JP2005269868A - 超電導モータ装置および該超電導モータ装置を用いた移動体 - Google Patents

Abstract

【課題】 ロータの超電導線からなる界磁巻線に非接触で誘導給電する回転界磁型の超電導モータにおいて、界磁巻線へ給電する電源を小型化する。
【解決手段】 電源と接続される１次コイル１１を常電導線で形成している一方、２次コイル１２を超電導線または常電導線で形成し、１次コイル１１を多数回巻きとすると共に２次コイル１２を少数回巻きとしている誘導給電装置１９を備え、２次コイル１２を回転界磁型モータのロータ２０の超電導線からなる界磁巻線１３と接続してロータ２０への給電を誘導給電としている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、超電導モータ装置および該超電導モータ装置を用いた移動体に関し、詳しくは、電気自動車やハイブリッド車等の移動体に用いられる超電導モータにおいて回転界磁型モータのロータの界磁巻線に非接触で誘導給電するものである。

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、電気によりモータを駆動して走行する電気自動車やハイブリッド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、超電導線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。

前記超電導モータについては、特に、ロータの磁界を強化する目的で超電導線コイルをロータに配置する構成の研究が進められており、この構成によると回転を伴うロータの超電導線コイルに給電する構造が必要となる。その給電方法としては、摺動部分にブラシを用いて給電する方法や、最近では誘導給電（非接触給電）を用いてロータに電力を供給する方法が考えられている。
なお、回転体への給電を誘導給電により行う構造が特開平６−２０８４５号公報や特開２０００−５８３５５号公報において提供されている。

しかしながら、ブラシを用いた給電方法であると、ブラシをロータ側の整流子に接触させて給電するため、ブラシの磨耗によりメンテナンスが必要となる。また、金属同士の接触抵抗により損失が発生する問題がある。
また、誘導給電による給電方法であると、前記ブラシによる給電方法の問題点を解消することができるが、超電導線コイルをロータに配置し、該超電導線コイルへの給電で磁界を発生させて十分なトルクを出すためには、現在一般に用いられている超電導線からなる超電導線コイルでは、３００アンペア程度の大電流を流さなければならず、発電機やバッテリーからなる電源が大規模になってしまう問題がある。前記特開平６−２０８４５号公報や特開２０００−５８３５５号公報で提供されている誘導給電においては、超電導線コイルへの給電ではないため、この問題について何ら考慮されていない。
特開平６−６９０７号公報 特開平６−２０８４５号公報 特開２０００−５８３５５号公報

本発明は前記問題に鑑みてなされたものであり、ロータの超電導線からなる界磁巻線に非接触で誘導給電する回転界磁型の超電導モータにおいて、界磁巻線へ給電する発電機やバッテリーからなる電源を小型化することを課題としている。

前記課題を解決するため、本発明は、電源側と接続される１次コイルを常電導線で形成している一方、２次コイルを超電導線または常電導線で形成し、前記１次コイルを多数回巻きとすると共に前記２次コイルを少数回巻きとしている誘導給電装置を備え、前記２次コイルを回転界磁型モータのロータの超電導線からなる界磁巻線と接続して前記ロータへの給電を誘導給電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。

前記構成とすると、電源から１次コイルに給電することにより、１次コイルと２次コイルとの間に磁気回路が形成され、２次コイルに電流が誘起されることでロータの界磁巻線に非接触で給電される。ここで、１次コイルを多数回巻きとする一方、２次コイルを１次コイルよりも少数回巻きとしているため、多数回巻きの１次コイルで発生する強大な磁束により少数回巻きの２次コイルで大電流が誘起され、１次コイルから２次コイルへ誘導給電される際に電流値を上げることができる。これにより、ロータの界磁巻線に磁界を発生させて十分なトルクを得るのに必要な大電流（約３００アンペア）を発電機やバッテリーからなる電源から供給する必要がなく、電源から供給する電力が小さくてすむため電源を小型化することができる。
なお、１次コイルと２次コイルのコイル巻回数の比（１次コイルの巻回数／２次コイルの巻回数）と電流値の比（１次コイルに流れる電流値／２次コイルに流れる電流値）は反比例するため、例えば１次コイルを３０００回巻き、２次コイルを１０回巻きとしておけば、１次コイルに１アンペアの電流を給電するだけで２次コイルに３００アンペアの電流を誘起することができる。

前記誘導給電により小型化できる電源として発電機、燃料電池、二次電池等が挙げられる。
前記界磁巻線を形成する超電導線は、例えば、酸化ビスマス・ストロンチウム・カルシウム・銅系超電導材、酸化イットリウム・バリウム・銅系超電導材、水銀をベースとした超電導材、タリウムをベースとした超電導材等の酸化物からなる高温超電導材が用いられる。

前記誘導給電装置の１次コイルの巻回数は前記２次コイルの巻回数の１０倍以上に設定していることが好ましく、より好ましくは５０倍以上、さらに好ましくは１００倍以上３００倍以下に設定している。

前記のように、１次コイルと２次コイルのコイル巻回数の比と電流値の比は反比例するため、１次コイルの巻き回数と２次コイルの巻き回数の比が大きくなる程、２次コイルに誘起される電流値を１次コイルに給電される電流値に比べて大きくできる。よって、１次コイルの巻き回数と２次コイルの巻き回数の比が大きければ大きい程電源を小型化できて好ましい。
また、後述するように電源と１次コイルの間にインバータを介設する場合、装置の小型化のためにはインバータは小容量の方が好ましく、また、一次電流は小さい程常電導部での損失も少ない。一般に流通しているインバータの利用を考え合わせると、１０Ａ程度以下、さらには１Ａ程度以下の容量のものが好ましい。一方、超電導線材の電流容量は、およそ１００Ａ〜３００Ａである。したがって、超電導線材の容量を効率良く使用するには、１次コイルと２次コイルの巻回数の比は１０倍以上が好ましく、さらに好ましくは５０倍以上、さらには１００倍以上とすることが好ましい。
ただし、巻き回数の比が３００倍以上になると、１次コイルが大きくなり過ぎて、電源を小型化できてもモータ自体が大型化してしまう。よって、容量および小型化の観点から、１次コイルの巻き回数は２次コイルの巻き回数の３００倍以下に設定していることが好ましい。

前記電源と前記１次コイルの間にインバータを介設し、該インバータで電源から給電される電力の周波数を上げている。
前記構成とすると、電源から供給された交流電源の周波数を上げることにより、１次コイルと２次コイルとの間の必要磁気回路断面積を小さくできるため、１次コイルと２次コイルを取り付ける鉄芯を小さくでき、誘導給電装置を小型化できる。
また、ロータの界磁巻線には大電力を給電する必要があるが、１次コイルに供給する電流を１次コイルと２次コイルとの巻回数比により０．２〜１０アンペア程度とすれば、前記インバータを家電用等に一般に使用される安価なものとすることができる。
また、前記電源が直流電源の場合には、インバータにより直流電流を交流電流に変換することができる。

前記２次コイルと前記ロータの界磁巻線との間に平滑回路を設け、該平滑回路で前記２次コイルから給電される交流電流を直流電流として、前記ロータの界磁巻線に直流電流を供給している。
前記構成とすることにより、誘導給電により２次コイルに誘起された交流電流を直流電流に変換してロータの界磁巻線に給電することで、界磁巻線に磁界が発生し、界磁巻線を電磁石として使用することができる。
また、ロータ側の回路に界磁巻線を設けているため、この界磁巻線をインダクタとして代用でき、別個にインダクタを設ける必要がない。

前記モータのロータの界磁巻線を永久磁石に巻き付けていることが好ましい。
前記構成とすると、界磁巻線に発生した磁界を永久磁石による磁界により増強して強力な磁界を形成でき、モータを高出力化できる。また、それほど高出力が必要でない場合には、ロータの界磁巻線に給電しなくても、永久磁石の磁界でロータを回転させることができる。

以上の説明より明らかなように、本発明によれば、１次コイルと２次コイルによる誘導給電において、１次コイルを多数回巻きとする一方、２次コイルを１次コイルよりも少数回巻きとしているため、多数回巻きの１次コイルで発生する強大な磁束により少数回巻きの２次コイルで大電流が誘起され、１次コイルから２次コイルへ誘導給電される際に電流値を上げてロータの超電導線からなる界磁巻線に大電力を給電できる。これにより、界磁巻線に磁界を発生させて十分なトルクを得るために必要な大電力を発電機やバッテリーからなる電源から供給する必要がなく、電源から供給する電力を小さくできるため電源を小型化することができる。

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実施形態を示し、本発明の超電導モータ装置を移動体に用いた例として、電気自動車用のモータ装置としている。
超電導モータ装置１００のモータ１０は、車両に搭載した内燃機関エンジンにより発電機４４で発電された電力により稼動されるものである。

図１に示すように、ロータ２０の回転駆動軸２１に一体的に連続するダンパ部２１ａの内部に超電導線からなる界磁巻線１３を配置している。界磁巻線１３への給電はステータ３０側の１次コイル１１とロータ２０側の２次コイル１２による誘導給電としている。また、回転駆動軸２１は固定ヨーク３１の両側壁３１ａ、３１ｂに穿設した軸孔内の軸受３３で回転自在に支承し、一端側を外方に突出させて駆動伝達手段を介して車軸（図示せず）と連繋している。

ステータ３０の固定ヨーク３１の内面には、回転駆動軸２１を囲むように円形状の１次コイル取付溝３２ａを設け、該１次コイル取付溝３２ａに１次コイル１１を取り付けて１次側インダクタ３２としている。一方、回転駆動軸２１のダンパ部２１ａの１次側インダクタ３２に対向する側面に、１次コイル取付溝３２ａに対向する円形状の２次コイル取付溝２２ａを設け、該２次コイル取付溝２２ａに２次コイル１２を取り付けて２次側インダクタ２２としている。このように、１次コイル１１と２次コイル１２とを対向配置し、誘導給電送信部となる１次側インダクタ３２と誘導給電受信部となる２次側インダクタ２２により誘導給電装置１９を形成している。

１次コイル１１は常電導線を３０００回巻き付けて形成し、インバータ１５を介して電力供給制御部１６と接続している。電力供給制御部１６は電源となる発電機４４と電線で接続され、発電機４４で発電された電力が１次コイル１１に供給される。
一方、２次コイル１２は超電導線を１０回巻き付けて形成し、図３の回路図に示すように、ダイオード１７とコンデンサ１８を備えた平滑回路を介して界磁巻線１３と接続している。
本実施形態では、１次コイル１１の巻回数を２次コイル１２の巻回数の３００倍とし、電力供給制御部１６から１次コイル１１へ給電される電流量の３００倍の電流を誘導給電により２次コイル１２に流れるようにしている。２次コイル１２及び界磁巻線１３は共にビスマス系高温超電導線からなる電線で形成している。なお、２次コイル１２は常電導線により形成してもよい。

図１に示すように、回転駆動軸２１のダンパ部２１ａの内部に回転駆動軸２１と連結した円筒状で中空の巻線取付け軸２３を配置し、該巻線取付け軸２３の外周面に界磁巻線１３を巻き付けている。該界磁巻線１３とダンパ部２１ａとの間に放射シールド２４を配置して、界磁巻線１３を囲み、ダンパ部２１ａから界磁巻線１３への放射侵入熱を低減している。

本実施形態では、ロータ２０（ダンパ部２１ａ）の外径を１４０ｍｍ、ステータ３０の電機子コイル１４を取り付けた箇所の内径を１６０ｍｍ、ステータ３０の回転駆動軸２１の軸線方向長さを５０ｍｍとしている。また、巻線取付け軸２３の外径を５０ｍｍとし、界磁巻線１３の外径が８９ｍｍとなるまで超電導線を巻き付けている。界磁巻線１３は幅４．３ｍｍ、厚さ０．２ｍｍのビスマス系高温超電導線を厚さ０．１ｍｍの絶縁テープと共に渦巻き状に６２ターン巻いたものを２段設けたパンケーキコイルからなり、このパンケーキコイルを巻線取付け軸２３の軸線方向に４個並べて接続している。前記絶縁テープは、渦巻き状の超電導線間に介在させるように配置している。

図２に示すように、断面円環形状の固定ヨーク３１には、その内周面に周方向に９０度の間隔をあけて常電導材の銅線からなる電機子コイル１４を取り付けている。該電機子コイル１４は電力供給制御部１６と電線により直接接続している。また、ロータ２０とステータ３０との間に隙間を設けて、この隙間を断熱層３４としている。

モータ１０の超電導線からなる２次コイル１２と界磁巻線１３の冷却は、図１に示すように、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４０から巻線取付け軸２３の中空部に液体水素を供給することにより行っている。また、モータ１０の冷却により気化した液体水素は外部に放出している。
なお、気化した液体水素を液体水素タンクに戻し、別個に設けた冷却器により冷却して、再び冷媒として用いる構成としてもよい。

なお、モータ１０を冷媒供給手段と接続したジャケット内に配置し、冷媒供給手段からジャケットに還流させる冷媒によりモータ１０全体を所要温度まで冷却する構成としてもよい。
また、モータ１０の冷却機構は、ロータ２０とステータ３０との間の空間に、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から形成した仕切板を設け、該仕切板で仕切られた外周側空間に冷媒を導入する構成としてもよい。

次に、モータ１０の作用について説明する。
まず、発電機４４と接続した電力供給制御部１６からインバータ１５で周波数を上げた交流電流が１次コイル１１に供給される。１次コイル１１に交流電流が供給されると、１次コイル１１と２次コイル１２との間に磁気回路が形成され、２次コイル１２に電流が誘起される。このとき、１次コイル１１と２次コイル１２の巻回数の違いにより電流値が増大する。本実施形態では、１次コイル１１を３０００回巻きとし、２次コイル１２を１０回巻きとして、巻回数比を３００：１としているため、１次コイル１１に１アンペアの電流を供給することで、２次コイル１２に３００アンペアの電流を誘起させている。

２次コイル１２に誘起された電流は図３に示す平滑回路のダイオード１７とコンデンサ１８を経て交流電流から直流電流に変換されて、ロータ２０の界磁巻線１３に供給され、界磁巻線１３が図２に示すようにＮ極とＳ極を有する電磁石となる。そして、電力供給制御部１６において、ステータ３０側の周方向に間隔をあけて配置された４つの電機子コイル１４に対して、Ｓ１→Ｓ２→Ｓ３→Ｓ４→Ｓ１・・と順次、電流を給電することで回転磁界が発生する。この回転磁界は電磁石となったロータ２０を引っ張って同期回転させて回転駆動軸２１を駆動させる。そして、回転駆動軸２１のトルクが電気自動車の車輪の回転動力として伝達されて、電気自動車を走行させる。

なお、本実施形態では電機子コイル１４を４つ設けているが、周方向に３つ設けて夫々の電機子コイルに位相ズレした三相交流を供給して回転磁界を発生させてもよい。

前記構成とすると、電力供給制御部１６から１次コイル１１に給電することにより、１次コイル１１と２次コイル１２との間に磁気回路が形成され、２次コイル１２に電流が誘起されることによりロータ２０の界磁巻線１３に非接触で給電される。ここで、１次コイル１１を多数回巻きとする一方、２次コイル１２を１次コイル１１よりも少数回巻きとしているため、多数回巻きの１次コイル１１で発生する強大な磁束により少数回巻きの２次コイル１２で大電流が誘起され、１次コイル１１から２次コイル１２へ誘導給電される際に電流値を上げることができる。これにより、ロータ２０の界磁巻線１３に磁界を発生させて十分なトルクを得るのに必要な大電力を発電機４４から供給する必要がなく、発電機４４から供給する電力を小さくできるため、発電機４４を小型化することができる。
また、界磁巻線１３には３００アンペアの大電流を給電しているが、１次コイル１１に供給する電流は１アンペアでよいため、発電機４４と１次コイル１１との間に介設するインバータ１５を一般に使用される安価なものとすることができる。

なお、本実施形態では、ステータ３０に固定する電機子コイル１４を常電導コイルとしているが、少なくとも一部の電機子コイル、好ましくは全ての電機子コイルも超電導材から形成してもよい。このように、ステータ３０の電機子コイル１４とロータ２０の界磁巻線１３の両方を超電導線コイルとすると、コイルの電流密度を高くできるためコイルを小型化できると共にさらに高出力を得ることができる。

図４は、第１実施形態の変形例の回路図であり、２次コイル１２と界磁巻線１３との間の回路中に、永久電流スイッチ４５を介設している。１次コイルと２次コイルにより誘導給電された電流が界磁巻線１３に供給された後、永久電流スイッチ４５をオンすると、超電導線からなる界磁巻線１３には抵抗が生じないため、電源から電力供給をストップしても、永久電流スイッチ４５をオフしない限り半永久的に界磁巻線１３に電流を長し続けることができる。

前記構成とすると、界磁巻線１３への電力供給を最初だけ行い、後は永久電流スイッチをオンすれば電力供給を止めても界磁巻線１３に電流が流れ続けるため、消費電力を低減できる。
なお、他の構成及び作用効果は第１実施形態と同様のため、同一の符号を付して説明を省略する。

図５は、本発明の第２実施形態を示し、モータ１０’のロータ２０’は、永久磁石５０の中心軸孔に回転駆動軸２１’を貫通させて固定し、永久磁石５０と回転駆動軸２１’とを共回転させるようにしている。永久磁石５０の軸線方向の両端面側がＮ極とＳ極となり、該軸線方向と直交する永久磁石５０の外周面に界磁巻線１３’を付設している。

界磁巻線１３’への給電は、第１実施形態と同様、１次コイル１１’と２次コイル１２’による誘導給電としている。本実施形態では、１次側インダクタ３２’に対向する位置に回転駆動軸２１’を貫通させて固定した鉄芯を設け、該鉄芯に第１実施形態と同様の２次コイル取付溝２３ａ’を設け、２次コイル１２’を取り付けて２次側インダクタ２３’としている。

本実施形態では、１次コイル１１’と接続した電力供給制御部１６’は、燃料電池４６と接続しており、該燃料電池４６から電力の供給を受けている。

モータ１０’の２次コイル１２’と界磁巻線１３’の冷却は、モータ１０’を収容したジャケット５１内に冷媒供給手段４０’から冷媒導入路４１’を介して液体水素を供給し、モータ１０’全体を冷却することにより行っている。
冷却により気化された液体水素は燃料電池４６に供給して燃料として用いてもよい。

前記構成とすると、通常時においては、電力供給制御部１６’から電機子コイル１４’に給電し、ステータ３０’内に発生した回転磁界により永久磁石５０が回転して回転駆動軸２１’を回転させる。回転駆動軸２１’のトルクは駆動伝達手段に伝達して車輪を駆動し走行させる。
一方、加速時等の高出力が必要な場合には、電力供給制御部１６’から誘導給電によりロータ２０’の界磁巻線１３’にも給電することで、界磁巻線１３’が電磁石となって、永久磁石５０により発生する磁界を増強し、ロータ２０’の回転力が高められ、高出力となって車輪を高速回転させる。

このように、界磁巻線１３’を永久磁石５０に巻き付ける構成とすると、通常時は、界磁巻線１３’に給電する必要がなく、車両の発車時や加速時のみに界磁巻線１３’に給電すればよく、消費電力を低減できる。
なお、他の構成及び作用効果は第１実施形態と同様のため、同一の符号を付して説明を省略する。

本発明の超電導モータ装置は、移動体用のモータ、特に、電気自動車やハイブリッド自動車の駆動源となるモータとして好適に用いられるものである。

本発明の第１実施形態の超電導モータ装置の断面図である。 超電導モータ装置の動作原理を示す図面である。 ２次コイルと界磁巻線との間に設けた平滑回路を示す図面である。 第１実施形態の変形例を示す図面である。 本発明の第２実施形態の超電導モータ装置の断面図である。

符号の説明

１０ モータ
１１ １次コイル
１２ ２次コイル
１３ 界磁巻線
１４ 電機子コイル
１５ インバータ
１６ 電力供給制御部
２０ ロータ
２３ ２次側インダクタ
３０ ステータ
３２ １次側インダクタ
４０ 冷媒供給手段
４４ 発電機
４６ 燃料電池
５０ 永久磁石
１００ 超電導モータ装置

Claims (7)

1. 電源側と接続される１次コイルを常電導線で形成している一方、２次コイルを超電導線または常電導線で形成し、前記１次コイルを多数回巻きとすると共に前記２次コイルを少数回巻きとしている誘導給電装置を備え、前記２次コイルを回転界磁型モータのロータの超電導線からなる界磁巻線と接続して前記ロータへの給電を誘導給電としていることを特徴とする超電導モータ装置。
2. 前記誘導給電装置の１次コイルの巻回数は前記２次コイルの巻回数の１０倍以上に設定している請求項１に記載の超電導モータ装置。
3. 前記誘導給電装置の１次コイルの巻回数は前記２次コイルの巻回数の１００倍以上３００倍以下に設定している請求項１または請求項２に記載の超電導モータ装置。
4. 前記電源と前記１次コイルの間にインバータを介設し、該インバータで電源から給電される電力の周波数を上げている請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の超電導モータ装置。
5. 前記２次コイルと前記ロータの界磁巻線との間に平滑回路を設け、該平滑回路で前記２次コイルから給電される交流電流を直流電流として、前記ロータの界磁巻線に直流電流を供給している請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の超電導モータ装置。
6. 前記モータのロータの界磁巻線を永久磁石に巻き付けている請求項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. 請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の超電導モータ装置を用いた移動体。

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