JP2006187051A - 超電導モータの冷却構造 - Google Patents

Abstract

【課題】 ロータに取り付けた超電導コイルを効率良く冷却することのできる簡素な冷却構造を備えたモータ装置を提供する。
【解決手段】 ロータ１７に超電導コイル２２を取り付けた超電導モータの冷却構造であって、ロータ１７に貫通させて固定された回転軸２３の外面に溝２４、２５、２６が凹設され、該溝２４、２５、２６に挿入した冷媒循環パイプ３３に冷媒を流通させて、該冷媒により超電導コイル２２を冷却する構成としている。
【選択図】 図３

Description

本発明は、超電導モータの冷却構造に関し、特に、官公庁船や客船といった船舶等に搭載される駆動用のモータにおいて、ロータに取り付けた超電導コイルを効率良く冷却するものである。

近年、ガソリン等の燃料資源の枯渇や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渡航する船舶等の開発が進められている。特に、特開平６−６９０７号（特許文献１）に開示されている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。
超電導モータを稼動させるには、超電導コイルを極低温（例えば、７７ケルビン）まで冷却する必要があり、冷却手段が非常に重要であり、効率良く冷却できる簡素な冷却構造が求められている。

特に、モータの中央に配置されるロータに取り付けられる超電導コイルの冷却は、モータの外部からの冷却では効率が悪く、十分に冷却することが困難である。
そこで、特開２００２−５８２０７号（特許文献２）において、モータの回転軸に中空部を設け、該中空部に冷媒を通してロータに取り付けたコイルを冷却する構造が提供されている。該構造であれば、ロータに取り付けたコイルが超電導コイルであっても所要の温度まで効率良く冷却することができる。
しかしながら、特許文献２で開示されている構造では、回転軸中心をドリル等により掘削して中空部を形成しなければならず、特に、船舶等の駆動用に用いられる直列連結同期型等の大型のモータでは、回転軸が長尺となり、この回転軸に長尺な中空部を設けるのは困難である。
特開平６−６９０７号公報 特開２００２−５８２０７号公報

本発明は前記問題に鑑みてなされたものであり、ロータに取り付けた超電導コイルを効率良く冷却することのできる簡単な超電導モータの冷却構造を提供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、ロータに超電導コイルを取り付けた超電導モータの冷却構造であって、
前記ロータに貫通させて固定された回転軸の外面に溝が凹設され、冷却手段の冷媒流通管を前記溝内部に挿入配置していることを特徴とする超電導モータの冷却構造を提供している。

前記構成によれば、回転軸の中心に中空部を設けるのではなく、回転軸の外面に溝を設け、該溝に冷媒流通管を挿入しているため、回転軸に中空部を設ける場合に比べて容易に冷却構造を設けることができる。
モータが大型になる程、回転軸も長尺となり、回転軸の中心に長尺な中空部を形成することが困難となるため、特に、大型の超電導モータに本発明の冷却構造が好適に採用される。
また、冷媒流通管を回転軸の中心線上に設けるよりも溝内部に通して外部に露出させて、ロータに直接冷媒流通管を接触でき、かつ、ロータに取り付けた超電導コイルに近い位置とすることができるため、冷却効果を高めることができる。
なお、超電導コイルの材料としては、ビスマス系やイットリウム系等の高温超電導材等が好適に用いられる。

前記冷却手段は、
超電導コイル冷却用冷媒の供給源に接続させた往路部と復路部を備えた第１パイプと、 前記回転軸の軸線方向の一端に固定させると共に前記第１パイプと回転自在に接続され、第１パイプの往路部と復路部とに夫々連通させる往路部と復路部を有する第２パイプと、
前記溝に挿入され、前記第２パイプの往路部と復路部に両端が連通される冷媒循環パイプからなる前記冷媒流通管と、を備えていることが好ましい。

前記構成によれば、超電導コイル冷却用冷媒を供給源から第１パイプの往路部、第２パイプの往路部、冷媒循環パイプ、第２パイプの復路部、第１パイプの復路部を順に通して循環させ、回転軸の溝に挿入された冷媒循環パイプを流通する冷媒により、ロータに取り付けた超電導コイルを冷却することができる。

前記冷媒循環パイプを挿入する回転軸外面の溝は、前記ロータの軸線方向の全長に沿うと共に対称位置に凹設され、ロータの先端位置では回転軸の外周面に沿わせて形成した溝に折返部を挿入して往路部と復路部とを連続させていることが好ましい。

前記構成によれば、回転軸の外周面に溝加工して、該溝に冷媒循環パイプを通すだけで良いため簡単に実施でき、超電導モータの製造効率が向上し、低コスト化することができる。
なお、さらに冷却効果を高める必要がある場合には、冷媒循環パイプを挿入する溝を回転軸の軸線方向だけでなく周方向にも螺旋状に溝を形成し、例えば蛇腹状の屈曲可能な冷媒循環パイプを回転軸に巻き付けるように配置すると、冷媒循環パイプの長さが大となり、超電導コイルを周方向に広い範囲で効率良く冷却することができる。

ロータ配置領域以外の前記第１パイプと第２パイプは冷媒の温度上昇を防止するため、その外周面を断熱手段で囲むことが好ましい。
前記断熱手段は、例えば、第１パイプと第２パイプと外管で囲み、其の内部を真空断熱層とする手段が好ましい。なお、断熱材で第１パイプと第２パイプとを被覆してもよい。

前記第１パイプは冷媒供給源に接続されるため、固定されている一方、第２パイプは回転軸側に取り付けられるため回転される。よって、第１パイプと第２パイプとを回転自在に接合する必要がある。
本発明では、例えば、第１パイプと第２パイプの接合端に夫々フランジを突設し、これらフランジ同士を互いに回転自在に当接させると共に、当接方向に付勢されるバネ手段を付設している。

前記構成によれば、第１パイプと第２パイプとが多少位置ズレしても、一方のパイプの位置ズレした接合端開口が他方のパイプのフランジにより閉鎖されるため、冷媒漏れを防止することができる。また、当接させたフランジをバネ手段により当接方向に付勢しているため、当接させたフランジ間の隙間をなくして冷媒漏れを防止することができる。

前記超電導コイルの冷却用冷媒として、液体窒素、ネオンあるいはヘリウムを用いていることが好ましい。
液体窒素を冷媒として用いると超電導コイルが超電導状態になる極低温にまで冷却することができる。
超電導コイルの冷却により昇温した液体窒素は、他の冷却装置により冷却して冷媒として再利用してもよいし、気化した場合には外部へ放出してもよい。

前記超電導モータはロータの軸線方向にステータを対向配置し、超電導コイルの磁束方向を軸線方向に向けたアキシャル型でもよいし、断面円環状のステータの中空部にロータを設けて超電導コイルの磁束方向を径方向に向けたラジアル型でもよい。
超電導モータがアキシャル型の場合には、回転軸の外面の溝に挿入した冷媒循環パイプをロータ近傍で溝内から引き出してロータの側面に沿わせ、該ロータに取り付けた超電導コイルの近傍にまで延在させて配置することができる。これにより、冷媒循環パイプを超電導コイルの近傍に配置することができるため、超電導コイルの冷却効果を高めることができる。

前述したように、本発明によれば、ロータに取り付けた超電導コイルを冷却するための冷却構造を設けるために、回転軸の中心に中空部を設けるのではなく、回転軸の外面に溝を設け、該溝に冷媒流通管を挿入しているため、回転軸に中空部を設ける場合に比べて容易に冷却構造を形成することができる。
また、冷媒流通管を回転軸の外面露出させていることにより、回転軸の中心線上に設ける場合と比べて、冷媒をロータに取り付けた超電導コイルに近い位置に流通させることができ、冷却効果を高めることができる。

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４は、本発明の第１実施形態を示し、本発明の超電導モータ１０は、船舶の推進用のモータとして用いられるものである。

超電導モータ１０は、図１及び図２に示すように、ステータ１６と、該ステータ１６の中空部に回転自在に配置されたロータ１７とを備え、ロータ１７に取り付ける超電導コイル２２の磁束方向を径方向に向けたラジアル型としている。
ロータ１７は、粉末磁性体等を用いて円柱状に形成され、その中心に回転軸２３を貫通固定し、該回転軸２３は軸受１８、２１を介してステータ１６の外部に延出している。
ロータ１７には超電導材からなる超電導コイル２２（界磁コイル）を固定している。超電導材としては、ビスマス系やイットリウム系等の高温超電導材が好適に用いられる。

一方、ステータ１６は、鉄粉に絶縁コーティングを施した粉末磁性体等の素材より形成しており、図２に示すように、断面円環形状としている。その内周面には周方向に１２０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１９を取り付けている。該電機子コイル１９には位相ズレした三相交流を供給して回転磁界を発生させ、ロータ１７を回転させる構成としている。

前記回転軸２３の外面には、図２及び図３に示すように、ロータ１７の軸線方向の全長に沿うと共に、回転軸２３の中心軸に対して対称に一対の溝２４、２５を凹設している。一対の溝２４、２５は、ロータ１７の端部（図１中、左側）に対応する位置で回転軸２３の周方向に凹設した溝２６により連結されている。これら溝２４、２５、２６に、液体窒素を流通させる冷媒循環パイプ３３からなる冷媒流通管を挿入している。
一対の溝２４、２５には、それぞれ冷媒循環パイプ３３の往路部３３Ａ、復路部３３Ｂを挿入し、溝２４と２５の間に設けた溝２６に冷媒循環パイプ３３を往路部３３Ａから復路部３３Ｂへと折り返す折り返し部３３Ｃを挿入している。これら往路部３３Ａ、復路部３３Ｂ、折り返し部３３Ｃからなる連続した冷媒循環パイプ３３を冷媒である液体窒素が循環することにより、ロータ１７に取り付けた超電導コイル２２が冷却される構成としている。

前記冷媒循環パイプ３３と共に冷却手段を構成するパイプとして、第１パイプ３１と、該第１パイプ３１と連通された第２パイプ３２を設けている。
第１パイプ３１は往路部３１Ａと復路部３１Ｂを備え、該往路部３１Ａと復路部３１Ｂを超電導コイル冷却用冷媒（本実施形態では液体窒素）の供給源である液体窒素タンク１１に接続している。
なお、前記超電導コイル冷却用冷媒は液体窒素に限らず、ネオンやヘリウムを冷媒として用いてもよい。

第２パイプ３２も往路部３２Ａと復路部３２Ｂを備え、該往路部３２Ａと復路部３２Ｂとを第１パイプ３１の往路部３１Ａと復路部３１Ｂとに夫々連通させて回転自在に接続している。また、第２パイプ３２は、回転軸２３の軸線方向の一端に固定しており、回転軸２３の一端からロータ１７まで延在する第２パイプ３２は、図３に示すように、回転軸２３に凹設した溝２４、２５に挿入している。

前記第１パイプ３１と第２パイプ３２は、その外周面をそれぞれ真空断熱用の外管３４、３６で囲み、真空断熱層３５、３７を備えた断熱手段を設けている。
前記のように回転軸３２の溝２４、２５、２６に挿入する冷媒循環パイプ３３は、往路部３３Ａと復路部３３Ｂを第２パイプの往路部３２Ａと復路部３２Ｂにそれぞれ連通させている。冷媒循環パイプ３３には、断熱手段を設けておらず、この非断熱部分でロータ１７を介して液体窒素の冷熱が伝達されて超電導コイル２２を冷却している。

第１パイプ３１の第２パイプ３２との接合端は、詳細には、図５に示すように、往路部３１Ａが回転軸２３の中心線と同一線上に配置され、該往路部３１Ａの外周を復路部３１Ｂが囲繞し、さらに、該復路部３１Ｂの外周を真空断熱用の外管３４が囲繞している。
同様に、第２パイプ３２の第１パイプ３１との接合端も往路部３２Ａが回転軸２３の中心線と同一線上に配置され、該往路部３２Ａの外周を復路部３２Ｂが囲繞し、さらに、該復路部３２Ｂの外周を真空断熱用の外管３６が囲繞している。
よって、第１パイプ３１と第２パイプ３２の接合端において、第１パイプ３１の往路部３１Ａ、復路部３１Ｂと第２パイプ３２の往路部３２Ａ、復路部３２Ｂとがそれぞれ対向配置される。これにより、液体窒素タンク１１から流出した液体窒素は、第１パイプ３１の往路部３１Ａ、第２パイプ３２の往路部３２Ａ、冷媒循環パイプ３３、第２パイプ３２の復路部３２Ｂ、第１パイプ３１の復路部３１Ｂを順に流通する。

また、第１パイプ３１と第２パイプ３２の接合端には、外周側へそれぞれフランジ３１Ａ−１、３１Ｂ−１、３２Ａ−１、３２Ｂ−１が突設されており、フランジ３１Ａ−１と３２Ａ−１、３１Ｂ−１と３２Ｂ−１をそれぞれ当接させている。当接させたフランジ３１Ｂ−１と３２Ｂ−１をカバー３８で覆い、該カバー３８内に取り付けたバネ３９によりフランジ３１Ｂ−１と３２Ｂ−１を両側から当接方向に付勢している。

前記構成によれば、回転軸２３の中心に中空部を設けるのではなく、回転軸２３の外面に溝２４、２５、２６を設け、該溝２４、２５、２６に冷媒となる液体窒素を流通させる冷媒循環パイプ３３を挿入しているため、回転軸２３に中空部を設ける場合に比べて容易に冷却構造を形成することができる。
また、冷媒循環パイプ３３を回転軸２３の中心線上に設けるよりも外面近くに設けているため、超電導コイル２２に近い位置に配置することができ、冷却効果を高めることができる。

なお、図５に示すように、第１パイプ３１の往路部３１Ａの接合端に突設したフランジ３１Ａ−１の先端３１Ａ−１ａと第２パイプ３２の往路部３２Ａの接合端に突設したフランジ３２Ａ−１の先端３２Ａ−１ａをロータ側へ屈折し、一方のフランジ３２Ａ−１の先端３２Ａ−１ａを他方のフランジ３１Ａ−１の先端３１Ａ−１ａで覆う構成とすると、接合位置での冷媒の漏れをより確実に防止することができる。

図６及び図７は、本発明の第２実施形態を示す。
第１実施形態との相違点は、ロータの軸線方向にステータを対向配置し、超電導コイルの磁束方向を軸線方向に向けたアキシャル型としている点である。

本実施形態の超電導モータ装置５０は、回転軸５１に固定されたロータ５２の軸線方向の両側に所要のエアギャップをあけて一対のステータ５３、５４を対向配置している。
ロータ５２は、軸心に貫通穴５２ａを設け、該貫通穴５２ａに回転軸５１を貫通固定し、ロータ５２と回転軸５１とを共回転させる構成としている。
前記ロータ５２には軸線回りの周方向に間隔をあけて界磁体取付穴５２ｂを設け、これら界磁体取付穴５２ｂに界磁用の超電導コイル５５を内嵌固定して取り付け、磁束方向が軸線方向を向くように配置している。

互いに対称形状の円盤形状としたステータ５３、５４は、回転軸５１を軸受を介して貫通させると共に、ロータ対向面側に軸線回りの周方向に間隔をあけて、常電導材（例えば、銅線等）からなる複数の電機子コイル５６、５７の一端を接着剤で固定し、ロータ５２側へと軸線方向に突出させている。

回転軸５１の外面には、第１実施形態と同様、軸線方向に、かつ、対称位置に溝５８、５９を凹設し、第１実施形態のような溝５８、５９を連結する周方向の溝は設けていない。溝５８、５９に挿入した冷媒流通管の冷媒循環パイプ６１をロータ５２側の溝端部で溝内から引き出し、ロータ５２の側面に沿って冷媒循環パイプ６１を配置している。該冷媒循環パイプ６１は、ロータ５２に取り付けた超電導コイル５５の外側（ロータ５２の周縁側）と内側（回転軸５１側）を交互に通して超電導コイル５５に近接配置している。即ち、図７に示すように、冷媒循環パイプ６１を隣接する超電導コイル５５の間→超電導コイル５５とロータ５２の周縁との間→隣接する超電導コイル５５の間→超電導コイル５５と回転軸５１との間に順に通している。該冷媒循環パイプ６１は、ロータ５２の側面に接着剤等により取り付けてもよいし、ロータ５２に設けた溝に挿入してもよい。

前記構成によれば、、アキシャル型のモータ装置においても、回転軸の外面に設けた溝に冷媒循環パイプを挿入して形成した冷却構造を設けて、ロータに取り付けた超電導コイルを冷却することができる。また、回転軸５１の溝５８、５９から冷媒循環パイプ６１を引き出し、引き出した冷媒循環パイプ６１を超電導コイル５５に近接配置しているため、超電導コイル５５の冷却効果を高めることができる。
なお、冷媒流通管の第１、第２パイプやその他の構成は、第１実施形態と同様のため説明を省略する。

図８は、第２実施形態の変形例を示す。
本変形例では、超電導コイル５５がロータ５２の周縁に沿って取り付けられており、回転軸５１の溝５８、５９から引き出した冷媒循環パイプ６１は超電導コイル５５の内側（回転軸５１側）に沿って配置している。
前記構成としても、超電導コイル５５に冷媒循環パイプ６１を近接配置しているため、超電導コイルの冷却効果を高めることができる。

本発明のモータ装置は、高出力が必要な大型の船舶等の動力源として好適に用いられるものである。特に、図６に示すようにアキシャルギャップ型モータとして、回転軸にステータとロータとを交互に積層配置した直列結合同期型としてステータとロータとを高密度に配置し、ロータに高温超電導バルク磁石を取り付けて、回転軸に設けた冷媒流通管内の冷媒で冷却する構成とすると、高出力を持続でき、官公庁船、客船等の大型船舶の推進用モータとして好適に用いられる。

本発明の第１実施形態の超電導モータの概略断面図である。 超電導モータの断面図である。 ロータから延出した回転軸の断面図である。 第１パイプと第２パイプの接合端を示す要部拡大断面図である。 第１実施形態の変形例を示す断面図である。 第２実施形態の超電導モータの断面図である。 第２実施形態の超電導モータのロータを示す図面である。 第２実施形態の変形例の超電導モータのロータを示す図面である。

符号の説明

１０ 超電導モータ
１６ ステータ
１７ ロータ
１９ 電機子コイル
２２ 超電導コイル
２３ 回転軸
２４、２５、２６ 溝
３１ 第１パイプ
３１Ａ 往路部
３１Ａ−１ フランジ
３１Ｂ 復路部
３１Ｂ−１ フランジ
３２ 第２パイプ
３２Ａ 往路部
３２Ａ−１ フランジ
３２Ｂ 復路部
３２Ｂ−１ フランジ
３３ 冷媒循環パイプ
３３Ａ 往路部
３３Ｂ 復路部
３３Ｃ 折り返し部

Claims (8)

1. ロータに超電導コイルを取り付けた超電導モータの冷却構造であって、
   前記ロータに貫通させて固定された回転軸の外面に溝が凹設され、冷却手段の冷媒流通管を前記溝内部に挿入配置していることを特徴とする超電導モータの冷却構造。
2. 前記冷却手段は、
   超電導コイル冷却用冷媒の供給源に接続させた往路部と復路部を備えた第１パイプと、 前記回転軸の軸線方向の一端に固定させると共に前記第１パイプと回転自在に接続され、第１パイプの往路部と復路部とに夫々連通させる往路部と復路部を有する第２パイプと、
   前記溝に挿入され、前記第２パイプの往路部と復路部に両端が連通される冷媒循環パイプからなる前記冷媒流通管と
   を備えている請求項１に記載の超電導モータの冷却構造。
3. 前記冷媒循環パイプを挿入する回転軸外面の溝は、前記ロータの軸線方向の全長に沿うと共に対称位置に凹設され、ロータの先端位置では回転軸の外周面に沿わせて形成した溝に折返部を挿入して往路部と復路部とを連続させている請求項２に記載の超電導モータの冷却構造。
4. 前記第１パイプと第２パイプの外周面を断熱手段で囲んでいる請求項２または請求項３に記載の超電導モータの冷却構造。
5. 前記断熱手段は、第１パイプと第２パイプとを囲む真空断熱用の外管である請求項４に記載の超電導モータの冷却構造。
6. 前記第１パイプと第２パイプの接合端に夫々フランジが突設され、これらフランジ同士を互いに回転自在に当接させていると共に、当接方向に付勢されるバネ手段が付設されている請求項２乃至請求項５のいずれか１項に記載の超電導モータの冷却構造。
7. 前記超電導コイルの冷却用冷媒として液体窒素、ネオンあるいはヘリウムを用いている請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の超電導モータの冷却構造。
8. 前記超電導モータはアキシャル型あるいはラジアル型である請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の超電導モータの冷却構造。

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