JP6086224B2

JP6086224B2 - 超伝導回転機

Info

Publication number: JP6086224B2
Application number: JP2013053871A
Authority: JP
Inventors: 奥村　暢朗; 暢朗奥村
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd; Aisin Corp
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 2013-03-15
Filing date: 2013-03-15
Publication date: 2017-03-01
Anticipated expiration: 2033-03-15
Also published as: JP2014180177A

Description

本発明は、超伝導回転機に関する。

特許文献１には、超伝導材料を用いたコイルを有するステータ（文献では固定子）と、超伝導材料を用いた、かご形円筒状となるロータ（文献では、回転子）とを低温容器に収容し、この低温容器に冷熱冷媒を充填収容することにより超伝導材料を超伝導臨界温度以下にする超伝導回転機（文献では、超伝導回転電機）の構成が記載されている。

この特許文献１では低温容器に冷熱冷媒を充填収容しており、これによりステータとロータとを冷却冷媒に浸漬してステータの超伝導材料を超伝導状態に維持する超伝導回転機である。

特開２０１１‐６７００６号公報

特許文献１に記載される超伝導回転機では筒状となるステータの内部にロータを回転自在に配置している。かご形誘導電動機では、ステータの内周面と近接する位置に、ロータの外周面を配置することにより、ステータで作り出した回転磁界をロータに対して強く作用させて効率的な回転を実現する。

また、超伝導回転機では、冷媒として液化水素や液化窒素を用いており、これらは温度上昇により気化するため、気泡を発生させることもある。前述したように、超伝導回転機においてもステータの内周面にロータの外周面を近接して配置しているため、ステータの内周面とロータの外周面との隙間部分の冷媒に気泡が発生した場合には、この部分の温度上昇を招き超伝導状態が維持できないことになる。

このように温度上昇により超伝導状態が維持できない場合には、ステータのコイルの電気抵抗が上昇し、発熱によりコイルが断線することにも繋がり改善の余地がある。

本発明の目的は、ステータとロータとの隙間部分の温度上昇を抑制して適正な作動を維持する超伝導回転機を得る点にある。

本発明の特徴は、冷媒を貯留可能なケースと、前記ケースの内部で共に冷媒によって冷却され、ステータコイルを有するステータおよび前記ステータの内部で回転軸芯の周りで回転するロータと、前記ロータの前記回転軸芯に垂直な側面に設けられた前記冷媒の取入部と、前記ロータの円筒状の外周面に設けられた排出部と、前記取入部と前記排出部とを連通し、前記ロータの回転によって前記冷媒を前記取入部から前記排出部に向けて流通させる冷媒流路とを備え、
前記取入部が前記側面に形成された取入孔であり、前記冷媒流路が前記ロータの内部を貫通するトンネル状に形成されると共に、この冷媒流路が前記ロータの外周面に設けた前記排出部としての吐出孔に連通するように構成された点にある。

この構成によると、ステータとロータとはケースの内部で冷媒によって冷却されることになり、ロータが回転軸芯の周りで回転する際には側面に形成した取入部から取り入れた冷媒を、冷媒流路からロータの外周面に設けた排出部に送ることが可能となる。ロータの外周面はステータの内周面に対向する位置に配置されるため、排出部から送り出された冷媒はステータとロータとの隙間に充満して外部に流れるため、この隙間に気泡が発生することがあっても気泡を外部に流し出すことが可能となり、ステータの内周面とロータの外周面との温度上昇を抑制する。
その結果、ステータとロータとの隙間部分の温度上昇を抑制して適正な作動を維持する超伝導回転機が得られた。
この構成では、取入孔から取り入れた冷媒をトンネル状の冷媒流路から確実に吐出孔に送り出すことになり、効率的な冷却が実現する。また、取入孔を吐出孔より回転軸芯に近い位置に形成した場合には、取入孔から取り入れた冷媒を遠心力により流動させて吐出孔から送り出すことが可能となり、一層積極的な冷却を実現する。また、吐出孔の位置を発熱量の多い位置に向けることにより効率的な冷却を実現する。

超伝導モータの断面図である。ロータを示す斜視図である。別実施形態（ａ）のロータを示す斜視図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
〔基本構成〕
図１に示すように、アウターケース１の内部にインナーケース２を備え、インナーケース２の内部にステータ１０を支持し、インナーケース２を貫通する状態で回転軸芯Ｘを中心に回転自在に支承されたロータ軸３と一体回転するロータ２０を備えて超伝導回転機の一例として超伝導モータが構成されている。

この超伝導モータでは、インナーケース２が冷媒の貯留可能なケースとして機能するものであり、このインナーケース２の内部空間２Ｓに液体窒素や液体ヘリウム等の冷媒を充填している。これによりステータ１０とロータ２０とが冷媒に浸漬する状態となる。また、アウターケース１の内面とインナーケース２の外面との間に真空に近い減圧空間Ｖを形成することにより真空断熱を実現しており、外部からの熱を遮断してインナーケース２の温度上昇を抑制している。

アウターケース１は、筒状アウター部１Ａの両端をアウタープレート部１Ｂで挟み込んで連結した構造を有している。インナーケース２は、筒状インナー部２Ａの両端をインナープレート部２Ｂで挟み込んで連結した構造を有している。また、アウターケース１の筒状アウター部１Ａの内面とインナーケース２の筒状インナー部２Ａの外面との間に中間部材６を介装して互いに連結しており、この連結により、アウターケース１の内部でのインナーケース２の位置を決めている。

ステータ１０は、積層した電磁鋼板で成るステータコア１１の複数のティース部に対して超伝導材料の線材で成るステータコイル１２を巻回することで、全体形状が回転軸芯を中心とする筒状に成形されている。複数のティース部の先端部が回転軸芯Ｘの方向に突出する姿勢にあり、これらの複数のティース部の先端部に連なる領域が、ステータ１０の筒状内面として形成されている。前述したようにステータ１０がインナーケース２に対して固定され、ステータコイル１２に電力を供給するリード線１３がインナーケース２のインナープレート部２Ｂから外部に引き出されている。尚、この超伝導モータは、三相交流により正転方向と逆転方向との何れにも駆動されるものであり、リード線１３は、三相交流を供給するために３本の導線を有している。

インナーロータ２０は、図１及び図２に示すように、複数の電磁鋼板を積層したバックヨーク部２１を有すると共に、このバックヨーク部２１の外周部分に対して、回転軸芯Ｘに沿う姿勢となる棒状の複数の永久磁石２２を嵌め込む形態で備えて構成されている。このインナーロータ２０は、回転軸芯Ｘに垂直な一対の側面２０Ｗと、回転軸芯Ｘを中心とする円周状となる外周面２０Ｓとを有している。また、インナーロータ２０は、ステータ１０から作用する磁気により回転を行う機能を有するものであればどのような構成あっても良く、例えば、超伝導材料で成る導体を外周部分に備えることで、かご形に構成するものでも良い。更に、永久磁石２２として超伝導バルク磁石を用いるものでも良い。

ロータ軸３は、アウターケース１のアウタープレート部１Ｂに対してボールベアリング形の軸受部４により回転自在に支持され、このロータ軸３のうちインナーケース２の外部側でアウターケース１の内部側と成る部位には断熱部３Ａが介装されている。また、このロータ軸３のうち、インナーケース２の外部側でアウターケース１の内部側と成る部位（断熱部３Ａが形成された部位）の外周部分において、この外周部分を微少の間隙を介して覆う円環状部５を備えることにより、インナーケース２の内部から漏出する冷媒を直接的に減圧空間Ｖに漏出させないように構成している。

〔冷却構造〕
この超伝導モータでは、前述したようにステータ１０とロータ２０とはインナーケース２の内部空間２Ｓにおいて冷媒に浸漬することにより、超伝導材料の線材で成るステータコイル１２を超伝導臨界温度以下に維持し、ステータコイル１２の電気抵抗を零にして効率的な駆動を実現するものである。冷媒は温度上昇に伴い気化して気泡を発生するものである。また、ステータ１０からの磁力をロータ２０に対して効率的に作用させているために、ステータ１０の内周面とロータ２０の外周面とが比較的近接する位置関係に配置されている。従って、ステータ１０の内周面とロータ２０の外周面との隙間部分の冷媒に気泡が発生した場合には、この気泡が隙間に滞留してステータコイル１２の冷却が不充分になり、ステータコイル１２の温度上昇を招くことも考えられる。このような理由から、本発明の超伝導モータでは、ステータ１０の内周面とロータ２０の外周面との隙間部分から気泡を迅速に排出するための冷却構造を備えている。

この冷却構造は、ロータ２０の側面２０Ｗの最外縁部に形成された冷媒の取入部としての取入孔２４と、ロータ２０の外周面のうち回転軸芯Ｘに沿う方向での中央位置に形成された排出部としての吐出孔２５と、取入孔２４と吐出孔２５とを連通させるようにロータ２０の外周に溝状に形成された冷媒流路２６とを備えて構成されている。具体的には、ロータ２０の側面２０Ｗからロータ２０の外周面２０Ｓに沿って、側面２０Ｗに一方の端部が接続し、回転軸芯Ｘに沿った中央側に向けて回転方向の後ろ側となるように傾斜させる姿勢で冷媒流路２６を形成すると共に、この冷媒流路２６の他方の端部をロータ２０の外周面２０Ｓの吐出孔２５に接続している。この冷却構造は、ロータ２０の外周に１つだけ形成するものでも良いが、この実施形態では複数形成されている。

また、この実施形態では、ロータ２０の外周には永久磁石２２を備えているため、冷媒流路２６は、永久磁石２２の外面にも形成しているが、例えば、ロータ２０の外周に電気が流れない絶縁性で磁気を帯びない非磁性の樹脂等の筒状材料を設け、この材料に埋め込むように永久磁石２２を備えることで永久磁石２２をロータ２０の外周に露出させないように構成し、この筒状材料に冷媒流路２６を形成しても良い。

この超伝導モータは、正転方向と逆転方向との双方に回転するように構成されるものを想定している。このため、何れの回転にも対応できるように冷媒流路２６は傾斜姿勢が異なる２種類のものが形成されている。図２において、ロータ２０が方向Ａに向けて回転した場合には、同図においてロータ２０の右側半分の領域に示される冷媒流路２６に沿って冷媒が流れ、ロータ２０が方向Ｂに向けて回転した場合には、同図において左側半分の領域に示される冷媒流路２６に沿って冷媒が流れ、吐出孔２５から排出される。

これにより、ステータ１０の内周面とロータ２０の外周面との隙間部分に気泡が発生しても、この気泡を冷媒の流れによりロータ２０の外部に早期に流し出し、隙間部分の温度上昇を抑制して超伝導材料を超伝導状態に維持して超伝導モータの駆動を正常に稼動させ続けることを可能にする。

また、冷媒流路２６が溝状に形成されているので加工が容易となり、ロータ２０の回転力を利用してロータ２０の外部の冷媒を、ステータ１０の内周面とロータ２０の外周面との隙間部分に冷媒を供給できるだけではなく、溝状に形成される冷媒流路２６により、ステータ１０の内周面とロータ２０の外周面との隙間部分に存在する冷媒を撹拌することになり、気泡を特定の位置に滞留させる不都合を解消できるものとなる。

〔別実施形態〕
本発明は、上記した実施形態以外に以下のように構成しても良い。

（ａ）図３に示すように、ロータ２０の側面２０Ｗの最外縁部に形成された冷媒の取入部としての取入孔２４と、ロータ２０の外周面のうち回転軸芯Ｘに沿う方向での中央位置に形成された排出部としての吐出孔２５と、取入孔２４と吐出孔２５とを連通させるトンネル状の冷媒流路２６を備えて冷却構造を構成する。なお、冷媒の取入部としての取入孔２４は、ロータ２０の側面のどのような箇所に形成されても良く、排出部としての吐出孔２５は、ロータの外周面の何れの箇所に形成されても良い。

この別実施形態（ａ）では、吐出孔２５がロータ２０の外周面２０Ｓに形成され、取入孔２４がロータ２０の側面２０Ｗに形成されるため、この取入孔２４は、吐出孔２５（外周面２０Ｓ）より回転軸芯Ｘに近接する位置に配置されることになる。

このような構成から、ロータ２０の回転時には遠心力により吐出孔２５から冷媒が排出されると共に、この排出により冷媒流路２６の内部に不足量に対応した量の冷媒が取入孔２４から吸入され、結果として、取入孔２４から冷媒を取り入れ、吐出孔２５から連続的に送り出し、隙間部分の気泡を隙間部分の外方に押し流すことが可能となる。

尚、図面では、吐出孔２５を永久磁石２２の間の空間に形成しているが、永久磁石２２を貫通する位置に形成しても良い。この冷却構成では吐出孔２５から遠心力によって冷媒を送り出す構成であるため、冷媒流路２６は回転軸芯Ｘと平行姿勢に形成しても冷媒の供給が可能となる。

また、この別実施形態（ａ）では、吐出孔２５の位置が、回転軸芯Ｘに沿う方向でロータ２０の中央位置に形成されるものに限らず、一方の端部側に変位した位置に形成して良い。複数の冷却構造を備える場合には、複数の冷却構造の各々の吐出孔２５が配置される位置を回転軸芯Ｘに沿う方向で異ならせて良く、各々が送る冷媒量を異ならせるように、冷媒流路２６等の断面積に差を設定しても良い。

（ｂ）本発明の超伝導冷却機としては取入孔２４に冷媒を取り入れやすくするため、取入孔２４に冷媒を案内するベーン等をロータ２０に備えても良い。このようにベーン等を備えることによりロータ２０が回転する際には、ベーンが取入孔２４に対して冷媒を積極的に送り込むことになり、ステータ１０の内周面とロータ２０の外周面との隙間部分に冷媒を積極的に供給することが可能となる。

（ｃ）超伝導回転機として超伝導を利用して発電を行う超伝導発電機に本発明の超伝導冷却機を用いる。なお、超伝導発電機として例えば、実施形態と同様にロータ２０に永久磁石２２を備えステータ１０にステータコイル１２を有するように構成したものにおいても、本発明の超伝導冷却機を備えることにより、ステータ１０の内周面とロータ２０の外周面との隙間部分に冷媒を積極的に供給することで超伝導材料を超伝導状態に維持することが可能となる。

本発明は、冷媒により超伝導材料を超伝導状態に維持する超伝導回転機に利用することができる。

２ケース（インナーケース）
１０ステータ
１２ステータコイル
２０ロータ
２０Ｗ側面
２０Ｓ外周面
２４取入部・取入孔
２５排出部・吐出孔
２６冷媒流路
Ｘ回転軸芯

Claims

冷媒を貯留可能なケースと、
前記ケースの内部で共に冷媒によって冷却され、ステータコイルを有するステータおよび前記ステータの内部で回転軸芯の周りで回転するロータと、
前記ロータの前記回転軸芯に垂直な側面に設けられた前記冷媒の取入部と、
前記ロータの円筒状の外周面に設けられた排出部と、
前記取入部と前記排出部とを連通し、前記ロータの回転によって前記冷媒を前記取入部から前記排出部に向けて流通させる冷媒流路とを備え、
前記取入部が前記側面に形成された取入孔であり、前記冷媒流路が前記ロータの内部を貫通するトンネル状に形成されると共に、この冷媒流路が前記ロータの外周面に設けた前記排出部としての吐出孔に連通するように構成されている超伝導回転機。