JP5497625B2 - 超電導モータ - Google Patents

Description

本発明は、超電導モータに関し、特に、内側に低温の冷媒を流す少なくとも１の細管を有する冷凍機を備える超電導モータに関する。

従来から、冷凍機を備える超電導モータが考えられている。例えば、特開２０１０−１７８５１７号公報（特許文献１）には、超電導モータと、極低温発生部と、容器とを備える超電導モータ装置が記載されている。超電導モータは、回転可能な回転軸と、回転軸の外周部に配置された複数の永久磁石とを有する回転子と、固定子とを含む。固定子は、固定子鉄心のティース部に巻回された３相の超電導コイルを有する。極低温発生部は、極低温をコールドヘッドにおいて発生させる冷凍機を有する。このコールドヘッドと超電導モータの固定子の固定子鉄心とを伝熱可能につなぐ高い伝熱性を有する熱伝導部が設けられている。熱伝導部の冷却筒部は、極低温状態に冷却され、固定子鉄心の外周部と熱的に接触して、固定子鉄心を冷却する。容器は、超電導コイルを断熱させる真空断熱室を形成する。このため、超電導コイル側に熱侵入が発生したとしても、あるいは冷凍機の冷凍出力が追いつかないときでも、固定子鉄心が超電導コイルを低温状態に維持させるとされている。また、特許文献１の図３には、固定子鉄心のティース部と超電導コイルとの間に高い熱伝導率を有する熱伝導材を設けることが記載され、同じく図４には、固定子鉄心の外周部を包囲する熱伝導部に連接部を介して熱伝導材を連設することが記載されている。この構成により、極低温発生部によって冷却されたティース部を介して超電導コイルを冷却できる可能性はある。

また、国際公開第０３／００１１２７号（特許文献２）には、圧縮機、高圧切換弁及び低圧切換弁を有する圧力制御手段と、室温端部と低温端部とを有する膨張圧縮部と、室温端部と低温端部とを有する蓄冷部とを備えて、被冷却対象に熱伝達する蓄冷型冷凍機が記載されている。蓄冷型冷凍機は、膨張圧縮部の低温端部と蓄冷部の低温端部とを連結し、被冷却対象まで延長した作動ガスの流路を設けている。また、パルス管冷凍機は、センサ類や半導体装置用の冷却手段として重要な役割を果たすとされている。

特開２０１０−１７８５１７号公報 国際公開第０３／００１１２７号

上記の特許文献１に記載された超電導モータのように、従来は、超電導コイルを冷却する場合に、種々の方法で寒冷の伝達を行っているが、固体の熱伝導材を使用して超電導コイルを冷却する場合、熱伝導材の熱伝導率は有限であり、有限の長さを持つ熱伝導材に熱量を流した場合、流す熱量に比例した温度差が生じるため、冷却効率を向上させるのが難しい。このため、超電導コイルの冷却効率を向上させ、早期冷却を図り、安定した超電導状態を早期に発生させる面から改良の余地がある。一方、超電導モータの負荷にかかわらず超電導モータの冷却性を確保するために、この負荷に応じて冷凍機の冷凍出力を大きくする制御を行うことも考えられる。ただし、この場合でも、高負荷時や、負荷が急激に上昇する過渡的なモータ動作状態で、冷凍機の出力から超電導コイルまでの伝熱の応答性の遅れが発生して、超電導コイルの温度が上昇し、超電導状態が破綻する可能性がないとはいえない。例えば、超電導モータにより車両の車輪を駆動させる場合、車両の急加速等により超電導モータが過負荷時になったり、高負荷時になると、超電導コイルの温度が上昇する可能性があり、超電導状態を安定して得られる手段の実現が望まれている。

これに対して、冷却機の寒冷を伝達するための熱伝導材を、ステータコアの隣り合うティース部同士の間のスロットに配置する等、ステータコアの超電導コイル側に熱伝導材を配置して、超電導コイルを冷却することも考えられる。ただし、この場合、熱伝導材を配置するスロット内の空間が狭く、熱伝導材の設置位置の自由度向上や熱伝導材の取付性を向上する面から改良の余地がある。

特許文献２には、単に蓄冷型冷凍機が記載されているだけであり、冷凍機を超電導モータの超電導コイルの冷却に使用することは開示されていない。

本発明の目的は、超電導モータにおいて、超電導コイルを所望の極低温に効率よく冷却するとともに、高負荷時や過渡的なモータ動作状態でも、安定した超電導状態を有効に作り出し、かつ、熱伝導材の設置位置の自由度及び取付性の向上を図ることにある。

本発明に係る超電導モータは、回転可能に配置されたロータと、ロータの径方向に対向配置されたステータとを備え、ステータは、ステータコアと、ステータコアの径方向一端部に巻装され、超電導線材により構成される複数の超電導コイルとを含む超電導モータであって、ステータコアは、環状のバックヨークと、バックヨークの径方向一端部に径方向に突出する複数のティースと、周方向に隣り合うティース間に設けられたスロットとを有し、超電導コイルは、ティースに巻装されており、内側に低温の冷媒を流す少なくとも１つの細管を有する冷凍機をさらに備え、前記細管は、前記バックヨークにおいて、少なくとも１つの前記ティースの周方向中央部と周方向について一致する部分を貫通するように設けられたコア貫通部を有することを特徴とする超電導モータである。

また、本発明に係る超電導モータにおいて、好ましくは、前記細管は、前記ティースを貫通するように設けられたティース貫通部を有する。

本発明に係る超電導モータによれば、冷凍機に設けられ、内側に低温の冷媒を流す少なくとも１の細管が、ステータコアを貫通するように設けられたコア貫通部を有するので、冷凍機の寒冷を伝達する熱伝導材がステータコアの超電導コイルの反対側の端部に接触して、超電導コイルを冷却する構成の場合と異なり、熱伝導材である細管を超電導コイルに近づけて、超電導コイルを所望の極低温に効率よく冷却するとともに、ステータコアを熱伝達時のバッファとして機能させることで、高負荷時や過渡的なモータ動作状態でも、安定した超電導状態を有効に作り出すことができる。さらに、ステータコアの超電導コイル側に熱伝導材を配置して、超電導コイルを冷却する構成の場合と異なり、熱伝導材である細管の設置位置の自由度及び取付性の向上を図れる。

本発明の第１の実施の形態の超電導モータを示す、軸方向に沿った断面図である。 図１のＡ−Ａ断面の拡大図である。 第１の実施の形態で使用する冷凍機の基本構成を、細管をすべて直線状にした状態で示す図である。 図３のＢ−Ｂ断面図である。 本発明から外れた比較例の超電導モータを示す、軸方向に沿った断面図である。 図５のＣ−Ｃ断面図である。 本発明の第２の実施の形態の超電導モータを示す、軸方向に沿った断面図である。 図７のＤ−Ｄ断面図である。 本発明の第３の実施の形態の超電導モータを示す、軸方向に沿った断面図である。 図９のＥ−Ｅ断面図である。 本発明の第４の実施の形態の超電導モータを示す、軸方向に沿った断面図である。

［第１の実施の形態］
以下に、本発明に係る実施の形態について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から図４は、本発明の第１の実施形態の超電導モータを示している。図１、図２に示すように、超電導モータ１０は、モータ本体１２と、モータ本体１２を冷却するための冷凍機１４とを備える。モータ本体１２は、モータケース１６と、モータケース１６に回転可能に支持された回転軸１８と、モータケース１６の内側で回転軸１８の外側に固定されることにより、回転可能に配置されたロータ２０とを含む。また、モータ本体１２は、モータケース１６の内周面に固定されることにより、ロータ２０の径方向外側に対向配置された略円筒状のステータ２２とを含む。また、冷凍機１４は、モータケース１６に固定されている。なお、以下の説明では、特に断らない限り回転軸１８の中心軸Ｘに関し、これに沿う方向を軸方向といい、回転中心軸Ｘに対し直交する放射方向を径方向といい、回転中心軸Ｘを中心として描かれる円形に沿う方向を周方向という。

ロータ２０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２４と、ロータコア２４の外周面の等間隔複数個所に設けられた永久磁石２６とを含む。すなわち、ロータコア２４の外周面には、複数（図２に示す例では６個）の永久磁石２６が露出した状態で周方向の等間隔に固定されている。永久磁石２６は、径方向に着磁されており、その着磁方向を周方向に交互に異ならせている。このため、ロータ２０の外周面には、Ｎ極とＳ極とが交互に配置されている。ただし、ロータ２０に設けられる永久磁石２６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。このようなロータ２０は、丸棒鋼材等からなる回転軸１８の外周面に固定されている。

回転軸１８は、その両端部において、モータケース１６の両端部を構成する円盤状のエンドプレート２８，３０に固定された軸受３２により回転可能に支持されている。これにより、ステータ２２の内部に回転磁界が生成されると、その影響を受けてロータ２０が回転する。

ステータ２２は、略円筒状をなす固定子鉄心であるステータコア３４と、超電導コイルであるコイル３６とを含む。すなわち、ステータコア３４は、環状のバックヨーク３８と、バックヨーク３８の径方向一端部である、内周端部の周方向等間隔複数個所（図２に示す例では９個所）に径方向に突出するように設けられたティース４０とを有する。また、ステータコア３４は、バックヨーク３８の内周部の周方向に隣り合うティース４０間に設けられた、周方向複数個所（図示の例では９個所）等間隔位置のスロット４２を有する。ステータコア３４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できる。ただし、ステータコアは、それぞれ１つのティースを有する複数の分割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造られてもよい。上記の分割コアは、圧粉磁心により造られてもよい。

ステータコア３４の複数のティース４０には、超電導線材により構成される複数のコイル３６が集中巻きで巻装されている。なお、複数のコイル３６は、ティース４０に分布巻きで巻装されることもできる。また、超電導線材は、断面形状が円形状でもよいし、あるいは、矩形状であってもよい。例えば、コイル３６は、断面矩形状の平角線である超電導線材を、フラットワイズ状に巻くことで構成することもできる。例えば、コイル３６は、ティース４０に超電導線材をソレノイド巻きまたはパンケーキ巻きに巻くことにより構成することもできる。また、超電導線材には、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を好適に使用できる。ただし、超電導線材を構成する超電導材料は、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３６を構成する超電導線材は、絶縁被覆されていてもよい。これにより、コイル３６として密着して巻回されたときに各ターン間での電気絶縁が確保される。ただし、超電導線材が絶縁被覆されていない場合、コイル３６を形成するときに絶縁紙や絶縁フィルム等を挟みながらコイル状に巻くことで各ターン間の電気絶縁が確保されてもよい。

コイル３６は、ステータコアの複数個所に設けられるスロット４２（図２）内に位置するスロット配置部４４と、ステータコア３４の軸方向両端面から軸方向外側へそれぞれ突出するコイルエンド部４６とを含む。各コイル３６は、２つ置きごとのコイル３６と直列接続されてＵ，Ｖ，Ｗの各相コイルを構成する。各相コイルの一端は、図示しない中性点において互いに接続され、各相コイルの他端は図示しない各相電流導入端子にそれぞれ接続されている。

また、モータケース１６は、ロータ２０及びステータ２２を収容するもので、円筒状の外周筒部４８と、外周筒部４８の軸方向両端部にその外周縁部が気密に結合された一対のエンドプレート２８，３０とを含む。外周筒部４８及び各エンドプレート２８，３０は、例えばステンレス等の非磁性材料から構成される。なお、外周筒部４８を片側のエンドプレート２８（または３０）と一体の部材により造ることもできる。

外周筒部４８内には、それぞれ円筒状をなす内筒部材５０及び中間筒部材５２がロータ２０と同心に設けられている。内筒部材５０及び中間筒部材５２の軸方向両端部は、エンドプレート２８，３０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５０は、磁界の通過を妨げず且つ非導電性である非金属材料（例えばＦＲＰ等）により造られるのが好ましい。より好ましくは、内筒部材５０は、低熱伝導率材料により造る。なお、内筒部材５０は、基本的機能として、磁束を通す機能と、内筒部材５０を含む空間密封部分での真空を保持できる機能とを有するものであればよく、非導電性材料を使用するものに限定されない。例えば、内筒部材５０を構成する材料として、非磁性の低電気伝導率を有する材料（例えばステンレス）等も使用可能である。一方、中間筒部材５２は、低熱伝導率材料（例えばＦＲＰ等）で造られるのが好ましく、低熱伝導率の非磁性材料で造られるのがより好ましい。

内筒部材５０は、ロータ２０の最外接円の直径よりも若干大きい内径を有し、ロータ２０の外周面との間に隙間が形成されている。また、内筒部材５０と中間筒部材５２との間には、筒状空間である第１真空室５４が設けられている。第１真空室５４内には、コイル３６を含むステータ２２が収容されている。ステータ２２を構成するステータコア３４の外周面は、中間筒部材５２の内周面に固定されている。

第１真空室５４は、後で詳しく説明する冷凍機１４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２８，３０もしくは外周筒部４８等の第１真空室５４及び第２真空室５６の一方または両方と外側空間とに接する部材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、コイル３６及びステータ２２と接触しない内筒部材５０及び熱伝導率が低い中間筒部材５２で区画形成し、かつ、内部を真空とすることで、第１真空室５４内に収容されたコイル３６を含むステータ２２への断熱性を高めることができる。

さらに、中間筒部材５２とモータケース１６との間には、筒状空間からなる第２真空室５６が形成されている。第２真空室５６もまた、第１真空室５４と同様に真空状態になっている。中間筒部材５２には、第１真空室５４と第２真空室５６とを連通する穴を設けることが好ましい。これにより、第１真空室５４内に収容されたコイル３６を含むステータ２２が第２真空室５６によってもモータ外部と隔てられることで、コイル３６を含むステータ２２に対する断熱効果をより一層高めることができる。

また、超電導モータ１０を構成するモータ本体１２に、冷凍機１４が固定されている。次に、図３、図４を用いて、冷凍機１４の基本構成を説明する。図３は、本実施の形態で使用する冷凍機１４の基本構成を、細管６６をすべて直線状にした状態で示す図であり、図４は、図３のＢ−Ｂ断面図である。冷凍機１４は、複数の冷媒ガス流通用の細管６６を有する、フリーピストン式のスターリングクーラ型（ＦＰＳＣ型）としている。すなわち、冷凍機１４は、一端側に設けられた冷凍機駆動源である圧力振動源５８と、圧力振動源５８に一端部が固定されるコールドヘッドと呼ばれる蓄冷器６８と、他端側に設けられた位相制御器６２と、位相制御器６２に一端部が固定される第２ピストン収容部７０と、蓄冷器６８と第２ピストン収容部７０との間に接続された複数の冷却部であり、伝熱性の良好な材料からなる複数の細管６６とを含む。蓄冷器６８は、内部に図示しない蓄冷材が設けられている。また、蓄冷器６８及び第２ピストン収容部７０は、外部を断熱材により覆われた断熱構造である。

冷凍機１４は、圧力振動源５８に設けられたシリンダ７２内で直線的に往復移動する駆動ピストンである第１ピストン７４を有し、このシリンダ７２内の空間が蓄冷器６８の内側を介して複数の細管６６内に通じている。また、冷凍機１４は、第２ピストン収容部７０に設けたシリンダ７６内でも直線的に往復移動する膨張ピストンまたは従動ピストンと呼ばれる第２ピストン７８を有し、このシリンダ７６内の空間が低温側熱交換部である複数の細管６６内に通じている。複数の細管６６を含む、第１ピストン７４と第２ピストン７８との間の内部空間に冷媒である冷媒ガス（例えば、Ｈｅガス）が封入されている。すなわち、各細管６６は、内側に低温の冷媒ガスが流れるように構成されている。

また、圧力振動源５８及び第２ピストン収容部７０は、各ピストン７４，７８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。第１ピストン７４は、例えば圧力振動源５８を構成する図示しないリニアモータ等の可動子と接続されており、リニアモータにより、第１ピストン７４をシリンダ７２内で往復駆動させる。第１ピストン７４の往復駆動に伴って、圧力振動源５８のシリンダ７２内で冷媒ガスが圧力変動し、この圧力変動により、位相制御器６２の内部に図示しないコイルスプリングもしくは板ばね等で構成されたバネによって懸架された第２ピストン７８も従属的に往復移動する。この図示しないバネと第２ピストン７８の重量と、第１ピストン７４の往復移動による圧力変動によって、冷媒ガスの圧力変動と位置変動の位相差を調整することができる。また、位相制御器６２の内部に、第２ピストン７８の往復移動により生じる圧力変動を緩和する空間部を設けることにより、第２ピストン７８を配置するシリンダ７６内と連通して、冷媒ガスの圧力変動と位置変動の位相差を調整することができる。

第１ピストン７４の往復移動に伴って、第２ピストン収容部７０の細管６６端部近傍で冷媒ガスが断熱膨張して冷却されるので、各細管６６内部を流れる冷媒ガスも冷却される。このように、第１ピストン７４と第２ピストン７８との間で冷媒ガスの圧縮及び膨張が繰り返されることで、冷媒ガスが流れる各細管６６が冷却される。

冷凍機１４は、超電導線材からなるコイル３６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、第１ピストン７４のストロークを制御することによって冷却温度を調節できる。このために、図示しない制御部により、第１ピストン７４のストロークが制御される。制御部は、超電導モータ１０（図１）の負荷に応じて冷凍機１４の冷却温度を制御するように構成することもできる。例えば、超電導モータ１０の負荷の上昇に伴って冷却温度を低下させることもできる。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１４は小型で軽量のものであることが好ましい。上記のように冷凍機１４に、ＦＰＳＣ型を使用する場合、小型化及び軽量化を図れる。

本実施の形態では、このような基本構成を有する冷凍機１４を、モータ本体１２（図１）に固定している。すなわち、図１に示すように、超電導モータ１０において、軸方向片側（図１の右側）に位置するエンドプレート２８の周方向一部（図１の上部）には、冷凍機１４を構成する圧力振動源５８側の筒状の第１ブラケット６０が固定され、片側のエンドプレート２８において、圧力振動源５８とは回転軸１８の直径方向に関して反対側（図１の下側）には、冷凍機１４を構成する位相制御器６２側の筒状の第２ブラケット６４が固定されている。また、蓄冷器６８の一端部及び第２ピストン収容部７０の一端部は、それぞれ第１ブラケット６０または第２ブラケット６４の内側を介して第１真空室５４内に突出している。

また、図２に示すように、低温側熱交換部である複数の細管６６は、それぞれ長さ方向中間部の２個所に設けられた第１コア貫通部９２及び第２コア貫通部９４を有する。複数のコア貫通部９２，９４は、ステータコア３４を構成するバックヨーク３８の周方向複数個所（図示の例の場合は８個所）で、一部のティース４０を除いて、ティース４０の周方向中央部と周方向に関して同位置を軸方向に貫通するように設けられている。

このような各細管６６からは、寒冷がステータコア３４の内部からコイル３６に伝達され、コイル３６を冷却する。このように複数の細管６６のそれぞれは、中間部がステータコア３４の周方向複数個所を貫通するように配置される構成とするので、複数の細管６６の一部または全部は、中間部が略ゲート形、クランク形等に曲げ形成されている。すなわち、複数の細管６６は、それぞれバックヨーク３８の周方向一部を貫通する第１コア貫通部９２を有する第１直線部９６と、ステータコア３４において、この周方向一部に対しステータコア３４の直径方向の略反対側等、周方向の異なる位置を貫通する第２コア貫通部９４を有する第２直線部９８と、第１、第２両直線部９６，９８を、それぞれの内部を互いに通じさせるように連結する連結部１００とを有する。例えば、各細管６６の少なくともコア貫通部９２，９４を含む部分は、磁性材製とする。このように磁性材によりコア貫通部９２，９４を構成した場合でも、超電導モータ１０の使用時にステータコア３４内を通過する磁束の磁路に影響を与えにくい位置にコア貫通部９２，９４が配置されているので、モータ性能に及ぼす影響を小さくできる。このため、本実施の形態では、ステータコア３４に設けられた軸方向に貫通する各貫通孔にそれぞれ１本の細管６６のコア貫通部９２（または９４）が貫通するように挿入されている。また、各貫通孔とコア貫通部９２（または９４）とが熱接触している。すなわち、各貫通孔にコア貫通部９２（または９４）が接触状態で挿入されているか、またはコア貫通部９２（または９４）が伝熱材料を介して接触している。

また、複数の貫通部９２，９４は、細管６６同士で、ステータコア３４の周方向の異なる位置に設けられている。このため、細管６６の数は、貫通部９２，９４の総数の１／２となっている。また、貫通部９２，９４の長さは、すべての貫通部９２，９４で同一となっている。すなわち、冷凍機１４を構成し、ステータコア３４を貫通する複数の細管６６の貫通部９２，９４の長さは、複数の細管６６のすべてで同一となっている。なお、図１では、１の細管６６を構成する第１直線部９６に設けられた第１コア貫通部９２を斜格子で表している。

上記のように、圧力振動源５８及び第２ピストン収容部７０は、モータ本体１２に関して軸方向片側に配置されている。ただし、本実施の形態は、このような構成に限定するものではなく、後述する図１１に示すように、圧力振動源５８及び第２ピストン収容部７０は、一対のエンドプレート２８，３０の外側、すなわちモータ本体１２の両側に、同一直線上や、直径方向反対側等、周方向の異なる位置に設けることもできる。例えば、圧力振動源５８及び第２ピストン収容部７０は、モータ本体１２に関して軸方向両側に、直径方向反対側、すなわち回転軸１８に関して軸対称な位置等、互いに周方向の異なる位置に設けることもできる。

このような構成では、複数の細管６６により低温側熱交換部が構成されている。また、第２ピストン収容部７０のモータケース１６の外側に配置される端部により、高温側熱交換部が構成される。このような冷凍機１４は、圧力振動源５８と、高温側熱交換部と、蓄冷器６８と、低温側熱交換部と、第２ピストン７８（図３）とを備える。

このような超電導モータ１０によれば、冷凍機１４に設けられ、内側に低温の冷媒ガスが流れる細管６６が、ステータコア３４を貫通するように設けられたコア貫通部９２，９４を有する。このため、細管６６が、コイル３６に熱接触するように構成されている。したがって、冷凍機の寒冷を伝達する熱伝導材がステータコアの超電導コイルの反対側の端部に接触して、超電導コイルを冷却する構成の場合と異なり、本実施の形態によれば、熱伝導材である細管６６をコイル３６に近づけて、コイル３６を所望の極低温に効率よく冷却することができる。これとともに、大きな熱容量を有するステータコア３４を熱伝達時のバッファとして機能させることで、高負荷時や過渡的なモータ動作状態でも、コイル３６の温度上昇に対して細管６６による冷却が追従できなくなることを有効に防止して、コイル３６を安定して冷却し続けることができる。したがって、安定した超電導状態を有効に作り出すことができる。さらに、ステータコアの超電導コイル側に熱伝導材を配置して、超電導コイルを冷却する構成の場合と異なり、熱伝導材である細管６６の設置位置の自由度及び取付性の向上を図れる。なお、本明細書全体で「熱接触」とは、互いに伝熱する部材を直接に接触させる他、熱伝導性のある部材を介して接触させる場合も含む。さらに、本実施の形態によれば、各細管６６の長さを略同一にすることができるので、冷凍性能を向上できる。すなわち、冷凍機１４の性能は、低温部熱交換器及びピストン配置空間での圧力変動と作動ガスである冷媒ガスの位置の変動が適切な位相角で保たれている必要がある。細管１本の間での位相角の変化量、すなわち細管内で変化する位相角の変化量が最適化されていたと仮定すると、他の長さでは最適値からずれることになる。このため、すべての細管の長さを略同一にすることで、すべての細管において最適値に近い位相角を得ることができ、冷凍性能を向上できる。例えば、本実施の形態では、第１コア貫通部９２と第２コア貫通部９４との組み合わせによって、各細管６６の長さを略同一としている。このため、冷凍性能を向上できる。

また、各細管６６は、ステータコア３４内において、ステータ２２の軸方向に延設するコア貫通部９２，９４を有する。一般的に、超電導コイルでは、通常の常温で使用する電動モータのコイルを構成する銅線に比べて極端に熱伝導性が悪いため、均一に冷却することが難しい。これに対して、上記の構成を有する本実施の形態によれば、例えばコイル３６において、コイルエンド部４６だけを冷却する構成の場合と異なり、コイル３６のスロット配置部４４も効率よく冷却できて、超電導コイルであるコイル３６の全体をより均一に冷却しやすくなる。すなわち、コイル３６全体の温度分布の偏りを少なくしつつコイル３６を冷却できる。

また、本実施の形態では、図２に示すように、各ティース４０の周囲でコイル３６と対向する部分に電気絶縁性を有するインシュレータ１０２が、それぞれ設けられている。各コイル３６は、インシュレータ１０２を介してティース４０に熱接触させている。この場合に、各インシュレータ１０２の厚さを極力薄くしたり、シリカ、アルミナ、熱伝導性のよい非磁性材料等のフィラーが含有された樹脂等の、熱伝導性の良好な材料により構成することもできる。これによれば、コイル３６に対する冷却性をより向上できる。なお、図示の例では、ティース４０が９つと奇数であるため、複数のコア貫通部９２，９４のすべては、バックヨーク３８の周方向等間隔位置に設けられていない。ただし、ティース４０の数を偶数とし、バックヨーク３８において、ティース４０と周方向に関して同位置に細管６６のコア貫通部９２，９４を設ける等により、ステータコア３４の周方向等間隔複数個所にコア貫通部を設けることもできる。なお、本実施の形態ではティース４０の周囲にインシュレータ１０２が設けられているが、超電導コイルであるコイル３６が絶縁被覆され、コイル３６とティース４０との接触性を確保できるのであれば、後述する図６のようにインシュレータを省略することもできる。また、本実施の形態で、コイル３６とインシュレータ１０２とを接触させるとともにインシュレータ１０２とティース４０とを接触させ、互いの接触性を確保するのは伝熱性を確保するためであるので、インシュレータ１０２を省略し、その代わりにフィラー入りのエポキシ樹脂接着剤等の伝熱部材を使用することもできる。

図５は、本発明から外れた比較例の超電導モータを示す、軸方向に沿った断面図である。図６は、図５のＣ−Ｃ断面図である。図５、図６に示す比較例の超電導モータ１０は、上記の本実施の形態の構造において、冷凍機１４（図１等）の代わりに、一対の冷凍機８２をモータ本体１２の両側に設けたような構造を有する。すなわち、各冷凍機８２は、上記の冷凍機１４と異なり、冷媒を流すための細管が設けられていないＦＰＳＣ型であり、圧力振動源であるガス圧縮機８４と、ガス圧縮機８４に接続された冷却部である蓄冷器８６とをそれぞれ有する。また、蓄冷器８６は、エンドプレート２８に固定された筒状のブラケット８８の内側を通じて先端部が円板状の伝熱部材９０に接触している。各伝熱部材９０の片面はコイルエンド部４６の軸方向外端部に接触している。

冷凍機８２は、ガス圧縮機８４の内部に設けられた図示しないシリンダ内でピストン（図示せず）が往復移動して冷媒ガスの圧縮及び膨張を繰り返し行うことで、蓄冷器８６及び伝熱部材９０を介して各コイル３６を冷却する。このような構成でも、コイル３６を冷却することが可能であるが、コイル３６の全体を均一に冷却しやすくする面からは改良の余地がある。また、伝熱部材９０は、内部に冷媒を流す細管を用いる構成と異なり、固体のみで冷却対象に伝熱するものであり、複数のコイル３６を均一に冷却する面からは改良の余地がある。上記の本実施の形態によれば、このような改良すべき点をいずれも改良できる。

なお、上記では、冷凍機１４として、第２ピストン７８が第１ピストン７４の変位にしたがって、従属的に変位するパッシブ型の冷凍機１４を説明した。ただし、冷凍機として、第１ピストン７４が往復変位する場合に、その往復変位の１サイクルの位相の９０〜１２０度程度ずらせた位相で第２ピストン７８が変位するように、第２ピストン７８側を強制的に変位させるリニアモータ等の第２駆動源を位相制御器６２側に設けることもできる。この場合には、アクティブ型の冷凍機が構成され、さらなる省エネルギ化を図れる。

また、冷凍機１４として、ＦＰＳＣ型以外の冷凍機を使用することもできる。例えば、冷凍機の設置スペース及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、上記のように複数の細管を有し、極低温（例えば、約７０Ｋ）まで冷却可能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を用いることもできる。

また、冷凍機として、それぞれ細管を有する、スターリング型パルス管冷凍機や、ＧＭ冷凍機等を使用することもできる。例えばパルス管冷凍機では、上記の第２ピストン収容部７０の代わりに細管６６と位相制御器６２との間に接続されたパルス管を使用する。パルス管の内部にはピストンは設けない。このパルス管冷凍機において、圧力振動源５８として、バルブ開閉の切換により圧力を振動させる構造を用いることもできる。また、ＧＭ冷凍機として、上記のＦＰＳＣ型の冷凍機で、圧力振動源５８として、回転型の圧縮機や、バルブ開閉の切換により圧力を振動させる構造を用いることもできる。また、この構造では、位相制御器６２を省略して、細管６６の圧力振動源５８とは反対側の端部に接続された膨張圧縮部において膨張ピストンとしてディスプレーサを往復移動可能に設ける。ディスプレーサは、例えば冷凍機の作動中に、ステッピングモータ等のモータにより往復移動されるようにする。このように本発明では、冷凍機として内部に冷媒が流れる細管を有するものであれば、種々の種類の冷凍機を使用することができる。

［第２の実施の形態］
図７は、本発明の第２の実施の形態の超電導モータを示す、軸方向に沿った断面図である。図８は、図７のＤ−Ｄ断面図である。

本実施の形態の超電導モータ１０の場合、上記の第１の実施の形態において、複数の細管６６は、直線部９６，９８（図１等参照）の代わりに、クランク形に曲げ形成されているクランク形部を有する。すなわち、複数の細管６６は、それぞれ長さ方向中間部の２個所に設けられた第１コア貫通部１０４及び第２コア貫通部１０６を有する。各コア貫通部１０４，１０６は、ステータコア３４に設けられた複数のティース４０のうち、一部のティース４０を除く複数のティース４０の周方向略中央部で、径方向略中央部を軸方向に貫通するように設けられている。

すなわち、複数の細管６６は、それぞれ周方向一部のティース４０を軸方向に貫通する第１コア貫通部１０４を有する第１クランク形部１０８と、このティース４０に対しステータ２２の直径径方向の略反対側等、周方向の異なる位置に設けられた別のティース４０を軸方向に貫通する第２コア貫通部１０６を有する第２クランク形部１１０と、第１、第２両クランク形部１０８，１１０を、それぞれの内部を互いに通じさせるように連結する連結部１１２（図７）とを有する。各クランク形部１０８，１１０は、コア貫通部１０４，１０６を含む直線部の両端から径方向外側に伸びる径方向部と、径方向部の径方向外端と連結部１１２との間、または径方向部の径方向外端と蓄冷器６８または第２ピストン収容部７０との間に連結され、軸方向に伸びる軸方向部とを有する。また、複数のコア貫通部１０４，１０６は、細管６６同士で、周方向の異なる位置のティース４０を貫通するように設けられている。このため、細管６６の数は、ティース４０の総数の１／２となっている。また、本実施の形態では、ステータコア３４に設けられた軸方向に貫通する各貫通孔にそれぞれ１本の細管６６のコア貫通部１０４（または１０６）が貫通するように挿入されている。また、各貫通孔とコア貫通部１０４（または１０６）とが熱接触している。すなわち、各貫通孔にコア貫通部１０４（または１０６）が接触状態で挿入されているか、またはコア貫通部１０４（または１０６）が伝熱材料を介して接触している。なお、図７では、１の細管６６を構成する第１クランク形部１０８に設けられた第１コア貫通部１０４を斜格子で表している。例えば、各細管６６の少なくともコア貫通部１０４，１０６を含む部分は、非磁性材製とする。本実施の形態では、コア貫通部１０４，１０６は、超電導モータ１０の使用時にステータコア３４内を通過する磁束の磁路に対して影響を与えやすい位置に配置されている。ただし、上記のように非磁性材によりコア貫通部１０４，１０６を構成すれば、コア貫通部１０４，１０６の配置位置にかかわらず、モータ性能が過度に低下することを有効に防止できる。

このような本実施の形態の場合も、超電導線材からなるコイル３６を所望の極低温に効率よく冷却するとともに、高負荷時や過渡的なモータ動作状態でも、安定した超電導状態を有効に作り出すことができ、さらに、熱伝導材である細管６６の設置位置の自由度及び取付性の向上を図れる。また、本実施の形態の場合も、第１コア貫通部１０４と第２コア貫通部１０６との組み合わせによって、各細管６６の長さを略同一にすることができるので、冷凍性能を向上できる。なお、図７に示す例では、各クランク形部１０８，１１０のステータコア３４の軸方向両端から突出した部分を、コイルエンド部４６の内側にコイル３６に対し接触しないように配置している。ただし、コイルエンド部４６にクランク形部１０８，１１０を接触させてコイル３６に対する冷却性をより向上させることもできる。その他の構成及び作用は、上記の図１から図４に示した第１の実施の形態と同様である。

［第３の実施の形態］
図９は、本発明の第３の実施の形態の超電導モータを示す、軸方向に沿った断面図である。図１０は、図９のＥ−Ｅ断面図である。

本実施の形態の超電導モータ１０は、上記の図７から図８に示した第２の実施の形態と、上記の図１から図４に示した第１の実施の形態とを組み合わせたような構成を有する。すなわち、上記の第２の実施の形態において、冷凍機１４は、それぞれ内側に低温の冷媒ガスを流す第１細管１１４及び第２細管１１６を有する。第１細管１１４及び第２細管１１６は、それぞれ複数ずつが設けられている。このうちの各第１細管１１４は、上記の第１の実施の形態を構成する細管６６（図１、図２）と同様の構成を有し、バックヨーク３８（図１０）の直径方向の略反対側位置等、周方向の異なる２個所位置を軸方向に貫通するように設けられた２つの第１コア貫通部１１８を有する。各第１コア貫通部１１８は、バックヨーク３８の周方向に関して、一部を除く複数のスロット４２の周方向中央部と同位置に設けられている。

また、各第２細管１１６は、上記の第２の実施の形態を構成する細管６６（図７、図８）と同様の構成を有し、ステータコア３４の直径方向の略反対側位置等、周方向の異なる２個所位置に設けられた２つのティース４０を軸方向に貫通するように設けられた２つの第２コア貫通部１２０を有する。第１コア貫通部１１８は直線部１２２の中間部に設けられており、第２コア貫通部１２０は、クランク形部１２４の中間部に設けられている。

また、細管に設けられたコア貫通部の配置位置に応じてコア貫通部を構成する材料を異ならせている。すなわち、各第１細管１１４の少なくとも第１コア貫通部１１８を含む部分は、磁性材製とするとともに、各第２細管１１６の少なくとも第２コア貫通部１２０を含む部分は、非磁性材製としている。このようなステータコア３４の複数個所に細管１１４，１１６を貫通して設ける場合、ティース４０に設けられたコア貫通部１２０が磁性材製であると、超電導モータ１０の使用時にステータコア３４内を通過する磁束に対しコア貫通部１２０が影響を与えて、モータ性能を低下させる可能性がないとはいえない。これに対して、上記のようにティース４０に配置する第２コア貫通部１２０を含む部分を非磁性材製とする場合には、第２コア貫通部１２０によりモータ性能が過度に低下することを有効に防止できる。ただし、本実施の形態では、細管に設けられたコア貫通部の配置位置に応じてコア貫通部を構成する材料を異ならせる構成に限定するものではなく、すべてのコア貫通部を含む部分を同一の材料により構成することもできる。

このような本実施の形態の場合には、上記の各実施の形態よりもコイル３６に対する冷却性をより向上できる。その他の構成及び作用は、上記の図１から図４に示した第１の実施の形態、または、図７から図８に示した第２の実施の形態と同様である。例えば、本実施の形態の場合には、それぞれ２つの第１コア貫通部１１８の組み合わせを有する各第１細管１１４と、それぞれ２つの第２コア貫通部１２０の組み合わせを有する各第２細管１１６とによって、各細管１１４，１１６の長さを略同一にすることができるので、冷凍性能を向上できる。なお、本実施の形態では、バックヨーク３８を貫通する細管１１４と、ティース４０を貫通する細管１１６とが別々に設けられている。ただし、１本の細管がバックヨーク３８を貫通する貫通部と、ティース４０を貫通する貫通部との両方を有するようにすることもできる。この場合には、複数の細管の長さを同一にする、またはより同一の長さに近づけることができる。

［第４の実施の形態］
図１１は、本発明の第４の実施の形態の超電導モータを示す、軸方向に沿った断面図である。本実施の形態では、上記の図１から図４に示した第１の実施の形態において、冷凍機１４を構成する圧力振動源５８及び第２ピストン収容部７０を、モータ本体１２に関して軸方向両側に配置している。すなわち、圧力振動源５８及び第２ピストン収容部７０は、一対のエンドプレート２８，３０のそれぞれの外側、すなわちモータ本体１２の両側に、回転軸１８の回転中心軸Ｘと平行な同一直線上に設けている。また、各細管６６の中間部は、ステータコア３４のバックヨーク３８の周方向の異なる複数個所を軸方向に貫通するコア貫通部１２６をそれぞれ有する。これに伴って、複数の細管６６の一部または全部の中間部は、略クランク形等に曲げ形成している。このように本発明では、冷凍機１４を構成する圧力振動源５８及び第２ピストン収容部７０の配置関係を種々に異ならせることができる。その他の構成及び作用は、上記の図１から図４に示した第１の実施の形態と同様である。

なお、上記の各実施の形態では、ステータがロータの径方向外側に対向配置されたインナーロータの構造に本発明を適用した場合を説明した。ただし、本発明は、これに限定するものではなく、ステータがロータの径方向内側に対向配置されたアウターロータの構造に本発明を適用することもできる。この場合、超電導コイルは、ステータコアの径方向一端部である外周端部に巻装される。

１０ 超電導モータ、１２ モータ本体、１４ 冷凍機、１６ モータケース、１８ 回転軸、２０ ロータ、２２ ステータ、２４ ロータコア、２６ 永久磁石、２８，３０ エンドプレート、３２ 軸受、３４ ステータコア、３６ コイル、３８ バックヨーク、４０ ティース、４２ スロット、４４ スロット配置部、４６ コイルエンド部、４８ 外周筒部、５０ 内筒部材、５２ 中間筒部材、５４ 第１真空室、５６ 第２真空室、５８ 圧力振動源、６０ 第１ブラケット、６２ 位相制御器、６４ 第２ブラケット、６６ 細管、６８ 蓄冷器、７０ 第２ピストン収容部、７２ シリンダ、７４ 第１ピストン、７６ シリンダ、７８ 第２ピストン、８２ 冷凍機、８４ ガス圧縮機、８６ 蓄冷器、８８ ブラケット、９０ 伝熱部材、９２ 第１コア貫通部、９４ 第２コア貫通部、９６ 第１直線部、９８ 第２直線部、１００ 連結部、１０２ インシュレータ、１０４ 第１コア貫通部、１０６ 第２コア貫通部、１０８ 第１クランク形部、１１０ 第２クランク形部、１１２ 連結部、１１４ 第１細管、１１６ 第２細管、１１８ 第１コア貫通部、１２０ 第２コア貫通部、１２２ 直線部、１２４ クランク形部、１２６ コア貫通部。

Claims (2)

1. 回転可能に配置されたロータと、
   前記ロータの径方向に対向配置されたステータとを備え、
   前記ステータは、ステータコアと、前記ステータコアの径方向一端部に巻装され、超電導線材により構成される複数の超電導コイルとを含む超電導モータであって、
   前記ステータコアは、環状のバックヨークと、前記バックヨークの径方向一端部に径方向に突出する複数のティースと、周方向に隣り合う前記ティース間に設けられたスロットとを有し、
   前記超電導コイルは、前記ティースに巻装されており、
   内側に低温の冷媒を流す少なくとも１つの細管を有する冷凍機をさらに備え、
   前記細管は、前記バックヨークにおいて、少なくとも１つの前記ティースの周方向中央部と周方向について一致する部分を貫通するように設けられたコア貫通部を有する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、
   前記細管は、前記ティースを貫通するように設けられたティース貫通部を有することを特徴とする超電導モータ。

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