JP2005237061A

JP2005237061A - ハイブリッド車

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Publication number: JP2005237061A
Application number: JP2004040506A
Authority: JP
Inventors: Shingo Oohashi; 紳悟大橋; Ryosuke Hata; 良輔畑
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2004-02-17
Filing date: 2004-02-17
Publication date: 2005-09-02
Anticipated expiration: 2024-02-17
Also published as: JP3832472B2

Abstract

【課題】超電導モータに電力を供給する発電機を小型化する。
【解決手段】内燃機関エンジンと電動機とを組み合わせて車両駆動させるハイブリッド車において、前記電動機として超電導モータを用いると共に、該超電導モータに電力供給する発電機として超電導発電機を用い、該超電導発電機に前記内燃機関エンジンを接続して、該内燃機関エンジンで前記超電動発電機を稼働させて発電している。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関エンジンと電動機（モータ）とを搭載したハイブリッド車に関し、特に、該内燃機関エンジンの動力により発電機で発電させ、該発電機の電力でモータを駆動して車両を走行させるシリーズ型ハイブリッド車に好適に用いられるものである。

近年、ガソリン等の燃料資源の枯渇や内燃機関の排気ガスによる環境悪化を改善すべく、電気自動車やハイブリッド車の開発が進められている。
いずれの場合もモータとして、通常の常電導モータを使用した場合、電気抵抗による銅損が発生して低効率となると共に、通電電流が限られるため高出力化が困難な問題があった。
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、超電導コイルでの銅損がなくなり高効率になると共に、モータ自身を小型化および高出力化することができる。

しかしながら、シリーズ型ハイブリッド車ではモータと同等出力の発電機が必要である。この発電機が従来型のものでは超電導モータに釣り合う出力を得るには大型の発電機が要求されるため、発電機の大型化が問題となる。
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あり、超電導モータに電力を供給する発電機を小型化し、該小型化した発電機で大容量の電力を発生させ、超電導モータへの電力供給を可能に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、内燃機関エンジンと電動機とを組み合わせて車両駆動させるハイブリッド車において、
前記電動機として超電導モータを用いると共に、該超電導モータに電力供給する発電機として超電導発電機を用い、該超電導発電機に前記内燃機関エンジンを接続して、該内燃機関エンジンで前記超電動発電機を稼働させて発電していることを特徴とするハイブリッド車を提供している。

前記超電導発電機としては、回転子の界磁巻線として超電導線を用いると共に固定子の電機子巻線として常電導線を用いた発電機、あるいは、回転子の界磁巻線と固定子の電機子巻線のいずれも超電導線を用いた発電機としている。
車両に搭載する発電機を超電導発電機とすると、超電導線で強大な回転磁界が発生し、大容量の電力を発生させることができる。よって、発電機を大型化することなく超電導モータが必要とする電力を供給することができる。

前記超電導モータは、前記超電導発電機と同様な構成で、固定子と回転子の両方に超電導コイルを用いたもの、あるいは、回転子は超電導界磁コイルを用いると共に固定子は常電導コイルを用いた構成としている。
超電導モータとすると、従来のモータと比較して高トルクを実現でき、車両発進時や坂道走行時においてスムーズな加速が可能となる。また、高トルクを得られるため減速機を不要とすることで車両の軽量化および低コスト化を図ることができる。また、超電導モータを用いることにより、モータの回転に銅損が生じることがないため、環境負荷が低く、効率的に動力を得ることができる。

本発明のハイブリッド車は、前記内燃機関エンジンは超電導発電機の駆動用として用い、該超電導発電機で発電された電力で車両駆動用の前記超電導モータを駆動させるシリーズ型ハイブリッド車とすることが好ましい。
シリーズ型とすると、内燃機関エンジンによる超電導発電機からの電力で超電導モータを駆動するため、最も効率の良い回転域で内燃機関エンジンを稼働して超電導発電機に電力を生じさせ、この電力をバッテリーに蓄電しておくことができる。よって、バッテリーから超電導モータへ給電する電力が十分な場合は内燃機関エンジンを停止することもできる。
なお、電源回路構成が複雑となるが、パラレル型ハイブリッド車やシリーズパラレル型ハイブリッド車にも適用可能である。

また、前記超電動モータを発電機として用い、該超電動モータで得られる回生電力および発電された電力の余剰電力をバッテリーに蓄電し、前記超電動モータに電力供給する構成とすることが好ましい。
前記回生電力は、ブレーキ作動時に超電導モータを発電機に使用することで回生エネルギーとして得られる。なお、バッテリーへの充電は、夜間停車時等に車外電源を利用して超電導モータを稼働させて発生させても良いし、内燃機関エンジンで超電導発電機を稼働し、発電した電力で超電導モータを稼働して発電させてもよい。
車両の発車時や加速時には高出力が必要であるため、通常よりも大きな電力を超電導モータに供給する必要がある。この電力供給を前記超電導発電機で全て補おうとすると、超電導発電機が大型化する。そこで前記構成として、高出力時にバッテリーから電力を補給することで、超電導発電機から高出力時に必要な電力の全てを供給する必要がなくなり、超電導発電機を小型化することができる。

前記内燃機関エンジンの燃料として、ガソリン、ディーゼル、液化石油ガス（ＬＰＧ）、圧縮天然ガス（ＣＮＧ）、ジメチルエーテル（ＤＭＥ）あるいは／および水素が用いられる。
前記ガソリン、ディーゼルは汎用されているため安価且つ容易に入手可能であるが、排気ガス等の問題より、ＬＰＧ、ＣＮＧ、ＤＭＥはＰＭ発生量が少ないことより代替燃料として好適に用いられる。また、例えば、エンジン燃料として、ガソリンと水素とを併用し、スイッチで切り替えてエンジンに供給してもよい。

また、有害な排気ガスを殆ど発生しない水素もエンジンの燃料として好適に用いられ、該液体水素超電導発電機および超電導モータの冷媒としても利用できる。
即ち、前記内燃機関エンジンの燃料として液体水素を用い、該液体水素の一部を冷媒として前記超電導モータおよび前記超電導発電機の冷却部に供給することが好ましい。
超電導発電機および超電導モータに用いる超電導線は超電導状態になる温度（例えば、７７ケルビンで「超電導温度」と称す）にまで冷却する必要がある。この冷却に前記液体水素を用いると、超電導線を超電導温度以下に冷却することができる。
特に、液体水素であれば、超電導モータおよび超電導発電機の冷却により気化した液体水素を内燃機関エンジンの燃料として利用することができる、即ち、液体水素であれば超電導モータおよび超電導発電機の冷却と内燃機関エンジンの燃料として両方に利用することができる。

また、前記超電導モータおよび超電導発電機を冷却するための冷媒を、前記超電導発電機で発電した電力あるいはバッテリーから供給される電力で冷却機を稼働して、冷却により気化した冷媒を冷却して液化して、超電導モータおよび超電導発電機の冷却部に循環させてもよい。
前記冷媒としては、液体水素や液体窒素等が好適に用いられるが、内燃機関エンジンの燃料として液体水素を利用しない場合には、安価な液体窒素を用いる方が好ましく、超電導線として高温超電導線（ビスマス系）を用いれば、液体窒素の温度（７７Ｋ以下）でも十分に超電導線を超電導状態とすることができる。

超電導温度に冷却する必要がある前記超電導発電機と超電導モータとは隣接配置して、連続した１つの冷却装置で冷却できる構成とすることが好ましい。
具体的には、例えば、前記超電導発電機と超電導モータとの間に、先端に分岐管を設けた冷媒供給管を配置し、前記分岐管を前記超電導発電機と超電導モータの回転軸の中空部に接続して上記両方の回転軸中空部に冷媒を供給する構成としている。
なお、超電導発電機と超電導モータとを１つの冷媒循環ジャケットで囲む構成としてもよい。

また、前記冷媒供給管の外面にペルチェ素子を貼着して、冷媒を冷却してもよく、この場合、冷却機構を簡単なものとすることができる。

前述したように、本発明によれば、車両駆動用超電導モータを搭載する車両において、該超電導モータへ超電導発電機で発生させた電力を供給する構成としているため、発電機を大型化することなく、超電導モータに必要な大きな電力を供給することができる。
また、超電導発電機を可動する内燃機関エンジンの燃料として、液体水素を用いた場合、該液体水素を超電導モータと超電導発電機との冷媒としても利用できると共に、冷媒として用いた液体水素が気化した状態で内燃機関エンジンの燃料として利用できるため、効率のよい構成とすることができる。
特に、超低温の超電導温度まで冷却する必要のある超電導モータと超電導発電機とを隣接配置して、１つの冷却装置で冷却できる構成とすると、冷却機構の複雑化や大型化を抑制することができる。

本発明の実施形態を図面を参照して説明する。
図１乃至図３は、本発明の第１実施形態のシリーズ型ハイブリッド自動車の車両駆動システム１０を示す。

前記車両駆動システム１０では、車輪駆動用の超電導モータ２０と、該超電導モータ２０に給電する超電導発電機３０と、該超電導発電機３０に接続して発電させる内燃機関エンジン４０（以下、エンジン４０と略称する）と、該エンジン４０の燃料となるガソリンを貯溜したガソリンタンク４１とを搭載し、前記超電導モータ２０で発生する動力で前輪の回転駆動軸４５を回転させて車両を走行させている。

超電導発電機３０は、図２に示すように、回転子３１のハウジング３２の内部に真空断熱層３３を介して回転子軸３４を配置し、該回転子軸３４をハウジング３２と固定している。前記回転子軸３４その外周に超電導線からなる超電導界磁巻線３５を取り付けている。回転子軸３４の中空部を冷媒流路３４ａを設け、該冷媒流路３４ａにはハウジング３２の一端側より突設した主軸３６ー１の中空冷媒流路３６ａを通して冷媒Ｑ１を導入し、外周の超電導界磁巻線３５を超電導温度に冷却している。また、主軸３６−１に付設したブラシ３８を通して前記超電導界磁巻線３２と接続している。
前記ハウンジング３２の他端面から突設した主軸３６−２はエンジン４０の出力軸と連結して、ハウンジング３２を回転駆動させる構成としている。
一方、超電導発電機３０の固定子３７には磁気シールド材からなるハウジング３８の内周面に常電導線からなる電機子巻線３９を取り付けている。
上記のように超電導発電機３０はエンジン４０の出力で駆動する発電機とし、発電機は回転子に超電導界磁巻線３５を用いることにより発電量を増大させ、超電導モータ２０の電機子コイルに３００アンペア程度の電流を給電できる構成としている。

前記超電導発電機３０で発電した電力が給電される超電導モータ２０の構造は、図３に示すように、超電導発電機３０と略同様である。
超電導モータ２０は、回転子２１に超電導線からなる超電導界磁巻線２２を取り付ける一方、固定子２３側に常電導線からなる電機子巻線２４を取り付け、電機子巻線２４に前記超電導発電機３０から給電して、超電導界磁巻線２２との間に回転磁界を発生させて回転子２１を回転させている。この回転により生じた動力で前輪の回転駆動軸４５を回転させて車両を駆動させている。
前記回転子２１の中空部にも冷媒流路２１ａを設けて冷媒を流通させ、超電導界磁巻線２２を超電導温度まで冷却している。

前記超電導発電機３０と超電導モータ２０とは、図３に示すように隣接配置して、その間に冷媒供給用の冷却装置５０を介在させている。
即ち、冷却機５１から冷媒Ｑ１が供給されるコールドヘッド５２の先端に冷媒供給用主管５３を接続し、該冷媒供給用主管５３の下端に両側分岐管５４ａ、５４ｂを接続し、これら分岐管５４ａ、５４ｂの先端を前記超電導発電機３０と超電導モータ２０の回転子の内部冷媒流路と連通させて、冷媒を供給している。
前記冷媒としては、液体水素、液体窒素、液体ヘリウム等が用いられ、約７７ケルビン程度の極低温の超電導温度に超電導線を冷却している。

図１に示すように、前記超電導モータ２０はバッテリー４４と接続し、超電導モータ２０で発生する回生エネルギーをバッテリー４４で蓄電し、蓄電した電力を発進・加速時等の高出力が必要な場合に超電導モータ２０に供給されて補助用として用いられるようにしている。
即ち、超電導モータ２０を発電機としても利用しており、ブレーキ時に超電導モータ２０から発生する回生電力を蓄電している。あるいは、前記エンジン４０により超電導発電機３０を駆動して超電導モータ２０を回転させて発生させた電力をバッテリー４４に予め蓄電している。また、バッテリー４４の充填は夜間停止時に外部電源に接続して充電してもよい。

また、前記冷却機５１を前記超電導発電機３０と接続して冷却機５１を稼働させ、超電導モータ２０および超電導発電機３０の冷却で気化した冷媒を冷却機５１で再度冷却して液化している。なお、冷却機５１をバッテリー４４と接続して、バッテリー４４からの電力を冷却用の補助電力として用いてもよい。

前記構成とすると、発電機として超電導発電機３０を用いているため、回転子３１の超電導界磁巻線３２により強力な磁界を発生させて発電量を増強させることができ、超電導モータが必要とする大きな電力を供給することができる。
また、超電導発電機３０と超電導モータ２０とを隣接配置して、１つの冷却装置５０から冷媒を同時に供給できるため、超電導発電機３０と超電導モータ２０の冷却装置を夫々付設する必要がなく、冷却機構を簡単にでき、その結果、車両重量の軽減に寄与できる。

なお、本実施形態では、内燃機関エンジン４０の燃料としてガソリンを用いているが、ディーゼル、液化石油ガス（ＬＰＧ）、圧縮天然ガス（ＣＮＧ）、高圧水素またはジメチルエーテル（ＤＭＥ）を用いてもよい。
また、本実施形態では、シリーズ型のハイブリッド自動車としているが、内燃機関エンジンによる車輪駆動と超電導モータによる車輪駆動とを併用するパラレル型あるいはシリーズ・パラレル型のハイブリッド自動車としてもよい。

図４および図５は、本発明の第２実施形態を示し、エンジン４０’の燃料として液体水素を用いて水素エンジンとしている。
車両には液体水素Ｑ２を貯溜した液体水素タンク６０を搭載し、液体水素Ｑ２をエンジン４０’に供給してエンジン４０’を駆動している。該エンジン４０’の出力で超電導発電機３０を駆動して発電させ、該超電導発電機３０で発生した電力を超電導モータ２０に給電して、超電導モータ２０を回転駆動させる構成は前記第１実施形態と同様である。

超電導発電機３０と超電導モータ２０との冷却はエンジン燃料となる液体水素Ｑ２を利用して行っており、前記液体水素タンク６０から配管６１を介して液体水素６０を第１実施形態と同様に、冷却機５１’を通して冷媒供給用主管５３から分岐管５４ａ、５４ｂを通して超電導発電機３０と超電導モータ２０の回転子の内部冷媒流路と連通させ、超電導発電機３０と超電導モータ２０の超電導線を超電導温度以下に冷却している。

前記冷却機５１’は図５に示すペルチェ素子６２を用いた冷却方式を採用している。
即ち、液体水素を流通させる冷媒供給用主管５３の外面にペルチェ素子６２の吸熱面６２ａを当接させて貼着し、配管６１の流通時に加熱された液体水素Ｑ２を再度冷却して、超電導モータ２０と超電導発電機３０とに供給している。
前記ペルチェ素子６２はｐ型とｎ型半導体からなる熱伝素子６２ｃ、６２ｄを並列に配置すると共に直列接続して電流を流し、かつ、両面にセラミックス板６２ｅ、６２ｆを取り付けた構成からなる。このペルチェ素子６２は通電時にペルチェ効果により吸熱面６２ａと放熱面６２ｂが生成され、吸熱面６２ａを当接させた冷媒供給用主管５３内の液体水素Ｑ２は冷却される構成としている。

また、前記超電導発電機３０および超電導モータ２０の冷却により気化された液体水素は配管６５を通して水素エンジン４０’に供給し、エンジン燃料として利用している。
他の構成および動力伝達機構は第１実施形態と同様であるため、説明を省略する。

前記構成とすると、エンジン４０の燃料および超電導モータ２０と超電導発電機３０との冷媒として液体水素を利用することができ、超電導モータおよび超電導発電機を冷却するための冷媒を別個に用意する必要がなくなる。
また、超電導モータおよび超電導発電機を冷却することにより気化した液体水素をエンジン燃料として利用できると共に、エンジン燃料として液体水素を用いると、有害な排気ガスを殆ど発生がないため、環境上の問題が少ない利点がある。

本発明はハイブリッド車に好適に用いられると共に、超電導モータを使用する機器全般に用いることができ、超電導電導モータへの給電に超電導発電機を使用することで、発電機を大型化することなく、超電導モータが必要とする大きな電力を供給することができる。

本発明の第１実施形態のハイブリッド自動車の車両駆動システムを示す概略図である。超電導発電機の断面図である。超電導モータ及び超電導発電機の冷却機構を示す図面である。本発明の第２実施形態のハイブリッド自動車の車両駆動システムを示す概略図である。第２実施形態の冷却機の構成を示す概略図である。

符号の説明

１０車両駆動システム
２０超電導モータ
３０超電導発電機
３１回転子
３５超電導界磁巻線
３７固定子
３９電機子巻線
４０エンジン
４４バッテリー
５０冷却機
６０液体水素タンク
６２ペルチェ素子

Claims

内燃機関エンジンと電動機とを組み合わせて車両駆動させるハイブリッド車において、前記電動機として超電導モータを用いると共に、該超電導モータに電力供給する発電機として超電導発電機を用い、該超電導発電機に前記内燃機関エンジンを接続して、該内燃機関エンジンで前記超電動発電機を稼働させて発電していることを特徴とするハイブリッド車。
前記内燃機関エンジンで稼働される超電導発電機で発電された電力で、前記超電導モータを駆動して車両を走行させるシリーズ型としている請求項１に記載のハイブリッド車。
前記超電動モータを発電機として用い、該超電動モータで得られる回生電力および発電された電力の余剰電力をバッテリーに蓄電し、前記超電動モータに電力供給する構成としている請求項１または請求項２に記載の記載のハイブリッド車。
前記内燃機関エンジンの燃料として、ガソリン、ディーゼル、液化石油ガス（ＬＰＧ）、圧縮天然ガス（ＣＮＧ）、ジメチルエーテル（ＤＭＥ）あるいは／および水素を用いている請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のハイブリッド車。
前記超電導発電機で発電した電力あるいはバッテリーから供給される電力で冷却機を稼働して冷媒を冷却し、該冷媒を前記超電動モータおよび前記超電動発電機の冷却部に供給する構成としている請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載のハイブリット車。
前記内燃機関エンジンの燃料として液体水素を用い、該液体水素の一部を冷媒として前記超電導モータおよび前記超電導発電機の冷却部に供給している請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載のハイブリッド車。
前記冷却部で気化された水素を前記内燃機関エンジンに燃料として供給している請求項６に記載のハイブリッド車。
前記超電導発電機と超電導モータとを隣接配置して、連続した１つの冷却装置で冷却できる構成としている請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載のハイブリッド車。
前記冷却装置は、前記超電導発電機と超電導モータとの間に、先端に分岐管を設けた冷媒供給管を配置し、前記分岐管を前記超電導発電機と超電導モータの回転軸の中空部に接続して上記両方の回転軸中空部に冷媒を供給する構成としている請求項８に記載のハイブリッド車。
前記冷却供給管の外面にペルチェ素子を貼り付けて冷媒を冷却している請求項９に記載のハイブリッド車。