JP2021175284A - Motor device - Google Patents

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Abstract

To provide a motor device that can output high torque and is compact and lightweight.SOLUTION: A motor device 2 includes a rotor 23, in which a plurality of permanent magnets 232 is arranged in an annular Halbach arrangement around a central axis C, a stator 22, which has a cylindrical-shaped portion 221, which is arranged to surround the rotor 23 in the outer radial direction of the rotor 23 and a plurality of windings 222, which is arranged at equal intervals along the circumferential direction in the outer radial direction of the cylindrical-shaped portion 221, and a container 21, which houses the stator 22. The windings 222 contain a superconducting material. A space between the cylindrical-shaped portion 221 and the container 21 is filled with a cooling liquid 24.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本発明は、モータ装置に関する。 The present invention relates to a motor device.

従来、排気ガスを排出せず、環境にやさしい電気自動車が開発されている。電気自動車は、蓄電池に蓄えられた電力を用いてモータ装置を駆動させて、車輪を回転させる。例えば、特許文献1には、インバータで三相交流に変換された電流で駆動する、車両用の三相交流モータが開示されている。車両用のモータ装置は、高いトルクを出力できることが要求され、また、小型軽量であることも要求される。 Conventionally, eco-friendly electric vehicles that do not emit exhaust gas have been developed. The electric vehicle uses the electric power stored in the storage battery to drive the motor device to rotate the wheels. For example, Patent Document 1 discloses a three-phase alternating current motor for a vehicle, which is driven by a current converted into a three-phase alternating current by an inverter. Vehicle motor devices are required to be able to output high torque, and are also required to be compact and lightweight.

特開2019‐146304号公報JP-A-2019-146304

本発明は上記した事情のもとで考え出されたものであって、高いトルクを出力でき、かつ、小型軽量化が可能なモータ装置を提供することを目的としている。 The present invention has been devised under the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a motor device capable of outputting high torque and being compact and lightweight.

上記課題を解決するため、本発明では、次の技術的手段を講じている。 In order to solve the above problems, the following technical measures are taken in the present invention.

本発明によって提供されるモータ装置は、複数の永久磁石が、中心軸を中心にして、環状のハルバッハ配列で配列された回転子と、前記回転子の径方向の外側で前記回転子を囲むように配置された円筒形状部、および、前記円筒形状部の前記径方向の外側に、周方向に沿って等間隔で配置された複数の巻線を有する固定子と、前記固定子を収納する容器とを備え、前記巻線は、超伝導材料を含み、前記円筒形状部と前記容器との間には、冷却液が充填されている。 In the motor device provided by the present invention, a plurality of permanent magnets surround the rotor in an annular Halbach array around the central axis and the rotor outside the radial direction of the rotor. And a stator having a plurality of windings arranged at equal intervals along the circumferential direction on the outside of the cylindrical portion in the radial direction, and a container for accommodating the stator. The winding contains a superconducting material, and a coolant is filled between the cylindrical portion and the container.

本発明の好ましい実施の形態においては、前記巻線は、超電導体材料を含む帯状の線材をダブルパンケーキ型に巻回したコイルであり、コイル面の形状がレーストラック形状である。 In a preferred embodiment of the present invention, the winding is a coil in which a strip-shaped wire rod containing a superconductor material is wound in a double pancake shape, and the shape of the coil surface is a race track shape.

本発明の好ましい実施の形態においては、前記各巻線の、前記中心軸の延びる方向である軸方向の寸法、および、前記各永久磁石の前記軸方向の寸法は、200mm以下であり、 前記巻線の数は、15個以上である。 In a preferred embodiment of the present invention, the axial dimension of each winding, which is the extending direction of the central axis, and the axial dimension of each permanent magnet are 200 mm or less, and the winding. The number of is 15 or more.

本発明の好ましい実施の形態においては、前記容器は、外側容器および内側容器を備え、前記外側容器と前記内側容器とで囲まれた空間は、外部より真空度が高い。 In a preferred embodiment of the present invention, the container includes an outer container and an inner container, and the space surrounded by the outer container and the inner container has a higher degree of vacuum than the outside.

本発明の好ましい実施の形態においては、前記回転子は、前記複数の永久磁石が固定された回転子本体をさらに備え、前記回転子本体および前記円筒形状部は、合成樹脂を含む材料からなる。 In a preferred embodiment of the present invention, the rotor further includes a rotor body to which the plurality of permanent magnets are fixed, and the rotor body and the cylindrical portion are made of a material containing a synthetic resin.

本発明の好ましい実施の形態においては、前記固定子は、前記円筒形状部および前記複数の巻線の径方向の外側に配置されるバックヨークをさらに備えている。 In a preferred embodiment of the invention, the stator further comprises a cylindrical portion and a back yoke arranged radially outside the plurality of windings.

本発明によると、固定子の各巻線は、超伝導材料を含み、円筒形状部と容器との間に充填されている冷却液によって冷却される。これにより、各巻線は、超電導状態になって、電気抵抗が著しく低下するので、大電流を流すことができる。したがって、固定子は大きな回転磁界を発生させることができるので、モータ装置は高いトルクを出力できる。また、各巻線の電気抵抗が著しく低下することで、ジュール熱の発生が抑制される。さらに、各巻線は、冷却液によって強力に冷却される。したがって、モータ装置は、冷却のための放熱用フィンなどを備える必要がない。これにより、モータ装置は、小型軽量化が可能である。また、本発明によると、回転子は、複数の永久磁石が環状のハルバッハ配列で配列されている。したがって、回転子は、固定子側に磁束を集中させて、磁場強度を大きくできる。これにより、モータ装置は、高いトルクを出力できる。また、回転子は、固定子とは反対側に発生する磁束を抑制できるので、固定子とは反対側にヨークを備える必要がない。これにより、モータ装置は、小型軽量化が可能である。 According to the present invention, each winding of the stator contains a superconducting material and is cooled by a coolant filled between the cylindrical portion and the container. As a result, each winding is put into a superconducting state, and the electric resistance is remarkably lowered, so that a large current can flow. Therefore, since the stator can generate a large rotating magnetic field, the motor device can output a high torque. Further, the electric resistance of each winding is remarkably reduced, so that the generation of Joule heat is suppressed. In addition, each winding is strongly cooled by the coolant. Therefore, the motor device does not need to be provided with heat radiating fins or the like for cooling. As a result, the motor device can be made smaller and lighter. Further, according to the present invention, in the rotor, a plurality of permanent magnets are arranged in an annular Halbach array. Therefore, the rotor can concentrate the magnetic flux on the stator side to increase the magnetic field strength. As a result, the motor device can output a high torque. Further, since the rotor can suppress the magnetic flux generated on the side opposite to the stator, it is not necessary to provide the yoke on the side opposite to the stator. As a result, the motor device can be made smaller and lighter.

本発明のその他の特徴および利点は、添付図面を参照して以下に行う詳細な説明によって、より明らかとなろう。 Other features and advantages of the present invention will become more apparent with the detailed description given below with reference to the accompanying drawings.

第1実施形態に係るモータ装置が適用された車両の構成を示す概略ブロック図である。It is a schematic block diagram which shows the structure of the vehicle to which the motor device which concerns on 1st Embodiment is applied. 第1実施形態に係るモータ装置の中心軸に直交する断面の断面図である。It is sectional drawing of the cross section orthogonal to the central axis of the motor apparatus which concerns on 1st Embodiment. 第1実施形態に係るモータ装置の中心軸に沿う断面の断面図である。It is sectional drawing of the cross section along the central axis of the motor apparatus which concerns on 1st Embodiment.

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して具体的に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be specifically described with reference to the drawings.

<第1実施形態>
図1は、第1実施形態に係るモータ装置が適用された車両1の構成を示す概略ブロック図である。車両1は、電気によるモータ駆動の電気自動車である。図1に示すように、車両1は、モータ装置2、冷却液タンク3、蓄電池4、およびインバータ5を備えている。なお、車両1はその他の構成も備えているが、図1においては記載を省略している。
<First Embodiment>
FIG. 1 is a schematic block diagram showing a configuration of a vehicle 1 to which the motor device according to the first embodiment is applied. The vehicle 1 is an electric vehicle driven by an electric motor. As shown in FIG. 1, the vehicle 1 includes a motor device 2, a coolant tank 3, a storage battery 4, and an inverter 5. Although the vehicle 1 has other configurations, the description is omitted in FIG.

モータ装置2は、超伝導モータであり、車両1の駆動力を発生する。モータ装置2は、後述するシャフト233の回転を図示しないギアなどで車両1の車軸に伝達し、車輪を回転させる。モータ装置2の詳細については後述する。 The motor device 2 is a superconducting motor and generates a driving force for the vehicle 1. The motor device 2 transmits the rotation of the shaft 233, which will be described later, to the axle of the vehicle 1 by a gear or the like (not shown) to rotate the wheels. Details of the motor device 2 will be described later.

冷却液タンク3は、モータ装置2内部に冷却液を補充するものである。冷却液タンク3は、トランスファチューブ31によってモータ装置2に接続されている。トランスファチューブ31は、細い真空断熱の管であり、冷却液タンク3からモータ装置2に冷却液を流す。最初に少し圧力をかけて冷却液を流すと、冷却液によってトランスファチューブ31が冷却されて、冷却液が流れるようになる。本実施形態では、冷却液は、液体窒素である。モータ装置2の冷却により気化した窒素は、モータ装置2の図示しない排出弁から排出管32を通って、車両1の外に排出される。冷却液タンク3は、気化により減少した液体窒素を、トランスファチューブ31を介してモータ装置2に補充する。冷却液タンク3内の液体窒素が減少した場合、液体窒素タンクローリ車や液体窒素の供給施設から、冷却液タンク3に液体窒素が補充される。なお、冷却液は液体窒素に限定されず、その他の液体であってもよい。冷却液は、モータ装置2の後述する巻線222を所定の温度に冷却できる液体であればよい。 The coolant tank 3 replenishes the coolant inside the motor device 2. The coolant tank 3 is connected to the motor device 2 by a transfer tube 31. The transfer tube 31 is a thin vacuum-insulated tube that allows the coolant to flow from the coolant tank 3 to the motor device 2. When the coolant is first flowed by applying a little pressure, the transfer tube 31 is cooled by the coolant, and the coolant flows. In this embodiment, the coolant is liquid nitrogen. Nitrogen vaporized by cooling the motor device 2 is discharged to the outside of the vehicle 1 from a discharge valve (not shown) of the motor device 2 through a discharge pipe 32. The coolant tank 3 replenishes the motor device 2 with the liquid nitrogen reduced by vaporization via the transfer tube 31. When the amount of liquid nitrogen in the coolant tank 3 decreases, the liquid nitrogen is replenished in the coolant tank 3 from the liquid nitrogen tank lorry wheel or the liquid nitrogen supply facility. The coolant is not limited to liquid nitrogen, and may be any other liquid. The coolant may be any liquid that can cool the winding 222 of the motor device 2, which will be described later, to a predetermined temperature.

蓄電池4は、モータ装置2を駆動するための電力を蓄える二次電池である。本実施形態では、蓄電池4は、リチウムイオン電池である。なお、蓄電池4は、限定されず、その他の二次電池であってもよい。インバータ5は、蓄電池4から入力される直流電力を三相交流電力に変換して、モータ装置2の各巻線222に出力する。なお、インバータ5と各巻線222との間には、クエンチの発生を防止するために、各々が各巻線222に直列接続された複数の限流器が設けられているが、詳細な説明は省略する。 The storage battery 4 is a secondary battery that stores electric power for driving the motor device 2. In the present embodiment, the storage battery 4 is a lithium ion battery. The storage battery 4 is not limited to this, and may be another secondary battery. The inverter 5 converts the DC power input from the storage battery 4 into three-phase AC power and outputs it to each winding 222 of the motor device 2. A plurality of current limiters, each of which is connected in series to each winding 222, are provided between the inverter 5 and each winding 222 in order to prevent the occurrence of quenching, but detailed description thereof will be omitted. do.

次に、モータ装置2の詳細について説明する。 Next, the details of the motor device 2 will be described.

図2および図3は、モータ装置2を説明するための概略図である。図2は、モータ装置2の中心軸Cに直交する断面の断面図である。図3は、モータ装置2の中心軸Cに沿う断面の断面図である。なお、各図は、理解を容易とするために簡略化されたものである。したがって、各部分の寸法や比率などは、実際の寸法や比率とは一致しておらず、適宜拡大、縮小されている。また、以下では、説明の便宜上、モータ装置2の中心軸Cに平行な方向を「軸方向」とし、中心軸Cに直交する方向を「径方向」とし、中心軸Cを中心とする円弧に沿う方向を「周方向」とする。 2 and 3 are schematic views for explaining the motor device 2. FIG. 2 is a cross-sectional view of a cross section orthogonal to the central axis C of the motor device 2. FIG. 3 is a cross-sectional view of a cross section of the motor device 2 along the central axis C. It should be noted that each figure is simplified for easy understanding. Therefore, the dimensions and ratios of each part do not match the actual dimensions and ratios, and are appropriately enlarged or reduced. Further, in the following, for convenience of explanation, the direction parallel to the central axis C of the motor device 2 is defined as the "axial direction", the direction orthogonal to the central axis C is defined as the "diameter direction", and an arc centered on the central axis C is formed. The direction along the line is defined as the "circumferential direction".

モータ装置2は、容器21、固定子22、および回転子23を備えている。固定子22は、回転子23の径方向の外側で前記回転子を囲むように配置されている。固定子22は、電機子となって電機子磁界(回転磁界)を発生させる。回転子23は、界磁となって界磁磁界を発生させる。固定子22が発生させた電機子磁界が回転子23の磁極に作用することにより、回転子23を中心軸Cの周りに回転させるトルクが発生する。容器21は、固定子22の外側に配置され、固定子22および回転子23を収納している。 The motor device 2 includes a container 21, a stator 22, and a rotor 23. The stator 22 is arranged so as to surround the rotor on the outer side in the radial direction of the rotor 23. The stator 22 acts as an armature to generate an armature magnetic field (rotating magnetic field). The rotor 23 becomes a field and generates a field magnetic field. The armature magnetic field generated by the stator 22 acts on the magnetic poles of the rotor 23 to generate torque that rotates the rotor 23 around the central axis C. The container 21 is arranged outside the stator 22 and houses the stator 22 and the rotor 23.

回転子23は、界磁となって界磁磁界を発生させ、中心軸Cを中心として、周方向に回転する。回転子23は、本体231、複数の永久磁石232、およびシャフト233を備えている。シャフト233は、軸受け26によって、固定子22に対して回転可能に軸支されている。シャフト233は、モータ装置2の回転力を外部に伝達する。シャフト233の材料は限定されない。 The rotor 23 becomes a field and generates a field magnetic field, and rotates around the central axis C in the circumferential direction. The rotor 23 includes a main body 231, a plurality of permanent magnets 232, and a shaft 233. The shaft 233 is rotatably supported by the bearing 26 with respect to the stator 22. The shaft 233 transmits the rotational force of the motor device 2 to the outside. The material of the shaft 233 is not limited.

本体231は、シャフト233に固定されており、円筒部分と固定部分とを含んでいる。円筒部分は、軸方向に延びる円筒形状であり、複数の永久磁石232が固定されている。固定部分は、円筒部分をシャフト233に固定している。本実施形態では、本体231は、合成樹脂からなり、円筒部分および固定部分を一体として形成されている。なお、本体231の形状、材料、および形成方法は限定されない。 The main body 231 is fixed to the shaft 233 and includes a cylindrical portion and a fixed portion. The cylindrical portion has a cylindrical shape extending in the axial direction, and a plurality of permanent magnets 232 are fixed to the cylindrical portion. As for the fixed portion, the cylindrical portion is fixed to the shaft 233. In the present embodiment, the main body 231 is made of synthetic resin, and the cylindrical portion and the fixed portion are integrally formed. The shape, material, and forming method of the main body 231 are not limited.

複数の永久磁石232は、それぞれが永久磁石であり、軸方向に延びる直方体形状である。本実施形態では、各永久磁石232の軸方向の寸法は、200mmである。なお、当該寸法は限定されない。各永久磁石232は、例えば、ネオジム磁石やフェライト磁石などあり、限定されない。各永久磁石232の種類は、必要な磁力とコストとを勘案して、適宜決定される。各永久磁石232は、本体231の円筒部分に埋め込まれている。本実施形態では、図2に示すように、30個の永久磁石232が、本体231の円筒部分に、周方向に沿って等間隔で配列されている。なお永久磁石232の数は限定されない。 Each of the plurality of permanent magnets 232 is a permanent magnet and has a rectangular parallelepiped shape extending in the axial direction. In this embodiment, the axial dimension of each permanent magnet 232 is 200 mm. The dimensions are not limited. Each permanent magnet 232 includes, for example, a neodymium magnet and a ferrite magnet, and is not limited. The type of each permanent magnet 232 is appropriately determined in consideration of the required magnetic force and cost. Each permanent magnet 232 is embedded in a cylindrical portion of the main body 231. In the present embodiment, as shown in FIG. 2, 30 permanent magnets 232 are arranged at equal intervals along the circumferential direction in the cylindrical portion of the main body 231. The number of permanent magnets 232 is not limited.

複数の永久磁石232は、中心軸Cを中心にして、環状のハルバッハ配列で配列されている。ハルバッハ配列は、磁極の方向を最適化することによって、特定の方向への磁場強度を最大化する磁石の配列方法である。図2においては、各永久磁石232に磁極の方向を示す矢印を付している。複数の永久磁石232によって、本体231の円筒部分の外周面側に磁束が集中し、外周面側の磁場強度が大きくなる。一方、本体231の円筒部分の内周面側に発生する磁束は少なく、内周面側の磁場強度は小さくなる。なお、図2に示す各永久磁石232の磁極の方向は一例にすぎず、各永久磁石232の磁極の方向は、図2に示すものに限定されない。本体231の円筒部分の外周面側の磁場強度が大きくなることで、回転子23の外側に配置された固定子22が発生させた電機子磁界(回転磁界)による磁極への作用が大きくなって、モータ装置2は、高いトルクを出力できる。また、本体231の円筒部分の内周面側に発生する磁束が抑制されるので、回転子23は、本体231の円筒部分の径方向内側に、ヨークを備える必要がない。 The plurality of permanent magnets 232 are arranged in an annular Halbach array with the central axis C as the center. The Halbach array is a method of arranging magnets that maximizes the magnetic field strength in a specific direction by optimizing the direction of the magnetic poles. In FIG. 2, each permanent magnet 232 is provided with an arrow indicating the direction of the magnetic pole. The plurality of permanent magnets 232 concentrate the magnetic flux on the outer peripheral surface side of the cylindrical portion of the main body 231 and increase the magnetic field strength on the outer peripheral surface side. On the other hand, the magnetic flux generated on the inner peripheral surface side of the cylindrical portion of the main body 231 is small, and the magnetic field strength on the inner peripheral surface side is small. The direction of the magnetic poles of each permanent magnet 232 shown in FIG. 2 is only an example, and the direction of the magnetic poles of each permanent magnet 232 is not limited to that shown in FIG. As the magnetic field strength on the outer peripheral surface side of the cylindrical portion of the main body 231 increases, the action on the magnetic poles by the armature magnetic field (rotating magnetic field) generated by the stator 22 arranged outside the rotor 23 increases. , The motor device 2 can output a high torque. Further, since the magnetic flux generated on the inner peripheral surface side of the cylindrical portion of the main body 231 is suppressed, the rotor 23 does not need to be provided with a yoke inside the cylindrical portion of the main body 231 in the radial direction.

回転子23は、例えば、金型内部に、各々が所定の方向に着磁された各永久磁石232を所定の位置に所定の方向を向けて配置し、当該金型に流体状の合成樹脂材料を注入して硬化させることで形成される。なお、回転子23の形成方法は限定されない。 In the rotor 23, for example, each permanent magnet 232 magnetized in a predetermined direction is arranged at a predetermined position in a predetermined direction inside the mold, and a fluid synthetic resin material is placed in the mold. Is formed by injecting and curing. The method of forming the rotor 23 is not limited.

固定子22は、電機子となって電機子磁界を発生させる。固定子22は、円筒形状部221、複数の巻線222、およびバックヨーク223を備えている。 The stator 22 acts as an armature to generate an armature magnetic field. The stator 22 includes a cylindrical portion 221, a plurality of windings 222, and a back yoke 223.

円筒形状部221は、軸方向に延びる円筒形状の部品であり、回転子23の径方向の外側で回転子23を囲むように配置されている。本実施形態では、円筒形状部221は、繊維強化プラスチック(FRP:Fiber Reinforced Plastics)などの合成樹脂を含む材料からなる。なお、円筒形状部221の材料は限定されない。円筒形状部221の径方向の厚さは、巻線222と永久磁石232との距離を近づけるために、できるだけ薄いのが望ましい。本実施形態では、円筒形状部221の強度を保ちつつ、巻線222と永久磁石232との距離を近づけるために、円筒形状部221の径方向の厚さは、2mm程度としている。なお、当該寸法は限定されない。円筒形状部221は、容器21の内部底面に固定され、円筒形状部221の内周面と回転子23の本体231の円筒部分の外周面との間にはエアギャップ25が設けられている。エアギャップ25の厚さ(円筒形状部221の内周面と円筒部分の外周面との距離)は、巻線222と永久磁石232との距離を近づけるために、できるだけ薄いのが望ましい。本実施形態では、円筒形状部221の内周面と円筒部分の外周面との接触を防止しつつ、巻線222と永久磁石232との距離を近づけるために、エアギャップ25の厚さは、3mm程度としている。なお、当該寸法は限定されない。 The cylindrical portion 221 is a cylindrical component extending in the axial direction, and is arranged so as to surround the rotor 23 on the outer side in the radial direction of the rotor 23. In the present embodiment, the cylindrical portion 221 is made of a material containing a synthetic resin such as fiber reinforced plastics (FRP). The material of the cylindrical portion 221 is not limited. The radial thickness of the cylindrical portion 221 is preferably as thin as possible in order to bring the winding 222 and the permanent magnet 232 closer together. In the present embodiment, the radial thickness of the cylindrical portion 221 is set to about 2 mm in order to bring the winding 222 and the permanent magnet 232 closer to each other while maintaining the strength of the cylindrical portion 221. The dimensions are not limited. The cylindrical portion 221 is fixed to the inner bottom surface of the container 21, and an air gap 25 is provided between the inner peripheral surface of the cylindrical portion 221 and the outer peripheral surface of the cylindrical portion of the main body 231 of the rotor 23. The thickness of the air gap 25 (the distance between the inner peripheral surface of the cylindrical portion 221 and the outer peripheral surface of the cylindrical portion) is preferably as thin as possible in order to bring the winding 222 and the permanent magnet 232 close to each other. In the present embodiment, the thickness of the air gap 25 is set in order to reduce the distance between the winding 222 and the permanent magnet 232 while preventing contact between the inner peripheral surface of the cylindrical portion 221 and the outer peripheral surface of the cylindrical portion. It is about 3 mm. The dimensions are not limited.

また、円筒形状部221の外周面と容器21の内周面との間にも、空間が設けられている。円筒形状部221は、複数の突出部221aを備えている。各突出部221aは、円筒形状部221の外周面から径方向に突出し、軸方向に延びている。複数の突出部221aは、円筒形状部221の外周面に、周方向に沿って等間隔で配置されている。突出部221aと突出部221aとの間には、それぞれ、巻線222が配置される。なお、円筒形状部221は、突出部221aを備えなくてもよい。 Further, a space is also provided between the outer peripheral surface of the cylindrical portion 221 and the inner peripheral surface of the container 21. The cylindrical portion 221 includes a plurality of projecting portions 221a. Each protruding portion 221a protrudes in the radial direction from the outer peripheral surface of the cylindrical portion 221 and extends in the axial direction. The plurality of projecting portions 221a are arranged on the outer peripheral surface of the cylindrical portion 221 at equal intervals along the circumferential direction. Winding 222s are arranged between the protrusions 221a and the protrusions 221a, respectively. The cylindrical portion 221 does not have to include the protruding portion 221a.

複数の巻線222は、それぞれに交流電流が流れ、回転磁界を発生させる。複数の巻線222は、円筒形状部221の外周面に、周方向に沿って等間隔で配列されている。本実施形態では、図2に示すように、15個の巻線222が配列されている。隣り合う3個の巻線222には、位相を120度ずつずらした三相の交流電流が、それぞれ入力される。固定子22は、当該3個の巻線222の組を5組備えているので、合計15個の巻線222を備えている。なお、固定子22が備える巻線222の数は15個に限定されず、3の倍数であればよい。ただし、本実施形態では、モータ装置2は車両1を駆動させるためのトルクを出力する必要があるので、巻線222の数は多い方がよい。また、巻線222の数が多いほど巻線222の配置を円周に近づけることができ、環状のハルバッハ配列で配列された永久磁石232の磁極に対して、巻線222による回転磁界が周方向において均等に作用するので、モータ装置2全体の振動を抑制できる。巻線222の数は、少なくとも15個以上であることが望ましい。一方、巻線222の数が多くなるほどモータ装置2の重量が大きくなるので、巻線222の数は、トルクの出力と重量とを勘案して、適宜設定される。 An alternating current flows through each of the plurality of windings 222 to generate a rotating magnetic field. The plurality of windings 222 are arranged on the outer peripheral surface of the cylindrical portion 221 at equal intervals along the circumferential direction. In this embodiment, as shown in FIG. 2, 15 windings 222 are arranged. Three-phase alternating currents whose phases are shifted by 120 degrees are input to the three adjacent windings 222, respectively. Since the stator 22 includes five sets of the three windings 222, a total of 15 windings 222 are provided. The number of windings 222 included in the stator 22 is not limited to 15, and may be a multiple of 3. However, in the present embodiment, since the motor device 2 needs to output the torque for driving the vehicle 1, it is preferable that the number of windings 222 is large. Further, the larger the number of windings 222, the closer the arrangement of the windings 222 can be to the circumference, and the rotating magnetic field by the windings 222 is in the circumferential direction with respect to the magnetic poles of the permanent magnets 232 arranged in an annular Halbach array. Since it acts evenly in the above, the vibration of the entire motor device 2 can be suppressed. It is desirable that the number of windings 222 is at least 15 or more. On the other hand, as the number of windings 222 increases, the weight of the motor device 2 increases. Therefore, the number of windings 222 is appropriately set in consideration of the torque output and the weight.

各巻線222は、超電導体材料を含む帯状の線材を巻回したコイルである。超伝導体材料は限定されないが、本実施形態では、イットリウム系超伝導体(YBCO)や、YBCOのY(イットリウム)に代えてGd(ガドリニウム)やSm(サマリウム)などの希土類元素とした高温超電導体材料を用いている。高温超電導体材料には、他に、高温酸化銅セラミック超伝導体(BSCCO2223など)、タリウム−バリウム−カルシウム−酸化銅系超伝導体(TBCCO)などがある。 Each winding 222 is a coil wound with a strip-shaped wire containing a superconductor material. The superconductor material is not limited, but in the present embodiment, high-temperature superconductivity using a rare earth element such as Gd (gadrinium) or Sm (samarium) instead of the yttrium-based superconductor (YBCO) or Y (yttrium) of YBCO. Body material is used. Other high-temperature superconductor materials include high-temperature copper oxide ceramic superconductors (BSCCO2223 and the like), thallium-barium-calcium-copper oxide-based superconductors (TBCCO), and the like.

各巻線222は、帯状の線材を、ダブルパンケーキ型に巻回したコイルであり、コイル面の形状がレーストラック形状である。ダブルパンケーキ型のコイルは、帯状の線材を長辺側の面を重ねて巻回したパンケーキ型のコイルを2個、最も内側で電気的に接続させたコイルである。本実施形態では、帯状の線材の幅寸法は10mm程度であり、厚さ寸法は0.2mm程度である。なお、帯状の線材の各寸法は限定されず、巻き数も限定されない。また、各巻線222は、ダブルパンケーキ型のコイルを複数接続したコイルであってもよい。また、各巻線222は、ダブルパンケーキ型ではなく、一重のパンケーキ型であってもよい。各巻線222は、レーストラック形状の長手方向を軸方向に平行にして、また、コイル面が円筒形状部221に対向するようにして、円筒形状部221に固定されている。本実施形態では、各巻線222のレーストラック形状の長手方向の寸法(軸方向の寸法)L(図3参照)は、各永久磁石232の軸方向の寸法に合わせて、200mmである。本実施形態では、モータ装置2は車両1を駆動させるためのトルクを出力する必要があるので、各巻線222の軸方向の寸法Lおよび各永久磁石232の軸方向の寸法は、大きい方がよい。しかし、寸法が大きくなるほどモータ装置2の重量が大きくなるので、寸法は、トルクの出力と重量とを勘案して、適宜設定される。各巻線222の軸方向の寸法Lおよび各永久磁石232の軸方向の寸法は、200mm以下であることが望ましい。また、本実施形態では、各巻線222のレーストラック形状の短手方向の寸法(周方向の寸法)W(図2参照)は、40mm程度である。寸法Wは、帯状の線材の柔らかさと、配置される巻線222の数とに応じて、適宜設定される。なお、寸法Wをできるだけ小さくして、できるだけ多くの巻線222を配置するのが望ましい。なお、各巻線222の各寸法は限定されない。 Each winding 222 is a coil in which a strip-shaped wire rod is wound in a double pancake shape, and the shape of the coil surface is a race track shape. The double pancake type coil is a coil in which two pancake type coils, in which strip-shaped wire rods are wound with their long side surfaces overlapped with each other, are electrically connected on the innermost side. In the present embodiment, the width dimension of the strip-shaped wire rod is about 10 mm, and the thickness dimension is about 0.2 mm. The dimensions of the strip-shaped wire are not limited, and the number of turns is not limited. Further, each winding 222 may be a coil in which a plurality of double pancake type coils are connected. Further, each winding 222 may be a single pancake type instead of a double pancake type. Each winding 222 is fixed to the cylindrical portion 221 so that the longitudinal direction of the race track shape is parallel to the axial direction and the coil surface faces the cylindrical portion 221. In the present embodiment, the longitudinal dimension (axial dimension) L (see FIG. 3) of the race track shape of each winding 222 is 200 mm in accordance with the axial dimension of each permanent magnet 232. In the present embodiment, since the motor device 2 needs to output the torque for driving the vehicle 1, the axial dimension L of each winding 222 and the axial dimension of each permanent magnet 232 should be large. .. However, since the weight of the motor device 2 increases as the dimension increases, the dimension is appropriately set in consideration of the torque output and the weight. It is desirable that the axial dimension L of each winding 222 and the axial dimension of each permanent magnet 232 are 200 mm or less. Further, in the present embodiment, the lateral dimension (circumferential dimension) W (see FIG. 2) of the race track shape of each winding 222 is about 40 mm. The dimension W is appropriately set according to the softness of the strip-shaped wire and the number of windings 222 to be arranged. It is desirable to make the dimension W as small as possible and arrange as many windings 222 as possible. The dimensions of each winding 222 are not limited.

バックヨーク223は、例えば鉄製の円筒形状の磁性部品である。なお、バックヨーク223の材料は限定されない。バックヨーク223は、円筒形状部221の径方向の外側に、各巻線222から離間して配置されている。バックヨーク223は、各巻線222によって生成された磁束を、固定子22の外部に出ないように遮蔽して内部に戻す。 The back yoke 223 is, for example, an iron cylindrical magnetic component. The material of the back yoke 223 is not limited. The back yoke 223 is arranged on the outer side of the cylindrical portion 221 in the radial direction so as to be separated from each winding 222. The back yoke 223 shields the magnetic flux generated by each winding 222 from coming out of the stator 22 and returns it to the inside.

容器21は、固定子22および回転子23を収納する容器である。容器21は、外側容器211、内側容器212、および蓋214を備えている。外側容器211および内側容器212は、ともに有底の円筒形状であり、内側容器212は外側容器211の内側に配置されている。外側容器211と内側容器212とで囲まれた空間は、密閉されており、外部より真空度が高くなっている。当該空間が、断熱効果を有する断熱部213になっている。内側容器212の内部には、固定子22および回転子23が収納されている。蓋214は、内側容器212の開口部をふさぐ蓋である。本実施形態では、外側容器211、内側容器212、および蓋214は、ステンレスからなる。なお、外側容器211、内側容器212、および蓋214の材料および形状は限定されない。 The container 21 is a container for accommodating the stator 22 and the rotor 23. The container 21 includes an outer container 211, an inner container 212, and a lid 214. Both the outer container 211 and the inner container 212 have a bottomed cylindrical shape, and the inner container 212 is arranged inside the outer container 211. The space surrounded by the outer container 211 and the inner container 212 is hermetically sealed and has a higher degree of vacuum than the outside. The space is a heat insulating portion 213 having a heat insulating effect. A stator 22 and a rotor 23 are housed inside the inner container 212. The lid 214 is a lid that closes the opening of the inner container 212. In this embodiment, the outer container 211, the inner container 212, and the lid 214 are made of stainless steel. The materials and shapes of the outer container 211, the inner container 212, and the lid 214 are not limited.

固定子22の円筒形状部221と容器21の内側容器212との間には、冷却液24(液体窒素)が充填されている。したがって、各巻線222およびバックヨーク223は、冷却液24に浸漬されて、低温状態に冷却される。これにより、各巻線222は、超電導状態になって、電気抵抗が著しく低下するので、大電流を流すことができ、また、ジュール熱の発生が抑制される。また、各巻線222およびバックヨーク223は、冷却液24によって、強力に冷却されるので、モータ装置2は、これらを冷却するための放熱用フィンなどを備える必要がない。 A coolant 24 (liquid nitrogen) is filled between the cylindrical portion 221 of the stator 22 and the inner container 212 of the container 21. Therefore, each winding 222 and the back yoke 223 are immersed in the coolant 24 and cooled to a low temperature state. As a result, each winding 222 is put into a superconducting state, and the electric resistance is remarkably lowered, so that a large current can flow and the generation of Joule heat is suppressed. Further, since each winding 222 and the back yoke 223 are strongly cooled by the coolant 24, the motor device 2 does not need to be provided with heat radiating fins or the like for cooling them.

次に、第1実施形態に係るモータ装置2の作用効果について説明する。 Next, the operation and effect of the motor device 2 according to the first embodiment will be described.

本実施形態によると、固定子22は、複数の巻線222を備えている。各巻線222は、超電導体材料からなるコイルである。各巻線222は、円筒形状部221と容器21との間に充填されている冷却液24(液体窒素)によって冷却される。これにより、各巻線222は、超電導状態になって、電気抵抗が著しく低下するので、大電流を流すことができる。したがって、固定子22は大きな磁界を発生させることができるので、モータ装置2は高いトルクを出力できる。また、各巻線222の電気抵抗が著しく低下することで、ジュール熱の発生が抑制される。さらに、各巻線222は、冷却液24によって強力に冷却される。したがって、モータ装置2は、冷却のための放熱用フィンなどを備える必要がない。これにより、モータ装置2は、小型軽量化が可能である。 According to this embodiment, the stator 22 includes a plurality of windings 222. Each winding 222 is a coil made of a superconductor material. Each winding 222 is cooled by the coolant 24 (liquid nitrogen) filled between the cylindrical portion 221 and the container 21. As a result, each winding 222 is put into a superconducting state, and the electric resistance is remarkably lowered, so that a large current can flow. Therefore, since the stator 22 can generate a large magnetic field, the motor device 2 can output a high torque. Further, the electric resistance of each winding 222 is remarkably reduced, so that the generation of Joule heat is suppressed. Further, each winding 222 is strongly cooled by the coolant 24. Therefore, the motor device 2 does not need to be provided with heat-dissipating fins or the like for cooling. As a result, the motor device 2 can be made smaller and lighter.

また、本実施形態によると、回転子23は、環状のハルバッハ配列で配列された複数の永久磁石232を備えている。複数の永久磁石232によって、本体231の円筒部分の外周面側に磁束が集中し、外周面側の磁場強度が大きくなる。これにより、モータ装置2は、高いトルクを出力できる。一方、本体231の円筒部分の内周面側に発生する磁束は抑制される。したがって、回転子23は、本体231の円筒部分の径方向内側に、ヨークを備える必要がない。これにより、モータ装置2は、軽量化が可能である。 Further, according to the present embodiment, the rotor 23 includes a plurality of permanent magnets 232 arranged in an annular Halbach array. The plurality of permanent magnets 232 concentrate the magnetic flux on the outer peripheral surface side of the cylindrical portion of the main body 231 and increase the magnetic field strength on the outer peripheral surface side. As a result, the motor device 2 can output a high torque. On the other hand, the magnetic flux generated on the inner peripheral surface side of the cylindrical portion of the main body 231 is suppressed. Therefore, the rotor 23 does not need to have a yoke inside the cylindrical portion of the main body 231 in the radial direction. As a result, the weight of the motor device 2 can be reduced.

また、本実施形態によると、回転子23は、本体231が合成樹脂からなり、ヨークを備えていない。したがって、回転子23は、軽量化が可能である。このことは、モータ装置2の軽量化に寄与する。また、回転子23の軽量化により、回転子23のイナーシャが小さくなるので、モータ装置2の制御に対する応答性が向上する。また、本実施形態によると、固定子22の円筒形状部221はFRPからなり、固定子22は内側にヨークを備えていない。したがって、固定子22も、軽量化が可能である。このことは、モータ装置2の軽量化に寄与する。 Further, according to the present embodiment, the rotor 23 has a main body 231 made of synthetic resin and does not have a yoke. Therefore, the rotor 23 can be reduced in weight. This contributes to the weight reduction of the motor device 2. Further, by reducing the weight of the rotor 23, the inertia of the rotor 23 is reduced, so that the responsiveness to the control of the motor device 2 is improved. Further, according to the present embodiment, the cylindrical portion 221 of the stator 22 is made of FRP, and the stator 22 does not have a yoke inside. Therefore, the stator 22 can also be reduced in weight. This contributes to the weight reduction of the motor device 2.

また、本実施形態によると、各永久磁石232の軸方向の寸法、および、各巻線222の軸方向の寸法Lは、200mmである。したがって、モータ装置2は、大型化を抑制しつつ、車両1を駆動させるための高いトルクを出力できる。また、本実施形態によると、固定子22は、円筒形状部221の外周面に、周方向に配列された15個の巻線222を備えている。したがって、モータ装置2は、高いトルクを出力可能である。本実施形態では、巻線222の数が多いが、各巻線222の軸方向の寸法L、および、各永久磁石232の軸方向の寸法を小さくすることで、モータ装置2全体の重量を抑制している。巻線222の軸方向の寸法Lを小さくしても、巻線222に大電流を流せるので、モータ装置2は、十分なトルクを出力できる。また、巻線222の数が多いので、モータ装置2全体の振動が抑制される。振動が抑制されることで、巻線222における線材間の摩擦による発熱が抑制され、ホットスポットの発生を抑制できる。これにより、超電導状態から常伝導状態に戻るクエンチの発生を抑制できる。 Further, according to the present embodiment, the axial dimension of each permanent magnet 232 and the axial dimension L of each winding 222 are 200 mm. Therefore, the motor device 2 can output a high torque for driving the vehicle 1 while suppressing the increase in size. Further, according to the present embodiment, the stator 22 is provided with 15 windings 222 arranged in the circumferential direction on the outer peripheral surface of the cylindrical portion 221. Therefore, the motor device 2 can output a high torque. In the present embodiment, the number of windings 222 is large, but the weight of the entire motor device 2 is suppressed by reducing the axial dimension L of each winding 222 and the axial dimension of each permanent magnet 232. ing. Even if the axial dimension L of the winding 222 is reduced, a large current can be passed through the winding 222, so that the motor device 2 can output a sufficient torque. Further, since the number of windings 222 is large, the vibration of the entire motor device 2 is suppressed. By suppressing the vibration, heat generation due to friction between the wires in the winding 222 can be suppressed, and the generation of hot spots can be suppressed. As a result, it is possible to suppress the occurrence of quenching that returns from the superconducting state to the normal conducting state.

また、本実施形態によると、各巻線222は、超電導体材料を含む帯状の線材をダブルパンケーキ型に巻回したコイルである。したがって、巻線222の帯状の線材の両端がコイルの外側に配置される。したがって、接続が容易である。また、各巻線222は、コイル面の形状がレーストラック形状であり、長手方向を軸方向に平行にして配置されている。したがって、固定子22において、周方向に多くの巻線222を配置でき、かつ、軸方向の寸法が大きくできるので、モータ装置2は、高いトルクを出力可能である。 Further, according to the present embodiment, each winding 222 is a coil in which a strip-shaped wire rod containing a superconductor material is wound in a double pancake shape. Therefore, both ends of the strip-shaped wire of the winding 222 are arranged outside the coil. Therefore, the connection is easy. Further, each winding 222 has a race track shape on the coil surface, and is arranged so that the longitudinal direction is parallel to the axial direction. Therefore, in the stator 22, many windings 222 can be arranged in the circumferential direction, and the dimensions in the axial direction can be increased, so that the motor device 2 can output a high torque.

また、本実施形態によると、容器21は外側容器211および内側容器212を備え、外側容器211と内側容器212とで囲まれた空間は、密閉されており、外部より真空度が高くなっている。これにより、容器21の内部と外部とが適切に断熱され、内部に充填された冷却液24の温度が上昇することを抑制できる。 Further, according to the present embodiment, the container 21 includes an outer container 211 and an inner container 212, and the space surrounded by the outer container 211 and the inner container 212 is sealed, and the degree of vacuum is higher than that of the outside. .. As a result, the inside and the outside of the container 21 are appropriately insulated, and the temperature of the cooling liquid 24 filled inside can be suppressed from rising.

なお、本実施形態では、回転子23において、各永久磁石232が本体231の円筒部分の内部に埋め込まれている場合について説明したが、これに限られない。各永久磁石232のそれぞれ一部(例えば固定子22に対向する面)は、円筒部分から露出してもよい。また、回転子23は、本体231の円筒部分の外側に(または内側に)、接着剤やネジなどで、各永久磁石232を固定したものであってもよい。この場合、回転子23の円筒部分の材料は、合成樹脂以外の材料であってもよい。 In the present embodiment, the case where each permanent magnet 232 is embedded in the cylindrical portion of the main body 231 in the rotor 23 has been described, but the present invention is not limited to this. A part of each permanent magnet 232 (for example, a surface facing the stator 22) may be exposed from the cylindrical portion. Further, the rotor 23 may have each permanent magnet 232 fixed to the outside (or inside) of the cylindrical portion of the main body 231 with an adhesive, a screw, or the like. In this case, the material of the cylindrical portion of the rotor 23 may be a material other than the synthetic resin.

なお、本実施形態では、各巻線222が帯状の線材を、レーストラック形状に、重ねて巻回したコイルである場合について説明したが、これに限られない。各巻線222のコイル面の形状は、レーストラック形状ではなく、矩形状、楕円形状、または円形状であってもよい。また、各巻線222の線材は、帯状ではなく、断面が円形状であってもよい。この場合、各巻線222は、線材をらせん状に巻いたソレノイドコイルや、スパイラルコイル、トロイダルコイルなどであってもよい。また、帯状の線材を、短辺側の曲がりにくい方向に巻いたエッジワイズコイルであってもよい。 In the present embodiment, the case where each winding 222 is a coil in which a strip-shaped wire rod is wound in a race track shape in an overlapping manner has been described, but the present invention is not limited to this. The shape of the coil surface of each winding 222 may be rectangular, elliptical, or circular instead of the racetrack shape. Further, the wire rod of each winding 222 may have a circular cross section instead of a strip shape. In this case, each winding 222 may be a solenoid coil in which a wire rod is spirally wound, a spiral coil, a toroidal coil, or the like. Further, it may be an edgewise coil in which a strip-shaped wire rod is wound in a direction in which it is difficult to bend on the short side.

なお、本実施形態においては、モータ装置2が、電気自動車に用いられる場合について説明したが、これに限られない。モータ装置2は、電気オートバイ、電動自転車、電動車いすなどの他の電動式の乗り物に用いられてもよい。また、モータ装置2は、ドローンなどの飛行物、電気掃除機などの家電品、電動工具など、電力を回転力に変換して使用するあらゆる製品に用いることができる。 In the present embodiment, the case where the motor device 2 is used for an electric vehicle has been described, but the present invention is not limited to this. The motor device 2 may be used for other electric vehicles such as electric motorcycles, electric bicycles, and electric wheelchairs. Further, the motor device 2 can be used for all products used by converting electric power into rotational force, such as flying objects such as drones, home appliances such as vacuum cleaners, and electric tools.

本発明に係るモータ装置は、上述した実施形態に限定されるものではない。本発明に係るモータ装置の各部の具体的な構成は、種々に設計変更自在である。 The motor device according to the present invention is not limited to the above-described embodiment. The specific configuration of each part of the motor device according to the present invention can be freely redesigned.

1 :車両
2 :モータ装置
3 :冷却液タンク
31 :トランスファチューブ
32 :排出管
4 :蓄電池
5 :インバータ
21 :容器
211 :外側容器
212 :内側容器
213 :断熱部
214 :蓋
22 :固定子
221 :円筒形状部
221a :突出部
222 :巻線
223 :バックヨーク
23 :回転子
231 :本体
232 :永久磁石
233 :シャフト
24 :冷却液
25 :エアギャップ
26 :軸受け
1: Vehicle 2: Motor device 3: Coolant tank 31: Transfer tube 32: Discharge pipe 4: Storage battery 5: Inverter 21: Container 211: Outer container 212: Inner container 213: Insulation part 214: Lid 22: Stator 221: Cylindrical shape part 221a: Protruding part 222: Winding 223: Back yoke 23: Rotor 231: Main body 232: Permanent magnet 233: Shaft 24: Coolant 25: Air gap 26: Bearing

Claims (6)

複数の永久磁石が、中心軸を中心にして、環状のハルバッハ配列で配列された回転子と、
前記回転子の径方向の外側で前記回転子を囲むように配置された円筒形状部、および、前記円筒形状部の前記径方向の外側に、周方向に沿って等間隔で配置された複数の巻線を有する固定子と、
前記固定子を収納する容器と、
を備え、
前記巻線は、超伝導材料を含み、
前記円筒形状部と前記容器との間には、冷却液が充填されている、
モータ装置。
A rotor with multiple permanent magnets arranged in an annular Halbach array around the central axis,
A cylindrical portion arranged so as to surround the rotor on the outer side in the radial direction of the rotor, and a plurality of cylindrical portions arranged on the outer side in the radial direction of the cylindrical portion at equal intervals along the circumferential direction. With a stator with windings,
A container for storing the stator and
With
The winding contains a superconducting material and contains
A coolant is filled between the cylindrical portion and the container.
Motor device.
前記巻線は、超電導体材料を含む帯状の線材をダブルパンケーキ型に巻回したコイルであり、コイル面の形状がレーストラック形状である、
請求項1に記載のモータ装置。
The winding is a coil in which a strip-shaped wire containing a superconductor material is wound in a double pancake shape, and the shape of the coil surface is a race track shape.
The motor device according to claim 1.
前記各巻線の、前記中心軸の延びる方向である軸方向の寸法、および、前記各永久磁石の前記軸方向の寸法は、200mm以下であり、
前記巻線の数は、15個以上である、
請求項1または2に記載のモータ装置。
The axial dimension of each winding, which is the extending direction of the central axis, and the axial dimension of each permanent magnet are 200 mm or less.
The number of windings is 15 or more.
The motor device according to claim 1 or 2.
前記容器は、外側容器および内側容器を備え、
前記外側容器と前記内側容器とで囲まれた空間は、外部より真空度が高い、
請求項1ないし3のいずれかに記載のモータ装置。
The container comprises an outer container and an inner container.
The space surrounded by the outer container and the inner container has a higher degree of vacuum than the outside.
The motor device according to any one of claims 1 to 3.
前記回転子は、前記複数の永久磁石が固定された回転子本体をさらに備え、
前記回転子本体および前記円筒形状部は、合成樹脂を含む材料からなる、
請求項1ないし4のいずれかに記載のモータ装置。
The rotor further includes a rotor body to which the plurality of permanent magnets are fixed.
The rotor body and the cylindrical portion are made of a material containing a synthetic resin.
The motor device according to any one of claims 1 to 4.
前記固定子は、前記円筒形状部および前記複数の巻線の径方向の外側に配置されるバックヨークをさらに備えている、
請求項1ないし5のいずれかに記載のモータ装置。
The stator further comprises a back yoke disposed radially outward of the cylindrical portion and the plurality of windings.
The motor device according to any one of claims 1 to 5.
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