JP2005204492A - 超電導モータ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高効率で簡易かつ効率的な冷却を可能とする超電導モータ装置を提供する。
【解決手段】ハウジングとなる固定子１１の内周面に複数の固定側超電導材１３を取り付けていると共に、固定子１１の内部空間に軸架される回転駆動軸１２の外面に回転側超電導材１５を取り付け、各固定側超電導材１３へ供給される電流の位相ズレにより発生する回転磁界により、回転駆動軸１２側の回転側超電導材１５に回転力が誘起される。また、固定側超電導材１３と回転側超電導材１５とを冷媒で冷却している。
【選択図】図１

Description

本発明は、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高効率な超電導モータに関するものである。

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、電気抵抗によるエネルギー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、超電導体部分でのエネルギー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を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効率的である。

しかしながら、上記超電導モータは、回転子（ロータ）側にのみ超電導材料を使用して、固定子（ステータ）側には常電導材料を用いるのが通常である。超電導性能を発揮させるために極低温に冷却する冷媒が必要であり、固定子側にも超電導材料を使用すると、その分、冷却装置が大型化して構造が複雑になる問題があるからである。
また、固定子側に超電導材料を使用した場合、該超電導材料の抵抗が小さいため大電流が流れるが、モータ内の超電導材料に供給するまでの導電路におけるロスを考慮すると、通常は大規模な電源が必要となる問題もある。
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、超電導モータを高効率にすると共に簡易かつ効率的な冷却を可能と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、ハウジングとなる固定子の内周面に周方向に間隔をあけて複数の固定側超電導材を取り付けていると共に、上記固定子の内部空間に軸架される回転駆動軸の外面に回転側超電導材を取り付け、
上記各固定側超電導材へ供給される電流の位相ズレにより発生する回転磁界により、上記回転駆動軸側の回転側超電導材に回転力が誘起される構成としていることを特徴とする超電導モータ装置を提供している。

上記構成とすると、モータの回転駆動軸に設ける回転側超電導材だけでなく、固定子に取り付ける導体をも抵抗が極小となる超電導材料（固定側超電導材）を用いているので、少ない電力で大きい出力を高効率に得ることができる。

上記超電導材の超電導性能を発揮させるための冷却機構は下記の通りとしており、いずれの構成としても、簡単な構成で超電導材を極低温に冷却できる構成としている。
第１の冷却機構は、
上記固定子と回転子の間の空間を冷媒導入部として気体からなる冷媒を充満させている。
上記冷媒導入部に充満させる冷媒としては、超電動温度（超電導材を超電導状態とできる温度で，超電導材の種類に応じて相違するが略２０ケルビン以下）でも気体状態を維持できる気体、例えばヘリウムガスを冷媒としている。
このように、冷媒を気体とすると、回転子と接触させても回転子の回転に影響をあたえず、回転子外面の超電導材に直接接触させて冷却することができる。同様に固定子内周面の超電導材にも直接接触させて冷却することができる。

第２の冷却機構は、
上記固定子の内部空間に、上記固定側超電導材が配置されている外周空間と上記回転側超電導材が配置されている内周空間とを仕切る高熱伝導性材料からなる隔壁を設け、上記外周空間を冷媒導入部とし冷媒を充満させ、上記隔壁を介して上記回転側超電導材側の内周空間を間接冷却する構成としている。

上記構成とすると、固定子の内周面に取り付けた固定側超電導材を上記冷媒で直接的に冷却することができ、超電導特性を高めることができる。また、固定側超電導材と回転側超電導材とを仕切る隔壁を高熱伝導性材料としているので、上記冷媒による冷却効果を回転側超電導材にも間接的に与えることができ、超電導モータ全体を冷却することができる。さらに、冷媒は上記隔壁により回転駆動軸側に流れないようにしているので、回転駆動軸の軸受部分等から冷媒が外部に漏れることも確実に防止できる。
上記のように、回転子側と直接接触させないため、隔壁で隔てられた外周空間の冷媒導入部に充満させる冷媒としては液体水素や液体窒素の液体の冷媒が好適となる。但し、この隔壁で回転子と隔てられた外周側の冷媒導入部にヘリウムガス等の気体の冷媒を充満させてもよい。

第３の冷却機構として、
上記固定子の内部で且つ上記固定子側超電導材に近接した位置に冷媒導入部となる孔を穿設し、あるいは
上記固定子外面側を断熱材を密着させて囲繞し、あるいは
上記固定子外面側に冷媒導入部となる空隙をあけて断熱材で囲繞し、
上記冷媒導入部に冷媒を充満させている上記固定子の外面側を断熱材を密着させて囲繞し、あるいは固定子の外面側を冷媒導入部となる空隙をあけて断熱材で囲繞し、冷媒を充満させている。
特に、固定子内部において固定子側超電導材に近接位置に冷媒導入部となる貫通孔を穿設して、該貫通孔に冷媒を導入しておくと、固定子側超電導材を効率的に超電導温度まで冷却することができる。
また、超電導モータの外面を断熱材で包囲することにより、上記固定子と上記隔壁との間の空間に導入された冷媒による冷却が外部に発散するのを防止することができる。
上記固定子側の冷媒導入部には、固定子内部側の冷媒導入部と同一の液体冷媒あるいは気体冷媒を同一供給源から導入することが好ましい。

また、上記固定側超電導材に給電する電線あるいは／および電源部は超電導材料を使用している構成とすることが好ましい。
上記構成とすると、固定側超電導材に至るまでの給電路においても抵抗が極小となる超電導材料を採用することで、給電に必要な電源電力が小電流で済み、電源を小規模なものにすることができる。

上記のように、固定側超電導材に給電する上記電線および電源部を超電導材から形成した場合、これら電線および電源部も超電導温度で冷却する必要がある。
これに対応する第４の冷却機構として、
固定側超電導材に給電する上記電線および電源部を囲むカバーを設け、該カバーの内部空間を前記冷媒導入部と連通させて冷媒を充満させ、上記電線および電源部を上記冷媒で冷却する構成としている。
この第４の冷却機構は、第１あるいは第２の冷却機構と、第３の冷却機構とが組み合わされて用いられる。
具体的には、固定子の内部空間に隔壁を設けた場合には、外周空間の冷媒導入部と上記カバー材で囲まれた冷媒導入部とを連続させている。あるいは／および、固定子の外面側の冷媒導入部と前記カバー内部の冷媒導入部とを連続させている。
この場合は、冷媒として液体冷媒、気体冷媒のいずれでもよい。
また、固定子の内部空間全体を冷媒導入部として気体冷媒を導入した場合には、固定子の内部空間と前記カバー内の冷媒導入部とを連続させて気体冷媒を導入している。

上記構成とすると、電源側からモータ側まで冷媒流路が連通されるので、冷媒の供給構造を単純化することが可能となると共に、冷却効果を高めることができる。

第５の冷却機構として、
上記回転駆動軸を中空軸とし、該回転駆動軸の中空部を冷媒導入部として、冷媒を導入している。
この第５の冷却機構は、外周面に超電導材を備えた回転子を内部より冷却しており、前記第１あるいは第２の冷却機構と、第３の冷却機構、第４の冷却機構と組み合わされて用いると、一層、モータ全体を効率的に冷却することができる。なお、第１あるいは第２の冷却機構とだけ組み合わせても冷却効果を高められる。

上記回転軸の中空部の冷媒導入部には、上記固定子内部の冷媒導入部に導入する冷媒と同一冷媒を同一の供給源より導入することが好ましい。該構成とすると冷却機構を簡単にすることができる。

上記冷媒導入部に導入する冷媒を液体水素とした場合、超電導材の冷却時に冷媒自体は加熱されて液体水素が徐々に気化されていく。この気化した水素を配管に集め、該配管を通して電力発生装置に送給し、該電力発生装置で電力変換し、変換した電力で超電導モータを稼働する構成とすることが好ましい。
上記のように、冷媒として用いた液体水素から気化した水素を、超電導モータの駆動エネルギーとして再利用することで、超電導モータの駆動用として貯溜する水素タンク内の貯溜量を減少させることができる。

上記気化した水素を送給する電力発生装置は、燃料電池もしくは内燃機関エンジンと超電導発電機との組み合わせのいずれでもよく、例えば、内燃機関エンジンを水素エンジンとして上記気化した水素を供給している。

以上の説明より明らかなように、本発明によれば、モータの回転駆動軸に設ける回転側超電導材だけでなく、固定子に取り付ける導体をも超電導材料（固定側超電導材）を用いているので、高効率なモータを得ることができる。

また、固定側超電導材および回転子側超電導材を冷媒する冷却機構として前記した第１〜第５の冷却機構を組み合わせて用いることで、超電導材を超電導温度に冷却することができ、超電導材の機能を十分に発揮させることができる。

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Ｑを超電導モータ装置１０の冷媒として共用している。

超電導モータ装置１０の超電導モータ３０は、ハウジングとなる円筒形状の固定子１１の内周面に固定側超電導コイル１３である第１固定側超電導コイル１３Ａ、第２固定側超電導コイル１３Ｂおよび第３固定側超電導コイル１３Ｃを周方向に１２０°の等間隔をあけて設置している。
固定子１１の内部空間には、超電導モータ３０の回転駆動軸１２に回転側超電導コイル１５が固定されており、回転駆動軸１２の一端側は軸受１８を貫通して駆動伝達手段２１にまで延在されている。
固定側超電導コイル１３および回転側超電導コイル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。

固定子１１の内部空間には、第１〜第３固定側超電導コイル１３Ａ〜１３Ｃと回転側超電導コイル１５とを別空間（外周空間２２と内周空間１４）に仕切る筒状の隔壁１６を設け、隔壁１６の外周面と固定子１１の内周面との間に形成される外周空間２２を液体水素Ｑからなる液体冷媒の冷媒導入部としている。
上記隔壁１６は銅、銀、ダイヤ、アルミニウム（窒化アルミ等）等の高熱伝導性材料を用いており、外周空間２２の冷却効果が隔壁１６を伝達して内周空間１４の回転側超電導コイル１５を冷却するようにしている。

固定子１１の側面には外周空間２２と連通する開口１１ａを穿設し、開口１１ａを通じて二次電源部２３ａと連続する電線２３を外周空間２２内に挿通し、電線２３の端部２３ｂを第１〜第３固定側超電導コイル１３Ａ〜１３Ｃにそれぞれ接続している。上記二次電源部２３ａはバッテリー２５に接続されたコイル２４と対向配置させたコイルからなる。

電線２３（二次電源部２３ａを含む）として超電導材料を用い、該電線２３をカバー２６で包囲し、配線空間を冷媒導入部１９とし、超電導モータ３０の外周空間２２からなる冷媒導入部と開口１１ａを通じて連通している。上記冷媒導入部１９に設けた導入口１９ａを液体水素を貯留するタンク（図示せず）と接続された冷媒供給手段２０と接続している。また、固定子１１および冷媒流路１９の外面は断熱材１７、２６で囲繞し、外周空間２２および冷媒流路１９に導入された液体水素による冷却効果が外部に逃げないようにしている。

上記構成の超電導モータ装置１０の動作は、バッテリー２５から電線２３を介して三相交流を第１〜第３固定側超電導コイル１３Ａ〜１３Ｃに供給することで、各固定側超電導コイル１３Ａ〜１３Ｃへの給電の位相ズレにより固定子１１内に回転磁界を発生させ、この回転磁界を受けて回転側超電導コイル１５に渦電流が誘導されて回転力が発生し、回転駆動軸１２が回転される。該回転駆動軸１２のトルクが駆動伝達手段２１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。

第１〜第３固定側超電導コイル１３Ａ〜１３Ｃおよび二次電源部２３ａを含む電線２３は、外周空間２２および冷媒流路１９内の液体水素Ｑにより約２０ケルビンの極低温に冷却されるので、超電導特性を十分に発揮することができ、小規模な電源２５で効率の良い回転出力を得ることができる。また、隔壁１６は上述した銅などの高熱伝導性材料を使用しているので、外周空間２２の冷却効果を内周空間１４の回転側超電導コイル１５に及ばすことができる。なお、本実施形態で第１〜第３固定側超電導コイル１３Ａ〜１３Ｃ、回転側超電導コイル１５および電線２３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。

上記構成とすると、回転駆動軸１２に固定される回転側超電導コイル１５だけでなく、固定子１１に取り付けられる導体をも超電導材料として第１〜第３固定側超電導コイル１３Ａ〜１３Ｃを用いているので、小規模な電源で大電流を得ることができ、非常に高効率なモータを実現することができる。さらに、大電流が流せることにより、第１〜第３固定側超電導コイル１３Ａ〜１３Ｃのコイル巻数を低減でき装置の小型化を図ることができる。また、第１〜第３固定側超電導コイル１３Ａ〜１３Ｃは冷媒で直接冷却されるので冷却効率が高く、且つ、冷媒導入部となる外周空間２２を固定子１１内部に設けるため省スペース化にも貢献する。さらに、外周空間２２内の液体水素は隔壁１６により回転駆動軸１２側に流れないようになっているので、回転子側の回転力は液体水素による抵抗をうけない。また、冷媒流路１９と外周空間２２とを開口１１ａで連通させているので、二次電源部２３ａ、電線２３およびモータ本体３０を一つの冷媒供給手段２０を用いるだけで一体的に冷却することができる。

図３は第２実施形態を示し、回転駆動軸１２の外周面に、回転側超電導コイル１５を取り付けた回転子（ロータ）４０を固定している一方、その外周に冷媒導入部４１となる環状空間をあけて超電導コイル１３を内周側に取り付けた固定子（ステータ）１１を固定している。
上記回転子４０と固定子１１との間の冷媒導入部４１にはヘリウムガスＧからなる気体冷媒を導入している。
また、固定子１１には、超電導コイル１３の巻付部に近接した位置に貫通孔４２を穿設し、該貫通孔４２を冷媒導入部とし、液体水素Ｑを導入している。

前記第１実施形態では、回転子側と固定子側との間に隔壁を設けて固定子側の外周空間にのみ液体水素Ｑを導入して回転子側と液体冷媒とを接触させずに間接冷却しているが、上記第２実施形態では冷媒導入部４１にヘリウムガスＧからなる気体冷媒を導入して、気体冷媒を固定側超電導コイル１３と共に回転子４０側の超電導コイル１５も直接接触させて、冷却性能を高めている。
また、固定子１１では、其の内部に液体水素Ｑを導入している貫通孔を設け、固定側超電導コイル１３を近接位置から液体冷媒で冷却しているため、冷却機能を高めることができる。

なお、冷媒導入部４１を第１実施形態と同様に超電導材からなる給電用配線コイルを囲む導体導入部に導入してもよい。

図４は第３実施形態を示し、固定子１１の外面と冷媒導入部４５をあけて囲むカバー４６を設け、該冷媒導入部４５に液体水素Ｑを導入している。他の構成は第１実施形態と同様で、第１実施形態と同一の冷媒供給手段より液体水素を導入している。

図５乃至図８は第４実施形態を示す。
第４実施形態では、回転駆動軸１２’を中空軸とし、中空部１２ａ’に液体水素Ｑを導入している。該液体水素は液体水素タンク６０から配管６１と冷却器５１を介して液体水素Ｑが供給されるコールドヘッド５０の先端に冷媒供給管５３を連続させ、該冷却供給管５３を前記回転駆動軸１２’と回転軸受５４を介して接続し、回転駆動軸１２’の中空部１２ａ’に連通して液体水素Ｑを導入している。

固定子１１の内部空間は第１実施形態と同様で、隔壁１６を設けて該隔壁１６と固定子の内周面との間の外周空間２２を冷媒導入部としている。該冷媒導入部となる外周空間２２にも、上記液体水素タンク６０と接続した配管６１の分岐管６１ａを介して液体水素Ｑを導入している。

さらに、液体水素Ｑを導入した外周空間２２と連通する気化水素用配管６５と、前記回転駆動軸１２’と連通した冷媒供給管５３から分岐させた気化水素用配管６６を設け、これら気化水素用配管６５と６６とを電力発生装置７０に接続している。

上記電力発生装置７０は図７に示す車両に搭載した燃料電池７１、あるいは図８に示す水素エンジン７２と超電導発電機７３との組み合わせからなる。
上記超電導モータ装置１０の冷媒として利用した液体水素Ｑから気化した気体水素Ｇを回収して、上記燃料電池７１あるいは水素エンジン７２に供給している。
この電力発生装置７０の燃料電池で発生させた電力を、図７に示すように超電導モータ３０の駆動力として用い、あるいは図８に示すように水素エンジン７２で超電導発電機７３を稼働させて発電させ、発電させた電力を超電導モータ３０の駆動力として用いている。

上記冷媒として用いた液体水素から気化した水素を回収して再利用する図６、７ ８のシステムは前記第１、第２、第３実施形態にも適用することはできる。
このように、液体水素で超電導モータ装置を効率よく冷却する冷媒として用い、かつ、冷媒として利用する液体水素から気化した水素を再利用すると、液体水素タンクの貯溜しておく液体水素量を低減することができる．

本発明の第１実施形態の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実施形態の断面図である。 第３実施形態の断面図である。 第４実施形態の断面図である。 冷媒として用いる液体水素の再利用形態を示す図面である。 図６の電力発生装置が燃料電池である場合の図面である。 図６の電力発生装置が水素エンジンと発電機である場合の図面である。

符号の説明

１０ 超電導モータ装置
１１ 固定子
１２ 回転駆動軸
１３ 固定側超電導コイル（固定側超電導材）
１３Ａ 第１固定側超電導コイル
１３Ｂ 第２固定側超電導コイル
１３Ｃ 第３固定側超電導コイル
１４ 内周空間
１５ 回転側超電導コイル（回転側超電導材）
１６ 隔壁
１７、２６ 断熱材
１８ 軸受部
１９ 冷媒流路
２０ 冷媒供給手段
２１ 駆動伝達手段
２２ 外周空間
２３ 電線
２３ａ 二次電源部
２５ バッテリー
３０ 超電導モータ
５０ コールドヘッド
６０ 液体水素タンク

Claims (12)

1. ハウジングとなる固定子の内周面に周方向に間隔をあけて複数の固定側超電導材を取り付けていると共に、上記固定子の内部空間に軸架される回転駆動軸の外面に回転側超電導材を取り付け、
   上記各固定側超電導材へ供給される電流の位相ズレにより発生する回転磁界により、上記回転駆動軸側の回転側超電導材に回転力が誘起される構成としていることを特徴とする超電導モータ装置。
2. 上記固定子と回転子の間の空間を冷媒導入部とし、上記超電導材の超電導温度で気体状態を維持する気体からなる冷媒を上記冷媒導入部に充満させている請求項１に記載の超電動モータ装置。
3. 上記気体はヘリウムガスからなる請求項２に記載の超電導モータ装置。
4. 上記固定子の内部空間に、上記固定側超電導材が配置されている外周空間と上記回転側超電導材が配置されている内周空間とを仕切る高熱伝導性材料からなる隔壁を設け、上記外周空間を冷媒導入部として冷媒を充満させ、上記隔壁を介して上記回転側超電導材側の内周空間を間接冷却する構成としている請求項１に記載の超電導モータ装置。
5. 上記固定子の冷却は、該固定子の内部で且つ上記固定子側超電導材に近接した位置に冷媒導入部となる孔を穿設し、
   上記固定子外面側を断熱材を密着させて囲繞し、あるいは／および
   上記固定子外面側に冷媒導入部となる空隙をあけて断熱材で囲繞し、
   上記冷媒導入部に冷媒を充満させている請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の超電導モータ装置。
6. 上記固定側超電導材に給電する電線あるいは／および電源部は超電導材料を使用している請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の超電導モータ装置。
7. 上記固定側超電導材に給電する上記電線および電源部を囲むカバー材を設け、該カバー材の内部空間を前記冷媒導入部と連通させて冷媒を充満させ、上記電線および電源部を上記冷媒で冷却する構成としている請求項６に記載の超電導モータ装置。
8. 上記回転駆動軸を中空軸とし、該回転駆動軸の中空部を冷媒導入部として、冷媒を導入している請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の超電導モータ装置。
9. 上記回転軸の中空部の冷媒導入部と、上記回転子と固定子の間の外周空間に形成される冷媒導入部に導入する冷媒は同一冷媒供給源より供給している請求項８に記載の超電導モータ装置。
10. 上記冷媒導入部に導入する冷媒として液体水素または液体窒素を用いている請求項４乃至請求項９のいずれか１項に記載の超電導モータ装置。
11. 上記冷媒導入部の内部に充満した液体水素から気化した水素は、電力発生装置に送給され、該電力発生装置で電力変換され、変換された電力で超電導モータが稼働される構成としている請求項１０に記載の超電導モータ装置。
12. 上記電力発生装置は燃料電池もしくは内燃機関エンジンと超電導発電機との組み合わせである請求項１１に記載の超電導モータ装置。

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