JP2022143687A

JP2022143687A - 超電導モータ

Info

Publication number: JP2022143687A
Application number: JP2021044338A
Authority: JP
Inventors: 海里大丹生; Kairi Onyu; 康平酒井; Kohei Sakai; 智明虎谷; Tomoaki Toratani; 直之児島; Naoyuki Kojima
Original assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Current assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Priority date: 2021-03-18
Filing date: 2021-03-18
Publication date: 2022-10-03
Also published as: WO2022196193A1

Abstract

【課題】始動時において、超電導コイルを効率的に冷却することのできる超電導モータを提供する。【解決手段】ステータコア４１および複数の超電導コイル４２を有し、ロータ３０に対して径方向に対向するように配置されるステータ４０と、超電導コイル４２が収容され、超電導コイル４２を冷却する冷却媒体が流入するコイル冷却容器５０と、ステータコア４１およびコイル冷却容器５０が収容される断熱容器１０と、を備え、ステータコア４１は、環状のヨーク部４１ａと、ヨーク部４１ａの周方向に間隔をおいて配置され、ヨーク部４１ａの径方向に突出する複数のティース部４１ｂと、を有し、コイル冷却容器５０は、外面から内側に向かって延出するように形成され、ティース部４１ｂが挿通される複数の挿通路５０ｂを有し、超電導コイル４２は、コイル冷却容器５０の内側における挿通路５０ｂの外周側に巻き回される。【選択図】図３

Description

本発明は、例えば、船舶、鉄道、車両、航空機等の動力源として用いられる超電導モータに関するものである。

従来の超電導モータは、回転自在に支持されるロータと、ステータコアおよび超電導コイルを有し、ロータに対して径方向に対向するように配置されるステータと、超電導コイルを冷却するコイル冷却手段と、を備えたのものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特許第５４９７６２５号公報

従来の超電導モータのコイル冷却手段は、冷凍機から吐出された冷却媒体を、ステータコアを貫通するように形成された細管に流通させることによってステータコアを冷却し、冷却したステータコアによって、ステータコアと熱的に接続された超電導コイルを冷却するようになっている。このため、従来の超電導モータは、始動時において、超電導コイルを超電導の状態となるまで冷却する際に消費される冷却媒体の量が多くなるとともに、超電導の状態となるまでに長時間を要するおそれがある。

本発明の目的とするところは、始動時において、超電導コイルを効率的に冷却することのできる超電導モータを提供することにある。

本発明に係る超電導モータは、回転自在に支持されるロータと、ステータコアおよび複数の超電導コイルを有し、前記ロータに対して径方向に対向するように配置されるステータと、前記超電導コイルが収容され、前記超電導コイルを冷却する冷却媒体が流入するコイル冷却容器と、前記ステータコアおよび前記コイル冷却容器が収容される断熱容器と、を備え、前記ステータコアは、環状のヨーク部と、前記ヨーク部の周方向に間隔をおいて配置され、前記ヨーク部の径方向に突出する複数のティース部と、を有し、前記コイル冷却容器は、外面から内側に向かって延出するように形成され、前記ティース部が挿通される複数の挿通路を有し、前記超電導コイルは、前記コイル冷却容器の内側における前記挿通路の外周側に巻き回される。

また、本発明に係る超電導モータは、前記ステータが、前記ロータの径方向外側に配置され、前記断熱容器は、前記ロータの外周側を囲む筒状に形成され、外周側に位置する外周側部材と、内周側に位置する内周側部材と、を有し、前記内周側部材は、非磁性かつ非導電性を有する材料によって形成されている。

また、本発明に係る超電導モータは、前記コイル冷却容器が、前記内周側部材に支持されている。

また、本発明に係る超電導モータは、前記ティース部が、前記ヨーク部の径方向内側に配置され、先端部が前記内周側部材に支持されている。

また、本発明に係る超電導モータは、前記ティース部が、前記ヨーク部と別体である。

本発明によれば、コイル冷却容器に冷却媒体を流入させることによって、ステータコアを冷却することなく、超電導コイルのみを冷却することが可能となるので、始動時において、超電導コイルを効率的に冷却することが可能となる。

本発明の一実施形態に係る超電導モータの全体斜視図である。本発明の一実施形態に係る超電導モータの分解斜視図である。本発明の一実施形態に係る超電導モータの断面図である。本発明の一実施形態に係る超電導モータを組み立てる方法を説明する図である。

図１乃至図４は、本発明の一実施形態を示すものである。図１は超電導モータの全体斜視図であり、図２は超電導モータの分解斜視図であり、図３は超電導モータの断面図であり、図４は超電導モータを組み立てる方法を説明する図である。

本実施形態の超電導モータ１は、例えば、船舶、鉄道、車両、航空機等の動力源として用いられるものである。

この超電導モータ１は、図１および図２に示すように、断熱容器１０と、断熱容器１０に対して回転自在に設けられた駆動軸２０と、駆動軸２０の外周部に固定されたロータ３０と、断熱容器１０の内側に設けられ、ロータ３０の径方向外側においてロータ３０と対向するステータ４０と、ステータ４０の後述する超電導コイルが収容され、超電導コイルを冷却する冷却媒体が流通するコイル冷却容器５０と、を備えている。

断熱容器１０は、外周側に位置する円筒状の外周側部材１１と、内周側に位置する円筒状の内周側部材１２と、外周側部材１１および内周側部材１２の軸方向一端部を閉鎖する第１蓋部材１３と、外周側部材１１および内周側部材１２の軸方向他端部を閉鎖する第２蓋部材１４と、を有している。内周側部材１２は、第１蓋部材１３と第２蓋部材１４との間にわたって延びる内周円筒部１２ａと、内周円筒部１２ａの一端側に設けられ、外周側部材１１の内周面に嵌合する嵌合部１２ｂと、を有している。断熱容器１０は、外周側部材１１、内周側部材１２、第１蓋部材１３及び第２蓋部材１４によって囲まれる円筒形状の密閉筒状空間１０ａを有している。断熱容器１０は、密閉筒状空間１０ａの真空引きを行うことによって、密閉筒状空間１０ａを真空状態とし、密閉筒状空間１０ａの内側と外側との間の熱の伝達を遮断する。また、内周側部材１２は、非磁性かつ非導電性を有する材料によって形成されている。非磁性かつ非導電性を有する材料としては、ＧＦＲＰに代表される繊維強化プラスチック、ポリイミド（ＰＩ）、ポリアミドイミド（ＰＡＩ）、ポリベンゾイミダゾール（ＰＢＩ）ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、フッ素樹脂（ＰＴＦＥ）等のスーパーエンジニアリングプラスチックといった広範囲の温度（特に低温）で使用可能な高強度樹脂材料、アルミナ等のセラミックス加工品、ガラス素材等があげられる。

駆動軸２０は、内周側部材１２の内周円筒部１２ａの内周側を軸方向に延びるように配置され、一端側が第１蓋部材１３の径方向中央部に第１軸受２１を介して回転自在に支持され、他端側が第２蓋部材１４の径方向中央部に第２軸受２２を介して回転自在に支持されている。

ロータ３０は、駆動軸２０の軸方向中央部側の外周部に設けられ、内周側部材１２の内周円筒部１２ａの内径よりもやや小さい外径を有している。ロータ３０は、駆動軸２０の軸方向に複数の電磁鋼鈑を積層し、カシメや溶接等によって一体に形成されたロータコア３１と、ロータコア３１の外周部に周方向に配置ざれた例えばフェライト磁石等の複数の永久磁石３２と、を有している。

ステータ４０は、断熱容器１０の密閉筒状空間１０ａに収容されるステータコア４１と、コイル冷却容器５０の後述する冷媒流通空間に収容される複数の超電導コイル４２と、を有している。

ステータコア４１は、積層した複数の電磁鋼鈑を、カシメや溶接等によって一体に形成することによって構成される。ステータコア４１は、円環状に形成されたヨーク部４１ａと、それぞれヨーク部４１ａの円環形状の周方向に間隔をおいて、円環形状の中心側に向かって突出する複数のティース部４１ｂと、を有している。ステータコア４１は、図３及び図４に示すように、ヨーク部４１ａと複数のティース部４１ｂとがそれぞれ別体であり、ヨーク部４１ａが内周側部材１２の嵌合部１２ｂに支持され、複数のティース部４１ｂがコイル冷却容器５０の後述する挿通路に挿通された状態で内周側部材１２の内周円筒部１２ａの外周部に支持される。ステータコア４１は、超電導モータ１を組み付ける際に、ヨーク部４１ａに対して複数のティース部４１ｂが組付けられる。

複数の超電導コイル４２は、それぞれ、例えば、ビスマス（Ｂｉ２）系またはイットリウム（Ｙ）系の超電導材料からなる線材からなり、図２に示すように、環状に形成されたコイル枠４２ａの外周部に巻き掛けられている。複数の超電導コイル４２は、図３に示すように、それぞれコイル冷却容器５０の後述する挿通路を介してティース部４１ｂの外周側に配置される。本実施形態の超電導モータ１は、ステータコア４１の複数のティース部４１ｂのそれぞれに集中して超電導コイル４２が巻き回される集中巻きのステータ４０が構成されている。また、複数の超電導コイル４２を流れる電気は、第２蓋部材１４に設けられた電流導入部４２ｂから供給される。

コイル冷却容器５０は、図２及び図３に示すように、断熱容器１０の密閉筒状空間１０ａの周方向に沿って延びる筒状の冷媒流通空間５０ａが形成される筒状の外観形状を有し、断熱容器１０の内周側部材１２に支持されている。コイル冷却容器５０は、冷媒流通空間５０ａが、外周側部材１１、内周側部材１２、第１蓋部材１３及び第２蓋部材１４のそれぞれに対して間隔をおいて配置され、断熱容器１０の外側と冷媒流通空間５０ａとの間の熱の伝達が遮断される。

また、コイル冷却容器５０は、軸方向の略中央部において、それぞれ周方向に間隔をおいて設けられ、外面から内側に向かって延出するように形成され、ステータコア４１の複数のティース部４１ｂのそれぞれが挿通される複数の挿通路５０ｂを有している。本実施形態において、複数の挿通路５０ｂは、それぞれ、冷媒流通空間５０ａを貫通してコイル冷却容器５０の外周側と内周側とを連通している。コイル冷却容器５０は、冷媒流通空間５０ａを形成する過程において、複数の挿通路５０ｂのそれぞれの外周側に超電導コイル４２を設置した状態とすることで、複数の超電導コイル４２と一体に形成される。

コイル冷却容器５０には、冷却媒体を流入させるための冷媒流入管５１が外周面の下部側に接続され、冷却媒体を流出させるための冷媒流出管５２が外周面の上部側に接続されている。冷媒流入管５１の冷却媒体が流入する冷媒流入端部５１ａおよび冷媒流出管５２の冷却媒体が流出する冷媒流出端部５２ａは、それぞれ、第２蓋部材１４に配置されている。コイル冷却容器５０に流入する冷却媒体としては、液体窒素が用いられ、コイル冷却容器５０に収容された超電導コイル４２が液体窒素によって冷却され、超電導コイル４２を冷却することによって気化した窒素が冷媒流出端部５２ａから流出する。

ここで、超電導モータ１を組み立てる方法について説明する。

まず、図４（ａ）および図４（ｂ）に示すように、断熱容器１０の内周側部材１２に対してステータコア４１のヨーク部４１ａを組み付ける。

次に、図４（ｃ）および図４（ｄ）に示すように、内周側部材１２およびヨーク部４１ａに対して、超電導コイル４２を収容した状態のコイル冷却容器５０およびステータコア４１の複数のティース部４１ｂを組み付ける。ここで、内周側部材１２の内周円筒部１２ａをコイル冷却容器５０の内周側に挿入する際には、挿通路５０ｂにティース部４１ｂを挿通した状態とする。これにより、複数のティース部４１ｂは、内周円筒部１２ａに支持された状態となるとともに、ヨーク部４１ａの内周側に進入した状態となり、ヨーク部４１ａと複数のティース部４１ｂとが組み付けられる。

内周側部材１２に対して複数のティース部４１ｂおよびコイル冷却容器５０を組み付けた後、図４（ｅ）に示すように、内周側部材１２の一端部に第１蓋部材１３を組み付ける。内周側部材１２の一端部に第１蓋部材１３を組付けた後、図４（ｆ）に示すように、外周側部材１１を、内周側部材１２の嵌合部１２ｂに嵌合させるとともに第１蓋部材１３に組み付ける。外周側部材１１を組付けた後、図４（ｇ）に示すように、互いに組付けられた駆動軸２０およびロータ３０を、内周側部材１２の内周円筒部１２ａの内周側に挿入し、駆動軸２０の一端側を、第１軸受２１を介して第１蓋部材１３に支持させる。最後に、図４（ｈ）に示すように、外周側部材１１および内周側部材１２の他端部を、第２蓋部材１４によって閉鎖するとともに、駆動軸２０の他端側を、第２軸受２２を介して第２蓋部材１４に支持させる。

以上のように構成された超電導モータ１の始動時には、コイル冷却容器５０に冷却媒体を流入させることで、コイル冷却容器５０に収容された超電導コイル４２を冷却して超電導の状態とする。これにより、超電導モータ１は、駆動中における超電導コイル４２の銅損の発生が抑制される。

超電導モータ１のコイル冷却容器５０には、超電導コイル４２のみが収容されており、ステータコア４１がコイル冷却容器５０の外側の密閉筒状空間１０ａに収容されている。このため、本実施形態の超電導モータ１は、超電導コイル４２を超電導の状態とするまでに必要な冷却媒体の消費量が少なく、超電導コイル４２を短時間で超電導の状態とすることが可能となる。また、本実施形態の超電導モータ１は、駆動時において、ステータコア４１が冷却媒体によって冷却されることによる鉄損の増加が抑制される。

また、本実施形態の超電導モータ１は、断熱容器１０の内周側部材１２が、非磁性かつ非導電性材料で形成されている。このため、本実施形態の超電導モータ１は、ロータ３０とステータ４０との間における磁束線の流入を制限することなく、磁束線が導電性材料に鎖交して生じる渦電流損失の増加を抑制することが可能となる。

さらに、本実施形態の超電導モータ１は、断熱容器１０の内周側部材１２が、複数のティース部４１ｂおよびコイル冷却容器５０をそれぞれ支持している。このため、本実施形態の超電導モータ１は、複数のティース部４１ｂとコイル冷却容器５０とが互いに直接的に接触することはなく、互いの熱の伝達を抑制することが可能となるので、コイル冷却容器５０に収容されている超電導コイル４２のみを集中的に冷却することが可能となる。

このように、本実施形態の超電導モータ１によれば、回転自在に支持されるロータ３０と、ステータコア４１および複数の超電導コイル４２を有し、ロータ３０に対して径方向に対向するように配置されるステータ４０と、超電導コイル４２が収容され、超電導コイル４２を冷却する冷却媒体が流入するコイル冷却容器５０と、ステータコア４１およびコイル冷却容器５０が収容される断熱容器１０と、を備え、ステータコア４１は、環状のヨーク部４１ａと、ヨーク部４１ａの周方向に間隔をおいて配置され、ヨーク部４１ａの径方向に突出する複数のティース部４１ｂと、を有し、コイル冷却容器５０は、外面から内側に向かって延出するように形成され、ティース部４１ｂが挿通される複数の挿通路５０ｂを有し、超電導コイル４２は、コイル冷却容器５０の内側における挿通路５０ｂの外周側に巻き回される。

これにより、コイル冷却容器５０に冷却媒体を流入させることによって、ステータコア４１を直接的に冷却することなく、超電導コイル４２のみを直接的に冷却することが可能となるので、始動時において、超電導コイル４２を効率的に冷却することが可能となる。具体的には、超電導コイル４２を超電導の状態とするために必要な冷却媒体の消費量の低減を図るとともに、超電導コイル４２を超電導の状態とするために必要な時間の短縮を図ることが可能となる。また、超電導モータ１の駆動時においても、ステータコア４１を直接的に冷却することなく、超電導コイル４２のみを直接的に冷却することが可能となるので、冷却媒体の消費量の低減を図ることが可能となる。さらに、コイル冷却容器５０は、超電導コイル４２のみが収容可能な大きさであればよいため、ステータコア４１および超電導コイル４２を収容する冷却容器を形成する場合と比較して必要なスペースが小さく、装置の小型化および軽量化を図ることが可能となる。

また、ステータ４０は、ロータ３０の径方向外側に配置され、断熱容器１０は、ロータ３０の外周側を囲む筒状に形成され、外周側に位置する外周側部材１１と、内周側に位置する内周側部材１２と、を有し、内周側部材１２は、非磁性かつ非導電性を有する材料によって形成されている、ことが好ましい。

これにより、ロータ３０とステータ４０との間の磁束線の流入を制限することなく、磁束線が導電性材料に鎖交することによって生じる渦電流損失を抑制することが可能となる。

また、コイル冷却容器５０は、内周側部材１２に支持されている、ことが好ましい。

これにより、外周側部材１１に伝わる熱のコイル冷却容器５０に対する伝達を遮断することが可能となるので、より効率的にコイル冷却容器５０に収容された超電導コイル４２を冷却することが可能となる。

また、ティース部４１ｂは、ヨーク部４１ａの径方向内側に配置され、先端部が内周側部材１２に支持されている、ことが好ましい。

これにより、断熱容器１０の密閉筒状空間１０ａ内に、ステータ４０を固定する専用の固定構造を必要とすることなく、ステータ４０を確実に固定することが可能となる。

また、ティース部４１ｂは、ヨーク部４１ａと別体である、ことが好ましい。

これにより、コイル冷却容器５０の挿通路５０ｂにティース部４１ｂを挿通した状態で、ヨーク部４１ａとティース部４１ｂとを組み付けることによって、容易にステータコア４１とコイル冷却容器５０に収容された超電導コイル４２とを組み付けることが可能となるので、組付け工数の低減を図ることが可能となる。

尚、前記実施形態では、永久磁石３２を有するロータ３０を内周側に配置し、超電導コイル４２を有するステータ４０を外周側に配置したインナロータ型の超電導モータ１を示したが、これに限られるものではない。例えば、永久磁石を有するロータを外周側に配置し、超電導コイルを有するステータを内周側に配置したアウタロータ型の超電導モータに対しても本発明を適用可能である。

また、前記実施形態では、冷却媒体として液体窒素を用いたものを示したが、これに限られるものではなく、超電導コイルの冷却が可能であれば、例えば、液体ヘリウムを冷却媒体として用いてもよい。

また、前記実施形態では、密閉筒状空間１０ａを真空の状態とすることによって断熱容器１０に真空断熱層を形成するようにしたものを示したが、これに限られるものではない。コイル冷却容器の外側と内側との間における熱の伝達を遮断することが可能であれば、例えば、コイル冷却容器の外側を断熱材によって覆うようにしてもよい。

１超電導モータ
１０断熱容器
１１外周側部材
１２内周側部材
３０ロータ
４０ステータ
４１ステータコア
４１ａヨーク部
４１ｂティース部
４２超電導コイル
５０コイル冷却容器
５０ｂ挿通路

Claims

回転自在に支持されるロータと、
ステータコアおよび複数の超電導コイルを有し、前記ロータに対して径方向に対向するように配置されるステータと、
前記超電導コイルが収容され、前記超電導コイルを冷却する冷却媒体が流入するコイル冷却容器と、
前記ステータコアおよび前記コイル冷却容器が収容される断熱容器と、を備え、
前記ステータコアは、環状のヨーク部と、前記ヨーク部の周方向に間隔をおいて配置され、前記ヨーク部の径方向に突出する複数のティース部と、を有し、
前記コイル冷却容器は、外面から内側に向かって延出するように形成され、前記ティース部が挿通される複数の挿通路を有し、
前記超電導コイルは、前記コイル冷却容器の内側における前記挿通路の外周側に巻き回される
超電導モータ。
前記ステータは、前記ロータの径方向外側に配置され、
前記断熱容器は、前記ロータの外周側を囲む筒状に形成され、外周側に位置する外周側部材と、内周側に位置する内周側部材と、を有し、
前記内周側部材は、非磁性かつ非導電性を有する材料によって形成されている
請求項１に記載の超電導モータ。
前記コイル冷却容器は、前記内周側部材に支持されている
請求項２に記載の超電導モータ。
前記ティース部は、前記ヨーク部の径方向内側に配置され、先端部が前記内周側部材に支持されている
請求項２または３に記載の超電導モータ。
前記ティース部は、前記ヨーク部と別体である
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の超電導モータ。