JP5076102B2 - アウターローター型同期機及び同期装置 - Google Patents

Description

本発明は、電機子の極性変化と回転子の回転とが同期して回転する同期機のうち、特にアウターローター型同期機及びこれを備える同期装置に関する。

固定子の周りを回転するドラム側に永久磁石を用いたアウターローター型同期機は、径方向に対する小形化、薄型化に適することから、電動機として使用した場合には、比較的高トルクを得やすい（例えば、特許文献１参照）。
このような同期機において高トルクを得るためには、永久磁石の磁力を高める必要がある。しかし、同期機を停止した状態でも永久磁石は磁力を発生することから、メンテナンス等の際に、金属部品が永久磁石に吸引されてしまい取り扱いが面倒となる場合がある。

一方、永久磁石の代わりにコイルを用いて通電によって磁界を発生させて大きな回転力を得る場合、コイルに大量の電流を流す必要があることから、コイルを含めた同期機全体が大型化してしまう。
そこで、同期機の小型化を図るために、コイルの線材が超電導材からなる超電導コイルとした同期機が開発されている（例えば、特許文献２参照。）。
特開２００２−３５４７７０号公報 特開平４−３０４１５９号公報

しかしながら、上述したアウターローター型同期機が有する永久磁石の代わりに超電導コイルを使用する場合、回転子側に超電導コイルを配することになるので、回転運動を伴う超電導コイルに給電又は超電導コイルから配電するための構造や超電導コイルを冷却するための構造が複雑、かつ、大型になってしまうという問題がある。特に、電動機として使用する際、低回転でも高出力を得るためには、ギア等を介して駆動伝達させる必要があり、同期機全体の小型化を図ることが困難である。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、低回転でも高出力又は高い発電効率が得られ、かつ、給電又は配電構造及び超電導コイルの冷却構造を簡略化することができるアウターローター型同期機及びこれを備える同期装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明では、アウターローター型同期機に係る第１の解決手段として、中心部に配された軸部と、該軸部に対して固定され、Ｎ極及びＳ極を形成する界磁コイルが配された界磁側固定子と、前記界磁コイルが形成するＮ極に対向して配されたＮ極誘導子、及び前記界磁コイルが形成するＳ極に対向して配されたＳ極誘導子を有して、前記軸部に対して回転する中空のドラムと、前記軸部に対して固定され、前記Ｎ極誘導子及び前記Ｓ極誘導子に回転磁界を作用させる電機子コイルが配された電機子側固定子とを備え、前記界磁コイル及び前記電機子コイルが超電導コイルであることを特徴とすることを特徴とする手段を採用する。

この手段は、界磁コイルのＮ極発生位置とＮ極誘導子とが対向してＮ極誘導子にＮ極を誘導し、界磁コイルのＳ極発生位置とＳ極誘導子とが対向してＳ極誘導子にＳ極を誘導することができ、電機子コイルが発生させる回転磁界との間でドラムに軸部に対する回転力を発生させることができる。この際、界磁コイル及び電機子コイルが超電導コイルなので、コイルに電流が流れても発熱量を抑えることができる。また、中心部の軸部に対してドラムを回転させることになるので、界磁コイル及び電機子コイルを固定して配置することができ、界磁コイル及び電機子コイルへの給電又は配電や冷却の際に、スリップリングやロータリージョイント等の摺動部材や回転継手部材の使用を止めることができる。さらに、界磁コイルによってＮ極誘導子及びＳ極誘導子に常に一定の磁極をそれぞれ誘導させることができ、各誘導子を永久磁石の代わりに使用することができる。

アウターローター型同期機に係る第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、前記軸部が中空に形成され、前記界磁コイル及び前記電機子コイルと電気的に接続された電気配線が前記軸部内を挿通されていることを特徴とする手段を採用する。
この手段は、コイルと接続された電気配線を軸部内に配することができ、同期機周囲を軽装化することができる。

アウターローター型同期機に係る第３の解決手段として、上記第２の解決手段において、前記界磁コイル及び前記電機子コイルを冷却するための冷媒が、前記軸部内に配された冷却配管を介して供給されることを特徴とする手段を採用する。
この手段は、コイルを冷却するための冷媒が流通する配管系統を軸部内に配することができ、同期機周囲を軽装化することができる。

アウターローター型同期機に係る第４の解決手段として、上記第１から第３の解決手段の何れか一つにおいて、前記Ｎ極誘導子及び前記Ｓ極誘導子が、前記界磁側固定子と前記電機子側固定子との間に挟まれて配され、前記界磁側固定子と前記電機子側固定子とが、互いにそれぞれ前記軸部に沿って一定の間隔を設けて、前記ドラム内に配されていることが好ましい。

アウターローター型同期機に係る第５の解決手段として、上記第１から第３の解決手段の何れか一つにおいて、前記Ｎ極誘導子と前記Ｓ極誘導子とが、前記界磁側固定子を間に挟んで前記ドラムの一端側と他端側とにそれぞれ分かれて周方向に複数配され、前記界磁側固定子と、前記Ｎ極誘導子又は前記Ｓ極誘導子と、前記電機子側固定子とが、前記ドラム内に配されていることが好ましい。

同期装置に係る解決手段として、上記第１から第５の解決手段の何れか一つに記載のアウターローター型同期機を備え、前記ドラムの回転力を外部に、又は、前記ドラムに回転力を伝達する回転力伝達部材が、前記ドラムに配されていることを特徴とする。

この手段は、超電導コイルである界磁コイル及び電機子コイルを備えているので、アウターローター型同期機を電動機として使用する場合には、多大な電流を流さなくても低速で高トルクを発生させることができ、ギア等を省いて効率を高めることができる。また、アウターローター型同期機を発電機として使用する場合には、発電効率を向上させることができる。

本発明によれば、低回転でも高出力が得られ、かつ、超電導材からなる界磁コイル及び電機子コイルへの給電又は電機子コイルからの配電、及びこれらコイルの冷却構造を簡略化することができる。

本発明の第１の実施形態について、図１から図３を参照して説明する。
本発明の第１の実施形態に係るアウターローターモータ（アウターローター型同期機）１は、図１に示すように、ジブクレーン（同期装置）２の巻上げ機３に駆動源として配されている。巻上げ機３には、先端にフック５が配されたワイヤ（回転力伝達部材）６が巻回されている。

アウターローターモータ１は、図２及び図３に示すように、中心軸線Ｃに沿って配された軸部７と、互いに対向するように左右対称に配されて軸部７に対して固定され、Ｎ極及びＳ極が同心円上に形成される界磁コイル８が配された一対の界磁側固定子１０Ａ，１０Ｂと、磁性体からなり界磁コイル８が形成するＮ極に対向して配されて磁化されるＮ極誘導子１１、及び磁性体からなり界磁コイル８が形成するＳ極に対向して配されて磁化されるＳ極誘導子１２を有して、軸部７に対して回転する中空のドラム１３と、Ｎ極誘導子１１及びＳ極誘導子１２に対向する電機子コイル１５を有して一対の界磁側固定子１０Ａ，１０Ｂに挟まれて配された電機子側固定子１６とを備えている。

軸部７は、中空に形成されており、界磁コイル８及び電機子コイル１５と電気的に接続された電気配線１７が軸部７内を挿通されている。
Ｎ極誘導子１１及びＳ極誘導子１２は、界磁側固定子１０Ａと電機子側固定子１６との間及び界磁側固定子１０Ｂと電機子側固定子１６との間にそれぞれ挟まれて配されている。一対の界磁側固定子１０Ａ，１０Ｂと、Ｎ極誘導子１１又はＳ極誘導子１２と、電機子側固定子１６とは、互いにそれぞれ軸部７に沿って一定の間隔を設けて、ドラム１３内に配されている。

一対の界磁側固定子１０Ａ，１０Ｂは、パーメンダー、珪素鋼板、鉄、パーマロイ等の磁性体からなり、設置面に固定されるヨーク１８と、ヨーク１８に埋設されて互いに対向して配された断熱冷媒容器２０とを備えている。ヨーク１８は、円板状に形成され、中心部には軸部７と嵌合する貫通孔１８ａが配されている。

断熱冷媒容器２０は、軸部７との接続位置を中心としてヨーク１８に凹状に形成された円周溝１８ｂに沿って配されている。界磁コイル８は、ビスマス系、イットリウム系といった超電導材から構成されており、円周溝１８ｂに沿って巻回されて断熱冷媒容器２０内に収納されている。

ドラム１３は、円筒状の筐体部２１と、筐体部２１の一端及び他端に配され、軸部７よりも大径の貫通孔２２ａが中心部に配された側壁部２２Ａ，２２Ｂと、円盤形状とされてＦＲＰやステンレス等の非磁性体からなり、周縁部が筐体部２１の内周面と接続された一対の回転子本体２３Ａ，２３Ｂとを備えている。筐体部２１の外周面端部には、ワイヤ６が外周面からずれないように支持板２１Ａが配されている。

Ｎ極誘導子１１は、軸部７に対して点対称となる位置に、一対の回転子本体２３Ａ，２３Ｂの板幅方向に貫通して形成されている。この際、Ｎ極誘導子１１の一端面１１ａが、界磁コイル８のＮ極発生位置と対向するように、かつ、他端面１１ｂが、電機子コイル１５と対向するように配されている。

Ｓ極誘導子１２は、軸部７に対して点対称となる位置、かつ、Ｎ極誘導子１１とは９０度の位相差を有する位置に、一対の回転子本体２３Ａ，２３Ｂの板幅方向に貫通して形成されている。この際、Ｓ極誘導子１２の一端面１２ａが、界磁コイル８のＳ極発生位置と対向するように、かつ、他端面１２ｂが、電機子コイル１５と対向するように配されている。なお、Ｎ極誘導子１１及びＳ極誘導子１２は、パーメンダー、珪素鋼板、鉄、パーマロイ等の磁性体から構成されている。

筐体部２１の外周面には、軸部７に対するドラム１３の回転力を外部に伝達するワイヤ６が、巻回されている。
側壁部２２Ａ，２２Ｂの貫通孔２２ａには、軸部７に対してドラム１３を回転可能に接続させるための軸受２５が配されている。

電機子側固定子１６は、ＦＲＰやステンレス等の非磁性体からなる円板状の固定子本体２６を備えている。固定子本体２６の中心部には、軸部７と嵌合する貫通孔２６ａが配されている。固定子本体２６の同心円上には、断熱冷媒容器２０が複数、かつ等間隔に埋設されている。この断熱冷媒容器２０内には、ビスマス系、イットリウム系といった超電導材からなる電機子コイル１５が配されている。電機子コイル１５の中空部には、大きな界磁磁束密度を得るために、パーメンダー、珪素鋼板、鉄、パーマロイ等の高透磁性材料からなる円柱状磁性体２７が配されている。

電気配線１７は、直流用の直流電気配線２８及び交流用の交流電気配線３０とを備えている。界磁コイル８には、軸部７の一端７ａ側に配された直流電源３１が直流電気配線２８を介して接続されている。また、電機子コイル１５には、軸部７の一端７ａ側に配された交流電源３２が交流電気配線３０を介して接続されている。
断熱冷媒容器２０には、軸部７の一端７ａ側に配されて液体窒素を冷媒とする冷却器３３が冷却配管３５を介して接続されている。この冷却器３３は、不図示の駆動電源と接続されている。電気配線１７及び冷却配管３５は、軸部７内を挿通されている。

次に、本実施形態に係るアウターローターモータ１及びこれを搭載したジブクレーン２の巻上げ機３に関する作用・効果について説明する。
まず、冷却器３３を駆動して、界磁コイル８及び電機子コイル１５をそれぞれ液体窒素によって冷却して超電導状態とする。

次に、直流電源３１から直流電流を界磁コイル８に流す。このとき、例えば、界磁側固定子１０Ａでは、界磁コイル８の径方向外側にＮ極及び径方向内側にＳ極が形成され、界磁側固定子１０Ｂでは、界磁コイル８の径方向内側にＮ極及び径方向外側にＳ極が形成される。このように、一対の界磁側固定子１０Ａ，１０Ｂでは、直流電流の向きに応じてそれぞれ異なる磁極の向きを発生させる。これによって、電機子側固定子１６と対向するＮ極誘導子１１の一端面１１ａにはＳ極が誘導され、Ｎ極誘導子１１の他端面１１ｂにはＮ極が導出される。
一方、電機子側固定子１６と対向するＳ極誘導子１２の一端面１２ａにはＮ極が誘導され、Ｓ極誘導子１２の他端面１２ｂにはＳ極が導出される。

この状態で、交流電源３２から三相交流を電機子コイル１５に流す。このとき、三相間の位相差によって、電機子コイル１５には軸部７のまわりに回転する回転磁界が発生する。この回転磁界がＮ極誘導子１１及びＳ極誘導子１２に対して、一対の回転子本体２３Ａ，２３Ｂ間で同一方向の軸部７回りの回転力を発生させる。
こうして、ドラム１３が軸部７の回りを回転し、ドラム１３の筐体部２１の外周に巻回されたワイヤ６を巻上げ又は引き出すことによって、ワイヤ６の先端に配されたフック５を上下させる。

このアウターローターモータ１によれば、界磁コイル８のＮ極発生位置とＮ極誘導子１１とが対向してＮ極誘導子１１にＮ極を誘導し、界磁コイル８のＳ極発生位置とＳ極誘導子１２とが対向してＳ極誘導子１２にＳ極を誘導することができ、電機子コイル１５が発生させる回転磁界との間で回転力を発生させることができる。この際、界磁コイル８及び電機子コイル１５が超電導コイルなので、導通抵抗値が小さくても電流を多く流すことができ、コイルに電流が流れても発熱量を抑えることができる。

また、中心部の軸部７に対してドラム１３を回転させることになるので、界磁コイル８及び電機子コイル１５を固定して配置することができる一方、給電の必要のないＮ極誘導子１１及びＳ極誘導子１２を回転させることができる。そのため、界磁コイル８及び電機子コイル１５への給電や冷却の際に、スリップリングやロータリージョイント等の摺動部材や回転継手部材の使用を止めることができる。さらに、界磁コイル８によってＮ極誘導子１１及びＳ極誘導子１２に常に一定の磁極をそれぞれ誘導させることができ、各誘導子１１，１２を永久磁石の代わりに使用することができる。
従って、低回転でも高出力が得られ、かつ、超電導材からなる界磁コイル８及び電機子コイル１５への給電、及びこれらコイルの冷却構造を簡略化することができる。

さらに、軸部７が中空なので、界磁コイル８や電機子コイル１５に給電するための電気配線１７や、界磁コイル８や電機子コイル１５を冷却するための冷媒を流通させる冷却配管３５を軸部７内に配することができる。従って、アウターローターモータ１の周辺を軽装化することができる。

また、このジブクレーン２によれば、巻上げ機３にアウターローターモータ１が配されて、超電導コイルである界磁コイル８及び電機子コイル１５を備えているので、多大な電流を流さなくても低速で高トルクを発生させることができ、ギア等を省いて効率を高めることができる。また、巻上げ時の騒音を通常のモータよりも低減することができる。

次に、第２の実施形態について図４を参照して説明する。
なお、上述した第１の実施形態と同様の構成要素には同一符号を付すとともに説明を省略する。
第２の実施形態と第１の実施形態との異なる点は、本実施形態に係るアウターローターモータ４０のＮ極誘導子４１とＳ極誘導子４２とが、中心軸線Ｃの方向に界磁側固定子４３を間に挟んでドラム４５の一端４５ａ側と他端４５ｂ側とにそれぞれ分かれて、ドラム４５に係る筐体部２１の内周面の周方向に等間隔に八個ずつ配されているとした点である。

界磁側固定子４３は、円環状に形成され、ドラム４５の軸方向中央部に配されたヨーク４６と、ヨーク４６に沿って配された断熱冷媒容器２０とを備えている。
断熱冷媒容器２０は、ヨーク４６に沿って配されている。界磁コイル８は、断熱冷媒容器２０内に配されている。

Ｎ極誘導子４１の一端面４１ａは、界磁コイル８のＮ極発生位置と対向して配され、他端面４１ｂは、後述する磁性体延長部４８Ａと対向するように配される。一方、Ｓ極誘導子４２の一端面４２ａは、界磁コイル８のＳ極発生位置と対向して配され、他端面４２ｂは、後述する磁性体延長部４８Ｂと対向するように配される。

電機子側固定子４７は、円柱状磁性体２７の両端に一端面４８ａがそれぞれ対向するとともに、他端面４８ｂが径方向からＮ極誘導子４１又はＳ極誘導子４２に対向する一対の磁性体延長部４８Ａ，４８Ｂを備えており、軸部７の軸方向中央部の周方向に等間隔に六個配されている。電機子コイル１５は、固定子本体５０内に配されている。

磁性体延長部４８Ａの一端面４８ａは、電機子コイル１５の円柱状磁性体２７と対向して配され、他端面４８ｂは、Ｎ極誘導子４１の他端面４１ｂと対向するように配されている。一方、磁性体延長部４８Ｂの一端面４８ａは、電機子コイル１５の円柱状磁性体２７と対向して配され、他端面４８ｂは、Ｓ極誘導子４２の他端面４２ｂと対向するように配されている。
界磁側固定子４３と、Ｎ極誘導子４１又はＳ極誘導子４２と、電機子側固定子４７とは、ドラム４５内に配されている。

次に、本実施形態に係るアウターローターモータ４０及びこれを搭載した図示しないジブクレーンの巻上げ機に関する作用・効果について説明する。
まず、冷却器３３を駆動して、界磁コイル８及び電機子コイル１５をそれぞれ液体窒素によって冷却して超電導状態とする。

次に、直流電源３１から直流電流を界磁コイル８に流す。このとき、界磁コイル８の軸方向の端面にＮ極及びＳ極がそれぞれ形成される。これによって、界磁コイル８のＮ極発生位置と対向するＮ極誘導子４１の一端面４１ａにはＳ極が誘導され、他端面４１ｂにはＮ極が導出される。一方、界磁コイル８のＳ極発生位置と対向するＳ極誘導子４２の一端面４２ａにはＮ極が誘導され、他端面４２ｂにはＳ極が導出される。

この状態で、交流電源３２から三相交流を電機子コイル１５に流す。このとき、三相間の位相差によって、円柱状磁性体２７のまわりに回転する回転磁界が発生する。この回転磁界は、電機子コイル１５に対向する一対の磁性体延長部４８Ａ，４８Ｂの一端面４８ａから一対の磁性体延長部４８Ａ，４８Ｂに導入されて、他端面４８ｂに導出される。

この際、Ｎ極誘導子４１及びＳ極誘導子４２は、円周上に等間隔に八個ずつ配され、電機子コイル１５は、一対の磁性体延長部４８Ａ，４８Ｂを介してＮ極誘導子４１及びＳ極誘導子４２と対向するように円周上に等間隔に六個配されているので、Ｎ極誘導子４１及びＳ極誘導子４２と電機子コイル１５とは一部が重なり合うようにして対向する。従って、電機子コイル１５に発生する回転磁界がＮ極誘導子４１及びＳ極誘導子４２に対して、軸部７回りの回転力を発生させる。

こうして、ドラム４５が軸部７の回りを回転し、ドラム４５の筐体部２１の外周に巻回されたワイヤ６を巻上げ又は引き出すことによって、ワイヤ６の先端に配されたフック５を上下させる。
このアウターローターモータ４０によれば、第１の実施形態に係るアウターローターモータ１よりも外径を小さくすることができ、同様の作用・効果を奏することができる。

なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記実施形態では、アウターローター型同期機をアウターローターモータとしているが、アウターローター型の発電機として使用しても構わない。この場合、界磁コイル８に直流電流を通電した状態でドラム１３，４５に配されたワイヤ６により、軸部７に対してドラム１３，４５を回転させることによって、電機子コイル１５に回転磁界を発生させて交流電流を生じさせることができる。

また、同期装置としてはジブクレーン２に限らず、図５に示すようなロープ式のエレベータ５２としても構わない。この場合、エレベータ５２の巻上げ機５３に図示しないアウターローターモーターが配され、つりあいおもり５５にロープ５６によって連結されたかご５７を昇降させても構わない。

さらに、同期装置として、図６に示すような、エスカレータ５８としても構わない。この場合、エスカレータ５８の電動機としてアウターローターモータ６０が配され、駆動チェーン６１を介して踏段６２や移動手すり６３を駆動させても構わない。
また、同期装置はこれらに限らず、発電機として風力発電機に使用してもよく、電動機として動く歩道や、ベルトコンベアに使用しても構わない。

本発明の第１の実施形態に係るジブクレーンを示す全体概要図である。 本発明の第１の実施形態に係るアウターローターモータを示す一部断面斜視図である。 本発明の第１の実施形態に係るアウターローターモータの内部構造を示す断面概略図である。 本発明の第２の実施形態に係るアウターローターモータの内部構造を示す断面概略図である。 本発明の他の実施形態としてのエレベータを示す概略図である。 本発明の他の実施形態としてのエスカレータを示す概略図である。

符号の説明

１，４０ アウターローターモータ（アウターローター同期機）、２ ジブクレーン（同期装置）、７ 軸部、８ 界磁コイル、１０Ａ，１０Ｂ，４３ 界磁側固定子、１１，４１ Ｎ極誘導子、１２，４２ Ｓ極誘導子、１３，４５ ドラム、１５ 電機子コイル、１６，４７ 電機子側固定子、１７ 電気配線、３５ 冷却配管、５２ エレベータ（同期装置）、５８ エスカレータ（同期装置）

Claims (5)

1. 中心部に配された軸部と、
   該軸部に対して固定され、Ｎ極及びＳ極を形成する界磁コイルが配された界磁側固定子と、
   前記界磁コイルが形成するＮ極に対向して配されたＮ極誘導子、及び前記界磁コイルが形成するＳ極に対向して配されたＳ極誘導子を有して、前記軸部に対して回転する中空のドラムと、
   前記軸部に対して固定され、前記Ｎ極誘導子及び前記Ｓ極誘導子に回転磁界を作用させる電機子コイルが配された電機子側固定子とを備え、
   前記界磁コイル及び前記電機子コイルが超電導コイルであり、
   前記Ｎ極誘導子及び前記Ｓ極誘導子が、前記界磁側固定子と前記電機子側固定子との間に挟まれて配され、
   前記界磁側固定子と前記電機子側固定子とが、互いにそれぞれ前記軸部に沿って一定の間隔を設けて、前記ドラム内に配されていることを特徴とするアウターローター型同期機。
2. 中心部に配された軸部と、
   該軸部に対して固定され、Ｎ極及びＳ極を形成する界磁コイルが配された界磁側固定子と、
   前記界磁コイルが形成するＮ極に対向して配されたＮ極誘導子、及び前記界磁コイルが形成するＳ極に対向して配されたＳ極誘導子を有して、前記軸部に対して回転する中空のドラムと、
   前記軸部に対して固定され、前記Ｎ極誘導子及び前記Ｓ極誘導子に回転磁界を作用させる電機子コイルが配された電機子側固定子とを備え、
   前記界磁コイル及び前記電機子コイルが超電導コイルであり、
   前記Ｎ極誘導子と前記Ｓ極誘導子とが、前記界磁側固定子を間に挟んで前記ドラムの一端側と他端側とにそれぞれ分かれて周方向に複数配され、
   前記界磁側固定子と、前記Ｎ極誘導子又は前記Ｓ極誘導子と、前記電機子側固定子とが、前記ドラム内に配されていることを特徴とするアウターローター型同期機。
3. 前記軸部が中空に形成され、
   前記界磁コイル及び前記電機子コイルと電気的に接続された電気配線が前記軸部内を挿通されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のアウターローター型同期機。
4. 前記界磁コイル及び前記電機子コイルを冷却するための冷媒が、前記軸部内に配された冷却配管を介して供給されることを特徴とする請求項３に記載のアウターローター型同期機。
5. 請求項１から４の何れか一つに記載のアウターローター型同期機を備え、
   前記ドラムの回転力を外部に、又は、前記ドラムに回転力を伝達する回転力伝達部材が、前記ドラムに配されていることを特徴とする同期装置。

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