JP2012143051A - 超電導モータ - Google Patents

Abstract

【課題】超電導モータにおいて、ステータの周方向複数個所に配置した複数の超電導コイルを、互いの温度差を小さくするか、またはなくしつつ所望の極低温に効率よく冷却することである。
【解決手段】超電導モータ１０は、回転可能に配置されたロータ２０と、ロータ２０の径方向外側に対向するステータ２２とを含み、ステータ２２の径方向一端部である内周端部に複数の超電導コイルであるコイル３６を巻装する。超電導モータ１０は、内側に低温の冷媒を流す複数の細管６６を有する冷凍機１４を含み、複数の細管６６の少なくとも一部をステータコア３４内に設ける。複数の細管６６の両端側の冷媒給排用接続部である接続部７５，７７は、互いにステータ２２の軸方向両側で、かつ、ロータ２０の回転中心軸に対して直径方向反対側に設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、超電導モータに関し、特に、内側に低温の冷媒を流す少なくとも１の細管を有する冷凍機を備える超電導モータに関する。

従来から、冷凍機を備える超電導モータが考えられている。例えば、特開２０１０−１７８５１７号公報（特許文献１）には、超電導モータと、極低温発生部と、容器とを備える超電導モータ装置が記載されている。超電導モータは、回転可能な回転軸と、回転軸の外周部に配置された複数の永久磁石とを有する回転子と、固定子とを含む。固定子は、固定子鉄心のティース部に巻回された３相の超電導コイルを有する。極低温発生部は、極低温をコールドヘッドにおいて発生させる冷凍機を有する。このコールドヘッドと超電導モータの固定子の固定子鉄心とを伝熱可能につなぐ高い伝熱性を有する熱伝導部が設けられている。熱伝導部の冷却筒部は、極低温状態に冷却され、固定子鉄心の外周部と熱的に接触して、固定子鉄心を冷却する。容器は、超電導コイルを断熱させる真空断熱室を形成する。このため、超電導コイル側に熱侵入が発生したとしても、あるいは冷凍機の冷凍出力が追いつかないときでも、固定子鉄心が超電導コイルを低温状態に維持させるとされている。また、特許文献１の図３には、固定子鉄心のティース部と超電導コイルとの間に高い熱伝導率を有する熱伝導材を設けることが記載され、同じく図４には、固定子鉄心の外周部を包囲する熱伝導部に連接部を介して熱伝導材を連設することが記載されている。この構成により、極低温発生部によって冷却されたティース部を介して超電導コイルを冷却できる可能性はある。

また、国際公開第０３／００１１２７Ａ１号パンフレット（特許文献２）には、圧縮機、高圧切換弁及び低圧切換弁を有する圧力制御手段と、室温端部と低温端部とを有する膨張圧縮部と、室温端部と低温端部とを有する蓄冷部とを備えて、被冷却対象に熱伝達する蓄冷型冷凍機が記載されている。蓄冷型冷凍機は、膨張圧縮部の低温端部と蓄冷部の低温端部とを連結し、被冷却対象まで延長した作動ガスの流路を設けている。また、パルス管冷凍機は、センサ類や半導体装置用の冷却手段として重要な役割を果たすとされている。

特開２０１０−１７８５１７号公報 国際公開第０３／００１１２７Ａ１号パンフレット

上記の特許文献１に記載された超電導モータのように、従来は、超電導コイルを冷却する場合に、種々の方法で寒冷の伝達を行っているが、固体の熱伝導材を使用して超電導コイルを冷却する場合、熱伝導材の熱伝導率は有限であり、有限の長さを持つ熱伝導材に熱量を流した場合、流す熱量に比例した温度差が生じるため、冷却効率を向上させるのが難しい。このため、超電導コイルの冷却効率を向上させ、早期冷却を図り、安定した超電導状態を早期に発生させる面から改良の余地がある。

また、一般的に超電導コイルに利用される超電導線材は、通常の常温で使用する電動モータのコイルを構成する銅線に比べて極端に熱伝導性が悪いため、冷凍機から超電導コイルへの熱伝達効率が悪く、複数の超電導コイルの温度が不均一になりやすい。すなわち、複数の超電導コイルを均一に冷却することが難しい。これに対して、複数の超電導コイルのうち、１の超電導コイルでも超電導状態にできない場合、超電導コイルに急激な発熱が生じる可能性がある。このため、超電導コイルの発熱による焼損を有効に防止する面から改良の余地がある。例えば、すべての超電導コイルの超電導状態の破綻を避けるために、複数の超電導コイルを例えば７７Ｋ等、通常の超電導状態を実現するための温度よりもさらに温度低下させる過冷却の手段を採用することも考えられる。ただし、この場合には、その分、冷凍機の消費電力が過大になる。このため、複数の超電導コイルを均一に冷却する等、複数の超電導コイルを、温度差を小さくしつつ冷却することが望まれている。

特許文献２には、単に蓄冷型冷凍機が記載されているだけであり、冷凍機を超電導モータの超電導コイルの冷却に使用することは開示されていない。

本発明の目的は、超電導モータにおいて、ステータの周方向複数個所に配置した複数の超電導コイルを、互いの温度差を小さくするか、またはなくしつつ所望の極低温に効率よく冷却することにある。

本発明に係る超電導モータは、回転可能に配置されたロータと、ロータの径方向に対向配置されたステータとを備え、ステータは、ステータコアと、ステータコアの径方向一端部の周方向複数個所に巻装され、超電導線材により構成される複数の超電導コイルとを含む超電導モータであって、内側に低温の冷媒を流す複数の細管を有する冷凍機をさらに備え、複数の細管の少なくとも一部は、前記ステータコア内に設けられており、複数の細管の両端側の冷媒給排用接続部である片側接続部及び他側接続部は、互いにステータの軸方向両側で、かつ、ロータの回転中心軸に対して直径方向反対側に設けられていることを特徴とする超電導モータである。なお、本明細書全体及び特許請求の範囲で「ステータコア内」とは、ステータコアの中実部の内部だけでなく、ステータコアに設けられたスロットの内側部分も含む。

また、本発明に係る超電導モータにおいて、好ましくは、ステータコアは、環状のバックヨークと、バックヨークの径方向一端部に径方向に突出する複数のティースと、周方向に隣り合うティース間に設けられたスロットとを有し、複数の超電導コイルは、複数のティースに巻装されており、複数の細管は、それぞれ複数のスロット内に配置されるスロット内配置部を有する。

また、本発明に係る超電導モータにおいて、好ましくは、複数のスロット内配置部は、対応するスロット内において、１または２の超電導コイルのみに接触している。

また、本発明に係る超電導モータにおいて、好ましくは、複数のスロット内配置部は、対応するスロット内において、ステータコアのみに接触している。

また、本発明に係る超電導モータにおいて、好ましくは、複数のスロット内配置部は、対応するスロット内において、ステータコアと、１または２の超電導コイルとの双方に接触している。

また、本発明に係る超電導モータにおいて、好ましくは、複数の細管は、それぞれステータコアの周方向に離れた位置で軸方向に貫通するように設けられたコア貫通部を有する。

本発明に係る超電導モータによれば、冷凍機に設けられ、内側に低温の冷媒を流す複数の細管の少なくとも一部がステータコア内に設けられているので、複数の超電導コイルを所望の極低温に効率よく冷却することができる。また、複数の細管の両端側の冷媒給排用接続部である片側接続部及び他側接続部は、互いにステータの軸方向両側で、かつ、ロータの回転中心軸に対して直径方向反対側に設けられているので、複数の細管でほぼ均一の長さ等、長さの差を小さくするか、またはなくすことができる。このため、複数の細管からほぼ同じ冷却能力でステータの周方向複数個所を冷却することができる。この結果、ステータの周方向複数個所に配置した超電導コイルを、互いの温度差を小さくするか、またはなくしつつ所望の極低温に効率よく冷却することができる。

本発明の第１の実施の形態の超電導モータを示す、軸方向に沿った断面図である。 図１のＡ−Ａ断面の拡大図である。 第１の実施の形態で使用する冷凍機の基本構成を、細管をすべて直線状にした状態で示す図である。 図３のＢ−Ｂ断面図である。 本発明から外れた比較例の超電導モータを示す、軸方向に沿った断面図である。 図５のＣ−Ｃ断面図である。 本発明の第２の実施の形態の超電導モータを示す、図２のＤ部を拡大したものに対応する図である。 図７のＥ−Ｅ断面図である。 本発明の第３の実施の形態の超電導モータを示す、軸方向に沿った断面図である。 図９のＦ−Ｆ断面の周方向一部を拡大したものに対応する図である。

［第１の実施の形態］
以下に、本発明に係る実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。この説明において、具体的な形状、材料、数値、方向等は、本発明の理解を容易にするための例示であって、用途、目的、仕様等にあわせて適宜変更することができる。

図１から図４は、本発明の第１の実施形態の超電導モータを示している。図１、図２に示すように、超電導モータ１０は、モータ本体１２と、モータ本体１２を冷却するための冷凍機１４とを備える。モータ本体１２は、モータケース１６と、モータケース１６に回転可能に支持された回転軸１８と、モータケース１６の内側で回転軸１８の外側に固定されることにより、回転可能に配置されたロータ２０とを含む。また、モータ本体１２は、モータケース１６の内周面に固定されることにより、ロータ２０の径方向外側に対向配置された略円筒状のステータ２２とを含む。また、冷凍機１４は、モータケース１６に固定されている。なお、以下の説明では、特に断らない限り、回転軸１８の中心軸Ｘに関し、これに沿う方向を軸方向といい、回転中心軸Ｘに対し直交する放射方向を径方向といい、回転中心軸Ｘを中心として描かれる円形に沿う方向を周方向という。

ロータ２０は、例えば電磁鋼板を積層してカシメや溶接等により一体に構成される円筒状のロータコア２４と、ロータコア２４の外周面の等間隔複数個所に設けられた永久磁石２６とを含む。すなわち、ロータコア２４の外周面には、複数（図２に示す例では６個）の永久磁石２６が露出した状態で周方向の等間隔に固定されている。永久磁石２６は、径方向に着磁されており、その着磁方向を周方向に交互に異ならせている。このため、ロータ２０の外周面には、Ｎ極とＳ極とが交互に配置されている。ただし、ロータ２０に設けられる永久磁石２６は、外周面に露出していなくてもよく、外周面近傍の内部に埋設されてもよい。このようなロータ２０は、丸棒鋼材等からなる回転軸１８の外周面に固定されている。

回転軸１８は、その両端部において、モータケース１６の両端部を構成する円盤状のエンドプレート２８，３０に固定された軸受３２により回転可能に支持されている。これにより、ステータ２２の内部に回転磁界が生成されると、その影響を受けてロータ２０が回転する。

ステータ２２は、略円筒状をなす固定子鉄心であるステータコア３４と、超電導コイルであるコイル３６とを含む。すなわち、ステータコア３４は、環状のバックヨーク３８と、バックヨーク３８の径方向一端部である、内周端部の周方向等間隔複数個所（図２に示す例では９個所）に径方向に突出するように設けられたティース４０とを有する。また、ステータコア３４は、バックヨーク３８の内周部の周方向に隣り合うティース４０間に設けられた、周方向複数個所（図示の例では９個所）等間隔位置のスロット４２を有する。ステータコア３４は、例えば複数の略円環状の電磁鋼板を軸方向に積層してカシメ、接着、溶接等によって一体に組み付けて構成できる。ただし、ステータコアは、それぞれ１つのティースを有する複数の分割コアを円環状に連ねて配置してその外側から筒状の締結部材により締め付けることによって造られてもよい。上記の分割コアは、圧粉磁心により造られてもよい。

ステータコア３４の複数のティース４０には、超電導線材により構成される複数のコイル３６が集中巻きで巻装されている。なお、複数のコイル３６は、ティース４０に分布巻きで巻装されることもできる。また、超電導線材は、断面形状が円形状でもよいし、あるいは、矩形状であってもよい。例えば、コイル３６は、断面矩形状の平角線である超電導線材を、フラットワイズ状に巻くことで構成することもできる。例えば、コイル３６は、ティース４０に超電導線材をソレノイド巻きまたはパンケーキ巻きに巻くことにより構成することもできる。また、超電導線材には、例えば、イットリウム系超電導材料やビスマス系超電導材料を好適に使用できる。ただし、超電導線材を構成する超電導材料は、これらに限定されるものではなく、他の公知の超電導材料、あるいは、将来開発される、より高温で超電導特性を発現する超電導材料であってもよい。

コイル３６を構成する超電導線材は、絶縁被覆されていてもよい。これにより、コイル３６として密着して巻回されたときに各ターン間での電気絶縁が確保される。ただし、超電導線材が絶縁被覆されていない場合、コイル３６を形成するときに絶縁紙や絶縁フィルム等を挟みながらコイル状に巻くことで各ターン間の電気絶縁が確保されてもよい。

コイル３６は、ステータコアの複数個所に設けられるスロット４２内に位置するスロット配置部４４と、ステータコア３４の軸方向両端面から軸方向外側へそれぞれ突出する両側のコイルエンド部４６とを含む。各コイル３６は、２つ置きごとのコイル３６と直列接続されてＵ，Ｖ，Ｗの各相コイルを構成する。各相コイルの一端は、図示しない中性点において互いに接続され、各相コイルの他端は図示しない各相電流導入端子にそれぞれ接続されている。

また、モータケース１６は、ロータ２０及びステータ２２を収容するもので、円筒状の外周筒部４８と、外周筒部４８の軸方向両端部にその外周縁部が気密に結合された一対のエンドプレート２８，３０とを含む。外周筒部４８及び各エンドプレート２８，３０は、例えばステンレス等の非磁性材料から構成される。なお、外周筒部４８を片側のエンドプレート２８（または３０）と一体の部材により造ることもできる。

外周筒部４８内には、それぞれ円筒状をなす内筒部材５０及び中間筒部材５２がロータ２０と同心に設けられている。内筒部材５０及び中間筒部材５２の軸方向両端部は、エンドプレート２８，３０の内面に気密状態を保持可能に連結されている。内筒部材５０は、磁界の通過を妨げず且つ非導電性である非金属材料（例えばＦＲＰ等）により造られるのが好ましい。より好ましくは、内筒部材５０は、低熱伝導率材料により造る。なお、内筒部材５０は、基本的機能として、磁束を通す機能と、内筒部材５０を含む空間密封部分での真空を保持できる機能とを有するものであればよく、非導電性材料を使用するものに限定されない。例えば、内筒部材５０を構成する材料として、非磁性の低電気伝導率を有する材料（例えばステンレス）等も使用可能である。一方、中間筒部材５２は、低熱伝導率材料（例えばＦＲＰ等）で造られるのが好ましく、低熱伝導率の非磁性材料で造られるのがより好ましい。

内筒部材５０は、ロータ２０の最外接円の直径よりも若干大きい内径を有し、ロータ２０の外周面との間に隙間が形成されている。また、内筒部材５０と中間筒部材５２との間には、筒状空間である第１真空室５４が設けられている。第１真空室５４内には、コイル３６を含むステータ２２が収容されている。ステータ２２を構成するステータコア３４の外周面は、中間筒部材５２の内周面に固定されている。

第１真空室５４は、後で詳しく説明する冷凍機１４を含めて超電導モータ１０が組み立てられた後に、エンドプレート２８，３０もしくは外周筒部４８等の第１真空室５４及び第２真空室５６の一方または両方と外側空間とに接する部材の少なくとも何れかに形成された図示しない空気抜き穴から真空引きされて、真空状態に維持される。このように、コイル３６及びステータ２２と接触しない内筒部材５０及び熱伝導率が低い中間筒部材５２で区画形成し、かつ、内部を真空とすることで、第１真空室５４内に収容されたコイル３６を含むステータ２２への断熱性を高めることができる。

さらに、中間筒部材５２とモータケース１６との間には、筒状空間からなる第２真空室５６が形成されている。第２真空室５６もまた、第１真空室５４と同様に真空状態になっている。中間筒部材５２には、第１真空室５４と第２真空室５６とを連通する穴を設けることが好ましい。これにより、第１真空室５４内に収容されたコイル３６を含むステータ２２が第２真空室５６によってもモータ外部と隔てられることで、コイル３６を含むステータ２２に対する断熱効果をより一層高めることができる。

また、超電導モータ１０を構成するモータ本体１２に、冷凍機１４が固定されている。次に、図３、図４を用いて、冷凍機１４の基本構成を説明する。図３は、本実施の形態で使用する冷凍機１４の基本構成を、細管６６をすべて直線状にした状態で示す図であり、図４は、図３のＢ−Ｂ断面図である。冷凍機１４は、複数の冷媒ガス流通用の細管６６を有する、フリーピストン式のスターリングクーラ型（ＦＰＳＣ型）としている。すなわち、冷凍機１４は、一端側に設けられた冷凍機駆動源である圧力振動源５８と、圧力振動源５８に一端部が固定されるコールドヘッドと呼ばれる蓄冷器６８と、他端側に設けられた位相制御器６２と、位相制御器６２に一端部が固定される第２ピストン収容部７０と、蓄冷器６８と第２ピストン収容部７０との間に接続された複数の冷却部であり、伝熱性の良好な材料からなる複数の細管６６とを含む。蓄冷器６８は、内部に図示しない蓄冷材が設けられている。また、蓄冷器６８及び第２ピストン収容部７０は、外部を断熱材により覆われた断熱構造である。

冷凍機１４は、圧力振動源５８に設けられたシリンダ７２内で直線的に往復移動する駆動ピストンである第１ピストン７４を有し、このシリンダ７２内の空間が蓄冷器６８の内側を介して複数の細管６６内に通じている。また、冷凍機１４は、第２ピストン収容部７０に設けたシリンダ７６内でも直線的に往復移動する膨張ピストンまたは従動ピストンと呼ばれる第２ピストン７８を有し、このシリンダ７６内の空間が低温側熱交換部である複数の細管６６内に通じている。複数の細管６６を含む、第１ピストン７４と第２ピストン７８との間の内部空間に冷媒である冷媒ガス（例えば、Ｈｅガス）が封入されている。すなわち、各細管６６は、内側に低温の冷媒ガスが流れるように構成されている。

また、圧力振動源５８及び第２ピストン収容部７０は、各ピストン７４，７８の移動方向が同一直線上となるように対向配置されている。第１ピストン７４は、例えば圧力振動源５８を構成する図示しないリニアモータ等の可動子と接続されており、リニアモータにより、第１ピストン７４をシリンダ７２内で往復駆動させる。第１ピストン７４の往復駆動に伴って、圧力振動源５８のシリンダ７２内で冷媒ガスが圧力変動し、この圧力変動により、位相制御器６２の内部に図示しないコイルスプリングもしくは板ばね等で構成されたバネによって懸架された第２ピストン７８も従属的に往復移動する。この図示しないバネと第２ピストン７８の重量と、第１ピストン７４の往復移動による圧力変動によって、冷媒ガスの圧力変動と位置変動の位相差を調整することができる。また、位相制御器６２の内部に、第２ピストン７８の往復移動により生じる圧力変動を緩和する空間部を設けることにより、第２ピストン７８を配置するシリンダ７６内と連通して、冷媒ガスの圧力変動と位置変動の位相差を調整することができる。

第１ピストン７４の往復移動に伴って、第２ピストン収容部７０の細管６６端部近傍で冷媒ガスが断熱膨張して冷却されるので、各細管６６内部を流れる冷媒ガスも冷却される。このように、第１ピストン７４と第２ピストン７８との間で冷媒ガスの圧縮及び膨張が繰り返されることで、冷媒ガスが流れる各細管６６が冷却される。

冷凍機１４は、超電導線材からなるコイル３６が超電導特性を発現する所望の極低温（例えば、約７０Ｋ）まで冷却可能な冷却性能を有し、第１ピストン７４のストロークを制御することによって冷却温度を調節できる。このために、図示しない制御部により、第１ピストン７４のストロークが制御される。制御部は、超電導モータ１０（図１）の負荷に応じて冷凍機１４の冷却温度を制御するように構成することもできる。例えば、超電導モータ１０の負荷の上昇に伴って冷却温度を低下させることもできる。超電導モータ１０が電気自動車等の電動車両に走行用動力源として搭載される場合、設置スペースの制約や車両重量の軽量化のため冷凍機１４は小型で軽量のものであることが好ましい。上記のように冷凍機１４に、ＦＰＳＣ型を使用する場合、小型化及び軽量化を図れる。

本実施の形態では、このような基本構成を有する冷凍機１４を、モータ本体１２（図１）に固定している。すなわち、図１に示すように、超電導モータ１０において、軸方向一端側に位置するエンドプレート２８には、冷凍機１４を構成する圧力振動源５８側の筒状の第１ブラケット６０が固定され、軸方向他端側に位置するエンドプレート３０には、冷凍機１４を構成する位相制御器６２側の筒状の第２ブラケット６４が固定されている。また、圧力振動源５８及び第２ピストン収容部７０は、ロータ２０の回転中心軸Ｘに対して直径方向反対側に設けられている。また、蓄冷器６８の一端部及び第２ピストン収容部７０の一端部は、それぞれ第１ブラケット６０または第２ブラケット６４の内側を介して第１真空室５４内に突出している。

また、図２に示すように、低温側熱交換部である複数の細管６６の長さ方向中間部は、ステータコア３４を構成する各スロット４２内にそれぞれ２ずつ設けるように配置されている。すなわち、各細管６６は、それぞれ１のスロット４２内に配置する部分に少なくとも一部が設けられ、回転軸１８の回転軸Ｘと平行方向に延設される直線状の直線部８０を含む。図示の例では、１のスロット４２内に２の細管６６の直線部８０が配置されている。各直線部８０は、対応するスロット４２内において、少なくとも一部がステータ２２の周方向に関して、この周方向に隣り合う２のコイル３６間に配置されている。図示の例では、各直線部８０のスロット４２内に配置されるすべての部分が、ステータ２２の周方向に隣り合う２のコイル３６間に配置されている。このため、複数の細管６６は、ステータコア３４内に設けられて、ステータ２２の軸方向に延設する延設部である、軸方向の直線部８０を有する。また、複数の直線部８０のうち、それぞれ複数のスロット４２内に配置される部分により、軸方向に平行な直線状のスロット内配置部７１が構成されている。

また、各スロット４２内に配置される２の直線部８０は、周方向に関して互いに離れて配置され、周方向片側の直線部８０はスロット４２内の周方向片側のコイル３６の外周部に接触し、周方向他側の直線部８０はスロット４２内の周方向他側のコイル３６の外周部に接触している。各直線部８０は、ステータコア３４のバックヨーク３８には接触していない。すなわち、各細管６６は、対応するスロット４２内において、それぞれ１のコイル３６のみに接触している。このため、各細管６６からは、寒冷がコイル３６に、細管６６との接触部を通じて伝達される。このように複数の細管６６のそれぞれは、直線部８０の中間部であるスロット内配置部７１が、対応するスロット４２内に配置されるようにしている。また、図２に示すように、複数の細管６６の周方向に隣り合う２のコイル３６の間から外側にそれぞれ突出する部分は、それぞれ直線部８０の端部に連結された、ステータコア３４のほぼ周方向に沿う形状の周方向部７３を有する。また、各周方向部７３の一端は、蓄冷器６８（図１）または第２ピストン収容部７０（図１）に接続されている。また、図２に示すように、各周方向部７３の少なくとも一部は、複数のコイル３６のうち、少なくとも１のコイル３６を構成するコイルエンド部４６の軸方向端面部に対向させて、コイルエンド部４６に接触させている。また、各細管６６に設けられて、ステータ２２の軸方向両端部に配置された周方向部７３の長さの合計は、各細管６６同士で略同じとしている。このために、各細管６６の各周方向部７３の円弧の回転軸１８中心を中心とする曲率半径を、各細管６６同士、及び、１の細管６６の周方向部７３同士でそれぞれ略同一とすることもできる。

各周方向部７３の一端を蓄冷器６８または第２ピストン収容部７０に接続した接続部７５，７７は、それぞれ複数の細管６６の両端側の冷媒給排用接続部である片側接続部及び他側接続部である。これら接続部７５，７７は、互いにステータ２２の軸方向両側で、かつ、ロータ２０の回転中心軸Ｘに対して直径方向反対側に設けられている。

このような構成では、ステータコア３４に設けられたスロット４２の数の２倍の数の細管６６が設けられている。すなわち、ステータコア３４に設けられたスロット４２の数と少なくとも同数の細管６６により低温側熱交換部が構成されている。また、複数の細管６６は、各スロット４２内において、回転軸１８と平行に配置されて、それぞれコイル３６に接触し、コイル３６を冷却するように構成されている。また、複数の細管６６の断面積は、互いに同じまたはほぼ同じとしている。

このような構成では、第２ピストン収容部７０のモータケース１６の外側に配置される端部により、高温側熱交換部が構成される。このような冷凍機１４は、圧力振動源５８と、高温側熱交換部と、蓄冷器６８と、低温側熱交換部と、第２ピストン７８（図３）とを備える。

このような超電導モータ１０によれば、冷凍機１４を構成し、内側に低温の冷媒ガスが流れる複数の細管６６が、ステータコア３４内に設けられて、ステータ２２の軸方向に延設する延設部である軸方向の直線部８０を有するので、複数のコイル３６を所望の極低温に効率よく冷却することができる。また、複数の細管６６の両端側の冷媒給排用接続部である両側の接続部７５，７７は、互いにステータ２２の軸方向両側で、かつ、ロータ２０の回転中心軸Ｘに対して直径方向反対側に設けられている。このため、複数の細管６６でほぼ均一の長さ等、長さの差を小さくするか、またはなくすことができる。例えば、本実施の形態と異なり、蓄冷器６８と第２ピストン収容部７０とが回転中心軸Ｘと平行な同一直線上に配置される比較例の構成の場合、蓄冷器６８及び第２ピストン収容部７０と周方向に関して一致する部分でステータコア３４内を貫通する直線部を有する一部の細管の長さは小さくなるが、蓄冷器６８及び第２ピストン収容部７０から周方向に大きく離れた部分でステータコア３４内を軸方向に通過する直線部を有する別の細管の長さは大きくなる。この比較例の構成では、複数の細管同士の長さが大きく異なるため、複数の細管により冷却される複数の超電導コイルの冷却度を均一にし、複数の超電導コイルを、ほぼ均一の温度に冷却する等、温度差をなくすかまたは小さくしつつ冷却する面から改良の余地がある。

これに対して、本実施の形態によれば、このような改良すべき点を改良でき、複数の細管６６からほぼ同じ冷却能力でステータ２２の周方向複数個所を冷却することができ、複数のコイル３６を均一に冷却できる等、複数のコイル３６を、温度差をなくすかまたは小さくしつつ冷却することができる。この結果、ステータ２２の周方向複数個所に配置した複数のコイル３６を、互いの温度差を小さくするか、またはなくしつつ所望の極低温に効率よく冷却することができる。さらに、複数の細管６６の長さを互いに均一の長さ等、長さの差を小さくするか、またはなくすことができるので、冷凍性能を向上できる。すなわち、冷凍機１４の性能は、低温部熱交換器及びピストン配置空間での圧力変動と作動ガスである冷媒ガスの位置の変動が適切な位相角で保たれている必要がある。細管１本の間での位相角の変化量、すなわち細管内で変化する位相角の変化量が最適化されていたと仮定すると、他の長さでは最適値からずれることになる。このため、すべての細管の長さを略同一にすることで、すべての細管において最適値に近い位相角を得ることができ、冷凍性能を向上できる。本実施の形態では、複数の細管６６の長さを互いにほぼ同一または同一に近づけることができるので冷凍性能を向上できる。

また、スロット４２内において、少なくとも一部をステータ２２の周方向に隣り合う２のコイル３６間に配置している。このため、細管６６をスロット４２内でコイル３６に直接接触させることができ、コイル３６を所望の極低温に効率よく冷却することができる。また、熱容量の大きいステータコア３４を介さずに細管６６によりコイル３６を冷却するので、消費電力を抑えながらコイル３６を始動時に早期に冷却し、超電導状態に到達するまでの時間を短くできる。この結果、コイル３６を所望の極低温に効率よく冷却するとともに、始動時に早期にコイル３６の超電導状態を作り出すことができる。

また、各細管６６は、スロット４２内において、ステータ２２の軸方向と平行方向に延設する延設部である直線部８０を有し、直線部８０のスロット内配置部７１がスロット４２内でコイル３６にのみ接触している。このように、直線部８０はバックヨーク３８等でステータコア３４に接触することがないので、より効率よく細管６６からコイル３６に寒冷を伝達して、始動時により早期にコイル３６を冷却できる。この場合、より好ましくは、各ティース４０の周囲に設けて、ティース４２とコイル３６との間に配置するインシュレータ（図示せず）を、ガラス繊維強化樹脂（ＧＦＲＰ）等の熱伝導性が悪い材料により構成するか、インシュレータを環状に形成された櫛歯状または環状部の複数個所に孔部を設けた、ティース４０からコイル３６への熱伝導性を低下させる形状により構成する。この場合には、より有効にコイル３６を早期に冷却できる。また、例えばコイル３６において、コイルエンド部４６だけを冷却する構成の場合と異なり、コイル３６のスロット配置部４４を効率よく冷却できて、超電導コイルであるコイル３６の全体をより均一に冷却しやすくなる。すなわち、コイル３６全体の温度分布の偏りを少なくしつつコイル３６をより有効に冷却できる。

なお、上記では、１のスロット４２内に２の細管６６の直線部８０を配置しているが、それぞれ１のスロット４２内に１の細管６６の直線部８０のみを配置し、１の直線部８０をスロット４２内で周方向に隣り合う２のコイル３６のうち、いずれか１のコイル３６のみ（例えば周方向片側のコイル３６のみ）に接触させることもできる。この場合でも、各コイル３６に１の細管６６が接触するので、各コイル３６を効率よく冷却できる。また、上記では、各直線部８０がスロット４２内でコイル３６にのみ接触する場合を説明したが、各直線部８０がスロット４２内でコイル３６とステータコア３４との双方に接触するように構成することもできる。この場合には、細管６６からコイル３６だけでなく、熱容量の大きいステータコア３４も直接冷却されるので、細管６６からコイル３６を冷却する場合に、ステータコア３４をバッファとして機能させることができる。このため、超電導モータの高負荷時や過渡的なモータ動作状態でも、コイル３６の温度上昇に対して細管６６による冷却が追従できなくなることを有効に防止して、コイル３６を安定して冷却し続けることができる。この結果、安定した超電導状態を有効に作り出すことができる。

逆に、各直線部８０がスロット４２内でコイル３６に接触せず、スロット４２の底部等で、ステータコア３４にのみ接触するように構成することもできる。この場合には、細管６６からは熱容量の大きいステータコア３４を介してコイル３６を間接的に冷却することができる。この場合も、超電導モータの高負荷時や過渡的なモータ動作状態でも、コイル３６の温度上昇に対して細管６６による冷却が追従できなくなることを有効に防止して、コイル３６を安定して冷却し続けることができる。なお、この場合には、ティース４０とコイル３６との間に設けられる電気絶縁性を有するインシュレータとして、シリカ、アルミナ等のフィラーを含有する樹脂等の、熱伝導性の良好な材料により造られるインシュレータを使用することが好ましい。

図５は、本発明から外れた比較例の超電導モータを示す、軸方向に沿った断面図である。図６は、図５のＣ−Ｃ断面図である。図５、図６に示す比較例の超電導モータ１０は、上記の本実施の形態の構造において、冷凍機１４（図１等）の代わりに、一対の冷凍機８２をモータ本体１２の両側に設けたような構造を有する。すなわち、各冷凍機８２は、上記の冷凍機１４と異なり、冷媒を流すための細管が設けられていないＦＰＳＣ型であり、圧力振動源であるガス圧縮機８４と、ガス圧縮機８４に接続された冷却部である蓄冷器８６とをそれぞれ有する。また、蓄冷器８６は、エンドプレート２８に固定された筒状のブラケット８８の内側を通じて先端部が円板状の伝熱部材９０に接触している。各伝熱部材９０の片面はコイルエンド部４６の軸方向外端部に接触している。

冷凍機８２は、ガス圧縮機８４の内部に設けられた図示しないシリンダ内でピストン（図示せず）が往復移動して冷媒ガスの圧縮及び膨張を繰り返し行うことで、蓄冷器８６及び伝熱部材９０を介して各コイル３６を冷却する。このような構成でも、コイル３６を冷却することが可能であるが、コイル３６の全体を均一に冷却しやすくする面からは改良の余地がある。また、伝熱部材９０は、内部に冷媒を流す細管を用いる構成と異なり、固体のみで冷却対象に伝熱するものであり、複数のコイル３６を均一に冷却する面からは改良の余地がある。上記の本実施の形態によれば、このような改良すべき点をいずれも改良できる。

なお、上記では、冷凍機１４として、第２ピストン７８が第１ピストン７４の変位にしたがって、従属的に変位するパッシブ型の冷凍機１４を説明した。ただし、冷凍機として、第１ピストン７４が往復変位する場合に、その往復変位の１サイクルの位相の９０〜１２０度程度ずらせた位相で第２ピストン７８が変位するように、第２ピストン７８側を強制的に変位させるリニアモータ等の第２駆動源を位相制御器６２側に設けることもできる。この場合には、アクティブ型の冷凍機が構成され、さらなる省エネルギ化を図れる。

また、冷凍機１４として、ＦＰＳＣ型以外の冷凍機を使用することもできる。例えば、冷凍機の設置スペース及び重量の制約が緩い場合、例えば、超電導モータ１０が電車や船舶等の大型の移動体の動力源として、あるいは、設置位置が固定された機械の動力源として用いられる場合には、上記のように複数の細管を有し、極低温（例えば、約７０Ｋ）まで冷却可能な冷却性能を有する冷凍機であれば、体格が大きくて重い冷凍機を用いることもできる。

また、冷凍機として、それぞれ細管を有する、スターリング型パルス管冷凍機や、ＧＭ冷凍機等を使用することもできる。例えばパルス管冷凍機では、上記の第２ピストン収容部７０の代わりに細管６６と位相制御器６２との間に接続されたパルス管を使用する。パルス管の内部にはピストンは設けない。このパルス管冷凍機において、圧力振動源５８として、バルブ開閉の切換により圧力を振動させる構造を用いることもできる。また、ＧＭ冷凍機として、上記のＦＰＳＣ型の冷凍機で、圧力振動源５８として、回転型の圧縮機や、バルブ開閉の切換により圧力を振動させる構造を用いることもできる。また、この構造では、位相制御器６２を省略して、細管６６の圧力振動源５８とは反対側の端部に接続された膨張圧縮部において膨張ピストンとしてディスプレーサを往復移動可能に設ける。ディスプレーサは、例えば冷凍機の作動中に、ステッピングモータ等のモータにより往復移動されるようにする。このように本発明では、冷凍機として内部に冷媒が流れる細管を有するものであれば、種々の種類の冷凍機を使用することができる。

［第２の実施の形態］
図７は、本発明の第２の実施の形態の超電導モータを示す、図２のＤ部を拡大したものに対応する図である。図８は、図７のＥ−Ｅ断面図である。

本実施の形態の場合、上記の第１の実施の形態において、複数の細管９２のスロット４２内に配置される中間部に、スロット４２の軸方向全長にわたって軸方向に伸びる直線部を設けていない。その代わりに、本実施の形態では、複数の細管９２として、スロット４２内に配置されるスロット内配置部である中間部に、ステータ２２の軸方向に延設する延設部であり、蛇行形状の蛇行部９４を有する細管９２を使用している。図８に示すように、各蛇行部９４は、内側に冷媒ガスが流れるもので、ステータ２２の周方向（図８の上下方向）に伸びる複数の周方向部９６と、隣り合う周方向部９６の端部同士を連結する略Ｕ字形の連結部９８とを有し、全体としてステータ２２の軸方向（図８の左右方向）に伸びている。また、各蛇行部９４において、スロット４２の軸方向両端部に位置する周方向部９６の端部に、ステータ２２の軸方向に伸びる直線部１００が連結されている。

また、図７に示すように、直線部１００は、ステータコア３４の軸方向端面よりも軸方向外側に配置される端部に径方向外側（図７の右側）に伸びる外側径方向部１０２が連結され、外側径方向部１０２の径方向外端は周方向に伸びる外側周方向部１０４に連結されている。外側周方向部１０４の一端は、蓄冷器６８（図１）または第２ピストン収容部７０（図１）に接続されている。

図７に示すように、各スロット４２内に配置される蛇行部９４において、ステータ２２の径方向に関する外端縁（図９の右端縁）は、スロット４２の底部に接触している。また、図７、図８に示すように、各蛇行部９４の各周方向部９６において、ステータ２２の周方向に関する両端部は、周方向に隣り合う２のコイル３６において、ステータ２２の径方向に関する外端部のそれぞれに接触している。すなわち、各細管６６は、ステータコア３４と２のコイル３６の端部との双方に挟まれて、双方に熱接触している。図７の例では、各蛇行部９４の周方向部９６の両端部がコイル３６に接触している。なお、各蛇行部９４の連結部９８にコイル３６の端部が接触する構成とすることもできる。この場合には、コイル３６と蛇行部９４との接触面積を大きくしやすい。なお、本明細書全体で「熱接触」とは、互いに伝熱する部材を直接に接触させる他、熱伝導性のある部材を介して接触させる場合も含む。

また、図７に示すように、各蛇行部９４は、ステータ２２の軸方向に見た場合に、各周方向部９６で、スロット４２の断面円弧形の底部に沿うように略円弧形に湾曲しており、底部に押し付けられている。例えば、スロット４２内から各蛇行部９４を取り出した状態である、各蛇行部９４の自由状態で、各周方向部９６を含む、スロット４２の底部と対向する円弧形部分の円弧の曲率半径は、スロット４２の底部の円弧形の曲率半径Ｒ１よりも大きくすることもできる。すなわち、蛇行部９４において、ステータ２２の径方向外側に向く蛇行部９４の外端縁を円弧形に湾曲させるとともに、蛇行部９４の外端円の一部または全部をスロット４２の底部に周方向に接触させている。さらに、蛇行部９４の自由状態での外端縁の直径をスロット４２の底部の断面円弧形の直径よりも大きくしている。この構成によれば、スロット４２の底部と蛇行部９４との接触圧が増大し、熱輸送、すなわち寒冷の伝達の効率向上を図れる。また、各細管９２の蛇行部９４の形状及び長さは各細管９２同士で同じとしている。すなわち、各細管９２は、各細管９２同士で同じ蛇行部９４を有する。このため、各細管９４のスロット４２内に配置される部分の長さは略均一である。

このような本実施の形態の場合も、超電導線材からなるコイル３６を所望の極低温に効率よく冷却するとともに、高負荷時や過渡的なモータ動作状態でも、安定した超電導状態を有効に作り出すことができる。

また、各細管９２は、スロット４２内において、ステータ２２の軸方向に延設する延設部である蛇行部９４を有し、蛇行部９４がステータコア３４のスロット４２の底部とコイル３６との双方に接触することで、ステータコア３４とコイル３６との双方に熱接触している。このため、コイルエンド部だけを冷却する構成の場合と異なり、コイル３６の全体をより均一に冷却しやすくなる。すなわち、コイル３６全体の温度分布の偏りを少なくしつつコイル３６をより有効に冷却できる。その他の構成及び作用は、上記の第１の実施の形態と同様である。

なお、本実施の形態において、各蛇行部９４は、スロット４２内でコイル３６に接触させず、スロット４２の底部等でステータコア３４のみに接触させることもできる。この場合、コイル３６をステータコア３４のティース４０に熱接触させることで、細管９２によりコイル３６を冷却することができる。例えば、蛇行部９４とコイル３６との間に隙間を設けることで、蛇行部９４をコイル３６に接触させず、細管９２をバックヨーク３８に熱接触させることもできる。この場合も、コイル３６の冷却時に熱容量の大きなステータコア３４をバッファとして機能させて、高負荷時や過渡的なモータ動作状態でも、安定した超電導状態を有効に作り出すことができる。なお、図示の例では、ステータ２２の周方向に関する蛇行部９４の両端は、ティース４０の側面から離隔させているが、ティース４０の側面に熱接触させることもできる。

［第３の実施の形態］
図９は、本発明の第３の実施の形態の超電導モータを示す、軸方向に沿った断面図である。図１０は、図９のＦ−Ｆ断面の周方向一部を拡大したものに対応する図である。

本実施の形態の超電導モータ１０の場合、複数の細管１０６は、それぞれ複数の細管１０６同士でステータコア３４の周方向に離れた位置で軸方向に貫通するように設けられた直線状のコア貫通部１０８を有する。図１０に示すように、複数のコア貫通部１０８は、ステータコア３４を構成する複数のティース４０のそれぞれの周方向中央部を軸方向に貫通している。すなわち、細管１０６は、ティース４０の数と同数が設けられており、すべての細管１０６は、ティース４０を貫通するコア貫通部１０８を有する。図９に示すように、各細管１０６のうち、コア貫通部１０８の一端（図９の右端）と蓄冷器６８との間部分は、コア貫通部１０８の一端に連結されて、ステータコア３４の軸方向端面よりも軸方向外側で径方向外側に伸びる外側径方向部１１０を有する。また、それぞれの外側径方向部１１０はコイルエンド部４６の径方向外側を通過する、細管１０６の別の部分等を介して蓄冷器６８に接続されている。

また、各細管１０６のうち、コア貫通部１０８の他端（図９の左端）と第２ピストン収容部７０との間部分は、コア貫通部１０８の他端に連結され、ステータコア３４の軸方向端面よりも軸方向外側で径方向内側に伸びる第２外側径方向部１１２を有し、それぞれの第２外側径方向部１１２はコイルエンド部４６の径方向内側を通過する、細管１０６の別の部分等を介して第２ピストン収容部７０に接続されている。

このような構成によれば、複数の細管１０６はステータコア３４を貫通するコア貫通部１０８を有するので、複数の細管１０６により、ティース４０を介して、そのティース４０に巻装されたコイル３６を冷却できる。この場合、複数の細管１０６をコイル３６に直接接触させてはいないが、ステータコア３４の外周面側に細管を接触させ、冷却する構成の場合と異なり、細管１０６をコイル３６に近づけて冷却できるので、冷却性の向上を図れる。また、コイル３６の冷却時に熱容量の大きいステータコア３４をバッファとして機能させて、高負荷時や過渡的なモータ動作状態でも、安定した超電導状態を有効に作り出すことができる。その他の構成及び作用は、上記の図１から図４に示した第１の実施の形態と同様である。

なお、本実施の形態では、細管１０６において、ステータコア３４の軸方向両端から突出した両端部分のうち、蓄冷器６８側でコイルエンド部４６の径方向外側を通過させ、第２ピストン収容部７０側でコイルエンド部４６の径方向内側を通過させている。ただし、細管において、ステータコア３４の軸方向両端から突出した両端部分のうち、蓄冷器６８側でコイルエンド部４６の径方向内側を通過させ、第２ピストン収容部７０側でコイルエンド部４６の径方向内側を通過させることもできる。また、細管において、ステータコア３４の軸方向両端から突出した両端部分の双方を、コイルエンド部４６の径方向内側または径方向外側の径方向の同じ側に通過させることもできる。

なお、上記の各実施の形態では、ステータがロータの径方向外側に対向配置されたインナーロータの構造に本発明を適用した場合を説明した。ただし、本発明は、これに限定するものではなく、ステータがロータの径方向内側に対向配置されたアウターロータの構造に本発明を適用することもできる。この場合、超電導コイルは、ステータコアの径方向一端部である外周端部に巻装される。

１０ 超電導モータ、１２ モータ本体、１４ 冷凍機、１６ モータケース、１８ 回転軸、２０ ロータ、２２ ステータ、２４ ロータコア、２６ 永久磁石、２８，３０ エンドプレート、３２ 軸受、３４ ステータコア、３６ コイル、３８ バックヨーク、４０ ティース、４２ スロット、４４ スロット配置部、４６ コイルエンド部、４８ 外周筒部、５０ 内筒部材、５２ 中間筒部材、５４ 第１真空室、５６ 第２真空室、５８ 圧力振動源、６０ 第１ブラケット、６２ 位相制御器、６４ 第２ブラケット、６６ 細管、６８ 蓄冷器、７０ 第２ピストン収容部、７１ スロット内配置部、７２ シリンダ、７３ 周方向部、７４ 第１ピストン、７５ 接続部、７６ シリンダ、７７ 接続部、７８ 第２ピストン、８０ 直線部、８２ 冷凍機、８４ ガス圧縮機、８６ 蓄冷器、８８ ブラケット、９０ 伝熱部材、９２ 細管、９４ 蛇行部、９６ 周方向部、９８ 連結部、１００ 直線部、１０２ 外側径方向部、１０４ 外側周方向部、１０６ 細管、１０８ コア貫通部、１１０ 外側径方向部、１１２ 第２外側径方向部。

Claims (6)

1. 回転可能に配置されたロータと、
   前記ロータの径方向に対向配置されたステータとを備え、
   前記ステータは、ステータコアと、前記ステータコアの径方向一端部の周方向複数個所に巻装され、超電導線材により構成される複数の超電導コイルとを含む超電導モータであって、
   内側に低温の冷媒を流す複数の細管を有する冷凍機をさらに備え、
   前記複数の細管の少なくとも一部は、前記ステータコア内に設けられており、
   前記複数の細管の両端側の冷媒給排用接続部である片側接続部及び他側接続部は、互いに前記ステータの軸方向両側で、かつ、前記ロータの回転中心軸に対して直径方向反対側に設けられていることを特徴とする超電導モータ。
2. 請求項１に記載の超電導モータにおいて、
   前記ステータコアは、環状のバックヨークと、前記バックヨークの径方向一端部に径方向に突出する複数のティースと、周方向に隣り合う前記ティース間に設けられたスロットとを有し、
   前記複数の超電導コイルは、複数の前記ティースに巻装されており、
   前記複数の細管は、それぞれ複数の前記スロット内に配置されるスロット内配置部を有することを特徴とする超電導モータ。
3. 請求項２に記載の超電導モータにおいて、
   複数の前記スロット内配置部は、対応する前記スロット内において、１または２の前記超電導コイルのみに接触していることを特徴とする超電導モータ。
4. 請求項２に記載の超電導モータにおいて、
   複数の前記スロット内配置部は、対応する前記スロット内において、前記ステータコアのみに接触していることを特徴とする超電導モータ。
5. 請求項２に記載の超電導モータにおいて、
   複数の前記スロット内配置部は、対応する前記スロット内において、前記ステータコアと、１または２の前記超電導コイルとの双方に接触していることを特徴とする超電導モータ。
6. 請求項１に記載の超電導モータにおいて、
   前記複数の細管は、それぞれ前記ステータコアの周方向に離れた位置で軸方向に貫通するように設けられたコア貫通部を有することを特徴とする超電導モータ。

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