JP2007252108A - アウターローター型同期機及び同期装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】低回転でも高出力又は高い発電効率が得られ、かつ、給電又は配電構造及び超電導コイルの冷却構造を簡略化することができるアウターローター型同期機及びこれを備える同期装置を提供すること。
【解決手段】アウターローターモータ1は、中心軸線Cに沿って配された軸部7と、互いに対向するように左右対称に配されて軸部7に対して固定され、N極及びS極を同心上に形成する界磁コイル8が配された一対の界磁側固定子10A,10Bと、磁性体からなり界磁コイル8が形成するN極に対向して配されて磁化されるN極誘導子11、及び磁性体からなり界磁コイル8が形成するS極に対向して配されて磁化されるS極誘導子12を有して、軸部7に対して回転する中空のドラム13と、N極誘導子11及びS極誘導子12に対向する電機子コイル15を有して一対の界磁側固定子10A,10Bに挟まれて配された電機子側固定子16とを備えている。
【選択図】図3

Description

本発明は、電機子の極性変化と回転子の回転とが同期して回転する同期機のうち、特にアウターローター型同期機及びこれを備える同期装置に関する。
固定子の周りを回転するドラム側に永久磁石を用いたアウターローター型同期機は、径方向に対する小形化、薄型化に適することから、電動機として使用した場合には、比較的高トルクを得やすい(例えば、特許文献1参照)。
このような同期機において高トルクを得るためには、永久磁石の磁力を高める必要がある。しかし、同期機を停止した状態でも永久磁石は磁力を発生することから、メンテナンス等の際に、金属部品が永久磁石に吸引されてしまい取り扱いが面倒となる場合がある。
一方、永久磁石の代わりにコイルを用いて通電によって磁界を発生させて大きな回転力を得る場合、コイルに大量の電流を流す必要があることから、コイルを含めた同期機全体が大型化してしまう。
そこで、同期機の小型化を図るために、コイルの線材が超電導材からなる超電導コイルとした同期機が開発されている(例えば、特許文献2参照。)。
特開2002−354770号公報 特開平4−304159号公報
しかしながら、上述したアウターローター型同期機が有する永久磁石の代わりに超電導コイルを使用する場合、回転子側に超電導コイルを配することになるので、回転運動を伴う超電導コイルに給電又は超電導コイルから配電するための構造や超電導コイルを冷却するための構造が複雑、かつ、大型になってしまうという問題がある。特に、電動機として使用する際、低回転でも高出力を得るためには、ギア等を介して駆動伝達させる必要があり、同期機全体の小型化を図ることが困難である。
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、低回転でも高出力又は高い発電効率が得られ、かつ、給電又は配電構造及び超電導コイルの冷却構造を簡略化することができるアウターローター型同期機及びこれを備える同期装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明では、アウターローター型同期機に係る第1の解決手段として、中心部に配された軸部と、該軸部に対して固定され、N極及びS極を形成する界磁コイルが配された界磁側固定子と、前記界磁コイルが形成するN極に対向して配されたN極誘導子、及び前記界磁コイルが形成するS極に対向して配されたS極誘導子を有して、前記軸部に対して回転する中空のドラムと、前記軸部に対して固定され、前記N極誘導子及び前記S極誘導子に回転磁界を作用させる電機子コイルが配された電機子側固定子とを備え、前記界磁コイル及び前記電機子コイルが超電導コイルであることを特徴とすることを特徴とする手段を採用する。
この手段は、界磁コイルのN極発生位置とN極誘導子とが対向してN極誘導子にN極を誘導し、界磁コイルのS極発生位置とS極誘導子とが対向してS極誘導子にS極を誘導することができ、電機子コイルが発生させる回転磁界との間でドラムに軸部に対する回転力を発生させることができる。この際、界磁コイル及び電機子コイルが超電導コイルなので、コイルに電流が流れても発熱量を抑えることができる。また、中心部の軸部に対してドラムを回転させることになるので、界磁コイル及び電機子コイルを固定して配置することができ、界磁コイル及び電機子コイルへの給電又は配電や冷却の際に、スリップリングやロータリージョイント等の摺動部材や回転継手部材の使用を止めることができる。さらに、界磁コイルによってN極誘導子及びS極誘導子に常に一定の磁極をそれぞれ誘導させることができ、各誘導子を永久磁石の代わりに使用することができる。
アウターローター型同期機に係る第2の解決手段として、上記第1の解決手段において、前記軸部が中空に形成され、前記界磁コイル及び前記電機子コイルと電気的に接続された電気配線が前記軸部内を挿通されていることを特徴とする手段を採用する。
この手段は、コイルと接続された電気配線を軸部内に配することができ、同期機周囲を軽装化することができる。
アウターローター型同期機に係る第3の解決手段として、上記第2の解決手段において、前記界磁コイル及び前記電機子コイルを冷却するための冷媒が、前記軸部内に配された冷却配管を介して供給されることを特徴とする手段を採用する。
この手段は、コイルを冷却するための冷媒が流通する配管系統を軸部内に配することができ、同期機周囲を軽装化することができる。
アウターローター型同期機に係る第4の解決手段として、上記第1から第3の解決手段の何れか一つにおいて、前記N極誘導子及び前記S極誘導子が、前記界磁側固定子と前記電機子側固定子との間に挟まれて配され、前記界磁側固定子と前記電機子側固定子とが、互いにそれぞれ前記軸部に沿って一定の間隔を設けて、前記ドラム内に配されていることが好ましい。
アウターローター型同期機に係る第5の解決手段として、上記第1から第3の解決手段の何れか一つにおいて、前記N極誘導子と前記S極誘導子とが、前記界磁側固定子を間に挟んで前記ドラムの一端側と他端側とにそれぞれ分かれて周方向に複数配され、前記界磁側固定子と、前記N極誘導子又は前記S極誘導子と、前記電機子側固定子とが、前記ドラム内に配されていることが好ましい。
同期装置に係る解決手段として、上記第1から第5の解決手段の何れか一つに記載のアウターローター型同期機を備え、前記ドラムの回転力を外部に、又は、前記ドラムに回転力を伝達する回転力伝達部材が、前記ドラムに配されていることを特徴とする。
この手段は、超電導コイルである界磁コイル及び電機子コイルを備えているので、アウターローター型同期機を電動機として使用する場合には、多大な電流を流さなくても低速で高トルクを発生させることができ、ギア等を省いて効率を高めることができる。また、アウターローター型同期機を発電機として使用する場合には、発電効率を向上させることができる。
本発明によれば、低回転でも高出力が得られ、かつ、超電導材からなる界磁コイル及び電機子コイルへの給電又は電機子コイルからの配電、及びこれらコイルの冷却構造を簡略化することができる。
本発明の第1の実施形態について、図1から図3を参照して説明する。
本発明の第1の実施形態に係るアウターローターモータ(アウターローター型同期機)1は、図1に示すように、ジブクレーン(同期装置)2の巻上げ機3に駆動源として配されている。巻上げ機3には、先端にフック5が配されたワイヤ(回転力伝達部材)6が巻回されている。
アウターローターモータ1は、図2及び図3に示すように、中心軸線Cに沿って配された軸部7と、互いに対向するように左右対称に配されて軸部7に対して固定され、N極及びS極が同心円上に形成される界磁コイル8が配された一対の界磁側固定子10A,10Bと、磁性体からなり界磁コイル8が形成するN極に対向して配されて磁化されるN極誘導子11、及び磁性体からなり界磁コイル8が形成するS極に対向して配されて磁化されるS極誘導子12を有して、軸部7に対して回転する中空のドラム13と、N極誘導子11及びS極誘導子12に対向する電機子コイル15を有して一対の界磁側固定子10A,10Bに挟まれて配された電機子側固定子16とを備えている。
軸部7は、中空に形成されており、界磁コイル8及び電機子コイル15と電気的に接続された電気配線17が軸部7内を挿通されている。
N極誘導子11及びS極誘導子12は、界磁側固定子10Aと電機子側固定子16との間及び界磁側固定子10Bと電機子側固定子16との間にそれぞれ挟まれて配されている。一対の界磁側固定子10A,10Bと、N極誘導子11又はS極誘導子12と、電機子側固定子16とは、互いにそれぞれ軸部7に沿って一定の間隔を設けて、ドラム13内に配されている。
一対の界磁側固定子10A,10Bは、パーメンダー、珪素鋼板、鉄、パーマロイ等の磁性体からなり、設置面に固定されるヨーク18と、ヨーク18に埋設されて互いに対向して配された断熱冷媒容器20とを備えている。ヨーク18は、円板状に形成され、中心部には軸部7と嵌合する貫通孔18aが配されている。
断熱冷媒容器20は、軸部7との接続位置を中心としてヨーク18に凹状に形成された円周溝18bに沿って配されている。界磁コイル8は、ビスマス系、イットリウム系といった超電導材から構成されており、円周溝18bに沿って巻回されて断熱冷媒容器20内に収納されている。
ドラム13は、円筒状の筐体部21と、筐体部21の一端及び他端に配され、軸部7よりも大径の貫通孔22aが中心部に配された側壁部22A,22Bと、円盤形状とされてFRPやステンレス等の非磁性体からなり、周縁部が筐体部21の内周面と接続された一対の回転子本体23A,23Bとを備えている。筐体部21の外周面端部には、ワイヤ6が外周面からずれないように支持板21Aが配されている。
N極誘導子11は、軸部7に対して点対称となる位置に、一対の回転子本体23A,23Bの板幅方向に貫通して形成されている。この際、N極誘導子11の一端面11aが、界磁コイル8のN極発生位置と対向するように、かつ、他端面11bが、電機子コイル15と対向するように配されている。
S極誘導子12は、軸部7に対して点対称となる位置、かつ、N極誘導子11とは90度の位相差を有する位置に、一対の回転子本体23A,23Bの板幅方向に貫通して形成されている。この際、S極誘導子12の一端面12aが、界磁コイル8のS極発生位置と対向するように、かつ、他端面12bが、電機子コイル15と対向するように配されている。なお、N極誘導子11及びS極誘導子12は、パーメンダー、珪素鋼板、鉄、パーマロイ等の磁性体から構成されている。
筐体部21の外周面には、軸部7に対するドラム13の回転力を外部に伝達するワイヤ6が、巻回されている。
側壁部22A,22Bの貫通孔22aには、軸部7に対してドラム13を回転可能に接続させるための軸受25が配されている。
電機子側固定子16は、FRPやステンレス等の非磁性体からなる円板状の固定子本体26を備えている。固定子本体26の中心部には、軸部7と嵌合する貫通孔26aが配されている。固定子本体26の同心円上には、断熱冷媒容器20が複数、かつ等間隔に埋設されている。この断熱冷媒容器20内には、ビスマス系、イットリウム系といった超電導材からなる電機子コイル15が配されている。電機子コイル15の中空部には、大きな界磁磁束密度を得るために、パーメンダー、珪素鋼板、鉄、パーマロイ等の高透磁性材料からなる円柱状磁性体27が配されている。
電気配線17は、直流用の直流電気配線28及び交流用の交流電気配線30とを備えている。界磁コイル8には、軸部7の一端7a側に配された直流電源31が直流電気配線28を介して接続されている。また、電機子コイル15には、軸部7の一端7a側に配された交流電源32が交流電気配線30を介して接続されている。
断熱冷媒容器20には、軸部7の一端7a側に配されて液体窒素を冷媒とする冷却器33が冷却配管35を介して接続されている。この冷却器33は、不図示の駆動電源と接続されている。電気配線17及び冷却配管35は、軸部7内を挿通されている。
次に、本実施形態に係るアウターローターモータ1及びこれを搭載したジブクレーン2の巻上げ機3に関する作用・効果について説明する。
まず、冷却器33を駆動して、界磁コイル8及び電機子コイル15をそれぞれ液体窒素によって冷却して超電導状態とする。
次に、直流電源31から直流電流を界磁コイル8に流す。このとき、例えば、界磁側固定子10Aでは、界磁コイル8の径方向外側にN極及び径方向内側にS極が形成され、界磁側固定子10Bでは、界磁コイル8の径方向内側にN極及び径方向外側にS極が形成される。このように、一対の界磁側固定子10A,10Bでは、直流電流の向きに応じてそれぞれ異なる磁極の向きを発生させる。これによって、電機子側固定子16と対向するN極誘導子11の一端面11aにはS極が誘導され、N極誘導子11の他端面11bにはN極が導出される。
一方、電機子側固定子16と対向するS極誘導子12の一端面12aにはN極が誘導され、S極誘導子12の他端面12bにはS極が導出される。
この状態で、交流電源32から三相交流を電機子コイル15に流す。このとき、三相間の位相差によって、電機子コイル15には軸部7のまわりに回転する回転磁界が発生する。この回転磁界がN極誘導子11及びS極誘導子12に対して、一対の回転子本体23A,23B間で同一方向の軸部7回りの回転力を発生させる。
こうして、ドラム13が軸部7の回りを回転し、ドラム13の筐体部21の外周に巻回されたワイヤ6を巻上げ又は引き出すことによって、ワイヤ6の先端に配されたフック5を上下させる。
このアウターローターモータ1によれば、界磁コイル8のN極発生位置とN極誘導子11とが対向してN極誘導子11にN極を誘導し、界磁コイル8のS極発生位置とS極誘導子12とが対向してS極誘導子12にS極を誘導することができ、電機子コイル15が発生させる回転磁界との間で回転力を発生させることができる。この際、界磁コイル8及び電機子コイル15が超電導コイルなので、導通抵抗値が小さくても電流を多く流すことができ、コイルに電流が流れても発熱量を抑えることができる。
また、中心部の軸部7に対してドラム13を回転させることになるので、界磁コイル8及び電機子コイル15を固定して配置することができる一方、給電の必要のないN極誘導子11及びS極誘導子12を回転させることができる。そのため、界磁コイル8及び電機子コイル15への給電や冷却の際に、スリップリングやロータリージョイント等の摺動部材や回転継手部材の使用を止めることができる。さらに、界磁コイル8によってN極誘導子11及びS極誘導子12に常に一定の磁極をそれぞれ誘導させることができ、各誘導子11,12を永久磁石の代わりに使用することができる。
従って、低回転でも高出力が得られ、かつ、超電導材からなる界磁コイル8及び電機子コイル15への給電、及びこれらコイルの冷却構造を簡略化することができる。
さらに、軸部7が中空なので、界磁コイル8や電機子コイル15に給電するための電気配線17や、界磁コイル8や電機子コイル15を冷却するための冷媒を流通させる冷却配管35を軸部7内に配することができる。従って、アウターローターモータ1の周辺を軽装化することができる。
また、このジブクレーン2によれば、巻上げ機3にアウターローターモータ1が配されて、超電導コイルである界磁コイル8及び電機子コイル15を備えているので、多大な電流を流さなくても低速で高トルクを発生させることができ、ギア等を省いて効率を高めることができる。また、巻上げ時の騒音を通常のモータよりも低減することができる。
次に、第2の実施形態について図4を参照して説明する。
なお、上述した第1の実施形態と同様の構成要素には同一符号を付すとともに説明を省略する。
第2の実施形態と第1の実施形態との異なる点は、本実施形態に係るアウターローターモータ40のN極誘導子41とS極誘導子42とが、中心軸線Cの方向に界磁側固定子43を間に挟んでドラム45の一端45a側と他端45b側とにそれぞれ分かれて、ドラム45に係る筐体部21の内周面の周方向に等間隔に八個ずつ配されているとした点である。
界磁側固定子43は、円環状に形成され、ドラム45の軸方向中央部に配されたヨーク46と、ヨーク46に沿って配された断熱冷媒容器20とを備えている。
断熱冷媒容器20は、ヨーク46に沿って配されている。界磁コイル8は、断熱冷媒容器20内に配されている。
N極誘導子41の一端面41aは、界磁コイル8のN極発生位置と対向して配され、他端面41bは、後述する磁性体延長部48Aと対向するように配される。一方、S極誘導子42の一端面42aは、界磁コイル8のS極発生位置と対向して配され、他端面42bは、後述する磁性体延長部48Bと対向するように配される。
電機子側固定子47は、円柱状磁性体27の両端に一端面48aがそれぞれ対向するとともに、他端面48bが径方向からN極誘導子41又はS極誘導子42に対向する一対の磁性体延長部48A,48Bを備えており、軸部7の軸方向中央部の周方向に等間隔に六個配されている。電機子コイル15は、固定子本体50内に配されている。
磁性体延長部48Aの一端面48aは、電機子コイル15の円柱状磁性体27と対向して配され、他端面48bは、N極誘導子41の他端面41bと対向するように配されている。一方、磁性体延長部48Bの一端面48aは、電機子コイル15の円柱状磁性体27と対向して配され、他端面48bは、S極誘導子42の他端面42bと対向するように配されている。
界磁側固定子43と、N極誘導子41又はS極誘導子42と、電機子側固定子47とは、ドラム45内に配されている。
次に、本実施形態に係るアウターローターモータ40及びこれを搭載した図示しないジブクレーンの巻上げ機に関する作用・効果について説明する。
まず、冷却器33を駆動して、界磁コイル8及び電機子コイル15をそれぞれ液体窒素によって冷却して超電導状態とする。
次に、直流電源31から直流電流を界磁コイル8に流す。このとき、界磁コイル8の軸方向の端面にN極及びS極がそれぞれ形成される。これによって、界磁コイル8のN極発生位置と対向するN極誘導子41の一端面41aにはS極が誘導され、他端面41bにはN極が導出される。一方、界磁コイル8のS極発生位置と対向するS極誘導子42の一端面42aにはN極が誘導され、他端面42bにはS極が導出される。
この状態で、交流電源32から三相交流を電機子コイル15に流す。このとき、三相間の位相差によって、円柱状磁性体27のまわりに回転する回転磁界が発生する。この回転磁界は、電機子コイル15に対向する一対の磁性体延長部48A,48Bの一端面48aから一対の磁性体延長部48A,48Bに導入されて、他端面48bに導出される。
この際、N極誘導子41及びS極誘導子42は、円周上に等間隔に八個ずつ配され、電機子コイル15は、一対の磁性体延長部48A,48Bを介してN極誘導子41及びS極誘導子42と対向するように円周上に等間隔に六個配されているので、N極誘導子41及びS極誘導子42と電機子コイル15とは一部が重なり合うようにして対向する。従って、電機子コイル15に発生する回転磁界がN極誘導子41及びS極誘導子42に対して、軸部7回りの回転力を発生させる。
こうして、ドラム45が軸部7の回りを回転し、ドラム45の筐体部21の外周に巻回されたワイヤ6を巻上げ又は引き出すことによって、ワイヤ6の先端に配されたフック5を上下させる。
このアウターローターモータ40によれば、第1の実施形態に係るアウターローターモータ1よりも外径を小さくすることができ、同様の作用・効果を奏することができる。
なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記実施形態では、アウターローター型同期機をアウターローターモータとしているが、アウターローター型の発電機として使用しても構わない。この場合、界磁コイル8に直流電流を通電した状態でドラム13,45に配されたワイヤ6により、軸部7に対してドラム13,45を回転させることによって、電機子コイル15に回転磁界を発生させて交流電流を生じさせることができる。
また、同期装置としてはジブクレーン2に限らず、図5に示すようなロープ式のエレベータ52としても構わない。この場合、エレベータ52の巻上げ機53に図示しないアウターローターモーターが配され、つりあいおもり55にロープ56によって連結されたかご57を昇降させても構わない。
さらに、同期装置として、図6に示すような、エスカレータ58としても構わない。この場合、エスカレータ58の電動機としてアウターローターモータ60が配され、駆動チェーン61を介して踏段62や移動手すり63を駆動させても構わない。
また、同期装置はこれらに限らず、発電機として風力発電機に使用してもよく、電動機として動く歩道や、ベルトコンベアに使用しても構わない。
本発明の第1の実施形態に係るジブクレーンを示す全体概要図である。 本発明の第1の実施形態に係るアウターローターモータを示す一部断面斜視図である。 本発明の第1の実施形態に係るアウターローターモータの内部構造を示す断面概略図である。 本発明の第2の実施形態に係るアウターローターモータの内部構造を示す断面概略図である。 本発明の他の実施形態としてのエレベータを示す概略図である。 本発明の他の実施形態としてのエスカレータを示す概略図である。
符号の説明
1,40 アウターローターモータ(アウターローター同期機)、2 ジブクレーン(同期装置)、7 軸部、8 界磁コイル、10A,10B,43 界磁側固定子、11,41 N極誘導子、12,42 S極誘導子、13,45 ドラム、15 電機子コイル、16,47 電機子側固定子、17 電気配線、35 冷却配管、52 エレベータ(同期装置)、58 エスカレータ(同期装置)

Claims (6)

  1. 中心部に配された軸部と、
    該軸部に対して固定され、N極及びS極を形成する界磁コイルが配された界磁側固定子と、
    前記界磁コイルが形成するN極に対向して配されたN極誘導子、及び前記界磁コイルが形成するS極に対向して配されたS極誘導子を有して、前記軸部に対して回転する中空のドラムと、
    前記軸部に対して固定され、前記N極誘導子及び前記S極誘導子に回転磁界を作用させる電機子コイルが配された電機子側固定子とを備え、
    前記界磁コイル及び前記電機子コイルが超電導コイルであることを特徴とするアウターローター型同期機。
  2. 前記軸部が中空に形成され、
    前記界磁コイル及び前記電機子コイルと電気的に接続された電気配線が前記軸部内を挿通されていることを特徴とする請求項1に記載のアウターローター型同期機。
  3. 前記界磁コイル及び前記電機子コイルを冷却するための冷媒が、前記軸部内に配された冷却配管を介して供給されることを特徴とする請求項2に記載のアウターローター型同期機。
  4. 前記N極誘導子及び前記S極誘導子が、前記界磁側固定子と前記電機子側固定子との間に挟まれて配され、
    前記界磁側固定子と前記電機子側固定子とが、互いにそれぞれ前記軸部に沿って一定の間隔を設けて、前記ドラム内に配されていることを特徴とする請求項1から3の何れか一つに記載のアウターローター型同期機。
  5. 前記N極誘導子と前記S極誘導子とが、前記界磁側固定子を間に挟んで前記ドラムの一端側と他端側とにそれぞれ分かれて周方向に複数配され、
    前記界磁側固定子と、前記N極誘導子又は前記S極誘導子と、前記電機子側固定子とが、前記ドラム内に配されていることを特徴とする請求項1から3の何れか一つに記載のアウターローター型同期機。
  6. 請求項1から5の何れか一つに記載のアウターローター型同期機を備え、
    前記ドラムの回転力を外部に、又は、前記ドラムに回転力を伝達する回転力伝達部材が、前記ドラムに配されていることを特徴とする同期装置。

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