JP5471806B2

JP5471806B2 - 超電導モータ

Info

Publication number: JP5471806B2
Application number: JP2010112147A
Authority: JP
Inventors: 良治水谷; 義正大橋; 暢朗奥村; 賢司石田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2010-05-14
Filing date: 2010-05-14
Publication date: 2014-04-16
Anticipated expiration: 2030-05-14
Also published as: JP2011244536A

Description

本発明は、超電導モータに関し、特に、超電導線材からなるコイルを冷却する冷凍機を備えた超電導モータに関する。

従来、冷凍機を備えた超電導モータとして図１１に示すものが知られている。この超電導モータ１００は、支持台１１０上に載置されている。超電導モータ１００は、ロータシャフト１０２の両端部が回転可能に支持された円柱状のロータ１０４と、ロータ１０４の外周を覆って設けられた略円筒状のステータ１０６とを備える。ロータ１０４の外周面には、複数の永久磁石１０７が周方向に等間隔で配置されている。

ステータ１０４は、略円筒状をなす鉄心であるステータコア１０８を含む。ステータコア１０８には、径方向内側へ突出する複数のティース部１１２が円周方向に等間隔に形成されている。各ティース部１１２の周囲には、超電導線材を巻回してなるコイル１１４がそれぞれ配置されている。各コイル１１４は、２つ置きごとのコイルと直列接続されてＵ，Ｖ，Ｗの各相コイルを構成する。各相コイルの一方端は、図示しない中性点において互いに接続され、各コイルの他方端は電流導入線１１５を介して各相電流導入端子１１６にそれぞれ接続されている。

ロータ１０４およびステータ１０６を含む超電導モータは、内部が真空状態に保持されるモータケース１１８内に収容されている。モータケース１１８には、フランジ部１２０を介して冷凍機１２２が連結されている。冷凍機１２２は、冷媒ガスの圧縮および膨張を行うガス圧縮機１２４と、ガス圧縮機１２４からフランジ部１２０を貫通してモータケース１１８内へ延伸する段付き柱状の冷却部１２６とを有する。この冷却部１２６の先端は、伝熱部材１２８に接触されている。図５において、伝熱部材１２８がクロスハッチングにより示されている。

伝熱部材１２８は、熱伝導性が良好な金属材料から好適に形成されることができる。冷凍機１２２の冷却部１２６の先端と接触する側とは反対側の伝熱部材１２８の表面は、円柱状をなすステータコア１０８の外周面に密着するように凹んだ湾曲面として形成されている。これにより、超電導モータ１００の各コイル１１４は、冷凍機１２２の冷却部１２６により、伝熱部材１２８およびステータコア１０８を介して所望の極低温まで冷却され、直流電流に対する抵抗が存在しない超電導状態となる。

ここで、例えば特開平６−３２５６３０号公報（特許文献１）には、酸化物超電導材料からなる導体コアと、この導体コアの周囲に形成された良導電性金属からなる被覆材を有する超電導線材であって、前記被覆材金属に非超電導性金属酸化物を分散した複合材とすることが記載されている。

特開平６−３２５６３０号公報

上述したように図１１に示す冷凍機を備えた超電導モータでは、冷凍機の冷却部により伝熱部材およびステータコアを介して超電導線材からなるコイルを所望の極低温に冷却する構造になっているため、特に熱容量が大きなステータコアを介してすべてのコイルを目標温度まで冷却するのに時間がかかっていた。また、冷凍機の冷却部に接触された伝熱部材がステータコアの外周面の一部にだけ接触されていることから、この接触部分から径方向に対向する位置にあるステータコアの部分およびそこに配置されたコイルまで一様に冷却するのは容易ではなく、各部の熱伝導率によっては周方向や軸方向について大きな温度勾配が発生することがあった。

また、上記特許文献１は、酸化物超電導線材を巻回して形成されるコイルを組み込んだ超電導モータにおいて、コイルをいかに効率よく冷却するかについての具体的方策を提供するものではない。

本発明の目的は、超電導線材からなる複数のコイルを所望の極低温に効率よく迅速に冷却することが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、回転可能に支持されたロータと、前記ロータの周囲に設けられ、超電導線材からなる複数のコイルがステータコア内周部に巻装されているステータと、前記コイルを冷却する冷却部を有する冷凍機とを備える超電導モータであって、前記超電導線材は長手方向にそれぞれ延在する超電導層および前記超電導層の少なくとも一方面を覆って接合された被覆層を有し、前記被覆層は前記超電導層よりも熱伝導性が良好な材料で形成されるとともに前記超電導層との接触面積が前記一方面における平面接触の場合よりも大きくなるように構成されており、前記超電導線材からなるコイルは、前記コイルの軸方向端部であるコイルエンド部において前記被覆層が前記冷凍機の冷却部に伝熱部材を介して接触して冷却されていること特徴とする。

本発明に係る超電導モータにおいて、前記複数のコイルは複数相のコイルを構成するとともに、前記複数相コイルの各一端部は互いに電気接続される中性点において前記冷凍機の冷却部に接続されてもよい。

この場合、前記中性点において、前記複数相コイルの各一端部は直接に接続されておらず、導電性部材である前記冷却部を介して互いに電気接続されてもよい。

また、この場合、前記中性点はモータ軸方向に関して前記コイルの軸方向端部であるコイルエンド部に設けられ、前記コイルエンド部において前記複数のコイルの各一端部が前記冷凍機の冷却部に接続されるよう前記冷凍機が配置されてもよい。

さらに、この場合、前記コイルについてモータ軸方向端部に位置するコイルエンド部に接触して設けられる環状の伝熱部材を有し、前記冷凍機の冷却部は前記複数のコイルのコイルエンド部において前記伝熱部材を介して前記コイルを構成する超電導線材の被覆層に接触するように配置されてよい。

また、本発明に係る超電導モータにおいて、前記超電導層と前記被覆層とが凹凸形状の接合面により接触していてもよいし、あるいは、前記被覆層は前記超電導層の三方面と接触していてもよい。

また、本発明に係る超電導モータにおいて、前記超電導線材における前記超電導層と前記被覆層の接触面積が、前記コイルを構成する超電導線材の直線部分よりも前記コイルを構成する超電導線材の曲がり部分の方が大きくなるように形成されていてもよい。

さらに、本発明に係る超電導モータにおいて、前記コイルは前記ステータコアの内周部に径方向内方へ突設されている複数のティースに巻装されるとともに、前記複数のティース間にはスロットが形成されており、前記超電導線材における前記超電導層と前記被覆層の接触面積が、前記スロット外に位置する超電導線材の部分よりも前記スロット内に位置する超電導線材の部分の方が大きくなるように形成されていてもよい。

本発明に係る超電導モータによれば、被覆層が超電導層と接触する面積は超電導層の一方面における平面接触の場合よりも大きくなるように構成されていることで、コイルを構成する超電導線材の超電導層を熱伝導性が良好な被覆材を介して効率よく迅速に冷却することができる。また、被覆層が超電導層と接触する面積が大きくなることで、超電導層と被覆層との接合強度が大きくなり、超電導線材を曲げたときに超電導層の結晶構造が変化するのを抑制する効果もある。

本発明の第１の実施の形態（以下、実施形態という）である超電導モータの軸方向に沿った断面図（一部側面を含む）である。図１におけるＡ−Ａ線断面図である。Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各相コイルが中性点で電気接続される状態を模式的に示す図である。中性点において各相コイルの各一端部が冷凍機の冷却部に接続される状態を示す図である。図４Ａ中の矢印Ｂ方向から見た様子を示す図である。超電導線材において超電導層と被覆層とが三角凹凸形状の接合面により接触する例を示す図である。超電導線材において超電導層と被覆層とが矩形凹凸形状の接合面により接触することにより図５Ａに示すものよりも接触面積を大きくした例を示す図である。超電導線材において被覆層が超電導層の三方面と接触する例を示す図である。超電導層と被覆層の接触面積が、直線部分よりも曲がり部分の方が大きくなるように形成されている超電導線材からなるコイルの例を示す図である。超電導層と被覆層の接触面積が、曲がり部分よりも直線部分の方が大きくなるように形成されている超電導線材からなるコイルの例を示す図である。本発明の第２の実施形態である超電導モータの軸方向に沿った断面図（一部側面を含む）である。図７に示す超電導モータにおいて、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各相コイルが２つの中性点でそれぞれ電気接続される状態を模式的に示す図である。本発明の第３の実施形態である超電導モータの軸方向に沿った断面図（一部側面を含む）である。本発明の第４の実施形態である超電導モータの軸方向に沿った断面図（一部側面を含む）である。冷凍機を備えた超電導モータの従来例を示す図である。

以下に、本発明に係る実施の形態について添付図面を参照しながら詳細に説明する。この説明において、具体的な形状、材料、数値、方向等は、本発明の理解を容易にするための例示であって、用途、目的、仕様等にあわせて適宜変更することができる。

図１は、本発明の第１の実施形態である超電導モータ１０をその軸方向に沿った断面（一部側面を含む）で示す。また、図２は、図１におけるＡ−Ａ線に沿った断面図（ステータコアのハッチング省略）である。超電導モータ１０は、回転可能に支持されたロータ１２と、ロータ１２の外周を覆って設けられる略円筒状のステータ１４と、超電導モータ１０の軸方向一端面に固定された冷凍機１６とを備える。ここでの説明において、ロータ１２の中心を貫通するロータシャフト１８の回転中心軸Ｘに関し、これに沿う方向を軸方向（モータ軸方向）といい、回転中心軸Ｘと直交する放射方向を径方向といい、回転中心軸を中心点として描かれる円形に沿う方向を周方向という。

ロータ１２は、例えば電磁鋼板を積層してカシメや溶接等により一体に構成される円筒状のロータコア２０と、ロータコア２０の中心穴を貫通して固定された丸棒鋼材等からなるロータシャフト１８とを含む。ロータコア２０の外周面には、複数（本実施形態では６つ又は６箇所）の永久磁石２２が露出した状態で周方向に等間隔に固定されている。ただし、ロータコア２０に設けられる永久磁石は、外周面に露出していなくてもよく、外周面近傍の内部に埋設されてもよい。

ロータ１２のロータシャフト１８は、その両端部１９ａ，１９ｂにおいて、超電導モータ１０の軸方向両端面を形成する円盤状のエンドプレート２４，２６に固定された軸受部材２８によって回転可能に支持されている。これにより、ステータ１４の内部に回転磁界が形成されると、これに伴ってロータコア２０の永久磁石２２がひきつけられて、ロータ１２が回転駆動されるようになっている。

ステータ１４は、略円筒状をなす固定子鉄心であるステータコア３０を含む。ステータコア３０の内周部には、径方向内側へ突出する複数（本実施形態では９つ）のティース部３２が周方向に等間隔に形成されており、ティース部３２間には軸方向に延伸する空間からなるスロット３３が形成いる。ステータコア３０は、例えば複数の略円環状の電磁鋼板を軸方向に積層してカシメ、接着、溶接等によって一体に組み付けて構成されることができる。ただし、ステータコア３０は、各々１つのティース部を有する９つの分割ステータコアを円環状に連ねて配置してその外側から筒状の締結部材により締め付けることによって構成されてもよい。上記分割ステータコアは、圧粉磁心により形成されることができる。

ステータコア３０のティース部３２には、超電導線材からなるコイル３４が巻装されている。超電導線材は、矩形断面形状を有するテープ状のものが好適に用いられる。また、超電導線材を構成する超電導材料は、例えば、イットリウム系超電導材料やビスマス系超電導材料などが好適に用いられる。ただし、超電導材料は、これらに限定されるものではなく、他の公知の超電導材料、あるいは、将来開発される、より高温で超電導特性を発現する超電導材料であってもよい。

コイル３４は、隣接するティース部３２間に形成されるスロット３３内に位置する部分３５と、ステータコア３０の軸方向両端面から外側へそれぞれ突出するコイルエンド部３６とを含む。たとえば三相同期型モータである超伝導モータ１０の各コイル３４は、２つ置きごとのコイル３４と直列接続されてＵ相，Ｖ相およびＷ相の各相コイルを構成する。図３に示すように、各相コイル３４Ｕ，３４Ｖ，３４Ｗの各一端部は、中性点７０において互いに電気接続され、各相コイル３４Ｕ，３４Ｖ，３４Ｗの他端部は各相電流導入端子７２Ｕ，７２Ｖ，７２Ｗにそれぞれ接続されている。中性点７０の構成、およびコイル３４を形成する超電導線材の構造については、後に詳述する。

図１，２を再び参照すると、超電導モータ１０は、円筒状のモータケース４０を有している。モータケース４０内に、ロータ１２およびステータ１４が収容されている。モータケース４０の軸方向の両端部は、エンドプレート２４，２６の外周縁部に気密状態で連結されている。モータケース４０およびエンドプレート２４，２６は、例えばステンレス等の非磁性材料から形成される。なお、モータケース４０は、エンドプレート２４または２６と一体のものとして形成されてもよい。

モータケース４０内には、各々円筒状をなす内筒部材４２および外筒部材４４がロータ１２と同心上に配置されている。内筒部材４２および外筒部材４４の軸方向両端部は、エンドプレート２４，２６の内面に気密状態を保持可能に連結されている。内筒部材４２は、磁界の通過を妨げず且つ非導電性である非金属材料により形成されるのが好ましい。一方、外筒部材４４は、低熱伝導率材料（例えばＦＲＰ等）で形成されるのが好ましく、低熱伝導率の非磁性材料で形成されるのがより好ましい。

内筒部材４２は、ロータ１２のロータコア２０よりも若干大きい内径を有し、ロータコア２０の外周面との間に周方向に一様な隙間が形成されている。また、内筒部材４２と外筒部材４４との間には、筒状空間からなる第１真空室４６が形成されている。第１真空室４６内には、コイル３４を含むステータ１４が収容されている。ステータ１４のステータコア３０の外周面が、外筒部材４４の内周面上に密着して固定されている。

第1真空室４６は、後述する冷凍機を含めて超電導モータ１０が組み立てられた後に、エンドプレート２４，２６の少なくとも何れかに形成された図示しない空気抜き穴から真空引きされて、真空状態に維持される。このように、熱伝導率が低い内筒部材４２および外筒部材４４で区画形成し、かつ、内部を真空とすることで、第１真空室４６内に収容されたコイル３４を含むステータ１４への断熱性を高めることができる。

さらに、外筒部材４４とモータケース４０との間には、筒状空間からなる第２真空室４８が形成されている。第２真空室４８もまた、第１真空室４６と同様に真空状態になっている。これにより、第１真空室４６内に収容されたコイル３４を含むステータ１４が第２真空室４８によってモータ外部と隔てられることで、コイル３４を含むステータ１４に対する断熱効果をより一層高めることができる。

超電導モータ１０において、軸方向の一端側に位置するエンドプレート２４には冷凍機１６が設けられている。冷凍機１６は、気密状態を確保しつつエンドプレート２４の貫通穴の周囲に固定された筒状のブラケット５０を介して取り付けられている。

冷凍機１６は、シリンダ５２内でピストン５４が直線的に往復移動して冷媒ガス（例えば、Ｈｅガス）の圧縮および膨張を繰り返し行うガス圧縮機５６をそれぞれ有する。また、冷凍機１６は、筒状のブラケット５０内からエンドプレート２４の貫通穴を介して第１真空室４６まで延伸した段付き円柱状外形を有する冷却部５８を備える。冷却部５８の平坦な先端面は、伝熱部材６０を介してコイルエンド部３６に接触している。ここで、コイルエンド部３６と伝熱部材６０との間、および、伝熱部材６０と冷却部５８との間の少なくともいずれか一方に絶縁紙等の絶縁部材を介在させて、コイル３４と冷凍機１６間の電気絶縁が確保されてもよい。

冷凍機１６は、超電導線材からなるコイル３４が超電導特性を発現する所望の極低温（例えば、約７０Ｋ）まで冷却可能な冷却性能を有し、ピストン５４のストロークを制御することによって冷却温度を調節することができる。超電導モータ１０が電気自動車等の電動車両に走行用動力源として搭載される場合、設置スペースの制約や車両重量の軽量化のため冷凍機１６は小型で軽量のものであることが好ましい。例えば、冷凍機１６には、フリー・ピストン・スターリング・クーラ（ＦＰＳＣ）が好適に用いられる。一方、設置スペースおよび重量の制約が緩い場合、例えば、超電導モータ１０が電車や船舶等の大型の移動体の動力源として、あるいは、設置位置が固定された機械の動力源として用いられる場合には、上記のような冷却性能を有する冷凍機であれば、体格が大きくて重い冷凍機であっても構わない。

冷凍機１６の冷却部５８の軸方向先端面が接触する伝熱部材６０は、例えば熱伝導性が良好な金属板で形成され、周方向に連なった円環状をなして軸方向一方側に位置する全てのコイルエンド部３６に接触している。一方、軸方向他方側に位置するコイルエンド部３６にも、同様の伝熱部材６０が配置されている。このように軸方向両端のコイルエンド部３６に円環状の伝熱部材６０がそれぞれ接触配置されていることで、周方向に配置される複数のコイル３４を迅速かつ均等に冷却するのに有効である。

伝熱部材６０のコイル対向面には、コイルエンド部３６が嵌合する凹部または溝が形成されている。このようにすることで、コイルエンド部３６と伝熱部材６０との接触面積が増加し、コイル３４の冷却効率を上げることができる。

また、伝熱部材６０は、絶縁性樹脂材料を成型することによってコイルエンド部３６に一体に形成されてもよい。これにより、コイル３４と冷凍機１６の冷却部５８間の電気絶縁性がより向上する。この場合、伝熱部材６０の熱伝導性を良好にするために、金属製の粒子または粉末を上記絶縁性樹脂材料に分散させるのが好ましい。

次に、図４Ａ，４Ｂを参照して、上記中性点７０の構造および上記超電導線材について説明する。図４Ａは、中性点７０において各相コイル３４Ｕ，３４Ｖ，３４Ｗを構成する超電導線材７４の各一端部７４Ｕ，７４Ｖ，７４Ｗが冷凍機１６の冷却部５８に接続される状態を示す図であり、図４Ｂは図４Ａ中の矢印Ｂ方向から見た様子を示す図である。

上記各相コイル３４Ｕ，３４Ｖ，３４Ｗの各一端部７４Ｕ，７４Ｖ，７４Ｗは、コイル３４の軸方向一方側端部であるコイルエンド部３６に引き出されている。そして、超電導線材７４の各一端部７４Ｕ，７４Ｖ，７４Ｗは、伝熱部材６０に形成された開口部６１を貫通して、冷凍機１６の冷却部５８の端部に形成された３つの嵌合穴５９にそれぞれ圧入されている。嵌合穴５９は、冷却部５８の端面上に正三角形の三辺に略相当する位置に形成されている。また、上記各一端部７４Ｕ，７４Ｖ，７４Ｗが嵌合穴５９内にそれぞれ挿入された後に冷却部５８をかしめる等によって接続状態を強固にして、超電導線材７４が冷却部５８から抜け出るのを防止するのが好ましい。

さらに、上記各相コイル３４Ｕ，３４Ｖ，３４Ｗの各一端部７４Ｕ，７４Ｖ，７４Ｗは、直接には電気接続されておらず、導電性部材である例えば銅製の冷却部５８を介して互いに電気接続されて中性点７０を構成している。三相交流モータにおいて三相コイルが互いに電気接続される中性点の電位は通常ではゼロであることから、上記のように導電性の冷却部５８を介して超電導線材７４の各一端部７４Ｕ，７４Ｖ，７４Ｗを互いに電気接続しても冷却部５８およびガス圧縮機５６に電流が流れることはない。ただし、例えばインバータのスイッチング素子のオープン故障等に起因してモータ電流に乱れが生じた場合に中性点電位がゼロでなくなることもあり得るので、そのようなときに冷却部５８からガス圧縮機５６へ電流が流れるのを阻止するための絶縁部材または絶縁構造を設けてもよい。

続いて、図５Ａ〜５Ｃを参照して、コイル３４を構成する超電導線材７４について説明する。また、図５Ａ〜５Ｃはいずれも、超電導線材を形成する超電導層８０と被覆層８２との接触面積を平面接触の場合よりも大きくした例を示す。

図５Ａを参照すると、超電導線材７４は、上述したように矩形断面形状を有するテープ状または帯状の超電導線材であり、基材７６、中間層７８、超電導層８０および被覆層８２をこの順序で積層して形成されている。

基材７６には、例えばハステロイ製テープ基材が好適に用いられる。この基材７６を長手方向に一定速度で搬送しながら上記中間層７８、超電導層８０および被覆層８２が順次に積層および接合されていく。

基材７６の表面には、例えばイオンビームアシスト蒸着法によって酸化物（例えば、Ｇｄ₂Ｚｒ₂Ｏ₇）からなる中間層７８が成膜される。次いで中間層７８の表面に、例えばイットリウム系酸化物またはビスマス系酸化物からなる超電導材料をパルスレーザ蒸着法によって成膜することにより超電導層８０が形成される。そして、超電導層８０の表面に、例えばレーザ加工によって三角状横断面の複数の溝８１を長手方向に沿って形成する。最後に、上記溝８１が形成された超電導層８０の表面に、例えば銀またはその合金をスパッタリングにより成膜して被覆層８２が形成される。図５Ａに示す例では、被覆層８２は超電導層８０の一方側の表面だけを覆って形成されている。被覆層８２は、超電導層８０を覆って保護する機能を有するとともに、コイルエンド部３６において伝熱部材６０と接触する表面を構成する。

なお、本発明における超電導線材を構成する各層の材質および積層方法は、上述したものに限定されず、公知の又は今後開発されるどのような材質および積層方法であってもよい。

上記のような溝８１を形成した超電導層８０の表面に被覆層８２を形成することで、超電導層８０と被覆層８２とが三角凹凸形状の接合面で接触することとなり、超電導層８０の一方面における平面接触の場合よりも超電導層８０と被覆層８２との接触面積が大きくなる。また、被覆層８２は超電導材料よりも熱伝導性が良好な金属材料である銀または銀合金で形成されている。これにより、本実施形態の超伝導モータ１０では、冷凍機１６の冷却部５８に接続された各相コイル３４Ｕ，３４Ｖ，３４Ｗのコイル３４について、熱容量が大きいステータコア３０や、クライオスタット、ベアリング、ロータ等の他のモータ構成部材に冷却を分散させてしまうことなく、熱伝導性が良好な被覆材８２を介して超電導層８２を直接的に、効率よく、且つ迅速に冷却することができる。そのため、超電導モータ１０の始動時間の短時間化、および、冷凍機１６の消費電力の低減を図れる。

また、本実施形態の超電導モータ１０では、各相コイル３４Ｕ，３４Ｖ，３４Ｗはほぼ同一長さの超電導線材７４によって構成されることから、各相コイル３４Ｕ，３４Ｖ，３４Ｗを中性点７０から冷却することによって均等に冷却することができる。これにより、三相コイルのうちいずれか一相コイルの温度をセンサで検出して監視すれば、各相コイルの超電導状態を簡易に把握することができる。

さらに、本実施形態の超電導モータ１０では、冷凍機１６の冷却部５８に接触した環状の伝熱部材６０が周方向に均等配置された複数のコイル３４のコイルエンド部３６に接触して設けられているので、これによっても各コイル３４を均等に且つ迅速に冷却する効果が向上する。

さらにまた、本実施形態の超電導モータ１０では、被覆層８２が超電導層８０と接触する面積が大きくなるよう構成したことで、超電導層８０と被覆層８２との接合強度が大きくなり、コイル３４として巻くために超電導線材７０を曲げたときに超電導層８２の結晶構造が変化してしまうのを抑制することもできる。

図５Ｂは、超電導線材７４において超電導層８０と被覆層８２とが矩形凹凸形状の接合面により接触することにより図５Ａに示すものよりも接触面積をより大きくした例を示す。上記のような矩形凹凸形状の接合面は、超電導層８０の表面に矩形横断面を有する溝８１をレーザ加工等によって形成した後、超電導層８０上に被覆層８２を積層することによって形成されることができる。

ただし、上記のような凹凸形状の接合面とするための溝８１の横断面形状は、三角形や矩形に限定されるものではなく、例えば半円状等の他の形状であってもよい。また、凹凸形状の接合面は、超電導層８０の表面に溝８１を形成すること以外の方法、例えば超電導層８０を形成した後にその表面に小さい凹凸を多数形成して粗面化する加工を施すことによって実現されてもよい。この場合、粗面化の程度を異ならせることによって超電導層と被覆層との接触面積を変えることができる。

図５Ｃは、超電導線材７４において被覆層８２が超電導層８０の三方面、すなわち図中の上面と両側面とに接触する例を示す。このように超電導層８０に溝加工を施すことなく超電導層８０と被覆層８２との接触面積を大きくしてもよい。図５Ｃに示す例では、被覆層８２が、基材７６、中間層７８および超電導層８０からなる積層体の四方周囲を被覆して形成されている。このように被覆材８２を形成することで、超電導層８０と被覆層８２との接触面積を大きくするだけでなく、被覆材形成材料である銀または銀合金の強度によって超電導線材７４を曲げ変形に対して強い構造とすることができる。

次に、図６Ａ，６Ｂを参照して、コイル３４を構成する超電導線材７４において、直線部分と曲がり部分とで超電導層８０と被覆層８２との接触面積を異ならせる態様について説明する。

コイル３４は、絶縁紙等の絶縁部材を介在させながら超電導線材７４を巻型の周囲に巻回することによって形成されることができ、そのとき超電導線材７４は被覆層８２が外側を向くようにして巻回される。図６Ａに示す例では、コイル３４を構成する超電導線材７４は、ステータコア３０のティース部３２にコイル３４が装着されたとき、スロット３３内に位置することとなる直線部分８４と、スロット３３外でコイルエンド部３５を構成することとなる直線部分８６と、各直線部分８４，８６に連続する４つの曲がり部分８８とを含む。

図６Ａに示す例では、超電導線材７４における超電導層８０と被覆層８２の接触面積が、コイル３４を構成する超電導線材７４の直線部分８４，８６よりも、コイル３４を構成する超電導線材７４の曲がり部分８８の方が大きくなるように形成されている。具体的には、上記直線部分８４，８６では図５Ａに示す接合面形状とし、上記曲がり部分８８では図５Ｂに示す接合面形状となるように、予め超電導線材７４を製造しておく。このように曲がり部分８８に相当する超電導線材７４の部分で超電導層８０と被覆層８２との接触面積を局部的に大きくすることで、曲げ変形によって超電導層８０の結晶組織状態が変化することにより交流電流通電時に発生する損失（以下、ＡＣ損失という）が大きくなるのを抑制することができる。

一方、図６Ｂに示すコイル３４では、超電導線材７４における超電導層８０と被覆層８２の接触面積が、スロット３３外に位置してコイルエンド部３６を構成する曲がり部分８８よりもスロット３３内に位置する超電導線材７４の直線部分８４の方が大きくなるように形成されている。ここでは、例えば、曲がり部分８８では図５Ａに示す接合面形状とし、上記直線部分８４では図５Ｂに示す接合面形状となるように、予め超電導線材７４を製造しておく。また、曲がり部分８８は、できるだけ曲がり具合を緩やかにしてＡＣ損失を抑制するため、ティース部３２の幅に相当する直径で描かれる半円状に曲げ変形させるのが好ましい。

スロット３３内は、コイル３４が互いに隣接して位置しており、且つ、ほぼ軸方向の両端でのみ開口する狭い空間であるため放熱性が悪く、ＡＣ損失によるコイル３４の発熱が磁路となるティース部３２を含むステータコア３０に伝熱して温度が上昇すると鉄損を生じさせることとなる。したがって、上記のように、スロット３３内に位置する超電導線材７４の直線部分８４について超電導層８０と被覆層８２の接触面積をより大きくすることで、特にスロット３３内でのＡＣ損失および発熱を抑制することでき、ステータコア３０での鉄損を抑制することができる。

なお、上記の超電導モータ１０では、各相コイル３４Ｕ，３４Ｖ，３４Ｗの各一端部７４Ｕ，７４Ｖ，７４Ｗを中性点７０において冷凍機１６の冷却部５８に接続して各コイル３４を中性点７０側から冷却する構成と、冷凍機１６の冷却部５８に接触する環状の伝熱部材６０を介して各コイル３４をコイルエンド部３６から冷却する構成の両方を備えるものとして説明したが、本発明に係る超電導モータはこれに限定されるものではなく、いずれか一方の構成によって各コイル３４を冷却するものとしてもよい。すなわち、中性点７０側から冷却する構成のみとすれば伝熱部材６０が省略されてもよく、他方、伝熱部材６０により冷却する構成のみとすれば各相コイル３４Ｕ，３４Ｖ，３４Ｗの各一端部７４Ｕ，７４Ｖ，７４Ｗが互いに電気接続される中性点を冷凍機１６の冷却部５８から離れた位置に設けてもよい。

次に、図７，８を参照して、本発明の第２の実施形態である超電導モータ１０ａについて説明する。ここでは、上述した第１の実施形態の超電導モータ１０と異なる構成およびその作用効果について主として説明することとし、同一構成要素には同一符合を付して重複することとなる説明を援用により省略する。

図７は、本実施形態の超電導モータ１０ａの軸方向に沿った断面図（一部側面を含む）であり、図８は図７に示す超電導モータ１０ａにおいて、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各相コイル３４が２つの中性点７０ａ，７０ｂでそれぞれ電気接続される状態を模式的に示す図である。

本実施形態の超電導モータ１０ａは、冷凍機（以下、第１の冷凍機という）１６に加えて、もう１つの冷凍機（以下、第２の冷凍機）１７を備えている。第２の冷凍機１７は、軸方向の他端側に位置するエンドプレート２６に、第１の冷凍機１６と同様の構成で取り付けられている。

第１および第２の冷凍機１６，１７は、各ピストン５４の移動方向が同一直線上となるように対向配置されている。すなわち、第１および第２の冷凍機１６，１７は、軸方向に対向して設けられている。そして、第１および第２の冷凍機１６，１７では、各ピストン５４が互いに反対方向に移動するようにガス圧縮機５６を駆動する。換言すれば、第１および第２の冷凍機１６，１７において、ピストン５４ｂによる圧縮ストロークと膨張ストロークとを互いに同期するように駆動される。このような配置および駆動にすることで、ピストン５４の移動によって第１および第２の冷凍機１６，１７が超電導モータ１０に及ぼす回転モーメントが相殺されて、振動や騒音を抑制できる。

また、超電導モータ１０ａは、図８に示すように、２つの中性点７０ａ，７０ｂを有している。すなわち、各相コイル３４Ｕ，３４Ｖ，３４Ｗが２つのグループに分けられて並列に接続されており、一方のグループの各相コイル３４Ｕ，３４Ｖ，３４Ｗが第１の中性点７０ａにおいて互いに電気接続され、他方のグループの各相コイル３４Ｕ，３４Ｖ，３４Ｗが第２の中性点７０ｂにおいて互いに電気接続されている。そして、第１の中性点７０ａは上述した第１実施形態の超伝導モータ１０における中性点７０に対応し、第２の中性点７０ｂは軸方向他端側のコイルエンド部３６に設けられて第２の冷凍機１７の冷却部５８によって冷却されるようになっている。その他の構成は、上記超電導モータ１０と同様である。

このように本実施形態の超電導モータ１０ａでは、２つの冷凍機１６，１７によって、熱容量が大きいステータコア３０等を介在させることなく、各相コイル３４Ｕ，３４Ｖ，３４Ｗのコイル３４を軸方向両側の中性点７０ａ，７０ｂから効率よく迅速に所望の極低温まで冷却することができる。そのため、超電導モータ１０ａの始動時間の短時間化、および、冷凍機の消費電力の低減を図れる。

また、超電導モータ１０ａでは、第１および第２の冷凍機１６，１７は、各ピストン５４の移動方向が同一直線上となるように配置され、かつ、各ピストン５４が互いに反対方向に移動するようにガス圧縮機５６が駆動されることで、ピストン５４の移動によって第１および第２の冷凍機１６，１７が超電導モータ１０に及ぼす回転モーメントが相殺されて振動や騒音を抑制できる。

次に、図９を参照して第３の実施形態の超電導モータ１０ｂについて説明する。本実施形態の超電導モータ１０ｂは、上述した第２の実施形態の超電導モータ１０ａと冷凍機１６，１７の配置が異なるだけであるため、その相違点のみについて説明することとし、他の同一構成については同一符号を付して重複する説明を援用により省略する。

超電導モータ１０ｂでは、第１および第２の冷凍機１６，１７のガス圧縮機５６がモータケース４０の外周側壁上に取り付けられ、各ガス圧縮機５６からそれぞれ延伸する冷媒ガス流路管６２が各冷却部５８にそれぞれ接続されている。この場合においても、第１および第２の冷凍機１６，１７の各ピストン５４は互いに反対方向に移動するように駆動される。これ以外の構成は、上記超電導モータ１０ａと同様である。

本実施形態の超電導モータ１０ｂによれば、上記第２の実施形態の超電導モータ１０と同様の作用効果を奏するのに加えて、軸方向のモータ幅を小さくすることができ、車両搭載性を向上させることができる。

次に、図１０を参照して第４の実施形態である超電導モータ１０ｃについて説明する。本実施形態の超電導モータ１０ｃは、上述した第２の実施形態の超電導モータ１０ａと冷凍機１６，１７の配置が異なるだけであるため、その相違点のみについて説明することとし、他の同一構成については同一符号を付して重複する説明を援用により省略する。

超電導モータ１０ｃでは、第１および第２の冷凍機１６，１７が、１４ステータの径方向に対向する位置に配置されると共に、各ピストン５４が互いに同一方向に移動するようにガス圧縮機５６が駆動されるようになっている。この場合でも、第１および第２の冷凍機１６，１７内の各ピストン５４は、上記超電導モータ１０ａのように同一直線上ではないものの、軸方向に沿って往復移動する。これ以外の構成は、上記超電導モータ１０ａと同様である。

より詳細には、超電導モータ１０ｃでは、第１の冷凍機１６が、第２の冷凍機１７に対して周方向に１８０度ずれた位置において第２の冷凍機１７と対向して設けられている。この場合、第１の冷凍機１６のピストン５４が圧縮ストロークで図中右側へ移動するときには第２の冷凍機１７のピストン５４が膨張ストロークで図中右側へ移動し、第１の冷凍機１６のピストン５４が膨張ストロークで図中左側へ移動するときには第２の冷凍機１７のピストン５４が圧縮ストロークで図中左側へ移動するというように、各ピストン５４が互いに同一方向に移動する。このように第１および第２の冷凍機１６，１７のガス圧縮機５６が駆動されることで、ピストン５４の移動によって第１および第２の冷凍機１６，１７が超電導モータ１０ｂに及ぼす回転モーメントが相殺または減殺されて振動や騒音を抑制できる。

さらに、超電導モータ１０ｃでは、第１および第２の冷凍機１６，１７が径方向に対向する位置に設けられていることで、各冷却部５８もまた径方向に対向する位置（すなわち周方向に１８０度ずれた位置）で中性点７０ａ，７０ｂをそれぞれ構成するとともに伝熱部材６０に接触している。これにより、上記第２の実施形態の超電導モータ１０ａに比べて、周方向に配列された複数のコイル３４全体を所望の極低温まで一様に冷却するのに要する時間をより短縮することが可能になる。

なお、上記各実施形態の超電導モータ１０ａ，１０ｂ，１０ｃにおいては、２つの冷凍機１６，１７を用いて超電導線材からなるコイル３４を軸方向両側から冷却する構成としたが、本発明はこれに限定されるものではなく、３つ以上の冷凍機を用いてコイルを軸方向両側から冷却するようにしてもよい。

１０，１０ａ，１０ｂ，１０ｃ超電導モータ、１２ロータ、１４ステータ、１６，１７冷凍機、１８ロータシャフト、１９ａ，１９ｂ端部、２０ロータコア、２２永久磁石、２４，２６エンドプレート、７２Ｕ，７２Ｖ，７２Ｗ各相電流導入端子、２８軸受部材、３０ステータコア、３２ティース部、３３スロット、３４コイル、３４Ｕ，３４Ｖ，３４Ｗ各相コイル、３５スロット内に位置するコイル部分、３６コイルエンド部、４０モータケース、４２内筒部材、４４外筒部材、４６第１真空室、４８第２真空室、５０ブラケット、５２シリンダ、５４ピストン、５６ガス圧縮機、５８冷却部、５９嵌合穴、６０伝熱部材、６２冷媒ガス流路管、７０，７０ａ，７０ｂ中性点、７４超電導線材、７４Ｕ，７４Ｖ，７４Ｗ各相コイルの一端部、７６基材、７８中間層、８０超電導層、８１溝、８２被覆層、８４，８６直線部分、８８曲がり部分。

Claims

回転可能に支持されたロータと、前記ロータの周囲に設けられ、超電導線材からなる複数のコイルがステータコア内周部に巻装されているステータと、前記コイルを冷却する冷却部を有する冷凍機とを備える超電導モータであって、
前記超電導線材は長手方向にそれぞれ延在する超電導層および前記超電導層の少なくとも一方面を覆って接合された被覆層を有し、前記被覆層は前記超電導層よりも熱伝導性が良好な材料で形成されるとともに前記超電導層との接触面積が前記一方面における平面接触の場合よりも大きくなるように構成されており、
前記超電導線材からなるコイルは、前記コイルの軸方向端部であるコイルエンド部において前記被覆層が前記冷凍機の冷却部に伝熱部材を介して接触して冷却されること特徴とする超電導モータ。
請求項１に記載の超電導モータにおいて、
前記複数のコイルは複数相のコイルを構成するとともに、前記複数相コイルの各一端部は互いに電気接続される中性点において前記冷凍機の冷却部に接続されていることを特徴とする超電導モータ。
請求項２に記載の超電導モータにおいて、
前記中性点において、前記複数相コイルの各一端部は直接に接続されておらず、導電性部材である前記冷却部を介して互いに電気接続されることを特徴とする超電導モータ。
請求項２または３に記載の超電導モータにおいて、
前記中性点はモータ軸方向に関して前記コイルの軸方向端部であるコイルエンド部に設けられ、前記コイルエンド部において前記複数のコイルの各一端部が前記冷凍機の冷却部に接続されるよう前記冷凍機が配置されていることを特徴とする超電導モータ。
請求項２に記載の超電導モータにおいて、
前記コイルについてモータ軸方向端部に位置するコイルエンド部に接触して設けられる環状の伝熱部材を有し、前記冷凍機の冷却部は前記複数のコイルのコイルエンド部において前記伝熱部材を介して前記コイルを構成する超電導線材の被覆層に接触するように配置されることを特徴とする超電導モータ。
請求項１〜５のいずれか一項に記載の超電導モータにおいて、
前記超電導層と前記被覆層とが凹凸形状の接合面により接触していることを特徴とする超電導モータ。
請求項１〜６のいずれか一項に記載の超電導モータにおいて、
前記被覆層は前記超電導層の三方面と接触していることを特徴とする超電導モータ。
請求項１〜７のいずれか一項に記載の超電導モータにおいて、
前記超電導線材における前記超電導層と前記被覆層の接触面積が、前記コイルを構成する超電導線材の直線部分よりも前記コイルを構成する超電導線材の曲がり部分の方が大きくなるように形成されていることを特徴とする超電導モータ。
請求項１〜７のいずれか一項に記載の超電導モータにおいて、
前記コイルは前記ステータコアの内周部に径方向内方へ突設されている複数のティースに巻装されるとともに、前記複数のティース間にはスロットが形成されており、前記超電導線材における前記超電導層と前記被覆層の接触面積が、前記スロット外に位置する超電導線材の部分よりも前記スロット内に位置する超電導線材の部分の方が大きくなるように形成されていることを特徴とする超電導モータ。