JP2011040567A - 超電導コイル装置及び該超電導コイル装置を具備した超電導回転機 - Google Patents

Abstract

【課題】電極と超電導線材の端末との接続に際して超電導線材に過大な応力を与えることなく、また、新たな接続部材を介して電極と超電導線材の端末とを接続する必要がなく、メンテナンス性の優れた電極の接続構造を有する超電導コイル装置及び該超電導コイル装置を具備した超電導回転機を提供する。
【解決手段】軸１００の周りに連続した長円状の巻き芯１０の長円外周面に、該軸方向に位置を異ならせてそれぞれ逆方向に帯状の超電導線材が巻回され、上層コイル及び下層コイルの最内周端を互いに電気的に接続したダブルパンケーキ構造となっている。レーストラックの直線部２ａの同一端側から引き出された帯状の線材２０の端末２１ａ（２１ｂ）と、電極３とを接続する際、端子３ａ（３ｂ）の板幅方向を上記軸１００に向けた状態で、帯状の線材２０の端末２１ａ（２１ｂ）の長辺側の側面２２に端子３ａ（３ｂ）の長辺側の内側側面３１を重ね合わせて接続する。
【選択図】図１

Description

本発明は、超電導コイル装置に関し、特に、帯状の線材を巻回した円盤状のコイルを二層に積層したダブルパンケーキコイル構造の超電導コイル装置における電極の接続構造、及び該超電導コイル装置を具備した超電導回転機に関するものである。

従来、帯状の酸化物超電導体をたすき掛けし、それぞれ逆方向に巻回して上層コイル及び下層コイルを積層してコイル部を形成したダブルパンケーキコイル構造の超電導コイル装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００２−１７０７０９号公報

図３は、従来のダブルパンケーキコイル構造の超電導コイル装置の一例を示した構成図である。図３（ａ）は従来の超電導コイルの平面図、図３（ｂ）は、図３（ａ）のＡ−Ａ方向から見た該超電導コイルの断面図、図３（ｃ）は、従来の超電導コイルの斜視図である。

図３に示すように、この超電導コイル装置Ｃは、中心軸１００の周りに連続した長円環状（レーストラック状）の外周面を有する巻き芯１０と、巻き芯１０の長円外周面に、該軸方向に位置を異ならせてそれぞれ逆方向に帯状の超電導線材（以下、「帯状の線材」と記す。）が巻回された上層コイル及び下層コイルのコイル部２０を有し、上層コイル及び下層コイルの最内周端を互いに電気的に接続したダブルパンケーキ構造としてある。

このような構成により、超電導コイル装置Ｃの帯状の線材の各端末は、上層コイル及び下層コイルの最外周ターン側に形成され、レーストラックの直線部２０ａの同一端側から、上層コイル及び下層コイルの最外周ターンの帯状の線材の各端末を外方（電極３０側）に引き出し、後述する電極３０を構成する端子３０ａ、３０ｂにそれぞれ接続される。

図３（ｂ）に示すように、上記上層コイル及び下層コイルからなるコイル部２０は、コイル部２０の下面及び上面に配置された下部板４０及び上部板５０と、下部板４０と上部板５０とを接続する側板からなるケースに内装されている。

電極３０は、平板状の部材で形成された端子３０ａ、３０ｂからなる。各端子３０ａ、３０ｂは、レーストラックのいずれか一方の円弧部２０ｂに取付けられ、レーストラックの長軸に対して左右対称に配置されているとともに、各端子３０ａ、３０ｂの基端側が下部板４０及び上部板５０に固着されている。

このような形態の超電導コイル装置Ｃは、通常、超電導機器である超電導モータに用いられ、超電導モータにおけるロータコアの径方向の限られたスペースに所定数積み重ねて設置されるため、厚み方向の寸法が大きくならないよう、端子３０ａの下面が下部板４０の下面と面一（つらいち）となるよう固着され、端子３０ｂの上面が上部板５０の上面と面一（つらいち）となるよう固着されている。詳述すると、電極を形成する各端子３０ａ、３０ｂと、帯状の線材の各端末との接続構造は、帯状の線材の端末長辺側の側面に対して端子３０ａ、３０ｂが垂直に接続されている。

このため、上記超電導コイル装置Ｃにおける各端子３０ａ、３０ｂと、コイルの最外周における帯状の線材の端末との接続は、例えば、帯状の線材の端末を９０度捻じ曲げて該帯状の線材に過大な応力をかけて各端子３０ａ、３０ｂと接続するか、また、例えば、別途用意された垂直から水平に変換する接続部材を介して各端子３０ａ、３０ｂと帯状の線材の端末とを接続する必要がある。

しかしながら、上述のように、帯状の線材の端末を捻じ曲げて該帯状の線材に過大な応力をかけて電極と接続することは、電極と超電導線材の端末との接続が困難となることに加え、帯状の線材に過大な負荷がかかり、超電導コイル装置の超電導特性が急激に劣化する場合がある。また、別途用意された垂直から水平に変換する接続部材を介して各端子３０ａ、３０ｂとテープ状の線材の端末とを接続することは、超電導コイル装置Ｃの厚み方向の寸法が大きくなり、装備される超電導モータ自体が大型化してしまう。

さらに、上述した従来の超電導コイル装置Ｃにあっては、電極３の端子３０ａ、３０ｂが下部板４０と上部板５０にそれぞれ固着されている構造のため、メンテナンスの際は、各端子３０ａ、３０ｂに接続されている帯状の線材の端末を何らかの方法でその都度取り外す必要があるため、メンテナンス性の面で改善の余地が残されていた。

したがって、本発明は、上記問題点を解決することを課題としてなされたものであり、その目的とするところは、電極と超電導線材の端末との接続に際して超電導線材に過大な応力を与えることなく、また、新たな接続部材を介して電極と超電導線材の端末とを接続する必要がなく、メンテナンス性の優れた電極の接続構造を有する超電導コイル装置及び該超電導コイル装置を具備した超電導回転機を提供することにある。

本発明に係る超電導コイル装置は、軸の周りに連続した円状の外周面を有する巻き芯と、巻き芯の外周面に、軸方向に位置を異ならせて逆方向に巻回された第１の帯状コイルと第２の帯状のコイルとを有するとともに、該第１の帯状コイルと第２の帯状のコイルの最内終端が互いに電気的に接続されているコイル部と、第１の帯状コイルと第２の帯状のコイルの最外周端にそれぞれ電気的に接続された第１の電極と第２の電極とを有する電極部とを備えたダブルパンケーキ構造の超電導コイル装置において、コイル部の外周近傍に配置された絶縁部材と、絶縁部材を挟んで配置された第１の帯状電極板と第２の帯状電極板とを有し、第１の帯状電極板と第２の帯状電極板は、各帯状電極板の板幅方向を前記軸方向に向けた状態でコイル部の外周に沿って延設され、第１の帯状コイルと第２の帯状のコイルの最外周端に重ね合わされて電気的に接続されている。

また、前記各電極板の板幅と略等しい幅を有する不導体の部材からなる固定枠をコイル部の外周に沿って固着させ、該固定枠の両端と前記各帯状電極板における各帯状コイルとの接続端とを接続してもよい。

本発明に係る超電導回転機は、電磁的に結合されたステータとロータを含む超電導回転機において、請求項１または請求項２に記載の超電導コイル装置が具備されていることを特徴としたものである。

本発明によれば、コイル部を形成する超電導線材の長辺側の側面に対して平行に電極を接続するので、電極と超電導線材の端末との接続に際して超電導線材に過大な応力を与えることなく、また、新たな接続部材を介して電極と超電導線材の端末とを接続する必要がなくなる。これにより、超電導コイルの厚み方向の寸法が大きくならず、コイル間の接続や外部からの電流リード線の接続スペースに余裕ができる。

また、電極と超電導線材の端末との接続に際して超電導線材に過大な応力を与えて接続する必要がなくなるので、電極と超電導線材の端末との接続が容易になるとともに、超電導コイル装置の超電導特性が劣化しないという効果を奏する。しかも、従来の超電導コイルのように、超電導コイルを固定するための上部板と下部板にそれぞれ固着しない構造となるので、メンテナンス性の優れた電極の接続構造を有する超電導モータコイルを提供することができる。

本発明の実施の形態に係る超電導コイルの構成を示した部分斜視図である。 本発明の実施の形態に係る超電導コイルの構成を示した平面図である。 超電導コイルの他の形態を示した平面図である。 従来の超電導コイルの構成を示した平面図、側面図及び斜視図である。

以下、本発明に係る超電導コイル装置の実施の形態について、添付図面に従って説明する。なお、以下の説明では「上」、「下」、及びそれらの用語を含む用語を便宜上用いるが、これらは発明の理解を容易にするためであり、それらの用語によって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されるべきではない。

図１は、本発明の実施の形態に係る超電導コイル装置Ｃの構成を示した部分斜視図であり、図２（ａ）は、本発明の実施の形態に係る超電導コイルＣの平面図であり、図２（ｂ）は、超電導コイルＣの他の形態を示す平面図である。

１．超電導コイルの構成
図１及び図２（ａ）に示すように、本実施の形態の超電導コイル装置Ｃは、電磁的に結合されたステータとロータを含む超電導回転機に組み込まれるものである。この超電導コイルＣは、巻き芯１と、コイル部２と、電極３とを含み、レーストラック（長円状）に形成されたコイルである。

巻き芯１は、中心軸１００の周りに連続した長円状の中実の部材（例えば、銅製）からなる。そして、巻き芯１の直線部１ａの長手方向を超電導コイルＣの長軸とし、直線部１ａが対向する方向を該超電導コイル装置Ｃの短軸としている。なお、巻き芯１の形状は、本実施の形態のように、中実の長円状のほか、長円環状、中実の正円状及び円環状であってもよい。

コイル部２は、上層コイル及び下層コイル（図示せず）のそれぞれが、巻き芯１０の長円外周面に、中心軸１００方向に位置を異ならせてそれぞれ逆方向に帯状の超電導線材（以下、帯状の線材と記す。）が巻回され、上層コイル及び下層コイルの最内周端を互いに電気的に接続したダブルパンケーキ構造となっている。

このため、上記帯状の線材２０の両端末２１ａ、２１ｂは、上層コイル及び下層コイル（図示せず）の最外周ターン側に形成される。そして、レーストラックの直線部２ａの同一端側から、上層コイル及び下層コイルの最外周ターンの帯状の線材２０の端末２１ａ、２１ｂを外方（電極３側）に引き出し、後述する電極３を構成する端子３ａ、３ｂにそれぞれ接続されている。

帯状の線材２０は、ビスマス系やレアアース系の素材が用いられる。なお、帯状の線材２０が絶縁材料により被覆されている場合は、帯状の線材２０のみを巻き芯１に巻回し、帯状の線材２０が絶縁材料により被覆されていない場合は、帯状の線材２０に樹脂テープ等を重ね合わせて帯状の線材２０とともに巻き芯１に巻回し、隣接する帯状の線材２０同士を樹脂テープにより絶縁する。

そして、超電導コイル装置Ｃは、帯状の線材２０の端末部分を除く巻き芯１、コイル部２及び下部板４を、例えば、エポキシ樹脂等の樹脂材料で含浸して硬化させた状態で安定した形状をとる。

電極３は、一対の帯状の端子３ａ、３ｂからなり、各端子３ａ、３ｂは、断面形状が縦型矩形状の、例えば、銅等の金属製の部材で形成されている。そして、各端子３ａ、３ｂの基端側（帯状の線材２０の端末２１ａ、２１ｂと接続される側）は、レーストラックの円弧部２ｂの形状に沿って曲げ加工が施されている。

２．帯状の線材と電極との接続構造
次に、本実施の形態の超電導コイル装置Ｃの特徴的な構成である、電極３を構成する一対の帯状の端子３ａ、３ｂと帯状の線材２０の端末２１ａ、２１ｂとの接続構造について説明する。帯状の線材２０の端末２１ａ、２１ｂと電極３の各端子３ａ、３ｂとは、はんだ付けすることにより電気的及び機械的に接続される。

図１に示すように、上層コイル及び下層コイルの最外周ターンにおける帯状の線材２０の端末２１ａ（２１ｂ）は、レーストラックの直線部２ａの同一端側に逆方向から引き出されている。そして、電極３と接続する際は、端子３ａ（３ｂ）の板幅方向を中心軸１００に向けた状態で、帯状の線材２０の端末２１ａ（２１ｂ）の長辺側の側面２２（長辺側の外側側面）に端子３ａ（３ｂ）の長辺側の内側側面３１を重ね合わせた後、これらをはんだ付けにより電気的及び機械的に接続する。

その後、電気的及び機械的に接続された帯状の端子３ａ（３ｂ）及び帯状の線材２０の端末２１ａ（２１ｂ）を、エポキシ樹脂等の樹脂材料によってレーストラックの円弧部２ｂに固着させ、端子３ａと端子３ｂとの間に絶縁部材５を介在させることにより電極３全体が形成されることとなる。

このように、本実施の形態の超電導コイル装置Ｃは、レーストラックの直線部２ａの同一端側から引き出された帯状の線材２０の端末２１ａ（２１ｂ）と、電極３とを接続する際、端子３ａ（３ｂ）の板幅方向を中心軸１００に向けた状態で、帯状の線材２０の端末２１ａ（２１ｂ）の長辺側の側面２２（長辺側の外側側面）に端子３ａ（３ｂ）の長辺側の内側側面３１を重ね合わせて接続するので、帯状の線材２０を捻じ曲げる等、過大な応力を与えることなく、また、帯状の線材２０と端子３ａ（３ｂ）との間に新たな接続部材を介して電極３と帯状の線材２０とを接続する必要がなくなる。その結果、超電導コイルＣ（レーストラック）の厚み方向の寸法が大きくならず、コイル間の接続や外部からの電流リード線の接続スペースに余裕が生まれる。

また、上述のように、電極３と帯状の線材２０の端末２１ａ（２１ｂ）との接続に際して帯状の線材２０に過大な応力を与えて接続する必要がなくなるので、電極３と帯状の線材２０の端末２１ａ（２１ｂ）との接続が容易になるとともに、超電導コイル装置Ｃの超電導特性が劣化しない。また、抵抗値を低減させるために電流リード線を太くすることや、絶縁のための帯状の線材２０の巻き処理設計も容易となる。

しかも、従来の超電導コイル装置のように、超電導コイルを固定するための上部板と下部板にそれぞれ固着しない構造であるので、メンテナンス性の優れた電極３の接続構造を有する超電導コイル装置Ｃを提供することができる。

本実施の形態では、電気的及び機械的に接続された端子３ａ（３ｂ）及び帯状の線材２０の端末２１ａ（２１ｂ）を、エポキシ樹脂等の樹脂材料によってレーストラックの円弧部２ｂに固着させた構成を例に挙げて説明したが、これに限らず、図２（ｂ）に示すように、電極３の各端子３ａ、３ｂの後端部をレーストラックの直線部２ａまで延在させ、不導体の材質からなる帯状の固定枠１１０を半円状に曲げ加工し、これをエポキシ樹脂等の樹脂材料によってレーストラックの円弧部２ｂに固着させる。

そして、固定枠１１０の各先端部１１０ａ、１１０ｂと、電極３の各端子３ａ、３ｂの後端部との接続については、固定枠１１０の各先端部１１０ａ、１１０ｂと各端子３ａ、３ｂとの接続端部の形状を例えば、段差状に形成し、これらを互いに係合させた後、エポキシ樹脂等の樹脂材料によって接続させてもよい。また、例えば、固定枠１１０の各先端部１１０ａ、１１０ｂ及び電極３の各端子３ａ、３ｂの後端部を、斜辺同士が互いに重なり合うよう斜めにカットした形状とし、これらをネジ等の固定部材で固定させてもよく、種々の変更が可能である。

これによると、上述の実施の形態で説明した超電導コイル装置Ｃと比較して、電極３におけるレーストラックの円弧部２０ｂへの接続強度が高まるため、メンテナンスの際、コイル部２を破損させてしまうという緊張感を伴うことなく容易に伝導板（上部板及び下部板）を取り付け、取り外しを行うことができる。

また、本実施の形態では、長円状の超電導コイル装置Ｃを例に挙げて説明したが、本実施の形態に限定するものではなく、本発明は、長円環状、円板状及び円環状の超電導コイルに適用可能であることはいうまでもない。

今回、開示した実施の形態は例示であってこれに制限されるものではない。本発明は、上記で説明した範囲ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲での全ての変更が含まれることが意図される。

１ 巻き芯
２ コイル部
２ａ 直線部
２ｂ 円弧部
３ 電極
４ 下部板
５ 絶縁部材
２０ 帯状の線材
２１ａ，２１ｂ 帯状の線材２０の端末
３０ａ，３０ｂ 端子
３１ 端子３ａ，３ｂの長辺側の内側側面
Ｃ 超電導コイル装置

Claims (3)

1. 軸の周りに連続した円状の外周面を有する巻き芯と、
   前記巻き芯の外周面に、前記軸方向に位置を異ならせて逆方向に巻回された第１の帯状コイルと第２の帯状のコイルとを有するとともに、該第１の帯状コイルと第２の帯状のコイルの最内終端が互いに電気的に接続されているコイル部と、
   前記第１の帯状コイルと第２の帯状のコイルの最外周端にそれぞれ電気的に接続された第１の電極と第２の電極とを有する電極部とを備えたダブルパンケーキ構造の超電導コイル装置において、
   前記コイル部の外周近傍に配置された絶縁部材と、
   前記絶縁部材を挟んで配置された第１の帯状電極板と第２の帯状電極板とを有し、
   前記第１の帯状電極板と第２の帯状電極板は、各帯状電極板の板幅方向を前記軸方向に向けた状態で前記コイル部の外周に沿って延設され、
   前記第１の帯状コイルと第２の帯状のコイルの最外周端に重ね合わされて電気的に接続されている、ことを特徴とする超電導コイル装置。
2. 前記各電極板の板幅と略等しい幅を有する不導体の部材からなる固定枠を前記コイル部の外周に沿って固着させ、
   該固定枠の両端と前記各帯状電極板における前記各帯状コイルとの接続端とを接続した、ことを特徴とする請求項１に記載の超電導コイル装置。
3. 電磁的に結合されたステータとロータを含む超電導回転機において、前記請求項１または請求項２に記載の超電導コイル装置が具備されている、ことを特徴とする超電導回転機。

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