JP6435132B2 - 超電導回転機 - Google Patents

Description

本発明は、超電導を利用すると共に回転軸を有する超電導回転機に関し、例えば、超電導モータや超電導発電機に関する。

従来、超電導回転機としては、公開実用昭和５７−１４９６９０号（特許文献１）に記載されているものがある。この超電導回転機は、トルクチューブと、駆動側シャフトと、反駆動側シャフトと、筒状の常温ダンパと、筒状のスライドリングと、超電導コイルとを有し、上記トルクチューブの一部は、ヘリウム充填容器を画定している。また、上記超電導コイルは、常温ダンパの内部かつトルクチューブのヘリウム充填容器画定部の外周面に保持されている。

上記駆動側シャフトは、ヘリウム充填容器画定部の軸方向の一端側に位置する一方、反駆動側シャフトは、ヘリウム充填容器画定部の軸方向の他端部側に位置する。上記駆動側シャフトと、上記反駆動側シャフトとを、常温ダンパを介して機械的に結合している。

また、上記トルクチューブを、反駆動側シャフトに固定すると共に、スポークを介してスライドリングに結合している。上記スポークは、スライドリングを支持している。上記駆動側シャフトの超電導コイル側の端部には、筒状部が存在し、その筒状部の内周面には、筒状の支持環が内嵌されている。上記スライドリングの外周面は、支持環の内周面に軸方向に摺動可能に内嵌されている。

上記スポークは、金属の中では熱伝導率が低いチタンまたはチタン合金からなる一方、支持環の材料は、熱伝導率が低くて潤滑性に優れるグラファイト入りテフロン（登録商標）からなっている。このことから、支持環とスライドリングとの摺動面は、グラファイト入りテフロン（登録商標）で構成されている。この超電導回転機は、支持環に対してスライドリングを摺動可能とすることにより、軸方向の熱歪みを、その両者の間のすべりで吸収できるようにしている。

公開実用昭和５７−１４９６９０号公報（第２図）

本発明者は、上記従来の超電導回転機に関し、次の課題があることを見出した。すなわち、作業船（オフショア船）や液化天然ガス（ＬＮＧ）輸送船などの推進システム等では、３ＭＷ級超電導モータ等の大型な超電導回転機を好適に使用できる。ここで、このような超電導回転機では、超電導回転機が大型であるにも拘わらず、超電導コイルを極低温に保つことが必須になる。したがって、摺動部を支持する部材は、入熱経路の大部分を占めるため、チタンやチタン合金で構成したのでは、入熱量が多く、断熱性が不十分であることを見出した。

また、これに加えて、超電導回転機が巨大であるため、摺動部が吸収する熱収縮やロータコア（超電導コイルを保持して、回転力が生まれる部分）の自重が過大となる。したがって、摺動部を、グラファイト入りテフロン（登録商標）で構成したのでは、耐摩耗性が不十分であることを見出した。

そこで、本発明の課題は、摺動部を有して熱収縮を吸収できるにも拘わらず、断熱性を向上でき、かつ、摺動部の耐摩耗性も向上できる超電導回転機を提供することにある。

上記課題を解決するため、この発明の超電導回転機は、
軸方向の一方側に環状の摺動面を有する回転軸と、
上記回転軸の軸方向の他方側に固定されたトルク伝達部と、
上記摺動面に上記軸方向に摺動可能な環状の被摺動面を有して、上記回転軸に対して上記軸方向に相対移動可能な状態で上記回転軸を支持する回転軸支持部と、
上記回転軸に保持されると共に、上記回転軸の軸方向の一端側または他端側から供給された冷媒によって冷却される超電導コイルと
を備え、
上記摺動面および上記被摺動面のうちの少なくとも一方は、繊維強化プラスチックからなる入熱抑制部の一部を覆うように位置する硬質被膜の表面に存在し、
上記硬質被膜は、上記入熱抑制部よりも硬いことを特徴としている。

尚、上記「軸方向の一方側に環状の摺動面を有する」とは、摺動面が、回転軸の軸方向の中心位置に対して軸方向の一方側の領域に存在するということを意味する。また、上記「回転軸の軸方向の他方側に固定された」とは、トルク伝達部が、回転軸において回転軸の軸方向の中心位置に対して軸方向の他方側に位置する部分に固定されることを意味する。

また、「回転軸の軸方向の他方側に固定された」という文言は、トルク伝達部が、回転軸に直接的に固定される場合も含み、また、トルク伝達部が、回転軸に部材を介して間接的に固定される場合も含む。

また、硬質被膜は、入熱抑制部に直に接触しても良く、または、入熱抑制部と、硬質被膜との間に硬質被膜でない下地膜が存在しても良い。

また、繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）には、ガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＲＰ）が含まれるが、繊維強化プラスチックには、ガラス繊維強化プラスチック以外の繊維強化プラスチックも含まれるのは、勿論である。

本発明によれば、摺動面および上記被摺動面のうちの少なくとも一方が存在する硬質被膜が、繊維強化プラスチックからなる入熱抑制部を覆うように位置するから、摺動構造の入熱経路の大きな部分を繊維強化プラスチックで構成できる。したがって、従来の支持要素が金属（例えば、ニッケル合金）である場合と比較して、熱伝導率を、１／２０倍程度まで急激に低くできる。したがって、超電導回転機が巨大である場合にも、超電導コイルを外部に対して確実に断熱できて、超電導コイル周辺を確実に極低温に維持できる。

また、本発明によれば、摺動面および被摺動面のうちの少なくとも一方が、繊維強化プラスチックよりも硬度が高い硬質被膜に存在するから、より大きな熱収縮や、ロータコア自重に基づいてより過大な摩擦力が生じる状態で、摺動面が被摺動面に対して摺動したとしても、摺動面および被摺動面のうちの少なくとも一方が摩耗しにくくなる。

繊維強化プラスチック（以下、ＦＲＰという）は、優れた断熱性を有する一方、本発明者のＦＲＰとＦＲＰでの摩耗試験では、樹脂部分が摩耗し、繊維の露出が観察された。本発明では、入熱抑制部としてＦＲＰを採用している一方、入熱抑制部の一部を覆う摺動面および被摺動面のうちの少なくとも一方が硬質被膜で構成されて、ＦＲＰとＦＲＰが摺動することがないから、従来と比較して、摺動構造の入熱量を急激に少なくできて、断熱性能を急激に向上できるにも拘わらず、摺動部の耐摩耗性も優れたものにできるのである。

また、一実施形態では、
上記硬質被膜の上記軸方向の少なくとも片側の端面は、上記入熱抑制部の表面と滑らかに繋がっている。

尚、この実施形態では、硬質被膜の端面と、入熱抑制部の表面とは、直接つながっても良いし、または、硬質被膜と入熱抑制部の表面との間に配置された下地膜を介して間接的につながっても良い。

また、上記「滑らかに繋がっている」という文言は、硬質被膜の端面の入熱抑制部側の端部（この端部を含む）から、入熱抑制部の硬質被膜側の端部（この端部を含む）までの領域に角部が存在せずに、硬質被膜の端面の入熱抑制部側の端部から、入熱抑制部の硬質被膜側の端部までが連続的につながっているときに満たされるものとする。

本発明者は、次の研究による知見を得た。例えば、硬質皮膜が溶射により形成される場合、ＦＲＰは、その耐熱性から温度を上げられないから、常温のＦＲＰに溶けた金属を衝突させて、形成することになる。そうすると、溶けた金属が付着してかたまるときに収縮し、硬質被膜がめくれる方向に力がかかる。このように残留応力が発生する硬質皮膜では、硬質被膜の端部に、角部があって滑らかでない部分があると、応力集中により硬質被膜が剥離し易くなる。

上記実施形態によれば、硬質被膜の軸方向の少なくとも片側の端面が、入熱抑制部の表面と滑らかに繋がっているから、硬質被膜が収縮する際のめくれる方向の力を緩和できる。したがって、硬質被膜の端部が剥離することを抑制できる。

仮に、硬質被膜の端面の入熱抑制部側の端部から、入熱抑制部の硬質被膜側の端部までの領域に角部が存在すると、応力集中が起こり、その角部周辺で剥離が起こり易くなる。

また、一実施形態では、
上記入熱抑制部の表面は、凹部を有し、
上記硬質被膜の上記片側の端面は、上記凹部の上記軸方向の側面と滑らかに繋がっている。

本発明者は、硬質被膜と入熱抑制部との接続領域に関し、硬質被膜と入熱抑制部との境界に対する硬質被膜側と、その境界に対する入熱抑制部側とを、より直線に近い状態で滑らかに接続すれば、接続領域において方向が大きく変化する接続との比較において、接続領域に応力が作用しにくくて、剥離が起こりにくいことを見出した。

上記凹部の側面は、その凹部の上端につながる表面部の延在方向に対して傾斜する。したがって、この実施形態によれば、硬質被膜の端面が、凹部の軸方向の側面に接続しているから、その硬質被膜の端面と、入熱抑制部の表面とをより直線に近い状態で接続することができる。したがって、剥離が起こる可能性を更に抑制できる。

また、一実施形態では、
上記硬質被膜は、溶射により形成されている。

上記実施形態によれば、硬質被膜が溶射により形成されているから、硬質被膜の膜厚や、硬質被膜の形成領域の寸法をより精密に管理することができる。したがって、硬質被膜での耐摩耗性と断熱性とをより優れたものにできる。

また、一実施形態では、
上記回転軸が、周面を有する本体部と、上記本体部から突出する突出部とを有して、上記摺動面が、上記突出部に存在し、
さらに、上記回転軸の軸方向の一端側に位置する一方、上記被摺動面を有する支持部を有して、上記回転軸に対して相対移動可能な状態で上記回転軸と同期回転する一端側軸を備え、
上記超電導コイルは、上記回転軸の上記周面に保持され、
上記摺動面および上記被摺動面の夫々は、上記硬質被膜の表面に存在し、
上記摺動面が存在する上記硬質被膜が一部を覆っている上記入熱抑制部は、ガラス繊維強化プラスチックからなり、
上記被摺動面が存在する上記硬質被膜が一部を覆っている上記入熱抑制部も、ガラス繊維強化プラスチックからなる。

尚、上記一端側軸は、回転軸の一端部に径方向に重なっている部分を有しても良く、または、回転軸に径方向に重ならなくて、回転軸に軸方向に間隔をおいて位置しても良い。要は、上記「上記回転軸の軸方向の一端側に位置する」という文言は、一端側軸が、回転軸の軸方向の中心位置よりも一端側に位置する部分を有していれば満たされるものとする。

上記実施形態によれば、摺動構造の入熱経路の大部分を占める入熱抑制部が、入熱抑制効果が高いガラス繊維強化プラスチックであるから、熱伝導率を、さらに低くできる。したがって、超電導回転機が巨大である場合にも、超電導コイルを外部に対して更に確実に断熱できて、超電導コイル周辺を更に確実に極低温に維持できる。

また、上記実施形態によれば、突出部の摺動面および支持部の被摺動面の夫々が、ガラス繊維強化プラスチックよりも硬度が高い硬質被膜に含まれるから、より大きな熱収縮や、ロータコア自重に基づいてより過大な摩擦力が生じる状態で、突出部が支持部に対して摺動したとしても、突出部および支持部が摩耗しにくくなる。

上記実施形態では、入熱抑制部としてガラス繊維強化プラスチック（以下、ＧＦＲＰという）を採用している一方、摺動面が硬質被膜で構成されて、ＧＦＲＰが摺動することがない。したがって、従来と比較して、摺動構造の入熱量を急激に少なくできて、断熱性能を急激に向上でき、かつ、摺動部の耐摩耗性も優れたものにできる。

本発明によれば、摺動部を有して熱収縮を吸収できると共に、断熱性を向上でき、かつ、摺動部の耐摩耗性も向上できる超電導回転機を実現できる。

本発明の超電導回転機の一実施形態である超電導モータの構成の概要を説明する模式図である。 図１にＡで示す領域の構造の模式拡大断面図である。 硬質被膜の軸方向の一方側の端部の周辺を、基材の表面の法線方向と軸方向とを含む切断面で切断したときの模式断面図である。 硬質被膜と、入熱抑制部との滑らかな接続の一例を示す模式断面図である。 硬質被膜と、入熱抑制部との滑らかな接続の他の例を示す模式断面図である。 境界で接線を引いた時の境界と接線との角度の関係を表す模式図である。 硬質被膜の大越式摩耗試験の一試験結果を示す図である。 フレッチング摩耗の摩耗深さを調査した一試験結果を表す図である。 図１の簡略図である。 変形例の図９に対応する簡略図である。 他の変形例の図９に対応する簡略図である。 更なる変形例の図９に対応する簡略図である。

以下、本発明を図示の形態により詳細に説明する。

図１は、本発明の超電導回転機の一実施形態である超電導モータの構成の概要を説明する模式図である。尚、図１は、模式図であり、実際の形状等は、単純化され、簡略化されている。

図１に示すように、この超電導モータは、回転軸１と、一端側軸としての供給軸２と、トルク伝達部としての出力軸３と、常温ダンパ４と、トルクチューブ６と、超電導コイル７と、通常コイル８とを備える。

上記回転軸１は、本体部１１と、環状かつ一体の突出部１２とを有する。上記本体部１１は、筒形状であり、円筒状の内部スペースを有する。一方、上記突出部１２は、円板状の固定部１３と、筒状部１４とを有する。上記固定部１３は、本体部１１の軸方向の一方側の端面にボルト等の締結部材で固定されている。また、上記筒状部１４は、固定部１３から軸方向の一方側に突出している。

上記供給軸２は、回転軸１の軸方向の一端側に位置している。上記供給軸２は、液体ヘリウムや低温ヘリウム等の冷媒を回転軸１の軸方向の一端側から回転軸１側の方に供給している。詳しくは、上記回転軸１および供給軸２の夫々は、中心軸に沿って延在する円筒状のスペースを有している。また、この超電導モータは、冷媒通路１８を有し、その冷媒通路１８は、上記円筒状のスペース内に回転軸１および供給軸２に亘って存在している。冷媒を、冷媒通路１８を流動させて、供給軸２側から回転軸１側に送ることにより、回転軸１を冷却するようになっている。

図１に示すように、上記供給軸２は、本体部２１と、環状かつ一体の支持部２２とを有し、上記支持部２２は、円板状の固定部２３と、環状の筒状部２４とを有する。上記支持部２２は、回転軸支持部を構成している。上記固定部２３は、本体部２１の軸方向の他方側の端面にボルト等の締結部材で固定されている。また、上記筒状部２４は、固定部２３から軸方向の他方側に延在している。図１に示すように、上記支持部２２の筒状部２４の外周面は、回転軸１の突出部１２の筒状部１４の内周面に内嵌されている。上記支持部２２の筒状部２４の外周面は、突出部１２の筒状部１４の内周面に対して軸方向に摺動可能となっている。

上記出力軸３は、回転軸１の軸方向の他端側に位置している。上記常温ダンパ４は、筒状の部材である。上記常温ダンパ４は、供給軸２と、出力軸３とを接続している。上記常温ダンパ４の軸方向の一端部は、供給軸２の軸方向の他端部にボルト等の締結部材（図示せず）により固定される一方、常温ダンパ４の軸方向の他端部は、出力軸３の軸方向の一端部にボルト等の締結部材（図示せず）により固定されている。このことから、上記供給軸２、出力軸３および常温ダンパ４とは、一体となって回転するようになっている。

上記トルクチューブ６は、環状の構造を有している。図１に示すように、上記トルクチューブ６は、軸方向の半断面において、断面略コ字状の構造を有している。詳しくは、上記トルクチューブ６は、第１円板部６１と、筒状部６２と、第２円板部６３とを有し、筒状部６２は、第１円板部６１と、第２円板部６３とを接続している。また、上記第１円板部６１は、出力軸３の軸方向の一方側の端面にボルト等の締結部材により固定される一方、第２円板部６３は、回転軸１の軸方向の他方側の端面にボルト等の締結部材により固定されている。このことから、上記回転軸１と、出力軸３とは、一体となって回転するようになっている。

上記超電導コイル７は、回転軸１の周面に保持され、回転軸１の内部に送られる冷媒によって冷却されるようになっている。上記超電導コイル７は、超電導モータの運転時において、冷媒通路を通過する冷媒により３０Ｋ程度まで冷却されるようになっている。

上述のように、この超電導コイルでは、回転軸１と、出力軸３とが、トルクチューブ６を介して一体回転するようになっており、供給軸２と、出力軸３も、常温ダンパ４を介して一体回転するようになっている。一方、上記支持部２２の筒状部２４の外周面は、突出部１２の筒状部１４の内周面に対して軸方向に摺動可能となっており、供給軸２に対し回転軸１が軸方向に摺動可能となっている。したがって、上記出力軸３が、回転軸１に対して静止した状態で回転軸１と一体回転する一方、供給軸２が、回転軸１に対して相対移動可能な状態で回転軸１と同期回転する構造を実現している。このようにして、回転軸１の軸方向の収縮量が大きい超電導モータであっても、熱収縮と、回転軸１の自重に起因する応力とを吸収できるようにして、回転軸１と、供給軸２との間の耐強度性を低くしても、破損等が生じない構造を実現している。

図１に示すように、上記通常コイル８は、常温ダンパ４の外側に位置している。上記通常コイル８は、超電導コイル７に径方向（回転軸１の径方向のこと）に対向するように配置されている。尚、詳述しないが、図１において、参照番号１９は、作業船（オフショア船）や液化天然ガス（ＬＮＧ）輸送船等の大型船の推進翼を示している。

図２は、図１にＡで示す領域の構造の模式拡大断面図である。

図２を参照して、上記回転軸１の突出部１２は、入熱抑制部を構成する基材５０と、硬質被膜５１とを有する。上記基材５０は、ＦＲＰの一例としてのＧＦＲＰからなっている一方、硬質被膜５１は、クロムカーバイド系（Ｃｒ_３Ｃ_２系）の材質からなっている。上記硬質被膜５１は、基材５０の内周面にプラズマ溶射により形成されている。上記硬質被膜５１は、支持部２２上を摺動する突出部１２の摺動面の全てを含んでいる。上記硬質被膜５１の膜厚は、５０［μｍ］以上３００［μｍ］以下となっている。上記硬質被膜５１の膜厚は、１００［μｍ］以上２００［μｍ］以下であると好ましく、硬質被膜５６の膜厚として、１００［μｍ］や１５０［μｍ］や２００［μｍ］を好適に採用できる。

一方、上記供給軸２の支持部２２も、入熱抑制部を構成する基材５５と、硬質被膜５６とを有する。上記基材５５は、ＦＲＰの一例としてのＧＦＲＰからなっている一方、硬質被膜５６は、クロムカーバイド系（Ｃｒ_３Ｃ_２系）の材質からなっている。上記硬質被膜５６は、基材５０の外周面にプラズマ溶射により形成されている。上記硬質被膜５６は、突出部１２上を摺動する支持部２２の被摺動面の全てを含んでいる。上記硬質被膜５６の膜厚は、５０［μｍ］以上３００［μｍ］以下となっている。上記硬質被膜５６の膜厚は、１００［μｍ］以上２００［μｍ］以下であると好ましく、硬質被膜５６の膜厚として、１００［μｍ］や１５０［μｍ］や２００［μｍ］を好適に採用できる。

尚、図２において、太い線で表している部分が、硬質被膜５１,５６が存在する領域である。また、硬質被膜の膜厚が、５０［μｍ］より薄い場合、基材の表面の凹凸の影響が硬質被膜に及び、所望の硬質被膜が形成できなくなるおそれが高くなる。一方、硬質被膜の膜厚が、３００［μｍ］より厚い場合、以下に説明する収縮の効果が大きくなり、硬質被膜が剥離するおそれが大きくなる。

上記突出部１２の硬質被膜５１のビッカース硬さ［ＨＶ］から支持部２２の硬質被膜５６のビッカース硬さを引いたものの絶対値（硬度差）は、２０［ＨＶ］以上１５０［ＨＶ］以下となっている。このようにして、互いに摺動する二つの硬質被膜５１,５６の間に硬度差を設けることによって、硬質被膜５１,５６同士の固着や、硬質被膜５１,５６の焼付きを抑制するようになっている。尚、硬度差は、８０［ＨＶ］以上１２０［ＨＶ］以下であるとより好ましい。

本実施形態では、硬質被膜５１,５６は、ＧＦＲＰ製の基材５０,５５における摺動領域の全てを含む一部領域のみに形成される。したがって、硬質被膜５１,５６に軸方向の端部が発生することになる。ここで、本発明者は、次の研究による知見を得た。すなわち、ＧＦＲＰを含むＦＲＰは、その耐熱性から温度を上げられないから、例えば、硬質被膜は、常温のＦＲＰに溶けた金属を衝突させて、形成することになる。そうすると、溶けた金属が付着してかたまるときに収縮をし、硬質被膜がめくれる方向に力がかかる。したがって、硬質被膜の軸方向の端部に、角部があって滑らかでない部分があると、硬質被膜が剥離し易くなることを見出した。

図３は、回転軸１の突出部１２の硬質被膜５１の軸方向の一方側の端部で採用されている構造を示す模式図であり、硬質被膜５１の軸方向の一方側の端部の周辺を、基材５０の表面の法線方向と軸方向とを含む切断面で切断したときの模式断面図である。

尚、この実施形態では、二つの硬質被膜５１,５６の四つの端部、すなわち、回転軸１の突出部１２の二つの端部および供給軸２の支持部２２の二つの端部の全てでその端部構造が採用されている。他の三つの端部の端部構造は、突出部１２の硬質被膜５１の一方の端部の端部構造の説明を持って説明を省略する。

図３に示すように、硬質被膜５１の端部の軸方向の端面４１は、基材５０の表面４２と滑らかに繋がっている。詳しくは、図３に示すように、基材５０の表面の法線方向と軸方向とを含む切断面での断面で、基材５０と、硬質被膜５１とは、その境界で滑らかに連続的に繋がっている。

また、図３に示すように、基材５０の表面は、凹部４６を有している。そして、硬質被膜５１の端部の軸方向の端面４１は、その凹部４６の側面（この側面は、表面４２と一致する。以下、この側面にも参照番号４２を付す）と滑らかに連続的に繋がっている。

また、上記端面４１は、斜面となっている。詳しくは、上記硬質被膜５１の端面４１は、基材５０に近づくにつれて、図３に矢印Ａで示す軸方向の一方側に移動するように延在している。また、凹部４６の側面４２も斜面となっている。斜面である側面４２は、斜面である端面４１の延在方向に略一致する延在方向に延在している。言い換えれば、上記側面４２および端面４１は、略同じ斜面上に位置している。

尚、上述の滑らかに連続的に繋がるとは、角部がなくて、例えば、平面や曲面で繋がることをいい、望ましくは、境界で接線を引いた時に、境界と接線の角度が硬質被膜側では、鋭角である一方、入熱抑制部側では、鈍角となる接続関係をいう。

詳しくは、滑らかに連続的に繋がるとは、図４、すなわち、硬質被膜８０と、入熱抑制部８１との滑らかな接続の一例を示す模式断面図に示すように、硬質被膜８０と、入熱抑制部８１とが、接続領域（境界領域）８３で、平面でつながっている場合に満たされる。

また、滑らかに連続的に繋がるとは、図５、すなわち、硬質被膜８５と、入熱抑制部８６との滑らかな接続の他の例を示す模式断面図に示すように、硬質被膜８５と、入熱抑制部８６とが、接続領域（境界領域）８８で、曲面でつながっている場合にも満たされる。

また、上記接続関係は、図６、すなわち、境界９２で接線９３を引いた時の境界９２と接線９３との角度の関係を表す模式図に示すように、境界９２で接線９３を引いた時に、境界９２と接線９３の角度が硬質被覆９０側では、鋭角θである一方、入熱抑制部９１側では、鈍角ψとなることが好ましい。尚、図４に参照番号８２,８４で示し、図５に参照番号８７,８９で示すように、硬質被膜８０,８５の軸方向の端部における延在方向の変動部や、入熱抑制部８１,８６の硬質被膜８０,８５側の端部における延在方向の変動部に角部がなくて、それらの変動部がＲを付けられた曲面で構成されると好ましい。

上記構成において、この超電導モータは、超電導コイル７と、通常コイル８とを流れる電流を適宜調整して、超電導コイル７と、通常コイル８とで、適宜適切な磁場を生成するようになっている。そして、超電導コイル７に磁力に基づく周方向の力を付与して、超電導コイル７が固定された回転軸１を回動させて、この回転軸の回転動力を、出力軸３に伝達するようになっている。

本発明者は、ＧＦＲＰ製の基材の表面に、様々な硬質被膜を形成してなる複数の材料に対して、所謂大越式摩耗試験を行った。

図７は、その一試験結果を表す図である。尚、図７においては、各硬質被膜の摩耗量を、Ｃｒ_３Ｃ_２系の硬質被膜の摩耗量を１としたときの相対比で表している。

図７に示すように、一試験例では、ＧＦＲＰ製の基材の表面に、Ｃｒ_３Ｃ_２系の硬質被膜を形成した材料が、最も摩耗しにくくて、最も耐摩耗性に優れている。また、一試験例によれば、ＷＣ（タングステンカーバイド）系の硬質被膜や、ＷＢ系の硬質被膜を形成した材料も、良好な耐摩耗性を有している。また、ステライト系の硬質被膜を形成した材料や、Ａｌ_２Ｏ_３系の硬質被膜を形成した材料は、一試験例では、耐摩耗性が、Ｃｒ_３Ｃ_２系の硬質被膜や、ＷＣ系の硬質被膜には、及ばない。しかし、ステライト系の硬質被膜を形成した材料や、Ａｌ_２Ｏ_３系の硬質被膜を形成した材料は、硬質被膜を形成しなくて、ＧＦＲＰ製の基材が摺動面や被摺動面を構成する場合と比較すると、格段に優れる耐摩耗性を獲得できる。

ＧＦＲＰは、常温での熱伝導率が、０．５〜０．７［Ｗ／ｍ・Ｋ］であり、３００［Ｋ］から３０［Ｋ］での単位長さ当たりの入熱量は大幅に低く、極めて優れる断熱性を有する一方、ＧＦＲＰを、スライド機構で使用した場合、ＧＦＲＰどうしの摺動における摩耗が懸念される。詳しくは、本発明者は、３ＭＷ級超電導モータ等、大型の超電導モータでは、数ｍｍ程度の大きな収縮は、メンテナンス間隔から年１回程度しか起こらないが、通常の運転時には、ロータコアが自重によるたわみ変形をした状態で回転するため、摺動部ではモータの回転に合わせて微少な摺動（０.１ｍｍ程度）が常時起こることを見出した。そして、ＧＦＲＰで摺動面や被摺動面を構成した場合、フレッチング摩耗が発生することを見出した。本実施形態の超電導モータの摺動機構では、基材５０,５５の表面に硬質被膜５１,５６を形成している。したがって、摺動機構の基材がＧＦＲＰ製で、優れた断熱性を有しているにも拘わらず、フレッチング摩耗量が大幅に低減され、耐摩耗性においても優れた構造を実現できるのである。

尚、文献等には、ＨＶＯＦ（High Velocity Oxygen Fuel）溶射を使用できる金属への溶射においては、ＷＣ系の材料の方が、Ｃｒ_３Ｃ_２系の材料よりも硬くて、耐摩耗性に優れることが記載されている。しかしながら、本発明者は、幅広い試験によって、一層目の溶射がプラズマ溶射しか対応できないＦＲＰへの溶射においては、Ｃｒ_３Ｃ_２系の材料の方が、ＷＣ系の材料よりも硬くて、耐摩耗性に優れることを見出し、更に、ＦＲＰとの相性も良くて、施工も容易であることを発見した。したがって、ＦＲＰへの溶射においては、一般的に認知されている結果とは逆の結果となり、Ｃｒ_３Ｃ_２系の材料の硬質被膜を作成すれば、特に顕著な作用効果を奏することができる。

図８は、フレッチング摩耗の摩耗深さを調査した一試験結果を表す図である。尚、この試験は、ＧＦＲＰにＣｒ_３Ｃ_２系の硬質被膜を形成した材質で行った。また、この試験は、摺動量が０.１［ｍｍ］で、接触面圧が１００［ＭＰａ］で、サイクル数が３［Ｈｚ］を想定した条件で行った。また、図８において、縦軸は、摺動面の法線方向の摩耗深さを表し、横軸は、摺動面に沿った一方向での距離を表し、図の枠で囲った領域が摺動領域である。

図８に示すように、この摩耗試験では、摩耗深さが最大でも１３［μｍ］であった。また、この試験では、試験開始初期に摩耗が進行するが、それ以降摩耗が進行しないという結果を得た。

上記実施形態によれば、摺動構造の入熱経路の大部分を占める突出部１２および支持部２２の基材５０,５５の夫々が、ＧＦＲＰであるから、従来の支持要素が金属（例えば、ニッケル合金）である場合と比較して、熱伝導率を、１／２０倍程度まで急激に低くできる。したがって、超電導コイル７を外部に対して確実に断熱できて、超電導コイル７の周辺を確実に極低温に維持できる。

また、上記実施形態によれば、突出部１２の摺動面および支持部２２の被摺動面の夫々が、ガラス繊維強化プラスチックよりも硬度が高い硬質被膜５１,５６に含まれるから、より大きな熱収縮やロータコア自重に基づいてより過大な摩擦力が生じる状態で、突出部１２が支持部２２に対して摺動したとしても、突出部１２および支持部２２が摩耗しにくくなる。

ＧＦＲＰは、優れた断熱性を有する一方、本発明者のＧＦＲＰどうしの摩耗試験では、樹脂の塑性変形や繊維の露出が観察された。上記実施形態では、基材５０,５５としてＧＦＲＰを採用している一方、摺動面（被摺動面）が硬質被膜５１,５６で構成されて、ＧＦＲＰどうしが摺動することがないから、従来と比較して、摺動構造の入熱量を急激に少なくできて、断熱性能を急激に向上できるにも拘わらず、摺動部の耐摩耗性も優れたものにできるのである。

また、上記実施形態によれば、硬質被膜５１,５６の軸方向の各端面４１と、基材５０,５５の表面４２とが滑らかに連続的に繋がっているから、硬質被膜５１,５６が収縮する際のめくれる方向の力を緩和できる。したがって、硬質被膜５１,５６の端部が剥離することを抑制できる。

仮に、硬質被膜の端面と基材の表面との間に、滑らかでない角部が存在すると、その角部に大きな応力が作用して、その箇所で剥離が起こり易くなるのである。

また、上記実施形態によれば、硬質被膜５１,５６の端面４１が、基材５０,５５の凹部４６の軸方向の他方側の側面４２に接続しているから、硬質被膜５１,５６の端面４１と、基材５０,５５の表面４２とをより直線に近い状態で接続できる。したがって、剥離が起こる可能性を更に抑制できる。

また、上記実施形態によれば、硬質被膜５１,５６が溶射により形成されているから、硬質被膜５１,５６の膜厚や、硬質被膜５１,５６の形成領域の寸法をより精密に管理できる。したがって、硬質被膜５１,５６の耐摩耗性と断熱性をより優れたものにできる。仮に、硬質被膜を、めっき等、溶射以外で形成したとすると、厚膜形成や研削加工が難しくなるのである。

尚、上記実施形態では、摺動面（被摺動面）を有する硬質被膜５１,５６が、Ｃｒ_３Ｃ_２系の硬質被膜であったが、この発明では、摺動面（被摺動面）を有する硬質被膜は、ＷＣ系の硬質被膜であっても良く、Ｃｏ系の硬質被膜であっても良く、Ｃｕ系の硬質被膜であっても良い。また、この発明では、摺動面（被摺動面）を有する硬質被膜は、Ａｌ_２Ｏ_３系の硬質被膜であっても良く、ＷＢ系の硬質被膜であっても良く、ＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）からなる硬質被膜であっても良い。また、この発明では、摺動面（被摺動面）を有する硬質被膜を、Ｃｒ_３Ｃ_２系の硬質被膜、ＷＣ系の硬質被膜、Ｃｏ系の硬質被膜、Ｃｕ系の硬質被膜、Ａｌ_２Ｏ_３系の硬質被膜およびＷＢ系の硬質被膜のうちの二以上の硬質被膜を、積層して構成しても良い。尚、この発明では、硬質被膜は、その硬質被膜が一部を覆うＦＲＰよりも硬ければ如何なる材質の膜であっても良い。

また、上記実施形態では、基材５０,５５がＧＦＲＰからなっていたが、この発明では、各入熱抑制部は、ガラス長繊維強化プラスチック、炭素繊維強化プラスチック、ボロン繊維強化プラスチック、アラミド繊維強化プラスチック、ポリエチレン繊維強化プラスチック、ザイロン繊維強化プラスチック等からなっていても良く、それら以外の繊維強化プラスチックからなっていても良い。

また、上記実施形態では、互いに摺動する二つの硬質被膜５１,５６が、いずれもＣｒ_３Ｃ_２系の硬質被膜であった、この発明では、例えば、互いに摺動する二つの硬質被膜のうちの一方が、Ｃｒ_３Ｃ_２系の硬質被膜である一方、他方が、ＷＣ系の硬質被膜等、Ｃｒ_３Ｃ_２系の硬質被膜以外の硬質被膜であっても良い。この発明では、このように、互いに摺動する一方の硬質被膜と他方の硬質被膜とが、同じ系列の硬質被膜であっても良く、互いに異なる系列の硬質被膜であっても良い。尚、互いに摺動する二つの硬質被膜が、同じ系列の硬質被膜であっても、互いに異なる系列の硬質被膜であっても、如何なる場合でも、互いに摺動する二つの硬質被膜のうちの一方と、他方との間には、硬度差（例えば、２０［ＨＶ］以上１５０［ＨＶ］の硬度差）があった方が好ましい。というのは、互いに摺動する一方の硬質被膜と、他方の硬質被膜との間に硬度差がない場合、硬質被膜同士が固着するおそれがあるからである。

また、上記実施形態では、摺動面（被摺動面）を有する硬質被膜５１,５６が、基材５０,５５の表面上に形成され、硬質被膜５１,５６が、基材５０,５５に直接接触した。しかしながら、この発明では、摺動面（被摺動面）を有する硬質被膜は、基材の表面上に形成された下地膜（この下地膜は、硬質被膜でなくても良い）上に形成されても良く、硬質被膜は、基材の表面に接触する下地膜上に形成されても良い。ＧＦＲＰおよび硬質被膜の両方に相性が良い下地膜を形成すると、結果的にＧＦＲＰと硬質被膜とをより堅固に結合することができるのである。

また、上記実施形態では、トルクチューブ６が、回転軸１と別体で、かつ、出力軸３とも別体であったが、この発明では、トルクチューブは、回転軸と一体に構成されても良く、または、出力軸と一体に構成されても良い。

また、上記実施形態では、出力軸３が回転軸１にトルクチューブ６を介して間接的に固定されたが、この発明では、トルク伝達部は、回転軸に直接的に固定されても良い。

また、上記実施形態では、常温ダンパ４が、供給軸２と別体で、かつ、出力軸３とも別体であったが、この発明では、常温ダンパは、供給軸と一体に構成されても良く、出力軸と一体に構成されても良い。また、この発明では、供給軸、常温ダンパおよび出力軸で、一体の構造を構成しても良い。

また、上記実施形態では、回転軸１の突出部１２の内周面が、一体側軸としての供給軸２の支持部２２の外周面に摺動するようになっていたが、この発明では、回転軸の突出部の外周面が、一端側軸の支持部の内周面に摺動するようになっていても良い。

また、上記実施形態では、供給軸２は、中空であって、供給軸２の内部に冷媒を流動させる冷媒通路があったが、この発明では、回転軸に冷媒を供給可能な構造であれば如何なる構造が採用されても良い。

また、上記実施形態では、回転軸１が供給軸２に摺動可能に支持される一方、回転軸１が出力軸３に固定されていたが、この発明では、回転軸が出力軸に摺動可能に支持される一方、回転軸が供給軸に固定されても良い。

また、上記実施形態では、回転軸１において、突出部１２が本体部１１に締結部材で締結されていたが、この発明では、回転軸において、突出部を本体部と一体に構成して、締結部材を省略しても良い。また、同様に、供給軸２において、支持部２２が本体部２１に締結部材で締結されていたが、この発明では、供給軸において、支持部を本体部と一体に構成して、締結部材を省略しても良い。

また、上記実施形態では、硬質被膜５１,５６は、溶射によって入熱抑制部に付着されたが、この発明では、少なくとも一方の硬質被膜は、メッキの手法を用いて入熱抑制部や下地膜に付着されても良く、または、ＣＶＤ法や、プラズマＣＶＤ法や、ＰＶＤ法により、入熱抑制部や下地膜に付着されても良い。

また、上記実施形態では、突出部１２の硬質被膜５１の軸方向の両側の端面４１および支持部２２の硬質被膜５６の軸方向の両側の端面の全てが、基材５０,５５に滑らかに連続的に接続されていた。しかしながら、この発明では、突出部の硬質被膜の軸方向の両側の端面および支持部の硬質被膜５６の軸方向の両側の端面のうちの一以上四以下の端面は、角部を介した接続となっていて、入熱抑制部と滑らかに連続的に繋がっていなくても良い。

また、上記実施形態では、硬質被膜５１,５６の軸方向の端面に滑らかに繋がる基材５０,５５の部分が、基材５０,５５の表面に存在する凹部４６の側面４２であった。しかしながら、この発明では、四つの硬質被膜の軸方向の端面（突出部の硬質被膜の軸方向の両側の二つの端面および支持部の硬質被膜の軸方向の両側の二つの端面）のうちの一以上四以下の端面は、入熱抑制部の凹部の側面に繋がっていなくても良く、入熱抑制部の凹部の側面以外の部分に繋がっていても良い。

また、上記実施形態では、図９、すなわち、図１の簡略図に示すように、回転軸１が突出部１２を有し、その突出部１２が摺動面を有していた。また、図９に示すように、供給軸２が回転軸支持部を構成する支持部２２を有し、その支持部２２が被摺動面を有していた。しかしながら、この発明では、回転軸は突出部を有さなくても良く、また、供給軸が回転軸支持部を有さなくても良い。

詳しくは、図１０、すなわち、変形例の簡略図に示すように、回転軸１０１が、突出部を有さない一方、軸方向の一方側の端部に内周面１１５を有しても良い。そして、回転軸１０１の内周面１１５にある摺動面を、供給軸１０２の軸方向に突出する支持部１２２の硬質被膜１５６にある被摺動面に軸方向に摺動可能に接触させるようにしても良い。尚、図示はしないものの、この発明では、図１０の逆の構成、すなわち、供給軸が、軸方向に突出する支持部を有さない一方、軸方向の他方側の端部に内周面を有しても良い。そして、回転軸の突出部にある硬質被膜にある摺動面を、供給軸の上記内周面に軸方向に摺動可能に接触させるようにしても良い。尚、図１０において、参照番号１０３は、出力軸を示し、参照番号１０４は、常温ダンパを示し、参照番号１０６は、トルクチューブを示す。また、参照番号１５５は、支持部１２２において入熱抑制部を構成するＦＲＰからなる基材を示す。

また、図１１、すなわち、他の変形例の簡略図に示すように、常温ダンパ２０４が、筒状の本体部２４１と、回転軸支持部を構成する支持部２４２とを有し、支持部２４２が、本体部２４１の内周面から径方向の内方側に延在する構成であっても良い。そして、回転軸２０１の外周面にある摺動面を、支持部２４２の硬質被膜２５６にある被摺動面に軸方向に摺動可能に接触させるようにしても良い。尚、図１１において、参照番号２０３は、出力軸を示し、参照番号２０６は、トルクチューブを示す。また、参照番号２５５は、支持部２４２において入熱抑制部を構成するＦＲＰからなる基材を示す。

また、図１２、すなわち、更なる変形例の簡略図に示すように、回転軸３０１が、外周面を有する本体部３１１と、環状の突出部３１２とを有し、突出部３１２が本体部３１１の外周面から径方向の外方側に延在する構成であっても良い。そして、突出部３１２の硬質被膜３５１にある摺動面を、常温ダンパ３０４の内周面にある被摺動面に軸方向に摺動可能に接触させるようにしても良い。尚、この場合、常温ダンパ３０４の内周面において軸方向の一方側にある突出部３１２に径方向に重なる部分が回転部支持部を構成することになる。また、図１２において、参照番号３０３は、出力軸を示し、参照番号３０６は、トルクチューブを示す。また、参照番号３５５は、突出部３１２において入熱抑制部を構成するＦＲＰからなる基材を示す。尚、図９〜１２は、簡略図であり、それらの図では、硬質被膜５１,５６,１５６,２５６,３５１は、誇張して描かれている。

尚、図１０に示す変形例おいて入熱抑制部を有さない回転軸１０１の摺動面、図１１に示す変形例において入熱抑制部を有さない回転軸２０１の摺動面、および、図１２に示す変形例において入熱抑制部を有さない常温ダンパ３０４の被摺動面の全ては、硬質被膜に存在しなくても良い。または、図１０に示す変形例おいて入熱抑制部を有さない回転軸１０１の摺動面、図１１に示す変形例において入熱抑制部を有さない回転軸２０１の摺動面、および、図１２に示す変形例において入熱抑制部を有さない常温ダンパ３０４の被摺動面のうちの一以上の面は、硬質被膜に存在しても良い。

本発明では、摺動構造を構成する一方側がＦＲＰからなる入熱抑制部を有する一方、摺動構造を構成する他方側がＦＲＰからなる入熱抑制部を有さない場合、他方側は硬質被膜を有する必要はない。しかしながら、一方側に対して他方側が著しく柔らかい場合や、一方側と他方側が同種材である場合など、摺動部として適していない組み合わせとなる場合には、他方側にも硬質被膜を形成することが望ましい。というのは、そのような場合、他方側に硬質被膜を形成することによって、摺動部で他方側が著しく摩耗することや、一方側と他方側とが、凝着することを抑制できるからである。

また、上記実施形態では、トルク伝達部を構成する出力軸３の軸方向の一方側の端面を、回転軸１の軸方向の他方側の端面に固定することで、トルク伝達部を、回転軸の軸方向の他方側に固定した。しかしながら、この発明では、トルク伝達部を構成する常温ダンパにおいて軸方向の他方側に位置する部分を、回転軸の外周面において軸方向の他方側に位置する部分に固定しても良い。

この発明では、回転軸支持部は、回転軸の軸方向の中心位置よりも、軸方向の一方側に存在すれば良く、トルク伝達部は、回転軸の軸方向の中心位置よりも、軸方向の他方側に存在すれば良い。この発明では、回転軸の軸方向の中心位置よりも軸方向の一方側で熱収縮をスライド（摺動部）により逃がすことができ、回転軸の軸方向の中心位置よりも軸方向の他方側でトルクの伝達を行うことができる構造でありさえすれば、回転軸はどのようにトルク伝達部に固定されても良く、また、回転軸はどのように回転支持部で摺動可能に支持されても良いのである。

尚、この発明の超電導回転機を、摺動構造が採用可能な如何なる超電導回転機に適用しても良く、例えば、超電導コイルの外側から電圧と電流とが継続的に供給される構成と、超電導コイルの外部から電圧と電流とが継続的に供給されず、界磁巻線が所謂永久電流モードである構成とのどちらを採用しても良い。また、上記実施形態では、常温ダンパ４の外側に通常コイル８が配置されたが、この発明では、常温ダンパの外側に、通常コイルの代わりに永久磁石を配置しても良い。このように、上記実施形態には、当業者にとって自明な如何なる変形が施されても良い。

また、上記実施形態では、超電導回転機が、超電導モータであったが、本発明の超電導回転機は、発電機であっても良い。尚、この場合は、界磁回転子において図１に参照番号３で示した出力軸が、入力軸となることは言うまでもない。また、本発明では、摺動面は被摺動面に対して軸方向に摺動可能でありさえすれば良く、摺動面は被摺動面に対して周方向に摺動可能であっても良く、摺動面は被摺動面に対して周方向に摺動可能でなくても良い。また、この発明の使用用途が、大型船の推進装置に限らないのは言うまでもなく、この発明の超電導回転機が如何なるサイズであっても良いことも言うまでもない。また、上記実施形態および変形例で説明した構成のうちの二以上の構成を組み合わせて新たな実施形態を構築できることは、勿論である。

１,１０１,２０１,３０１ 回転軸
２,１０２ 供給軸
３,１０３,２０３,３０３ 出力軸
４,１０４,２０４,３０４ 常温ダンパ
７ 超電導コイル
４１ 突出部の硬質被膜の軸方向の一方側の端面
４２ 基材の凹部の側面
４６ 基材の凹部
５０ 突出部の基材
５１ 突出部の硬質被膜
５５ 支持部の基材
５６ 支持部の硬質被膜
８０,８５,９０ 硬質被膜
８１,８６,９１ 入熱抑制部
１１５ 回転軸の内周面
１５５ 供給軸の基材
１５６ 供給軸の硬質被膜
２５５ 常温ダンパの基材
２５６ 常温ダンパの硬質被膜
３５１ 回転軸の硬質被膜
３５５ 回転軸の基材

Claims (3)

1. 軸方向の一方側に環状の摺動面を有する回転軸と、
   上記回転軸の軸方向の他方側に固定されたトルク伝達部と、
   上記摺動面に上記軸方向に摺動可能な環状の被摺動面を有して、上記回転軸に対して上記軸方向に相対移動可能な状態で上記回転軸を支持する回転軸支持部と、
   上記回転軸に保持されると共に、上記回転軸の軸方向の一端側または他端側から供給された冷媒によって冷却される超電導コイルと
   を備え、
   上記摺動面および上記被摺動面のうちの少なくとも一方は、繊維強化プラスチックからなる入熱抑制部の一部を覆うように位置する硬質被膜の表面に存在し、
   上記硬質被膜は、上記入熱抑制部よりも硬く、
   前記入熱抑制部の表面は、凹部を有し、
   上記硬質被膜の上記軸方向の少なくとも片側の端面は、上記凹部の上記軸方向の側面と滑らかに繋がっていることを特徴とする超電導回転機。
2. 請求項１に記載の超電導回転機において、
   上記硬質被膜は、溶射により形成されていることを特徴とする超電導回転機。
3. 軸方向の一方側に環状の摺動面を有する回転軸と、
   上記回転軸の軸方向の他方側に固定されたトルク伝達部と、
   上記摺動面に上記軸方向に摺動可能な環状の被摺動面を有して、上記回転軸に対して上記軸方向に相対移動可能な状態で上記回転軸を支持する回転軸支持部と、
   上記回転軸に保持されると共に、上記回転軸の軸方向の一端側または他端側から供給された冷媒によって冷却される超電導コイルと
   を備え、
   上記摺動面および上記被摺動面のうちの少なくとも一方は、繊維強化プラスチックからなる入熱抑制部の一部を覆うように位置する硬質被膜の表面に存在し、
   上記硬質被膜は、上記入熱抑制部よりも硬く、
   前記入熱抑制部と前記硬質被膜との境界で接線を引いた時に、前記境界と前記接線の角度が前記硬質被覆側では、鋭角である一方、前記入熱抑制部側では、鈍角となることを特徴とする超電導回転機。

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