JP4661263B2 - Superconducting motor device - Google Patents
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Description
本発明は、超電導モータ装置に関し、特に、車両や船舶等の駆動源として利用され、超電導コイルを用いた高出力なモータの冷却構造に関するものである。 The present invention relates to a superconducting motor device, and more particularly to a cooling structure for a high-output motor that is used as a driving source for vehicles, ships, and the like and uses a superconducting coil.
近年、ガソリン等の化石燃料の枯渇や排気ガスによる環境悪化を改善すべく、電気エネルギーによりモータを駆動して走行する電気自動車やハイブリッド自動車の開発が進められている。この場合、常電導モータを使用した場合には、電気抵抗による銅損が発生して低効率となると共に通電電流に限界があるために高出力化が困難となる問題がある。一方、特開平6−6907号公報、特開平5−276734号公報、特開平6−284690号公報、特開平7−87724号公報に開示されているような超電導モータを採用すれば、超電導コイルでの銅損がなくなり高効率になると共に小型化および高出力化を図ることが可能となる。 In recent years, in order to improve the exhaustion of fossil fuels such as gasoline and the deterioration of the environment due to exhaust gas, the development of electric vehicles and hybrid vehicles that run by driving a motor with electric energy has been promoted. In this case, when a normal conducting motor is used, there is a problem that copper loss occurs due to electrical resistance, resulting in low efficiency and a difficulty in increasing output because of a limit in the energization current. On the other hand, if a superconducting motor as disclosed in JP-A-6-6907, JP-A-5-276734, JP-A-6-284690, or JP-A-7-87724 is employed, a superconducting coil is used. The copper loss is eliminated, the efficiency is increased, and the size and output can be reduced.
超電導モータにおいては、所要の超電導性能を発揮させるために超電導コイルを極低温に冷却しなければならず、その冷却方式としては主に、ロータ等を収容した断熱容器内に冷却ガスを充満させるガス冷却、断熱容器内に液体を充満させる浸漬冷却、金属等の熱伝導媒体を利用した伝導冷却の3パターンが考えられる。
このうちガス冷却は、冷媒が気体であるので断熱容器内で回転するロータに対して回転抵抗にならないが、ガスは液体に比べて熱容量が小さいため冷却効率が悪い問題がある。
また、浸漬冷却は、冷媒として液体を利用しているので冷却効率は良いが、液体中をロータが回転するため回転抵抗が大きくなるという問題がある。
さらに、伝導冷却は、熱伝導媒体となる金属を冷却対象物に機械的に接触させる必要があるため、回転物と固定物との間で摩擦熱が生じて損失が増大すると共に接触構造が複雑になるという問題がある。
Among these, gas cooling does not provide rotational resistance to the rotor rotating in the heat insulating container because the refrigerant is a gas, but gas has a problem of poor cooling efficiency because it has a smaller heat capacity than liquid.
In addition, the immersion cooling uses a liquid as a refrigerant and thus has a good cooling efficiency, but has a problem that the rotational resistance increases because the rotor rotates in the liquid.
Furthermore, conduction cooling requires that the metal that is the heat transfer medium is brought into mechanical contact with the object to be cooled, so frictional heat is generated between the rotating object and the fixed object, resulting in increased loss and a complicated contact structure. There is a problem of becoming.
本発明は、前記問題に鑑みてなされたもので、簡素な構造で、冷却効率が良く、ロータの回転抵抗が少ない超電導モータの冷却構造を提案することを課題としている。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to propose a cooling structure for a superconducting motor with a simple structure, good cooling efficiency, and low rotational resistance of the rotor.
前記課題を解決するため、本発明は、回転軸を接続するロータに超電導材で形成された超電導コイルを取り付け、前記ロータと回転軸を断熱容器内に配置し、該断熱容器は前記ロータを包囲する本体部と、該本体部の側面から水平方向に突出する筒部と、該筒部の先端側で前記回転軸を回転自在に貫通する軸受部とを備え、前記筒部の少なくとも底面側は前記本体部に向けて下向きに傾斜したテーパ面としており、かつ、
前記断熱容器内の下部に液体冷媒を溜めて前記ロータの一部を前記液体冷媒に浸漬し、前記ロータの回転により前記液体冷媒が前記断熱容器内で飛散される構成としていることを特徴とする超電導モータ装置を提供している。
In order to solve the above-mentioned problems, the present invention attaches a superconducting coil formed of a superconducting material to a rotor that connects a rotating shaft , and arranges the rotor and the rotating shaft in a heat insulating container, and the heat insulating container surrounds the rotor. A main body part, a cylindrical part protruding in a horizontal direction from a side surface of the main body part, and a bearing part that rotatably penetrates the rotating shaft on a tip side of the cylindrical part, and at least a bottom surface side of the cylindrical part is A tapered surface inclined downward toward the main body, and
A liquid refrigerant is stored in a lower part of the heat insulating container, a part of the rotor is immersed in the liquid refrigerant, and the liquid refrigerant is scattered in the heat insulating container by the rotation of the rotor. A superconducting motor device is provided.
前記構成とすると、断熱容器の下部に溜められた液体冷媒は、ロータの回転により跳ね上げられて断熱容器内で霧状に拡散するので、ロータの超電導コイルは気体よりも熱容量が大きいミストで冷却され、冷却効率を良好に保つことができる。また、液体冷媒を断熱容器の下部にのみ溜め、ロータは一部のみが液体冷媒に浸漬されるようにしているので、液体冷媒によるロータが回転する際の抵抗を抑制できる。
断熱容器に溜められた液体水素の液面は、ロータ停止状態において回転軸よりも下方位置としていると好ましく、ロータ下端からロータ直径の15%〜40%の高さに液面が位置するとより好ましい。超電導材としてはビスマス系やイットリウム系等の高温超電導材を用いると好適である。また、液体冷媒としては、液体窒素等を用いると好適である。
With the above configuration, the liquid refrigerant stored in the lower part of the heat insulating container is splashed up by the rotation of the rotor and diffused in the form of mist in the heat insulating container. Therefore, the cooling efficiency can be kept good. Further, since the liquid refrigerant is stored only in the lower part of the heat insulating container and only a part of the rotor is immersed in the liquid refrigerant, the resistance when the rotor is rotated by the liquid refrigerant can be suppressed.
The level of the liquid hydrogen stored in the heat insulating container is preferably lower than the rotation axis when the rotor is stopped, and more preferably when the level is 15% to 40% of the rotor diameter from the lower end of the rotor. . As the superconducting material, it is preferable to use a high-temperature superconducting material such as bismuth or yttrium. In addition, it is preferable to use liquid nitrogen or the like as the liquid refrigerant.
前記ロータの一部に前記液体冷媒の飛散促進用の突起あるいは溝を形成していると好ましい。
即ち、前記構成のように突起あるいは溝を設けることで、ロータが回転する際に液体冷媒が跳ね上げられ易くなるため、断熱容器内に効率的に霧を発生することが可能となる。なお、前記突起あるいは溝はロータの外周面に形成していると好ましい。
It is preferable that a protrusion or groove for promoting scattering of the liquid refrigerant is formed in a part of the rotor.
That is, by providing the protrusions or grooves as in the above-described configuration, the liquid refrigerant can be easily splashed when the rotor rotates, so that fog can be efficiently generated in the heat insulating container. The protrusions or grooves are preferably formed on the outer peripheral surface of the rotor.
前記液体冷媒を貯留するタンクに接続されたノズルを前記断熱容器の上部に設置すると共に、前記断熱容器にガス排出口を設け、
前記ノズルから前記液体冷媒を前記断熱容器内に供給する一方、前記ガス排出口から昇温気化された冷媒を排出する構成としていると好ましい。
A nozzle connected to a tank for storing the liquid refrigerant is installed at the top of the heat insulating container, and a gas discharge port is provided in the heat insulating container.
It is preferable that the liquid refrigerant is supplied from the nozzle into the heat insulating container, and the temperature-evaporated refrigerant is discharged from the gas discharge port.
前記構成とすると、超電導コイルとの熱交換により気化した冷媒が、ガス排出口から排出されて断熱容器内の液体冷媒が減るのに応じて、ノズルから所定量の液体冷媒を補充することができる。また、ノズルは非回転物である断熱容器に設ける構造としているので、ノズルへ接続する配管等を簡単に接続することができ冷却構造を簡素化することが可能となる。
なお、ガス排出口は再液化手段に接続することで冷媒ガスを液化して再利用する構成としてもよいし、冷媒ガスが安全である場合には大気に放出してもよい。
With the above-described configuration, a predetermined amount of liquid refrigerant can be replenished from the nozzle as the refrigerant vaporized by heat exchange with the superconducting coil is discharged from the gas discharge port and the liquid refrigerant in the heat insulating container is reduced. . Further, since the nozzle is provided in a heat insulating container that is a non-rotating object, piping connected to the nozzle can be easily connected, and the cooling structure can be simplified.
The gas outlet may be configured to be liquefied and reused by connecting to the reliquefaction means, or may be discharged to the atmosphere if the refrigerant gas is safe.
前記ノズルはスプレーノズルとし、前記スプレーノズルから前記液体冷媒を噴霧することで前記ロータを直接冷却しながら前記断熱容器に冷媒補充を行う構成としていると好ましい。 Preferably, the nozzle is a spray nozzle, and the liquid refrigerant is sprayed from the spray nozzle to replenish the heat-insulating container while directly cooling the rotor.
前記構成とすると、断熱容器内の液体冷媒の減少に応じて液体冷媒を補充する際に、スプレーで上から冷媒を噴霧する構成とすることで、ロータ回転による霧化と併せて断熱容器内を冷媒のミストで充満させることが可能となる。 With the above configuration, when the liquid refrigerant is replenished according to the decrease in the liquid refrigerant in the heat insulating container, the refrigerant is sprayed from above by spraying, so that the inside of the heat insulating container is combined with the atomization by the rotor rotation. It is possible to fill with refrigerant mist.
前記のように、断熱容器は、少なくとも前記ロータを包囲する本体部と、該本体部の側面から水平方向に突出する筒部と、該筒部の先端側で前記回転軸を回転自在に貫通する軸受部とを備え、
前記筒部の少なくとも底面側は前記本体部に向けて下向きに傾斜したテーパ面としている。
As described above, the heat insulating container at least penetrates the rotating shaft at the main body portion surrounding at least the rotor, the cylindrical portion protruding in the horizontal direction from the side surface of the main body portion, and the distal end side of the cylindrical portion. A bearing portion,
At least the bottom side of the tubular portion that has a tapered surface which is inclined downwardly toward the body portion.
前記構成とすると、本体部と軸受部との間に筒部を介設して水平方向に距離をとっており、軸受部から熱侵入があったとしても筒部の存在により断熱距離をかせぐことができるので、断熱性能を向上することができる。また、本体部から筒部に侵入した液滴が筒部の内壁に付着して溜まった場合でも、筒部の底面はテーパ面としているので、傾斜に沿って自重で本体部へと戻すことができる。さらに、軸受部は気体シールでよく液体シールとする必要がないので、密封性の要求が緩和されて回転軸との摩擦を小さくすることができる。 With the above configuration, a cylindrical portion is interposed between the main body portion and the bearing portion, and a distance is taken in the horizontal direction, and even if there is heat intrusion from the bearing portion, the heat insulation distance is earned by the presence of the cylindrical portion. Therefore, the heat insulation performance can be improved. Even when droplets that have entered the cylinder from the main body adhere to the inner wall of the cylinder, the bottom of the cylinder is tapered, so that it can be returned to the main body by its own weight along the slope. it can. Furthermore, since the bearing portion may be a gas seal and does not need to be a liquid seal, the requirement for sealing performance is alleviated and the friction with the rotating shaft can be reduced.
前記筒部に位置する前記回転軸には、前記筒部の内壁と隙間をあけた状態で回転遮蔽板を外嵌固定していると好ましい。 It is preferable that a rotation shielding plate is externally fixed to the rotation shaft positioned in the cylinder part with a gap from the inner wall of the cylinder part.
前記構成とすると、回転遮蔽板により筒部の空間を区切ることができ、ガスの対流を抑制して筒部内部にガスを極力留めておくことができる。したがって、筒部を満たすガスが断熱作用を発揮して回転軸に沿った熱侵入を低減することができる。なお、ガスは液体に比べて熱容量が遥かに小さく熱損失を低減するのに好適である。 If it is set as the said structure, the space of a cylinder part can be divided | segmented by a rotation shielding board, the gas can be suppressed inside a cylinder part as much as possible by suppressing the convection of gas. Therefore, the gas that fills the cylindrical portion can exhibit a heat insulating action and reduce heat intrusion along the rotation axis. Note that gas has a much smaller heat capacity than liquid and is suitable for reducing heat loss.
前記筒部には、筒部の流路を閉鎖する固定遮蔽板を取り付け、前記固定遮蔽板の中心には前記回転軸を遊嵌する貫通穴を設けていると共に、前記固定遮蔽板の下端には連通孔を切り欠いていると好ましい。 A fixed shielding plate for closing the flow path of the cylindrical portion is attached to the cylindrical portion, and a through hole for loosely fitting the rotating shaft is provided at the center of the fixed shielding plate, and at the lower end of the fixed shielding plate It is preferable that the communication hole is notched.
前記構成とすると、固定遮蔽板により筒部の空間が区切られてガスの対流が抑制されるので、筒部を満たすガスの断熱作用により回転軸に沿った熱侵入を低減することができる。また、筒部に侵入した液滴が内壁に付着して溜まった場合でも、連通孔を通過して本体部へと戻すことが可能となる。 If it is set as the above-mentioned composition, since the space of a cylinder part is divided by a fixed shielding board and gas convection is controlled, the heat penetration along a rotation axis can be reduced by the heat insulation action of gas which fills a cylinder part. Further, even when a liquid droplet that has entered the cylindrical portion adheres to the inner wall and accumulates, it can be returned to the main body portion through the communication hole.
前記回転遮蔽板と前記固定遮蔽板とを軸線方向の交互に配置していると好ましい。
前記構成とすると、回転遮蔽板の外周側には筒部内壁との間に空隙が設けられているが、該空隙を隣の固定遮蔽板で遮ることができるので、筒部に存在するガスが軸線方向に更に移動しにくくなり、断熱性をより向上することができる。
It is preferable that the rotation shielding plate and the fixed shielding plate are alternately arranged in the axial direction.
With the above configuration, a gap is provided between the inner wall of the cylindrical portion on the outer peripheral side of the rotary shielding plate, but the gap can be blocked by the adjacent fixed shielding plate, so that the gas present in the cylindrical portion is It becomes difficult to move further in the axial direction, and the heat insulation can be further improved.
また、前記筒部に位置する前記回転軸には、前記筒部の内壁と隙間をあけた状態で動翼を外嵌固定していると共に、前記筒部の流路を閉鎖する静翼を筒部の内壁に取り付け、
前記静翼の中心には前記回転軸を遊嵌する貫通穴を設けていると共に、前記静翼の下端には連通孔を切り欠いており、前記動翼と前記静翼とを軸線方向の交互に配置し、
前記動翼および前記静翼は、前記本体部側に配置される第1グループと、前記軸受部側に配置される第2グループとにグループ分けして取り付けており、
前記第1グループは流れ方向が前記本体部に向くように前記動翼および前記静翼を配置する一方、前記第2グループは流れ方向が前記軸受部側に向くように前記動翼および前記静翼を配置しても好ましい。
In addition, a rotating blade is fitted on and fixed to the rotating shaft located in the cylindrical portion with a gap from an inner wall of the cylindrical portion, and a stationary blade that closes the flow path of the cylindrical portion is cylindrical. Attached to the inner wall of the
A through hole for loosely fitting the rotating shaft is provided at the center of the stationary blade, and a communication hole is notched at the lower end of the stationary blade, and the moving blade and the stationary blade are alternately arranged in the axial direction. Placed in
The moving blades and the stationary blades are grouped and attached to a first group disposed on the main body portion side and a second group disposed on the bearing portion side,
The first group arranges the moving blades and the stationary blades so that the flow direction faces the main body portion, while the second group arranges the moving blades and the stationary blades such that the flow direction faces the bearing portion side. Is also preferable.
即ち、公知のタービンの動翼および静翼の構造を利用し、第1グループの動翼および静翼の働きにより筒部の本体部側のガスを本体部に押し出す一方、第2グループの動翼および静翼の働きにより筒部の軸受部側のガスを軸受部へと押し出すので、第1グループと第2グループとの間のガスが両側に排出されて略真空状態となるので、断熱作用を飛躍的に高めることができる。 That is, using the structure of the known turbine blades and stationary blades of the turbine, the gas on the main body side of the cylindrical portion is pushed out to the main body portion by the action of the first group of blades and stationary blades, while the second group of blades Since the gas on the bearing portion side of the cylindrical portion is pushed out to the bearing portion by the action of the stationary blade, the gas between the first group and the second group is exhausted to both sides to be in a substantially vacuum state. It can be improved dramatically.
また、前記超電導モータ装置の具体的構造としては、前記ロータの軸線方向に所要の空隙をあけてステータを対向配置し、
前記ロータに固定された前記回転軸を前記ステータに回転自在に貫通し、
前記ロータおよび前記ステータに取り付けられたコイルの磁束方向を軸線方向に向けて配置するアキシャルギャップ構造としていると好ましい。
あるいは、前記ロータの外周側を所要の空隙をあけて包囲するステータを設け、
前記ロータおよび前記ステータに取り付けられたコイルの磁束方向を径方向に向けて配置するラジアルギャップ構造としても好ましい。
Further, as a specific structure of the superconducting motor device, a stator is disposed oppositely with a necessary gap in the axial direction of the rotor,
The rotation shaft fixed to the rotor passes through the stator rotatably,
It is preferable that an axial gap structure is used in which the magnetic flux direction of the coils attached to the rotor and the stator is arranged in the axial direction.
Alternatively, a stator that surrounds the outer peripheral side of the rotor with a required gap is provided,
It is also preferable as a radial gap structure in which the magnetic flux direction of the coils attached to the rotor and the stator is arranged in the radial direction.
以上の説明より明らかなように、本発明によれば、断熱容器の下部に溜められた液体冷媒はロータ回転により飛散して容器内で霧状に拡散するので、ロータの超電導コイルは気体よりも熱容量が大きい液滴で冷却され、冷却効率を良好に保つことができる。また、液体冷媒を断熱容器の下部に溜めることでロータは一部のみが液体冷媒に浸漬する構成としているので、ロータ回転時の液体冷媒による抵抗を抑えることができる。さらに、液体冷媒を溜める断熱容器を非回転物とすることで冷却構造を簡素化できる。 As is clear from the above description, according to the present invention, the liquid refrigerant stored in the lower part of the heat insulating container is scattered by the rotation of the rotor and diffused in the form of a mist in the container. It is cooled by droplets having a large heat capacity, and the cooling efficiency can be kept good. Further, since the liquid refrigerant is stored in the lower part of the heat insulating container, only a part of the rotor is immersed in the liquid refrigerant, so that the resistance due to the liquid refrigerant when the rotor rotates can be suppressed. Furthermore, a cooling structure can be simplified by making the heat insulation container which stores a liquid refrigerant into a non-rotating thing.
本発明の実施形態を図面を参照して説明する。
図1乃至図3は第1実施形態のアキシャルギャップ構造の超電導モータ装置10を示す。
超電導モータ装置10は、水平方向の回転軸15に固定されたロータ13の軸線方向の両側に一対のステータ11、12を対向配置していると共に、ロータ13を囲繞する断熱容器14を設けている。
Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
1 to 3 show a
The
ステータ11、12は、互いに対称形状の板状であり、磁性体からなるヨーク16、18のロータ対向面側では周方向に等間隔をあけて常電導材(例えば、銅)からなる電機子コイル17、19を埋設し、各電機子コイル17、19の磁束方向が軸線方向を向くように配置している。電機子コイル17、19の中空部にはヨーク16、18と連続したフラックスコレクタ16a、18aを配置している。ヨーク16、18の中心には後述する断熱容器14の筒部23を挿通する貫通穴16a、18aを穿設している。また、電機子コイル17、19には図示しない電源から所要の電力が供給される構成としている。
The
ロータ13は、円盤形状のヨーク20の中心に回転軸15を貫通固定する一方、周方向に等間隔をあけてコイル取付穴20aを設け、これらコイル取付穴20aに超電導材からなる複数の界磁コイル21を埋設し、複数の界磁コイル21の磁束方向が軸線方向を向くように配置している。各界磁コイル21の中空部には磁性体からなるフラックスコレクタ32を配置している。また、図2に示すように、ヨーク20の外周面には周方向に所定の間隔をあけて突起20bを設けている。
The
ヨーク16、18、20の材料には、パーメンダー、珪素鋼板、鉄、パーマロイ等の磁性材料を用いている。また、界磁コイル21を形成する超電導材としては、ビスマス系やイットリウム系等の高温超電導材を用いている。電機子コイル17、19および界磁コイル21には図示しない電源から所要の電力が供給される構成としている。各電機子コイル17、19と界磁コイル21とは、回転軸15の軸心からの径方向距離を一致させている。
Magnetic materials such as permender, silicon steel plate, iron and permalloy are used for the materials of the
断熱容器14は真空断熱構造とし、ロータ13を包囲する断面円形状の本体部22と、本体部22の側面から水平方向に突出する筒部23と、筒部23の先端側で回転軸15を回転自在に貫通する軸受部24とを備えている。筒部23は、本体部22側から軸受部24側に向けて縮径するテーパ状とすることで、底面側を本体部22に向けて下向きに傾斜したテーパ面を形成している。
The
断熱容器14の上面には、冷媒となる液体窒素を貯留する液体窒素タンク25に接続されたノズル27を設置すると共に、気化された窒素を排出するガス排出口22aを設けている。ノズル27とタンク25とを接続する断熱供給配管30には液体窒素のノズル27からの吐出量を制御する供給制御手段26を介設している。また、ガス排出口22aとタンク25とを接続する断熱返送配管31には、ガス吸引手段28および液化手段29を介設している。
A
次に、超電導モータ装置10の動作について説明する。
まず、液体窒素タンク25に貯留された液体窒素を液体ノズル27から所定量吐出して、断熱容器14の本体部22の下部に液体窒素Rを溜める。
この際、液体窒素Rの液面位置は回転軸15よりも下方となるようにしており、ロータ13下端からの液面高さをH、ロータ直径をDとすると、ロータ13の停止状態でH=0.15D〜0.4Dの関係となるように設定している。
次いで、図3に示すように、電機子コイル17、19および界磁コイル21に給電してロータ13を回転させると、ロータ13の回転に伴って突起20bが液体窒素Rを跳ね上げ、断熱容器14内に液体窒素Rが霧状の液滴Raとなって拡散される。ロータ13の界磁コイル21(超電導コイル)は、霧状の液滴Raによって極低温に冷却され、界磁コイル21は超電導状態で通電がなされる。
Next, the operation of the
First, a predetermined amount of liquid nitrogen stored in the
At this time, the liquid surface position of the liquid nitrogen R is set to be lower than the
Next, as shown in FIG. 3, when the
この際、たとえば界磁コイル21の超電導材としてビスマス系超電導線を用いた場合には、シースに銀が使用されているため、常温でもある程度まで電流を流すことができるので、コイル全体が超電導温度になっていなくても、常電導電流によってロータ13を回転させて、図3の状態を作り出すことができる。
また、界磁コイル21は、一度、液体窒素温度に冷却されて超電導状態となると、界磁コイル21自体は殆ど発熱しないため温度上昇がなく、液体窒素Rの液面が界磁コイル21よりも下になっても温度が急に上がることはなく、超電導状態が崩れることはない。
At this time, for example, when a bismuth-based superconducting wire is used as the superconducting material of the
In addition, once the
また、液体窒素Rが界磁コイル21と熱交換して気化して窒素ガスとなった場合には、ガス吸引手段28によりガス排出口22aから排出され、液化手段29で液体窒素へと再液化され、液体窒素タンク25に返送される。断熱容器14内の液体窒素量が減少した場合には、供給制御手段26によりノズル27から適量の液体窒素が断熱容器14内に供給される。
Further, when the liquid nitrogen R is vaporized by heat exchange with the
さらに、液体窒素Rの液滴Raが断熱容器14の筒部23に侵入し、筒部23の内壁に付着しても、筒部23はテーパ状としているので、液滴Raは傾斜に沿って本体部22へと戻される。
なお、液体冷媒として液体窒素R以外に、液体ネオン、液体ヘリウム等を用いてもよい。また、ロータ13の外周面に設けた突起20bの代わりにヨーク20外周に溝を設けてもよいし、突起と溝の両方を設けてもよい。
Further, even if the liquid Ra droplets Ra enter the
In addition to liquid nitrogen R, liquid neon, liquid helium, or the like may be used as the liquid refrigerant. Further, instead of the
図4は第2実施形態を示す。
第1実施形態との相違点は、断熱容器14の上部に設置するノズルをスプレーノズル27’としている点である。
前記構成とすると、ロータ13を回転させる前にスプレーノズル27’から液体窒素Rを噴霧し、界磁コイル21を液体窒素温度にまで冷却してから、ロータ13を回転させることができ、界磁コイル21への通電を始めから超電導状態で行うことができる。なお、他の構成は第1実施形態と同様であるため同一符号を付して説明を省略する。
FIG. 4 shows a second embodiment.
The difference from the first embodiment is that the nozzle installed in the upper part of the
With the above configuration, the liquid nitrogen R is sprayed from the
図5は参考第3実施形態を示す。
第1実施形態との相違点は、ステータ41、42の電機子コイル47、49も超電導コイルとしており、断熱容器43はステータ41、42とロータ13の両方を収容している点である。
FIG. 5 shows a reference third embodiment.
The difference from the first embodiment is that the armature coils 47 and 49 of the
即ち、ステータ41、42のヨーク46、48に取り付けた電機子コイル47、49は超電導材で形成している。また、断熱容器43の本体部42はステータ41、42とロータ13の両方を収容している。そして、本体部42の側面からは縮径する筒部45を水平方向の両側に突出し、先端には回転軸15を貫通する軸受部46を設けている。
前記構成とすると、ロータ13の回転により断熱容器43内に液体窒素Rが霧状に拡散すると、界磁コイル21と電機子コイル47、49の両方が液体窒素温度に冷却されて、超電導状態が確保される。
なお、他の構成は第1実施形態と同様であるため同一符号を付して説明を省略する。
That is, the armature coils 47 and 49 attached to the
With the above configuration, when the liquid nitrogen R diffuses into the
Since other configurations are the same as those of the first embodiment, the same reference numerals are given and description thereof is omitted.
図6は第4実施形態を示す。
第1実施形態との相違点は、超電導モータ装置50をラジアルギャップ構造としている点である。
FIG. 6 shows a fourth embodiment.
The difference from the first embodiment is that the
ロータ52は、水平方向の回転軸15に外嵌固定された円柱状のヨーク56と、ヨーク56の外周面に周方向に間隔をあけて取り付けた超電導材からなる界磁コイル57とを備えている。
断熱容器53は、ロータ52を包囲する本体部58と、本体部58の側面から突出して縮径する筒部59と、筒部59の先端で回転軸15を貫通する軸受部60とを備えている。
ステータ51は、断熱容器53の本体部58および筒部59の一部を囲繞するように設けられたヨーク54と、ヨーク54の内周面で周方向に間隔をあけて界磁コイル57と対向するように取り付けられた電機子コイル55とを備えている。
The
The
The
断熱容器53の上部側には液体窒素タンク25に接続されたノズル27を配置していると共に、気化された窒素を排出するガス排出口58aを設けている。ノズル27と液体窒素タンク25とを接続する断熱供給配管30には液体窒素のノズル27からの吐出量を制御する供給制御手段26を介設している。また、ガス排出口58aとタンク25とを接続する断熱返送配管31には、ガス吸引手段28および液化手段29を介設している。断熱容器53の下部には、ノズル27から滴下された液体窒素Rが溜められている。
A
前記構成とすると、ロータ52により液体窒素Rが跳ね上げられて断熱容器53内を霧状に拡散し、界磁コイル57が液体水素温度に冷却される。なお、他の構成は第1実施形態と同様であるため同一符号を付して説明を省略する。
If it is set as the said structure, the liquid nitrogen R will be sprinkled up by the
図7は第5実施形態を示す。
第4実施形態との相違点は、ステータ61の電機子コイル64も超電導コイルとしており、断熱容器62はステータ61とロータ52の両方を収容している点である。
FIG. 7 shows a fifth embodiment.
The difference from the fourth embodiment is that the
本実施形態の超電導モータ装置60は、断熱容器62をステータ61の外面を覆うように形成している。ステータ61は、ロータ52を囲繞するように設けられたヨーク63と、ヨーク63の内周面で周方向に間隔をあけて界磁コイル57と対向するように取り付けられた超電導材からなる電機子コイル64とを備え、ヨーク63は回転軸15が貫通する位置に大径の貫通穴63aを穿設している。
断熱容器62は、ステータ61を包囲する本体部65と、本体部65の側面から突出して縮径する筒部66と、筒部66の先端で回転軸15を貫通する軸受部67とを備えている。なお、筒部66の大径側の孔径とステータ61の貫通穴63aの孔径とを略同一としている。
In the
The
断熱容器63およびステータ61の上部側には液体窒素タンク25に接続されたノズル27を配置していると共に、気化された窒素を排出するガス排出口63a、65aを設けている。ノズル27と液体窒素タンク25とを接続する断熱供給配管30には液体窒素のノズル27からの吐出量を制御する供給制御手段26を介設している。また、ガス排出口63a、65aとタンク25とを接続する断熱返送配管31には、ガス吸引手段28および液化手段29を介設している。断熱容器62に下部には、ノズル27から滴下された液体窒素Rが溜められる。なお、他の構成は第4実施形態と同様であるため説明を省略する。
A
図8(A)(B)は第6実施形態を示す。
第1実施形態との相違点は、断熱容器14の筒部23に位置する回転軸15に回転遮蔽板70〜72を外嵌固定している点である。
断熱容器14の筒部23内では、筒部23の内壁と若干の隙間をあけた状態で円盤状の回転遮蔽板70〜72を回転軸15に外嵌固定している。また、それぞれの回転遮蔽板70〜72の外径は筒部23の傾斜に沿うように70→71→72の順番に小径化している。
8A and 8B show a sixth embodiment.
The difference from the first embodiment is that the
In the
前記構成とすると、3枚の回転遮蔽板70〜72により筒部23の空間を複数の小部屋に区切られるので、筒部23におけるガスの対流が抑えられてガスは筒部23内に留まる。よって、筒部23に滞留するガスが断熱作用を発揮して回転軸15に沿った熱侵入を低減できる。また、ガスは液体に比べて熱容量が遥かに小さく熱損失を低減することができる。なお、他の構成は第1実施形態と同様であるため説明を省略する。また、本構造は前述した第1〜第5実施形態の全てに適用可能である。
With the above configuration, the space of the
図9(A)(B)は第7実施形態を示す。
第6実施形態との相違点は、回転遮蔽板を設ける代わりに、筒部23の内壁に略円環状の固定遮蔽板75〜77を設けている点である。
固定遮蔽板75〜77は、筒部23の流路を閉鎖するように内壁に取り付けられ、中心には回転軸15を遊嵌する貫通穴75a〜77aを設けていると共に、下端には連通孔75b〜77bを切り欠いている。また、それぞれの固定遮蔽板75〜77の外径は筒部23の傾斜に沿うように75→76→77の順番に小径化している。
9A and 9B show a seventh embodiment.
The difference from the sixth embodiment is that, instead of providing a rotating shielding plate, substantially annular fixed
The fixed
前記構成とすると、固定遮蔽板75〜77により筒部23の空間が区切られてガスの対流が抑制されるので、筒部23を満たすガスの断熱作用により回転軸25に沿った熱侵入を低減できる。また、筒部23に侵入した液滴が内壁に付着して溜まった場合でも、自重で連通孔75b〜77bを通過して本体部22へと戻すことが可能となる。なお、他の構成は第1実施形態と同様であるため説明を省略する。また、本構造は前述した第1〜第5実施形態の全てに適用可能である。
With the above configuration, the space of the
図10は第8実施形態を示す。
本実施形態は、第6実施形態の回転遮蔽板70〜72と第7実施形態の固定遮蔽板75〜77とを断熱容器14の筒部23内において軸線方向の交互に配置している。
前記構成とすると、回転遮蔽板70〜72の外周側には筒部23の内壁との間に若干の空隙が設けられているが、該空隙を隣接する固定遮蔽板75〜77で遮ることができるので、筒部23に存在するガスが軸線方向に更に移動しにくくなり断熱性が向上する。なお、他の構成は第1実施形態と同様であるため説明を省略する。また、本構造は前述した第1〜第5実施形態の全てに適用可能である。
FIG. 10 shows an eighth embodiment.
In the present embodiment, the
With the above configuration, a slight gap is provided between the
図11は第9実施形態を示す。
本実施形態は、断熱容器14の筒部23内において、タービンで知られている公知の動翼82、84、85、87および静翼83、86を設けている。
本体部22側に配置される第1グループ80は、2つの動翼82、84の間に1つの静翼83を配置し、かつ、流れ方向が本体部22に向くよう配置している。
軸受部24側に配置される第2グループ81は、2つの動翼85、87の間に1つの静翼86を配置し、かつ、流れ方向が軸受部24に向くよう配置している。
FIG. 11 shows a ninth embodiment.
In the present embodiment, known moving
In the
In the
動翼82、84、85、87は、筒部23の内壁と若干の隙間をあけた状態で回転軸15に外嵌固定している。一方、静翼83、86は、第7実施形態の固定遮蔽板のように、筒部23の流路を閉鎖するように内壁に取り付け、静翼83、86の中心には回転軸を遊嵌する貫通穴を設けていると共に、静翼83、86の下端には連通孔を切り欠いている。
The
前記構成とすると、公知のタービンの動翼および静翼を利用し、第1グループ80の動翼82、84および静翼83の働きによりガスを本体部22に押し出す一方、第2グループ81の動翼85、87および静翼86の働きによりガスを軸受部24へと押し出すので、第1グループ80と第2グループ81との間のガスが両側に排出されて中間部分88が略真空状態となる。したがって、断熱作用を飛躍的に高めることができる。また、本構造は前述した第1〜第5実施形態の全てに適用可能である。
With the above-described configuration, the moving blades and stationary blades of a known turbine are used to push the gas to the
10 超電導モータ装置
11、12 ステータ
13 ロータ
14 断熱容器
15 回転軸
16、19 電機子コイル
20b 突起
21 界磁コイル(超電導コイル)
22 本体部
22a ガス排出口
23 筒部
24 軸受部
25 液体窒素タンク
26 供給制御手段
27 ノズル
27’ スプレーノズル
28 ガス吸引手段
29 液化手段
R 液体窒素(液体冷媒)
DESCRIPTION OF
22
Claims (10)
前記断熱容器内の下部に液体冷媒を溜めて前記ロータの一部を前記液体冷媒に浸漬し、前記ロータの回転により前記液体冷媒が前記断熱容器内で飛散される構成としていることを特徴とする超電導モータ装置。 A superconducting coil formed of a superconducting material is attached to the rotor that connects the rotating shaft, the rotor and the rotating shaft are disposed in a heat insulating container, and the heat insulating container surrounds the rotor, and the side surface of the main body portion. A cylindrical portion that protrudes in a horizontal direction; and a bearing portion that rotatably penetrates the rotating shaft at a distal end side of the cylindrical portion, and at least a bottom surface side of the cylindrical portion is a taper that is inclined downward toward the main body portion. Surface, and
A liquid refrigerant is stored in a lower part of the heat insulating container, a part of the rotor is immersed in the liquid refrigerant, and the liquid refrigerant is scattered in the heat insulating container by the rotation of the rotor. Superconducting motor device.
前記ノズルから前記液体冷媒を前記断熱容器内に供給する一方、前記ガス排出口から昇温気化された冷媒を排出する構成としている請求項1または請求項2に記載の超電導モータ装置。 A nozzle connected to a tank for storing the liquid refrigerant is installed at the top of the heat insulating container, and a gas discharge port is provided in the heat insulating container.
3. The superconducting motor device according to claim 1, wherein the liquid refrigerant is supplied from the nozzle into the heat insulating container, and the refrigerant which has been heated and vaporized is discharged from the gas discharge port.
前記静翼の中心には前記回転軸を遊嵌する貫通穴を設けていると共に、前記静翼の下端には連通孔を切り欠いており、前記動翼と前記静翼とを軸線方向に交互に配置し、
前記動翼および前記静翼は、前記本体部側に配置される第1グループと、前記軸受部側に配置される第2グループとにグループ分けして取り付けており、
前記第1グループは流れ方向が前記本体部に向くように前記動翼および前記静翼を配置する一方、前記第2グループは流れ方向が前記軸受部側に向くように前記動翼および前記静翼を配置している請求項1乃至請求項4のいずれか1項に記載の超電導モータ装置。 A rotating blade is fitted and fixed to the rotating shaft located in the cylindrical portion with a gap from the inner wall of the cylindrical portion, and a stationary blade that closes the flow path of the cylindrical portion is provided in the cylindrical portion. Attached to the inner wall,
A through hole for loosely fitting the rotating shaft is provided at the center of the stationary blade, and a communication hole is cut out at the lower end of the stationary blade, so that the moving blade and the stationary blade are alternately arranged in the axial direction. Placed in
The moving blades and the stationary blades are grouped and attached to a first group disposed on the main body portion side and a second group disposed on the bearing portion side,
The first group arranges the moving blades and the stationary blades so that the flow direction faces the main body portion, while the second group arranges the moving blades and the stationary blades such that the flow direction faces the bearing portion side. The superconducting motor device according to any one of claims 1 to 4, wherein:
前記ロータに固定された前記回転軸を前記ステータに回転自在に貫通し、
前記ロータおよび前記ステータに取り付けられたコイルの磁束方向を軸線方向に向けて配置するアキシャルギャップ構造とし、かつ、
前記ステータに常電導材からなる電機子コイルを取り付け、前記ロータと回転軸のみを包囲する断熱容器を挟んで前記ロータと前記ステータとを対向配置している請求項1乃至請求項8のいずれか1項に記載の超電導モータ装置。 The stator is arranged opposite to the required gap in the axial direction of the rotor,
The rotation shaft fixed to the rotor passes through the stator rotatably,
An axial gap structure in which a magnetic flux direction of a coil attached to the rotor and the stator is arranged in an axial direction; and
9. The stator according to claim 1, wherein an armature coil made of a normal conducting material is attached to the stator, and the rotor and the stator are arranged opposite to each other with a heat insulating container surrounding only the rotor and the rotating shaft. 2. A superconducting motor device according to item 1 .
前記ロータおよび前記ステータに取り付けられたコイルの磁束方向を径方向に向けて配置するラジアルギャップ構造とし、かつ、
前記ステータに常電導材からなる電機子コイルを取り付け、前記ロータと回転軸のみを包囲する断熱容器を挟んで前記ロータの外周に前記ステータを配置している請求項1乃至請求項8のいずれか1項に記載の超電導モータ装置。 Providing a stator that surrounds the outer periphery of the rotor with a required gap;
A radial gap structure in which a magnetic flux direction of a coil attached to the rotor and the stator is arranged in a radial direction; and
9. The stator according to claim 1, wherein an armature coil made of a normal conducting material is attached to the stator, and the stator is disposed on the outer periphery of the rotor with a heat insulating container surrounding only the rotor and the rotating shaft. 2. A superconducting motor device according to item 1 .
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