JP2011172316A - 電動機装置 - Google Patents

Abstract

【課題】装置全体としての小型化や部品点数の削減を図った構成でケース内の空気を少なくできるようにする。
【解決手段】回転軸２４におけるケース４０内とケース４０外との境界となる位置に螺旋状の凸部２７および溝２８を形成する。これにより、ケース４０内の空気を吸い出すための真空ポンプなどをケース４０外に設けるものに比して、装置全体としての小型化や部品点数の削減を図った構成でケース４０内の空気を少なくすることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、電動機装置に関し、詳しくは、回転子と超電導コイルが巻回された固定子とを有する超電導電動機がケースに収納されてなる電動機装置に関する。

従来、この種の電動機装置としては、主軸に固定されたロータを有し、ロータ巻線およびステータ巻線が超低温ヘリウムによって冷却され、ロータとステータとこれらの間の空隙とを含む外囲体の内部の密閉域が外囲体の外部の真空源に接続されているものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開昭６２−９５９６２号公報

上述の電動機装置では、外囲体の外部に真空源を設ける必要があるため、装置全体として大型になったり部品点数が多くなったりするという問題があった。特に、こうした電動機装置が車両などに搭載される場合、省スペース化の観点などから装置の小型化などが要求される。

本発明の電動機装置は、装置全体としての小型化や部品点数の削減を図った構成でケース内の空気を少なくできるようにすることを主目的とする。

本発明の電動機装置は、上述の主目的を達成するために以下の手段を採った。

本発明の電動機装置は、
回転子と超電導コイルが巻回された固定子とを有する超電導電動機がケースに収納されてなる電動機装置であって、
前記回転子の回転軸と前記ケースとのうち少なくとも一方に、前記回転子の回転時に前記ケース内の空気を前記ケース外に放出するための空気放出部が形成されてなる、
ことを要旨とする。

この本発明の電動機装置では、回転子の回転軸とケースとのうち少なくとも一方に、回転子の回転時にケース内の空気をケース外に放出するための空気放出部を形成する。これにより、ケース内の空気を吸い出すための真空ポンプなどをケース外に設けるものに比して、装置全体としての小型化や部品点数の削減を図った構成でケース内の空気を少なくする（真空度を高くする）ことができる。また、真空ポンプなどを設けなくてよいから、これによる電力消費を必要としない。そして、ケース内の空気、特に、回転子の回転時に回転子と固定子との間の空隙の空気を少なくすることにより、回転子側から固定子側への熱の伝達を抑制することができ、超電導コイルの温度上昇を抑制することができる。

こうした本発明の電動機装置において、前記回転軸の前記ケース内と前記ケース外との境界となる位置に、螺旋状の凸部および溝からなる前記空気放出部が形成されてなる、ものとすることもできる。こうすれば、回転子の回転時に、螺旋状の溝を介してケース内の空気をケース外に放出することができる。この態様の本発明の電動機装置において、前記螺旋状の凸部は、前記回転軸の方向の断面が三角形と四角形とのうち少なくとも一方に形成されてなる、ものとすることもできる。

また、本発明の電動機装置において、前記ケースに、前記回転軸の方向に螺旋状となる空間が前記空気放出部として形成されてなる、ものとすることもできる。こうすれば、回転子の回転時に、螺旋状の空間を介してケース内の空気をケース外に放出することができる。

さらに、本発明の電動機装置において、前記空気放出部は、前記回転子の回転時に前記空気放出部における空気の流速が前記回転子と前記固定子との間の空隙における空気の流速よりも大きくなるように形成されてなる、ものとすることもできる。こうすれば、ベルヌーイの定理により、空気放出部における圧力が回転子と固定子との間の空隙における圧力よりも小さくなって空隙の空気が空気放出部を介してケース外に放出されやすくなると考えられる。

あるいは、本発明の電動機装置において、前記回転軸または前記ケースに、前記ケース内から該ケース外への空気の放出を許容すると共に前記ケース外から該ケース内への空気の流入を防止する空気流入防止部が取り付けられてなる、ものとすることもできる。こうすれば、ケース外からケース内への空気の流入を防止することができる。

本発明の一実施例としての電動機装置２０の断面を示す断面図である。 ロータ２２の回転軸２４およびシール部材５０の外観を示す外観図である。 変形例の回転軸２４ｂの断面図である。 変形例の回転軸２４ｃの断面図である。 変形例の回転軸２４ｄの断面図である。 変形例の回転軸２４ｅの断面図である。 変形例のシール部材５０ｂの断面図である。 変形例のシール部材５０ｃの断面図である。 変形例のシール部材５０ｄの断面図である。

次に、本発明を実施するための形態を実施例を用いて説明する。

図１は、本発明の一実施例としての電動機装置２０の断面を示す断面図であり、図２は、ロータ２２の回転軸２４およびシール部材５０の外観を示す外観図である。実施例の電動機装置２０は、車両などに搭載され、図１に示すように、永久磁石が埋め込まれたロータ２２と超電導コイル３２が巻回されたステータ３０とを有する超電導モータ２１と、超電導モータ２１を収納するケース４０と、内周面が回転軸に接する中空の円板状に形成されてケース４０に取り付けられたシール部材５０と、を備える。なお、ロータ２２の回転軸２４は、ベアリング４２を介してケース４０に回転可能に支持されている。

ステータ３０および超電導コイル３２は、ケース４０と、ケース４０の内側でロータ２２の外側に略円筒状に設けられた内壁４４と、に囲まれた収納領域４６に配置されている。この収納領域４６には、極低温液体（例えば、液体窒素や液体ヘリウムなど）が充填されており、超電導コイル３２は、この極低温液体によって冷却されて超電導状態になっている。なお、この極低温液体は、冷凍機３６によって沸点（極低温液体が液体窒素の場合には−１９６℃）よりも低い温度に冷却されている。

ロータ２２の回転軸２４には、図１および図２に示すように、ケース４０内とケース４０外との境界となる位置（図１中、２カ所）に、螺旋状の凸部２７および溝２８からなる空気放出部２６が形成されている。螺旋状の凸部２７は、対応する位置のケース４０の内径よりも最大外径が若干小さく且つ回転軸２４方向の断面が略二等辺三角形となる形状に形成されており、実施例では、ロータ２２が所定方向（ロータ２２の通常の回転方向）に回転するときに、螺旋状の溝２８とケース４０とによって形成される螺旋状の空間（以下、螺旋空間という）における空気の流速Ｖ１がロータ２２とステータ３０との間の空隙２９における空気の流速Ｖ２よりも大きくなるように、例えば、２カ所の螺旋空間のそれぞれの体積が空隙２９の体積の半分よりも小さくなるように、形成するものとした。これは、空気の質量密度をρ、螺旋空間の圧力をＰ１、空隙２９の圧力をＰ２として次式（１）により表わされるベルヌーイの定理により、ロータ２２が所定方向に回転するときに、螺旋空間の圧力Ｐ１が空隙２９の圧力Ｐ２よりも小さくなるようにして空隙２９側から螺旋空間側に空気が流れやすくなるようにするためである。

シール部材５０は、樹脂などによって形成されており、図示しない付勢力付与部材（例えば、バネなど）からの付勢力などにより、ケース４０内の圧力Ｐｉｎ（特に、螺旋空間の圧力Ｐ１）がケース４０外の圧力Ｐｏｕｔよりも高くなったときに内周面がケース４０外側に開くと共にケース４０内の圧力Ｐｉｎがケース４０外の圧力Ｐｏｕｔ以下のときに内周面が回転軸２４の外周面に接する（図１参照）ようになっている。したがって、ケース４０内の圧力Ｐｉｎがケース４０外の圧力Ｐｏｕｔよりも高いときにはケース４０内からケース４０外に空気を放出することができ、ケース４０内の圧力Ｐｉｎがケース４０外の圧力Ｐｏｕｔ以下のときにはケース４０外からケース４０内への空気の流入を防止することができる。

こうして構成された実施例の電動機装置２０では、ロータ２２が所定方向に回転すると、回転軸２４やロータ２２の温度上昇によってケース４０内の空気の温度が上昇し、ケース内の圧力Ｐｉｎが上昇する。また、このときには、上述したように、空隙２９側から螺旋空間側に空気が流れやすくなる。そして、ケース４０内の圧力Ｐｉｎ（特に、螺旋空間の圧力Ｐ１）がケース４０外の圧力Ｐｏｕｔよりも高くなると、シール部材５０の端部がケース４０外側に開き、ケース４０内の空気は、ベアリング４２，螺旋空間，シール部材５０を介してケース４０外に放出されることになる（図１中、太線矢印参照）。実施例では、螺旋状の凸部２７および溝２８からなる空気放出部２６を回転軸２４に形成することによってロータ２２の回転時にケース４０内の空気がケース４０外に放出されるようにするから、ケース４０内の空気を吸い出すための真空ポンプなどをケース４０外に設けるものに比して、装置全体としての小型化や部品点数の削減を図った構成でケース４０内の空気を少なくする（真空度を高くする）ことができる。また、真空ポンプなどを設けなくてよいから、これによる電力消費を必要としない。そして、ケース４０内の空気、特に、空隙２９の空気を少なくすることにより、ロータ２２側からステータ３０側への熱の伝達を抑制することができ、超電導コイル３２や極低温液体３４の温度上昇を抑制することができ、冷凍機３６で極低温液体の冷却に要するエネルギを低減することができる。その後にロータ２２の回転が停止したときには、ケース４０内の温度が低下してケース４０内の圧力Ｐｉｎがケース４０外の圧力Ｐｏｕｔよりも低くなるが、シール部材５０により、ケース４０外からケース４０内への空気の流入を防止することができる。この結果、次回にロータ２２の回転開始までケース４０内の空気を少なくしておくことができる。

以上説明した実施例の電動機装置２０によれば、回転軸２４におけるケース４０内とケース４０外との境界となる位置に、螺旋状の凸部２７および溝２８からなる空気放出部２６を形成するから、ケース４０内の空気を吸い出すための真空ポンプなどをケース４０外に設けるものに比して装置全体としての小型化や部品点数の削減を図った構成でケース４０内の空気を少なくすることができる。また、実施例の電動機装置２０によれば、ケース４０外からケース４０内への空気の流入を防止するシール部材５０をケース４０に取り付けるから、ロータ２２が回転停止しているときでも、ケース４０内に空気が流入するのを防止することができる。

実施例の電動機装置２０では、図１および図２に例示したように、回転軸２４方向の断面が略二等辺三角形となる螺旋状の凸部２７および溝２８からなる空気放出部２６を回転軸２４に形成するものとしたが、螺旋状の凸部２７の形状としては、これに限られず、例えば、図３の変形例の回転軸２４ｂの断面図に例示するように、回転軸２４ｂ方向の断面が長方形となる螺旋状の凸部２７ｂを回転軸２４ｂに形成するものとしてもよいし、図４の変形例の回転軸２４ｃの断面図に例示するように、回転軸２４ｃ方向の断面が台形となる螺旋状の凸部２７ｃを回転軸２４ｃに形成するものとしてもよいし、図５の変形例の回転軸２４ｄの断面図に例示するように、回転軸２４ｄ方向の断面が長方形になる部分と略二等辺三角形となる部分とが螺旋の途中で切り替わる螺旋状の凸部２７ｄを回転軸２４ｄに形成するものとしてもよいし、図６の変形例の回転軸２４ｅの断面図に例示するように、回転軸２４ｅ方向の断面が回転軸２４ｅ方向の位置に応じて異なる略二等辺三角形となる螺旋状の凸部２７ｅを回転軸２４ｅに形成するものとしてもよい。なお、図３〜図６では、理解の容易のために、シール部材５０の断面も図示した。

実施例の電動機装置２０では、回転軸２４方向に螺旋状となる凸部２７および溝２８を回転軸２４に形成するものとしたが、これに代えて又は加えて、回転軸２４方向に螺旋状となる空間をケース４０に形成するものとしてもよい。

実施例の電動機装置２０では、内周面が回転軸２４の外周面に接する中空の円板状に形成されたシール部材５０をケース４０に取り付けるものとしたが、シール部材５０の形状としては、これに限られず、例えば、図７の変形例のシール部材５０ｂに例示するように、内周面の厚みが他の部分よりも肉厚になり且つ回転軸２４の外周面に接するようにシール部材５０ｂを形成するものとしてもよいし、図８の変形例のシール部材５０ｃに例示するように、内周面の厚みが他の部分よりも肉厚になり且つ内周側でケース４０外側（図８中左側）の端部が鋭角に突出し且つ回転軸２４の外周面に接するようにシール部材５０ｃを形成するものとしてもよいし、図９の変形例のシール部材５０ｄに例示するように、内周面の厚みが他の部分よりも肉薄になり且つ回転軸２４の外周面に接するようにシール部材５０ｄを形成するものとしてもよい。なお、図７〜図９では、理解の容易のために、回転軸２４の断面も図示した。

実施例の電動機装置２０では、シール部材５０は、図示しない付勢力付与部材からの付勢力などにより、ケース４０内の圧力Ｐｉｎがケース４０外の圧力Ｐｏｕｔよりも高くなったときに内周面がケース４０外側に開くと共にケース４０内の圧力Ｐｉｎがケース４０外の圧力Ｐｏｕｔ以下のときに内周面が回転軸２４の外周面に接する（閉じる）ようになっているものとしたが、付勢力付与部材からの付勢力により開閉するものに限られず、ケース４０内からケース４０外への空気の放出を許容すると共にケース４０外からケース４０内への空気の流入を防止するものであればよい。

実施例の電動機装置２０では、シール部材５０をケース４０に取り付けるものとしたが、シール部材を回転軸２４に取り付けるものとしてもよいし、シール部材を設けないものとしてもよい。

実施例の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係について説明する。実施例では、ロータ２２と超電導コイル３２が巻回されたステータ３０とを有する超電導モータ２１が「超電導電動機」に相当し、ロータ２２の回転軸２４に形成された螺旋状の凸部２７および溝２８からなる空気放出部２６が「空気放出部」に相当する。また、シール部材５０や付勢力付与部材（図示せず）が「空気流入防止部」に相当する。

ここで、「超電導電動機」としては、ロータ２２と超電導コイル３２が巻回されたステータ３０とを有する超電導モータ２１に限定されるものではなく、回転子と超電導コイルが巻回された固定子とを有する超電導電動機であれば如何なるものとしてもよい。「空気放出部」としては、ロータ２２の回転軸２４に形成された螺旋状の凸部２７および溝２８からなる空気放出部２６に限定されるものではなく、ケース４０に形成された回転軸２４方向に螺旋状となる空間など、回転子の回転軸とケースとのうち少なくとも一方に、回転子の回転時にケース内の空気をケース外に放出するためのものであれば如何なるものとしても構わない。「空気流入防止部」としては、シール部材５０や付勢力付与部材（図示せず）に限定されるものではなく、回転軸またはケースに、ケース内からケース外への空気の放出を許容すると共にケース外からケース内への空気の流入を防止するために取り付けられてなる、ものであれば如何なるものとしても構わない。

なお、実施例の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係は、実施例が課題を解決するための手段の欄に記載した発明を実施するための形態を具体的に説明するための一例であることから、課題を解決するための手段の欄に記載した発明の要素を限定するものではない。即ち、課題を解決するための手段の欄に記載した発明についての解釈はその欄の記載に基づいて行なわれるべきものであり、実施例は課題を解決するための手段の欄に記載した発明の具体的な一例に過ぎないものである。

以上、本発明を実施するための形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

本発明は、電動機装置の製造産業などに利用可能である。

２０ 電動機装置、２１ 超電導モータ、２２ ロータ、２４ 回転軸、２６ 空気放出部、２７〜２７ｄ 凸部、２８ 溝、２９ 空隙、３０ ステータ、３２ 超電導コイル、３６ 冷凍機、４０ ケース、４２ ベアリング、４４ 内壁、４６ 収納領域、５０〜５０ｄ シール部材。

Claims (6)

1. 回転子と超電導コイルが巻回された固定子とを有する超電導電動機がケースに収納されてなる電動機装置であって、
   前記回転子の回転軸と前記ケースとのうち少なくとも一方に、前記回転子の回転時に前記ケース内の空気を前記ケース外に放出するための空気放出部が形成されてなる、
   ことを特徴する電動機装置。
2. 請求項１記載の電動機装置であって、
   前記回転軸の前記ケース内と前記ケース外との境界となる位置に、螺旋状の凸部および溝からなる前記空気放出部が形成されてなる、
   電動機装置。
3. 請求項２記載の電動機装置であって、
   前記螺旋状の凸部は、前記回転軸の方向の断面が三角形と四角形とのうち少なくとも一方に形成されてなる、
   電動機装置。
4. 請求項１記載の電動機装置であって、
   前記ケースに、前記回転軸の方向に螺旋状となる空間が前記空気放出部として形成されてなる、
   電動機装置。
5. 請求項１ないし４のいずれか１つの請求項に記載の電動機装置であって、
   前記空気放出部は、前記回転子の回転時に前記空気放出部における空気の流速が前記回転子と前記固定子との間の空隙における空気の流速よりも大きくなるように形成されてなる、
   電動機装置。
6. 請求項１ないし５のいずれか１つの請求項に記載の電動機装置であって、
   前記回転軸または前記ケースに、前記ケース内から該ケース外への空気の放出を許容すると共に前記ケース外から該ケース内への空気の流入を防止する空気流入防止部が取り付けられてなる、
   電動機装置。

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