JP2005176582A - Superconducting motor and automobile employing it - Google Patents
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Abstract
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る自動車に関するものである。 The present invention relates to a superconducting motor and an automobile using the superconducting motor. More specifically, a coil made of a superconducting wire (hereinafter referred to as a superconducting coil) is used for an armature (hereinafter referred to as a stator armature) provided in the stator, and is used for an electric vehicle or a hybrid. The present invention relates to a superconducting motor used for driving an automobile and the like, and an automobile using the superconducting motor.
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。
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)。
In recent years, electric vehicles and hybrid vehicles that run using an electric motor (hereinafter simply referred to as a motor) as a drive source have attracted attention as environmentally-friendly vehicles.
For example, Japanese Patent Laid-Open No. 2002-166735 discloses a hybrid electric vehicle (hybrid vehicle) that has an internal combustion engine power system, a battery power system, a power converter, and a main transmission, and that has reduced exhaust problems and is excellent in economy. The battery power system receives electric power from the battery and acts as a motor (
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、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で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。 Motors used in electric vehicles and hybrid vehicles are required to have high output, and the motor itself is required to be light and small. Conventional motors for automobiles are mainly synchronous motors, and an armature formed by winding a copper wire in a coil shape is provided on the stator side, and a rotating magnetic field is generated by passing, for example, a three-phase alternating current through the armature. However, in order to reduce the size of such a synchronous motor, it is essential to reduce the size of the stator armature portion.
しかし、従来の銅線をコイル状に巻いて形成された電機子を用いる場合、高出力と小型化を同時に達成することは困難であった。そこで本発明者は鋭意検討の結果、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、そして該超電導コイルに大電流を流すことにより、コイルの巻き数を低減しても大きな駆動力が得られるので、高出力を維持しながらも、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た。そして、このような超電導コイルとしては、図3や図4でその外観が示されるような、テープ状の超電導線材をその断面の長辺を重ねるように積層し、らせん状に巻いたコイルが好ましく用いられることを見出した。 However, when using an armature formed by winding a conventional copper wire in a coil shape, it has been difficult to simultaneously achieve high output and miniaturization. Therefore, as a result of intensive studies, the present inventor can use a superconducting coil as a winding of a stator armature, and a large drive even if the number of turns of the coil is reduced by passing a large current through the superconducting coil. It has been found that since the force can be obtained, the size and weight of the stator armature portion can be significantly reduced while maintaining a high output, and thus the motor can be reduced in size and weight. As such a superconducting coil, a coil in which a tape-like superconducting wire is laminated so that the long sides of its cross section overlap each other as shown in FIG. 3 and FIG. Found to be used.
一方、従来の同期型モータの電機子コイルの巻き方としては、ティース毎に1のコイルを巻付ける集中巻きや、1のコイルを複数のティースにわたって巻付け各コイルのステータの周方向の位置を重ねるようにした分布巻きがある。分布巻きは、電圧波形が改善され、逆起電力の発生を抑えやすく、弱め界磁制御、リアクタンストルクの有効活用が可能となる等のすぐれた特徴を有し、高トルクで特に運転範囲が広く要求される自動車の駆動用モータに好適に適用される。 On the other hand, as a method of winding an armature coil of a conventional synchronous motor, concentrated winding in which one coil is wound for each tooth, or one coil is wound over a plurality of teeth, and the position of each coil in the circumferential direction is determined. There are distributed windings that overlap. Distributed winding has excellent characteristics such as improved voltage waveform, easy suppression of back electromotive force, field weakening control, and effective use of reactance torque. High torque and particularly wide operating range are required. The present invention is preferably applied to a motor for driving automobiles.
しかし、前記のようなテープ状の超電導線材を、従来のコイルと同様な方法により分布巻きすることはできない。そこで、テープ状の超電導線材をその断面の長辺を重ねるように積層しらせん状に巻いて一体化したコイルを用い、かつ分布巻きと同様な優れた特徴が得られる、コイルの配置方法の開発が望まれる。 However, the tape-like superconducting wire as described above cannot be distributedly wound by the same method as that of the conventional coil. Therefore, development of a coil arrangement method that uses a coil-like superconducting wire laminated in a spiral shape so that the long sides of its cross-section overlap and is integrated, and has the same excellent features as distributed winding Is desired.
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るとともに、弱め界磁制御、リアクタンストルクの有効活用が可能となる等の分布巻きのすぐれた特徴をも併せ持ち、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。 The present invention has a distribution in which the number of windings of the stator armature is reduced to achieve a reduction in size and weight, and a large driving force can be obtained, and field weakening control and reactance torque can be effectively used. It is an object of the present invention to provide a motor that has excellent winding characteristics and is suitable for driving an electric vehicle or a hybrid vehicle, and a vehicle that uses the motor.
本発明者は、ステータに電機子が設けられた多相モータであって、該ステータ電機子として、テープ状の超電導線材をその断面の長辺を重ねるように積層しらせん状に巻いて一体化して形成された超電導コイルを複数用い、隣接する超電導コイル(ステータ周方向の位置に関して最も近く、異なった位相の交流が流れるコイルを言う。)のステータ周方向の位置が互いに一部重なりあうように配置することにより、モータの高出力と小型化を同時に達成できるとともに、分布巻きの優れた特徴も得られることを見出し、本発明を完成した。 The present inventor is a multiphase motor having an armature provided on a stator, and the stator armature is formed by laminating a tape-like superconducting wire so that the long sides of the cross-section are stacked and spirally wound. A plurality of superconducting coils formed in the same manner are used so that adjacent superconducting coils (which are closest to the position in the stator circumferential direction and which have different phases of alternating current flow) partially overlap each other in the circumferential direction of the stator. As a result of the arrangement, it has been found that high output and miniaturization of the motor can be achieved at the same time and that excellent characteristics of distributed winding can be obtained, and the present invention has been completed.
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、及びロータを有する多相モータであって、該電機子は、テープ状の超電導線材をその断面の長辺が重なるように積層しながららせん状に巻いて一体化して形成された超電導コイルからなり、かつ隣接する超電導コイルが、それらのステータ周方向の位置が互いに一部重なりあうように配置されていることを特徴とする超電導モータを提供する。
The present invention provides a multiphase motor having a stator, an armature provided on the stator, and a rotor according to
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用いられる。 In the superconducting motor of the present invention, a rotating magnetic field is generated by flowing alternating currents out of phase to the plurality of armatures provided in the stator, and the driving force is generated by the attractive force and repulsive force with the rotor. Occurs. As the alternating current, a multi-phase alternating current such as a three-phase alternating current is used to generate a smooth rotating magnetic field.
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させることができる。従って、巻き数を低減し、電機子、ひいてはモータの小型化、軽量化を達成しながら、かつ高い出力が達成される。 The superconducting coil can pass a much larger current than a coil made of a normal copper wire or the like, and can generate a large magnetic flux density even when the number of turns of the coil is small. Therefore, the number of turns can be reduced, and the armature and thus the motor can be reduced in size and weight, and a high output can be achieved.
本発明の超電導モータに用いられる超電導コイルは、テープ状の超電導線材を、隣接したテープの断面の長辺を重ねるように積層してらせん状に巻いて形成される。この超電導コイルは、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。 The superconducting coil used in the superconducting motor of the present invention is formed by laminating a tape-shaped superconducting wire so as to overlap the long sides of the cross-sections of adjacent tapes, and winding them in a spiral shape. This superconducting coil usually has a racetrack shape as shown in FIG. 3 or a pancake shape as shown in FIG. In each coil, a single tape-shaped superconducting wire is wound in a spiral shape, and laminated so that the upper and lower surfaces of the tapes of adjacent spiral periods (coil periods) overlap. Adjacent spiral tapes are insulated by an insulating material or the like, and an insulating adhesive is exemplified as the insulating material.
本発明の超電導モータは、ステータに電機子を設ける形態にもその特徴を有し、隣接する超電導コイルが、それらのステータ周方向の位置が互いに一部重なりあうように配置されている。隣接する超電導コイルには、位相のずれた交流が流されるが、これらのコイルをこのような配置とすることにより、電圧波形が改善され、逆起電力の発生を抑えやすく、弱め磁界、リアクタンストルクの活用が可能となる等の分布巻きの優れた特徴が達成される。 The superconducting motor of the present invention also has a feature in a mode in which an armature is provided on a stator, and adjacent superconducting coils are arranged such that their positions in the stator circumferential direction partially overlap each other. Adjacent superconducting coils carry alternating currents that are out of phase, but by arranging these coils in this way, the voltage waveform is improved, the generation of counter electromotive force is easily suppressed, weak magnetic field, reactance torque An excellent feature of distributed winding, such as being able to be utilized, is achieved.
ステータ周方向の位置が互いに一部重なりあうように配置されるとは、モータ回転軸に垂直にモータを切った断面図において、ロータ回転軸A、超電導コイルの左端(内周側)点B、超電導コイルの右端(内周側)点Cにより形成される3角形を三角形ABC(図1、図2におけるABC)としたとき、隣接する超電導コイルについての三角形ABCが、一部は互いに重なるように配置されることを言う。一部が重なるのであるから、重なっていない部分も存在しなければならない。なめらかな回転を達成するために、モータ内の全ての超電導コイルについて、該三角形ABCの重なり合う部分の面積比(該三角形ABC全体の面積に対する重なっている部分の面積比)が等しいことが好ましい。 The positions in the circumferential direction of the stator are arranged so as to partially overlap each other in the sectional view of the motor cut perpendicularly to the motor rotation axis, the rotor rotation axis A, the left end (inner circumference side) point B of the superconducting coil, When the triangle formed by the right end (inner peripheral side) point C of the superconducting coil is a triangle ABC (ABC in FIGS. 1 and 2), the triangles ABC of adjacent superconducting coils partially overlap each other. Say to be placed. Since parts overlap, there must also be parts that do not overlap. In order to achieve smooth rotation, it is preferable for all superconducting coils in the motor to have the same area ratio of overlapping portions of the triangle ABC (area ratio of overlapping portions to the entire area of the triangle ABC).
なお、電機子の数(極数)が多い場合、超電導コイルの、コイルのステータ周方向の大きさによっては、隣接するコイルのさらに隣接するコイル等とも、それらのステータ周方向の位置が互いに一部重なりあうように配置されてもよい。 When the number of armatures (the number of poles) is large, depending on the size of the superconducting coil in the stator circumferential direction of the coil, the positions of the adjacent coils of the adjacent coils and the like in the stator circumferential direction are the same. You may arrange | position so that a part may overlap.
ステータ周方向の位置が互いに一部重なりあうように超電導コイルを配置する方法としては、例えば、次の配置法1及び配置法2が挙げられる。
配置法1: 周方向の位置が一部重なりあう超電導コイルを、ロータ回転軸を中心とし半径が異なる円周上に配置する。
配置法2: 超電導コイルを、ステータ周方向に対して一定角度傾けて配置する。
配置法1及び配置法2を組合せることも可能である。
Examples of a method for arranging the superconducting coils so that the positions in the circumferential direction of the stator partially overlap each other include the following
Arrangement method 1: A superconducting coil whose positions in the circumferential direction partially overlap each other is arranged on a circumference having different radii around the rotor rotation axis.
Arrangement method 2: The superconducting coil is arranged at an angle with respect to the circumferential direction of the stator.
It is also possible to combine the
本発明の請求項2は、配置法1を採用した態様に該当し、前記の超電導モータであって、ステータ周方向の位置が互いに一部重なりあうように配置されている超電導コイルのそれぞれが、ロータ回転軸を中心とし半径が異なる円周上にそれぞれ配置されていることを特徴する超電導モータを提供するものである。
異なった位相の交流が流される隣接するコイルは、ステータ周方向の位置が互いに一部重なりあうように配置されるので、この態様の場合は、半径が異なる円周上に配置される。一方、隣接されていないコイル等、コイル周方向の位置が重なりあわないコイルは、同一円周上に配置されてもよい。 Adjacent coils through which alternating phases of different phases are passed are arranged so that their positions in the circumferential direction of the stator partially overlap each other. In this embodiment, they are arranged on the circumferences having different radii. On the other hand, coils whose positions in the coil circumferential direction do not overlap such as coils that are not adjacent to each other may be arranged on the same circumference.
特に、同じ位相の交流が流される超電導コイル(ステータ周方向の位置は互いに重ならない。)は、滑らかな回転磁界を発生するために、同一円周上に配置されることが好ましい。本発明の、請求項3は、請求項2の超電導コイルであって、同じ位相の交流が流されるコイル(同一相に対応するコイル)が、ロータ回転軸を中心とした同一円周上に配置されていることを特徴する超電導モータを提供するものである。図1はこの配置の一例を示すものである。通常、同一相に対応する超電導コイルを同一円周上に配置し、相毎に配置する円周の半径を異なるようにするので、N相モータの場合は、超電導コイルがN段で配置されたステータ電機子となる。 In particular, it is preferable that the superconducting coils (the positions in the circumferential direction of the stator do not overlap with each other) through which alternating currents of the same phase flow are arranged on the same circumference in order to generate a smooth rotating magnetic field. The third aspect of the present invention is the superconducting coil according to the second aspect, wherein coils having the same phase alternating current (coils corresponding to the same phase) are arranged on the same circumference around the rotor rotation axis. The present invention provides a superconducting motor that is characterized by the above. FIG. 1 shows an example of this arrangement. Normally, superconducting coils corresponding to the same phase are arranged on the same circumference, and the circumference radius of each phase is made different. In the case of an N-phase motor, the superconducting coils are arranged in N stages. It becomes a stator armature.
本発明の請求項4は、配置法2を採用した態様に該当し、前記の超電導モータであって、超電導コイルが、ステータ周方向に対して一定角度傾けられて配置されていることを特徴する超電導モータを提供するものである。図2はこの配置の一例を示すものであるが、このように配置することにより、ステータ周方向の位置が互いに一部重なりあう隣接するコイルを、同一円周上に配置することも可能である。
A fourth aspect of the present invention corresponds to an aspect adopting the
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、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。 The superconducting motor of the present invention is preferably applied to induction motors, synchronous motors, and the like. A fifth aspect of the present invention corresponds to this preferred embodiment, and provides a superconducting motor, which is the superconducting motor, which is an induction motor or a synchronous motor.
本発明の超電導モータに使用され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。 The tape-shaped superconducting wire used in the superconducting motor of the present invention is not particularly limited, but is usually produced by the following method. First, a metal tube filled with a raw powder mixture of a superconducting wire is drawn to obtain a clad wire coated with the material of the metal tube using the raw powder mixture as a core material. A plurality of clad wires obtained in this way are bundled, inserted into a metal tube again, and drawn, whereby the raw material powder mixture becomes a filament, and many filaments are embedded in the metal tube material (metal sheath). A core wire is obtained. The multifilamentary wire thus obtained is mechanically pressurized from above and below to form a tape (rolling process) to obtain a superconducting wire. As the material of the metal tube, silver or a silver alloy is preferably used.
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6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。
As the superconducting wire, a bismuth-based or rare earth-based superconducting wire is preferably exemplified.
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。 A preferred example of the bismuth-based superconducting wire is a Bi-2223 wire having a main phase of Bi-2223 phase with a composition ratio (molar ratio) of (Bi + Pb): Sr: Ca: Cu of about 2: 2: 2: 3. Is done. Bi-2223 wire has a high critical temperature of about 110K, and when the critical current value is not coiled, it reaches 100 times at 77K and 200-300 times at 20K compared to copper wire. Even in this case, a very large critical current value of about half of the above can be obtained.
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。 The rare earth-based superconducting wire is a high-temperature superconducting wire composed of Re (rare earth) -Ba-Cu-O, and the rare earth is exemplified by holmium. The rare earth-based superconducting wire can achieve a higher current density than the bismuth-based superconducting wire, and also has the characteristics of good magnetic field resistance.
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。 As described above, by using the superconducting wire, it is possible to significantly increase the current to be energized as compared with the case of the copper wire. However, since the magnetic flux density saturates at a certain ampere turn, it is often more effective to reduce the number of turns by increasing the current while maintaining the ampere turn, rather than measuring an increase in ampere turn (for example, If a bismuth-based superconducting wire can pass a current 100 times that of a copper wire, the number of turns can be reduced to 1/100. By reducing the number of turns, the armature can be downsized, and thus the motor can be downsized.
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7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。
The superconducting motor of the present invention is preferably used for automobiles. Accordingly, the present invention provides an automobile characterized in that, in
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。 The superconducting motor of the present invention exhibits a large driving force upon receiving electric energy, but also functions as a generator that generates electric energy by receiving mechanical (rotational) energy. For example, when the superconducting motor of the present invention is used for driving an electric vehicle or a hybrid vehicle, it functions as a generator and generates a regenerative current when the vehicle is decelerated, stopped, or traveling downhill. The battery can be charged.
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とともに、逆起電力の発生を抑えやすい、弱め磁界、リアクタンストルクの活用が可能となる等の分布巻きのすぐれた特徴も有するものであり、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。 The superconducting motor of the present invention has a weakening magnetic field that reduces the number of windings of the stator armature and achieves a reduction in size and weight, while providing a large driving force and easily suppressing the occurrence of back electromotive force. It also has an excellent feature of distributed winding such that the reactance torque can be utilized, and is suitably used for driving an electric vehicle or a hybrid vehicle. In addition, in an automobile using the superconducting motor, it is easy to achieve weight reduction and high output by utilizing the above-described features.
図1は、本発明の超電導モータの一例の、ロータ回転軸に垂直な断面図である。本例の超電導モータは、3相8極型であり、各相に対応した超電導コイル1、2及び3が、各相それぞれ8、合計24、ステータ5の内周に沿って配置されている。本発明の超電導モータとしては、極数は8に限定されず、4極、6極、12極等他の極数のモータも、本発明の超電導モータとなり得る。なお、図1中の超電導コイル1’、2’及び3’は、超電導コイル1、2及び3のそれぞれと同一相に対応するコイルであるが、極性が逆である。図中では、極性が逆のコイルはその輪郭が点線で示されている。
FIG. 1 is a cross-sectional view of an example of the superconducting motor of the present invention perpendicular to the rotor rotation axis. The superconducting motor of this example is a three-phase, eight-pole type, and
超電導コイル1、2及び3並びに超電導コイル1’、2’及び3’は、図3で示されるレーストラック状、又は図4で示されるパンケーキ状の形状を有する。図1及び図2中の各コイルの輪郭は、図3又は図4の矢印方向からコイルを見た場合の形状に相当する。なお、図3及び図4については後に詳述する。 The superconducting coils 1, 2 and 3 and the superconducting coils 1 ', 2' and 3 'have a racetrack shape shown in FIG. 3 or a pancake shape shown in FIG. The outline of each coil in FIGS. 1 and 2 corresponds to the shape when the coil is viewed from the direction of the arrow in FIG. 3 or FIG. 3 and 4 will be described in detail later.
図1より明らかなように、隣接するコイルについて、例えばコイル1とコイル2、コイル2とコイル3とでは、ロータ回転軸A、超電導コイルの左端(内周側)点B、超電導コイルの右端(内周側)点Cにより形成される三角形ABCは、互いに一部が重なっている。本例では、隣接するコイルのさらに隣接するコイルについても該三角形ABCは一部が重なっている。
As is clear from FIG. 1, for adjacent coils, for example, in the
超電導コイル1、2及び3並びに超電導コイル1’、2’及び3’には、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いる。本例のモータは、同期型モータであり、ロータ4の外周側には、永久磁石(図示せず)がロータ4の外周に沿って設けられている。そして、超電導コイルにより発生される回転磁界と、ロータ4の永久磁石との間の吸引、反発力により駆動力が発生する。
永久磁石の代りに、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。
The superconducting coils 1, 2 and 3 and the superconducting coils 1 ', 2' and 3 'are sequentially supplied with U, V and W phases of three-phase alternating current, and a rotating magnetic field is generated. At the center of the superconducting motor, a rotor 4 is provided so as to be rotatable about a rotation axis. The motor of this example is a synchronous motor, and a permanent magnet (not shown) is provided along the outer periphery of the rotor 4 on the outer peripheral side of the rotor 4. A driving force is generated by the attractive and repulsive force between the rotating magnetic field generated by the superconducting coil and the permanent magnet of the rotor 4.
Instead of the permanent magnet, an electromagnet can be used, or a superconducting coil can be used, and these cases also function as a synchronous motor.
超電導コイル1、2及び3並びに超電導コイル1’、2’及び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。)そこで、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。
In order to keep the
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。 As the refrigerant, liquid hydrogen, liquid nitrogen, or the like is used. In automobiles using fuel cells, liquid hydrogen has the advantage that it can serve both as a refrigerant and power generation, but liquid nitrogen is usually preferred because it is cheap and safe. If the bismuth-based superconducting wire is used, the superconducting state can be maintained by cooling with liquid nitrogen.
図2は、本発明の超電導モータの他の一例の、ロータ回転軸に垂直な断面図である。本例の超電導モータも、3相8極型であり、各相に対応した超電導コイル1a、2a及び3aが、各相それぞれ8づつ、合計24、ステータ5の内周に沿って配置されている。
FIG. 2 is a cross-sectional view perpendicular to the rotor rotation axis of another example of the superconducting motor of the present invention. The superconducting motor of this example is also a three-phase eight-pole type, and
図2中の超電導コイル1'a、2'a及び3'aは、超電導コイル1a、2a及び3aのそれぞれと同一相に対応するコイルであるが、極性が逆である。図中では、極性が逆のコイルはその輪郭が点線で示されている。
Superconducting coils 1'a, 2'a and 3'a in FIG. 2 are coils corresponding to the same phase as
本例においても隣接するコイルについて、例えばコイル1aとコイル2a、コイル2aとコイル3aとでは、ロータ回転軸A、超電導コイルの左端(内周側)点B、超電導コイルの右端(内周側)点Cにより形成される三角形ABCは、互いに一部が重なっている。しかし、各超電導コイル(超電導コイル1'a、2'a及び3'a、超電導コイル1a、2a及び3a)は、ステータ周方向に対して15度傾けられて配置されているので、全てのコイルを同一円周上に配置することが可能になっている。なお、駆動力の発生のメカニズムや冷却等他の点では、図1の例と同じであり、説明を省略する。
Also in this example, for the adjacent coils, for example, in the
図3は、レーストラック状の超電導コイルを示す斜視図である。この形状の超電導コイルは、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)のテープの上面及び下面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、形成される。 FIG. 3 is a perspective view showing a racetrack-shaped superconducting coil. The superconducting coil of this shape is formed by laminating tape-shaped superconducting wires in a spiral shape so that the upper and lower surfaces of the tapes of adjacent spiral periods (coil periods) overlap, resulting in a racetrack shape as shown in FIG. It is formed by wrapping around.
図5は、超電導線材が、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、超電導コイルの概略断面図である。図5に示されるように、超電導コイルは、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。
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of a superconducting coil showing a state in which superconducting wires are laminated so that the upper surface and the lower surface of a tape having a helical period (coil period) overlap. As shown in FIG. 5, the superconducting coil is formed by laminating
図6は、図5の超電導コイルの部分拡大断面図であり、図5のM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。
FIG. 6 is a partial enlarged cross-sectional view of the superconducting coil of FIG. 5, and shows an enlarged view of the M part of FIG. FIG. 6 shows that a
なお、レーストラック状の超電導コイルの代りに、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。 It is also possible to use a pancake-shaped superconducting coil shown in FIG. 4 instead of the racetrack-shaped superconducting coil. The pancake-shaped superconducting coil is also different from the racetrack-shaped superconducting coil only in the external shape, and has the same laminated structure and internal configuration.
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。 The automobile of the present invention is equipped with the superconducting motor formed as described above. In particular, electric vehicles and hybrid vehicles in which the superconducting motor is mounted for driving are typical examples.
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。 An electric vehicle or a hybrid vehicle equipped with a synchronous motor (superconducting motor) of the above form for driving has a battery such as a fuel cell or a secondary battery, an inverter, and a direct current from the battery. It is changed to alternating current by an inverter (voltage is raised by a booster if necessary) and supplied to a superconducting motor to generate a driving force of an automobile. The automobile of the present invention further includes cooling means such as a cooling device and a refrigerant circulation device for maintaining the superconducting state of the superconducting coil, and further booster means for increasing the voltage supplied to the superconducting motor as necessary, the superconducting You may have a pressure | voltage fall means for reducing the voltage which generate | occur | produced with the motor.
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。 In the case of a hybrid vehicle, the driving force of the vehicle is generated by combining the superconducting motor and the internal combustion engine. The superconducting motor of the present invention can be used in any type of hybrid vehicle such as a parallel type, a series type, and a parallel series type.
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。 The superconducting motor for driving installed in the automobile of the present invention can also function as a generator that generates electricity by receiving mechanical energy when the automobile is decelerated or traveling downhill. The generated electricity is converted into a direct current by an inverter or the like, and then supplied to a battery (secondary battery) through a step-down unit as necessary to charge the battery.
1、2、3、1’、2’、3’、1a、2a、3a、1'a、2'a、3'a、 超電導コイル
4、4a、 ロータ
5、5a、 ステータ
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
A、 ロータ回転軸
1, 2, 3, 1 ', 2', 3 ', 1a, 2a, 3a, 1'a, 2'a, 3'a,
Claims (7)
An automobile using the superconducting motor according to any one of claims 1 to 6.
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