JP2005304215A - モータ - Google Patents

Abstract

【課題】超電導コイルで少ない線材量でトルクを効率的に導き出す。
【解決手段】モータ３の極数の半分の超電導コイル１７のみが使用され、当該超電導コイル１７がＮ極及びＳ極のいずれか一方のみのコイルであり、ロータ１５の外周に沿って同ピッチで間欠的に配置されているので、極数と等しい個数の超電導コイル１７を設ける場合に比べて、超電導コイル１７の内部の部品数を低減できる。このため、低コスト化や生産性（組み立て容易化）に寄与することができる。また、モータ３のロータ１５において、超電導コイル１７を半減した分、十分なスペースを準備できる。
【選択図】図４

Description

本発明は、電気自動車やハイブリッドカー等の車両の走行用に搭載されるモータに関するものである。

超電導モータは、一般にモータの小型・軽量化や大出力が可能であり、自動車への搭載等において、将来有望なモータとして検討されている。特に、超電導線材をロータ（界磁部）に用いた超電導同期型モータは、コイルに流れる大電流がそのまま、ローレンツ力となって大トルクを発生することができる点で有益である。

尚、電気自動車に搭載される超電導モータとしては、例えば特許文献１のものが知られている。

特開平０６−００６９０７号公報

超電導モータに使用される超電導線材は、現時点ではその実施適用例が少ないため高価である。ただし電力送電線への応用が進めば、この線材の価格が大幅に低減されると予想される。

しかしながら、例えばビスマス系の超電導線材の場合、線材の原材料の半分以上が高価な銀であり、銀の原価だけを考慮しても、常電導モータの巻線用の電線と比較すると桁違いに高価である。したがって、超電導モータのロータ部のコイルに超電導線材を採用する場合、最小限の線材量で最大限のトルクを導きだすことが重要である。

そこで、本発明の課題は、少ない線材量でトルクを効率的に導き出すことが可能なモータを提供することにある。

上記課題を解決すべく、請求項１に記載の発明は、ロータの外周部に界磁コイルを配したモータであって、前記界磁コイルが超電導コイルであり、且つＮ極及びＳ極のいずれか一方のみに設定され、当該各界磁コイルが、当該モータの極数の半分だけ前記ロータの外周に沿って同ピッチで間欠的に配置されたものである。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のモータであって、前記超電導コイルが、テープ状のコイル線材が積層巻回されたレーストラック型コイルである。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載のモータであって、前記コイル線材の各層の巻き付け位置が、前記ロータの外周に沿って湾曲するように漸次ずらされて形成されたものである。

請求項４に記載の発明は、請求項２または請求項３に記載のモータであって、前記超電導コイルが、前記レーストラック型コイルである一対の巻線部の２層巻きによって構成され、巻き付けられた最内層の前記コイル線材が、前記両巻線部に跨って相互に接続されたものである。

請求項１に記載の発明のモータは、モータの極数の半分の界磁コイルのみが使用され、当該界磁コイルがＮ極及びＳ極のいずれか一方のみのコイルであり、ロータの外周に沿って同ピッチで間欠的に配置されているので、極数と等しい個数の超電導コイルを設ける場合に比べて、界磁コイルの内部の部品数を低減できる。このため、低コスト化や生産性（組み立て容易化）に寄与することができる。また、モータのロータにおいて、界磁コイルを半減した分、十分なスペースを準備できる。したがって、特に界磁コイルとして超電導コイルを適用する場合に、強力なローレンツ力がかかる界磁コイルを、簡易な補強材などで十分に支えることが可能になる。

請求項２に記載の発明のモータは、超電導コイルとして、テープ状のコイル線材が積層巻回されたレーストラック型コイルを適用しているので、その構成が簡単で済む。

請求項３に記載の発明のモータは、コイル線材の各層の巻き付け位置が、ロータの外周に沿って湾曲するように漸次ずらされて形成されているので、ロータの中心からローレンツ力がかかる各層のテープ線材の位置までの距離を、界磁コイルの内部まで適正に設定することができる。よって、界磁コイルに電流が流れてステータとの磁場によりローレンツ力がかかったときに、モータのトルクを向上することが可能になる。特に、超電導モータに適用される場合に有益である。

請求項４に記載の発明のモータは、超電導コイルが、レーストラック型コイルである一対の巻線部の２層巻きによって構成され、巻き付けられた最内層のコイル線材が、両巻線部に跨って相互に接続されているので、コイル線材の両端を容易に最外層に配置でき、これにより外部への引き出しが容易になる。

｛第１実施形態｝
図１及び図２は本発明の一の実施形態に係るモータ（超電導モータ）３が適用された自動車を示すブロック図、図３は超電導コイルを示す模式図、図４はロータに超電導コイルが設置された状態を示す模式図である。尚、図４においてはロータの超電導コイルとして８極コイルを例示している。

この超電導モータ３は、図１の如く、例えば電気自動車またはハイブリッドカー等の車両１の走行手段として適用され、界磁部に超電導コイルが用いられている。

車両１においては、図１及び図２の如く、超電導モータ３の界磁部の磁場の大きさが、直流電流供給回路（制御手段）４での直流電流の制御によって調整され、またインバータ７によって、バッテリ５からの電力を用いて超電導モータ３が駆動され、また制動時には超電導モータ３から得られた回生エネルギーがインバータ７を通じてバッテリ５に与えられる。

尚、図１中の符号９は、バッテリ５に電気エネルギーを供給する燃料電池、符号１１は、燃料電池９に化学物質を供給する化学物質供給部１１を示している。ここで、化学物質供給部１１内で貯蔵される化学物質としては、例えば液体水素が適用され、この化学物質供給部１１から燃料電池９に供給される時点で水素（Ｈ₂）が気化されて、これと別途与えられた酸素とを化学的に反応させ、水を生成すると同時に電気を取り出すようになっている。

そして、超電導モータ３は、図２の如く、ステータ１３を電機子とし、またロータ１５を界磁とした同期型回転機であって、車両１の各車輪内に直接搭載されるイン・ホイール型のものが適用される。この超電導モータ３は、駆動時において各車輪を回転するとともに、制動時においてジェネレータ（発電機）として機能する。

ロータ１５の内部には、界磁部としての超電導コイル（界磁コイル）１７を配置し、この超電導コイル１７に大電流（直流）を通電することで、永久磁石では発生し得ない大きな磁場を発生し、ステータ１３が作る磁場によってロータ１５の回転トルクが発生するようになっている。

この超電導コイル１７としては、図３のように、例えばビスマス−ストロンチウム−カルシウム−銅−酸素系化合物等のビスマス系超電導材料を用いたテープ線材（巻線部）が側面視長円形状に巻き付けられたレーストラック型コイルが使用される。

そして、この超電導モータ３においては、部品数を低減するため、Ｓ極またはＮ極の一方のみの超電導コイル１７を図４のように同ピッチで離間させて配置されている。

ここで、超電導コイル１７内の導線として、テープ線材である超電導線１７ｃが用いられ、さらに、磁場の発生効率を考慮して、図５または図６のように第１のコイル部１７ａと第２のコイル部１７ｂを表裏に貼り付けた２層巻きの構成が採用される。これは、内部の超電導線１７ｃを巻廻した際に、その超電導線１７ｃの中間部１７ｄが内層側に位置し、これにより超電導線１７ｃの両端部１７ｅを最外層に配置して外部への引き出しを容易にするためである。尚、超電導線１７ｃの最内層においては、超電導線１７ｃが第１のコイル部１７ａと第２のコイル部１７ｂとの間を跨いで接続される構成となっている。

尚、ロータ１５の超電導コイル１７の超電導線へは、導電ブラシ１９（図２参照）を通じて外部から電力を通電する。あるいは、非接触給電である電磁誘導を用いてロータ１５の超電導コイル１７に電力を供給しても良い。

そして、超電導コイル１７の超電導線１７ｃが２層巻きの構成であることと、超電導線１７ｃの巻数（Ｎ）とを考慮すると、Ｆ＝２ＩＢＬＮのローレンツ力Ｆが発生する。さらに、超電導コイル１７の積層数に応じてローレンツ力（Ｆ）が強化される。そして、ロータ１５の中心からローレンツ力Ｆがかかる各層の超電導線１７ｃの位置までの距離（Ｄ）を乗じた値がトルクになる。したがって、できる限り距離Ｄを多くとることがトルク増加につながることが分かる。ただし、単純にロータ１５の外形を大きくすれば、モータの大型化、さらには超電導線材量の増加に繋がるため、ロータ１５のサイズはそのままで、超電導コイル１７の配置の工夫により距離Ｄを多くとることが重要となる。

そこで、超電導コイル１７としては、図３のようなレーストラック型コイルの巻き付けにおいて、図６及び図７のように同一位置に重ねて巻き付けた構成のものが使用されてもよいが、望ましくは、超電導線１７ｃを一周巻き付ける毎に、図５及び図８のようにロータ１５の径方向に沿って徐々に斜めにずらして巻き付け、即ち、特に図８のように円周（ロータ１５の外周）に沿わせた形状に巻き付けることにより、ロータ１５の中心からローレンツ力Ｆがかかる各層の超電導線１７ｃの位置までの距離Ｄを、超電導コイル１７の内部まで適正に設定することができ、超電導モータ３のトルクを向上することが可能になる。

このように構成することで、超電導コイル１７（界磁コイル）に大電流を通電すると、超電導コイル１７の半径方向（円外側方向）についてのステータ１３が発生する回転磁界の磁束密度成分（Ｂ）と、超電導コイル１７に流れる電流値（Ｉ）と超電導コイル１７の軸方向の長さ（Ｌ）により、ローレンツ力Ｆ（ここで、Ｆ＝ＩＢＬ）が発生する。

また超電導コイル１７としてコイルを超電導化するためには、コイルの冷却が必須であることから、冷却漏れを極力低減するために、図２のようにロータ１５の回転軸２１を中空筒状に形成して、その回転軸２１の内部を通じて冷媒をロータ１５にポンプ（図示省略）供給することで冷却を行うようになっている。この冷却のための冷媒としては、例えば図１に示した化学物質供給部１１内の化学物質である液体水素を使用し、気化した水素が回転軸２１の中空部を通じて回転軸２１外のロータ１５内部に吐き出されることになる。この気化された水素はそのまま大気に放出することなく所定の冷媒回収経路２２を通じて化学物質供給部１１に回収され、燃料電池９での電気エネルギー変換に利用されることで、駆動用モータにてパワーを供給するようになっている。

ここで、上記構成の超電導モータ３と、本発明とは異なる例えば図９のような比較例とを比較してみる。図９に示した超電導コイル１７においては、Ｎ極とＳ極の合計数（極数）が８個であり、これと同数の８個の超電導コイル１７をロータ１５に使用する場合、第１のコイル３１ａの電流の流れと第２のコイル３１ｂの電流の流れとは、相互に逆回転となっており、同様に第２のコイル３１ｂと第３のコイル３１ｃとは相互に逆回転に電流が流れ、さらに同様に第３のコイル３１ｃと第４のコイル３１ｄとは相互に逆回転に電流が流れる。これにより、各コイル３１ａ〜３１ｄに電流を流した際には、第１のコイル３１ａ及び第３のコイル３１ｃがＳ極のコイルとして機能する一方、第２のコイル３１ｂ及び第４のコイル３１ｄがＮ極のコイルとして機能する。

これに対して、この超電導モータ３においては、図４のように、Ｎ極とＳ極の合計数（極数）の半分の超電導コイル１７のみを使用し、各超電導コイル１７同士の間隙を、各超電導コイル１７のサイズに対応させた寸法に設定している。例えば図４においては、Ｎ極とＳ極の合計数（極数）が８個である場合に、Ｎ極の超電導コイル１７のみを４個だけ使用し、ステータ１３側に設定されたＮ極とＳ極との吸引力及び／または反発力によりロータ１５の回転を行うようになっている。

尚、超電導モータ３においては、Ｎ極とＳ極との吸引力以上にＦ＝ＩＢＬで表されるローレンツ力が支配的であるため、ステータ１３が作る回転磁場の最大磁場及び最小磁場位置に超電導コイル１７の電線束の中心が位置するようにステータ回転磁界を制御すればよい。このため、例えば図４のように超電導コイル１７を配置しても、充分な回転トルクを発生することができる。

このようにすれば、超電導コイル１７の内部の部品数を低減できるため、低コスト化や生産性（組み立て容易化）に寄与することができる。

また、超電導モータ３のロータ１５において、図９に示した比較例よりも超電導コイル１７を半減した分、十分なスペースを準備できる。したがって、強力なローレンツ力がかかる超電導コイル１７を、簡易な補強材などで十分に支えることが可能になる。

さらに、図３のようなレーストラック型コイルを用いた超電導コイル１７の巻き付けを、図６及び図７のようにテープ線材である超電導線１７ｃを同一位置に重ねて巻き付けた構成ではなく、超電導線１７ｃであるテープ線材を一周巻き付ける毎に、図５及び図８のようにロータ１５の径方向に沿って徐々に斜めにずらして巻き付け、即ち、図８のように円周（ロータ１５の外周）に沿わせた形状に巻き付ければ、ロータ１５の中心からローレンツ力Ｆがかかる各層の超電導線１７ｃの位置までの距離Ｄを、超電導コイル１７の内部まで適正に設定することができる。よって、超電導コイル１７に電流が流れてステータ１３との磁場によりローレンツ力がかかったときに、超電導モータ３のトルクを向上することが可能になる。

尚、この実施形態では、Ｎ極の超電導コイル１７のみを極数の半分の個数設けていたが、Ｓ極の超電導コイル１７のみを極数の半分の個数設けてもよい。

尚、上記の実施形態において、超電導モータ３を冷却する冷媒として燃料電池９に使用される液体水素を利用していたが、これに代えて、液体ネオンや液体ヘリウム等の他の液体冷媒を使用しても差し支えない。

本発明の一の実施形態に係るモータが搭載された車両を示すブロック図である。 本発明の一の実施形態に係るモータを示すブロック図である。 本発明の一の実施形態に係るモータの超電導コイルを示す模式図である。 本発明の一の実施形態に係るモータのロータに超電導コイルが設置された状態を示す模式図である。 本発明の一の実施形態に係るモータの超電導コイルを示す模式図である。 超電導コイルの比較例を示す模式図である。 モータのロータに超電導コイルが設置された状態の比較例を示す模式図である。 本発明の一の実施形態に係るモータのロータに超電導コイルが設置された状態を示す模式図である。 本発明の一の実施形態に係るモータのロータに超電導コイルが設置された状態の比較例を示す模式図である。

符号の説明

１ 車両
３ 超電導モータ
５ バッテリ
７ インバータ
９ 燃料電池
１１ 化学物質供給部
１３ ステータ
１５ ロータ
１７ 超電導コイル
１７ａ，１７ｂ コイル部
１７ｃ 超電導線
１７ｄ 中間部
１７ｅ 両端部
１９ 導電ブラシ
２１ 回転軸
２２ 冷媒回収経路
３１ａ〜３１ｄ コイル

Claims (4)

1. ロータの外周部に界磁コイルを配したモータであって、
   前記界磁コイルが超電導コイルであり、且つＮ極及びＳ極のいずれか一方のみに設定され、
   当該各界磁コイルが、当該モータの極数の半分だけ前記ロータの外周に沿って同ピッチで間欠的に配置されたことを特徴とするモータ。
2. 請求項１に記載のモータであって、
   前記超電導コイルが、テープ状のコイル線材が積層巻回されたレーストラック型コイルであることを特徴とするモータ。
3. 請求項２に記載のモータであって、
   前記コイル線材の各層の巻き付け位置が、前記ロータの外周に沿って湾曲するように漸次ずらされて形成されたことを特徴とするモータ。
4. 請求項２または請求項３に記載のモータであって、
   前記超電導コイルが、前記レーストラック型コイルである一対の巻線部の２層巻きによって構成され、巻き付けられた最内層の前記コイル線材が、前記両巻線部に跨って相互に接続されたことを特徴とするモータ。

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