JP2005086913A - 電気自動車における超電導モータ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 電気自動車の駆動源として用いられる超電導モータを簡素な構造で効率良く冷却する。
【解決手段】 液体水素２５を貯留するタンク２０の内部に超電導モータ１１を囲繞して収容し、液体水素２５で超電導モータ１１を冷却しており、超電導モータ１１のハウジングから外部に引き出される回転駆動軸１３および電線２９は、タンク２０の囲繞空間２８と連続させてタンク２０の外壁に設けた取出口２７へと延在させる１つの遮蔽管２６内を通してタンク２０外部に引き出し、超電導モータ１１はタンク２０内の取出口２７より離れた位置に設置して遮蔽管２６を長尺としている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電気自動車における超電導モータ装置に関し、詳しくは、電気自動車に用いられる超電導モータの超電導特性を維持するための冷却を効率良く行うものである。

近年、ガソリン等の燃料資源の枯渇に対する懸念や内燃機関から排出される排気ガスによる環境悪化を改善すべく、電気によりモータを駆動して走行する電気自動車の開発が進められている。常電導モータを使用した場合には、電気抵抗による銅損が発生して低効率となると共に誘導電流が減衰し低出力となる問題があった。そこで、特開平６−６９０７号公報に開示されているように、超電導モータを採用すれば、超電導体部分での銅損がなくなり高効率とすることができると共に、モータ自身を小型化および高出力化することが可能となるメリットがある。

超電導モータの超電導特性を発揮させるためには極低温に冷却する必要があり、液体水素、液体窒素、各種冷却機等を使用することが検討されているが、水素と酸素を反応させて発電させる燃料電池を利用した電気自動車には既に液体水素が搭載されているので、この液体水素を超電導モータの冷却するための冷媒として流用すれば、別途、超電導モータの冷却装置を搭載する必要がなくなり、車載品数が低減されて有効である。

しかしながら、液体水素の貯留タンクから冷媒配管等を介して超電導モータに液体水素を送る場合、冷媒配管を保冷する手段が必要となると共に配管外面に霜付きが生じる問題がある。また、超電導モータの外周に冷媒となる液体水素を循環させて冷却する等した場合には、装置が大型となるため車載スペースが占有されて車両が大型化してしまう問題が発生する。
特開平６−６９０７号公報

本発明は、上記問題に鑑みてなされたもので、電気自動車の駆動源として用いられる超電導モータをコンパクトな構造で効率良く冷却することを課題としている。

上記課題を解決するため、本発明は、液体を貯留するタンクの内部に超電導モータを収容し、該液体で超電導モータを冷却する構成としていることを特徴とする電気自動車における超電導モータ装置を提供している。

上記構成とすると、液体を貯留するタンクが超電導モータを囲繞して直接冷却する構造としているので、冷媒配管等を用いることなくシンプルかつコンパクトな構造で超電導モータ全体を効率良く冷却することができる。また、冷媒配管でタンクから超電導モータまで液体燃を運ぶ構成としていないので、外気と接触する冷媒配管を冷却する装置が不要となると共に、霜付き発生の問題も生じることがない。さらには、上記構成とすることで装置全体として小型化を図ることができるので、車載スペースの占有面積が低減され車両の小型化にも貢献する。

上記液体は液体窒素若しくは液体水素とすることを特徴とする。
つまり、上記液体として極低温の液体窒素や液体水素を使用することで、タンク内の超電導モータを十分に冷却して超電導材料の最適作動温度を保つことができる。なお、液体水素を使用した場合には、電気自動車の水素電池の燃料源と共用することができ好適である。

上記超電導モータのハウジングから外部に引き出される回転駆動軸および電線は、上記タンクの上記超電導モータを取り囲む囲繞空間と連続させて上記タンクの外壁に設けた取出口へと延在させる１つの遮蔽管内を通してタンク外部に引き出し、上記超電導モータは上記タンク内の上記取出口より離れた位置に設置して上記遮蔽管を長尺としている。

上記超電導モータは液体燃料の貯留タンクに囲繞されているので、超電導モータの回転駆動軸と該超電導モータへ接続される電線とをタンク外へ取り出す必要があるが、上記構成とすると、回転駆動軸と電線とを１ヶ所の取出口で集中して引き出しているので上記囲繞空間から冷気が漏れるのを極力抑制することができる。また、超電導モータは上記取出口から離れた位置に配置しているので、超電導モータの外気との距離が十分稼がれて超電導モータの冷却性を十分維持することができる。

上記回転駆動軸および電線は、上記タンク内の内部回転駆動軸および内部電線と、駆動伝達手段および電源と接続させた外部回転駆動軸および外部電線とを備え、
上記内部回転駆動軸および内部電線の端末に取り付けた内部連結部と、上記外部回転駆動軸および外部電線の端末に取り付けた外部連結部とが遮断可能に接続されており、
駐車あるいは／および停車の信号で上記外部連結部を移動させる手段と、上記タンクに取り付けている取出口開閉蓋を移動させる手段を設け、
上記駐車あるいは／および停車の信号で上記移動手段を駆動させて上記外部連結部を上記タンク外方へと移動させた後に上記取出口開閉蓋を移動させて上記取出口を遮蔽する構成としている。

上記構成とすると、超電導モータが動作する必要のない駐車時あるいは／および停車時において、上記外部連結部と上記内部連結部が遮断されると共に上記移動手段により外部連結部をタンク外へ取り出して、上記取出口開閉蓋で取出口を遮蔽するようにしているので、駐車あるいは／および停車時には超電導モータが配置された囲繞空間から冷気が外部に漏れるのを完全に防止することができる。

以上の説明より明らかなように、本発明によれば、液体を貯留するタンクが超電導モータを囲繞して直接冷却するので、冷媒配管等を用いることなくシンプルかつコンパクトな構造で超電導モータ全体を効率良く冷却することができる。また、超電導モータの回転駆動軸と電線とを１ヶ所の取出口で集中して引き出すことで上記囲繞空間から冷気が漏れるのを極力抑えることができる。さらに、駐車あるいは／および停車時に回転駆動軸および電線を分断して取出し口を開閉蓋で遮蔽することで、超電導モータが動作しない時の冷気漏れを完全に防止することができる。

本発明の実施形態を図面を参照して説明する。
図１および図２は第１実施形態を示し、超電導モータ装置１０は水素と酸素を反応させて発電する燃料電池を搭載した電気自動車に用いられるもので、該水素の供給源として搭載された極低温（約２０ケルビン）の液体水素を貯留するタンク２０により超電導モータ１１を囲繞することで超電導モータ１１全体を冷却している。

タンク２０は断面環状となる槽内に液体水素２５を貯留しており、中心に超電導モータ１１の囲繞空間２８を形成していると共に、タンク外周面には外部断熱材２２を設けている。

タンク２０には、外壁側に設けた取出口２７と内部の囲繞空間２８とを連通する１つの遮蔽管２６を形成しており、超電導モータ１１から外部に引き出される回転駆動軸１３および電線２９は遮蔽管２６を通してタンク外部に引き出されている。また、回転駆動軸１３および電線２９が挿通される遮蔽管２６内の隙間を埋めるべく、遮蔽管２６の内側に管内断熱材２３を詰め込んでいる。なお、遮蔽管２６は軸線方向の長さを長尺として、囲繞空間２８の冷気が外部に漏れにくくしていると共に、超電導モータ１１は取出口２７側から離れた位置に配置して冷却性を維持している。

超電導モータ１１は、ハウジングとなる固定子１２の内周面に常電導コイル１４である第１コイル１４Ａ、第２コイル１４Ｂおよび第３コイル１４Ｃを周方向に１２０°の等間隔をあけて設置している。第１〜第３コイル１４Ａ〜１４Ｃにはそれぞれ電源１８から電線２９を介して三相交流が供給されており、電線２９は固定子１２外面に固定された分岐部１７で３本の分岐線２９ａに分かれて各コイル１４Ａ〜１４Ｃに給電されている。

固定子１２内において超電導モータ１１の回転駆動軸１３に超電導コイル１５が固定されており、回転駆動軸１３の一端側は軸受１６を貫通して駆動伝達手段１９にまで延在されている。なお、超電導コイル１５にはビスマス系超電導線材を使用しているが、イットリウム系、タリウム系、ビスマス系の酸化物等のセラミック材を用いてもよい。

超電導モータ１１の動作は、電源から第１コイル１４Ａ、第２コイル１４ｂおよび第３コイル１４Ｃに三相交流が供給されることにより、各コイル１４Ａ〜１４Ｃへの給電の位相ズレにより固定子１２内に回転磁界が発生し、この回転磁界の影響を受けて超電導コイル１５に渦電流が誘導されて回転力が発生し回転駆動軸１３が回転される。そして、回転駆動軸１３のトルクが駆動伝達手段１９に伝達されることで電気自動車の車輪の回転動力が得られる。

ここで、タンク２０内周面は断熱性を弱めているので、囲繞空間２８に収容された超電導モータ１１が約２０ケルビンの極低温である液体水素２５の冷気により全体的に冷却されるので、超電導コイル１５の超電導特性を十分に発揮することができる。なお、本実施形態で超電導コイル１５として使用するビスマス系超電導線材は７７ケルビン以下に冷却すれば超電導化するので十分な性能が得られる。

また、発電用燃料として用いられる液体水素２５を貯留するタンク２０が超電導モータ１１を囲繞して直接冷却しているので、冷媒配管等の特別な部品を必要とすることなくコンパクトな構造で超電導モータ１１全体を効率良く冷却できる。さらに、超電導モータ１１をタンク２０内側の囲繞空間２８に収容するので、霜付きが発生する等の問題も生じることがない。また、タンク２０と超電導モータ１１とが略一体化されて装置全体として小型化を図ることができるため、全体として車載スペースの占有面積が低減され車両の小型・軽量化にも貢献することができる。

図３は第２実施形態を示す。
第１実施形態との相違点は、取出口２７を遮蔽する取出口開閉蓋４３を設けることにより、駐停車時において、超電導モータ３０が収容された囲繞空間２８から冷気が漏れるのを完全に防止している点である。

超電導モータ３０の回転子となる内部回転駆動軸３１は固定子１２の軸受１６からの突出長さを短尺として先端に内部連結部３４を設けている。また、固定子１２の内周面に固定された各常電導コイル１４に接続された分岐線は固定子１２外面に固定された内部連結コネクタ３３に接続されている。タンク４０には取出口２７と囲繞空間２８とを連通する遮蔽管３９を遮蔽可能とする取出口開閉蓋４３を設けており、取出口開閉蓋４３はタンク４０の取出口２７側に設けられた凹部３８内にスライド可能に内嵌されていると共に、タンク４０に固定された蓋移動手段４４により開閉移動される構成としている。

タンク４０外部においては、外部回転駆動軸４５が駆動伝達手段１９に接続されていると共に外部電線５０が電源１８に接続されており、外部回転駆動軸４５の先端には外部連結部４１が固定されていると共に外部電線５０の先端には外部連結コネクタ４２が固定されている。外部回転駆動軸４５および外部電線５０にはスライド移動手段４６が介設されており、外部連結部４１および外部連結コネクタ４２をそれぞれ遮蔽管３９を通してスライド移動させて内部連結部３４および内部連結コネクタ３３と連結／遮断可能としている。

スライド移動手段４６は、外部回転駆動軸４５および外部電線５０に固定されたスライド部４７と、スライド部４７を移動させる基部４８とを備えている。また、外部回転駆動軸４５には伸縮手段４９を介在させてスライド移動に追従可能な構成としている。
スライド移動手段４６および蓋移動手段４４には、駐停車検出手段５２に接続された制御手段５１が接続されており、該制御手段５１は駐停車検出手段５２から受信した駐車あるいは／および停車の信号に応じてスライド移動手段４６および蓋移動手段４４を駆動制御している。

次に、取出口開閉蓋４３、外部連結部４１および外部連結コネクタ４２の移動のタイミングについて説明する。
この超電導モータ装置を搭載した電気自動車が駐車あるいは停車されておらず走行状態となる場合には、制御手段５１からの指令により蓋移動手段４４で取出口開閉蓋４３が開かれると共に、スライド移動手段４６で外部連結部４１および外部連結コネクタ４２がタンク４０の遮蔽管３９内を挿通して、超電導モータ３０の内部連結部３４および内部連結コネクタ３３と連結固定されて、超電導モータ３０の内部回転駆動軸３１の回転力が外部回転駆動軸４５を介して駆動伝達手段１９に伝達され車輪が駆動される。

一方、電気自動車が駐車あるいは停車した際、即ち、駆動伝達手段１９への回転駆動力の供給が不要な時には、駐停車検出手段５２からの検出信号を受信した制御手段５１によりスライド移動手段４６で外部連結部４１および外部連結コネクタ４２がタンク４０外へ移動されて連結が遮断されると共に、蓋移動手段４４で取出口開閉蓋４３が閉じられて超電導モータ３０のある囲繞空間２８が完全に密閉されるようにしている。これにより、駐車あるいは停車時には超電導モータ３０が配置された囲繞空間２８から冷気が外部に漏れるのが完全に防止される。
なお、他の構成は第１実施形態と同様であるため同一符号を付して説明を省略する。

本発明の第１実施形態の電気自動車における超電導モータ装置を示す断面図である。 図１のＡ−Ａ線断面図である。 第２実施形態の超電導モータ装置を示す断面図である。

符号の説明

１０ 超電導モータ装置
１１ 超電導モータ
１２ 固定子
１３ 回転駆動軸
１４ 常電導コイル
１４Ａ 第１コイル
１４Ｂ 第２コイル
１４Ｃ 第３コイル
１５ 超電導体
１６ 軸受
１７ 分岐部
１８ 電源
１９ 駆動伝達手段
２０ タンク
２２ 外部断熱材
２３ 管内断熱材
２４ 排出口
２５ 液体水素
２６ 遮蔽管
２７ 取出口
２８ 囲繞空間
２９ 電線
２９ａ 分岐電線
３１ 内部回転駆動軸
３２ 内部電線
３３、３４ 内部連結部
４１、４２ 外部連結部
４３ 取出口開閉蓋
４４ 蓋移動手段
４５ 外部回転駆動軸
４６ スライド移動手段
４９ 伸縮手段
５０ 外部電線
５１ 制御手段
５２ 駐停車検出手段

Claims (4)

1. 液体を貯留するタンクの内部に超電導モータを収容し、該液体で超電導モータを冷却する構成としていることを特徴とする電気自動車における超電導モータ装置。
2. 上記液体は液体窒素若しくは液体水素とすることを特徴とする請求項１に記載の電気自動車における超電導モータ装置。
3. 上記超電導モータのハウジングから外部に引き出される回転駆動軸および電線は、上記タンクの上記超電導モータを取り囲む囲繞空間と連続させて上記タンクの外壁に設けた取出口へと延在させる１つの遮蔽管内を通してタンク外部に引き出し、上記超電導モータは上記タンク内の上記取出口より離れた位置に設置して上記遮蔽管を長尺としている請求項１または請求項２に記載の電気自動車における超電導モータ装置。
4. 上記回転駆動軸および電線は、上記タンク内の内部回転駆動軸および内部電線と、駆動伝達手段および電源と接続させた外部回転駆動軸および外部電線とを備え、
   上記内部回転駆動軸および内部電線の端末に取り付けた内部連結部と、上記外部回転駆動軸および外部電線の端末に取り付けた外部連結部とが遮断可能に接続されており、
   駐車あるいは／および停車の信号で上記外部連結部を移動させる手段と、上記タンクに取り付けている取出口開閉蓋を移動させる手段を設け、
   上記駐車あるいは／および停車の信号で上記移動手段を駆動させて上記外部連結部を上記タンク外方へと移動させた後に上記取出口開閉蓋を移動させて上記取出口を遮蔽する構成としている請求項３に記載の電気自動車における超電導モータ装置。