JP2010252491A

JP2010252491A - 回転機

Info

Publication number: JP2010252491A
Application number: JP2009098305A
Authority: JP
Inventors: Hitoshi Oyama; 仁尾山; Takeshi Niisato; 剛新里; Yutaka Komatsu; 裕小松; Takeshi Baba; 猛馬場
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2009-04-14
Filing date: 2009-04-14
Publication date: 2010-11-04

Abstract

【課題】超電導コイルの冷却のばらつきを抑制し、十分に冷却する回転機を提供する。
【解決手段】回転機は、スロット１３０内に超電導コイル１１１が配置された回転機であって、容器１３１と、超電導コイル１１１と、支持部１３２とを備えている。容器１３１は、スロット１３０内に配置されている。超電導コイル１１１は、容器１３１の内部に配置されている。支持部１３２は、超電導コイル１１１を支えている。支持部１３２は、冷媒１３３を流すための孔１３２ａを有する。
【選択図】図４

Description

本発明は、回転機に関し、より特定的にはスロット内に超電導コイルが配置された回転機に関する。

従来より、超電導線材により形成された超電導コイルがモータに用いられている。モータなどの回転機に超電導コイルを用いる場合には、超電導コイルを冷却する必要がある。

このようなモータとして、たとえば特許第３９７２９６４号（特許文献１）には、熱遮蔽体内に超電導コイルを配置し、超電導コイルに熱接触するように第１冷却管を配置していることが開示されている。

特許第３９７２９６４号

上記特許文献１では、第１冷却管は超電導コイルの一方側のみに熱接触している（たとえば特許文献１の図２参照）。このため、上記特許文献１では、超電導コイルの他方側において、冷却が不十分となる領域がある。

そこで、本発明の目的は、超電導コイルの冷却のばらつきを抑制し、十分に冷却する回転機を提供することである。

本発明の回転機は、スロット内に超電導コイルが配置された回転機であって、容器と、超電導コイルと、支持部とを備えている。容器は、スロット内に配置されている。超電導コイルは、容器の内部に配置されている。支持部は、超電導コイルを支えている。支持部は、冷媒を流すための孔を有する。

本発明の回転機によれば、超電導コイルと十分に熱接触した支持部に孔を設けているので、支持部の孔を冷媒流路とすることができる。これにより、支持部の孔を通る冷媒と、支持部とが熱交換することができる。つまり、支持部に放熱機能を持たせることができる。このため、超電導コイルの周囲において冷却できる領域を分散することができる。したがって、超電導コイルの冷却のばらつきを抑制し、十分に冷却することができる。

上記回転機において好ましくは、支持部は、孔としての中空を複数有する。複数の中空に冷媒を流すことによって、超電導コイルの冷却のばらつきを効果的に抑制することができる。

上記回転機において好ましくは、支持部は、超電導コイルの外周を覆う。支持部が非導電性であれば、超電導コイルの外部との絶縁性を確保することができる。

上記回転機において好ましくは、支持部は、フィラーを含む樹脂である。これにより、支持部の強度および熱伝導率を向上できるので、超電導コイルの支持をより安定させ、かつ冷媒への放熱性を向上することができる。

上記回転機において好ましくは、超電導コイルは、支持部は、超電導コイルとの接着された部位を有する。これにより、単に接している場合に比べて接着している部位は熱伝導率が非常に良いので、支持部の熱伝導率をより向上することができる。このため、冷媒への放熱性をより向上することができる。

以上より、本発明の回転機によれば、冷媒を流すための孔を有する支持部を備えているので、超電導コイルの冷却のばらつきを抑制した回転機を実現することができる。

本発明の実施の形態１におけるモータを概略的に示す断面図である。本発明の実施の形態１におけるロータを概略的に示す斜視図である。本発明の実施の形態１におけるステータを概略的に示す斜視図である。本発明の実施の形態１におけるスロット内を概略的に示す断面図であり、図２におけるＩＶ−ＩＶ線に沿った断面図である。本発明の実施の形態１における超電導線材を概略的に示す斜視図である。本発明の実施の形態１における超電導線材を概略的に示す斜視図である。比較例におけるスロット内を概略的に示す断面図である。本発明の実施の形態２におけるモータのスロット内を概略的に示す断面図である。本発明の実施の形態２におけるモータのスロット内を概略的に示す断面図であり、図２におけるＶＩ−ＶＩ線に沿った断面図である。本発明の実施の形態３におけるモータのスロット内を概略的に示す断面図である。本発明の実施の形態４におけるモータのスロット内を概略的に示す断面図である。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照符号を付し、その説明は繰り返さない。

（実施の形態１）
図１〜図６を参照して、本発明の回転機の一実施の形態におけるモータ１００について説明する。図１に示すように、モータ１００は、回転子であるロータ１１０と、ロータ１１０の周囲に配置された固定子であるステータ１２０とを備えている。

図１および図２に示すように、ロータ１１０は、回転軸１１８と、ロータ軸１１６と、ロータコア１１３と、超電導コイル１１１と、支持部１３２と、冷媒１３３とを含んでいる。

ロータ軸１１６は、回転軸１１８の長軸方向に延びる外周面の周囲に形成されている。ロータコア１１３は、ロータ軸１１６の、回転軸１１８に交差する断面における中央部分（回転軸１１８が配置されている領域）から放射状に、ロータ軸１１６の外周面から突出するように延びている。

超電導コイル１１１は、ロータコア１１３を囲むように、かつロータ軸１１６の外表面に沿うように配置されている。支持部１３２は、超電導コイル１１１を支えている。冷媒１３３は、支持部１３２の孔を流れ、支持部１３２と熱的に接触している超電導コイル１１１を冷却する。超電導コイル１１１と冷媒１３３とは、容器１３１の内部に配置されている。容器１３１、超電導コイル１１１、支持部１３２、冷媒１３３は、ロータコア１１３の溝であるスロット１３０内に配置されている。スロット１３０内の構造は、後述する。

図１および図３に示すように、ロータ１１０の周囲には、モータ１００の固定子としてのステータ１２０が形成されている。ステータ１２０は、電機子として作動する超電導コイル１２１と、支持部１３２と、冷媒１３３と、ステータコア１２３とを含んでいる。

電機子として作動する超電導コイル１２１には、ロータ１１０の回転位相に同期した三相交流が印加され、ロータ１１０を回転軸１１８周りに回転させるためのトルクを発生させる。支持部１３２は、超電導コイル１２１を支えている。冷媒１３３は、支持部１３２の孔を流れ、支持部１３２と熱的に接触している超電導コイル１２１を冷却する。超電導コイル１２１と冷媒１３３とは、容器１３１の内部に配置されている。容器１３１、超電導コイル１１１、支持部１３２および冷媒１３３は、ステータコア１２３の開口部であるスロット１３０内に配置されている。スロット１３０内の構造は、後述する。

ステータコア１２３は、超電導コイル１２１の中心部を貫通するように配置されている。なお、図３においては、ステータコア１２３の記載が省略されている。

また、本実施の形態では、ロータ１１０の超電導コイル１１１および超電導コイル１１１の中心を貫通するロータコア１１３は四極として配置され、ステータ１２０は６スロットとして配置されているが、２：３系列、４：３系列他の一般的な集中巻きモータと同様の設計が適用可能である。

ここで、ロータ１１０およびステータ１２０のスロット１３０内の構造について、図４を参照して説明する。なお、図４は、ロータ１１０のスロット１３０を示しているが、ステータ１２０のスロット１３０についても同様の構成である。

図４に示すように、スロット１３０内には、小さい隙間を介して容器１３１が配置されている。容器１３１は、断熱容器であることが好ましい。

超電導コイル１１１は、容器１３１の内部に配置されている。図２に示すように、超電導コイル１１１は、直線部１１１ａと、直線部１１１ａと接続された湾曲部１１１ｂとを有するレーストラック形である。直線部１１１ａは、モータ１００の軸方向に延びる直線の部分であり、湾曲部１１１ｂはモータ１００の外周方向から見たときに曲線となる部分（コイルエンド部）である。超電導コイル１１１は、超電導線材が巻回されている。超電導線材については、後述する。

支持部１３２は、容器１３１の内部の全周に配置されていてもよく、超電導コイル１１１の直線部１１１ａの周囲のみに配置されていてもよい。つまり、支持部１３２は、超電導コイル１１１の全周を覆っていてもよく、超電導コイル１１１の一部のみを覆っていてもよい。

支持部１３２は、超電導コイル１１１を支えている。支持部１３２は、冷媒１３３を流すための孔１３２ａを有している。本実施の形態では、支持部１３２は、孔１３２ａとしての中空を複数有している。具体的には、格子状に孔１３２ａ（中空）を有するように、支持部１３２が形成されている。冷媒１３３が均一に流れる観点から、支持部１３２が有する孔１３２ａは分散していることが好ましい。また、支持部１３２の強度を維持し、かつ冷媒１３３が均一に流れる観点から、支持部１３２が有する孔１３２ａはハニカム形状であることが好ましい。

また、支持部１３２は、超電導コイル１１１の外周を覆っており、超電導コイル１１１と密着していることが好ましい。支持部１３２は、超電導コイル１１１との接着された部位を有することが好ましい。本実施の形態では、支持部１３２は、超電導コイル１１１の全周と密着された部位を有している。支持部１３２が非導電性であれば、超電導コイル１１１の外周を絶縁することができる。

支持部１３２は、非導電性であり、フィラーを含む樹脂であることが好ましい。非導電性の場合、スロット１３０内に時間変化する磁束が通った場合も渦電流等による損失が生じることもない。樹脂として、たとえばＦＲＰ（繊維強化プラスチック：Fiber Reinforced Plastics）、ガラスエポキシなどを用いることができる。フィラーとして、たとえば二酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）、窒化ホウ素（ＢＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）などが好適に用いられる。この場合、支持部１３２の強度を向上できるので、超電導コイル１１１を安定して支えることができる。なお、支持部１３２は、樹脂に限定されず、たとえばセラミックス、ガラスなどを用いることができる。

また、支持部１３２は、冷媒１３３と熱交換するため、熱伝導率の高い材料であることが好ましい。このような材料として、ＦＲＰ、ガラスエポキシなどが挙げられる。

冷媒１３３は、支持部１３２の孔１３２ａ内を流れ、超電導コイル１１１を冷却する。具体的には、冷媒１３３と支持部１３２とが熱交換し、冷却された支持部１３２により超電導コイル１１１を冷却している。つまり、支持部１３２と冷媒１３３とで、放熱フィンのような放熱機能を有している。このため、超電導コイル１１１の周囲に対して、支持部１３２と、孔１３２ａとが均一に配置されていることが好ましい。このような形状として、支持部１３２は上述したハニカム形状であることが好ましい。

冷媒１３３は、超電導コイル１１１を冷却できれば特に限定されず、たとえば液体窒素などを用いることができる。

ここで、超電導コイル１１１を構成する超電導線材１１について説明する。超電導線材１１は、テープ状であり、図５に示すビスマス（Ｂｉ）系の超電導線材を用いてもよく、図６に示す薄膜の超電導線材を用いてもよい。

図５に示すように、ビスマス系の超電導線材１１は、長手方向に延びる複数本の超電導体１１ａと、複数の超電導体１１ａの全周を被覆するシース部１１ｂとを有している。シース部１１ｂは超電導体１１ａに接触している。複数本の超電導体１１ａの各々は、たとえばＢｉ−Ｐｂ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ系の組成を有するビスマス系超電導体が好ましく、特に、（ビスマスと鉛）：ストロンチウム：カルシウム：銅の原子比がほぼ２：２：２：３の比率で近似して表されるＢｉ２２２３相を含む材質が最適である。シース部１１ｂの材質は、たとえば銀や銀合金よりなっている。なお、超電導体１１ａは、単数本であってもよい。

図６に示すように、薄膜の超電導線材１１は、基板１１ｃと、基板１１ｃ上に接して設けられた中間層１１ｄと、中間層１１ｄ上に接して設けられた超電導層１１ｅと、超電導層１１ｅ上に接して設けられた安定化層１１ｆとを有している。

基板１１ｃは、たとえばステンレス鋼、ニッケル合金（たとえばハステロイ）、または銀合金などの金属よりなっている。中間層１１ｄは、たとえばイットリア安定化ジルコニア、酸化セリウム、酸化マグネシウムまたはチタン酸ストロンチウムなどよりなっている。なお、中間層１１ｄは省略されてもよい。

超電導層１１ｅはたとえばＲＥ１２３系超電導体よりなっている。ＲＥ１２３系超電導体とは、ＲＥ_xＢａ_yＣｕ_zＯ_7-dにおいて、０．７≦ｘ≦１．３、１．７≦ｙ≦２．３、２．７≦ｚ≦３．３であることを意味する。また、ＲＥ１２３系超電導体のＲＥとは、希土類元素およびイットリウム元素の少なくともいずれかを含む材質を意味する。また、希土類元素としては、たとえばネオジム（Ｎｄ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、ホルミニウム（Ｈｏ）、サマリウム（Ｓｍ）などが含まれる。ＲＥ１２３系超電導線材は、配向金属基板上に気相法のみまたは液相法のみによって超電導体（超電導薄膜材料）を成膜する方法で製造される。

また、安定化層１１ｆは、超電導層１１ｅの表面保護のために設けられる層であり、たとえば銀や銅などよりなっている。安定化層１１ｆは省略されてもよい。

続いて、図７に示すスロット２３０内の構造を有する比較例のモータと比較して、本実施の形態のモータ１００を説明する。

図７に示すように、比較例のモータのスロット２３０内の構造は、四隅に配置された支持部２３２により超電導コイル１１１を配置している。この支持部２３２の間に、冷媒２３３が流れている。比較例では、超電導コイル１１１を冷媒２３３が直接冷却するので、超電導コイル１１１において冷媒２３３と接触している領域は冷却されやすく、支持部２３２と接触している領域は冷却されにくい。このため、比較例の超電導コイル１１１には、冷却にばらつきが生じる。

一方、図４に示す本実施の形態のモータ１００のスロット１３０内には、冷媒１３３を流すための孔１３２ａを有する支持部１３２が形成されている。本実施の形態では、支持部１３２の孔１３２ａを冷媒流路としている。この場合、孔１３２ａの内部を冷媒１３３が流れ、支持部１３２が冷媒１３３により冷却される。つまり、支持部１３２の孔１３２ａを通る冷媒１３３と、支持部１３２とが熱交換することができる。この冷却された支持部１３２により、超電導コイル１１１は冷却される。このように、支持部１３２に放熱機能を持たせることができる。また、孔１３２ａを設けているので、比較例と比べて、超電導コイル１１１において冷却することができる領域を分散することができる。このため、超電導コイル１１１の冷却を均一化できる。したがって、超電導コイル１１１の冷却のばらつきを抑制し、十分に冷却することができる。

さらに、超電導コイル１１１を支える支持部１３２を分散して形成することができる。このため、支持部１３２の配置に対する制約が小さくなり、支持部１３２をスロット１３０内の任意の位置に形成することができる。これにより、所望の場所に超電導コイル１１１を配置することができる。特に、回転機の小型化を図る場合に、有利である。

なお、本実施の形態では、回転機として、ロータ１１０とステータ１２０とを含むモータ１００を例に挙げて説明したが、回転機のロータ１１０またはステータ１２０のいずれか一方のみに用いることもできる。本実施の形態のモータ１００は、産業用モータ、船舶駆動用モータ、ハイブリッド自動車駆動用モータなどに好適に用いられる。また、本発明の回転機はモータに特に限定されず、たとえば、発電機などにも適用可能である。

（実施の形態２）
図８および図９を参照して、本実施の形態におけるモータは、基本的には実施の形態１におけるモータ１００と同様であるが、支持部１３２の構造において異なる。

具体的には、図８および図９に示すように、支持部１３２は、多孔質体である。つまり、多孔質体の孔に冷媒１３３を流し、本体部で超電導コイル１１１を支えている。本実施の形態のように、支持部１３２の孔１３２ａは、ランダムに形成されていてもよい。

（実施の形態３）
図１０を参照して、本実施の形態におけるモータは、基本的には実施の形態１におけるモータ１００と同様であるが、支持部１３２の構造において異なる。

具体的には、支持部１３２は、超電導コイル１１１の外周面を覆うコイル被覆部１３２ｂと、容器１３１の内周面を覆う容器被覆部１３２ｃ、コイル被覆部１３２ｂと容器被覆部とを連結する連結部１３２ｄとを含んでいる。コイル被覆部１３２ｂ、容器被覆部１３２ｃおよび連結部１３２ｄとで、超電導コイル１１１を支えている。コイル被覆部１３２ｂ、容器被覆部１３２ｃおよび連結部１３２ｄとの間に形成される孔１３２ａ内を流れる冷媒１３３と、熱交換したコイル被覆部１３２ｂにより、超電導コイル１１１を冷却することができる。

本実施の形態のように、支持部１３２の孔１３２ａの数に限定されず、孔１３２ａが実施の形態１よりも少なく形成されていてもよく、実施の形態１よりも多く形成されていてもよい（図示せず）。

（実施の形態４）
図１１を参照して、本実施の形態におけるモータは、基本的には実施の形態１におけるモータ１００と同様であるが、支持部１３２の構造において異なる。

具体的には、支持部１３２は、超電導コイル１１１の外周面の一部を覆っている。支持部１３２は、２種類の孔１３２ａ１、１３２ａ２を有している。つまり、本実施の形態の支持部１３２は、図７に示す支持部２３２の内部に形成された孔１３２ａ１を有している。孔１３２ａ１、１３２ａ２内を流れる冷媒１３３と、熱交換した支持部１３２により、超電導コイル１１１を冷却することができる。

本実施の形態のように、支持部１３２は、超電導コイル１１１の外周面の一部を覆っていてもよい。この場合、孔１３２ａ１をさらに形成することにより、支持部１３２を冷却フィンとして機能させることができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した実施の形態ではなくて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意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１１超電導線材、１１ａ超電導体、１１ｂシース部、１１ｃ基板、１１ｄ中間層、１１ｅ超電導層、１１ｆ安定化層、１００モータ、１１０ロータ、１１１，１２１超電導コイル、１１１ａ直線部、１１１ｂ湾曲部、１１３ロータコア、１１６ロータ軸、１１８回転軸、１２０ステータ、１２３ステータコア、１３０スロット、１３１容器、１３２支持部、１３２ａ，１３２ａ１，１３２ａ２孔、１３２ｂコイル被覆部、１３２ｃ容器被覆部、１３２ｄ連結部、１３３冷媒、Ｒ領域。

Claims

スロット内に超電導コイルが配置された回転機であって、
スロット内に配置された容器と、
前記容器の内部に配置された超電導コイルと、
前記超電導コイルを支える支持部とを備え、
前記支持部は、冷媒を流すための孔を有する、回転機。
前記支持部は、前記孔としての中空を複数有する、請求項１に記載の回転機。
前記支持部は、前記超電導コイルの外周を覆う、請求項１または２に記載の回転機。
前記支持部は、フィラーを含む樹脂である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の回転機。
前記支持部は、超電導コイルとの接着された部位を有する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の回転機。