JP4616640B2 - 超電導モータ - Google Patents

Description

この発明は、船舶、鉄道、陸上車輌、航空機等に使用される超電導モータに関するものである。

最近に至り、同期機における電機子コイルや界磁コイルとして、超電導コイルを用いた超電導モータが開発され、船舶や鉄道、陸上車輌、航空機等に適用する試みがなされている。

従来の超電導モータの一例を図５〜図８に示す。なおこの図５〜図８に示す超電導モータは、ロータ（回転子）とステータ（固定子）との両者に超電導コイルを用いた例として示す。なおまた一般に同期機では、ロータは交流電流を流す電機子としてステータは直流電流を流す界磁とする場合と、逆にロータを界磁としてステータを電機子とする場合とがあるが、図５〜図８では前者の例、すなわちロータの電機子コイルおよびステータの界磁コイルとしてそれぞれ超電導コイルを用いた例を示す。

図５〜図７において、全体として環状をなすハウジング１を貫通するように回転出力軸３がベアリング５を介して取付けられており、ハウジング１内には、回転出力軸３の外周上に固定された電機子としてのロータ（回転子）７と、ハウジング１の内面に固定された界磁としてのステータ（固定子）９とが配設されている。

ロータ（電機子）７は、外ケース１１Ａと内ケース１１Ｂとからなる２重壁構造をなす全体として環状のロータケース１１の内側（内ケース１１Ｂの内側）に、８個もしくはその倍数の個数の超電導コイル（電機子コイル）１３を周方向に等間隔に配列した構成とされており、さらに内ケース１１Ｂ内には、例えば液体窒素等の冷却媒体１５が充填されている。また外ケース１１Ａと内ケース１１Ｂとの間の空間は、真空断熱層１７とされている。

一方ステータ（界磁）９も、ほぼ同様な構成とされている。すなわち、外ケース１９Ａと内ケース１９Ｂとからなる２重壁構造をなす全体として環状のステータケース１９の内側（内ケース１９Ｂの内側）に、６個もしくはその倍数の個数の超電導コイル（界磁コイル）２１を周方向に等間隔に配列した構成とされており、さらに内ケース１９Ｂ内には、例えば液体窒素等の冷却媒体２３が充填されている。また外ケース１９Ａと内ケース１９Ｂとの間の空間は、真空断熱層２５とされている。

そして図８に詳細に示すように、ロータ７における超電導コイル１３の一方の磁極面（１３Ａ）に対応するロータケース１１の一方の面（具体的には外ケース１１Ａの一方の端面２７）と、ステータ９における超電導コイル２１の一方の磁極面（２１Ａ）に対応するステータケース１９の一方の面（具体的には外ケース１９Ａの一方の端面２９）とが、狭い空隙Ｇを隔てて相互に平行に対向する構成とされている。

以上のような図５〜図８に示される超電導モータにおいて、例えばロータ（電機子）７の超電導コイル１３に交流電流を流して、図５中の矢印Ａで示すような交番磁場を生起させ、ステータ（界磁）９の超電導コイル２１に直流電流を流して、図５の矢印Ｂで示すような一定磁場を生起させれば、一般のモータと同様に同期機として、ロータ７に回転力を与えることができる。

なお前述のような図５〜図８の例では、ロータ７を電機子として交流電流を流し、ステータ９を界磁として直流電流を流しているが、逆にロータ７を界磁として直流電流を流し、ステータ９を電機子として交流電流を流しても良いことはもちろんである。但しその場合は、ロータ７の超電導コイル（界磁コイル）１３の数は６個あるいはその倍数とし、ステータ９の超電導コイル（電機子コイル）２１の数は８もしくはその倍数とするのが通常である。

なおまた、以上の例においては、ロータ７とステータ９との両者（電機子コイルおよび界磁コイル）に超電導コイルを用いているが、いずれか一方、例えばロータ７に常磁性コイルを用いて、ステータ９に超電導コイルを用いたり、逆にステータ９に常磁性コイルを用いて、ロータ７に超電導コイルを用いることもある。そしてこのようにロータ７とステータ９のうち、いずれか一方に常磁性コイルを用いる場合は、その側の真空断熱層を省いて、ケースを１重構造とするのが通常である。

さらに、ロータ７とステータ９とのうち、電機子の側のコイル（電機子コイル）を超電導コイルで構成して、界磁を永久磁石で構成することもある。

良く知られているように、一般に超電導マグネットについては、超電導特性を発揮させるために液体窒素等の冷却媒体により超電導コイルを低温に冷却する必要があり、さらに外部からの熱侵入を防止して、超電導コイルの低温状態を維持するため、超電導コイルの外側を真空断熱層により取囲んでおく必要がある。そして図５〜図８の超電導モータでも、ロータ７およびステータ９の内ケース１１Ｂ，１９Ｂ内に液体窒素等の冷却媒体１５，２３を充填するとともに、ロータ７の外ケース１１Ａと内ケース１１Ｂとの間に真空断熱層１７を設け、かつステータ９の外ケース１９Ａと内ケース１９Ｂとの間に真空断熱層２５を設けている。したがってロータ７の超電導コイル１３の端面（磁極面）１３Ａと、ステータ９の超電導コイル２１の端面（磁極面）２１Ａとの間には、外ケース１１Ａ，１９Ａ間の空隙Ｇのみならず、真空断熱層１７，２５が介在することになる。

ところで超電導モータに限らず一般にモータにおいては、充分な回転出力を発生させるためには、相互に対向するロータ側の磁極面とステータ側の磁極面との間の間隔を可及的に小さくすることが望まれる。これを図５〜図８に示される超電導モータに即して言えば、ロータ７の超電導コイル１３の磁極端面１３Ａとステータ９の超電導コイル２１の磁極端面２１Ａとの間の距離Ｌ（図８参照）を可及的に小さくすることが望まれる。

しかるに、すでに述べたようにロータ７側の超電導コイル１３の磁極面１３Ａとステータ９側の超電導コイル２１の磁極面２１Ａとの間には、図８に詳細に示すように、真空断熱層１７，２５と、外ケース１１Ａ，１９Ａ、内ケース１１Ｂ，１９Ｂのそれぞれの壁とが介在しており、そのため磁極面１３Ａ，２１Ａ間の距離Ｌをある程度以上薄くすることは困難であった。

すなわち、磁極面１３Ａ，２１Ａ間の距離Ｌは、ロータ側およびステータ側の外ケース１１Ａ，１９Ａ、内ケース１１Ｂ，１９Ｂのそれぞれの壁厚ｔ1，ｔ2，ｔ3，ｔ4と、真空断熱層１７，２５のそれぞれの厚みｔ5，ｔ6と、空隙Ｇとの総和（ｔ1＋ｔ2＋ｔ3＋ｔ4＋ｔ5＋ｔ6＋Ｇ）で決定される。そのうち空隙Ｇはロータ回転時のぶれや誤差等を考慮すれば、ある程度以下に小さくすることは困難であり、通常は例えば５ｍｍ程度とされる。また真空断熱層１７，２５の厚みｔ5，ｔ6も充分な断熱効果を確保する観点から、ある程度以上薄くすることは困難であり、通常は１０ｍｍ程度は必要であるとされている。したがって前記距離Ｌを小さくするためには、外ケース１１Ａ、１９Ａ、内ケース１１Ｂ，１９Ｂの壁厚ｔ1〜ｔ4を薄くすることが考えられる。従来の超電導モータにおける外ケース１１Ａ，１９Ａ、内ケース１１Ｂ，１９Ｂの壁厚ｔ1〜ｔ4は、例えばそれぞれ３０ｍｍ程度であって、これらの壁厚の合計の厚みは１２０ｍｍにも達し、したがってこれらの壁厚を薄くすることによる距離Ｌの縮小効果は大きいと考えられる。しかしながら、外ケース１１Ａ，１９Ａ、内ケース１１Ｂ，１９Ｂのうちでも、特に外ケース１１Ａ，１９Ａは、その壁厚ｔ1，ｔ2を薄くした場合、次のような問題が発生する。

すなわち、ハウジング１内における外ケース１１Ａ，１９Ａの外側の空間は大気圧となっている一方、外ケース１１Ａ，１９Ａの内側、すなわち真空断熱層１７，２５の部分は真空となっているため、外ケース１１Ａ，１９Ａの壁には外側から内側へ向けて大気圧分の差圧が加わり、そのため外ケース１１Ａ，１９Ａの壁厚を小さくすれば、その剛性が低くなって、図８の鎖線で示すように外ケース１１Ａ，１９Ａの壁が前述の差圧により内側へ変形してしまうおそれがある。そして外ケース１１Ａ，１９Ａが極端に内側へ変形すれば、外ケース１１Ａ，１９Ａの内面が内ケース１１Ｂ，１９Ｂの外面に接触してしまい、その結果断熱効果が損なわれてしまう。したがって外ケース１１Ａ，１９Ａの壁厚ｔ1，ｔ2は、実際上はある程度以上薄くすることは困難であった。

したがって以上から、図５〜図８に示すような従来の超電導モータにおいては、ロータ７の超電導コイル１３の磁極面１３Ａとステータ９の超電導コイル２１の磁極面２１Ａとの間の距離Ｌを小さくするにも限界があり、距離Ｌを小さくして超電導モータの回転出力を高めるにも限界があったのが実情である。

この発明は以上の事情を背景としてなされたもので、超電導コイルを断熱するための真空断熱層の外側の壁、すなわち外ケースの壁を薄くしても大気圧との差圧による外ケースの壁の変形を招かないようにし、これによって外ケースの壁厚を薄くしてロータ、ステータの磁極面間の距離を従来よりも格段に小さくし得るようになし、もって超電導モータとしての回転出力を増大させ得るようにした超電導モータを提供することを目的とするものである。

この発明の超電導モータは、基本的には、請求項１で規定したように、磁極面側が相互に平行に空隙を隔てて対向するロータとステータとのうち、少なくとも一方の電機子コイルもしくは界磁コイルとして、超電導コイルが使用されており、かつその超電導コイルは、外ケースと内ケースとの内外２重壁構造のケースにおける内ケースの内側に収納され、その内ケース内には、超電導コイルを冷却するための冷却媒体が充填されており、さらに外ケースと内ケースとの間の空間が真空断熱層とされた超電導モータにおいて、前記超電導コイルを収納したケースの外ケース内には、ステータとロータとが対向する方向に沿って伸長されかつ内ケースおよび超電導コイルの内周側を貫通する柱状体が配設されており、その柱状体の両端が外ケースの内面に接して、その柱状体により外ケースの内側への変形を防止するように構成したことを特徴とするものである。

また請求項２の発明は、請求項１に記載の超電導モータにおいて、前記柱状体の両端が外ケースの内面に固定されていることを特徴とするものである。

さらに請求項３の発明は、請求項１に記載の超電導モータにおいて、前記内ケースの内側における柱状体の外周面側の部分に、柱状体を取囲むように真空断熱層が形成されていることを特徴とするものである。

さらにまた請求項４の発明は、請求項１に記載の超電導モータにおいて、前記柱状体が中空パイプによって構成されていることを特徴とするものである。

またさらに請求項５の発明は、請求項４に記載の超電導モータにおいて、前記中空パイプの内側に磁性材が配設されていることを特徴とするものである。

この発明の超電導モータにおいては、超電導コイルに対する外部からの熱侵入防止のための真空断熱層の外側の壁、すなわちステータもしくはロータの外ケースの壁の内側への変形が、柱状体によって抑止されるため、大気圧との差圧により外ケースの内面が内ケースの外面に接触してしまうことを有効に防止でき、そのため外ケースの厚みを従来よりも格段に薄くすることができ、その結果ステータとロータとの磁極面間の距離を従来よりも格段に小さくして、モータとしての回転出力を増大させることができる。

図１〜図３にこの発明の超電導モータの基本的な実施例を示す。なおこの図１〜図３の実施例は、図５〜図８に示す従来技術と同様に、ロータおよびステータの両者に超電導コイルを用いて、ロータを電機子、ステータを界磁とした例、すなわちロータの電機子コイルとステータの界磁コイルとをそれぞれ超電導コイルで構成した例として示すものである。また図１〜図３において、図５〜図８に示される従来技術の超電導モータと同一の構成要素については同一の符号を付し、その説明は省略する。

図１〜図３において、ロータ７の外ケース１１Ａ内には、各超電導コイル１３の内周側を貫通しかつ内ケース１１Ｂの壁を貫通するように、ロータ７とステータ９とが対向する方向（それぞれの磁極面が対向する方向）に沿って伸張するＦＲＰ等からなる柱状体２９が、各超電導コイル１３に対応して配設されている。そして各柱状体２９の両端は、外ケース１１Ａの内面（平行な２面）に接している。ここで、柱状体２９の両端は外ケース１１Ａの平行な２面の壁の内面側に形成した凹部に係合させるだけでも良いが、通常は接着剤等により固定しておくことが望ましい。さらに内ケース１１Ｂの内側の部分における柱状体２９の外周面側には、筒状に真空断熱層３１が形成されており、この筒状真空断熱層３１は、外ケース１１Ａと内ケース１１Ｂとの間の真空断熱層１７に連通している。なお各筒状真空断熱層３１と内ケース１１Ｂ内の液体窒素等の冷却媒体充填空間との間は、筒状の隔壁３３によって隔てられている。

またステータ９の側も、同様に柱状体３５を設けた構成とされている。すなわち、ステータ９の外ケース１９Ａ内には、各超電導コイル２１の内周側を貫通しかつ内ケース１９Ｂの壁を貫通するように、ロータ７とステータ９とが対向する方向（それぞれの磁極面が対向する方向）に沿って伸張する柱状体３５が、各超電導コイル２１に対応して配設されている。そして各柱状体３５の両端は、外ケース１９Ａの内面（平行な２面）に接している。ここで、柱状体３５の両端は外ケース１９Ａの平行な２面の壁の内面側に形成した凹部に係合させるだけでも良いが、通常は接着剤等により固定しておくことが望ましい。さらに内ケース１９Ｂの内側の部分における柱状体３５の外周面側には、筒状に真空断熱層３７が形成されており、この筒状真空断熱層３７は、外ケース１９Ａと内ケース１９Ｂとの間の真空断熱層２５に連通している。なお各筒状真空断熱層３７と内ケース１９Ｂ内の液体窒素等の冷却媒体充填空間との間は、筒状の隔壁３９によって隔てられている。

以上のような図１〜図３に示される超電導モータにおいて、ハウジング１内におけるロータ７の外ケース１１Ａおよびステータ９の外ケース１９Ａの外側の空間は、外部の大気とベアリング５の部分を介して連通しているから、その空間には大気圧が加わっている。一方、ロータ７およびステータ９の各外ケース１１Ａ，１９Ａの内側は真空断熱層１７，２５が位置しているから、その内側は真空となっている。したがって外ケース１１Ａ，１９Ａの壁には、大気圧分の差圧が外側から内側に向って加わることになる。しかるに、図１〜図３の超電導モータにおいては、ロータ７の８個の超電導コイル１３のそれぞれに対応する位置に柱状体２９が配設され、また同様にステータ９の側の６個の超電導コイル２１のそれぞれに対応する位置に柱状体３５が配設されており、これらの柱状体２９，３５が、その軸線方向（縦方向）の剛性により、ロータ７、ステータ９の外ケース１１Ａ，１９Ａの平行な２面の間での突っ張りの機能を果たし、前述の大気圧分の差圧により外ケース１１Ａ，１９Ａが内側に変形してしまうことを防止することができる。したがって外ケース１１Ａ，１９Ａは、その壁自身の厚みにより前述の大気圧分の差圧による変形を防止する必要がなくなるため、外ケース１１Ａ，１９Ａの壁厚を従来よりも格段に薄くし、例えば従来は３０ｍｍ程度の厚みが必要だったのに対し、５ｍｍ程度まで薄くすることができる。したがって図５〜図８に示す従来技術の場合には磁極面１３Ａ，２１Ａの間の距離Ｌが１４５ｍｍ程度は必要であったのに対し、この発明の実施例では９５ｍｍ程度で足りることになり、約３５％も距離Ｌを短縮することが可能となる。

なお図示の例では、内ケース１１Ｂ，１９Ｂ内における各柱状体２９，３５の外周側に筒状真空断熱層３１，３７が設けられているから、外部からの柱状体２９，３５を介しての熱侵入は防止することができる。

ここで、各柱状体２９，３５としては種々の材料を用いることができ、また中空体、中実体のいずれも使用することができるが、通常はＦＲＰ等からなる中空パイプを用いることが望ましい。また各柱状体２９，３５として非磁性材の中空パイプを用いる場合、その中空パイプの内側にケイ素鋼等の磁性材を配しても良く、その場合には中空パイプの内側の磁性材が各超電導コイル１３，２１に対応する鉄心（コア）の機能を果たすため、より強い磁界を生起させることができる。

なおここで、前述の例とは逆に、ロータ７を界磁として６個もしくはその倍数の超電導コイル（界磁コイル）１３で構成し、ステータ９を電機子として８個もしくはその倍数の超電導コイル（電機子コイル）２１で構成しても良い。

さらに、図１〜図３に示す例では、ロータ７とステータ９との両者に超電導コイルを用いているが、場合によっては一方のみに超電導コイルを用い、他方には常磁性コイルを用いても良い。例えばステータ９を超電導コイルで構成し、ロータ７を常磁性コイルで構成した例を図４に示す。

図４において、ステータ９の構成は図１〜図３に示した例と同様であるが、ロータ７のコイルとしては、常電導コイル４１を用い、かつケース１１を１重の構成とし、図１〜図３における真空断熱層１７を省いたものとしている。この場合、ロータ７のケース１１には大気圧分の差圧が加わらないため、ロータ７側には前述のような柱状体を設ける必要はない。

逆にロータ７に超電導コイルを用い、ステータ９のコイルとして常磁性コイルを用いることもでき、その場合の例は特に図示しないが、ロータ７は、図１〜図３に示される例と同様に構成し、ステータ９は図４の例におけるロータ７に準じた構成とすれば良い。

さらに、図１〜図３の例では、ロータ７とステータ９のうち、一方のコイルは交流を流す電機子コイルとし、他方のコイルは直流を流す界磁コイルとしているが、界磁の側にはコイルに代えて永久磁石を用いても良いことはもちろんである。

この発明の一実施例の超電導モータを示す縦断側面図である。 図１のＩＩ−ＩＩ線における縦断正面図である。 図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線における縦断正面図である。 この発明の別の実施例の超電導モータを示す縦断側面図である。 従来の超電導モータの一例を示す縦断側面図である。 図５のＶＩ−ＶＩ線における縦断正面図である。 図５のＶＩＩ−ＶＩＩ線における縦断正面図である。 図５の部分ＶＩＩＩを拡大して示す縦断側面拡大図である。

符号の説明

７ ロータ
９ ステータ
１１ ロータケース
１１Ａ 外ケース
１１Ｂ 内ケース
１３ 超電導コイル
１５ 冷却媒体
１７ 真空断熱層
１９ ステータケース
１９Ａ 外ケース
１９Ｂ 内ケース
２１ 超電導コイル
２３ 冷却媒体
２５ 真空断熱層
２９ 柱状体
３１ 真空断熱層
３５ 柱状体
３７ 真空断熱層
Ｇ 空隙

Claims (5)

1. 磁極面側が相互に平行に空隙を隔てて対向するロータとステータとのうち、少なくとも一方の電機子コイルもしくは界磁コイルとして、超電導コイルが使用されており、かつその超電導コイルは、外ケースと内ケースとの内外２重壁構造のケースにおける内ケースの内側に収納され、その内ケース内には、超電導コイルを冷却するための冷却媒体が充填されており、さらに外ケースと内ケースとの間の空間が真空断熱層とされた超電導モータにおいて、
   前記超電導コイルを収納したケースの外ケース内には、ステータとロータとが対向する方向に沿って伸長されかつ内ケースおよび超電導コイルの内周側を貫通する柱状体が配設されており、その柱状体の両端が外ケースの内面に接して、その柱状体により外ケースの内側への変形を防止するように構成したことを特徴とする、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、前記柱状体の両端が外ケースの内面に固定されていることを特徴とする、超電導モータ。
3. 請求項１に記載の超電導モータにおいて、前記内ケースの内側における柱状体の外周面側の部分に、柱状体を取囲むように真空断熱層が形成されていることを特徴とする、超電導モータ。
4. 請求項１に記載の超電導モータにおいて、前記柱状体が中空パイプによって構成されていることを特徴とする、超電導モータ。
5. 請求項４に記載の超電導モータにおいて、前記中空パイプの内側に磁性材が配設されていることを特徴とする、超電導モータ。

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