特許 5753462 超電導回転機の運転方法および超電導回転機システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5753462

(24)【登録日】2015年5月29日

(45)【発行日】2015年7月22日

(54)【発明の名称】超電導回転機の運転方法および超電導回転機システム

(51)【国際特許分類】

   H02K 55/00 20060101AFI20150702BHJP

【ＦＩ】

   H02K55/00

【請求項の数】6

【全頁数】16

(21)【出願番号】特願2011-190510(P2011-190510)

(22)【出願日】2011年9月1日

(65)【公開番号】特開2013-55733(P2013-55733A)

(43)【公開日】2013年3月21日

【審査請求日】2014年4月10日

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用 掲載年月日 平成２３年５月１１日 掲載アドレス ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｃｓｊ．ｏｒ．ｊｐ／ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ／２０１１ｓ／２Ａ．ｐｄｆ（７ページ目）

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２１年度、独立行政法人新エネルギー・産業技術開発機構、省エネルギー革新技術開発事業、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願

(73)【特許権者】

【識別番号】504132272

【氏名又は名称】国立大学法人京都大学

(74)【代理人】

【識別番号】100088672

【弁理士】

【氏名又は名称】吉竹 英俊

(74)【代理人】

【識別番号】100088845

【弁理士】

【氏名又は名称】有田 貴弘

(73)【特許権者】

【識別番号】000000011

【氏名又は名称】アイシン精機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100088672

【弁理士】

【氏名又は名称】吉竹 英俊

(74)【代理人】

【識別番号】100088845

【弁理士】

【氏名又は名称】有田 貴弘

(74)【代理人】

【識別番号】100134991

【弁理士】

【氏名又は名称】中尾 和樹

(72)【発明者】

【氏名】中村 武恒

(72)【発明者】

【氏名】伊藤 佳孝

【審査官】 下原 浩嗣

(56)【参考文献】

【文献】 国際公開第２００９／１１６２１９（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２０１０−２７３４９８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０１−１７４２９１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０１−１４４３４５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００３／００５２５５４（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特表２００３−５２６３０４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−２３７０２０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第０７４５３１７４（ＵＳ，Ｂ１）

【文献】 特開２００６−１９６７２０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１１−２７３９３５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０２Ｋ ５５／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ロータバーおよびエンドリングが超電導線材によって構成された超電導かご形巻線を有する回転子を備えた超電導回転機の運転方法であって、
前記回転子の回転状態を、第１のトルクおよび第１の回転数の第１の回転状態から前記第１のトルクおよび前記第１の回転数と異なる第２のトルクおよび第２の回転数の第２の回転状態へと移行させる際には、前記超電導回転機の一次巻線への印加電圧とその周波数とを制御することによって、前記第１の回転状態にある前記回転子の前記超電導かご形巻線をいったん磁束フロー状態としたうえで、前記第２の回転状態へと移行させ、
不安定化し始めた前記第１の回転状態を安定状態に復帰させる際には、前記超電導回転機の一次巻線への印加電圧とその周波数とを制御することによって、前記第１の回転状態にある前記回転子の前記超電導かご形巻線をいったん磁束フロー状態としたうえで、前記第１の回転状態へと復帰させる、
ことを特徴とする超電導回転機の運転方法。

【請求項2】

請求項１に記載の超電導回転機の運転方法であって、
前記印加電圧と前記周波数との比を増大させて前記超電導かご形巻線に臨界電流以上の電流が流れるようにすることで前記磁束フロー状態を実現させ、
前記磁束フロー状態が実現されると、前記印加電圧と前記周波数との比を、前記第２の回転状態への移行の場合には前記第２の回転状態に応じた値に設定し、前記第1の回転状態への復帰の場合には前記第１の回転状態に応じた値に設定する、
ことを特徴とする超電導回転機の運転方法。

【請求項3】

ロータバーおよびエンドリングが超電導線材によって構成された超電導かご形巻線を有する回転子と、一次巻線を含む固定子とを備えた超電導回転機と、
前記超電導回転機の動作を制御するコントローラと、
を備える超電導回転機システムであって、
前記回転子の回転状態を、第１のトルクおよび第１の回転数の第１の回転状態から前記第１のトルクおよび前記第１の回転数と異なる第２のトルクおよび第２の回転数の第２の回転状態へと移行させる際には、前記コントローラが、前記一次巻線への印加電圧とその周波数とを制御することによって、前記第１の回転状態にある前記回転子の前記超電導かご形巻線をいったん磁束フロー状態としたうえで、前記第２の回転状態へと移行させ、
不安定化し始めた前記第１の回転状態を安定状態に復帰させる際には、前記コントローラが、前記一次巻線への印加電圧とその周波数とを制御することによって、前記第１の回転状態にある前記回転子の前記超電導かご形巻線をいったん磁束フロー状態としたうえで、前記第1の回転状態へと復帰させる、
ことを特徴とする超電導回転機システム。

【請求項4】

請求項３に記載の超電導回転機システムであって、
前記コントローラは、
前記印加電圧と前記周波数との比を増大させて前記超電導かご形巻線に臨界電流以上の電流が流れるようにすることで前記磁束フロー状態を実現させ、
前記磁束フロー状態が実現されると、前記印加電圧と前記周波数との比を、前記第２の回転状態への移行の場合には前記第２の回転状態に応じた値に設定し、前記第1の回転状態への復帰の場合には前記第１の回転状態に応じた値に設定する、
ことを特徴とする超電導回転機システム。

【請求項5】

ロータバーおよびエンドリングが超電導線材によって構成された超電導かご形巻線を有する回転子を備えた超電導回転機の運転方法であって、
前記回転子の回転状態を、第１のトルクおよび第１の回転数の第１の回転状態から前記第１のトルクおよび前記第１の回転数と異なる第２のトルクおよび第２の回転数の第２の回転状態へと移行させる際に、前記超電導回転機の一次巻線への印加電圧とその周波数とを制御することによって、前記第１の回転状態にある前記回転子の前記超電導かご形巻線をいったん磁束フロー状態としたうえで、前記第２の回転状態へと移行させる、
ことを特徴とする超電導回転機の運転方法。

【請求項6】

ロータバーおよびエンドリングが超電導線材によって構成された超電導かご形巻線を有する回転子と、一次巻線を含む固定子とを備えた超電導回転機と、
前記超電導回転機の動作を制御するコントローラと、
を備える超電導回転機システムであって、
前記回転子の回転状態を、第１のトルクおよび第１の回転数の第１の回転状態から前記第１のトルクおよび前記第１の回転数と異なる第２のトルクおよび第２の回転数の第２の回転状態へと移行させる際に、前記コントローラが、前記一次巻線への印加電圧とその周波数とを制御することによって、前記第１の回転状態にある前記回転子の前記超電導かご形巻線をいったん磁束フロー状態としたうえで、前記第２の回転状態へと移行させる、
ことを特徴とする超電導回転機システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、高温超電導材料を２次側かご形巻線に用いた超電導回転機の運転方法に関する。

【背景技術】

【0002】

既存の構成のかご形誘導機において、２次側かご形巻線に高温超電導材料を用いることにより、誘導機の構成を有しながら誘導回転に加えて同期回転が可能な超電導回転機（高温超電導誘導同期回転機：ＨＴＳ−ＩＳＭ）がすでに公知である（例えば、特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】国際公開第２００９／１１６２１９号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

既存の常電導かご形誘導機の場合、２次側かご形巻線抵抗を小さくしていくと、励磁速度があるしきい値を超えたところで回転が不安定になり、回転制御が不能になるということが知られている。

【0005】

特許文献１に開示された超電導回転機の場合も、２次側かご形巻線が高温超電導材料からなるために、超電導状態においてその抵抗は非常に小さい。それゆえ、同期回転が不安定（振動的）になりやすいという問題があった。特に可変速の際に係る問題が顕著であった。しかしながら、特許文献１においては、係る課題およびその解決手段について、何らの開示も示唆もなされてはいない。

【0006】

なお、特許文献１には、静止状態にある超電導かご形巻線が、固定子巻線による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に、磁束フロー状態を利用して同期回転を実現する態様が開示されているが、同期回転の安定制御の実現については、何らの開示も示唆もなされてはいない。

【0007】

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、超電導回転機を自立安定的に動作させることができる運転方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上記課題を解決するため、請求項１の発明は、ロータバーおよびエンドリングが超電導線材によって構成された超電導かご形巻線を有する回転子を備えた超電導回転機の運転方法であって、前記回転子の回転状態を、第１のトルクおよび第１の回転数の第１の回転状態から前記第１のトルクおよび前記第１の回転数と異なる第２のトルクおよび第２の回転数の第２の回転状態へと移行させる際には、前記超電導回転機の一次巻線への印加電圧とその周波数とを制御することによって、前記第１の回転状態にある前記回転子の前記超電導かご形巻線をいったん磁束フロー状態としたうえで、前記第２の回転状態へと移行させ、不安定化し始めた前記第１の回転状態を安定状態に復帰させる際には、前記超電導回転機の一次巻線への印加電圧とその周波数とを制御することによって、前記第１の回転状態にある前記回転子の前記超電導かご形巻線をいったん磁束フロー状態としたうえで、前記第１の回転状態へと復帰させる、ことを特徴とする。

【0009】

請求項２の発明は、請求項１に記載の超電導回転機の運転方法であって、前記印加電圧と前記周波数との比を増大させて前記超電導かご形巻線に臨界電流以上の電流が流れるようにすることで前記磁束フロー状態を実現させ、前記磁束フロー状態が実現されると、前記印加電圧と前記周波数との比を、前記第２の回転状態への移行の場合には前記第２の回転状態に応じた値に設定し、前記第1の回転状態への復帰の場合には前記第１の回転状態に応じた値に設定する、ことを特徴とする。

【0010】

請求項３の発明は、ロータバーおよびエンドリングが超電導線材によって構成された超電導かご形巻線を有する回転子と、一次巻線を含む固定子とを備えた超電導回転機と、前記超電導回転機の動作を制御するコントローラと、を備える超電導回転機システムであって、前記回転子の回転状態を、第１のトルクおよび第１の回転数の第１の回転状態から前記第１のトルクおよび前記第１の回転数と異なる第２のトルクおよび第２の回転数の第２の回転状態へと移行させる際には、前記コントローラが、前記一次巻線への印加電圧とその周波数とを制御することによって、前記第１の回転状態にある前記回転子の前記超電導かご形巻線をいったん磁束フロー状態としたうえで、前記第２の回転状態へと移行させ、 不安定化し始めた前記第１の回転状態を安定状態に復帰させる際には、前記コントローラが、前記一次巻線への印加電圧とその周波数とを制御することによって、前記第１の回転状態にある前記回転子の前記超電導かご形巻線をいったん磁束フロー状態としたうえで、前記第1の回転状態へと復帰させる、ことを特徴とする。

【0011】

請求項４の発明は、請求項３に記載の超電導回転機システムであって、前記コントローラは、前記印加電圧と前記周波数との比を増大させて前記超電導かご形巻線に臨界電流以上の電流が流れるようにすることで前記磁束フロー状態を実現させ、前記磁束フロー状態が実現されると、前記印加電圧と前記周波数との比を、前記第２の回転状態への移行の場合には前記第２の回転状態に応じた値に設定し、前記第1の回転状態への復帰の場合には前記第１の回転状態に応じた値に設定する、ことを特徴とする。
請求項５の発明は、ロータバーおよびエンドリングが超電導線材によって構成された超電導かご形巻線を有する回転子を備えた超電導回転機の運転方法であって、前記回転子の回転状態を、第１のトルクおよび第１の回転数の第１の回転状態から前記第１のトルクおよび前記第１の回転数と異なる第２のトルクおよび第２の回転数の第２の回転状態へと移行させる際に、前記超電導回転機の一次巻線への印加電圧とその周波数とを制御することによって、前記第１の回転状態にある前記回転子の前記超電導かご形巻線をいったん磁束フロー状態としたうえで、前記第２の回転状態へと移行させる、ことを特徴とする。
請求項６の発明は、ロータバーおよびエンドリングが超電導線材によって構成された超電導かご形巻線を有する回転子と、一次巻線を含む固定子とを備えた超電導回転機と、前記超電導回転機の動作を制御するコントローラと、を備える超電導回転機システムであって、前記回転子の回転状態を、第１のトルクおよび第１の回転数の第１の回転状態から前記第１のトルクおよび前記第１の回転数と異なる第２のトルクおよび第２の回転数の第２の回転状態へと移行させる際に、前記コントローラが、前記一次巻線への印加電圧とその周波数とを制御することによって、前記第１の回転状態にある前記回転子の前記超電導かご形巻線をいったん磁束フロー状態としたうえで、前記第２の回転状態へと移行させる、ことを特徴とする。

【発明の効果】

【0012】

請求項１ないし請求項４の発明によれば、磁束フロー状態における誘導トルク主動での回転動作を瞬間的に利用することにより、可変速を行う場合をはじめ、超電導回転機の同期トルク主動での回転動作を安定的に継続させることができる。つまりは、超電導回転機を自立安定的に運転することができる。
請求項５および請求項６の発明によれば、磁束フロー状態における誘導トルク主動での回転動作を瞬間的に利用することにより、可変速を行う場合に、超電導回転機の同期トルク主動での回転動作を安定的に継続させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】本発明の制御方法における制御対象たる超電導回転機１の回転軸方向を含む断面図である。

【図2】回転子７の回転軸方向に垂直な断面についての断面図である。

【図3】図３は、回転子鉄心７１を示す図である。

【図4】超電導かご形巻線７３を示す図である。

【図5】常電導かご形巻線７４を示す図である。

【図6】超電導電動機のトルク特性を示す図である。

【図7】超電導回転機１を組み込んだ超電導回転機システム１００の概略構成を示す図である。

【図8】超電導回転機１の超電導かご形巻線７３の電流電圧特性を示す図である。

【図9】超電導回転機１の無負荷特性および負荷特性について、解析結果と実測値とを対比する図である。

【図10】超電導回転機１の同期回転の安定限界を解析した結果を示す図である。

【図11】無負荷時における同期回転の安定性を解析した結果を示す図である。

【図12】無負荷時における同期回転の安定性を解析した結果を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

＜超電導回転機の構成＞
図１は本発明の制御方法における制御対象たる超電導回転機１の回転軸方向を含む断面図である。超電導回転機１は、概略的にいえば、２次側かご形巻線に高温超電導材料を用いたかご形誘導機である。図１に示すように、超電導回転機１は、ケーシング２と、固定子３と、ブラケット４ａ、４ｂと、回転子７とを、主として備える。

【0015】

固定子３は、環状の固定子鉄心３ａと、固定子鉄心３ａの図示しないスロット内に設けられた固定子巻線（一次巻線）３ｂとから構成される。固定子鉄心３ａは、珪素鋼板等の電磁鋼板を軸方向に積層してなるものである。また、固定子巻線３ｂは常電導材からなっている。

【0016】

回転子７は、固定子３（固定子鉄心３ａ）の内側に、固定子３と離間させて配置されている。回転子７は、回転子鉄心７１と、超電導かご形巻線７３と、常電導かご形巻線７４と、回転軸７５とから構成される。図２は回転子７の回転軸方向に垂直な断面についての断面図である。

【0017】

図３は、回転子鉄心７１を示す図である。回転子鉄心７１は、図３に示すような中空円柱状の部材であり、珪素鋼板等の電磁鋼板を軸方向に積層してなるものである。図２および図３に示すように、回転子鉄心７１の軸中心部には、回転軸受容孔７１ａが形成されており、丸棒状の回転軸７５が挿入されて取り付けられてなる。また、回転子鉄心７１の外周近傍には、軸方向に貫通する複数のスロット７２が、周方向に所定間隔をあけて形成されている。スロット７２は、回転子鉄心７１の軸方向（回転軸７５の延在方向）に対して斜めに形成され、斜めスロット（スキュー）構成とされている。ただし、本発明においてスロッ７２がスキュー構成を有することは必須の態様ではない。図１に示すように、スロット７２には、超電導かご形巻線７３のロータバー７３ａおよび常電導かご形巻線７４のロータバー７４ａが収容される。

【0018】

図４は、超電導かご形巻線７３を示す図である。超電導かご形巻線７３は、図４に示すように、複数のロータバー７３ａと、各ロータバー７３ａの両端をそれぞれ短絡させる１対のエンドリング７３ｂ、７３ｂとから構成される。

【0019】

より詳細には、ロータバー７３ａは、超電導線材を複数本束ねてなる、断面視矩形状の部材である。ただし、断面が矩形であることは必須の態様ではない。例えば、断面視円形状をなしていてもよい。超電導線材は、複数本の高温超電導フィラメントを、銅、アルミニウム、銀、金等の高導電性金属によって被覆して構成されている。なお、高温超電導フィラメントにはビスマス系高温超電導材料からなるものを用いるのが好適であるが、他の高温超電導材料からなるフィラメントを用いる態様であってもよい。

【0020】

エンドリング７３ｂは、ロータバー７３ａと同様に超電導線材からなる、環状の部材である。１対のエンドリング７３ｂ、７３ｂにはそれぞれ、ロータバー７３ａの各端部がハンダ接合される。

【0021】

図５は、常電導かご形巻線７４を示す図である。常電導かご形巻線７４は、図５に示すように、複数のロータバー７４ａと、各ロータバー７４ａの両端をそれぞれ短絡させる１対のエンドリング７４ｂ、７４ｂとから構成される。

【0022】

ロータバー７４ａは、銅、アルミニウム、銀、金等の高導電性材からなる、断面視矩形状の部材である。ただし、断面が矩形であることは必須の態様ではない。例えば、断面視円形状をなしていてもよい。また、エンドリング７４ｂも、ロータバー７４ａと同様に、銅、アルミニウム、銀、金等の高導電性材からなっている。１対のエンドリング７４ｂ、７４ｂにはそれぞれ、ロータバー７４ａの各端部がハンダ接合される。

【0023】

ロータバー７３ａとロータバー７４ａとは、周方向に所定間隔をあけて、かつ、超電導かご形巻線７３の軸方向に対して斜めに配置されている。これにより、超電導かご形巻線７３および常電導かご形巻線７４は、ともに、円筒状かつスキュー構造を有するものとなっている。しかも、ロータバー７３ａとロータバー７４ａとは、回転子鉄心７１に設けられてなる全てのスロット７２に、過不足なく配置されている。ただし、図１および図２に示すように、スロット７２内においては、ロータバー７４ａの方がロータバー７３ａよりも外側に配置される。

【0024】

また、ロータバー７３ａとロータバー７４ａは、スロット７２よりも長い。それゆえ、図１に示すように、スロット７２に収容された状態においては、ロータバー７３ａとロータバー７４ａとはスロット７２から突出している。

【0025】

ケーシング２は、固定子３の（より厳密には、固定子鉄心３ａの）外周を覆う円筒状の部材である。また、ブラケット４ａ、４ｂは、ケーシング２の開口している２つの端部にそれぞれ嵌め合わされる、略円板状の部材である。ただし、ブラケット４ａの中央部には、回転軸７５を貫通させる貫通孔４ｈが設けられている。なお、ブラケット４ａ、４ｂには、回転軸７５を回転自在に支持するベアリング等の軸受け５ａ、５ｂが設けられている。

【0026】

＜超電導回転機の基本動作＞
次に、以上のような構成を有する超電導回転機１の動作態様について説明する図である。図６は、超電導電動機のトルク特性（すべりｓに対するトルクＴの変化）を示す図である。なお、図６に示すトルク特性におけるフェーズＦ１、Ｆ２、Ｆ３は、超電導かご形巻線７３の電導状態と、回転子７の回転モードとの組合せが異なる３つの状況にそれぞれ対応する。

【0027】

まず、超電導かご形巻線７３が常電導状態（非超電導状態）にある場合、固定子３による回転磁界に起因して常電導かご形巻線７４に誘導電流が流れ、誘導トルクが生じる。この場合、回転子７は該誘導トルク主動で回転する。このときのトルク特性を示すのが図６のフェーズＦ１である。

【0028】

超電導回転機１がこのような誘導回転をしている状態においては、超電導かご形巻線７３にも若干の誘導電流が流れる。しかし、常電導状態にある超電導かご形巻線７３と常電導かご形巻線７４との抵抗値の違いから、この状態では、常電導かご形巻線７４を流れる誘導電流の方が超電導かご形巻線７３を流れる誘導電流よりもはるかに大きい。それゆえ、回転子７超電導かご形巻線７３に生じる誘導トルクよりも、常電導かご形巻線７４に生じる誘導トルクの方が、回転子７の回転に際して支配的となる。

【0029】

次に、超電導かご形巻線７３が常電導状態から超電導状態に転移すると、超電導かご形巻線７３が、固定子３による回転磁界の磁束を捕捉する磁束捕捉状態となることで、同期トルクが生じる。このとき、回転子７は当該同期トルク主動で回転する。このときのトルク特性を示すのが図６のフェーズＦ２である。

【0030】

この同期回転時には、ロータバー７３ａとエンドリング７３ｂの接続抵抗等の影響により、極めてわずかなすべりが生じることがある。しかしながら、この場合も、機器特性としては同期回転を行っているとみなすことができる。

【0031】

また、このように同期回転をしている状態において、超電導回転機１に過大な負荷が加わった場合、超電導かご形巻線７３は磁束捕捉状態から磁束フロー状態に移行するが、回転子７の回転は、誘導トルク主動で継続される。このときの誘導トルクは、磁束フロー状態にある超電導かご形巻線７３および常電導かご形巻線７４の両方から提供される。このときのトルク特性を示すのが図６のフェーズＦ３である。

【0032】

すなわち、超電導回転機１は、図６に示すようなトルク特性を有し、常電導状態においては誘導トルク主動で動作し、超電導状態においては、通常負荷時には同期トルク主動で、過負荷時に誘導トルク主動で動作する。

【0033】

＜超電導回転機システム＞
図７は、上述のような構成を有する超電導回転機１を組み込んだ超電導回転機システム１００の概略構成を示す図である。

【0034】

超電導回転機システム１００は、超電導回転機１と、冷却装置１１と、コントローラ１２と、インバータ１３と、バッテリー１４とを主として備える。また、超電導回転機１は、その回転軸７５に負荷１５が接続されている。負荷１５は、例えば超電導回転機１が電機自動車の電動機（モータ）として車両に搭載される場合であれば、車軸を介して連結される車輪（駆動輪）である。

【0035】

冷却装置１１は、冷媒供給路１１ａと、超電導回転機１の回転軸７５と回転子鉄心７１とに設けられ、冷媒供給路１１ａと連通する図示しない内部冷媒供給路とを通じて、回転子７のスロット７２内に冷媒を供給する。これにより、超電導回転機１に備わる超電導かご形巻線７３が臨界温度未満に冷却される。冷媒としては、ヘリウムガスや液体窒素等が用いられる。

【0036】

コントローラ１２は、駆動信号Ｓｍとして与えられる外部からの動作指示に基づいて、超電導回転機１の動作を制御する。併せて、冷却装置１１による冷却動作も制御する。

【0037】

前者についていえば、コントローラ１２は、超電導回転機１から絶えず入力される、固定子巻線３ｂ内を流れる１次電流の信号である１次電流信号ＳＩに基づき、インバータ１３を介して、超電導回転機１の固定子巻線３ｂに印加される交流電圧の電圧Ｖおよび周波数ｆを独立に制御する。これにより、超電導回転機１の回転数Ｎおよびトルクτがフィードバック制御される。

【0038】

コントローラ１２の図示しない記憶部には、超電導回転機１が誘導トルク主動で回転する際に用いる誘導回転用制御パターンと、超電導回転機１が同期トルク主動で回転する際に用いる同期回転用制御パターンとが、あらかじめ記憶されている。誘導回転用制御パターンは、従来の誘導回転機に対して用いられる公知の制御パターンと同様のものである。また、同期回転用制御パターンは、従来の同期電動機に対して用いられる公知の制御パターンと同様のものである。

【0039】

コントローラ１２にはさらに、１次電流信号ＳＩに対するしきい値Ｉ_THが格納されている。しきい値Ｉ_THは、固定子巻線３ｂに印加される電圧Ｖとその周波数ｆの比Ｖ／ｆの値ごとに、あらかじめ設定される。なお、Ｖ／ｆは、超電導かご形巻線７３への鎖交磁束の量に比例し、さらには、超電導かご形巻線７３に加わるトルクに比例する値である。

【0040】

具体的には、しきい値Ｉ_THは、超電導回転機１を実際に動作させて常電導状態から超電導状態へと移行させたときの、超電導状態での１次電流信号ＳＩの値に基づいて設定される。９０％値として設定するのが好適な一例である。

【0041】

しきい値Ｉ_THは、コントローラ１２において、超電導回転機１の動作が同期トルク主動か否かを判定し、適用する制御パターンをする決定する際に用いられる。すなわち、コントローラ１２は、１次電流信号ＳＩの値がしきい値Ｉ_THよりも小さければ、超電導回転機１が同期トルク主動で動作していると判定し、同期回転用制御パターンを適用して超電導回転機１を制御する。１次電流信号ＳＩの値がしきい値Ｉ_TH以上であれば、超電導回転機１が誘導トルク主動で動作していると判定し、誘導回転用制御パターンを適用して超電導回転機１を制御する。

【0042】

＜同期回転動作時の安定制御＞
次に、超電導回転機システム１００において超電導回転機１を同期トルク主動の同期回転で動作させる際の、安定制御について説明する。

【0043】

図８は、超電導回転機１の超電導かご形巻線７３の電流電圧特性を示す図である。なお、図８および以降の説明においては、超電導かご形巻線７３自体の電流Ｉおよび電圧Ｖについて、添字ｓを付けて区別する。図８に示すように、超電導かご形巻線７３の電流電圧特性は、０≦Ｖｓ≦Ｖ１では直線Ｌａに従い、Ｖｓ＞Ｖ１では曲線Ｌｂに従う。ただし、Ｖ１はＩｓ＝Ｉｃ（臨界電流）となる電圧値である。

【0044】

超電導かご形巻線７３の電流電圧特性は、理想的には、その構成材たる超電導材料（ビスマス系高温超電導材料）自体の電流電圧特性のみに従うべきものであるが、実際の超電導かご形巻線７３の導通経路には、ロータバー７３ａとエンドリング７３ｂとを接合しているハンダなどの常電導材料（導体）が、わずかながら介在している。そのため、超電導かご形巻線７３の超電導材料が超電導状態であったとしても、超電導かご形巻線７３全体としては、常電導材料の抵抗が無視できなくなるため、有限の抵抗を有することになる。この場合の超電導かご形巻線７３の電流電圧特性は、オームの法則に従うものとなり、これが、直線Ｌａに該当する。具体的には、直線Ｌａは、次の（１）式で表される。

【0045】

Ｖｓ＝Ｒ・Ｉｓ・・・・・（１）
ここで、抵抗値Ｒは超電導かご形巻線７３に介在する常電導材料の材質や使用態様（例えば使用量、使用面積その他）などによって定まる定数であり、直線Ｌａの傾きを表す値でもある。０≦Ｒ≦約１０ｍΩであるが、常電導材料の抵抗を事実上無視できる場合、Ｒ＝０としてもよい。

【0046】

一方、超電導かご形巻線７３に臨界電流Ｉｃを超えた電流が流れると、超電導かご形巻線７３は損失状態（超電導状態でありながら損失の発生する磁束フロー状態）となり、超電導材料自体にも抵抗（非線形抵抗）が生じる。この状態を表したのが、曲線Ｌｃである。ただし、厳密には、超電導かご形巻線７３の電流電圧特性は、直線Ｌａと曲線Ｌｃとを重ね合わせた曲線Ｌｂにて表される。そして、電流値が大きくなるほど、超電導かご形巻線７３全体としても、超電導材料自体の電流電圧特性が支配的となる。曲線Ｌｃは例えば次の（２）式で表される。

【0047】

Ｖｓ＝Ｖｃ（Ｉｓ−Ｉｃ）ⁿ・・・・・（２）
なお、Ｖｃは定数である。また、ｎは超電導かご形巻線７３に使用した超電導材料に応じて定まる値であり、ｎ＞１である。この場合、図８において曲線Ｌｂ上の任意のデータ点（Ｉ、Ｖ）と原点とを結ぶ直線の傾きがそのデータ点についての抵抗値Ｒｒとなる。超電導かご形巻線７３の抵抗値ＲｒはＩｓ、Ｖｓの関数である。そして、図８から明らかなように、この場合の抵抗値Ｒｒは、直線Ｌａに従う場合の抵抗値Ｒ以上となる。すなわち、曲線Ｌｂの範囲では超電導材料は非線形抵抗を有する。本実施の形態においては、係る非線形抵抗を利用して、超電導回転機１の同期回転の安定制御を実現する。

【0048】

概略的にいえば、定常動作時においては、超電導かご形巻線７３が図８の直線Ｌａで表される電流電圧特性をみたすように、固定子巻線３ｂへの印加電圧Ｖとその周波数ｆとを独立に制御する。一方で、可変速時など、同期回転での動作が不安定化しそうな場合、超電導かご形巻線７３を意図的にかつ瞬時に図８の曲線Ｌｂの範囲をみたす磁束フロー状態とすることにより回転子７に誘導トルク主動での回転状態をいったん実現させたうえで、所望する回転数での同期回転に移行することで、同期回転動作の安定性を保つようにする。

【0049】

例として、図８の直線Ｌａで表される電流電圧特性のもと、あらかじめ設定された固定子巻線３ｂへの印加電圧Ｖとその周波数ｆの比に対応した第１の同期回転数で回転子７が同期回転している状態（第１のトルクを負った状態）から、第２の同期回転数で同期回転する状態（第２のトルクを負った状態）へと移行する可変速時を考える。

【0050】

まず、回転子７が第１の同期回転数で同期回転しているとき、図６のフェーズＦ２の状態が実現されている。このとき、超電導かご形巻線７３は鎖交磁束を捕捉し、かつ、図８の直線Ｌａの範囲をみたしている。

【0051】

この状態において、外部から、係る可変速を実行する旨の駆動信号Ｓｍとして与えられると、コントローラ１２は、直ちに、固定子巻線３ｂへの印加電圧Ｖとその周波数ｆとを変化させることにより、超電導かご形巻線７３を流れる電流が臨界電流を超えるまで、比Ｖ／ｆをいったん増大させる。

【0052】

超電導かご形巻線７３に臨界電流を超えた電流が流れると、超電導かご形巻線７３は、図８の曲線Ｌｂで表される電流電圧特性をみたす磁束フロー状態となる。このとき、超電導かご形巻線７３には、超電導状態における抵抗値Ｒよりも十分大きな（無視することのできない程度に大きな）抵抗値Ｒｒが生じる。これにより、図６のフェーズＦ３の状態が実現されて、回転子７は、いったん誘導トルク主動で回転するようになる。

【0053】

回転子７が誘導トルク主動で回転し始めると、コントローラ１２は、比Ｖ／ｆが外部から指示された第２の同期回転数に応じた値となるように、固定子巻線３ｂへの印加電圧Ｖとその周波数ｆとを変化させる。これに伴い、回転子７の回転数が変化し、ほどなく、回転子７と固定子３が作り出す回転磁界との相対速度は小さくなる。これとともに、超電導かご形巻線７３を流れる電流も小さくなって、臨界電流を下回るようになる。すると、超電導かご形巻線７３が鎖交磁束を捕捉し、再び図６のフェーズＦ２の状態が実現される。以降、回転子７は、第２の同期回転数にて同期トルク主動で安定に回転する。

【0054】

以上のような制御を行うことで、超電導回転機１は、第１の同期回転数で同期回転動作する状態から、第２の同期回転数で同期回転動作する状態へと移行できたことになる。しかも、係る移行の間、回転子７の回転動作が不安定になることはない。また、実際に移行に要する時間は、例えば自動車の場合であれば長くても十数秒程度である。すなわち、超電導回転機１について想定される運転動作の継続時間（少なくとも数分程度）からみれば、係る誘導トルク主動での動作は瞬間的なものであり、実質的には、同期運転動作が安定的に保たれているといって差し支えない。

【0055】

すなわち、ある同期回転数で同期回転をしている際に、いったん比Ｖ／ｆの値が増大するように固定子巻線３ｂへの印加電圧Ｖとその周波数ｆとを変化させて、誘導トルク主動での回転を生じさせた後に、比Ｖ／ｆを新たな同期回転数に応じた値となるように印加電圧Ｖとその周波数ｆとを変化させれば、新たな同期回転数での同期回転にスムーズに移行することができる。

【0056】

以上の態様による制御は、同期回転時の任意の可変速に適用することができる。加えて、第２の同期回転数が第１の同期回転数と同じである場合にも同様の制御が適用可能である。このことは、上述の制御が、同期回転時全般に適用できることを意味している。

【0057】

具体的には、コントローラ１２は、超電導回転機１がある同期回転数で同期回転動作をしている際に回転子７の同期回転が不安定化しそうになると、いったん比Ｖ／ｆの値を大きくして誘導トルク主動での回転に移行させた後、比Ｖ／ｆを、再び元の同期回転数を与える値に設定する。なお、コントローラ１２においては、回転数Ｎ、トルクτ、および１次電流信号ＳＩの値の変化に基づいて、回転子７の回転が不安定化し始めたことを検知することができる。

【0058】

以上、説明したように、本実施の形態によれば、固定子巻線への印加電圧とその周波数とを制御することによって、磁束フロー状態における誘導トルク主動での回転動作を瞬間的に利用することにより、可変速を行う場合をはじめ、超電導回転機の同期トルク主動での回転動作を安定的に継続させることができる。つまりは、超電導回転機を自立安定的に運転することができる。

【0059】

なお、図８の直線Ｌａの範囲での電流電圧特性は、従来の常電導材料からなるかご形誘導機の電流電圧特性と何ら変わるところはないため、この直線Ｌａの範囲内で同期回転を安定化させようとすることは困難である。すなわち、回転子７を、ある同期回転数で回転していた状態から別の同期回転数によって回転する状態へと移行させる可変速を行う場合、直接に比Ｖ／ｆを直接に所望する同期回転数に応じた値に設定したとしても、超電導かご形巻線７３における抵抗値Ｒは小さいままであるため、新たな回転数での回転に安定的に移行させることは難しい。

【0060】

＜シミュレーションによる解析例＞
上述した安定制御が必要であること、および係る安定制御が実現可能であることを示すべく、シミュレーションによる解析を行った。以下、その結果について説明する。

【0061】

シミュレーションにおいては、超電導回転機１は、３相４極のかご形誘導機であるとした。超電導かご形巻線７３はＤＩ−ＢＳＣＣＯ（登録商標）線材を用いて構成した。また、固定子巻線３ｂには既存の８／９分布短節巻銅巻線を用いた。運転温度は７７Ｋとし、同期最大出力は１．５ｋＷとした。

【0062】

解析には、Matlab（登録商標）／Simulink（登録商標）を用いた。その際には、（１）式および（２）式のほか、後記する電圧方程式および力学方程式を適用した。なお、（１）式においてはＲ＝１×１０^-5Ωとした。（２）式においてはｎ＝２３．０５とした。また、銀シース材への電流分流の効果も考慮した。

【0063】

図９は、超電導回転機１の無負荷特性および負荷特性について、解析結果と実測値とを対比する図である。図９（ａ）が無負荷特性を示し、図９（ｂ）が負荷特性（トルク特性）を示している。なお、図９（ａ）において、横軸の入力電圧（Input Voltage）Ｖは固定子巻線３ｂへの印加電圧であり、縦軸は回転子７の回転数（Rotation Speed）である。図９（ａ）、（ｂ）ともに、解析結果が実測値とよく符合している。これは、シミュレーションに用いた解析条件が妥当であることを意味している。

【0064】

図１０は、超電導回転機１の同期回転の安定限界についての解析結果を示す図である。横軸の入力電圧（Input Voltage）は固定子巻線３ｂへの印加電圧であり、縦軸は回転子７の回転数（Rotation Speed）である。結果は、無負荷状態についてのものである。図中、四角印（□印）をつなげた破線Ｌ１が、超電導回転機１の安定限界を示している。また、丸印（○印）をつなげた破線Ｌ２は、比較のために示す、従来のかご形誘導機の安定限界である。図１０では、安定限界以上の回転数の領域が、安定な同期回転が実現される領域（安定領域）となる。

【0065】

図１０に示すように、超電導回転機１は、従来のかご形誘導機に比べると、安定領域が非常に狭い。ちなみに、従来のかご形誘導機については、図中の実線Ｌ３のところで鉄心中の磁束が飽和してしまうため、現実的運転領域は全て安定領域に含まれている。それゆえ、超電導回転機１の安定領域は、係る従来のかご形誘導機の現実的運転領域よりもさらに狭いということを示している。係る結果は、超電導回転機１を同期回転させる際には、これを安定化させるための制御が必要であることを示している。

【0066】

また、図１１および図１２は、比Ｖ／ｆの値を違えた２通りの場合について、無負荷時における同期回転の安定性を解析した結果を示す図である。具体的には、周波数ｆはともに６０Ｈｚとし、印加電圧Ｖを４０Ｖと５０Ｖの２水準とした。また、いずれも、目標の同期回転数は１８００ｒｐｍに設定し、回転数０の状態からの変化を解析した。

【0067】

図１１が、印加電圧Ｖを４０Ｖに設定した場合の解析結果を示す図であり、図１２が、印加電圧Ｖを５０Ｖに設定した場合の解析結果を示す図である。いずれも、横軸は時間（単位：秒）であり、縦軸は、回転数Ｎ、トルクτ、超電導かご形巻線７３を流れる電流Ｉ２（＝Ｉｓ）、および、抵抗値Ｒｒである。

【0068】

図１１に示す印加電圧Ｖが４０Ｖの場合、同期回転数は設定の１８００ｒｐｍには届かず、約１１０ｒｐｍ程度に留まってしまっているのに対して、図１２に示す印加電圧Ｖが５０Ｖの場合は、同期回転数は設定通りの１８００ｒｐｍに達している。また、回転数が一定となった以降は、トルクτ、電流Ｉ２、抵抗値Ｒｒも一定の値に保たれている。

【0069】

係る結果は、印加電圧Ｖについて、４０Ｖと５０Ｖの間に、回転子７の回転が不安定状態から安定状態に遷移するしきい値（図８のＶ１に相当）が存在するということを示している。これにより、上述した誘導トルク主動での回転を利用した同期回転の安定制御が、実際に実現可能なものであるということができる。

【0070】

＜解析に用いた数式＞
以下に、上述の解析に用いた数式を列挙する。

【0071】

【数1】

【0072】

【数2】

【0073】

＜変形例＞
上述の実施の形態では、常電導かご形巻線７４のロータバー７４ａが超電導かかご形巻線７３のロータバー７３ａより外側に配置される態様となっているが、本発明においては、ロータバー７３ａの方がロータバー７４ａよりも外側に配置される態様であってもよい。

【0074】

また、超電導回転機１が超電導かご形巻線７３と常電導かご形巻線７４とを備える構成となっているが、本発明において、常電導かご形巻線７４を備える態様は必須ではなく、超電導かご形巻線７３のみを有する態様であってもよい。

【0075】

また、上述の実施の形態においては、円柱状の回転子７の外周に固定子３を設けた構成の超電導回転機１を対象に説明を行っているが、本発明は、固定子が軸中心位置に配置され、その外周を円筒状の回転子が回転するいわゆるアウターローター型の超電導回転機にも、適用可能である。

【符号の説明】

【0076】

１ 超電導回転機
３ 固定子
３ａ 固定子鉄心
３ｂ 固定子巻線
４ａ、４ｂ ブラケット
７ 回転子
７１ 回転子鉄心
７２ スロット
７３ 超電導かご形巻線
７４ 常電導かご形巻線
１００ 超電導回転機システム

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】