が流れ、発電が行われる。
【００１３】
２つの界磁巻線１０５ａ、１０５ｂを半径方向に分離して配置する構成は、ステータ側の電機子巻線との間で鎖交する界磁磁束を増加させ、これによって発電出力を増加させるためである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】国際公開第２００６／０１６１３４号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
上記した超電導電気機器の構成では、ローター１０３において、界磁巻線１０５ａが設けられるローター部分は回転軸１０７に対して片持ち状態で保持され、この保持端と反対側の端部は自由端となっている。このローター１０３の自由端側は、自重による撓みや、回転時の振動等によって、半径方向の位置が変動する。
【００１６】
２つの界磁巻線１０５ａ、１０５ｂを設けたローター部分の間には、半径方向に所定のギャップが設けられているが、このギャップ内には電機子巻線１０６を設けたステータ１０２が配置されているため、ローター１０３の自由端の半径方向の位置が変動すると、ステータ１０２に設けた電機子巻線１０６と鎖交する界磁磁束の変化に歪みが生じ、発電機では発生する電圧や電流に歪みが生じるという問題が発生し、また、電動機では回転速度や発生トルクに変動が生じるという問題が発生する。さらに、ローター１０３の自由端の半径方向の位置変動が大きい場合には、ローター１０３の自由端がステータ１０２と接触し、ローターやステータが機械的に損傷するという問題が発生する。
【００１７】
上記したように、ステータを間に挟んで半径方向に２つのローター部分を配置することによって、電機子巻線で鎖交する界磁磁束を増加させる構成では、ローターの一端が自由端となって片持ちで支持されるため、ローターの自由端の半径方向の位置が変動し、発電機では発生する電圧や電流が変動し、電動機では回転速度やトルクが変動するといった問題があり、さらには、機械的な損傷が生じるという問題もある。
【００１８】
そこで、本発明は前記した従来の問題点を解決し、ステータを間に挟んで半径方向に２つのローター部分を配置する構成を備える超電導回転機において、２つのローター部分の半径方向のギャップ間隔の変動を抑制することを目的とする。
【００１９】
また、本発明は、２つのローター部分の半径方向のギャップ間隔の変動を抑制することによって、ローターとステータとの半径方向のクリアランスの変動を抑制して、発電機においては発生する電圧や電流の歪みの発生を抑制し、電動機においては回転速度や発生トルクの変動を抑制することを目的とし、また、ローターとステータとの接触による機械的損傷を防ぐことを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
本発明は、ステータを間に挟んで半径方向に２つのローター部分を配置する構成を備える超電導回転機において、半径方向の外周側に設けたローターを片持ち支持に代えて、ローターの両端を支持する両持ち支持とすることによって、２つのローター部分の半径方向のギャップ間隔の変動を抑制する。
【００２１】
また、ローターを両持ち支持とする構成として、ローターの自由端と回転軸との間に、ステータの一部を挟んで半径方向に２重のラジアル軸受けを設けた構成とする。２重のラジアル軸受けの内で、内側のラジアル軸受けはステータに対して回転軸を回転自在に支持し、外側のラジアル軸受けはステータに対して自由端を有するローターを回転自在に支持する。
【００２２】
ローターの自由端側が外側のラジアル軸受けによってステータに対して回転支持されるため、ローターは両持ち支持される。
【００２３】
また、ローターを両持ち支持とする構成は外側のラジアル軸受けのみによっても可能であるが、内側のラジアル軸受けを設けることによって、ステータに対する回転軸の回転支持を行うことができる。
【００２４】
したがって、本発明に用いる２重のラジアル軸受けは、回転軸の軸方向において必ずしも同一位置である必要はなく、軸方向の異なる位置に配置してもよい。
【００２５】
本発明の超電導回転機は、ステータとローターを備える。ローターは、軸部と、軸方向に延びると共に半径方向の断面が環状のローター外周部とを備える。軸部とローター外周部は、互いに半径方向にギャップを有して配置される。
【００２６】
ステータは、軸方向に延びると共に半径方向の断面が環状のステータ内周部とステータ外周部を備える。ステータ内周部とステータ外周部は、互いに半径方向にギャップを有して配置される。ステータ内周部は、ローターの軸部とローター外周部との間で形成されるギャップ内に非接触の状態で配置される。
【００２７】
一方、ローターは、そのローター外周部において、軸方向の一端をローターの軸部と半径方向で連接し、軸方向の他端をステータに対して回転自在に支持することによって両持ち機構とする。両持ち機構は、ローター外周部の他端において、この端部とローターの軸部との間にステータの一部を挟んで半径方向に２重に配置した２重ラジアル軸受けを備える。２重のラジアル軸受けにおいて、内側のラジアル軸受けはステータに対して回転軸を回転自在に支持し、外側のラジアル軸受けはステータに対して自由端を有するローターを回転自在に支持する。
【００２８】
また、ステータ又はローターは超電導線材を用いた巻線を備え、超電導化した巻線を界磁巻線として界磁磁束を形成する。超電導線材は、冷媒によって超電導化される。巻線を超電導化することによって、高電流密度、高磁界、直流において損失を零とするといった超電導の特徴を利用することができる。
【００２９】
本発明の２重のラジアル軸受けにおいて、内側のラジアル軸受けと外側のラジアル軸受けとの間に、ステータ外周部とステータ内周部とを連結する連結部を通すことによって、内側ラジアル軸受けと外側ラジアル軸受けとをステータに対して支持させ、また、ローター外周部の端部の半径方向に加重を、内側ラジアル軸受け、連結部、および外側ラジアル軸受けを介して、軸部に支持させる。
【００３０】
本発明の２重のラジアル軸受けは、ベアリングによる機械的軸受けとする他、磁気力による非接触軸受けとすることができる。
【００３１】
本発明の超電導回転機は、ローターとステータ、および界磁巻線と電機子巻線との関係において２つの態様とすることができる。第１の態様は、ローターに界磁巻線を設けステータに電機子巻線を設ける構成であり、第２の態様は、ステータに界磁巻線を設けローターに電機子巻線を設ける構成である。
【００３２】
本発明の超電導回転機の第１の態様は、ローターに界磁磁束を形成する界磁巻線を設け、ステータに界磁磁束と鎖交する電機子巻線を設ける構成とする。
【００３３】
ローターは、界磁巻線を超電導化するために、内部に冷媒を収容する低温容器を備える。低温容器は、中心軸側の円筒状部と、外周側の半径方向の断面が環状の環状部と、円筒状部および環状部を軸方向の一端において半径方向で連通する連通部とを備える。環状部の軸方向の他端は、２重ラジアル軸受けの外側のラジアル軸受けによってステータに対して回転自在に支持される。低温容器は、少なくとも環状部内に超電導の界磁巻線を備える。
【００３４】
一方、ステータは、少なくともステータ内周部に電機子巻線を備え、超電導の界磁巻線が形成する界磁磁束と鎖交する。
【００３５】
界磁巻線又は電機子巻線は半径方向に２分割した構成とし、この２分割構成によって、ステータ側の電機子巻線において鎖交する界磁磁束を増加させ、発電の効率又はトルクの出力効率を高めることができる。
【００３６】
界磁巻線を半径方向に２分割する構成では、分割した一方の界磁巻線を軸部に配置し、分割した他方の界磁巻線をローター外周部に配置する。
【００３７】
また、電機子巻線を半径方向に２分割する構成では、分割した一方の電機子巻線をステータ内周部内に配置し、分割した他方の電機子巻線をステータ外周部内に配置する。
【００３８】
本発明の超電導回転機の第２の態様は、ステータに界磁磁束を形成する界磁巻線を設け、ローターに界磁磁束と鎖交する電機子巻線を設ける構成とする。
【００３９】
ステータは、界磁巻線を超電導化するために、内部に冷媒を収容する低温容器を備える。低温容器は、中心軸側の半径方向の断面が環状の内周側環状部と、外周側の半径方向の断面が環状の外周側環状部と、内周側環状部および外周側環状部を軸方向の一端において半径方向で連通する連通部とを備える。低温容器は、少なくとも何れか一方の環状部内に超電導の界磁巻線を備える。
【００４０】
ローターは外周側環状部を備え、その環状部の軸方向の一端は回転軸に連結され、他端は２重ラジアル軸受けの外側のラジアル軸受けによってステータに対して回転自在に支持される。ローターには電機子巻線が設けられ、超電導の界磁巻線が形成する界磁磁束と鎖交する。
【００４１】
界磁巻線又は電機子巻線は半径方向に２分割した構成とし、この２分割構成によって、ステータ側の電機子巻線において鎖交する界磁磁束を増加させ、発電の効率又はトルクの出力効率を高めることができる。
【００４２】
界磁巻線を半径方向に２分割する構成では、分割した一方の界磁巻線をステータ内周部に配置し、分割した他方の界磁巻線をステータ外周部に配置する。
【００４３】
また、電機子巻線を半径方向に２分割する構成では、分割した一方の電機子巻線を軸部内に配置し、分割した他方の電機子巻線をローター外周部内に配置する。
【００４４】
本発明の超電導回転機は、発電機又は電動機とすることができる。
【００４５】
超電導回転機を発電機として構成する場合には、ローターを回転駆動してローターとステータとを相対移動させ、相対移動によって界磁巻線が形成する界磁磁束を変化させ、界磁磁束の磁束変化を電機子巻線によって電流に変換する。
【００４６】
超電導回転機を電動機として構成する場合には、電機子巻線に電流を印加して磁界を形成し、磁界と界磁巻線が形成する界磁磁束との鎖交によって、電流を回転力に変換する。
【００４７】
本願の超電導回転機は、増速ギアを用いずに、回転軸の回転によってローターを直接に回転させる直接駆動の構成とすることによって軽量化することができ、大容量の風力発電に好適な構成とすることができる。
【００４８】
本発明の超電導回転機は、同期発電／電力変換とすることによって出力制御を容易とすることができる。
【００４９】
電機子を回転機させる構成の場合には、発電出力を摺動で取り出す構成が必要であるが、本発明の超電導回転機は、界磁を回転させる態様とすることで発電出力の取り出しが容易とすることができる。
【００５０】
本発明の超電導回転機は、発電領域に鉄心を導入しない空心構造とすることによって、軽量化することができる。
【発明の効果】
【００５１】
以上説明したように、本発明の超電導回転機によれば、ステータを間に挟んで半径方向に２つのローター部分を配置する構成を備える超電導回転機において、２つのローター部分の半径方向のギャップ間隔の変動を抑制することができる。
【００５２】
また、本発明の超電導回転機によれば、２つのローター部分の半径方向のギャップ間隔の変動を抑制することによって、ローターとステータとの半径方向のクリアランスの変動を抑制して、発電機においては発生する電圧や電流の歪みの発生を抑制し、電動機においては回転速度や発生トルクの変動を抑制することができる。
【００５３】
また、本発明の超電導回転機によれば、ローターとステータとの接触による機械的損傷を防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明の第１の態様の第１の形態を説明するための断面図である。
【図２】本発明の第１の態様の第１の形態を説明するための一部を断面で示した斜視図である。
【図３】本発明の第１の態様の第２の形態を説明するための断面図である。
【図４】本発明の第１の態様の第３の形態を説明するための断面図である。
【図５】本発明の第１の態様の第４の形態を説明するための断面図である。
【図６】本発明の第２の態様の第１の形態を説明するための断面図である。
【図７】本発明の第２の態様の第２の形態を説明するための断面図である。
【図８】本発明の第２の態様の第３の形態を説明するための断面図である。
【図９】本発明の第２の態様の第４の形態を説明するための断面図である。
【図１０】本発明の超電導回転機の構成例の界磁巻線と電機子巻線を示す図である。
【図１１】本発明の超電導回転機の構成例のギャップ磁束密度の分布を示す図である。
【図１２】本発明の超電導回転機の構成例の電機子導体／スロットの寸法を説明するための図である。
【図１３】本発明の超電導回転機の構成例の界磁巻線、電機子巻線の配置および寸法を説明するための図である。
【図１４】本発明の超電導回転機の構成例の誘導起電力の瞬時波形を説明するための図である。
【図１５】本発明の超電導回転機の構成例の負荷解析に用いた回路を説明するための図である。
【図１６】本発明の超電導回転機の構成例の電流・相電圧波形の解析結果を説明するための図である。
【図１７】従来の超電導電気機器の概略を説明するための断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００５５】
以下、本発明の実施の形態について、図を参照しながら詳細に説明する。以下、本発明の超電導回転機の構成例について、図１〜図１６を用いて説明する。
【００５６】
図１〜図５は、ローターに界磁巻線を設け、ステータに電機子巻線を設ける第１の態様を説明するための図であり、図６〜図９は、ステータに界磁巻線を設け、ローターに電機子巻線を設ける第２の態様を説明するための図であり、第１の態様および第２の態様ではそれぞれ４つの形態について示している。また、図１０〜図１６は、図１，２に示す第１の態様の一形態の構成例を説明するための図である。
【００５７】
[超電導回転機の基本構造]
はじめに、大容量風力発電機を想定した場合の超電導回転機に適した基本構造について示す。なお、ここでは、１０MW級の大容量風力発電機を想定するものとする。
【００５８】
１０MW級の風力発電機は、ローター直径１５０ｍ程度となり、翼端速度の騒音上の制約からローター回転数は１０rpm程度となり、ロータートルクは１０７Nm程度と巨大となる。発電機は１００ｍを越えるタワー上に載せる必要があるため、軽量でコンパクトであることが求められる。
【００５９】
以上のような前提条件を考慮すると、以下に示すように、超電導回転機を用いた風力発電システムとして、（ａ）増速ギアを用いない直接駆動、（ｂ）同期発電/電力変換、（ｃ）回転界磁、（ｄ）発電領域に鉄心を導入しない空心構造等が適している。
【００６０】
（ａ）従来の常電導型風力発電機の主流は、増速ギアを用いた誘導発電機方式である。しかし、１０MW級の大容量風力発電では、大きなロータートルクに耐える信頼性の高い増速ギアの実現が困難であるという問題がある。また、重量も非常に大きくなるため、増速ギアを用いる構造は実現が難しい。したがって、超電導回転機を用いた風力発電システムでは、増速ギアを用いない直接駆動が適している。
【００６１】
（ｂ）誘導発電機による電力変換は、１０MW級の大容量では事故時の短絡電流が大きい、出力制御の自由度が少ない等の点で、電力系統の連系上で問題が大きい。したがって、超電導回転機を用いた風力発電システムでは、出力制御が容易な半導体電力変換装置を用いた同期発電/電力変換方式が適している。
【００６２】
（ｃ）電機子を回転子とした構成の場合には、回転する電機子から固定側に電力を取り出すために、摺動機構が必要となる。このような、摺動によって大電力を取り出す機構は、保守性や信頼性の観点から好ましくない。したがって、超電導回転機を用いた風力発電システムでは、実用機としては回転界磁が適当である。
【００６３】
（ｄ）発電領域に鉄心を導入する構成は、磁束を有効に利用することができることから、発電機のコンパクト化や超電導線材の節約の点で空心機と比較して検討する価値があるが、重量の点を考慮すると、発電領域に鉄心を導入する構成は超電導化の利点を利用する点で有効であるとは云えない。
【００６４】
また、高電流密度、高磁界、直流における無損失等の超電導が有する特徴を十分に生かすには、界磁巻線のみを超電導化して少なくとも３T以上の高磁界化を図ることが有効と考えられる。この場合、鉄心を用いることはできないため空心機となる。一般に空心機では、界磁巻線外部に大きな磁束を飛散させることが難しい。そこで、本発明では、界磁磁束を有効に電機子巻線に鎖交させるために、界磁巻線を半径方向に２分割したスプリット構造とし、２分割した界磁巻線のギャップ間に電機子巻線を配置する構造を採用する。
【００６５】
次に、本発明の超電導回転機の構成の種類について、他の構成種と比較して示す。本発明の超電導回転機は、界磁巻線として超電導巻線を用いると共に電機子として銅巻線を用いる部分超電導巻線とする。
【００６６】
電機子巻線までも超電導化する全超電導発電機と界磁巻線のみを超電導化する部分超電導発電機とを比較すると、以下に示すように、電力損失の点から部分超電導が好適である。
【００６７】
電機子巻線までも超電導化した全超電導発電機では、機器の大幅なコンパクト化が可能となるが、空心型では電機子巻線に交流磁界が加わるため交流損失が発生し、その大きさは機器の効率・実現可能性に大きく作用する。
【００６８】
カップ型の構成について全超電導化した場合の界磁巻線の交流損失を試算した例を示す。
【００６９】
界磁巻線総交流損失Ｗd[w]は下式で与えられる．
Ｗd＝ｐ・n・Ｑm・Ｌs
ただし，ｐ：極対数，ｎ：ローター回転数，Ｌs：素線総延長である。
【００７０】
テープ導体の磁化損失特性の一例では、Ｂm＝２Ｔにおける磁化損失はＱm＝１０J/m/cycleとなり、このときの界磁巻線総交流損失Ｗd[w]は、
Ｗd＝０．１MW （at ２０K）
となる。
【００７１】
２０Kでの冷凍機のＣＯＰ（冷却効率：冷凍能力／消費電力）＝１／１４０を考慮すると冷凍電力は１４MWとなる。この値は、交流損失の冷凍電力が１０MW級の発電出力を上回るか同等のレベルとなるため現実的とは云えない。線材を１０分割し、仮に鉄心を使い線材に印加される磁界を０．１Ｔに抑えることができれば、損失はほぼ３００分の１になり、効率的には問題の無いレベルに収まるが、発電機の重量を抑えつつ鉄心を導入して印加磁界を低減する現実的な方法を見つけるのはかなり困難である。したがって、全超電導化は界磁方式の種類に関わらず，永久磁石方式も含めて適当とは云えない。
【００７２】
超電導回転機において、界磁として超電導巻線型、超電導バルク型、永久磁石型が考えられ、また、電機子巻線として銅コイル型と交流超電導型とが考えられる。ここで、界磁のみが超電導のものを部分超電導型と呼び、界磁および電機子ともに超電導のものを全超電導型と呼ぶことにする。
【００７３】
さらに、巻線界磁型の部分超電導発電機は、円筒回転子方式、横方向磁束型方式、カップ型方式等、構造によりいくつかに分類することができる。
【００７４】
超電導巻線型と超電導バルク型とを比較すると、超電導バルク型は電流供給が不要である、回転子構造が簡易であるといった長所がある一方、着磁および再着磁が必要であり、また、界磁分布の調整が困難であるという短所がある。これに対して、超電導巻線型は、電流供給が必要であるものの、空隙磁束分布形状の設計の自由度が高く、空隙界磁の制御が容易であるという長所があるため、実用性の観点から超電導回転機を用いた風力発電システムには超電導巻線型が好適である。
【００７５】
上記比較から、超電導界磁巻線型の部分超電導発電機が好適な構造である。この部分超電導発電機の構成例として、従来から知られる円筒回転子型の他、横方向磁束型やカップ型と呼ばれる構成が提案されている。
【００７６】
円筒回転子方式は、超電導界磁巻線が円筒形のクライオスタットに収納される構造である。この構成はシンプルな構造であるが、回転子巻線の外周に電機子を置くため、電機子巻線領域の磁束密度が界磁巻線内の磁束密度に比べ大きく低下し、機器のコンパクト軽量化の観点からは不利である。特に、この傾向は極数が大きくなると著しくなる。
【００７７】
上記課題に対して、電機子巻線領域の磁束密度を高く保ち、回転機のコンパクト化を図る構成として横方向磁束型やカップ型方式と呼ばれる構成が提案されている。
【００７８】
横方向磁束型は、円形のモジュールコイルを周方向に並べることによって回転軸方向の磁界を形成する構成であり、電機子巻線領域の磁界を円筒回転子型より３倍程度大きくすることができる。
【００７９】
また、カップ型は，界磁コイルを２分割して軸方向の一端で結合すると共に他端を開放し、この開放端側から２分割した界磁コイルの間に電機子巻線を挿入する構成であり、円筒回転子型に比較し電機子巻線領域の磁束密度をやはり３倍程度大きくすることができる。したがって、横方向磁束型やカップ型では、円筒回転子方式と比較してよりコンパクトで軽量化が可能となる。
【００８０】
超電導回転機として、カップ型は横方向磁束型よりも発電機外径が小さいが、カップ型は鉄心の磁気シールド用バックヨークで回転部を覆う必要があり、その分外径が増す。また、電機子巻線および界磁巻線いずれも片持ち支持構造であるため、機械強度の観点からの補強する必要があり、発電機体格がより大きくなる可能性がある。
【００８１】
また、横方向磁束型は、カップ型と比較して外部漏れ磁束は少ないものの磁気シールドは必要であり、発電機体格がより大きくなる可能性は同様にある。
【００８２】
本発明は、カップ型の構成において、巻線が片持ち支持構造であることに起因する機械強度の問題を解消するものであり、ステータを間に挟んで半径方向に２つのローター部分を配置する構成を備える超電導回転機において、半径方向の外周側に設けたローターを片持ち支持構造に代えて、ローターの両端を支持する両持ち支持構造とする。この両持ち支持構造とすることによって、２つのローター部分の半径方向のギャップ間隔の変動を抑制し、ギャップ間隔変動に伴い磁束変動を低減して、電流や電圧の変動を低減し、また、ステータとローターとの機械的な接触を防ぐ。
【００８３】
次に、本発明の超電導回転機の第１の態様および第２の態様について説明する。各態様では、４つの形態例について説明する。
【００８４】
［第１の態様］
はじめに、本発明の第１の態様について、図１〜図５を用いて説明する。本発明の第１の態様は、ローターに界磁巻線を設け、ステータに電機子巻線を設ける態様である。以下、この第１の態様の４つの形態例について説明する。
【００８５】
なお、以下では、超電導回転機は発電機を構成する場合について説明しているが、電動機としても同様に構成することができる。
【００８６】
[第１の態様の第１の形態]
はじめに、第１の態様の第１の形態について図１の断面図および図２の一部を断面で示した斜視図を用いて説明する。図１（ａ）の断面図は軸方向の断面を示し、図１（ｂ）の断面図は径方向の断面を示している。
【００８７】
第１の態様の第１の形態は、ローターに界磁巻線を設け、ステータに電機子巻線を設ける態様において、ローター側では界磁巻線を２分割してスプリット構造とし、ステータ側では２分割した界磁巻線の間に電機子巻線を配置し、外側界磁巻線の外側にバックヨークを設ける構成である。
【００８８】
第１の態様の第１の形態の超電導回転機１Ａは、ステータ２とローター３を備え、ステータ２又はローター３は超電導線材を用いた巻線を備える。図１、２では、内側界磁巻線５ａ、外側界磁巻線５ｂを超電導線材によって形成する。
【００８９】
ローター３は、軸部３ａと、軸方向に延びると共に半径方向の断面が環状のローター外周部３ｂとを備える。軸部３ａとローター外周部３ｂとは互いに半径方向に間隔を開けて配置され、この間にギャップ３ｄを形成している。また、ローター外周部３ｂの一方の端部は連結部３ｃによって軸部３ａに連結し、他方の端部はギャップ３ｄによって環状の開放端を形成している。
【００９０】
軸部３ａは回転軸３ｅと連結され、ローター外周部３ｂは連結部３ｃを介して軸部３ａに連結されており、軸部３ａとローター外周部３ｂとは回転軸３ｅの回転と共に回転する。また、ローター外周部３ｂは、軸方向の一端をローター３の軸部３ａと半径方向で連接し、軸方向の他端をステータ２に対して回転自在に支持することによって両持ち機構によって支持される。両持ち機構は、ローター外周部３ｂの他端において、この端部とローター３の軸部３ａとの間にステータ２の一部を挟んで半径方向に２重に配置した２重ラジアル軸受け９を備える。２重ラジアル軸受け９は、内側ラジアル軸受け９ａと外側ラジアル軸受け９ｂとからなる。
【００９１】
２重ラジアル軸受け９は、ローター外周部３ｂを両持ち機構で支持すると共に、軸部３ａとローター外周部３ｂとの間に挟まれたギャップ３ｄに配置されたステータ内周部２ａに干渉されることなく、ローター外周部３ｂを回転支持することができる。２重ラジアル軸受け９は、ベアリング等の機械的軸受けで構成する他、磁気軸受け等の非接触軸受けで構成することもできる。また、磁気軸受けを超電導巻線により発生する磁束を用いて構成してもよい。
【００９２】
ステータ２は、軸方向に延びると共に半径方向の断面が環状の、それぞれ半径を異にするステータ内周部２ａとステータ外周部２ｂとを備える。ステータ内周部２ａとステータ外周部２ｂとは、互いに半径方向に間隔を開けて配置され、これらの間にギャップ２ｄを形成している。
【００９３】
ステータ内周部２ａは、ローター３の軸部３ａとローター外周部３ｂとの間で形成されるギャップ３ｄ内に非接触状態で配置される。ステータ内周部２ａの一端は、ラジアル軸受け８ｂによって軸部３ａを回転自在に支持し、ステータ外周部２ｂの一端は、ラジアル軸受け８ａによって軸部３ａを回転自在に支持する。また、ステータ外周部２ｂは、バックヨーク７を構成し、外側界磁巻線５ｂの界磁磁束の磁路を形成している。
【００９４】
ローター外周部３ｂは、ステータ内周部２ａとステータ外周部２ｂが形成するギャップ２ｄ内において、２重ラジアル軸受け９によって回転自在に支持される。ローター外周部３ｂの開放側の端部は半径方向に延びた支持部３ｆが設けられ、支持部３ｆの先端は、２重ラジアル軸受け９の外側ラジアル軸受け９ｂを介してステータ２によって回転自在に支持される。
【００９５】
２重ラジアル軸受け９では、内側ラジアル軸受け９ａと外側ラジアル軸受け９ｂとの間に、ステータ内周部２ａとステータ外周部２ｂとを連結する連結部２ｃが通される。したがって、２重ラジアル軸受け９の位置では、軸中心から放射方向の外側に向かって軸部３ａ、内側ラジアル軸受け９ａ、連結部２ｃ、外側ラジアル軸受け９ｂ、支持部３ｆが配置されることになる。
【００９６】
間にステータの連結部２ｃを挟む構成とすることによって、２重ラジアル軸受け９の外側ラジアル軸受け９ｂは、ローター外周部３ｂをステータに対して回転自在に支持し、ローター外周部３ｂを両持ち機構で支持する。また、２重ラジアル軸受け９の内側ラジアル軸受け９ａは、ステータに支持された状態でローター３の軸部３ａを回転自在に支持する。
【００９７】
図１，２において、ローター３は界磁巻線５を備え、ステータ２は電機子巻線６を備える。界磁巻線５は、半径方向に２分割したスプリット構造を成し、一方の内側界磁巻線５ａを軸部３ａに設け、他方の外側界磁巻線５ｂをローター外周部３ｂに設ける。
【００９８】
スプリット構造とした２つの界磁巻線は、２つの界磁巻線に挟まれる部分の磁束を集中させて形成する。電機子巻線６は、内側界磁巻線５ａと外側界磁巻線５ｂとの間に配置されるため、電機子巻線６には集中した界磁磁束が鎖交することになる。
【００９９】
超電導回転機１Ａは、ローターに設けた内側界磁巻線５ａ，外側界磁巻線５ｂを超電導化するために、ローターを低温容器４で構成し、低温容器４内に内側界磁巻線５ａ，外側界磁巻線５ｂを配置する。低温容器４はクライオスタットを構成し、内側界磁巻線５ａ，外側界磁巻線５ｂを超電導状態に保持する。低温容器４は、軸部３ａに相当する円筒状部４ａ、ローター外周部３ｂに相当する環状部４ｂ、円筒状部４ａと環状部４ｂとを連通する連通部４ｃを備え、内部に冷媒を通す空間を形成している。
【０１００】
また、低温容器４の内部空間には、導出入部４ｄを通って外部から内部に冷媒を導入すると共に、内部から外部に冷媒を導出する。図２中の矢印は、冷媒の移動を示している。導出入部４ｄから導入された冷媒は、円筒状部４ａに設けられた内側界磁巻線５ａを冷却する。また、冷媒は、連通部４ｃを通ってローター外周部３ｂ側の環状部４ｂ内に導入され、環状部４ｂ内に設けられた界磁巻線５ｂを冷却する。冷却後の冷媒は、連通部４ｃを通って円筒状部４ａ内に戻り、導出入部４ｄを通って外部に導出される。
【０１０１】
この導出入部４ｄは、ステータ側に固定されているため、回転軸３ｅと共に回転する低温容器４との間には磁性流体シール４ｅを設けることによって、互いに相対的に回転移動を許容すると共に、冷媒が低温容器４から漏れ出すことを防いでいる。なお、内側界磁巻線５ａ，外側界磁巻線５ｂに電流を流す電源機構は、低温容器４内に設けることができる。
【０１０２】
[第１の態様の第２の形態]
次に、第１の態様の第２の形態について図３の断面図を用いて説明する。以下では、第１の形態と相違する部分のみ示し、共通する部分の説明は省略する。
【０１０３】
第２の形態の超電導回転機１Ｂは、ローターに界磁巻線を設け、ステータに電機子巻線を設ける態様において、ローター側において界磁巻線を２分割してスプリット構造とすると共に、ステータ側においても電機子巻線を２分割してスプリット構造とし、それぞれ分割した界磁巻線および電機子巻線を、半径方向に交互に配置する構成である。前記した第１の形態の構成との相違は、バックヨーク７の部分に外側電機子巻線６ｂを設ける点である。
【０１０４】
電機子巻線についても２分割したスプリット構造とすることによって、界磁磁束と鎖交する量を増加させ、変換効率を向上させることができる。
【０１０５】
[第１の態様の第３の形態]
次に、第１の態様の第３の形態について図４の断面図を用いて説明する。以下では、第１の形態と相違する部分のみ示し、共通する部分の説明は省略する。
【０１０６】
第３の形態の超電導回転機１Ｃは、ローターに界磁巻線を設け、ステータに電機子巻線を設ける態様において、ステータ側において電機子巻線を２分割してスプリット構造とし、電機子巻線を、半径方向に交互に配置する構成である。前記した第２の形態の構成との相違は、軸部３ａ側の設けた内側界磁巻線５ａを省く点である。
【０１０７】
電機子巻線について２分割したスプリット構造とすることによって、界磁磁束と鎖交する量を増加させ、変換効率を向上させる。
【０１０８】
[第１の態様の第４の形態]
次に、第１の態様の第４の形態について図５の断面図を用いて説明する。以下では、第１の形態と相違する部分のみ示し、共通する部分の説明は省略する。
【０１０９】
第４の形態の超電導回転機１Ｄは、ローターに界磁巻線を設け、ステータに電機子巻線を設ける態様において、ローター側およびステータ側の何れも巻線を２分割するスプリット構造を有しない構成であり、ローター側に界磁巻線５を、また、ステータ側に電機子巻線６をそれぞれ分割することなく設ける。この際、界磁巻線５の内側に電機子巻線６を配置する。この配置とすることで、電機子巻線６において界磁磁束が鎖交する量を多くとることができる。
【０１１０】
［第２の態様］
次に、本発明の第２の態様について、図６〜図９を用いて説明する。本発明の第２の態様は、ステータに界磁巻線を設け、ローターに電機子巻線を設ける態様である。以下、この第２の態様の４つの形態例について説明する。以下では、第１の態様と相違する部分のみ示し、共通する部分の説明は省略する。
【０１１１】
[第２の態様の第１の形態]
第２の態様の第１の形態について図６の断面図を用いて説明する。
第１の形態の超電導回転機１Ｅは、ステータに界磁巻線を設け、ローターに電機子巻線を設ける態様において、ローター側においてのみ電気機巻線を２分割してスプリット構造とし、半径方向において分割した電気機巻線の間に界磁巻線を配置する構成である。
【０１１２】
電機子巻線について２分割したスプリット構造とすることによって、界磁磁束と鎖交する量を増加させ、変換効率を向上させることができる。
【０１１３】
また、この形態では、ステータに低温容器を設ける。この構成では、低温容器はステータに固定されているため、磁性流体シール等を不要とすることができる。
【０１１４】
[第２の態様の第２の形態]
次に、第２態様の第２の形態について図７の断面図を用いて説明する。以下では、前記した形態と相違する部分のみ示し、共通する部分の説明は省略する。
【０１１５】
第２の形態の超電導回転機１Ｆは、ステータに界磁巻線を設け、ローターに電機子巻線を設ける態様において、ステータ側において電気機巻線を２分割してスプリット構造とすると共に、ローター側においても電機子巻線を２分割してスプリット構造とし、それぞれ分割した界磁巻線および電機子巻線を、半径方向に交互に配置する構成である。前記した第１の形態の構成との相違は、バックヨーク７の部分に外側電機子巻線６ｂを設ける点である。
【０１１６】
電機子巻線についても２分割したスプリット構造とすることによって、界磁磁束と鎖交する量を増加させ、変換効率を向上させることができる。
【０１１７】
[第２の態様の第３の形態]
次に、第２の態様の第３の形態について図８の断面図を用いて説明する。以下では、前記した形態と相違する部分のみ示し、共通する部分の説明は省略する。
【０１１８】
第３の形態の超電導回転機１Ｇは、ステータに界磁巻線を設け、ローターに電機子巻線を設ける態様において、ステータ側において電機子巻線を２分割してスプリット構造とし、電機子巻線を、半径方向に交互に配置する構成である。前記した第２の形態の構成との相違は、軸部３ａ側の設けた内側電機子巻線６ａを省く点である。
【０１１９】
界磁巻線について２分割したスプリット構造とすることによって、電機子巻線が界磁磁束と鎖交する量を増加させ、変換効率を向上させる。
【０１２０】
[第２の態様の第４の形態]
次に、第２の態様の第４の形態について図９の断面図を用いて説明する。以下では、前記した形態と相違する部分のみ示し、共通する部分の説明は省略する。
【０１２１】
第４のローター超電導回転機１Ｈは、ステータに界磁巻線を設け、ローターに電機子巻線を設ける態様において、ローター側およびステータ側の何れも巻線を２分割するスプリット構造を有しない構成であり、ステータ側に界磁巻線５を、また、ローター側に電機子巻線６をそれぞれ分割することなく設ける。
【０１２２】
［構成例］
次に、本発明の第１の態様の第１の形態の一構成例について図１０〜図１６を用いて説明する。なお、ここでは、２０K冷却でＹ系高温超電導線材を適用することを想定して、電流密度＝１．６〜２．０×１０８A/m2で検討を行なう。
【０１２３】
Ｙ系高温超電導線材は、ハステロイの基板にＩＢＡＤ−ＭｇＯの中間層を備える構成で、幅４mm、厚さ０．１mm、超電導層の厚さ０．００１mm、基板の厚さ０．０５mm、銅安定化層の厚さ０．０２mmである。また、膜構造は、２０μmのＣｕ層上に、５０μmのHastelloy基板、〜１０μmのＩＢＡＤ ＭｇＯ層、〜３０μmのＨｏｍｏ−ｅｐｉＭｇＯ層、〜３０μmのＬＭＯ層、１μmのＨＴＳ層、２μmのＡｇ層を積層して形成される。
【０１２４】
このＹ系高温超電導線材は、温度２０K垂直磁界１０T下での臨界電流は７７Kの自己磁界下での臨界電流と同程度であるとされており、ここでは、臨界電流密度を２．０×１０８A/m2程度に設定する。
【０１２５】
図１０に界磁巻線と電機子巻線の構成例を示す。図１０において、スプリット構造とした界磁巻線５の内側界磁巻線５ａと外側界磁巻線５ｂの半径をそれぞれ、Ｒfi [mm]及びＲfo [mm]とする。機械的な支持やクライオスタット等のスペースを考慮して、界磁巻線間のギャップを３００mm以上としている。電機子巻線６を配置する電機子巻線スロットの中心位置の半径をＲa [mm]とする。各界磁巻線の断面寸法は、内側界磁巻線５ａをＷfi [mm]×ｄfi [mm]とし，外側界磁巻線５ｂをＷfo [mm]×ｄfo [mm]とする。
【０１２６】
はじめに、界磁巻線の中心部分に集中電流が流れていると仮定して簡単な解析的計算によりギャップ中心位置に３Tの磁束密度が発生できるように、Ｗfi [mm]×ｄfi [mm]およびＷfo [mm]×ｄfo [mm]の値を見積もる。
【０１２７】
これにより得られた界磁巻線の諸元を以下の表１に示す。
【表１】
【０１２８】
表1に示すCase I〜IIIについてＦＥＭ解析を行うことで以下の結果が得られた。
Case IとIIの比較から極数を大きくしても1極当りの断面積はあまり小さくならず、超電導線材量は１６極の場合には大きくなる。
【０１２９】
巻線部分の最大磁界は、Case Iでは約１２T、Case IIIでは約１０Tとなる。したがって、極数が小さい場合は高電流密度で設計を行うよりも，電流密度を若干抑えて巻線断面積を増やす設計の方が有効である。
【０１３０】
図１１は、ギャップ磁束密度の分布を示している。ｒ＝２０５０mmはギャップ中心線（すなわち，電機子スロット中央）を表し、ｒ＝２１１０mmは電機子スロット外端付近を表し、ｒ＝１９９０mmは電機子スロット内端付近を表している。図１１から明らかなように、ｒの平均値として考えても、ギャップにおいて磁束密度は３Tを確保することができる。
【０１３１】
高電流密度、高磁界、直流での無損失という超電導の特徴を十分に生かすには、界磁巻線のみを超電導化して少なくとも３T以上の高磁界化を図ることが望ましい。
【０１３２】
空心機では、界磁巻線外部に大きな磁束を飛散させることが難しいため、界磁磁束を有効に電機子巻線に鎖交させるために界磁巻線を半径方向に２分割したスプリット構造とし、その界磁巻線のギャップ間に電機子巻線を配置する。
【０１３３】
ここでは、大規模風力発電の容量として１０MW／電圧３．３kVを想定する。
【０１３４】
以下の表２に定格容量，定格電圧，極数，定格回転数等回転機の基本仕様を示し、図３に、Ｙ系高温超電導線材を適用した１０MW級風力発電用カップ型回転機の界磁巻線の寸法設計例を示す。
【０１３５】
【表２】
【０１３６】
【表３】
【０１３７】
前記した図１０から平均値として考えてもギャップ磁束密度は３Tを確保することができるため、以下の電機子寸法の設計においては，ギャップ磁束密度を３Tとして設計を行なう。
【０１３８】
電機子巻線は、短節・分布巻の２層巻構成とする。毎相・毎極のスロット数をｑ＝３．５とする。１相当たりのスロット数はＱ＝Ｐ・ｑ＝２８、全スロット数は３Ｑ＝８４となる。
【０１３９】
まず、電機子巻線の直列導線数を見積もる。相電圧は、
Ｅa＝３３００／√３＝１９０５[Ｖ] …（２）
となる。
【０１４０】
一方、ギャップ磁束分布を正弦波と仮定した場合の１相当りの誘導起電力から相電圧を計算すると、
Ｅ０＝（１／√２）・ｖＢl・ｎ０・Ｑ
＝（１／√２）・２τｆ・Ｂl・ｎ０・Ｑ …（３）
と書ける。
【０１４１】
ここで、ｎ０: 1スロット当りの導体数、τ: 極ピッチ，ｆ : 周波数，ｌ : 有効長である。
【０１４２】
また、
ｖ＝２πｒａ・Ｎ／６０
Ｎ＝１２０ｆ／Ｐ
τ＝２πｒａ／Ｐ …（４）
の関係を用いた。
【０１４３】
この式に、ｒａ＝２．０５[m]、Ｐ＝８，Ｂ＝３[T]、ｌ＝１．５[m]、Ｑ＝２８を代入すると、
Ｅ０＝２８６．８・ｎ０・ｆ …（５）
【０１４４】
Ｎ＝10rpmの場合、ｆ＝0.667Hzなので、
ｎ０＝１９０５/（２８６．８×０．６６７）≒１０[本] …（６）
となるが、電機子巻線を２層巻にすることを考えてｎ０＝１２ [本]とすると、
Ｅ０＝２８６．８×１２×０．６６７＝２２９５[V] …（７）
となる。この値は、目標値である1905[V]（3300[V]）よりも大きいが、増加分は目標値に対するマージン分とする。
【０１４５】
次に、電機子導体／スロットの寸法を見積もる。
電機子電流（線電流）は、
Ｉａ＝（１０×１０６／３３００）／√３＝１７５０[A] …（８）
となるので、銅線の電流密度を５ [A/mm2]として、1スロット当りの銅線の必要断面積は、
Ｓｃｕ＝１７５０／５＝３５０[mm２] …（９）
となる。
【０１４６】
スロット内の占積率を０．５、スロットの深さを１２０ [mm]とすると、必要なスロット断面積は、
Ｓｓｌｏｔ＝３５０[mm２]×１２[本]／０．５
＝８４００[mm２]
＝１２０[mm]×７０[mm] …（１０）
となる。
【０１４７】
また、導体断面寸法は、
ｄｃ＝１２０[mm]／６[本]×√０．５＝１４．１４[mm]
Ｗｃ＝７０[mm] ／２[列]×√０．５＝２４．７５[mm] …（１１）
となる。
【０１４８】
図１２は、電機子導体／スロットの寸法を説明するための図であり、式（１０）、（１１）で示したスロットの断面寸法、および電機子導体の断面寸法を示している。
【０１４９】
スロットピッチは、１極当りのスロット数が３ｑ＝１０．５であるので、
τ／３ｑ＝２πｒａ／Ｐ・３ｑ＝１４９．６[mm]
π／４．３ｑ＝０．０７４８[rad.]＝４．２８５７[deg.] …（１２）
となる。
【０１５０】
図１３は、上記で求めた界磁巻線、電機子巻線の配置および寸法を説明するための図であり、外側界磁巻線半径２２１０[mm]、内側界磁巻線半径１７６０[mm]、界磁巻線のギャップ間中心半径（電機子巻線のスロット半径）２０５０[mm]、式（１２）で示したスロットピッチ４．２８５７[deg.]、各はスロットの断面寸法、スロットサイズ１２０[mm]×７０ [mm]、外側巻線幅１６５[mm]、外側巻線厚さ１６０[mm]、内側巻線幅１６０[mm]、内側巻線厚さ１３０[mm]の各寸法を示している。
【０１５１】
なお、電機子巻線は、Ｕ相巻線を黒地で示し、Ｖ相巻線を斜線で示し、Ｗ相巻線を白地で示して、界磁巻線は、界磁電流の方向を×印と点印で示している。
【０１５２】
電機子導体全長は、３Ｑ・ｎ０・ｌ＝８４×１２×１．５＝１．５１２[km]
である。以上の設計数値を表４に示す。
【０１５３】
【表４】
【０１５４】
次に、上記した設計例についてのＦＥＭ解析を示す。
はじめに、無負荷時の誘導起電力（相電圧）をＦＥＭ解析を示す。誘導起電力の瞬時波形を図１４に示す。図１４により、基本波成分（ｆ＝０．６６７Hz）に対する誘導起電力（相電圧）の実効値は２７２１[V]であり、設計値の２２９５[V]よりも大きな値となった。これは、ギャップ磁束の分布が矩形波に近いためと考えられる。
【０１５５】
振幅±Ａの矩形波の基本正弦波成分のフーリエ係数が４Ａ／πであり、Ａ＝ｖＢｌ・ｎ０・Ｑ＝３１７０[V]と考えると、４Ａ／π＝４０３６[V]なので、実効値は４０３６／√２＝２８５７[V]となる。つまり、ギャップ磁束分布が矩形波に近くなると、ギャップ磁束分布を正弦波として見積もった電圧値よりも大きくなる。
【０１５６】
ＤＣリンク方式の風力回転機を想定した場合には、電圧波形は正弦波にこだわる必要は無く、むしろ、コンバータによって全波整流することを考えると、矩形波に近い程効率的であると考えられる。
【０１５７】
次に、線電流の基本波成分が定格電流値（１７５０ [Arms]）になるような抵抗負荷を接続した場合の負荷解析を示す。
【０１５８】
図１５は負荷解析に用いた回路を示している。図１５に示す回路は、本発明の超電導回転機を発電機として出力した三相出力を、スター結線してなる抵抗負荷に供給した場合の等価回路を示している。ここでは、抵抗としてＲ＝１．５５Ωとしている。
【０１５９】
ここでは、回転機部分のＦＥＭ解析と外部回路の電気回路解析を連成させて解き、得られた線電流・相電圧波形の解析結果を図１６に示す。図１６（ａ）はＵ相を示し、図１６（ｂ）はＶ相を示し、図１６（ｃ）はＷ相を示している。
【０１６０】
図１６に示す解析結果のデータをフーリエ解析し、相電圧・相電流の基本波成分の実効値を求めると、それぞれ２７１０ [V]および１７５０ [A]となる。
【０１６１】
これより、負荷に供給される電力は１４．２ [MW]となる。このことから、前記したCase IIIの寸法から約８％程度体格を小さくした場合であっても１０ [MW]は確保できることを示している。
【０１６２】
なお、本発明は前記各実施の形態に限定されるものではない。本発明の趣旨に基づいて種々変形することが可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【産業上の利用可能性】
【０１６３】
本発明の超電導回転機は、発電機に限らず、電動機に適用することができる。
【符号の説明】
【０１６４】
１Ａ 超電導回転機
１Ｂ 超電導回転機
１Ｃ 超電導回転機
１Ｄ 超電導回転機
１Ｅ 超電導回転機
１Ｆ 超電導回転機
１Ｇ 超電導回転機
１Ｈ 超電導回転機
２ ステータ
２ａ ステータ内周部
２ｂ ステータ外周部
２ｃ 連結部
２ｄ ギャップ
３ ローター
３ａ 軸部
３ｂ ローター外周部
３ｃ 連結部
３ｄ ギャップ
３ｅ 回転軸
３ｆ 支持部
４ 低温容器
４ａ 円筒状部
４ｂ 環状部
４ｃ 連通部
４ｄ 導出入部
４ｅ 磁性流体シール
５ 界磁巻線
５ａ 内側界磁巻線
５ｂ 外側界磁巻線
６ 電機子巻線
６ａ 内側電機子巻線
６ｂ 外側電機子巻線
７ バックヨーク
１０１ 超電導電気機器
１０２ ステータ
１０３ ローター
１０４ａ 低温真空容器
１０５ａ 界磁巻線
１０６ 電機子巻線
１０７ 回転軸
１０８ ベアリング
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステータとローターを備え、
前記ローターは、軸部と、軸方向に延びると共に半径方向の断面が環状のローター外周部とを、互いに半径方向にギャップを有して備え、
前記ステータは、軸方向に延びると共に半径方向の断面が環状のステータ内周部およびステータ外周部を、互いに半径方向にギャップを有して備え、
前記ステータ内周部は、前記ローターの軸部とローター外周部との間で形成されるギャップ内に非接触で配置し、
前記ローター外周部は、軸方向の一端を前記ローターの軸部と半径方向で連接し、軸方向の他端を前記ステータに対して回転自在に支持することによって両持ち機構とし、
前記両持ち機構は、前記ローター外周部の他端において、当該端部とローターの軸部との間に前記ステータの一部を挟んで半径方向に２重に配置した２重ラジアル軸受けを備え、
前記ステータ又はローターは超電導線材を用いた巻線を備えることを特徴とする、超電導回転機。
【請求項２】
前記２重のラジアル軸受けにおいて、
内側のラジアル軸受けと外側のラジアル軸受けとの間に、ステータ外周部とステータ内周部とを連結する連結部を通し、
前記ローター外周部の端部は、半径方向の加重を、内側ラジアル軸受け、連結部、および外側ラジアル軸受けを介して、軸部に支持させることを特徴とする、請求項１に記載の超電導回転機。
【請求項３】
前記２重のラジアル軸受けは、ベアリングによる機械的軸受け、又は、磁気力による非接触軸受けを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。
【請求項４】
前記ローターは界磁磁束を形成する界磁巻線を備え、
前記ステータは前記界磁磁束と鎖交する電機子巻線を備えることを特徴とする、請求項１から３の何れか一つに記載の超電導回転機。
【請求項５】
前記ローターは、内部に冷媒を収容する低温容器を備え、
前記低温容器は、中心軸側の円筒状部と、外周側の半径方向の断面が環状の環状部と、前記円筒状部および前記環状部を軸方向の一端において半径方向で連通する連通部とを有し、
前記環状部の軸方向の他端は、前記２重ラジアル軸受けの外側のラジアル軸受けによって前記ステータに対して回転自在に支持され、
前記低温容器は、少なくとも環状部内に超電導の界磁巻線を備え、
前記ステータは、少なくともステータ内周部に電機子巻線を備え、前記超電導の界磁巻線が形成する界磁磁束と鎖交することを特徴とする、請求項４に記載の超電導回転機。
【請求項６】
前記界磁巻線は、半径方向に２分割した２つの界磁巻線を備え、
分割した一方の界磁巻線を軸部に配置し、分割した他方の界磁巻線をローター外周部に配置することを特徴とする、請求項４又は５に記載の超電導回転機。
【請求項７】
前記電機子巻線は、半径方向に２分割した２つの電機子巻線を備え、
分割した一方の電機子巻線をステータ内周部内に配置し、分割した他方の電機子巻線をステータ外周部内に配置することを特徴とする、請求項４又は５に記載の超電導回転機。
【請求項８】
前記ステータは界磁磁束を形成する界磁巻線を備え、
前記ローターは前記界磁磁束と鎖交する電機子巻線を備えることを特徴とする、請求項１から３の何れか一つに記載の超電導回転機。
【請求項９】
前記ステータは、内部に冷媒を収容する低温容器を備え、
前記低温容器は、中心軸側の半径方向の断面が環状の内周側環状部と、外周側の半径方向の断面が環状の外周側環状部と、前記内周側環状部および外周側環状部を軸方向の一端において半径方向で連通する連通部とを有し、
前記低温容器は、少なくとも何れか一方の環状部内に超電導の界磁巻線を備え、
前記ローターは、電機子巻線を備え、前記超電導の界磁巻線が形成する界磁磁束と鎖交することを特徴とする、請求項８に記載の超電導回転機。
【請求項１０】
前記界磁巻線は、半径方向に２分割した２つの界磁巻線を備え、
分割した一方の界磁巻線をステータ内周部に配置し、分割した他方の界磁巻線をステータ外周部に配置することを特徴とする、請求項８又は９に記載の超電導回転機。
【請求項１１】
前記電機子巻線は、半径方向に２分割した２つの電機子巻線を備え、
分割した一方の電機子巻線を軸部内に配置し、分割した他方の電機子巻線をローター外周部内に配置することを特徴とする、請求項８又は９に記載の超電導回転機。
【請求項１２】
前記ローターを回転駆動してローターをステータとを相対移動させ、
当該相対移動によって前記界磁巻線が形成する界磁磁束を変化させ、
当該界磁磁束の磁束変化を前記電機子巻線によって電流に変換して発電機を構成することを特徴とする、請求項１から１１の何れか一つに記載の超電導回転機。
【請求項１３】
前記電機子巻線に電流を印加して磁界を形成し、
当該磁界と前記界磁巻線が形成する界磁磁束との鎖交によって、電流を回転力に変換して電動機を構成することを特徴とする、請求項１から１１の何れか一つに記載の超電導回転機。
【請求項１】
ステータとローターを備え、
前記ローターは、軸部と、軸方向に延びると共に半径方向の断面が環状のローター外周部とを、互いに半径方向にギャップを有して備え、
前記ステータは、軸方向に延びると共に半径方向の断面が環状のステータ内周部およびステータ外周部を、互いに半径方向にギャップを有して備え、
前記ステータ内周部は、前記ローターの軸部とローター外周部との間で形成されるギャップ内に非接触で配置し、
前記ローター外周部は、軸方向の一端を前記ローターの軸部と半径方向で連接し、軸方向の他端を前記ステータに対して回転自在に支持することによって両持ち機構とし、
前記両持ち機構は、前記ローター外周部の他端において、当該端部とローターの軸部との間に前記ステータの一部を挟んで半径方向に２重に配置した２重ラジアル軸受けを備え、
前記ステータ又はローターは超電導線材を用いた巻線を備えることを特徴とする、超電導回転機。
【請求項２】
前記２重のラジアル軸受けにおいて、
内側のラジアル軸受けと外側のラジアル軸受けとの間に、ステータ外周部とステータ内周部とを連結する連結部を通し、
前記ローター外周部の端部は、半径方向の加重を、内側ラジアル軸受け、連結部、および外側ラジアル軸受けを介して、軸部に支持させることを特徴とする、請求項１に記載の超電導回転機。
【請求項３】
前記２重のラジアル軸受けは、ベアリングによる機械的軸受け、又は、磁気力による非接触軸受けを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。
【請求項４】
前記ローターは界磁磁束を形成する界磁巻線を備え、
前記ステータは前記界磁磁束と鎖交する電機子巻線を備えることを特徴とする、請求項１から３の何れか一つに記載の超電導回転機。
【請求項５】
前記ローターは、内部に冷媒を収容する低温容器を備え、
前記低温容器は、中心軸側の円筒状部と、外周側の半径方向の断面が環状の環状部と、前記円筒状部および前記環状部を軸方向の一端において半径方向で連通する連通部とを有し、
前記環状部の軸方向の他端は、前記２重ラジアル軸受けの外側のラジアル軸受けによって前記ステータに対して回転自在に支持され、
前記低温容器は、少なくとも環状部内に超電導の界磁巻線を備え、
前記ステータは、少なくともステータ内周部に電機子巻線を備え、前記超電導の界磁巻線が形成する界磁磁束と鎖交することを特徴とする、請求項４に記載の超電導回転機。
【請求項６】
前記界磁巻線は、半径方向に２分割した２つの界磁巻線を備え、
分割した一方の界磁巻線を軸部に配置し、分割した他方の界磁巻線をローター外周部に配置することを特徴とする、請求項４又は５に記載の超電導回転機。
【請求項７】
前記電機子巻線は、半径方向に２分割した２つの電機子巻線を備え、
分割した一方の電機子巻線をステータ内周部内に配置し、分割した他方の電機子巻線をステータ外周部内に配置することを特徴とする、請求項４又は５に記載の超電導回転機。
【請求項８】
前記ステータは界磁磁束を形成する界磁巻線を備え、
前記ローターは前記界磁磁束と鎖交する電機子巻線を備えることを特徴とする、請求項１から３の何れか一つに記載の超電導回転機。
【請求項９】
前記ステータは、内部に冷媒を収容する低温容器を備え、
前記低温容器は、中心軸側の半径方向の断面が環状の内周側環状部と、外周側の半径方向の断面が環状の外周側環状部と、前記内周側環状部および外周側環状部を軸方向の一端において半径方向で連通する連通部とを有し、
前記低温容器は、少なくとも何れか一方の環状部内に超電導の界磁巻線を備え、
前記ローターは、電機子巻線を備え、前記超電導の界磁巻線が形成する界磁磁束と鎖交することを特徴とする、請求項８に記載の超電導回転機。
【請求項１０】
前記界磁巻線は、半径方向に２分割した２つの界磁巻線を備え、
分割した一方の界磁巻線をステータ内周部に配置し、分割した他方の界磁巻線をステータ外周部に配置することを特徴とする、請求項８又は９に記載の超電導回転機。
【請求項１１】
前記電機子巻線は、半径方向に２分割した２つの電機子巻線を備え、
分割した一方の電機子巻線を軸部内に配置し、分割した他方の電機子巻線をローター外周部内に配置することを特徴とする、請求項８又は９に記載の超電導回転機。
【請求項１２】
前記ローターを回転駆動してローターをステータとを相対移動させ、
当該相対移動によって前記界磁巻線が形成する界磁磁束を変化させ、
当該界磁磁束の磁束変化を前記電機子巻線によって電流に変換して発電機を構成することを特徴とする、請求項１から１１の何れか一つに記載の超電導回転機。
【請求項１３】
前記電機子巻線に電流を印加して磁界を形成し、
当該磁界と前記界磁巻線が形成する界磁磁束との鎖交によって、電流を回転力に変換して電動機を構成することを特徴とする、請求項１から１１の何れか一つに記載の超電導回転機。
【図１０】
【図１３】
【図１５】
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１１】
【図１２】
【図１４】
【図１６】
【図１７】
【図１３】
【図１５】
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１１】
【図１２】
【図１４】
【図１６】
【図１７】
【公開番号】特開２０１１−１０３７０８（Ｐ２０１１−１０３７０８Ａ）
【公開日】平成２３年５月２６日（２０１１．５．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２５６６６１（Ｐ２００９−２５６６６１）
【出願日】平成２１年１１月１０日（２００９．１１．１０）
【出願人】（５０４１８２２５５）国立大学法人横浜国立大学 (429)
【出願人】（３０４０２７２７９）国立大学法人 新潟大学 (310)
【出願人】（０００２１３２９７）中部電力株式会社 (811)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年５月２６日（２０１１．５．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１１月１０日（２００９．１１．１０）
【出願人】（５０４１８２２５５）国立大学法人横浜国立大学 (429)
【出願人】（３０４０２７２７９）国立大学法人 新潟大学 (310)
【出願人】（０００２１３２９７）中部電力株式会社 (811)
【Ｆターム（参考）】
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