JPH03117359A - 軸方向ギャップ超伝導電気機械 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、電気機械（モータ又は発電機／同期発電１）
に関し、特に、超伝導コイルを使用する多相の、電子的
に整流され制御される軸方向ギャップ電気機械に関する
。

（従来技術とその問題点） 超伝導巻線を電動モータ及び発電機に使用することが提
案されている。ＤＣＣ等上−タを例外として、超伝導モ
ータについては殆ど発展はなかった。しかし、高温１−
２−３化合物超伝導材料の発見と可変速駆動装置の使用
により、超伝導コイルを電動モータに使用することは、
技術的にも経済的にも現実性が一層高まった。

これまでに提案された既知の超伝導モータ及び発電機の
デザインの殆どは半径方向ギャップ構造を採用しており
、殆どのデザインが回転するインターフェースを横断さ
せて超伝導流体を移送することを必要としている。例え
ば、「はぼ均一な温度を有する超伝導発電機熱輻射シー
ルド」に関する米国特許第４，２６７．４７６号、「超
伝導発電機のステータ巻線を支持する装置」に関する米
国特許第４．２７８，９０５号、及び「超伝導界磁巻線
を有する同期電気機械」に関する米国特許第４．５７７
．１２６号を参照されたい。更に、この様な機械のコア
の磁性材料に相当の損失があった。

軸方向ギャップモータは公知である。例えば、「冷却装
置付き軸方向ギャップ発電機」に関する米国特許第３，
４２８，８４０号、及びｒ軸方向インターギャップ型半
導体電動モータｊに関する米国特許第４，０７２，８８
１号を参照されたい。Ｈａｌａｓ氏（米国特許第３，５
２１．９０１号）は、一対の磁石組立体の間に位置する
常伝導アーマチュアを有する固定超伝導磁石組立体を提
案した。Ｈａｌａｓの提案したこの機械は、単連であり
、巻線を介して減衰をもたらすものである。

（発明の概要） 本発明の目的は、複数のステータ及びアーマチュアを積
み重ねることの出来るモジュール型の超伝導機械にある
。

本発明の他の目的は、可変速モータとして運転すること
が出来ると共に速度及び負荷の全定格範囲にわたって全
定格トルクを出すことの出来る超伝導機械にある。

本発明の他の目的は、全ての磁性材料を除去して大きな
磁性コア・ロスを防止することの出来る超伝導機械にあ
る。

本発明の他の目的は、固定超伝導電磁構造を持っていて
、これにより、回転するインターフェースを横断させて
流体冷媒を移送する必要を無くしたモータ又は発電機に
ある。

本発明の他の目的は、整流された電流を、スリップリン
グ又は誘導結合を介して可変速駆動装置からアーマチュ
アへ送ることの出来るモータにある。

本発明の他の目的は、超伝導機械におけるアーマチュア
電流によるｔＵｔ束の歪みを最小限にすることである。

本発明の他の目的は、電磁界が実質的にモータの容積の
中に包含されているので、所要の遮蔽材の量が少なくて
、もし必要ならば能動的ＥＭ遮蔽を行う余地のあるモー
タ又は発電機にある。

本発明の特徴は、低電流巻線を有する固定超伝導電磁石
及びアーマチュアを含む多極軸方向ギャップ設計にある
。

要約すると、本発明の超伝導機械は、少なくとも１個の
固定超伝導組立体と、複数の低電流コイルをその上に有
する少なくとも１個のアーマチュア組立体とを有する。

このアーマチュアは、低電流コイルを収容するスロット
を有する非磁性材料から成る。超伝導電磁石組立体と、
２個のアーマチュア組立体とがモジュールを形成し、適
切に配置された複数のモジュールをモータハウジング内
に積み重ねることができる。始動及び減衰のための制動
巻線は不要である。これらの機能は可変速駆動装置（Ａ
　Ｓ　Ｄ）により達成される。駆動シャフト上の速度・
位置エンコーダはＡＳＤ　（可変駆動装置）に相対位置
情報を提供する。

固定電磁石組立体は、超伝導ワイヤのコイルを有する。

このワイヤは、ニオブ−錫、ニオブーチタンから成り、
又はＹＢａｚＣｕ３０７等の高温超伝導（１−２−３）
化合物から成る。コイルと冷媒とは非金属複合ハウジン
グに内蔵される。

樹脂エボシキ、炭素又はガラス繊維から成る複合ハウジ
ングは、冷媒を保持し、これに囲まれた超伝導巻線の、
電磁力による運動を抑える。別の実施例では、鉄ヨーク
及び背板とを用いて電磁束経路の画定を容易にすること
が出来る。

本発明並びにその目的及び特徴は、図面と関連させて以
下の詳しい説明及び特許請求の範囲の欄の記載内容を参
照することから一層容易に理解することが出来よう。

（実施例） 図面を参照する。第１図は、本発明の一実施例による超
伝導モータの、一部を断面として示す斜視図である。こ
のモータは、ハウジング１０を有し、モータの内部構造
を示すためにハウジング１０の一部は切り取られている
。シャフト１２はハウジングの両端部でベアリング１４
に装置されており、シャフト１２には複数のアーマチュ
ア１６が取りつけられている。アーマチュア１６の間に
は固定超伝導磁石組立体１８が配置されている。この磁
石組立体は、軸方向のエアギャップにより隣のアーマチ
ュアから離間されている。磁石冷却システム２０は、固
定超伝導磁石組立体に超低温流体冷媒を提供する。ＹＢ
ａｚＣｕ３０を等の新しい高温１−２−３超伝導化合物
では、冷媒として液体窒素を使用することが出来る。標
準的事務に従って、超伝導磁石に電源２２から直流電力
が供給され、アーマチュア巻線には可変速駆動装置（Ａ
ＳＤ）電源２４から電力が供給される。本発明の特徴に
従って、ＡＳＤからアーマチュア巻線への電圧の供給は
スリップリング（第２図）を通して、又は誘導結合で行
われるので、いずれの場合にも整流ブラシは不要である
。

この超伝導モータはモジュール型の設計であり、１個以
上のアーマチュア組立体と共に１個以上の固定超伝導磁
石組立体をシャフト上に積み重ねて、積み重ねモジュー
ル装置とすることが出来る。従って、使用するモジュー
ル組立体の数により、モータの定格を直に作ることが出
来る。第１図の実施例は、２個のステータ、４個のアー
マチュア、及びステータ１個について４個の適冷磁石コ
イルを使用する。この構成の重要な特（衣は、以下に更
に詳しく説明する様にコイルの両側でコイルの磁束を充
分に利用することである。

第２図は第１図のモータの１モジユールの斜視図であり
、磁石組立体１８内の超伝導コイルを示すためにアーマ
チュア組立体１６及び超伝導磁石組立体１８は分解され
ている。この実施例では、４個のドーナツ型超伝導コイ
ルが使用されている。

第３図はコイルと、アーマチュアの隣接部分との断面図
であり、隣のアーマチュア組立体に対するコイルの排列
と寸法とを示す。これは、４個の磁極と４８個のスロッ
トとを有するモータのためのデザインである。コイル電
流は１６アンペア（３００Ａ／ｃｍｔ）であり、第８図
の巻線図を参照して以下に一層詳しく説明をする様に、
４個のスロット／極／相は直列であると考えられる。し
かし、これは、アーマチュア巻線及びステータ磁極の、
実現可能な多数のパターンのうちの一つに過ぎないこと
が理解されよう。このモータは可変周波数駆動装置で駆
動されると考えられるので、制動巻線は不要である。磁
石及びアーマチュアの排列の寸法は、アーマチュア電流
の生成する磁束からの歪み無しに所望のエアギャップを
作る様になっている。アーマチュアコイルの付勢は、ス
リップリング２０を通して行われる。

各コイルは９インチの直径を有し、断面は３センチの正
方形である。アーマチュアのスロットは０、３７５イン
チ幅である。スロットの深さは０．７５インチであり、
ステータ及びアーマチュア間の電磁エアギヤツブは約１
インチである。アーマチュア構造は、ＴｏｒｌｏｎＴ＋
１又はＳＴＹＣＡＳＴＴＭ等の非磁性材料で作られてい
る。

第４図は、軸方向ギャップ超伝導モータの固定超伝導磁
石組立体の平面図であり、第５図ないし第７図は、第４
図のｖＡＡ　−Ａに沿う断面図であり、モータ組立体の
異なる実施例を示している。

第５図において、非磁性材料から成る２個のア−マチエ
ア３０は、エアギャップ３２により２個の強磁性ヨーク
３４から隔てられており、非磁性アーマチュア３０はス
ロット３６により増分的に分割されている。強磁性ヨー
ク３４は、両端のある（ｄｏｕｂｌｅ−ｅｎｄｅｄ）適
冷’＠、Ｎ１石２８からの磁束経路を閉じる。理論上、
強磁性材料は、この機械の外側ハウジングを構成するこ
との出来るものである。

第６図の実施例において、単一端部（ｓｉｎｇｌｅ−ｅ
ｎｄｅｄ）適冷電磁石２８は、磁束を閉じ込めるために
使われる背板４０を有する。アーマチュア３０は、エア
ギャップ３２によりヨーク３４から隔てられている。第
５図及び第６図の両方の構成において、適冷磁石の強い
磁界から誘導される磁性材料の大きなコア・ロスを防止
するために、ヨーク３４は、第６図の背板４０と共に、
固定されていなければならない。第５図及び第６図の両
方において、スロット３６の各々は、その中に二つの分
布巻コイル側を有する。

第７図を参照すると、電磁石２８を通る電流は、点４８
から超伝導磁石側２８に入り、点４４において超伝導磁
石側２８′から出てゆく。樹脂／エポキシ複合ハウジン
グ４６は超低温冷媒（必要に応じて、例えば、液体窒素
、ヘリウム、又は酸素）を保持し、封入されている超伝
導ワイヤの、電磁力による動きを抑える。この実施例は
、「鉄無し」構成であり、電磁石に鉄のコアを要するこ
ともなく、また、鉄のヨークも不要である。「鉄無しＪ
構成の利点は、従来技術の機械に使用される磁界より強
い磁界を使用することが出来る点にある。

飽和して機械を熱する鉄（′４６Ｉ性材料）が無いので
ある。複合ハウジング４８は、モータ組立体の全体を内
蔵する。成る実施例では、以下の様なアーマチュア及び
スタートスロット負荷を使用した：ＳＣ電磁石（ステー
タ） 巻き数 電流（アンペア） Ｊ　Ｏｐ（Ａ／ｃｍ”　） エアギャップ磁束 密度（テスラ） Ｌｌ　　範囲 ８８０　　　　　可変 ９２０　　　　　可変 １４．０００　　　２千−２万 ３．５　　　　２−７ アーマチュアスロ・・ 巻き数 電流（アンペア） Ｊ　Ｏｐ（Ａ／ｃｍ”　） 基−本　　　　屍−」■ １２　　　　　　可変 １６　　　　　　可変 ２００　　　　１００−４００ 第８図は、第１図のモータのアーマチュア巻線の一実施
例の略図である。このアーマチュア巻線は３相、２層、
金筋、正弦状分布巻きである。この巻線図は、４極、４
８スロツト・アーマチュアの１相のみを示す。４個のス
ロット／極／相があり、従ってこの図は、コイル側が占
める１６個のスロットを示している。第１コイルは、ス
ロット１の頂部に一側を、スロット１３の底部に一側を
有する。第２コイルは、スロット２の頂部に一側を、ス
ロット１４の底部に他方の側を有する。他の２本のコイ
ルも同じパターンに従う。瞬時電流は、スロット１内の
コイル側に入り、スロット１３内のコイル側から出てゆ
く。この図の実施例は、直列の４本のコイルを示す。ス
ロット１３内の底部コイル側から出てゆく瞬時電流は、
スロット２内の頂部コイル側に入り、このパターンが繰
り返される。これら４本の直列コイルは、１＋及び／又
は１−という符号が付されている２個の結線を有する。

他のコイルは同様に配置され、２＋と２−が接続され、
３＋と３−が接続され、４＋と４−が接続される。これ
らの結線は、第９図に示されている３相Ｙ結線の一つの
脚として配置される。

モータ制御システムの一実施例のブロック図が第１０図
に示されている。駆動パッケージ・パワ一部は、１対の
スイッチング・レギュレータと、出力インバータとから
成っている。パワ一部の略図が第１１図に示されている
。各スイッチング・レギュレータは、可変パルス幅でＩ
ＫＨｚで作動して、連携するインバータに加えられる電
圧を制御する。各インバータは、ホール・プローブ信号
及び制御回路を介してモータに対して位相固定される６
段出力波形を生成する。インバータ出力は、アーマチュ
アに並列に接続され、５０ＫＷを送ることが出来る。パ
ワ一部とコントローラとの間の全ての制御信号は、光フ
ァイバー又は磁気回路により隔離されている。

ＭｏＬｏｒｏｌａ　６８７０１等のマイクロプロセッサ
を中心として作られたコントローラは、最適のアーマチ
ュア磁界位相、制御されたモータ電流を維持し、色々な
自己検査を行い、必要に応じてパワ一部の故障に反応す
る。これは、モータの自己始動及び減衰制御にも対処す
る。

１アーマチエアに取つけられる単一のホール・プローブ
は、プログラマブル・カウンタにより位相シフトされる
ステータ位置基準信号を発生させる。ホール・プローブ
導線はアーマチュア上のスリップリングに取つけられ、
信号は該スリップリング・システムを介してＡＳＤとの
間で送受信される。他の実施例では、主モータ駆動シャ
フトから離間して装置される磁気エンコーダがアーマチ
ュア位置情報を提供し、これにより前記スリップリング
やホール・プローブを不要にする。位相固定ループ回路
が、シフトされた基準を増大させ、組合せ論理は、パワ
ー・インバータを制御するのに必要な６段波形を提供す
る。モータ速度及び電流に基づいて最適の位相角が絶え
ず維持されてモータ効率が最大となる。

可変パルス幅・固定周波数スイッチング・レギュレータ
制御信号を発生させるために第２のプログラマブル・カ
ウンタが使用される。これは、モータ負荷の全範囲にわ
たって０．００２％より大きな速度調整を達成するのに
充分な分解能を持った直接モータ電流制御手段を提供す
る。高速に達すると、ＡＤ変換器へのミリボルト入力の
強さを手操作で変えることにより、モータトルク角の値
をセットすることが出来る。

以上に記載した超伝導機械は、小（３０）馬力の用途に
も大（３０００）馬力の用途にも利用可能である。小馬
力モータは、あらゆる電気乗物用モータ、回収コンプレ
ッサ用のコンプレッサ・モータ、冷蔵プラント・モータ
、宇宙ステーション及び係留衛星用モータなどに利用す
ることが出来るであろう。大馬力モータは、例えば、ガ
ス拡散プラント・コンプレッサ・モータ、廃水処理プラ
ント・モータなどに利用することが出来るであろう。予
期される他の用途としては、例えば、給水ポンプ、ファ
ン駆動装置、列車モータ、発電機（大気及び宇宙空間、
パワープラント）及び船舶用推進モータなどがある。

以上、２個のアーマチュアの間に中心を持つ超伝導ステ
ータを特徴とする可変速・軸方向ギャップ電気機械につ
いて説明をした。このモータは、回転するインターフェ
ースを横断させて液状冷媒を移送することを必要とせず
、回転する液体に伴うバランスの問題が無く、従来の超
伝導モータ／発電機のデザインに伴う大電流ブラシを必
要としない。分析により、この軸方向ギャップのデザイ
ンは極めて均一な全磁界をアーマチュアコイルに与える
こと、及びこのデザインでは全ての鉄を除去してｒ空気
コアｊデザインでパワー密度を高めることが出来ること
が分かった。この軸方向ギヤツブ・デザインでは、電磁
石の両側を使用することが可能であると共に、ロータ及
び／又はステータの多数の組合せを共通の駆動シャフト
上に積み重ねることが出来る。この構成は、半径方向ギ
ャップモータよりも機械的に変形するのが容易である。

特別の実施例を参照して本発明を説明したが、記述は発
明の実例を示すものであって、発明を限定するものと見
なされてはならない。特許請求の範囲の欄において定義
された発明の範囲から逸脱せずに当業者は色々な変形、
用途に想到するであろう。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例による、積み重ねられた軸
方向ギャップ超伝導モータを、一部を断面として示す斜
視図である。 第２図は、第１図の超伝導モータの１モジユールの固定
超伝導磁石と、これと共同するアーマチュア組立体との
斜視図である。 第３図は、本発明の一実施例による超伝導コイル及び隣
接のアーマチュアの構成を示す断面図である。 第４図は、第２図の固定超伝導磁石組立体の平面図であ
る。 第５図は、本発明による第４図の超伝導磁石組立体の、
線Ａ−Ａに沿う断面図である。 第６図は、本発明の別の実施例による超伝導磁石組立体
の第４図のｖＡＡ　−Ａに沿う断面図である。 第７図は、本発明の他の実施例による第４図の超伝導磁
石組立体の線Ａ−Ａに沿う断面図である。 第８図は、第１図のモータのアーマチュア巻線の一実施
例の線図である。 第９図は、第８図のアーマチュア巻線のＹ結線の線図で
ある。 第１０図は、アーマチュア巻線を付勢する可変速装置の
ブロック図である。 第１１図は、アーマチュア巻線を駆動するパワー回路の
略図である。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）ハウジングと、 シャフトと、 前記ハウジング内で前記シャフトを回転可能に支持する
   ベアリング手段と、 前記ハウジング内で前記シャフトの周囲に不動に支持さ
   れた少なくとも１個の超伝導磁石組立体と、 複数のコイルを有し、前記超伝導磁石組立体から軸方向
   に離間して該超伝導磁石組立体と整列して前記シャフト
   に取りつけられた少なくとも１個のアーマチュア組立体
   と、 可変速駆動装置（ＡＳＤ）を含む、前記コイルを付勢す
   る手段と、から成ることを特徴とする超伝導電気機械。
2. （２）前記超伝導磁石組立体は、超伝導材料の複数のコ
   イルと、前記コイルを冷媒中に位置させる手段とを包含
   することを特徴とする請求項１に記載の超伝導電気機械
   。
3. （３）前記アーマチュア組立体は、前記超伝導磁石組立
   体の近傍に前記複数のコイルを支持する複数のスロット
   を包含することを特徴とする請求項２に記載の超伝導電
   気機械。
4. （４）複数の超伝導磁石組立体を有し、各超伝導磁石組
   立体は２個のアーマチュア組立体の間に配置されている
   ことを特徴とする請求項３に記載の超伝導電気機械。
5. （５）前記２個のアーマチュア組立体及びその間の超超
   伝導磁石組立体はモジュールを構成することを特徴とす
   る請求項４に記載の超伝導電気機械。
6. （６）前記電気機械は、複数のモジュールから成ること
   を特徴とする請求項５に記載の超伝導電気機械。