JP2005176578A - 超電導モータ及び該超電導モータを用いる自動車 - Google Patents

Abstract

【課題】 ステータ電機子の巻き線の巻き数を低減し小型化、軽量化を達成しながら、かつ大きな駆動力が得られ、電気自動車やハイブリッド自動車の駆動用として好適なモータ、及び該モータを用いる自動車を提供する。
【解決手段】 ステータ、該ステータに設けられた電機子、及びロータを有し、該電機子に超電導線材からなるコイルを用いることを特徴とする超電導モータ及び該超電導モータを用いる自動車。該超電導モータとしては、誘導モータ又は同期型モータが好ましく、超電導線材としては、テープ状のものが好ましい。
【選択図】 図２

Description

本発明は、超電導モータ及び該超電導モータを用いる自動車に関する。より具体的には、ステータに設けられた電機子（以下、ステータ電機子と言う。）に、超電導線材からなるコイル（以下、超電導コイルと言う。）を用いることを特徴とし、電気自動車やハイブリッド自動車の駆動用等として用いられる超電導モータ、及び該超電導モータを用いた自動車に関するものである。

近年、電気モータ（以下単にモータと言う。）を駆動源として走行する電気自動車やハイブリッド自動車が、環境対策自動車として注目されている。特に、内燃機関エンジンとモータとの組合せを駆動源とするハイブリッド自動車は、排気ガスを低減でき環境汚染防止に寄与するとともに、走行効率が高く燃費がよい自動車として広く認知され、かつ実用化されている。

例えば、特開２００２−１６６７３５号公報には、内燃機関動力システム、バッテリー動力システム、動力変換機及び主変速機を有し、排気の問題を低減し経済性にも優れた複合電気自動車（ハイブリッド自動車）が開示されており、該バッテリー動力システムは、バッテリーから電力を受けモータとして働く（請求項１、請求項２、段落００１６）。

電気自動車やハイブリッド自動車に用いられるモータには高出力が求められるとともに、設置スペースの問題から又車両を軽量化し走行燃費を向上させるために、モータ自体の軽量化、小型化が求められる。従来の自動車用モータは、主に回転効率が良い同期型モータであり、ステータ側に銅線をコイル状に巻いて形成された電機子を設け、該電機子に例えば３相交流を流すことで回転磁界を生じさせ、ロータ部界磁との間の磁気吸引力又は反発力により、駆動力を発生させていたが、このような同期型モータを小型化するためには、ステータ電機子部の小型化は必須である。

ステータ電機子部を小型化するためには、コイルの巻き線（銅線）を細くすること及び巻き線の巻き数の低減が望まれる。一方、大きな駆動力（高出力）を得るためには、電機子のコイルに巻き線（銅線）が許容する範囲の大電流を通電するとともに巻き数を増加することが求められる。大電流の通電を可能にするためには巻き線（銅線）を太くする必要があるので、従来のモータでは、高出力と小型化の要請を共に満たすことは困難であった。

高出力でありながら、小型化、軽量化を可能とし得るモータとして、超電導コイルを用いた超電導モータが、既に知られている。例えば、Ｐｈｙｓｉｃａ Ｃ ３７２−３７６ （２００２）、第１５０６〜１５１２頁には、ロータに超電導コイルを用いるモータが開示されている。しかし、モータのステータは通常の巻き線からなり（１５０８頁右欄：３．Ｓｔａｔｏｒ）、ステータ電機子部の小型化を達成し、示唆するものではなかった。

又、特開平６−６９０７号公報には、超電導コイルをステータの界磁コイルに用いた電気自動車の駆動用モータが開示されている（請求項１）。しかし、該超電導コイルには、直流電流が流され（段落００１０）、界磁として機能するものであり、自動車用モータとして好適な同期型モータ等のステータ電機子部とは異なるものであった。

そこで、ステータ電機子部の巻き線の巻き数を低減することによって、該ステータ電機子部の小型化、ひいてはモータの小型化、軽量化を達成しながら、かつ大きな駆動力の得られるモータの開発が望まれていた。
特開２００２−１６６７３５号公報（請求項１、請求項２、段落００１６） 特開平６−６９０７号公報（請求項１、段落００１０） Ｐｈｙｓｉｃａ Ｃ ３７２−３７６ （２００２）、第１５０６〜１５１２頁

本発明は、ステータ電機子の巻き線の巻き数を低減し、小型化、軽量化を達成しながら、かつ大きな駆動力が得られ、電気自動車やハイブリッド自動車の駆動用として好適なモータ、及び該モータを用いる自動車を提供することをその課題とする。

本発明者は、ステータ電機子の巻き線としても超電導コイルを用いることが出来ることを見出した。そして該超電導コイルに大電流を流すことにより、コイルの巻き線の巻き数を低減しても大きな駆動力が得られること、従って、ステータ電機子部に超電導コイルを用いることにより、高出力を維持しながら、該ステータ電機子部の大きさ及び重さを大幅に低減でき、ひいてはモータの小型化、軽量化を達成できることを見出し、本発明を完成した。

本発明は、請求項１において、ステータ、該ステータに設けられた電機子、及びロータを有し、該電機子に超電導線材からなるコイルを用いることを特徴とする超電導モータを提供する。

前記本発明の超電導モータにおいては、ステータに設けられた複数の電機子に、それぞれ順次位相のずれた交流を流すことにより、回転磁界が発生し、ロータとの吸引力、反発力により、駆動力が生じる。交流としては、滑らかな回転磁界を発生させるためには３相交流等の多相交流が好ましい。

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する。従って、本発明の課題、すなわち巻き数を低減し、小型化、軽量化を達成しながら、かつ高い出力が達成される。

ステータに電機子を設ける形態は特に限定されない。例えば、空心の超電導コイルを円筒状のステータの内面に円周方向に並べる方法や、円筒状のステータの内面に、回転軸方向に突出した磁極（ティース）を円周方向に並べて複数設け、それぞれのティースを巻くように超電導コイルを設ける方法が挙げられる。隣接するコイルには、順次位相をずらした交流が流される。

該超電導コイルに、鉄心等の磁性体心を用いると磁束密度を高めることができ、出力の向上に寄与できる。例えば、鉄心を用いることにより磁束密度を１０００倍以上に高めることが可能であるので、必要な磁束密度の確保のために、前記ティースを鉄心とし、該鉄心を巻くように超電導コイルを設ける方法が好ましく例示される。空心の場合、鉄心を用いた場合と同等の磁束密度を確保するためには、電流×巻き数、すなわちアンペアターンを１０００倍以上にする必要がある。超電導線材を用いてもこのような大電流や巻き数増加は困難な場合が多く、またアンペアターンを増加すると超電導線材特有の交流損の発生が増加する。

本発明の超電導モータは、誘導モータ及び同期型モータ等に好ましく適用される。請求項２は、この好ましい態様に該当し、前記の超電導モータであって、誘導モータ又は同期型モータであることを特徴とする超電導モータを提供するものである。

電機子のコイルを形成する超電導線材の形状は、通常テープ状である。請求項３はこの態様に該当し、前記の超電導モータであって、超電導線材がテープ状であることを特徴とする超電導モータを提供するものである。テープ状の超電導線材は、特に限定されるものではないが、通常次の方法により製造される。

まず、超電導線材の原料粉末混合物を充填した金属管を伸線加工して、原料粉末混合物を芯材とし、金属管の材質で被覆されたクラッド線を得る。こうして得た複数のクラッド線を束ねて、再び金属管に挿入し、伸線加工することによって、原料粉末混合物がフィラメント状となり、多数のフィラメントが金属管の材質（金属シース）に埋め込まれた多芯線が得られる。このようにして得られた多芯線を、機械的に上下から加圧してテープ状にして（圧延加工）、超電導線材を得る。金属管の材質としては、銀又は銀合金が好ましく用いられる。

本発明の超電導モータに用いられる超電導コイルとしては、前記のようなテープ状の超電導線材を、隣接したテープの断面の長辺が積層されるようにらせん状に巻いて形成されたものが好ましい。請求項４は、この好ましい態様に該当し、前記の超電導モータであって、該コイルが、テープ状の超電導線材を、隣接したテープの断面の長辺が積層されるようにらせん状に巻いて形成されたことを特徴とする超電導モータを提供するものである。

隣接したコイル周期のテープの上面及び下面が重なるように巻いて形成された超電導コイルは、通常、図３で示されるようなレーストラック状又は図４で示されるようなパンケーキ状の形状を有する。それぞれのコイルの中では、一枚のテープ状の超電導線材がらせん状に巻かれており、隣接するらせん周期（コイル周期）のテープの上面及び下面が重なるように積層されている。隣接するらせん周期のテープ間は、絶縁材等により絶縁されており、絶縁材としては絶縁性接着剤が例示される。

超電導線材としては、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。請求項５は、この好ましい態様に該当し、前記の超電導モータであって、該超電導線材として、ビスマス系又はレアアース系の超電導線材を用いることを特徴とする超電導モータを提供するものである。

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。

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。

このように、超電導線材を用いることにより、銅線の場合に比べ、大幅に通電する電流を上げることができる。ただし、磁束密度はある程度のアンペアターンで飽和するので、アンペアターンの増加を計るよりも、アンペアターンは維持したまま、大電流化により巻き数を減らすことがより効果的な場合が多い（例えば、ビスマス系の超電導線材が、銅線と比較して１００倍の電流を流すことができるとすると、その巻き数は１／１００に低減することができる。）。巻き数を減らすことにより、電機子の小型化、ひいてはモータの小型化を達成することができる。

前記の本発明の超電導モータは、自動車に好ましく用いられる。そこで、本発明は、請求項６において、前記の超電導モータを用いることを特徴とする自動車を提供する。特に、本発明の超電導モータは、電気自動車やハイブリッド自動車の駆動用に好ましく用いられる。

本発明の超電導モータは、電気エネルギーを受けて大きな駆動力を発揮するものであるが、一方、機械（回転）エネルギーを受けて電気エネルギーを発生する発電機としても機能する。例えば、本発明の超電導モータを、電気自動車やハイブリッド自動車の駆動用に用いた場合は、該自動車の減速、停止時や、下り坂の走行時等では、発電機として機能し、回生電流を発生して電池を充電することができる。

本発明の超電導モータは、ステータ電機子の巻き線の巻き数を低減し小型化、軽量化を達成しながら、かつ大きな駆動力が得られるものであり、電気自動車やハイブリッド自動車の駆動用として好適に用いられる。又、該超電導モータを使用した自動車においては、前記の特徴を利用して、軽量化及び高出力の達成が容易になる。

図１は、本発明の超電導モータの一例のステータ部を示す斜視図である。
本例では、ステータ部１は円筒状であり、その内面に鉄により形成されたティース２が計６個（内、３個は図示されていない。）設けられている。本例は、超電導モータの組立て途中の状態を表し、６個のティース２の中の１個にレーストラック状の超電導コイル３が設けられている。組立て後の超電導モータでは、全てのティース２に、図１中の例と同様の形態で、レーストラック状の超電導コイル３が設けられる。

図２は、図１の例のステータ部を超電導モータとして組立てた後の状態を示す、回転軸に垂直な断面図である。図２から明らかなように、円筒状のステータ１の内面には、鉄からなるティース２が、円周に沿って計６個設けられており、それぞれのティース２には、超電導コイル３が設けられている。それぞれの超電導コイル３には、円周に沿って順次３相交流のＵ、Ｖ、Ｗ相が流されて、回転磁界が発生する。

該超電導モータの中心には、ロータ４が、回転軸を中心にして回転可能に設けられており、ロータ４の外周側には、永久磁石５が円周に沿って計６個設けられている。従って、本例のモータは、同期型モータであり、超電導コイル３により発生される回転磁界と、ロータ４の永久磁石５との間の吸引、反発力により駆動力が発生する。

永久磁石５の代りに、電磁石を用いることも可能であるし、又超電導コイルを用いることも可能であり、これらの場合も、同期型モータとして機能する。

ステータ１の電機子の超電導コイル３を超電導状態に保つためには、冷媒及び／又は冷却器を用いて、コイルを冷却する必要がある。（上記のように、ロータの永久磁石の代りに、超電導コイルを用いる場合は、このコイルも超電導状態に保つように冷却する必要がある。）ステータ１の電機子の超電導コイル３を冷却するため、本例のモータでは冷媒循環ジャケット（図示せず）がモータ外周に設けられている。

冷媒としては、液体水素や液体窒素等が用いられる。燃料電池を用いる自動車では、液体水素は冷媒と電力発生の両方の役割を兼ねることができるとの利点を有するが、通常は、安価で安全な液体窒素が好ましい。前記のビスマス系の超電導線材を用いれば、液体窒素による冷却で超電導状態に保つことができる。

図３は、図１の例の超電導モータに用いられる超電導コイル３を示す斜視図である。超電導コイル３は、テープ状の超電導線材を、隣接したらせん周期（コイル周期）のテープの断面の長辺が重なるようにらせん状に積層し、図３に示すようなレーストラック状になるように巻いて、形成されている。

図５は、超電導コイル３が、らせん周期（コイル周期）のテープの上面及び下面が重なるように積層されている状態を示す、超電導コイル３の一部省略断面図である。図５に示されるように、超電導コイル３は、超電導体のフィラメント７が銀又は銀合金中に埋め込まれた超電導線材６を積層して形成されている。それぞれの超電導線材６の間には、絶縁性接着剤からなる絶縁層８が設けられている。

図６は、超電導コイル３の部分拡大断面図であり、図５のＡ部を拡大して示すものである。図６により、超電導体のフィラメント７が、銀又は銀合金９中に埋め込まれて超電導線材６が形成されており、それぞれの超電導線材６の間には絶縁層８が設けられていることが示されている。

なお、ティースの形状によっては、図３に示されるレーストラック状の超電導コイル３の代りに、図４で示されるパンケーキ状の超電導コイルを用いることも可能である。パンケーキ状の超電導コイルも、レーストラック状の超電導コイルとは、外部形状が異なるのみで、積層の構造や内部の構成等は同じである。

本発明の自動車は、上記のようにして形成された超電導モータを搭載するものである。特に、該超電導モータを駆動用として搭載する電気自動車、ハイブリッド自動車がその代表例である。

電気自動車、ハイブリッド自動車であって、上記の形態の同期型モータ（超電導モータ）を駆動用として搭載する自動車は、燃料電池や二次電池等の電池、インバータを有し、電池からの直流電流をインバータにより交流に変え（必要により昇圧手段により電圧を上げて）、超電導モータに供給し、自動車の駆動力を発生させる。本発明の自動車は、さらに超電導コイルの超電導状態を維持するための冷却装置や冷媒循環装置等の冷却手段を有し、さらに必要により該超電導モータに供給する電圧を上げるための昇圧手段、該超電導モータで発生した電圧を下げるための降圧手段を有してもよい。

ハイブリッド自動車の場合は、自動車の駆動力を、該超電導モータと内燃機関エンジンを組合せて発生している。パラレル型、シリーズ型、パラレルシリーズ型等、いずれの型式のハイブリッド自動車にも、本発明の超電導モータを使用することができる。

本発明の自動車に搭載された駆動用の超電導モータは、自動車の減速時や下り坂の走行時には、機械エネルギーを受けて電気を発生する発電機として機能することもできる。発生した電気は、インバータ等により直流とされた後、必要により降圧手段を通して、電池（二次電池）に供給され、該電池を充電する。

本発明の超電導モータの一例の、ステータ部分の概要を示す斜視図である。 図１の超電導モータの、回転軸に垂直な断面図である。 本発明の超電導モータに用いられる超電導コイルの一例の斜視図である。 本発明の超電導モータに用いられる超電導コイルの他の一例の斜視図である。 本発明の超電導モータに用いられる超電導コイルの一例の概略断面図である。 図５の部分拡大断面図である。

符号の説明

１、 ステータ
２、 ティース
３、 超電導コイル
４、 ロータ
５、 永久磁石
６、 超電導線材
７、 超電導体のフィラメント
８、 絶縁層
９、 銀合金

Claims (6)

1. ステータ、該ステータに設けられた電機子、及びロータを有し、該電機子に超電導線材からなるコイルを用いることを特徴とする超電導モータ。
2. 誘導モータ又は同期型モータであることを特徴とする請求項１に記載の超電導モータ。
3. 超電導線材が、テープ状であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の超電導モータ。
4. 該コイルが、テープ状の超電導線材を、隣接したテープの断面の長辺が積層されるようにらせん状に巻いて形成されたことを特徴とする請求項３に記載の超電導モータ。
5. 該超電導線材として、ビスマス系又はレアアース系の超電導線材を用いることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の超電導モータ。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の超電導モータを用いることを特徴とする自動車。
   
   

Images