JP2010028904A - 超電導モータ - Google Patents

Abstract

【課題】回転子側に磁界を発生させるコイルを超電導コイルとしながらも、該超電導コイルを回転軸と共に回転しない構成とすることにより、超電導コイルの冷却構造を簡単にする超電導モータを提供する。
【解決手段】界磁側回転子と、該界磁側回転子の外周に配置される電機子側固定子を有する超電導モータであって、前記界磁側回転子の界磁コイルとして超電導コイルを用い、該超電導コイルを中心線上に配置した固定軸に外嵌固定すると共に、該超電導コイルを収容する冷却容器を前記固定軸の外周に取り付け、該冷却容器の外周に回転子となる誘導子を回転自在に配置し、該回転子の回転出力軸を前記固定軸と分断して中心軸線上に配置していることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、超電導モータに関し、詳しくは、回転子側に磁界を発生させるコイルとして超電導コイルを用いている超電導モータに関するものである。

従来、超電導コイルを固定子側の界磁コイルとして用いた超電導モータが多数提供されている。
例えば、特開平３−２８９３４４号公報（特許文献１）で提供されている超電導モータ１は、図５に示すように、回転軸となるシャフト２に円板状のアーマチュア３を固定し、該アーマチュア３を挟んで複数の超電導コイル４を周方向に間隔をあけて配置している。これら超電導コイル４は、環状の液体ヘリウム容器５の中に固定しており、固定子側の界磁コイルとなる。超電導コイル４を励磁させて所要の磁界を形成する一方、アーマチュア３に所要の電流を流して回転力を与えて、シャフト２からモータの出力を取り出す構成としている。

特開平３−２８９３４４号公報

前記特許文献１のように、固定子側のコイルを超電導コイルとした場合には、超電導コイルが所定の位置に固定されているため、超電導コイルを極低温に冷却するための冷却構造を比較的簡単な構造とすることができる。
これに対し、回転子側のコイルとして超電導コイルを用い、超電導コイルが回転軸と共に回転する構造とすると、超電導コイルを冷却するための構造が非常に複雑になる問題がある。

本発明は前記問題に鑑みてなされたものであり、回転子側に磁界を発生させるコイルを超電導コイルとしながらも、該超電導コイルを固定できる構成とし、超電導コイルの冷却構造を簡単に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、界磁側回転子と、該界磁側回転子の外周に配置される電機子側固定子を有する超電導モータであって、
前記界磁側回転子の界磁コイルとして超電導コイルを用い、該超電導コイルを中心線上に配置した固定軸に外嵌固定すると共に、該超電導コイルを収容する冷却容器を前記固定軸の外周に取り付け、該冷却容器の外周に回転子となる誘導子を回転自在に配置し、該回転子の回転出力軸を前記固定軸と分断して中心軸線上に配置していることを特徴とする超電導モータを提供している。

前記構成からなる本発明の超電導モータによれば、回転子側の磁界を発生させるためのコイルを超電導コイルとしているが、超電導コイルおよび該超電導コイルを囲む冷却容器は回転させずに固定軸に外嵌固定し、該超電導コイルに通電することにより、外周位置に配置した誘導子（クローポール）を磁化させて回転させることにより出力を得る構成としている。
このように、回転子側の磁界を発生させるための超電導コイルおよび冷却容器は回転させずに所定の位置に固定しているため、該超電導コイルを冷却するための冷却構造を簡単にすることができる。

詳しくは、前記回転子側の界磁コイルの軸線方向の両側に、前記固定軸と隙間（Ｃ２）をあけて回転自在に前記誘導子を突設した円環形状の第１ヨークおよび第２ヨークを配置し、該第１ヨークから突設したＮ極誘導子と第２ヨークから突設したＳ極誘導子を前記冷却容器の外周方向に交互に配置し、前記第１、第２ヨークの一方に前記回転出力軸を連結固定している。

前記電機子側固定子の電機子コイルとして超電導コイルを用い、該超電導コイルを冷却容器に収容し、該超電導コイルの内周に誘導子を固定配置し、この固定子側の誘導子の内周と前記回転子側の誘導子の外周とを隙間（Ｃ１）をあけて対向配置している。

前記構成によれば、電機子コイルに交流電流を流すと、固定子側の誘導子は周期的にＮ極、Ｓ極に磁化され、この磁極が変化する固定子側の誘導子により、回転子側のＮ極誘導子とＳ極誘導子を回転させて、回転出力軸を回転させることができる。
このように、界磁側固定子の界磁コイルおよび電機子側固定子のコイルのいずれも超電導コイルを用いると、超電導モータを高効率とすることができる。

前記回転子の誘導子を固定したヨークと固定軸との隙間（Ｃ２）は、前記回転側の誘導子と固定子側の誘導子との隙間（Ｃ１）より小さくしている。
これは、回転子の磁気回路を回転部分と非回転部分に分けるためには隙間（Ｃ１）と（Ｃ２）とが必要であり、隙間（Ｃ２）を隙間（Ｃ１）より小さくすることで、モータとしての性能が損なわれない。

前記回転子側の超電導コイルの冷却は、固定軸は中空部を有する形状とし、該中空部に冷凍機のコールドヘッドを通し、該コールドヘッドの先端部を前記界磁コイルに接触させ、かつ、該界磁コイルと接続する給電線は上記中空部を通して配線している。

前記構成によれば、超電導コイルからなる界磁コイルが回転することなく所定位置に固定されているため、固定された超電導コイルにコールドヘッドの先端部を接触させた簡単な冷却構造とすることができる。
また、コールドヘッドを固定軸の中空部に通して配置しているため、固定軸内のスペースを有効に利用することができ、かつ、コールドヘッドが前記誘導子の回転の邪魔になることがない。

また、前記第１ヨークから突出する前記Ｎ極誘導子の先端を絶縁部材を介して前記第２ヨークと連結すると共に、前記第２ヨークから突出する前記Ｓ極誘導子の先端を絶縁部材を介して前記第１ヨークと連結している。

前記回転子側および固定子側に用いる超電導コイルは、帯状の超電導線が巻回されて形成された複数のシングルパンケーキコイルあるいはダブルパンケーキコイルを軸線方向に並設して円筒状とした積層コイルとしていることが好ましい。
前記構成によれば、所要個数のパンケーキコイルを軸線方向に並設した積層コイルとしているため、軸線方向に長い円環形状のコイルとすることができ、モータに要求される出力を出すことができる。

前述したように、本発明によれば、回転子側の磁界を発生させるための超電導コイルおよび該超電導コイルを囲む冷却容器は回転させずに固定軸に外嵌固定し、該超電導コイルに通電することにより、外周位置に配置した誘導子を磁化させて回転させることにより出力を得る構成としている。よって、回転子側の磁界を発生させるための超電導コイルおよび冷却容器は回転させずに所定の位置に固定でき、該超電導コイルを冷却するための冷却構造を簡単にすることができる。

以下、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に、本発明の実施形態を示す。
本実施形態の超電導モータ１０は、自動車用の駆動モータ等として用いられるものである。
超電導モータ１０は、電機子側の固定子２０の内部に界磁側の回転子３０を回転自在に配置し、固定子２０に設けた誘導子２８、２９により形成される磁極と、回転子３０に設けた誘導子３３、３４により形成される磁極の磁気作用によって回転子３０の回転出力軸３５ｂを回転させて、回転出力を得る構成としている。

前記超電導モータ１０は、図１に示すように、モータの中心軸線上に回転出力軸３５ｂと固定軸１１とを分断して配置している。該固定軸１１の外端はモータの両側壁４１、４２のうちの一方の側壁４１の中心孔４１ａに回転不可に固定している。回転出力軸３５ｂは他方の側壁４２の中心孔４２ａに回転自在に貫通している。

前記固定軸１１の外周に超電導コイルからなる界磁コイル１２に外嵌固定し、該界磁コイル１２を収容する冷却容器１３を固定軸１１の外周面に固定している。
固定軸１１は中空部１１ａを有する円筒形状とし、冷凍機（図示せず）のコールドヘッド１４および電源（図示せず）に接続された電力供給線１５を固定軸１１の外端より中空部１１ａに通している。固定軸１１には界磁コイル１２を外嵌固定した位置に貫通孔１１ｂを設け、該貫通孔１１ｂを通して電力供給線１５を界磁コイル１２の超電導線と接続し、かつ、コールドヘッド１４の先端を界磁コイル１２と接触させて冷却している。

界磁コイル１２は、超電導線を巻回して形成した複数のダブルパンケーキコイルを軸線方向に積層して軸線方向に長い円環形状（即ち、円筒形状）としており、隣接するダブルパンケーキコイルの超電導線を順次接続した積層型のコイルとしている。
また、前記冷却容器１３は界磁コイル１２の径方向の外周および軸線方向の両側を囲むステンレス製の容器とし、その内周面を固定軸１１に固定している。
このように、固定軸１１に界磁コイル１２および冷却容器１３は回転不可の状態で固定し、この外周に回転子３０を回転自在に配置している。なお、界磁コイル１２はシングルパンケーキコイルを積層して形成してもよい。

前記回転子３０は、冷却容器１３の外周に配置する誘導子３３、３４、誘導子３３を突設した第１ヨーク３１、誘導子３４を突設した第２ヨーク３２、第１ヨーク３１に連結固定すると共に回転出力軸３５ｂを設けた支持部材３５、および第２ヨーク３２を支持する支持部材３６とから構成している。

詳細には、前記第１ヨーク３１と第２ヨーク３２は、図１及び図２に示すように、円環形状とし、界磁コイル１２の軸線方向の両側に回転自在に配置している。第１ヨーク３１の外周縁より直径方向に対向させて軸線方向に突出する一対の誘導子３３を突設し、第２ヨーク３２の外周縁より直径方向に対向させて軸線方向に突出する一対の誘導子３４を突設している。該誘導子３３、３４は先端から基端にかけて幅を大きくした台形形状とし、冷却容器１３の外周面に沿うように湾曲させている。
これら各一対の誘導子３３、３４を界磁コイル１２および冷却容器１３の外周側に９０度間隔で突出させ、冷却容器１３の外周と固定子２０の内周の間に、Ｎ極となる誘導子３３とＳ極となる誘導子３４とを周方向に９０度間隔で交互に配置している。前記第１、第２ヨーク３１、３２および誘導子３３、３４は全て鉄からなる。
なお、誘導子３３、３４は説明を簡略化するため、一対ずつとしているが、例えば、１２個ずつ突設して、Ｎ極誘導子３３とＳ極誘導子３４とを１５度間隔で密に配置してもよい。

前記第１ヨーク３１と第２ヨーク３２の軸線方向の外面側に絶縁部材からなる支持部材３５、３６をそれぞれ設けている。第１ヨーク３１側に配置される一方の支持部材３５を第１ヨーク３１に固定すると共に、支持部材３５の内面に設けた嵌合溝３５ａに第２ヨーク３２から突設したＳ極誘導子３４の先端部３４ａを挿入して支持している。同様に、第２ヨーク３２側に配置される他方の支持部材３６を第２ヨーク３２に外嵌すると共に、支持部材３６の内面に設けた嵌合溝３６ａに第１ヨーク３１から突設したＮ極誘導子３３の先端部３３ａを挿入して支持している。これにより、支持部材３５、３６を介して第１ヨーク３１、Ｎ極誘導子３３と第２ヨーク３２、Ｓ極誘導子３４を互いに位置決め固定している。
一方の支持部材３５には、外面中心より回転出力軸３５ｂを一体に突設している。他方の支持部材３６は、中心に固定軸１１を貫通させるための貫通穴３６ｂを設けている。
前記第１、第２ヨーク３１、３２の内周面と固定軸１１の外周面との間には隙間（Ｃ２）を設けている一方、支持部材３５、３６は軸受３７、３８を介して固定軸１１の外周に回転自在に取り付けている。

前記固定子２０側の電機子コイル２１として超電導コイルを用いている。該超電導コイルは超電導線を巻回して形成したダブルパンケーキコイルを軸線方向に積層した円環形状とし、隣接するダブルパンケーキコイルの超電導線を順次接続した積層型のコイルとしている。

前記電機子コイル２１は、図１に示すように略相似形状の円環状筒型としたステンレス製の冷却容器２２内に収容している。該冷却容器２２は、電機子コイル２１を収容する内槽２２ａと、該内槽２２ａを囲む外槽２２ｂからなり、内槽２２ａと外槽２２ｂの間の空間を真空断熱層２２ｃとしている。冷却容器２２の上端に配管２３を接続し、該配管２３を通して冷凍機（図示せず）のコールドヘッド２４および電源（図示せず）に接続された電力供給線２５を冷却容器２２内に導入している。コールドヘッド２４の先端部を電機子コイル２１に接触させて冷却すると共に、電力供給線２５を電機子コイル２１の超電導線に接続している。
なお、電機子コイル２１もシングルパンケーキコイルを積層して形成してもよい。

前記冷却容器２２には、図３に示すように、固定子側の一対の第１ヨーク２６と第２ヨーク２７を軸線方向の両側より外嵌して取り付けている。
第１、第２ヨーク２６、２７は、冷却容器２２に収容した電機子コイル２１の軸線方向の両側に配置される円環平板形状の側壁部２６ａ、２７ａと、該側壁部２６ａ、２７ａの外周縁より突出し冷却容器２２の外周面に外嵌される外周壁部２６ｂ、２７ｂからなる。また、第１ヨーク２６の内周縁より直径方向に対向させて軸線方向に突出する一対の誘導子２８を突設し、第２ヨーク２７の内周より直径方向に対向させて軸線方向に突出する一対の誘導子２９を突設している。該誘導子２８、２９は先端から基端にかけて幅を大きくした台形形状とし、冷却容器２２の内周面に沿うように湾曲させている。
前記各一対の誘導子２８、２９を電機子コイル２１の内周側に９０度間隔で突出させ、電機子コイル２１の内周と回転子３０の外周の間に、誘導子２８と２９を周方向に９０度間隔で交互に配置している。第１、第２ヨーク２６、２７および誘導子２８、２９は鉄からなる。
なお、誘導子２８、２９は説明を簡略化するため、一対ずつとしているが、例えば、１２個ずつ突設して、誘導子２８と２９を１５度間隔で密に配置してもよい。

前記のように、固定子２０は、電機子コイル２１、冷却容器２２、第１、第２ヨーク２６、２７および誘導子２８、２９とからなる構成としている。
前記固定子２０を、図１及び図４に示すように、軸線方向に２個並設し、円筒体からなる外周壁４０に内嵌支持している。これら２個の固定子２０Ａと２０Ｂは、軸線方向の外側に第１ヨーク２６を配置し、内側に第２ヨーク２７を配置して、固定子２０Ａと２０Ｂの第２ヨーク２７の外面同士を当接させている。また、固定子２０Ａと２０Ｂとは、周方向に４５度位相させて配置している。

前記固定子２０Ａ、２０Ｂに囲まれた内部に前記回転子３０を配置し、固定子２０Ａ、２０Ｂの内周側の誘導子２８、２９と回転子３０の外周側の誘導子３３、３４を隙間（Ｃ１）をあけて対向配置している。この隙間（Ｃ１）は回転子３０側の隙間（Ｃ２）より大としている。
なお、隙間（Ｃ１）は０．１ｍｍ〜１０ｍｍ、隙間（Ｃ２）は０．１ｍｍ〜１０ｍｍとしていることが好ましい。

前記構成とした本発明の超電導モータ１０においては、回転子側の界磁コイル１２に直流電流を流すと、界磁コイル１２の軸線方向一端に配置した第１ヨーク３１が磁化され、第１ヨーク３１に突設した誘導子３３によりＮ極の磁極が形成される。他端に配置した第２ヨーク３２も磁化され、第２ヨーク３２に突設した誘導子３４によりＳ極の磁極が形成される。これにより、Ｎ極の磁極とＳ極の磁極が周方向に交互に形成される。

一方、固定子２０側の電機子コイル２１に交流電流を供給すると、第１ヨーク２６に突設した誘導子２８に形成される磁極がＮ極→Ｓ極→Ｎ極…と周期的に切り替わる一方、第２ヨーク２７に突設した誘導子２９に形成される磁極がＳ極→Ｎ極→Ｓ極…と周期的に切り替わる。
このように磁極が変化する固定子２０側の誘導子２８、２９によって、磁極が一定である回転子３０側の誘導子３３、３４が回転することにより回転子３０が回転する。これにより回転出力軸３５ｂより出力を得ることができる。

前記構成の超電導モータ１０によれば、回転子３０側の磁界を発生させるための界磁コイル１２を超電導コイルとしているが、超電導コイルおよび該超電導コイルを囲む冷却容器１３は固定軸１１に外嵌固定しているため回転せず、超電導コイルに通電することにより、外周位置に配置した誘導子３３、３４を磁化させて回転させることにより出力を得ることができる。
このように、回転子３０側の磁界を発生させるための界磁コイル１２および冷却容器１３は回転させずに所定の位置に固定しているため、該界磁コイル１２を冷却するための冷却構造を簡単にすることができる。
また、界磁コイル１２を回転させないため、該界磁コイル１２に接続する電力供給線を固定軸１１の内部を通して配線できる。

前記実施の形態はすべての点で例示であって、これら実施形態に限定されず、本発明の範囲は、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の範囲内でのすべての変更が含まれる。

本発明の超電導モータは、自動車用の駆動モータとして好適に用いられるものであり、その他鉄道車両、船舶駆動モータ等に用いられるものである。

本発明の実施形態の超電導モータを示す断面斜視図である。 回転子の分解斜視図である。 固定子の分解斜視図である。 超電導モータの分解斜視図である。 従来例を示す図面である。

符号の説明

１０ 超電導モータ
１１ 固定軸
１２ 超電導コイルからなる界磁コイル
１３ 冷却容器
２０ 電機子側固定子
２１ 超電導コイルからなる電機子コイル
２２ 冷却容器
２６ 固定子側の第１ヨーク
２７ 固定子側の第２ヨーク
２８、２９ 固定子側の誘導子
３０ 界磁側回転子
３１ 回転子側の第１ヨーク
３２ 回転子側の第２ヨーク
３３ Ｎ極誘導子
３４ Ｓ極誘導子
３５、３６ 支持部材
３５ｂ 回転出力軸

Claims (6)

1. 界磁側回転子と、該界磁側回転子の外周に配置される電機子側固定子を有する超電導モータであって、
   前記界磁側回転子の界磁コイルとして超電導コイルを用い、該超電導コイルを中心線上に配置した固定軸に外嵌固定すると共に、該超電導コイルを収容する冷却容器を前記固定軸の外周に取り付け、該冷却容器の外周に回転子となる誘導子を回転自在に配置し、該回転子の回転出力軸を前記固定軸と分断して中心軸線上に配置していることを特徴とする超電導モータ。
2. 前記電機子側固定子の電機子コイルとして冷却容器に収容した超電導コイルを用い、該超電導コイルの内周に誘導子を固定配置し、この固定子側の誘導子の内周と前記回転子の誘導子の外周とを隙間（Ｃ１）をあけて対向配置している請求項１に記載の超電導モータ。
3. 前記界磁側回転子の界磁コイルの軸線方向の両側に、前記固定軸と隙間（Ｃ２）をあけて回転自在に前記誘導子を突設した円環形状の第１ヨークおよび第２ヨークを配置し、該第１ヨークから突設したＮ極誘導子と第２ヨークから突設したＳ極誘導子を前記冷却容器の外周方向に交互に配置し、前記第１、第２ヨークの一方に前記回転出力軸を連結固定している請求項１または請求項２に記載の超電導モータ。
4. 前記隙間（Ｃ２）は前記隙間（Ｃ１）より小さくしている請求項３に記載の超電導モータ。
5. 前記第１ヨークから突出する前記Ｎ極誘導子の先端を絶縁部材を介して前記第２ヨークと連結すると共に、前記第２ヨークから突出する前記Ｓ極誘導子の先端を絶縁部材を介して前記第１ヨークと連結している請求項３または請求項４に記載の超電導モータ。
6. 前記固定軸は中空部を有し、該中空部に冷凍機のコールドヘッドを通し、該コールドヘッドの先端部を前記界磁コイルに接触させ、かつ、該界磁コイルと接続する給電線は上記中空部を通して配線している請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の超電導モータ。

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