特開 2025-24368 回転機の固定子

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2025024368

(43)【公開日】2025-02-20

(54)【発明の名称】回転機の固定子

(51)【国際特許分類】

   H02K 55/00 20060101AFI20250213BHJP

【ＦＩ】

H02K55/00

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023128417

(22)【出願日】2023-08-07

【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）２０２３年度、国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構、「航空機用先進システム実用化プロジェクト／次世代電動推進システム研究開発／高効率かつ高出力電動推進システム」委託研究、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願

(71)【出願人】

【識別番号】000005234

【氏名又は名称】富士電機株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】504258527

【氏名又は名称】国立大学法人 鹿児島大学

(71)【出願人】

【識別番号】504145342

【氏名又は名称】国立大学法人九州大学

(74)【代理人】

【識別番号】110004185

【氏名又は名称】インフォート弁理士法人

(72)【発明者】

【氏名】岩熊 成卓

(72)【発明者】

【氏名】川越 明史

(72)【発明者】

【氏名】川合 泰敬

(72)【発明者】

【氏名】池田 千夏

(72)【発明者】

【氏名】大伯 光雄

(72)【発明者】

【氏名】今野 雅行

(72)【発明者】

【氏名】佐久間 昂輝

(57)【要約】

【課題】大電流容量化と、低交流損失化との両方を実現可能とすること。
【解決手段】回転機の固定子（１０）は、複数の巻枠（２０）と、巻枠に配設された薄膜超電導線（５１）により構成されるコイル部（４０）とを備えている。巻枠は、周方向に延出する枠本体（２１）と、枠本体の内周側にて周方向に所定間隔に形成された複数の内側スロット（２３）と、枠本体の外周側にて周方向に所定間隔に形成され、内側スロットと周方向に隣り合う複数の外側スロット（２４）とを備えている。コイル部は、内側スロット及び外側スロットの内部に、複数の前記薄膜超電導線を積層した積層導体（５０）を挿入し、積層方向を周方向に向けた状態で巻回される。周方向に隣り合う内側スロット内の積層導体と外側スロット内の積層導体とは、軸方向から見て周方向の向きが反転した配置状態とされる。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

周方向に等間隔に配置された複数の巻枠と、
前記巻枠に配設された薄膜超電導線により構成されるコイル部とを備えた回転機の固定子であって、
前記薄膜超電導線は、長手方向に延出する帯状の基部と、
前記基部に積層される超電導部をフィラメント化して形成された複数の超電導層とを備え、
前記巻枠は、周方向に延出する枠本体と、
前記枠本体の内周側にて周方向に所定間隔に形成された複数の内側スロットと、
前記枠本体の外周側にて周方向に所定間隔に形成され、前記内側スロットと周方向に隣り合う複数の外側スロットとを備え、
前記コイル部は、前記内側スロット及び前記外側スロットの内部に、複数の前記薄膜超電導線を積層した積層導体を挿入し、該積層導体における前記内側スロット及び前記外側スロットに挿入した範囲での積層方向を周方向に向けた状態で巻回され、
周方向に隣り合う前記内側スロット内の前記積層導体と、前記外側スロット内の前記積層導体とは、軸方向から見て周方向の向きが反転した配置状態とされることを特徴とする回転機の固定子。

【請求項2】

前記コイル部は、複数の前記内側スロットに前記積層導体を挿入して巻回した内側巻回部と、
複数の前記外側スロットに前記積層導体を挿入して巻回した外側巻回部とを備え、前記内側巻回部と前記外側巻回部とを繋ぐ前記積層導体にて前記配置状態が調整されることを特徴とする請求項１に記載の回転機の固定子。

【請求項3】

前記積層導体は、前記内側巻回部と前記外側巻回部とを繋ぐ範囲にて、延出方向回りに１８０°回転されることを特徴とする請求項２に記載の回転機の固定子。

【請求項4】

前記枠本体は、周方向中央部に形成される段差形成部と、
前記段差形成部から周方向一方側に形成される第１形成部と、
前記段差形成部から周方向他方側に形成され、径方向にて前記第１形成部より内方に形成される第２形成部とを備え、
複数の前記巻枠それぞれにおいて、前記第１形成部が周方向一方側の隣の前記巻枠の前記第２形成部の径方向外側に重なることで、異なる前記コイル部が径方向に重なることを特徴とする請求項１ないし請求項３の何れか１項に記載の回転機の固定子。

【請求項5】

前記薄膜超電導線は、ビスマス系又はレアアース系の超電導線材を用いていることを特徴とする請求項１ないし請求項３の何れか１項に記載の回転機の固定子。

【請求項6】

前記内側スロット及び前記外側スロットの内部に挿入される前記積層導体は、径方向に複数並んで設けられることを特徴とする請求項１ないし請求項３の何れか１項に記載の回転機の固定子。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、回転機の固定子に関し、特に、超電導を用いた回転機の固定子に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１は、各相に対応した超電導コイルがステータの内周に沿って配置された超電導モータを開示している。超電導コイルは、テープ状の超電導線材がらせん状に巻かれて形成される。超電導コイルには、通常の銅線等からなるコイルと比較してはるかに大きな電流を流すことができ、コイルの巻き数が少ない場合であっても、大きな磁束密度を発生可能となっている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００５－１７６５８２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１の構成では、コイルに用いた超電導線材に磁場が加わると、かかる磁場を遮蔽する遮蔽電流が誘導され、遮蔽電流によって交流損失が大きくなる、という問題がある。

【0005】

本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであり、大電流容量化と、低交流損失化との両方を実現することができる回転機の固定子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】

【0006】

本発明における一態様の回転機の固定子は、周方向に等間隔に配置された複数の巻枠と、前記巻枠に配設された薄膜超電導線により構成されるコイル部とを備えた回転機の固定子であって、前記薄膜超電導線は、長手方向に延出する帯状の基部と、前記基部に積層される超電導部をフィラメント化して形成された複数の超電導層とを備え、前記巻枠は、周方向に延出する枠本体と、前記枠本体の内周側にて周方向に所定間隔に形成された複数の内側スロットと、前記枠本体の外周側にて周方向に所定間隔に形成され、前記内側スロットと周方向に隣り合う複数の外側スロットとを備え、前記コイル部は、前記内側スロット及び前記外側スロットの内部に、複数の前記薄膜超電導線を積層した積層導体を挿入し、該積層導体における前記内側スロット及び前記外側スロットに挿入した範囲での積層方向を周方向に向けた状態で巻回され、周方向に隣り合う前記内側スロット内の前記積層導体と、前記外側スロット内の前記積層導体とは、軸方向から見て周方向の向きが反転した配置状態とされることを特徴とする。

【発明の効果】

【0007】

本発明によれば、薄膜超電導線を複数積層した積層導体によりコイル部が構成されるので、常電動機に用いられるコイルに比べ、単位体積当たりの電流容量を増大することができる。更に、内側スロット内の積層導体と外側スロット内の積層導体とが周方向にて反転した配置状態としている。これにより、内側スロット内の積層導体に発生する鎖交磁束と、外側スロット内の積層導体に発生する鎖交磁束とが反対方向となって打ち消し合い、遮蔽電流の発生を低減して単位体積当たりの交流損失を低減することができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】実施の形態に係る回転機の固定子における軸方向に垂直な断面図である。

【図2】巻枠及びコイル部を示す図１の部分拡大図である。

【図3】巻枠及びコイル部の斜視図である。

【図4】図４Ａは、積層導体の分解断面図であり、図４Ｂは、積層体の断面図であり、図４Ｃは、図４Ｂの積層体の模式図であり、図４Ｄは、薄膜超電導線を模式的に示す斜視図である。

【図5】積層導体に外部磁界が径方向に印加する場合の説明図である。

【図6】積層導体に外部磁界が周方向に印加する場合の説明図である。

【図7】各コイル部の合成後における磁界の位相及び極性の説明図である。

【図8】変形例に係る図５と同様の説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、本発明の実施の形態に係る回転機の固定子について、添付の図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明は、下記の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲内で適宜変形して実施することができるものである。以下の図においては、説明の便宜上、一部の構成を省略することがある。

【0010】

なお、本明細書及び特許請求の範囲にて、「内側」、「内周側」、「外側」、「外周側」、「周方向」、「軸方向」、「径方向」という場合は、特に断らない限り、回転機の固定子の「内側」、「内周側」、「外側」、「外周側」、「周方向」、「軸方向」、「径方向」をいうものとする。

【0011】

図１は、実施の形態に係る回転機の固定子における軸方向に垂直な断面図である。固定子１０は、図１に示すように、周方向に等間隔に配置される６体の巻枠２０と、６体の巻枠２０それぞれに配設されるコイル部４０とを備えている。よって、固定子１０は、６体のコイル部４０を備えている。固定子１０においては、１体の巻枠２０と１体のコイル部４０とによって電機子コイルが構成される。

【0012】

固定子１０は、円筒状に設けられ、ステータとして図示省略した回転機を構成している。回転機において、固定子１０の内部に回転中心位置が軸方向に平行なロータ（図示省略）が回転可能に設けられる。

【0013】

６体の巻枠２０は、同一構成とされ、後述のように極数を２極とすべく周方向に６０°間隔毎に設けられる。図２は、巻枠及びコイル部を示す図１の部分拡大図である。巻枠２０は、周方向に延出する枠本体２１と、枠本体２１の内周側にて周方向に所定間隔に形成された複数の内側スロット２３と、枠本体２１の外周側にて周方向に所定間隔に形成された複数の外側スロット２４とを備えている。

【0014】

枠本体２１は、周方向中央部に形成される段差形成部２６と、段差形成部２６から周方向一方側（図２中左側）に形成される第１形成部２７と、段差形成部２６から周方向他方側（図２中右側）に形成される第２形成部２８とを備えている。

【0015】

枠本体２１は、軸方向から見て、段差形成部２６周りでクランク状に屈曲した形状に形成され、径方向にて第２形成部２８が第１形成部２７より内方に形成されるようになる。各形成部２７、２８は、周方向に円弧状に湾曲し、約３０°の角度範囲に形成される。径方向にて、外方に位置する第２形成部２８に比べて内方に位置する第１形成部２７の方が小さい径寸法に形成される。

【0016】

内側スロット２３は、各形成部２７、２８の内周面を開口するように形成され、該開口を通じてコイル部４０が挿入される。本実施の形態では、各形成部２７、２８にて、内側スロット２３の形成数が１２ずつとされ、周方向に等間隔で形成される。なお、かかる形成数は特に限定されるものでなく、複数であれば適宜増減してもよい。

【0017】

外側スロット２４は、各形成部２７、２８の外周面を開口するように形成され、該開口を通じてコイル部４０が挿入される。各形成部２７、２８にて、外側スロット２４の形成数が本実施の形態では１２ずつとされ、周方向にて内側スロット２３における段差形成部２６側に隣り合うよう周方向に等間隔で形成される。

【0018】

図３は、巻枠及びコイル部の斜視図である。図３に示すように、１体の巻枠２０に対し、１本の積層導体５０を螺旋状に巻回してコイル部４０が構成される。ここで、図４を参照して、積層導体５０の構成について説明する。

【0019】

図４Ａは、積層導体の分解断面図であり、図４Ｂは、積層体の断面図である。図４Ａ及び図４Ｂに示すように、積層導体５０は、６本（複数）の薄膜超電導線５１を厚さ方向に積層して導体化される。よって、積層導体５０を巻回して構成されるコイル部４０は、複数積層された薄膜超電導線５１により構成される。積層された薄膜超電導線５１同士においては絶縁する処理が施されている。

【0020】

図４Ｄは、薄膜超電導線を模式的に示す斜視図である。図４Ａ及び図４Ｂに加え、図４Ｄに示すように、薄膜超電導線５１は、長手方向に延出する帯状の基部５３の厚さ方向一方の面に、絶縁層５４、超電導層５５が積層して形成されている。基部５３の厚さは約０．１ｍｍであるのに対し絶縁層５４、超電導層５５における厚さは、数十μｍ以下であり、極めて薄くなっている。超電導層５５における絶縁層５４と反対側の面には金属層（不図示）が適宜積層される。基部５３の幅は、２ｍｍ～１０ｍｍ程度であるため、薄膜超電導線５１は、厚さ方向に曲げることは容易ではあるが、幅方向に曲げることは容易ではない。

【0021】

薄膜超電導線５１は、基部５３の厚さ方向一方の面全体に、絶縁層５４及び超電導層５５を超伝導部として積層した後、該超電導部に対して長手方向に沿って３本の溝５７を形成することにより、４本（複数）の超電導層５５がフィラメント化して形成される。

【0022】

薄膜超電導線５１としては、ビスマス系又はレアアース系の超電導線材が好ましく例示される。ビスマス系の超電導線材としては、（Ｂｉ＋Ｐｂ）：Ｓｒ：Ｃａ：Ｃｕの組成比（モル比）が２：２：２：３程度のＢｉ－２２２３相を主相とするＢｉ－２２２３線材が好ましく例示される。Ｂｉ－２２２３線材は、１１０Ｋ程度の高い臨界温度を有し、臨界電流値は、コイル状でない場合は、銅線と比較して７７Ｋで１００倍、２０Ｋで２００～３００倍に達し、コイル状とした場合であっても、前記の半分程度の非常に大きな臨界電流値が得られる。

【0023】

レアアース系の超電導線材は、Ｒｅ（レアアース）－Ｂａ－Ｃｕ－Ｏで構成される高温超電導線材（ＲＥＢＣＯ線材）であり、レアアースとしてはホルミウムが例示される。レアアース系の超電導線材は、ビスマス系の超電導線材よりもさらに大きな電流密度を達成できるものであり、又耐磁場特性が良好との特徴も有する。

【0024】

図４Ｃは、図４Ｂの積層導体の簡略図である。積層導体５０の長手方向に垂直な断面を表すにあたり、図４Ｂのように積層された状態を図４Ｃのように簡略化して図示する場合がある（図２参照）。図４Ｃの積層導体５０にて、同図中上下方向が薄膜超電導線５１の積層方向となり、該積層方向の向きを表すため、積層された薄膜超電導線５１における基部５３が位置する方に図中網点を施した矩形状の基部位置５０ａを示す。

【0025】

図２に示すように、コイル部４０は、巻枠２０の内周側にて各内側スロット２３に積層導体５０を挿入して形成される内側巻回部４０ａと、巻枠２０の外周側にて各外側スロット２４に積層導体５０を挿入して形成される外側巻回部４０ｂとを備えている。

【0026】

なお、図３に示すように、コイル部４０の内側巻回部４０ａは、レーストラック状の外形に形成されつつ、積層導体５０が螺旋状に巻回されるパンケーキ状に形成される。内側巻回部４０ａにて、巻枠２０の各内側スロット２３に積層導体５０が挿入される範囲は、軸方向と平行な直線状に形成され、巻枠２０の軸方向両側からはみ出る部分は概略半円弧状に湾曲して形成される。

【0027】

外側巻回部４０ｂは、図３では内側巻回部４０ａの裏側に配置され、内側巻回部４０ａと同様に形成される。外側巻回部４０ｂにて、巻枠２０の各外側スロット２４（図３では不図示、図２参照）に積層導体５０が挿入される範囲は、軸方向と平行な直線状に形成され、巻枠２０の軸方向両側からはみ出る部分は概略半円弧状に湾曲して形成される。内側巻回部４０ａ及び外側巻回部４０ｂを含むコイル部４０は、分布巻構造とされる。なお、内側巻回部４０ａ及び外側巻回部４０ｂにおける「軸方向と平行な直線状に形成」にあっては、スキューや加工精度、公差、尤度等によって軸方向に対して若干傾いたり湾曲したりする場合も含む意味である。

【0028】

図２に戻り、コイル部４０における積層導体５０の巻回方法について、以下に一例を挙げて説明する。ここでは、先ず、コイル部４０の内側巻回部４０ａを形成すべく積層導体５０を巻回する。かかる積層導体５０の巻回にて第１回目の１周分の巻回が、第１形成部２７の先端（図２中左端）から段差形成部２６に向かって１番目（図２にて最も左側）の内側スロット２３に積層導体５０を挿入することから開始される。かかる内側スロット２３の内部に挿入された積層導体５０は、積層方向が周方向に向けられた状態となり、また、積層導体５０の基部位置５０ａが周方向にて段差形成部２６側に配置される。よって、第１形成部２７の内側スロット２３に挿入された範囲での積層導体５０において、各薄膜超電導線５１の基部５３は、周方向にて段差形成部２６側に配置される。

【0029】

上述のように第１形成部２７の内側スロット２３に挿入された積層導体５０は、枠本体２１の軸方向の両端からはみ出る位置にて湾曲させることで第２形成部２８側に向けられる（図３参照）。そして、第２形成部２８の先端（図２中右端）から段差形成部２６に向かって１番目（図２にて最も右側）の内側スロット２３に積層導体５０が挿入される。かかる内側スロット２３の内部に挿入された範囲での積層導体５０においても、積層方向が周方向に向けられた状態となり、且つ、積層導体５０の基部位置５０ａが周方向にて段差形成部２６側に配置される。

【0030】

このように第２形成部２８の内側スロット２３に挿入された積層導体５０は、枠本体２１の軸方向の両端からはみ出る位置にて湾曲させることで第１形成部２７側に向けられる（図３参照）。これにより、螺旋状に巻回される積層導体５０の第１回目の１周分の巻回が完了され、引き続き、第２回目以降の１周分の巻回が繰り返し行われる。

【0031】

第２回目以降の１周分の巻回は、前回の巻回に対し、積層導体５０を挿入する内側スロット２３が段差形成部２６側に１つ隣の内側スロット２３に変更され、その他については上記と同様の要領で行われる。そして、本実施の形態では、第１形成部２７及び第２形成部２８にて、内側スロット２３の形成数を１２ずつとしたので、内側巻回部４０ａの形成においては第１２回目の１周分の巻回が最終となる。かかる最終の巻回によって、第２形成部２８における段差形成部２６に最も近い（図２にて最も左側の）内側スロット２３に積層導体５０が挿入され、かかる積層導体５０の基部位置５０ａも周方向にて段差形成部２６側に配置される。よって、内側巻回部４０ａの形成にて、全ての内側スロット２３に挿入される積層導体５０の各薄膜超電導線５１における基部５３は、周方向にて段差形成部２６側に配置される。

【0032】

内側巻回部４０ａを形成する巻回を行った後の積層導体５０は、連続して枠本体２１の内側から外側に引き回されて外側巻回部４０ｂを形成すべく巻回される。外側巻回部４０ｂの形成にて、積層導体５０における第１回目の１周分の巻回は、第１形成部２７の先端（図２中左端）から段差形成部２６に向かって１番目（図２にて最も左側）の外側スロット２４に積層導体５０を挿入することから開始される。かかる外側スロット２４の内部に挿入された積層導体５０は、積層方向が周方向に向けられた状態となり、且つ、積層導体５０の基部位置５０ａが周方向にて段差形成部２６とは反対側に配置される。よって、第１形成部２７の外側スロット２４に挿入された積層導体５０において、各薄膜超電導線５１の基部５３は、周方向にて段差形成部２６とは反対側に配置される。

【0033】

このような配置とするため、内側巻回部４０ａを形成する巻回の完了後、外側巻回部４０ｂを形成する巻回の開始前に、積層導体５０を延出方向回りに反転（１８０°回転）している（図２の破線で示す矢印参照）。更に述べると、積層導体５０は、第２形成部２８における段差形成部２６に最も近い内側スロット２３に挿入された部分と、第１形成部２７の先端における図２にて最も左側の外側スロット２４に挿入された部分との間の範囲Ｒ（図３参照）にて、積層導体５０を上記のように反転している。これにより、第１形成部２７の図２にて最も左側で周方向に内側スロット２３及び外側スロット２４が隣り合っているが、該内側スロット２３内の積層導体５０と、該外側スロット２４内の積層導体５０とは、軸方向から見て周方向の向きが反転した配置状態とされる。言い換えると、かかる配置状態は、内側巻回部４０ａと外側巻回部４０ｂとを繋ぐ積層導体５０の範囲Ｒにて調整されている。

【0034】

以後の外側巻回部４０ｂを形成する巻回は、内側巻回部４０ａを形成する巻回に対して類似した流れで行われる。具体的に説明すると、上述のように第１形成部２７の外側スロット２４に挿入された積層導体５０は、枠本体２１の軸方向の両端からはみ出る位置にて湾曲させることで第２形成部２８側に向けられる。そして、第２形成部２８の先端（図２中右端）から段差形成部２６に向かって１番目（図２にて最も右側）の外側スロット２４に積層導体５０が挿入される。かかる外側スロット２４の内部に挿入された範囲での積層導体５０においても、積層方向が周方向に向けられた状態となり、且つ、積層導体５０の基部位置５０ａが周方向にて段差形成部２６とは反対側に配置される。

【0035】

上述のように第２形成部２８の外側スロット２４に挿入された積層導体５０は、枠本体２１の軸方向の両端からはみ出る位置にて湾曲させることで第１形成部２７側に向けられる。これにより、螺旋状に巻回される積層導体５０の第１回目の１周分の巻回が完了され、引き続き、第２回目以降の１周分の巻回が繰り返し行われる。

【0036】

第２回目以降の１周分の巻回は、前回の巻回に対し、積層導体５０を挿入する外側スロット２４が段差形成部２６側に１つ隣の外側スロット２４に変更され、その他については上記と同様の要領で行われる。そして、本実施の形態では、第１形成部２７及び第２形成部２８にて、外側スロット２４の形成数を１２ずつとしたので、外側巻回部４０ｂの形成においては第１２回目の１周分の巻回が最終となる。かかる最終の巻回によって、第２形成部２８における段差形成部２６に最も近い（図２にて最も左側の）外側スロット２４に積層導体５０が挿入され、かかる積層導体５０の基部位置５０ａも周方向にて段差形成部２６と反対側に配置される。

【0037】

よって、外側巻回部４０ｂの形成にて、全ての外側スロット２４に挿入される積層導体５０の各薄膜超電導線５１における基部５３は、周方向にて段差形成部２６と反対側に配置される。これにより、周方向に隣り合う全ての内側スロット２３及び外側スロット２４にて、該内側スロット２３内の積層導体５０と、該外側スロット２４内の積層導体５０とは、軸方向から見た周方向の向きが反転した配置状態とされる。続いて、かかる配置状態とした構成における作用、効果について、図５及び図６を参照して以下に説明する。

【0038】

図５は、積層導体に外部磁界が径方向に印加する場合の説明図である。図６は、積層導体に外部磁界が周方向に印加する場合の説明図である。コイル部４０においては、回転する不図示の回転子の向きに応じ、印加される磁界の向きが変化する。ここでは、コイル部４０の積層導体５０に対し、図５の矢印Ｂ１で示す径方向に平行な外部磁界が印加された場合と、図６の矢印Ｂ２で示す周方向に平行な外部磁界が印加された場合とについて説明する。

【0039】

図５に示すように、矢印Ｂ１で示す径方向に平行な外部磁界が積層導体５０に印加される場合、内側スロット２３内の積層導体５０にて発生する線材（薄膜超電導線５１、素線）間の鎖交磁束と、外側スロット２４内の積層導体５０にて発生する線材間の鎖交磁束とが同図の上下方向にて打ち消し合う。これは、周方向に隣り合う内側スロット２３及び外側スロット２４は、周方向の向きが反転した配置状態となるため、それぞれに発生する鎖交磁束が反対方向となるからである。

【0040】

図６に示すように、矢印Ｂ２で示す周方向に平行な外部磁界が積層導体５０に印加される場合、内側スロット２３内の積層導体５０にて発生する線材内のフィラメント（超電導層５５）間の鎖交磁束と、外側スロット２４内の積層導体５０にて発生する線材内のフィラメント間の鎖交磁束とが同図の左右方向にて打ち消し合う。これも、周方向に隣り合う内側スロット２３及び外側スロット２４は、周方向の向きが反転した配置状態となるため、それぞれに発生する鎖交磁束が反対方向となるからである。

【0041】

図５及び図６に示すように、積層導体５０に印加される磁界が径方向及び周方向の何れであっても、内側スロット２３内の積層導体５０と、外側スロット２４内の積層導体５０とは周方向の向きが反転した配置状態となるため、上述のように鎖交磁束を打ち消し合う。これにより、各積層導体５０での遮蔽電流の発生を低減して単位体積当たりの交流損失を低減することができる。

【0042】

図１に戻り、上記のように巻枠２０に積層導体５０を巻回して形成された各コイル部４０は、第１形成部２７と第２形成部２８とで極性が逆となる。また、本実施の形態の固定子１０は三相交流の回転機を構成するので、各コイル部４０は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相に対応して構成される。以下の説明においては、図１にて約３時から約７時の範囲を形成するコイル部４０（図２にて拡大視したコイル部４０）を、第１コイル部４１とする。また、その他のコイル部４０については、第１コイル部４１から周方向における時計回りで順に第２～第６コイル部４６とする。

【0043】

第１～第６コイル部４１～４６における第１形成部２７及び第２形成部２８での位相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）と極性は、図１及び表１のように設定される。極性は、位相の後に括弧書きする。

【0044】

【表1】

【0045】

第１～第６コイル部４１～４６における位相及び極性の一部について、例を挙げて説明すると、第１コイル部４１にて巻枠２０の第１形成部２７に巻回される範囲では、位相がＵ相となり、極性がマイナス（－）となる。また、第１コイル部４１が巻回される第１形成部２７は、周方向時計回り（一方側）で隣の巻枠２０の第２形成部２８に対し径方向外側に重なるように位置する。かかる隣の巻枠２０には第２コイル部４２が巻回される。第２コイル部４２にて巻枠２０の第２形成部２８に巻回される範囲では、位相がＶ相となり、極性がマイナス（－）となる。

【0046】

周方向に隣り合う巻枠２０の第１形成部２７と第２形成部２８とが径方向に重なり、異なる二相となる第１コイル部４１と第２コイル部４２とにおいても径方向に重なるようになる。第１コイル部４１及び第２コイル部４２に三相交流電流が流れると、第１コイル部４１及び第２コイル部４２が径方向に重なる範囲にて合成された磁界が発生する。ここで、三相交流回路の各相の電流は、加算すると「ゼロ」になる。これにより、第１コイル部４１の位相がＵ相で極性がマイナスの電流と、第２コイル部４２の位相がＶ相で極性がマイナスの電流とにより、合成された磁界として、位相がＷ相で極性がプラス（＋）の電流に応じた磁界が発生する（表１参照）。

【0047】

図７は、各コイル部の合成後における磁界の位相及び極性の説明図である。上記においては、第１コイル部４１と第２コイル部４２とが重なる範囲での磁界について説明したが、図７及び表１に示すように、他の各コイル部４１～４６においても、同様にして合成された磁界が発生する。これにより、第１～第６コイル部４１～４６によって極数が２極となる三相交流回転機に必要な回転磁界を発生することができる。

【0048】

以上のように、上記実施の形態によれば、薄膜超電導線５１を巻回してコイル部４０を構成したので、単位体積当たりの電流容量を増大することができる。しかも、図５及び図６で示したように、内側スロット２３内及び外側スロット２４内の各積層導体５０に発生する鎖交磁束が打ち消し合い、遮蔽電流の発生を抑制して単位体積当たりの交流損失を低減可能となる。よって、上記実施の形態の固定子１０によって、大電流容量化と、低交流損失化との両方を同時に実現することができる。

【0049】

また、内側スロット２３内及び外側スロット２４内の各積層導体５０に発生する鎖交磁束が打ち消し合うような配置状態とするため、積層導体５０における内側巻回部４０ａと外側巻回部４０ｂとを繋ぐ範囲Ｒにて延出方向回りに反転する構成としている。これにより、隣り合う内側スロット２３内及び外側スロット２４内の積層導体５０毎に、積層導体５０の向きを変えたり、２本の積層導体５０を接続したりする作業を不要にすることができる。言い換えると、１体のコイル部４０に対して積層導体５０を１回反転する簡単な作業を行うことで、図２に示す積層導体５０の配置状態にでき、各コイル部４０の制作作業性を向上することができる。

【0050】

ここで、上記実施の形態は薄膜超電導線５１が分布巻構造とされるコイル部４０としたが、該構造の比較構造として、上記と同様の薄膜超電導線５１がレーストラック状の集中巻構造となるコイル部について検討した。かかる検討及び上記実施の形態との比較について、以下に説明する。

【0051】

薄膜超電導線５１においては、複雑な巻線形状にすることが困難となるため、比較構造の集中巻構造を採用する場合、ダブルパンケーキ状の巻線形状とすることが考えられる。この巻線形状で固定子を構成すると、巻線ピッチが小さくなり、また異なる相の巻線間距離が大きくなる。例えば、二極機であって一相を二つの巻線で構成した計６個の巻線で構成した場合、巻線ピッチは４５°程度になって、巻線係数が小さくなる。これにより、所望の出力を実現すべく起磁力を大きくするためには、ターン数を増加する必要があるが、ターン数の増加は交流損失を増加させてしまう。また、集中巻構造においては、生成される回転磁界に本質的に大きな高調波を含んでしまい、異なる相間に空隙がある場合は、より顕著となる。このことは、リプル率を増加させ、また、回転子に金属部を含む場合は、回転子の渦電流損失も増加させる。回転子が超伝導巻線であった場合も同様に、高調波成分による交流損失が増加してしまう。

【0052】

これに対し、上記実施の形態のコイル部４０は分布巻構造とされる。これにより、集中巻構造に比べて巻線係数を増加でき、ターン数を低減することができる。かかるターン数の低減によって交流損失を低減することができる。また、分布巻構造とすることで集中巻構造に比べて空間高調波を低減でき、かかる空間高調波の低減によってリプル率や、回転子の渦流損失、交流損失を低減することができる。

【0053】

なお、本発明は上記実施の形態に限定されず、種々変更して実施することが可能である。上記実施の形態において、添付図面に図示されている大きさや形状、向きなどについては、これに限定されず、本発明の効果を発揮する範囲内で適宜変更することが可能である。その他、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更して実施することが可能である。

【0054】

上記実施の形態において、巻枠２０及びコイル部４０の設置数は、複数であれば６体より増減してもよく、例えば、周方向の形成範囲を上記実施の形態の約半分（周方向に約３０°）として１２体としてもよい。この場合、極数を４極とすることができる。

【0055】

また、内側スロット２３及び外側スロット２４は、コイル部４０における積層導体５０の巻回する回数に応じて形成数を増減してもよい。

【0056】

また、積層導体５０にて積層する薄膜超電導線５１の本数は、複数であれば６本より増減してもよく、１本の薄膜超電導線５１に形成される超電導層５５の本数も、複数であれば４本より増減してもよい。

【0057】

また、コイル部４０における積層導体５０の巻回方法は、内側巻回部４０ａ及び外側巻回部４０ｂの巻回の順序を逆にし、外側巻回部４０ｂを巻回した後、内側巻回部４０ａの巻回を行ってもよい。更に、上記実施の形態では、積層導体５０を螺旋状に巻回するため、第１形成部２７及び第２形成部２８にて、該螺旋の外側から中心側に向かって巻回を進行させたが、これを逆にし、該螺旋の中心側から外側に向かって巻回を進行させてもよい。

【0058】

また、上記実施の形態では、内側巻回部４０ａと外側巻回部４０ｂとを繋ぐ積層導体５０の範囲Ｒにて、積層導体５０を延出方向回りに１８０°回転する構成としたが、積層導体５０を図２に示す向き及び配置状態に調整できれば変更してもよい。例えば、積層導体５０を延出方向回りに５４０°回転し、実質的に１８０°回転した向きと同一としてもよい。

【0059】

また、上記実施の形態では、複数の内側スロット２３及び複数の外側スロット２４それぞれに積層導体５０が１回ずつ挿入される構成としたが、これに限られるものでなく、図８に示すような構成としてもよい。図８は、変形例に係る図５と同様の説明図である。図８の変形例では、内側スロット２３及び外側スロット２４の内部に挿入される積層導体５０が径方向に複数（図８では２本）並んで配設される。かかる配設にあたり、コイル部４０は、１本の積層導体５０を巻回しつつ各スロット２３、２４にて径方向に積層導体５０が複数層となるよう設けられる。かかる構成によれば、起磁力の増加（同期機出力の増大）を図ることができ、各スロット２３、２４にて複数層となる積層導体５０に位置ずれが生じていても、全体として上述と同様の原理で鎖交磁束を打ち消すことが可能となる。なお、径方向に複数並んで配設される積層導体５０は、図８では２層としたが、３層以上としてもよい。

【符号の説明】

【0060】

１０ ：固定子
２０ ：巻枠
２１ ：枠本体
２３ ：内側スロット
２４ ：外側スロット
２６ ：段差形成部
２７ ：第１形成部
２８ ：第２形成部
４０ ：コイル部
４０ａ ：内側巻回部
４０ｂ ：外側巻回部
５０ ：積層導体
５１ ：薄膜超電導線
５３ ：基部
５５ ：超電導層

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】