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超電導回転子、超電導回転機および超電導回転機システム 外国出願あり

国内特許コード P120007657
整理番号 1962
掲載日 2012年6月14日
出願番号 特願2010-503748
登録番号 特許第5397866号
出願日 平成20年12月26日(2008.12.26)
登録日 平成25年11月1日(2013.11.1)
国際出願番号 JP2008073733
国際公開番号 WO2009116219
国際出願日 平成20年12月26日(2008.12.26)
国際公開日 平成21年9月24日(2009.9.24)
優先権データ
  • 特願2008-069521 (2008.3.18) JP
発明者
  • 中村 武恒
出願人
  • 国立大学法人京都大学
発明の名称 超電導回転子、超電導回転機および超電導回転機システム 外国出願あり
発明の概要 本発明の主たる解決課題は、誘導機の構成を有し、誘導回転および同期回転が可能な超電導回転子、超電導回転機および超電導回転機システムであって、熱はけがよく、過大な負荷に対しても安定で、同期回転のための磁束捕捉が容易であるものを提供することにある。上記課題を解決すべく、図1に示す通り、本発明は複数の超電導線を高導電性金属で被覆してなる超電導線材にて形成された超電導かご形巻線73と、常電導材にて形成された常電導かご形巻線74と、両かご形巻線73,74の各ロータバー73a,74aを収容する複数のスロット72を備えた円柱状の回転子鉄心71と、回転子鉄心71に同軸に設けられた回転子軸75と、を含み、超電導かご形巻線73が非超電導状態であるとき、回転磁界に起因して常電導かご形巻線74に生じる誘導トルク主動で回転する一方、超電導かご形巻線73が超電導状態であるとき、超電導かご形巻線73が回転磁界の磁束を捕捉することで生じる同期トルク主動で回転する超電導回転子7とした。
従来技術、競合技術の概要



電気機器である回転機は、直流機と交流機に分類される。このうち、交流機は、機械動力を受けて交流電力を生成する、または交流電力を受けて機械動力を生成するものであり、主として誘導機と同期機に分類される。





誘導機、例えば誘導電動機は、固定子巻線に交流電圧を印加して発生させた回転磁界によって、回転子に誘導トルクを発生させて回転する。誘導電動機は、単純な構造であり、保守が容易で安価であること等から広く利用されているが、効率や速度制御面で難がある。





同期機、例えば同期電動機は、固定子巻線に交流電圧を印加して発生させた回転磁界に、電磁石または永久磁石を備えた回転子が引かれることによって回転する。同期電動機は、効率がよいものの、始動や同期引入に付加的な装置が必要である。





そこで、近年、誘導機の構成でありながら同期回転可能な超電導回転機が提案されている(例えば、特許文献1および特許文献2参照)。





特許文献1記載の回転機は、例えばその図6に示されるように、ステータ60と、ステータ60に回転可能に装着されたロータ61と、ロータ61に設けられた超電導材料62と、ステータ60に設けられ、回転磁場を形成する磁場発生装置と、超電導材料62内を貫く磁場を超電導材料62内に捕らえておくための機構と、磁場発生装置と超電導材料62の間に配置されたトルクシールド64であって、超電導材料62内の磁場の強度が第2臨界磁場Hc未満になるような表皮深さ及び厚さを有するとともに、ロータ61を同期速度に引き上げるために充分なトルクを生み出すに足る電気導電性を有するトルクシールド64と、を備えている。





特許文献1記載の回転機は、始動時、トルクシールド64に発生する誘導トルクによって誘導回転する。そして、所定速度に達すると、回転磁場の磁束がトルクシールド64を通過して、超電導材料62中に延びる。その後、超電導材料62が臨界温度以下に冷却されて超電導状態になると、回転磁場の磁束が超電導材料62に捕捉され、特許文献1記載の回転機は同期回転する。





一方、特許文献2記載の電動機は、例えばその図3および図4に示されるように、常電導材からなるかご形巻線におけるバーの中空部10とエンドリング5の溝11,12とに、超電導材13が充填されている。つまり、特許文献2記載の電動機は、常電導材にて構成されるかご形巻線に、超電導材にて構成される界磁巻線としての閉回路が併設された構造になっている。





特許文献2記載の電動機によれば、室温雰囲気下で起動することにより起動特性が良好な通常のかご形誘導機としての起動が可能である。また、起動後の加速完了時には、かご形回転子を超電導材料の臨界温度以下に冷却して超電導材料の閉回路を形成すれば、同期引き入れが自動的に行なわれ、以後は永久電流による同期電動機として極めて高効率の運転が可能になる。

【特許文献1】

表平8-505515号公報

【特許文献2】

開平1-144346号公報

産業上の利用分野



本発明は、超電導回転子、超電導回転機および超電導回転機システムに関する。

特許請求の範囲 【請求項1】
回転磁界を発生させる固定子内に配置されて回転する超電導回転子であって、
複数の超電導フィラメントを高導電性金属で被覆した単数または複数本の超電導線材からなるロータバーおよびエンドリングによって形成された超電導かご形巻線と、
常電導材からなるロータバーおよびエンドリングによって形成された常電導かご形巻線と、
前記両かご形巻線の前記各ロータバーを収容する複数のスロットを備えた円柱状の回転子鉄心と、
前記回転子鉄心に同軸に設けられた回転子軸と、
を含んでいて、
前記超電導かご形巻線が非超電導状態であるとき、前記超電導線材の抵抗値と前記常電導材の抵抗値との差により、前記回転磁界に起因して前記超電導線材よりも前記常電導材に誘導電流が支配的に流れ、前記常電導かご形巻線に生じる誘導トルク主動で回転する一方、前記超電導かご形巻線が超電導状態であるとき、前記超電導かご形巻線が前記回転磁界の磁束を捕捉することで生じる同期トルク主動で回転するようになっていることを特徴とする超電導回転子。

【請求項2】
前記超電導線は、NbTiもしくはNbSnに代表される金属系低温超電導体、イットリウム系もしくはビスマス系に代表される酸化物系高温超電導体、あるいは二ホウ化マグネシウム超電導体からなっており、
前記高導電性金属は、銀、銅、金、アルミニウムもしくはそれらの合金であることを特徴とする請求項1に記載の超電導回転子。

【請求項3】
前記常電導かご形巻線は、前記超電導かご形巻線における前記高導電性金属を所定厚さ以上にすることによって形成されていて、前記超電導かご形巻線と一体的になっていることを特徴とする請求項1または2に記載の超電導回転子。

【請求項4】
前記超電導かご形巻線と前記常電導かご形巻線とは別体になっており、さらに、前記超電導かご形巻線は、前記常電導かご形巻線よりもかごが大きく、前記各ロータバーが前記常電導かご形巻線の各ロータバーよりも外側に位置していることを特徴とする請求項1または2に記載の超電導回転子。

【請求項5】
前記超電導かご形巻線と前記常電導かご形巻線とは別体になっており、さらに、前記常電導かご形巻線は、前記超電導かご形巻線よりもかごが大きく、前記各ロータバーが前記超電導かご形巻線の各ロータバーよりも外側に位置していることを特徴とする請求項1または2に記載の超電導回転子。

【請求項6】
前記超電導かご形巻線の前記ロータバーの数と、前記常電導かご形巻線の前記ロータバーの数と、前記回転子鉄心の前記スロットの数とは同数であり、各スロット内に前記超電導かご形巻線の前記ロータバーと前記常電導かご形巻線の前記ロータバーとが1本ずつ収容されていることを特徴とする請求項1~5のいずれか1項に記載の超電導回転子。

【請求項7】
回転磁界を発生させる固定子巻線を備えた固定子内に、請求項1~6のいずれか1項に記載の超電導回転子が配置されてなることを特徴とする超電導回転機。

【請求項8】
前記固定子巻線は超電導材からなっており、当該超電導材の臨界温度は、前記超電導かご形巻線を形成する前記超電導線材の臨界温度以上になっていることを特徴とする請求項7に記載の超電導回転機。

【請求項9】
請求項7に記載の超電導回転機と、
前記超電導回転機を超電導状態になるまで冷却し得る冷却装置と、
前記超電導回転機を制御する制御装置と、
を含んでいて、
前記制御装置は、前記超電導回転機が前記誘導トルク主動で回転している場合に使用すべき第1の制御パターンと、前記超電導回転機が前記同期トルク主動で回転している場合に使用すべき第2の制御パターンと、を有しており、前記固定子巻線内を流れる電流の値が、前記超電導かご形巻線が超電導状態になったことに起因して低下したとき、前記第2の制御パターンを用いて前記超電導回転機を制御し、そうでないとき、前記第1の制御パターンを用いて前記超電導回転機を制御するようになっていることを特徴とする超電導回転機システム。

【請求項10】
前記制御装置は、始動時において前記超電導かご形巻線が前記回転磁界の磁束を捕捉してない状態で超電導状態になっている場合、前記超電導かご形巻線に流れる電流が臨界電流を越えるように、前記固定子巻線への印加電圧および/または当該印加電圧の周波数を変化させ、前記超電導かご形巻線を磁束フロー状態にし、前記超電導かご形巻線に前記回転磁界の磁束を鎖交させるようになっていることを特徴とする請求項9に記載の超電導回転機システム。
国際特許分類(IPC)
Fターム
画像

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出願権利状態 登録
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