JP6461385B2 - 超電導モータ及び発電機 - Google Patents

Description

本願は、２０１３年９月２６日付けで出願した米国仮特許出願第６１／８８２，７９０号の利益を主張するものであり、その内容は参照により本明細書に組み込まれる。

本発明は一般に、様々なシステム又は装置での使用に適合可能なモータ及び発電機に関する。より詳細には、本発明は、超電導の利用による改善された効率を提供するモータ及び発電機に関する。

１８００年代に開発されたモータ（ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｍｏｔｏｒ）の構造は、固定した配置の磁場を利用して起電力（ＥＭＦ：Ｅｌｅｃｔｒｏｍｏｔｉｖｅ ｆｏｒｃｅ）を生じさせる。電流を増加させることにより、より大きな、又はより強い磁場が誘起され、これは、より高く且つあまり効率でない消費率でより大きな起電力を引き起こす。従って、増加した電流の供給を受けるモータは、逆起電力（ｂａｃｋ ＥＭＦ）によって特定の回転数（ＲＰＭ）ピークに制限される。

高温超電導体が、その高い電流密度及び低い直流損失によりモータの設計に使用されてきた。このようなモータは、超電導体の温度が余りにも高くなりすぎないようにするため、極低温の冷却システムを必要とする。

モータによって損失される電磁エネルギーの大きな部分は、ヒステリシス及び渦電流に起因する。ヒステリシスによる損失は、交番磁場を印加することにより鉄金属（フェラスメタル）の磁化が変化するとき鉄金属によって吸収される電磁エネルギーの量に関連する。渦電流は、モータの磁場により導電性のモータ部品に意図せずに誘導される電流である。これらの電流は、モータを作動させる磁場と反対の磁場を生成し、従って、モータに対して磁気抗力の形で作用する。従って、これらの問題によるエネルギー損失を低減し、向上した効率を提供するモータが必要とされている。

本発明は、向上した効率を提供するモータ及び発電機用システム、並びに装置を含む様々な例示的な実施例に関する。本発明に関するこれら及び他の特徴及び利点を、添付の図面を参照しながら、以下に説明する。

本発明によるモータ又は発電機の断面図又はトポロジである。 図１に示すシールド・スリーブの断面図である。 図２に示すシールド・スリーブの内部構造の斜視図である。 図１に示すシールド・スリーブの斜視図である。

以下の説明は、本質的に単なる例示であり、本発明の開示、適用又は使用を制限するものではない。図面を通じて、対応する参照番号は同様の又は対応する部品及び構成を示すことを理解されたい。

本発明を更に詳細に説明する前に、本発明は、説明を行う特定の実施例に限定されず、従って、当然に変わりうることを理解されたい。また、本明細書で使用する用語は、特定の実施例を説明するためのみのものであり、限定しようとするものではなく、なぜなら本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によってのみ限定されるからであることを理解されたい。

複数の材料が本発明の様々な観点に好適なものとして特定される。これらの材料は、例示として扱われるべきであり、特許請求の範囲を限定しようとするものではない。本明細書で説明される方法及び材料と類似又は等価ないかなる方法及び材料も、本発明の実施又は試験に使用することが可能であるが、本明細書では限定された幾つかの例示的な方法及び材料を説明する。

本明細書及び添付の特許請求の範囲で用いられているように、単数形「ａ」、「ａｎ」及び「ｔｈｅ」は、別途、文脈から明確に定まらない限り、複数の指示物を含むことに留意されたい。

本明細書で説明する本発明の実施態様は、エア・ギャップ磁束密度を増加させ、ヒステリシス及び渦電流による損失を低減することによって、超電導モータ又は発電機の効率を向上させるために使用される。更に、本発明は、多くの標準的なモータ部品を使用し、従って本発明によるモータ又は発電機は、最小限度の改変により標準的な機械システムとインタフェースをとることが可能であり、また標準的且つ費用効果の高い工程を使用して製造することが可能である。本明細書で用いられているように、「モータ」の用語は、その反対の「発電機」をも指すことができ、逆もまた同様であることを理解されたい。

本発明の軸に回転力が作用する場合には、本発明は発電機として機能し、端子に接続された何らかの負荷に対して電力を供給する。モータとしての効率を向上させる本発明の同じ特性が、発電機としての効率をも向上させる。本発明は、その主な用途にかかわらず、モータ又は発電機のいずれで使用されても、効率の向上をもたらすことになる。機械的エネルギーの電気的エネルギーへの逆変換が発電機によりなされる。モータ及び発電機は、多くの類似点を備え、多くの既存のモータは、電気を発生するように駆動することができる。

本発明の例示的な実施例によって、車両のバッテリ・パックで利用可能な運転範囲がかなり広がり、ハイブリッドでない電気車両を日々の通勤用として実現可能にするであろう。結果として、本発明によって、ガソリン推進車両からハイブリッドでない電気車両への実現可能な移行が容易になろう。

図１に示すように、本発明の実施例によるモータ又は発電機１は、回転電機子１０、永久磁石固定子２０及びシールド・スリーブ３０を備える。回転電機子１０が、モータ１の中央に示され、ベアリング及びブラシ・アセンブリ（図示せず）とつながっている。

シールド・スリーブ３０は、中空の円筒体であり、電機子１０と固定子２０との間に適合する。シールド・スリーブ３０は、スリーブ３０内に配置される複数の高温超電導体４０を冷却し、超電導体４０の臨界温度以下の温度となるよう構成される。約１００Ｋの臨界温度を有する高温超電導体４０は、かなり簡単な低温クーラ、あるいは７７．４Ｋの沸点を有する液体窒素（ＬＮ_２）により冷却可能である。２つの主要な高温超電導材料、即ちイットリウム−バリウム−銅−酸化物（ＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７又はＹＢＣＯ）及びビスマス−ストロンチウム−カルシウム−銅−酸化物（ＢＳＣＣＯ）がある。本発明の１つの例示的な実施例では、モータ１は、ＹＢＣＯを使用して反磁性斥力場を誘起する。ＹＢＣＯは最も高い電流密度を示す。その臨界温度は約９０Ｋであり、これにより液体窒素温度での使用が可能である。７７Ｋで、この材料は約１．３テスラ（Ｔ）の磁束をトラップすることが可能であり、５０Ｋ以下では６Ｔ超である。

図２を参照すると、スリーブ３０の内部コアは、０．０４８ｇ／ｃｍ^３（３ｌｂ／ｆｔ^３）ウレタン・フォームの厚さ約２．５４ｃｍ（１インチ）の絶縁された（ｉｎｓｕｌａｔｅｄ）中空円筒体１００といったウレタン・フォームから形成されている。円筒体１００は、低温に耐えられる樹脂で形成された繊維ガラスのハウジングに包まれる。この繊維ガラスのエンクロージャは、マンドレルに巻きつけられて、厚さ約０．４８ｃｍ（３／１６インチ）になる。同様の組成物の絶縁されたエンドキャップ１１０が、中央円筒体１００の端部に取り付けられる。これらのエンドキャップ１１０は、内径約１５．２４ｃｍ（６インチ）及び外径約２５．４ｃｍ（１０インチ）を有する。液体窒素（ＬＮ_２）を円筒体１００の内部に導入して、超電導体に冷却を供給することが可能である。これらのエンドキャップ１１０の一方は窒素導入ポートを有し、この窒素導入ポートはバルク液体窒素貯槽の相分離装置を受けるように適合されている。他方のエンドキャップ１１０はガス・ポートを有し、このガス・ポートは蒸発した窒素がスリーブ３０から逃気するのを可能にする。

図３及び図４を参照すると、複数のＹＢＣＯ１２３超電導バルク・プレート４０が、エンドキャップ１１０の間で、中空円筒体１００の外表面に取り付けられている。超電導バルク・プレート４０は、それぞれが概ね「３”×１−１／２”×１／２”（７．６２ｃｍ×３．８１ｃｍ×１．２７ｃｍ）」の寸法を有する。バルク・プレート４０は、４つのセットに配置され、それぞれは概ね「３”×６”×１／２”（７．６２ｃｍ×１５．２４ｃｍ×１．２７ｃｍ）」の全体寸法を有する。バルク・プレート４０のそれぞれのセットは、凡そ４５°の円弧を覆っている。図４に示すように、バルク・プレート４０の４つのセット全てが、円筒体１００の周りに均等に配置され、それによって、それらの間も凡そ４５°の円弧であり、即ち、その間隙もまた約４５°である。この配置が最適な結果をもたらすが、他の円弧及び間隙の寸法も本発明の範囲内である。付加的なバルク繊維ガラス（図示せず）を、それぞれのバルク・プレート４０の下に挿入することも可能であり、これによって、平坦な接触面を設け、プレートのひび割れを防止することが可能である。バルク・プレート４０は、内部円筒体１００に接着された繊維ガラスのエンクロージャ１２０により定位置に保持され、このエンクロージャ１２０は穴をあけられて、スリーブ３０内の液体窒素とバルク・プレート４０との間での熱接触をより大きくすることを可能にしている。

図２及び図４を参照すると、スリーブ３０の内部円筒体１００の周りに、繊維ガラス製の中空の円筒体１３０がある。円筒体１３０は、外径約２５．４ｃｍ（１０インチ）及び厚さ約０．４８ｃｍ（３／１６インチ）を有する。円筒体１３０は、エンドキャップ１１０上を摺動し、それらを封止し、スリーブ３０の外壁１４０を形成する。空所が内部円筒体１００と外壁１４０との間で取り囲まれ、エンドキャップ１１０により端部で封止される。この空所は、バルク・プレート４０を収容し、また、バルク・プレート４０をその臨界温度まで冷却する窒素槽としての働きをする。液体窒素（ＬＮ_２）が、必要な冷却を供給するためにこの空所空間に導入されることができる。

図１に示す永久磁石固定子２０は、スリーブ３０を収容するように設計される。この実装形態では、それは概ね「５”×１／２”×１４”（１２．７ｃｍ×１．２７ｃｍ×３５．５６ｃｍ）の長さの寸法を有するアルミニウムの棒材でできた八角形として設計される。固定子ハウジング６０のそれぞれの端部は、厚さ「１／２”（１．２７ｃｍ）」の八角形のアルミニウムの端部プレートで取り囲まれる。約「１”×３”×６”（２．５４ｃｍ×７．６２ｃｍ×１５．２４ｃｍ）」の寸法を有する希土類磁石５０が、ハウジング６０に９０°の間隔で取り付けられる。磁石５０は、互い違いの磁極が内側を向くように貼り付けられ、それにより、同じ磁極がモータ１の主軸を挟んで互いに向き合っている。他のタイプの磁石（従来型、レアアース、電磁石、超電導巻線さえ）も、本発明により使用することができる。使用する磁石のタイプのバリエーションにより、磁場の形状及び幾何学的形状にバリエーションがもたらされる。最適にシールドされた円弧は、磁石のタイプ、組成及び幾何学的形状により変わることになる。

固定子ハウジング６０は、２つの半割部に構成されることができ、下側半割部に取り付けられる端部プレートを備える。これは、スリーブ３０へのアクセスを可能にする。フランジが半割部に溶接され、それにより半割部を一体にボルト締めすることが可能になる。

固定子ハウジング６０とスリーブ３０との間の全ての空所空間は、０．０４８ｇ／ｃｍ^３（３ｌｂ／ｆｔ^３）のウレタン・フォームで充填される。フォームはスリーブ３０の外壁１４０をハウジング６０から断熱（ｉｎｓｕｌａｔｅ）し、従って窒素槽上への熱負荷を軽減させる。フォームはまた、固定子のフランジのボルトがしっかりと締められた際に、スリーブ３０を定位置で係止することにより、スリーブ３０に摩擦嵌合をもたらす。

モータ１を作動させる前に、スリーブ３０が固定子２０の内部で回され、それによってバルク・プレート４０のそれぞれのセットが、固定子の磁極の間に位置合わせされる。次いで液体窒素がスリーブ３０に導入され、バルク・プレート４０をその臨界温度へ冷却する。バルク・プレート４０がその臨界温度に達すると、固定子磁石５０により発生する磁束が、バルク・プレート４０内部にトラップされる。次いで、トラップされた磁束がそれに最も近い磁石に対して極性的に逆になるようにスリーブ３０が９０°回される。この時点でモータ１は使用可能である。

これらのバルク・プレート４０は、低圧の液体窒に浸されており、低温ユニットは、それらを４つのネオジム磁石５０の前の最適な位置に保持する。発生させられたこれらの磁場は、起電力（ＥＭＦ）に対する磁場を発生させる電機子上にある。所望により、本発明の範囲内で他の磁石を使用することも可能である。

上記の実施態様は超電導体を冷却し断熱するために液体窒素を使用している。他の実施態様では、伝導冷却又は当業者に既知の他のタイプの冷却メカニズムを使用することが可能である。超電導体の冷却に熱伝導を使用する場合、スリーブは熱伝導性材料で形成されることになる。

本設計は、漂遊磁束を低減させることでモータ又は発電機の効率を増加させる。励起されたバルク・プレート４０は、エア・ギャップ磁束密度を増加させ、それらの間に磁束線を集中させる。この磁束は、電機子の磁場と相互に作用し、正のトルクを作り出すのに最適な領域にある。バルク・プレート４０にトラップされた磁束の逆極性により、プレートの縁部近くの固定子の磁場からの磁束が相殺され、電機子と相互に作用するプレート間の集中された磁場のみが残される。逆の方向には、電機子の磁場はバルク・プレート４０により同様に集中され、固定子磁石５０上に焦点を結ぶ。結果として、ヒステリシス電流及び渦電流による損失は減少する。

１馬力のモータをテスト・スタンドに取り付け、モータがベルト及びプーリ・システムを駆動し、それが本発明による発電機としての試作品を駆動するようにした。電力計を駆動モータの電源に接続し、入力電力を測定した。装置の導線を回線経路内の４５ワットの白熱電球に接続した。試作品のモータにより作り出される電流は、ＥｘＴｅｃｈ ＭＡ２２０電流計を使用して計測し、作り出される電圧は、１２．２ソフトウェアを動作するＳｎａｐ−Ｏｎ Ｍ．Ｏ．Ｄ．Ｉ．Ｓ．を使用して捕捉した。２つの機械を連結するために使用するプーリの組合せを変えることにより、モータは４つの速度、３５１０ｒｐｍ、２９９５ｒｐｍ、２６３０ｒｐｍ及び１９１０ｒｐｍのうちの１つの速度で駆動することができる。

試験は、通常のモータ試験と呼ぶものから始めた。この試験は、超電導バルク・プレートを励起させずにモータをある速度まで駆動すること、及び駆動モータ及び白熱電球により消費される電力を記録することからなる。この試験は、４つの速度全てで１０回実施した。この試験を実施後、スリーブを２つの位置（＋５又は−５）の１つに設定し、励起した。これらの位置において、バルク・プレートは固定子の界磁石の間に放射状に位置合わせされる。２つの位置は９０度離れており、従って、それらの間の唯一の違いは、どの超電導体が固定子磁石の各一対の間で位置合わせされるかである。次いで、各速度で１０回の試験を実施した。これらの試験を実施後、スリーブを９０度回転させて逆の位置（＋５又は−５）にし、各速度で更に１０回試験を実施した。これによって、スリーブを＋５で励起し、＋５及び−５で作動させた試験、及びスリーブを−５で励起し、−５及び＋５で作動させた試験を実施した結果になった。全体で、励起点及び作動点の可能な組合せのそれぞれに対する各速度を１として、１０回の試験を１６シリーズ実施した。データを以下に示す。

これらの試験結果は明らかである。１６試験シリーズのうち１５試験シリーズで、励起されていないモータに対して、統計学的に有意な効率の向上が示され、同一の速度で作動している励起されていない本発明品に対して、平均では１４．９％の効率の向上があった。上記で述べたように、この試験は本発明の概念を証明するために意図したものである。この試験は、本発明による直流モータの意図した用途での作動効率の向上量に関する正確な推定を提供するものではない。装置の効率は、スリーブを励起したときに向上しており、このことは、それによって漂遊負荷（ヒステリシス及び渦電流）にかなりの低減がなされたことを証明している。本発明は、モータに同じ効果をもたらすが、漂遊負荷の低減の規模は、モータ及びその磁場の幾何学的形状に影響される。

上記の実施態様の様々な観点に対して数値及び範囲が提供される。これらの数値及び範囲は実例としてのみ扱われるべきであり、本特許請求の範囲を限定しようとするものではない。

本発明を具体的な例示的実施態様と共に説明してきたが、多くの代替形態、修正形態及び変形形態が上記に照らして明白であることは当業者には明らかである。従って、本発明は、添付の特許請求の範囲の範囲及び趣旨に該当する全てのこのような代替形態、修正形態及び変形形態を包含するようになっている。

Claims (20)

1. 回転力が加えられたときに回転する電機子であって、その上に巻線を有する電機子と、内部で前記電機子が回転する固定子であって、少なくとも２つの磁石を含み、且つ隣接する磁石の間にそれぞれ間隙を有する固定子とを含む直流モータ又は発電機で使用するための超電導電磁装置であって、
   前記電機子に対し前記固定子によって定位置に固定される中空のシールド・スリーブであって、内壁と外壁とを有し、それにより冷却流体が前記シールド・スリーブ内を流れることが可能である、中空のシールド・スリーブと、
   前記シールド・スリーブ内にセットで配置され、且つ前記各セットの間に間隙を有する複数の超電導体プレートであって、各間隙は前記電機子の巻線と前記固定子の磁石との間に位置し、前記プレートの各セットは、隣接する固定子の磁石の間のそれぞれの間隙と径方向に整列されている、複数の超伝導体プレートと
   を有する超電導電磁装置。
2. 前記冷却流体が液体窒素である、請求項１に記載の装置。
3. 前記超電導体プレートが、イットリウム−バリウム−銅−酸化物、又はビスマス−ストロンチウム−カルシウム−銅−酸化物で形成される、請求項１に記載の装置。
4. 前記シールド・スリーブが、ウレタン・フォームで形成された内部コアを含む、請求項１に記載の装置。
5. 前記内部コアが繊維ガラスのハウジングに収容されている、請求項４に記載の装置。
6. 前記内部コアが、断熱されたエンドキャップを含む、請求項４に記載の装置。
7. 前記超電導体プレートが前記シールド・スリーブの前記内壁に取り付けられる、請求項１に記載の装置。
8. バルク繊維ガラスが、前記超電導体プレートと前記シールド・スリーブの間に平坦な接触面を提供する、請求項７に記載の装置。
9. 前記固定子が、前記固定子の各端部に配置されたハウジングに取り付けられた希土類磁石を含む、請求項１に記載の装置。
10. 前記磁石がネオジム磁石である、請求項９に記載の装置。
11. 前記磁石が永久磁石または電磁石である、請求項１に記載の装置。
12. 前記磁石が超伝導電磁石である、請求項１に記載の装置。
13. 前記電機子の巻線が電磁巻線である、請求項１に記載の装置。
14. 前記電機子の巻線が超伝導巻線である、請求項１に記載の装置。
15. 回転力が加えられたときに回転する電機子であって、その上に巻線を有する電機子と、内部で前記電機子が回転する固定子であって、少なくとも２つの磁石を含み、且つ隣接する磁石の間にそれぞれ間隙を有する固定子とを含む直流モータ又は発電機で使用するための超電導電磁装置であって、
    前記電機子に対し前記固定子によって定位置に固定され、且つ熱伝導性材料から形成される中空のシールド・スリーブと、
    複数のセットにグループ化された複数の超電導体プレートであって、各セットの間に間隙を有し、また各セットは、隣接する固定子の磁石の間のそれぞれの間隙と径方向に整列されている、複数の超電導体プレートと
    を有する超電導電磁装置。
16. 前記超電導体プレートが、イットリウム−バリウム−銅−酸化物、又はビスマス−ストロンチウム−カルシウム−銅−酸化物で形成される、請求項１５に記載の装置。
17. 前記磁石が永久磁石または電磁石である、請求項１５に記載の装置。
18. 前記磁石が超伝導電磁石である、請求項１５に記載の装置。
19. 前記電機子の巻線が電磁巻線である、請求項１５に記載の装置。
20. 前記電機子の巻線が超伝導巻線である、請求項１５に記載の装置。