JP2533914B2 - 同期電動機 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、超電導を利用した同期電動機に関する。

従来の技術および発明が解決すべき課題 超電導現象を利用した電動機において、その出力トル
クが希望する値となるように設定することができれば、
用途が拡大し、好都合である。しかしながら従来では、
そのような出力トルクの可変な構成を有する電動機は存
在していない。

本発明の１つの目的は、出力トルクを可変とすること
ができるようにした超電導現象を利用した同期電動機を
提供することである。

或る先行技術は、第12図（１）に示されている。回転
軸１には、鉄などの強磁性材料から成るロータ材２に、
ロータコイル３が設けられている。この電動機のハウジ
ング４では、鉄などの強磁性材料から成るステータ材５
に、ロータコイル３に磁気結合するステータコイル６が
固定される。モータの回転動作中におけるステータコイ
ル６の磁力線は、参照符７で示されるとおりである。

このような先行技術では、漏洩磁束を減少させ、出力
トルクを向上するために、ロータ材２およびステータ材
５が鉄などの強磁性材料から成るので、重量が大きいと
いう問題がある。

一方、第12図（２）に示される電動機では、ロータ材
８およびステータ材９は鉄などの強磁性材料に替えて合
成樹脂などの非磁性材料として磁気的に空芯化とし、軽
量化を図つている。このような第12図（２）で示される
電動機の新たな問題は、漏洩磁束が参照符10で示すよう
に大きく、出力トルクが大幅に低下することである。

本発明の他の目的は、軽量化と漏洩磁束の減少を図つ
て出力トルクの増大をすることができるようにした電動
機を提供することである。

電動機では、その回転軸を支持する軸受を簡略化し、
しかも長期間にわたつて使用することが望まれている。

本発明のさらに他の目的は、軸受の構成を簡略化する
とともに、その寿命を格段に向上することができるよう
にした電動機を提供することである。

超電導現象を利用した電動機において、ロータコイル
を永久電流モードで励磁した状態において、そのロータ
コイルの接続端などにおけるわずかな抵抗に起因して、
そのロータコイルに流れている電流が時間経過に伴つて
徐々に減少してゆき、そのロータによつて発生される磁
界が減衰してゆく。

本発明の他の目的は、超電導ロータコイルに流れる電
流の減衰を防ぎ、長期間にわたつて一定のトルクで回転
駆動を行うことができるようにした電動機を提供するこ
とである。

課題を解決するための手段 本発明は、回転軸15にロータ材16が固着され、このロ
ータ材16には、回転軸15の軸線方向両側に、一対の直列
接続された超電導ロータコイル17,18が固定され、 回転軸15を軸受13,14によつて回転自在に支持するハ
ウジング12には、ステータ材19が固定され、このステー
タ材19には、ロータコイル17,18に磁気結合する超電導
または常電導の一対のステータコイル20,21が、回転軸1
5の軸線方向両側で各ロータコイル17,18に臨んで固定さ
れ、 ステータコイル20,21は、交流電源によつて励磁さ
れ、 ロータコイル17,18は、ステータコイル20,21よりも半
径方向外方に突出した回転軸15を中心とする環状の部分
１を有し、 ハウジング12に固定される超電導材料から成る軸受部
材38が、ロータ材16およびロータコイル17,18の半径方
向最外方の外周面と、前記環状の部分１とを囲んで設
けられ、 ロータコイル17,18の直列回路は、回転軸15に固定さ
れたスイツチボツクス23のスイツチ用ライン33に、超電
導材料から成るライン32を介して接続されて閉ループを
形成し、 スイツチボツクス23には、スイツチ用ライン33に近接
して電気ヒータ34が配置され、 スイツチ用ライン33は、電気ヒータ34が加熱された状
態で常電導となり、電気ヒータ34によつて加熱されてい
ない状態では超電導となる材料から成り、 回転軸15の端部には、スイツチ用ライン33の両端に接
続される第１および第２摺動片24,25が固定され、 固定位置には、第１および第２摺動片24,25に回転軸1
5の回転中にそれぞれ接触することができ、かつその回
転中にそれぞれ離間することができる第３および第４摺
動片26,27が設けられ、 第３および第４摺動片26,27を変位駆動して第１およ
び第２摺動片24,25に接触／離間する変位駆動手段28〜3
1が設けられ、 第３および第４摺動片26,27には、直流電源35が接続
され、 ハウジング12に固定された永久磁石41と、回転軸15に
固定される強磁性材料から成るコア42と、コア42に固定
された永久磁石41に対向するコイル43とから成る直流発
電機40が設けられ、 スイツチボツクス23には、前記超電導材料から成るラ
イン32と直流発電機40のコイル43との間に介在されるタ
イマスイツチ44,45が設けられ、 このタイマスイツチ44,45は、予め定める一定時間間
隔Ｗで、その一定時間間隔Ｗ未満の短時間W1だけ導通
し、残余の時間（＝W-W1）は遮断することを特徴とする
同期電動機である。

作用 本発明に従えば、超電導ロータコイルを永久電流モー
ドで励磁し、この永久電流は、出力トルクに対応した値
に定める。これによつて希望する出力トルクを得ること
が可能になる。

この超電導ロータコイルは、それに接続および離脱可
能な電気的接続手段が設けられているので、この電気的
接続手段を介して超電導ロータコイルに、希望する電流
を供給することが可能であり、始動にあたつては、その
ロータコイルを励磁する電流が予め定める値となつたと
きに、ロータコイルの閉ループを形成して永久電流モー
ドとする。

また本発明に従えば、ロータコイルの外周部に、超電
導体から成る部材を、前記外周部の周方向にかつ軸線方
向両側に沿つて近接して設け、これによつてロータのラ
ジアル力とスラスト力を受けるようにしたので、そのロ
ータの停止中に回転軸を支持するための軸受の構成を簡
素化することができ、その軸受を長期間にわたつて使用
することができるようになる。

さらにまた本発明に従えば、超電導ロータコイルを永
久電流モードで励磁し、この出力トルクの一部を利用し
て直流発電機を駆動し、この直流発電機の出力電力によ
つてロータコイルを励磁するようにしたので、ロータコ
イルに流れている電流の減衰を防ぐことができ、長期間
にわたつて希望する出力トルクを得ることができる。直
流発電機は、常電導状態で回転駆動されるようにすれ
ば、その直流発電機の電力出力端間に電圧を生じること
ができ、これによつてロータコイルへの電力の供給が可
能になる。

実施例 第１図は、本発明の前提となる構成を示す断面図であ
る。ハウジング12には軸受13,14によつて回転軸15が支
持されており、この回転軸15には、鉄などの強磁性材料
または合成樹脂などの非磁性材料から成るロータ材16が
固着されている。ロータ材16の厚み方向（第１図の左右
方向）の両側には、超電導ロータコイル17,18が固定さ
れる。

第２図は、超電導ロータコイル17の正面図である。こ
のロータコイル17は、周方向に隣接して配置される。ロ
ータコイル17,18内でそれぞれ形成される磁界の向き
は、ロータ材16を貫通する同一方向であり、後述の第６
図に明らかに示されている。

ハウジング12には、鉄などの強磁性材料または合成樹
脂などの非磁性材料から成るステータ材19が固定されて
おり、このステータ材19には、ロータコイル17,18に磁
気結合する超電導ステータコイル20,21が固定される。
ステータコイル20,21は、常電導であつてもよい。

第３図（１）は、超電導ステータコイル20のコイルの
巻回状態を示す正面図である。このステータコイル20
は、三相交流電流によつて励磁される。ステータコイル
20は、３つのコイル部分20u,20v,20wを有し、各コイル
部分20u,20v,20wは回転軸15の軸線まわりに周方向に60
度にわたつて広がつており、このうちのコイル部分20u
は、代表的に、第３図（２）で示されている。第３図
（２）において、θ°＝60°である。コイル部分20v,20
wは、コイル20uに対して周方向に角度θ1,θ２をそれぞ
れずらして配置される。複数のコイル部分20uは直列に
接続されており、このことはコイル部分20v,20wに関し
ても同様である。

回転軸15の端部には、電気的接続手段22が設けられ
る。この電気的接続手段22は、回転軸15に固定されてい
るスイツチボツクス23と、この回転軸15と一体的に回転
する環状の摺動片24と、中央位置に設けられた摺動片25
と、これらの摺動片24,25に接触可能にして固定位置に
設けられた摺動片26,27と、摺動片26,27を摺動片24,25
に接触および離間するための電磁コイル28,29を有す
る。ばね30,31は、摺動片28,29を摺動片24,25に向けて
ばね付勢する。

第４図は、ロータコイル17,18に関連する構成を示す
電気回路図である。複数の超電導ロータコイル17と複数
の超電導ロータコイル18とは、直列に接続されており、
超電導材料から成るライン32を介して、スイツチボツク
ス23に設けられている超電導材料から成るスイツチ用ラ
イン33に接続される。このスイツチ用ライン33は、電気
ヒータ34によつて加熱され、この加熱された状態ではス
イツチ用ライン33は常電導となり、電気ヒータ34によつ
て加熱されていない状態では超電導となる。ライン32
は、摺動片24,25に接続される。摺動片26,27には、出力
電流が可変である直流電源35に接続される。ロータコイ
ル17,18に永久電流モードで直流電流が流れて励磁さ
れ、ステータコイル20,21が前述のように三相交流電流
で励磁されることによつて、同期電動機としての動作が
達成される。

第５図は、ステータコイル20,21に流れる電流Iaと、
これによつて得られる回転軸15の出力トルクＴとの関係
を示す。I1〜I5（ただし、I1＜I2＜I3＜I4＜I5）は、ロ
ータコイル17,18に流れる電流を示す。出力トルクＴ
は、第１式の関係がある。

Ｔ＝KT・Ia …（１） ここでKTは、トルク定数である。

トルク定数KTは、ロータ磁界Φに比例する。

KT∝Φ …（２） このロータ磁界は、ロータコイル17,18に流れる電流
Ｉに比例する。

Φ∝Ｉ …（３） したがつて第１式〜第３式に基づいて第４式が成立す
る。

∴Ｔ∝Ｉ・Ia …（４） このようにして出力トルクＴは、ステータコイル20,21
に流れる電流Iaと、ロータコイル17,18に流れる電流Ｉ
と比例することが判る。したがつてロータコイル17,18
に流れる直流電流の値を設定することによつて、回転軸
15からは希望するトルクを導出することができることが
理解される。

この同期電動機の始動に当たつては、まず電気ヒータ
34を電力付勢してスイツチ用ライン33を常電導状態とす
る。この状態において電磁コイル26,27を消磁した状態
としておき、摺動片28,29をばね30,31のばね力で摺動片
24,25に接触して摺動可能な状態とする。そこで電源35
によつて供給する電流Ｉを時間経過に伴つて徐々に増大
してゆく。電流Ｉが出力トルクに対応する希望する値に
達した時点で、電気ヒータ34を消磁する。これによつて
スイツチ用ライン33は、超電導状態となる。これととも
に電磁コイル28,29を励磁して摺動片26,27をばね30,31
のばね力に抗して摺動片24,25から離間変位する。した
がつてロータコイル17,18、ライン32およびスイツチ用
ライン33を介して閉ループが形成され、永久電流モード
で電流Ｉが流れ続けて、ロータコイル17,18が励磁され
ることになる。ロータ材16とロータコイル17,18とから
成るロータは、ステータコイル20,21に供給される三相
交流電流の周波数に対応した回転数で回転する。

この構成では、ハウジング12内には、超電導磁気シー
ルド部材37が設けられる。このシールド部材37は、超電
導材料から成る薄板または網状に形成されている。さら
にまたハウジング12には、軸受用超電導材料38が固定さ
れる。軸受用部材38は、薄板または網状に構成されてい
る。軸受用部材38は、ロータコイル17,18の外周部の周
方向にかつ軸線方向両側に沿つて近接して設けられてい
る。この軸受部材38は、ロータ材16およびロータコイル
17,18の半径方向最外方の外周面と、ロータコイル17,18
の回転軸15を中心とする環状の部分ｌとを囲んで設けら
れる。ロータコイル17,18は、ステータコイル20,21より
も半径方向外方に突出した前記環状の部分ｌを有する。
この軸受用部材38のロータコイル17を囲む領域は、第１
図および第２図において参照符１で示される。

超電導磁気シールド部材37によつて、ステータコイル
20,21とロータコイル17,18とを囲むことによつて、それ
らのコイルから漏洩磁束を生じることを、マイスナー効
果によつて抑制することができる。したがつてロータ材
16およびステータ材19は、合成樹脂材料などの非磁性材
料とすることができ、出力トルクの増大を図つて軽量化
を図ることができる。

また軸受用部材38は、第６図に明らかに示されるよう
に、そのロータコイル17,18からの磁束の漏洩を防ぎ、
電磁力によつてロータ材16およびロータコイル17,18か
ら成るロータのラジアル力およびスラスト力を受けるこ
とができる。したがつて本件電動機の停止中に支持する
ための軸受13,14構成を簡略化し、その軸受13,14を長期
間にわたつて使用することが可能である。

第７図は、本発明の一実施例の断面図である。この実
施例は前述の構成に類似し、対応する部分には同一の参
照符を付す。注目すべきはこの実施例では、直流発電機
40が設けられている。この直流発電機40は、ハウジング
12に固定されている永久磁石41と、回転軸15に固定され
る強磁性材料から成るコア42と、このコア42に取付けら
れるコイル43とを有する。

第８図は、直流発電機40の簡略化した斜視図である。
永久磁石41は、その厚み方向すなわち回転軸15の軸線方
向に磁化されており、その磁極は周方向に交互に変化し
ている。この直流発電機40によつて、次に述べるよう
に、永久電流モードの超電導ロータコイル17,18に直流
電流を供給して、そのロータコイル17,18の電流の減衰
を防ぐ。この直流発電機40は、エネルギロスの補償のた
めに設けてあるのではなく、むしろ出力トルクの減衰防
止と負荷変動に応じた出力トルクの可変機能を達成する
ために設けられているのである。

第９図は、第７図および第８図に示される実施例の電
気回路図である。ライン32には、タイマスイツチ44,45
を介して直流発電機40のコイル43に接続される。

第10図はロータコイル17,18に流れる永久電流モード
における電流Ｉの時間経過を示すグラフである。そのロ
ータコイル17,18とライン32,33によつて形成される閉ル
ープを等価的に示す第11図を参照して、この閉ループの
インダクタンスをＬとし、直流抵抗Ｒとするとき、電流
Ｉは、初期値をI0とするとき第５式のとおりとなる。

Ｉ＝I0e_-(R/L)t …（５） このようなロータコイル17,18の電流の減衰を防ぐた
めに、本発明に従えばタイマスイツチ44,45が、時間Ｗ
の一定時間間隔で、時間W1だけ導通し、残余の時間（＝
W-W1）は遮断している。タイマスイツチ44,45が導通す
ることによつて、直流発電機40からの直流電力は、ロー
タコイル17,18に供給されて永久電流モードにおける電
流の減衰を防ぎ、これによつて回転軸15の出力トルクの
減衰を防ぐことができる。

発明の効果 以上のように本発明によれば、同期電動機の出力トル
クを希望する値に定めることができるとともに、さらに
また軸受の簡易化を図ることができ、さらにまたロータ
コイルの永久電流モードにおける電流の減衰を防ぐこと
ができる。また本発明によれば、永久電流モードで励磁
された超電導ロータコイルは、長時間後にはその電流が
減衰するので、それを適宜、補償するために、回転軸15
に直流発電機40が設けられる。この直流発電機40は、回
転軸15に関連して設けられ、したがつて永久電流の減衰
を外部の直流電源で補償する構成とはなつておらず、本
発明によれば、回転軸15のスイツチボツクス23に設けら
れたタイマスイツチ44,45の働きによつて、予め定める
一定時間間隔Ｗでその一定時間間隔Ｗ未満の短時間W1だ
け導通し、残余の時間（＝W-W1）は遮断し、こうして上
述のように出力トルクの減衰防止を達成することができ
るのである。

さらに本発明によれば、回転軸15の端部には、スイツ
チ用ライン33の両端に接続される第１および第２摺動片
24,25が固定され、固定位置には、回転軸15の回転中に
第１および第２摺動片24,25にそれぞれ接触することが
でき、またその回転中にそれぞれ離間することができる
第３および第４摺動片26,27が設けられており、これら
の第３および第４摺動片26,27は、変位駆動手段28〜31
によつて第１および第２摺動片24,25に接触／離間する
構成となつており、さらに固定軸15に固定されたスイツ
チボツクス23のスイツチ用ライン33に、超電導材料製ラ
イン32を介して接続されて閉ループが形成され、このス
イツチ用ライン33に近接して電気ヒータ34が配置され、
この電気ヒータ34が加熱されるとスイツチ用ライン33が
常電導となり、また加熱されていない状態ではスイツチ
用ライン33は超電導となり、こうして電気ヒータ34を加
熱してスイツチ用ライン33を常電導とした状態で直流電
源35から電源を供給し、負荷変動に応じて出力トルクを
変化させることができるという優れた効果が達成され
る。

さらに本発明では、ロータコイル17,18のステータコ
イル20,21よりも半径方向外方に回転軸15を中心として
環状の部分１を突出し、超電導材料から成る軸受部材
38によつてロータ材16およびロータコイル17,18の半径
方向最外方の外周面と、前記環状の部分１とを囲むよ
うにしたので、軸受13,14のほかに、この軸受部材38の
働きによつて回転自在に支持することができるという優
れた効果もまた、達成される。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の前提となる構成を示す断面図、第２図
は超電導ロータコイル17の正面図、第３図はステータコ
イル20の正面図、第４図は超電導ロータコイル17,18に
関連する構成を示す電気回路図、第５図はステータコイ
ル20,21に流れる電流Iaと回転軸15の出力トルクＴとの
関係を示すグラフ、第６図は超電導磁気シールド部材37
に関連する構成を示す断面図、第７図は本発明の一実施
例の断面図、第８図は直流発電機40の簡略化した斜視
図、第９図は第７図および第８図に示される実施例の電
気回路図、第10図はロータコイル17,18に流れる永久電
流モードにおける電流Ｉの時間経過を示すグラフ、第11
図は超電導ロータコイル17,18に関連する構成の等価回
路図、第12図は先行技術の簡略化した断面図である。 12……ハウジング、13,14……軸受、15……回転軸、16
……ロータ材、17,18……超電導ロータコイル、19……
ステータ材、20,21……超電導ステータコイル、22……
電気的接続手段、37……超電導磁気シールド部材、38…
…超電導軸受用部材、40……直流発電機

フロントページの続き (72)発明者 村田 修 兵庫県明石市川崎町１番１号 川崎重工 業株式会社明石工場内 (72)発明者 西尾 光司 兵庫県明石市川崎町１番１号 川崎重工 業株式会社明石工場内 (72)発明者 阪本 弘克 兵庫県神戸市垂水区櫨谷町松本234番地 川崎重工業株式会社西神戸工場内 (72)発明者 石河 正博 兵庫県神戸市垂水区櫨谷町松本234番地 川崎重工業株式会社西神戸工場内 (72)発明者 山田 昌啓 兵庫県神戸市垂水区櫨谷町松本234番地 川崎重工業株式会社西神戸工場内 (56)参考文献 特開 昭58−127600（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−2596（ＪＰ，Ａ) 特開 昭51−127310（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−15541（ＪＰ，Ａ) 実開 昭62−106025（ＪＰ，Ｕ)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】回転軸15にロータ材16が固着され、このロ
   ータ材16には、回転軸15の軸線方向両側に、一対の直列
   接続された超電導ロータコイル17,18が固定され、 回転軸15を軸受13,14によつて回転自在に支持するハウ
   ジング12には、ステータ材19が固定され、このステータ
   材19には、ロータコイル17,18に磁気結合する超電導ま
   たは常電導の一対のステータコイル20,21が、回転軸15
   の軸線方向両側で各ロータコイル17,18に臨んで固定さ
   れ、 ステータコイル20,21は、交流電源によつて励磁され、 ロータコイル17,18は、ステータコイル20,21よりも半径
   方向外方に突出した回転軸15を中心とする環状の部分
   １を有し、 ハウジング12に固定される超電導材料から成る軸受部材
   38が、ロータ材16およびロータコイル17,18の半径方向
   最外方の外周面と、前記環状の部分１とを囲んで設け
   られ、 ロータコイル17,18の直列回路は、回転軸15に固定され
   たスイツチボツクス23のスイツチ用ライン33に、超電導
   材料から成るライン32を介して接続されて閉ループを形
   成し、 スイツチボツクス23には、スイツチ用ライン33に近接し
   て電気ヒータ34が配置され、 スイツチ用ライン33は、電気ヒータ34が加熱された状態
   で常電導となり、電気ヒータ34によつて加熱されていな
   い状態では超電導となる材料から成り、 回転軸15の端部には、スイツチ用ライン33の両端に接続
   される第１および第２摺動片24,25が固定され、 固定位置には、第１および第２摺動片24,25に回転軸15
   の回転中にそれぞれ接触することができ、かつその回転
   中にそれぞれ離間することができる第３および第４摺動
   片26,27が設けられ、 第３および第４摺動片26,27を変位駆動して第１および
   第２摺動片24,25に接触／離間する変位駆動手段28〜31
   が設けられ、 第３および第４摺動片26,27には、直流電源35が接続さ
   れ、 ハウジング12に固定された永久磁石41と、回転軸15に固
   定される強磁性材料から成るコア42と、コア42に固定さ
   れ永久磁石41に対向するコイル43とから成る直流発電機
   40が設けられ、 スイツチボツクス23には、前記超電導材料から成るライ
   ン32と直流発電機40のコイル43との間に介在されるタイ
   マスイツチ44,45が設けられ、 このタイマスイツチ44,45は、予め定まる一定時間間隔
   Ｗで、その一定時間間隔Ｗ未満の短時間W1だけ導通し、
   残余の時間（＝W-W1）は遮断することを特徴とする同期
   電動機。