JPH0851762A

JPH0851762A - 超電導モーター

Info

Publication number: JPH0851762A
Application number: JP20925394A
Authority: JP
Inventors: Yoshitaka Ito; 佳孝伊藤; Yosuke Yanagi; 陽介柳; Tetsuo Oka; 徹雄岡; Ryohei Yabuno; 良平藪野; Shintaro Harada; 信太郎原田; Tsutomu Sakakibara; 務榊原
Original assignee: IMURA ZAIRYO KAIHATSU KENKYUSH; IMRA Material R&D Co Ltd
Current assignee: IMURA ZAIRYO KAIHATSU KENKYUSH; IMRA Material R&D Co Ltd
Priority date: 1994-08-09
Filing date: 1994-08-09
Publication date: 1996-02-20

Abstract

(57)【要約】【目的】超電導体にクエンチが発生せず，分解，組立
が容易で，モーター効率のよい，超電導モーターを得る
こと。【構成】モーター本体１００と，冷媒貯蔵用の第一冷
媒タンク２０１及び第二冷媒タンクとよりなり，上記モ
ーター本体１００は，回転シャフト１６に設けた電機子
１５と，該電機子１５に対向配設した磁石部１０と，該
磁石部１０及び冷媒１３０を収容する冷媒容器１３と，
該冷媒容器１３に連結した冷媒供給用の冷媒循環パイプ
２０とよりなる。上記磁石部１０は超電導体１１とその
周囲に巻回した着磁用コイル１２とよりなる。冷媒循環
パイプ２０は，連結パイプ２３０を介して，チューブ継
手２６等により連結されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は，バルク状の超電導体を
用いた超電導モーターに関する。

【０００２】

【従来技術】従来，超電導モーターとしては，特開平３
−２８９３４４号に示す装置が知られている。上記超電
導モーターはシャフトと，シャフトに固定された円盤状
の電機子と，該電機子に対向配設された超電導コイルと
からなる。また，上記超電導コイルは液体ヘリウム容器
と，輻射シールドを有する。

【０００３】この超電導モーターは，上記超電導コイル
に通電することにより，これに磁場を発生させ，電機子
に回転力を与える方式のものである。即ち，上記超電導
コイルは，液体ヘリウムによって臨界温度以下まで冷却
され，超電導状態にある。従って，上記超電導コイル
は，通電することにより容易に励磁され，磁束密度の高
い磁石となる。

【０００４】

【解決しようとする課題】しかしながら，上記超電導モ
ーターには以下に示す問題点がある。まず，上記超電導
コイルには，クエンチの恐れがある。クエンチとは，局
所的に発生した常電導領域が雪崩的に拡大し，急激に超
電導体全体が，常電導状態へと転移することである。上
記クエンチは，各超電導体固有の臨界電流，臨界磁場以
上の電流又は磁場の印加等が原因である。また，上記ク
エンチは，線材において，特に発生し易い。また，常電
導状態においては，超電導体は通常の電気抵抗を有す
る。従って，通電に伴って相応のジュール熱が発生す
る。

【０００５】従って，上記超電導モーターの超電導コイ
ルにおいて，クエンチが発生した場合には，上記コイル
に発生するジュール熱のため，液体ヘリウムが気化蒸発
し，圧力上昇によって液体ヘリウム容器等が破損するお
それがある。また，ジュール熱によって，上記コイルそ
のものが溶断される場合もある。従って，上記従来の超
電導モーターは，クエンチに留意する必要があるため，
出力に限界がある。また，このため，効率がよくない。

【０００６】また，液体ヘリウムの沸点は約４Ｋという
低温である。このため，上記液体ヘリウム容器には，特
別の断熱性能が要求される。すなわち，容器等の周囲に
は，真空断熱層を介して液体窒素を循環させ，更に，そ
の外周には真空部分を設け，その上，輻射シールドを容
器全体を覆うように配置する等の，特別な断熱装置を設
けねばならない。従って，上記超電導モーターは構造が
複雑で，装置が大型化する。

【０００７】更に，液体ヘリウムは高価である。このた
め，上記超電導モーターの運転コストは高くなる。

【０００８】更に，上記超電導モーターの保守点検に当
たって，分解，組立を行う際には，上述のごとく大型で
複雑な装置は，その作業に手間と時間がかかる。

【０００９】本発明は，かかる問題点に鑑み，超電導体
にクエンチが発生せず，分解，組立が容易で，モーター
効率のよい，超電導モーターを提供しようとするもので
ある。

【００１０】

【課題の解決手段】本発明は，モーター本体と，冷媒貯
蔵用の第一冷媒タンク及び第二冷媒タンクとよりなり，
上記モーター本体は，回転シャフトに設けた電機子と，
該電機子に対向配設した磁石部と，該磁石部及び冷媒を
収容する冷媒容器と，該冷媒容器に連結した冷媒供給用
の冷媒循環パイプとよりなると共に，上記磁石部は超電
導体とその周囲に巻回した着磁用コイルとよりなり，か
つ該着磁用コイルには着磁用のパルス電流を供給するた
めのリード線を接続してなり，また上記電機子の片側に
設けた冷媒容器は第一冷媒タンクに，一方その他側に設
けた冷媒容器は第二冷媒タンクに，それぞれ冷媒循環パ
イプにより接続されており，かつ該冷媒循環パイプは上
記第一及び第二冷媒タンクから各冷媒容器に冷媒を送入
する送入パイプと，該送入パイプの外周に間隙を置いて
配置され，各冷媒容器からの冷媒ガスを第一及び第二冷
媒タンクに返送するための返送パイプとよりなることを
特徴とする超電導モーターにある。

【００１１】本発明において最も注目すべきことは，上
記磁石部は超電導体とその周囲に巻回した着磁用コイル
とよりなり，着磁にはパルス電流を用いること，また上
記電機子の片側に設けた冷媒容器は第一冷媒タンクに，
他側に設けた冷媒容器は第二冷媒タンクにそれぞれ接続
したことにある。上記着磁用コイルには，パルス電流が
周期的に与えられる。この周期は，使用する超電導体，
所望するモーター出力等によって異なるが，数分〜数ヵ
月を目安に与えることが好ましい。なお，パルス電流の
電源は，超電導モーターの外部に設ける。

【００１２】上記パルス電流のパルスの幅は適度に短い
ことが好ましい。また，パルスのピークも適度に高いこ
とが好ましい（図１４）。また，上記超電導体への着磁
の方向は，まず，超電導体の磁束が，電機子に対して垂
直であることが好ましい。また，電機子の周方向に隣り
合って配置されている超電導体の磁束は，閉曲線状であ
ることが好ましい（図４）。

【００１３】次に，上記第一及び第二冷媒タンクはモー
ター本体とは別体として設けられており，例えば，モー
ター本体の上部に設けた支柱及び固定台等に設置する
（図１２）。

【００１４】次に，上記冷媒循環パイプは送入パイプと
返送パイプとよりなる。上記送入パイプは，第一及び第
二冷媒タンクから冷媒容器へと冷媒を送るパイプであっ
て，ここを流れる冷媒は温度が低く，後述するごとく，
例えば，液体である。そして，冷媒が冷媒容器内を循環
する間に，冷媒の温度が上昇し，一部冷媒ガスとなる。
上記冷媒ガスは磁石部の冷却には不適切な高温となって
いるので，返送パイプより，再び第一及び第二冷媒タン
クに返送し，回収する。

【００１５】また，上記冷媒循環パイプにおいて，送入
パイプ及び返送パイプは二重配管となっている。即ち，
送入パイプを中心として，その外周に気化した冷媒ガス
が流通する返送パイプを設ける。これにより，送入パイ
プへの外界からの熱の伝達を妨げ，冷媒の温度の上昇を
防止することができる。

【００１６】次に，上記第一冷媒タンク及び第二冷媒タ
ンクは，それぞれモーター本体の上部に配設してなるこ
とが好ましい。次に，上記返送パイプの外周には，断熱
材を介して蛇腹状の外筒を設けることが好ましい。上述
したごとく，送入パイプ及び返送パイプを流れる冷媒及
び冷媒ガスの温度は室温よりも遙かに低い。更に，超電
導体の超電導状態を維持するためには，確実に超電導体
の臨界温度以下に，冷媒の温度を保持せねばならない。
このため，外部からの熱を可能な限り遮蔽する必要があ
る。

【００１７】よって，返送パイプの外側に断熱材を設け
ることにより，返送パイプの内部に設けられた，送入パ
イプ内の冷媒の温度上昇を防止することができる。な
お，上記断熱材としては，スーパーインシュレーショ
ン，発泡材等の材料が好ましい。また，返送パイプを外
筒などの室温部分に固定する支持部品には，熱伝導率が
小さいＦＲＰ材料がよい。更に，返送パイプの外側に真
空部を設け，真空部をもって断熱材の代替とすることも
できる。また，真空部を設け，更にその外側に断熱材を
介して外筒を設けてもよい。

【００１８】また，上記外筒が蛇腹状の場合には，フレ
キシブルで柔軟性に富む。よって，第一及び第二冷媒タ
ンクとモーター本体とを接続するに当たって，取付け自
由度が増す。即ち，モーター本体に対して如何様にも冷
媒タンクを配置することができる。また，冷媒循環パイ
プの分解，組立の作業性にも優れる。

【００１９】次に，上記モーター本体は上記冷媒循環パ
イプと接続するノズルを有し，上記冷媒循環パイプにお
ける送入パイプの先端は上記ノズル内を貫通して冷媒容
器に開口し，一方冷媒循環パイプの返送パイプは上記ノ
ズルに対して着脱可能に装着されていることが好まし
い。これにより，超電導モーターの分解，組立が容易に
なる。なお，モーター本体において，ノズルは溶接によ
り冷媒容器に取り付けられていることが好ましい。

【００２０】次に，上記ノズルと上記返送パイプとは連
結パイプを介して接続され，かつそれぞれの間はチュー
ブ継手により結合されていることが好ましい。チューブ
継手は，ねじ込み式の部品が組み合わされた構造であ
る。よって，狭い場所であっても容易に分解，組立を行
うことが可能である。また，上記分解，組立てに当たっ
て特別の工具等も必要としない。

【００２１】次に，上記磁石部は，上記電機子の回転方
向に沿って１個又は複数個配設されている。また，外部
に超電導体からの磁束が漏れないようにするために，電
機子の回転方向に沿って，偶数個の磁石部を設けること
が好ましい。すなわち，磁石部が多ければ，モーターの
出力は大きくなる。しかし，磁石部の数に応じて装置が
大型化するため，目的によって磁石部の構成は選択する
必要がある。なお，上記磁石部は電機子の片側面に配設
されていてもかまわない。

【００２２】次に，上記着磁用コイルは，通常の電気銅
線を用いることができるが，超電導線により作製されて
いることが好ましい。上記超電導線の材料は，使用する
冷媒の温度付近で超電導状態を保ち，かつ線材としての
加工が可能であれば，いかなる超電導体を用いてもかま
わない。しかし，コストの点から，冷媒が液体窒素であ
るときには，Ｂｉ系の超電導体が好ましい。上記着磁用
コイルが超電導体である場合には，通電しても熱を発生
しない。従って，磁石部等の昇温を防止できる。

【００２３】次に，上記超電導体は，バルク状（固片
状）のものを用いる。このような，超電導体の材料とし
ては，例えばＲＥ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ（ＲＥはＹ，Ｎｄ，
Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｔｍ，Ｙｂ，Ｌ
ｕから選ばれる１種又は複数種の元素），Ｂｉ−（Ｐ
ｂ）−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ，Ｔｌ−Ｂａ−Ｃａ−Ｃｕ
−Ｏ，Ｈｇ−Ｂａ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏなどがある。また，
超電導体は，特に溶融法により，ＹとＢａとＣｕの酸化
物を含有する超電導材料によって作製されていることが
好ましい。

【００２４】上記酸化物よりなる超電導材料は，その臨
界温度が９０Ｋ以上である。そのため，液体窒素等の安
価かつ手軽に入手できる冷媒によって，超電導状態を達
成できる。また，上記酸化物を含有する超電導体は，大
きなピン止め効果をもつ。このため，より多くの磁束を
ピン止め点に固定させることができる。従って，超電導
モーターの性能が向上する。

【００２５】次に，上記冷媒は，液体窒素，液体アルゴ
ン，液体空気，液体酸素，液体メタン，及び液体クリプ
トンのグループから選ばれる液体冷媒であることが好ま
しい。上記物質は，１気圧の沸点がそれぞれ，７７Ｋ，
８７Ｋ，７９Ｋ，９０Ｋ，１１２Ｋ，及び１２０Ｋであ
る。すなわち，液体ヘリウムの沸点４Ｋに比べて，十分
高温である。このため，冷媒容器及び冷媒循環パイプ等
に特別の断熱機構を必要としない。

【００２６】また，液体窒素，液体空気には，安価であ
るという利点もある。なお，上記冷媒は沸点が，液体ヘ
リウムの沸点よりも高く，磁石部に使用する超電導体の
臨界温度よりも低く，気化熱が液体ヘリウムより大きけ
れば，いかなる物質であっても構わない。

【００２７】また，冷媒を減圧すると温度が下がるとい
う性質を利用し，冷媒容器及び，冷媒循環パイプの内部
を減圧して冷媒を沸点以下の温度にして用いてもよい。
減圧することにより，固体，液体及び気体が共存する３
重点の温度まで冷媒の温度を下げることもできる。即
ち，液体窒素は６３Ｋ，液体アルゴンは８４Ｋ，液体酸
素は５４Ｋ，液体メタンは９１Ｋ，液体クリプトンは１
１６Ｋまで，液体のまま温度を下げることができ，液体
冷媒として使用できる。

【００２８】次に，上記冷媒は，冷却されたヘリウムガ
ス，水素ガス，ネオンガスのグループから選ばれる気体
冷媒を用いることも可能である。上記気体冷媒は，液体
冷媒に比べて，少量で冷媒容器を充填させることが可能
である。また，気体は粘性が低いので，冷媒循環パイプ
等の口径を，小さくすることも可能になる。このため，
超電導モーターの省スペース化を図ることができ，また
液体冷媒に比べて軽量なモーターとすることができる。
また，上記ヘリウムガスは液化しにくい。このため気体
冷媒として優れている。

【００２９】次に，上記冷媒容器は，真空容器内に配設
されていることが好ましい。これにより，冷媒容器の断
熱性が一層向上する。次に，着磁用コイルに連結する上
記リード線は，互いにらせん状に縒り合わされているこ
とが好ましい。そして，上記リード線は着磁用コイルへ
向かうものと，着磁用コイルより出てくるものを縒り合
わせることが好ましい。即ち，上記往復の２本のリード
線は，電流の流れる方向が反対である。従って，上記リ
ード線の間には反発力が働き，パルス電流を流すことに
よりリード線が振動する。

【００３０】また，上記リード線は，その周囲に磁場を
発生する。しかし，２本のリード線は流れる電流の方向
が逆であるので，２本のリード線の発生する磁場は逆方
向である。従って，上記のごとく，縒り合わせることに
より，２本のリード線の振動及び磁場の発生を防止でき
る。

【００３１】次に，上記リード線は，上記冷媒循環パイ
プ内において配線されていることが好ましい。これによ
り，上記リード線は冷却され電気抵抗が減少する。この
ため，通電に伴うジュール熱の発生を最小に押さえるこ
とができる。従って，リード線の発熱等で周囲の温度を
上げることがない。また，上記リード線は耐寒物質によ
って，表面を被覆することが好ましい。

【００３２】次に，上記冷媒タンクへ返送された冷媒ガ
スは，冷凍機により冷却されて，該冷凍機と上記冷媒タ
ンクとの間に循環されていることが好ましい。これは，
冷媒の昇温を防止するためである。よって，超電導体を
常に一定の温度に保冷することができる。

【００３３】

【作用及び効果】本発明の超電導モーターにおいては，
磁石部は超電導体とその周囲に巻回した着磁用コイルと
よりなり，磁石部の着磁にはパルス電流を用いる。これ
により，磁石部の超電導体には，着磁用コイルに発生し
た磁束が固定される。すなわち，超電導体そのものに電
流を流すことなく，磁石とすることができる。このた
め，超電導体内部において，電気的擾乱が発生すること
がない。更に，上記超電導体はバルク状である。このた
め，クエンチが起こらない。

【００３４】また，本発明の超電導モーターは，モータ
ー本体と第一及び第二冷媒タンクが別体となっており，
これらと，電機子の両側に設けた冷媒容器との間は，そ
れぞれ冷媒循環パイプで接続されている。このため，冷
媒タンクの配置に当たっての自由度が増す。また，その
ため，上記超電導モーターの分解，組立が容易である。

【００３５】また，上記冷媒循環パイプは二重配管であ
って，送入パイプの外周に返送パイプが配置されてい
る。これにより，冷媒容器内で気化して発生した冷媒ガ
スを返送して冷媒タンクに回収できる。また，返送パイ
プ内の冷媒ガスの混じった冷媒により送入パイプの外部
からの断熱も行うことができる。

【００３６】また，着磁用コイルはパルス電流を流すこ
とにより磁場を発生させる。すなわち，電流が流れる時
間は極めて短い。また，着磁用コイルは冷媒中にあって
冷却され，電気抵抗が小さい。よって，ジュール発熱は
極めて小さい。このため冷媒の蒸発も少なくてすむ。ま
た，上記のごとく着磁用コイルの電気抵抗が小さくなる
ので，パルス電流を供給する電源の容量を小さくでき，
小型化できる。上記の点が，超電導コイル自体に磁場を
発生させて，モーター作用をさせる前記従来例の超電導
モーターと根本的に異なる。

【００３７】更に，超電導体に固定される磁場の大きさ
は，着磁用コイルの発生する磁場に依存する。このた
め，着磁用コイルに流れるパルス電流の大きさを変化さ
せることによって，超電導体の磁場の大きさをコントロ
ールできる。よって，モーターの出力コントロールが容
易である。従って，効率的である。

【００３８】上記のごとく，本発明によれば，超電導体
にクエンチが発生せず，分解，組立が容易で，モーター
効率のよい，超電導モーターを提供することができる。

【００３９】

【実施例】

実施例１本発明の実施例にかかる超電導モーターにつき，図１〜
図１４を用いて説明する。図１，図１０〜図１２に示す
ごとく，本例の超電導モーター１は，モーター本体１０
０と，冷媒貯蔵用の第一冷媒タンク２０１及び第二冷媒
タンク２０２とよりなる。上記モーター本体１００は，
回転シャフト１６に設けた電機子１５と，該電機子１５
に対向配設した磁石部１０と，該磁石部１０及び冷媒１
３０を収容する冷媒容器１３と，該冷媒容器１３に連結
した冷媒供給用の冷媒循環パイプ２０とよりなる。

【００４０】次に，上記磁石部１０は超電導体１１とそ
の周囲に巻回した着磁用コイル１２とよりなる。そし
て，後述するごとく，着磁用コイル１２には，着磁用の
パルス電流を供給するためのリード線１２１を接続して
ある。また，図１０〜図１２に示すごとく，上記電機子
１５の片側（図１，図１０〜図１２の右側）に設けた冷
媒容器１３は第一冷媒タンク２０１に，他側（図１０〜
図１２の左側）に設けた冷媒容器１３は第二冷媒２０２
タンクに，それぞれ冷媒循環パイプ２０により接続され
ている。

【００４１】また，図１及び図３に示すごとく，上記冷
媒循環パイプ２０は，上記第一冷媒タンク２０１，第二
冷媒タンク２０２から，各冷媒容器１３に冷媒１３０を
送入する送入パイプ２２と，上記送入パイプ２２の外周
に間隙を置いて配置され，各冷媒容器１３からの冷媒ガ
スを第一タンク２０１及び第二冷媒タンク２０２に返送
するための返送パイプ２３とよりなる。

【００４２】次に，これらにつき詳細に説明する。ま
ず，上記モーター本体１００について説明する。図１，
図１０〜図１２に示すごとく，上記電機子１５を設けた
回転シャフト１６は，外部より電流を供給するためのブ
ラシ１７を有する。ブラシ１７は，整流子１８に対向配
置されている。なお，図１，図１１，図１２において符
号１５０は，電機子１５を空冷するために風を送り込む
ブロアー，２２２は冷媒ガスの返送ノズル，２８１は第
一冷媒タンク２０１及び第二冷媒タンク２０２を設置す
る固定台，２８２は固定台２８１を支える支柱である。

【００４３】次に，図１０，図１１に示すごとく，上記
磁石部１０は，上記電機子１５の両側面に，該電機子１
５を挟み込むように対向して配設されている。図４に示
すごとく，上記磁石部１０は，電機子１５と同軸に配置
された架台１９に固定されている。そして，図５に示す
ごとく，上記架台１９は，リング形状で，表面には磁石
部１０を設ける載置部１９１を有する。また，上記磁石
部１０は，図５に示すごとく，上記電機子１５の回転方
向に沿って等間隔に１０個配設されている。即ち，本例
の超電導モーター１は合計２０個の磁石部１０を有す
る。

【００４４】また，図１，図９に示すごとく最も下方に
位置する磁石部１０の着磁用コイル１２には，外部の電
源から，着磁用コイル１２にパルス電流を供給するため
のリード線１２１を接続してなる。１０個の着磁用コイ
ル１２は，巻き方向が交互になるように直列に接続され
ている。そして，上記着磁用コイル１２より，他の磁石
部１０の着磁用コイル１２に対して，更にリード線が延
設してある。

【００４５】また，上記リード線１２１は図１，図９に
示すごとく，冷媒容器１３に取付けられたハーメチック
シール１３９を介して真空容器１４内に導かれ，さらに
真空容器１４に取付けられたハーメチックシール１４９
を介して，モータ外部へ導かれる。真空容器１４内のリ
ード線１２１は，行きと帰りの線が絶縁を保った状態で
縒り合わされている。また，外部からの熱流入を少なく
する為，適当な長さをとってループ状にたるませてあ
る。なお，図９において符号１９７は架台１９を冷媒容
器１３の内側に固定するためのネジ穴，１９８，１９９
は冷媒容器１３の蓋を止めるネジ穴である。

【００４６】このように，リード線１２１を縒り合わせ
ておくと，断線等を防止できる。即ち，着磁用コイル１
２にパルスとはいえ大電流を流すと，行きと帰りのリー
ド線の間には，反発する向きに電磁力が働きリード線１
２１が真空容器１４内で，大きく振動して踊り状態とな
り，断線，絶縁破壊につながる恐れがある。しかし，上
記ように，互いに縒り合わせることにより，これを抑制
することができる。また，リード線１２１の室温端と液
体窒素温度端との距離をある程度長くすることにより，
外部からの熱流入や真空容器１４側のハーメチックシー
ル１４９への霜の付着が抑制できる。

【００４７】次に，上記磁石部１０について説明する。
図２に示すごとく，上記磁石部１０は，バルク状の超電
導体１１に対して，ボビン１２２を配置し，次に，上記
ボビン１２２に対して着磁用コイル１２を巻回すること
により構成されている。なお，符号１３５は，超電導体
１１を電機子１５の方向へ押圧しておくバネである。

【００４８】また，上記冷媒容器１３は，真空容器１４
内に配設されている。上記冷媒容器１３には，冷媒循環
パイプ２０が接続されている。図１に示すごとく，上記
冷媒循環パイプ２０における送入パイプ２２及び返送パ
イプ２３は，架台１９の背面（電機子１５に対向する面
とは反対側の面）から接続されている。また，上記冷媒
１３０は，液体窒素である。

【００４９】上記超電導体１１は，円柱バルク状を呈し
ている。また，この超電導体１１は，溶融法により作製
された，ＹＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ_7-δの大きな結晶粒の中に微
細なＹ₂Ｂａ₁Ｃｕ₁Ｏ₅の粒子を含有する超電導材料
よりなる。上記超電導材料の転移温度は９０Ｋ程度であ
る。上記超電導体１１は，図１３に示すごとく，磁束１
１０をトラップするピン止め点１１１を保有するので，
モーター用磁石体として好適である。また，上記着磁用
コイル１２は断面積３ｍｍ×１．２ｍｍの角型の銅線を
用い，これを１０ターン巻いてある。

【００５０】次に，冷媒循環パイプ２０による，上記磁
石部１０と，第一冷媒タンク２０１との連結状態につい
て説明する。なお，以下の説明は第一冷媒タンク２０１
における説明であるが，本例の超電導モーター１は，図
１０に示すごとく，左右対称の構造を有しているため，
第二冷媒タンク２０２と他の磁石部とについても同様の
構造である。

【００５１】まず，図１，図３，図７，図１２に示すご
とく，上記冷媒循環パイプ２０は，最も内側に送入パイ
プ２２を，そのすぐ外側に返送パイプ２３を，更にその
外周には，真空部２１０，断熱材２１９を介して，蛇腹
状の外筒２１を設けてある（図１２）。そして，送入パ
イプ２２と，返送パイプ２３との間には，冷媒を第一冷
媒タンク２０１へ返送するための中空部２２０を有す
る。なお，図７は上記冷媒循環パイプ２０の，図３にお
けるＢ−Ｂ矢視断面図である。

【００５２】更に，上記モーター本体１００は上記冷媒
循環パイプ２０と接続するためのノズル２６２を有して
いる。なお，上記ノズル２６２は冷媒容器１３に対して
溶接されている。上記ノズル２６２と上記返送パイプ２
３とは，図１，図３に示すごとく，連結パイプ２３０を
介して接続されている。

【００５３】即ち，ノズル２６２と連結パイプ２３０の
基端部２３０１とはチューブ継手２６により，一方，連
結パイプ２３０の先端部２３０２と返送パイプ２３と
は，後述するチューブ継手２５により結合されている。
そして，上記冷媒循環パイプ２０における，送入パイプ
２２の先端２２９は，上記ノズル２６２内を貫通して冷
媒容器１３に開口している（図２，図６）。

【００５４】なお，図３において，符号２００は外筒２
１をモーター本体１００に接続するための連結パイプ，
２３１は連結パイプ２３０に送入パイプ２２を固定する
ためのスぺーサー，２６１はチューブ継手２６における
右ナット，２９１は第一冷媒タンク２０１と冷媒循環パ
イプ２０の外筒２１とをシールして連結するためのＯリ
ング付きクランプ，２９２は同じく外筒２１と連結パイ
プ２００とをシールして連結するためのＯリング付きク
ランプである。

【００５５】上記チューブ継手２５は，図８に示すごと
く，中央ブロック２５０とその両側に螺着する右ナット
２５１と左ナット２５２とを有し，また，これらはそれ
ぞれ，貫通穴を有する。また，右ナット２５１，左ナッ
ト２５２と中央ブロック２５０との間には，中央ブロッ
ク２５０方向に向かって尖ったリング状であるフロント
フェルール２５６と，バックフェルール２５７とが設け
られている。また，中央ブロック２５０の開口部は，内
方に向かって縮小するすり鉢状である。

【００５６】そして，このチューブ継手２５により，返
送パイプ２３，連結パイプ２３０を連結するに当たって
は，図３，図６，図８に示すごとく，右ナット２５１に
は，送入パイプ２２及び返送パイプ２３が挿入され，該
返送パイプ２３は中央ブロック２５０の中央突起２５８
に当接する。一方，左ナット２５２には，図３に示すご
とく，連結パイプ２３０が同様に挿入され，中央突起２
５８に当接する。

【００５７】その後，右ナット２５１，左ナット２５２
を締めることにより，フロントフェルール２５６とバッ
クフェルール２５７とが中央ブロック２５０側に押え付
けらる。そして，フロントフェルール２５６の先端が中
央ブロック２５０に食い込み，密着接続される。それ
故，チューブ継手２５により返送パイプ２３と連結パイ
プ２３０とが，気密的に接続できる。

【００５８】また，チューブ継手２６についても，上記
継手チューブ２５と同様の構造であり，よって，上記ノ
ズル２６２，右ナット２６１と連結パイプ２３０とが気
密的に接続できる。

【００５９】次に，モーター本体１００から第一冷媒タ
ンク２０１及び第二冷媒タンク２０２を取り外す場合に
ついて説明する。即ち，図１，図３に示すごとく，ま
ず，返送パイプ２３と外筒２１との間の真空部２１０に
空気を導入し，常圧とする。次に，Ｏリング付きクラン
プ２９２を取り外す。

【００６０】次に，ウィルソンシール２９６（図３）を
緩め，外側連結パイプ２００をモーター本体１００側に
スライドさせ，返送パイプ２３と連結パイプ２３０との
間のチューブ継手２５を露出させる（図６）。更に，図
６に示すごとく，チューブ継手２５における左ナット２
５２を緩め，連結パイプ２３０との間を分離可能な状態
にする。

【００６１】次に，冷媒循環パイプ２０をモーター本体
１００より引き離す方向（図１，図３の右方向）にスラ
イドさせる。そして，第一冷媒タンク２０１，外筒２
１，返送パイプ２３，送入パイプ２２，中央ブロック２
５０を一体にしたままの状態（図６）で，これらをモー
ター本体１００より分離する。なお，第一冷媒タンク２
０１及び第二冷媒タンク２０２の組立に当たっては，上
述の手順を分解とは逆に行えばよい。

【００６２】次に，本例における作用効果につき説明す
る。本例の超電導モーター１は，送入パイプ２２によ
り，冷媒容器１３に液体窒素が充填される。これによ
り，磁石部１０の超電導体１１が冷却され，臨界温度以
下になる。また，着磁用コイル１２も同様に冷却され
る。次に，パルス電流源からパルス電流１２０が与えら
れる（図４）。これにより，着磁用コイル１２に磁場が
発生し，図１３に示すごとく，上記磁場による磁束１１
０が超電導体内のピン止め点１１１に固定される。こう
して，上記超電導体１１は，磁化される。

【００６３】一方，モータ駆動時には，電機子１５に対
して電流源よりブラシ１７と整流子１８とを介して電流
が供給される。このため，電機子１５の電流に対して，
超電導体１１における上記磁束１１０によるローレンツ
力が働く。

【００６４】即ち，円板状の電機子１５に流れる電流の
向きは，磁石部１０の数と同数の部分に分けられ，磁場
の向きに対応して同じ向きにトルクが働くように半径方
向に交互に流れる。このため，電機子１５は回転し，電
機子１５に接続した回転シャフト１６により，外部にモ
ーター出力を取り出すことが可能になる。

【００６５】なお，上記冷媒１３０は，冷媒容器１３を
循環する間に温度が上昇し，冷媒ガスとなる。上記冷媒
ガスは返送パイプ２３を通って，再び第一冷媒タンク２
０１及び第二冷媒タンク２０２に戻っていく。

【００６６】上記パルス電流１２０による，超電導体１
１の着磁の様子は，図４に示されている。即ち，パルス
電流１２０は，電機子１５を挟んで向かい合う着磁用コ
イル１２に対しては同方向に，電機子１５の周方向に隣
接する着磁用コイル１２に対しては異なる方向に流され
ている。

【００６７】このため，上記パルス電流１２０による磁
束１１０は，電機子１５を挟んで向かい合う超電導体１
１において，電機子１５に対し垂直方向である。また，
電機子１５の周方向に隣接する超電導体１１において，
閉曲線を描く。従って，上記超電導体１１は，着磁用コ
イル１２によって，図４に図示された方向に磁化され
る。また，磁束１１０の方向は固定されている。このた
め，磁束１１０は外部に漏れない。従って，超電導体１
１に対して効率よく磁束１１０を固定できる。また，架
台１９と架台１９を取付ける冷媒容器１３の取付け部分
に，Ｆｅ，Ｎｉ，Ｃｏを主成分とする強磁性合金（ヨー
ク材）を用いることにより，さらに効率よく磁束１１０
を超電導体１１に集中できる。

【００６８】また，上記パルス電流１２０により発生し
た磁束１１０は，図１３に示すごとく，超電導体１１内
部のピン止め点１１１に固定される。このため，超電導
体１１に電流を流すことなく超電導体１１を磁化するこ
とができる。従って，上記超電導体１１にはクエンチが
発生しない。

【００６９】次に，上記パルス電流１２０により着磁用
コイル１２を流れるコイル電流の波形を図１４に示す。
上記コイル電流は，その立ち上がり時間が２．５ｍｓで
ある。そして，１５ｍｓ経過後には，電流は消滅してい
る。すなわち，着磁用コイル１２に電流の流れる時間は
極めて短いので，ジュール熱の発生が少なく，冷媒の沸
騰が抑えられる。

【００７０】上記パルス電流１２０によって磁化された
超電導体１１の磁場は時間の経過と共に減衰する。減衰
の割合は経過時間が１０倍になることにより，２〜３％
減少する。例えば１日毎にパルス電流１２０を着磁用コ
イル１２に流すことにより，上記超電導体１１は常に高
い磁束を保有し，磁場を維持することができる。

【００７１】また，上記パルス電流１２０は外部のパル
ス電流源から供給される。よって，外部のパルス電流源
から超電導体１１の磁場を操作することができる。従っ
て，パルス電源とは切り離して効率的にモーターを運転
できる。また，着磁する磁場の大きさを制御することに
よって，任意のモータ出力を得ることができる。

【００７２】また，本例に用いた上記超電導体１１は臨
界温度が約９０Ｋである。従って，冷媒１３０として液
体窒素を用いることができる。液体窒素は価格も安く，
取扱いも容易である。このため，運転コストが低く，構
造の簡単な超電導モーター１を得ることができる。

【００７３】本例の超電導モーター１においては，モー
ター本体１００と第一冷媒タンク２０１及び第二冷媒タ
ンク２０２が別体となっており，これらの間は冷媒循環
パイプ２０で接続されている。このため，第一冷媒タン
ク２０１及び第二冷媒タンクの配置に当たっての自由度
が増す。また，超電導モーター１の構造も単純となって
おり，各部のシール部材も減少している。従って，上記
超電導モーター１の分解，組立は容易である。

【００７４】また，本例の冷媒循環パイプ２０は二重配
管であって，内側から順に，送入パイプ２２，返送パイ
プ２３，真空部２１０，断熱材２１９，外筒２１となっ
ている。よって，外部からの熱の大半は，真空部２１０
と断熱材２１９によって遮られ，また更に返送パイプ２
３内の冷媒ガスの混じった冷媒によっても送入パイプ２
２の断熱がとられる。

【００７５】また，工具等を必要とせず，手作業で分解
組立が可能なチューブ継手２５によって，連結パイプ２
３０と返送パイプ２３の連結を行う。また，外筒２１は
蛇腹状になっており，フレキシブルで柔軟性に富んでい
る。従って，上記冷媒循環パイプ２０の外部延設が可能
となり，別体の第一冷媒タンク２０１及び第二冷媒タン
ク２０１とモーター本体１００との間を接続することが
できる。以上により，本例の超電導モーター１は分解，
組立が容易である。

【００７６】従って，本例によれば，超電導体にクエン
チが発生する懸念がなく，分解，組立が容易で，モータ
ー効率のよい，超電導モーターを提供することができ
る。

【００７７】実施例２本例は，実施例１において示した超電導モーターのモー
ター特性について，図１５〜図１７を用い，説明するも
のである。

【００７８】即ち，超電導モーターにおける超電導体に
着磁するには，まず着磁用コイルにパルス電流を印加す
る。上記パルス電流の印加により，着磁用コイルにはコ
イル電流が流れ，パルス磁場が発生する。このパルス磁
場により超電導体は通常の磁石と同様に，磁気を帯び
る。これにより，電機子を流れる電流が力を受け，上記
超電導モーターの回転シャフトは回転運動を行い，ここ
よりモーター出力を外部に取り出すことができる。

【００７９】従って，上記回転シャフトのトルク及び回
転数を示すことによって，モーター特性を表すことがで
きる。特性の評価に当たっては，上記超電導モーターの
シャフトに，ひずみゲージ式のトルク計と負荷用モータ
をこの順に接続する。そして，上記回転シャフトのトル
クの測定に当たっては，上記トルク計によって，また，
回転数の測定は光反射式の回転計によって行う。なお，
以下の測定に当たっては，実施例１において示した超電
導モーターを用い，実施例１に示す波形のコイル電流に
よって超電導体の着磁を行い，評価を行なった。

【００８０】上記パルス磁場（印加磁場）と，該パルス
磁場により駆動する超電導モーターの回転シャフトの静
止トルクとの関係を図１５に示す。即ち，超電導体が磁
気的に飽和する１０ｋＯｅまでは，パルス磁場の上昇と
共に，順調に静止トルクが上昇している。このため，上
記超電導モーターは，通常の永久磁石を用いたモーター
と同様に回転シャフトの回転からモーター出力を取り出
すことができる。

【００８１】次に，図１６に定電圧制御での，回転シャ
フトの回転数及びトルクの関係を示す。なお，上記電圧
は，図１６の線図の下方に示すごとく，１０Ｖから３５
Ｖの範囲の電圧で行う。即ち，上記範囲内の電圧におい
て，上記超電導モーターは，通常の直流モーターと同様
に，回転数の上昇に応じてトルクの値が直線状に減少し
ている。よって，上記超電導モーターは，通常の永久磁
石を用いた直流モーターと同様に機能していることがわ
かる。

【００８２】次に，図１７に，上記超電導モーターを定
電流制御で，負荷を一定にして連続的に運転した場合
の，回転シャフトのトルク及び回転速度について示す。
即ち，超電導モーターの第一及び第二冷媒タンクを液体
窒素で充填し，磁石部における超電導体を超電導状態に
する。その後，パルス着磁によって超電導体を磁石化
（磁化）した後，液体窒素が蒸発し，超電導体の超電導
状態が破れるまで（図１７における矢線），超電導モー
ターを駆動させる。なお，図１７（ａ）が着磁後の時間
とトルクとの関係，図１７（ｂ）が着磁後の時間と回転
速度との関係である。

【００８３】両図は共に，液体窒素が十分に存在し，超
電導体が，臨界温度以下に冷却されて超電導状態にある
間は，超電導モーターが安定して動作していることを表
している。即ち，図１７（ａ）においては，矢線に示す
時間に至るまで，トルクはおよそ３kgfcmの値を維持
し，実施例１において述べた超電導体の磁化の減衰は，
実質的にはモータ性能にほとんど影響しないことを示し
ている。また，同様に図１７（ｂ）においても，回転シ
ャフトの回転数は，およそ３５００ｒｐｍを維持してい
る。よって，上記超電導モーターは安定した連続運転が
可能である。

【００８４】実施例３本例は，図１８に示すごとく，実施例１の超電導モータ
ー１において，返送パイプ２３における冷媒ガスを再び
冷却し，冷媒１３０として再利用する方法について説明
するものである。なお本例においても，超電導モーター
１の第一冷媒タンク２０１についてのみ説明する。

【００８５】即ち，図１８に示すごとく，冷媒１３０は
モーター本体１００の外部に設けられた第一冷媒タンク
２０１から供給され，送入パイプ２２を通じて，磁石部
１０の冷媒容器１３に送られる。その後，超電導体１１
を冷却することによって，上記冷媒１３０の温度は上昇
し，その一部がガス化し，冷媒ガスを生じる。そして，
上記冷媒ガスは返送パイプ２３，返送ノズル２２２によ
り第一冷媒タンク２０１に返送される。

【００８６】一方，上記第一冷媒タンク２０１には，冷
凍機４より延設された二本のパイプ４１，４２が接続さ
れている。そして，第一冷媒タンク２０１内の冷媒ガス
は冷凍機４へ上記パイプ４１を通じて送出される。そし
て，冷凍機４において冷媒ガスは冷却され，再び液状の
冷媒１３０となる。その後，上記冷媒１３０はパイプ４
２を通じて，再度第一冷媒タンク２０１に戻される。即
ち，上記冷媒ガスは冷凍機４と第一冷媒タンク２０１の
間に循環されている。

【００８７】本例によれば，第一冷媒タンク２０１内の
冷媒１３０の温度を常に一定に保持することができる。
このため，超電導体１１を常に一定の温度に保冷するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１における超電導モーターの右断面図。

【図２】実施例１における超電導モーターの磁石部の断
面図。

【図３】実施例１における超電導モーターの冷媒循環パ
イプの断面図。

【図４】実施例１における超電導モーターの磁石部の説
明図。

【図５】実施例１における超電導モーターの架台の背面
図。

【図６】実施例１における超電導モーターの冷媒循環パ
イプの分解説明図。

【図７】図３におけるＢ−Ｂ線矢視断面図。

【図８】実施例１におけるチューブ継手の断面図。

【図９】図１におけるＡ−Ａ線矢視断面図。

【図１０】実施例１におけるモーター本体の断面全体説
明図。

【図１１】実施例１における超電導モーターのモーター
本体の斜視図。

【図１２】実施例１における超電導モーターの正面図。

【図１３】実施例１における超電導モーターの超電導体
の磁束ピン止め点の説明図。

【図１４】実施例１における超電導モーターのコイル電
流の説明図。

【図１５】実施例２における印加磁場と回転シャフトの
静止トルクとの関係を示す線図。

【図１６】実施例２における回転シャフトの回転速度と
トルクとの関係を示す線図。

【図１７】実施例２における超電導モーターの（ａ）着
磁後の時間と回転シャフトのトルクとの関係，（ｂ）着
磁後の時間と回転シャフトの回転速度との関係を示す線
図。

【図１８】実施例３における超電導モーターの要部説明
図。

【符号の説明】

１．．．超電導モーター，１０．．．磁石部，１００．．．モーター本体，１１．．．超電導体，１２．．．着磁用コイル，１２１．．．リード線，１３．．．冷媒容器，１３０．．．冷媒，１４．．．真空容器，２０．．．冷媒循環パイプ，２０１．．．第一冷媒タンク，２０２．．．第二冷媒タンク，２１．．．外筒，２１９．．．断熱材，２２．．．送入パイプ，２３．．．返送パイプ，２３０．．．連結パイプ，２５，２６．．．チューブ継手，２６２．．．ノズル，

フロントページの続き (72)発明者藪野良平愛知県刈谷市八軒町５丁目50番地株式会社イムラ材料開発研究所内 (72)発明者原田信太郎愛知県刈谷市八軒町５丁目50番地株式会社アイシンコスモス研究所内 (72)発明者榊原務愛知県刈谷市八軒町５丁目50番地株式会社アイシンコスモス研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】モーター本体と，冷媒貯蔵用の第一冷媒
タンク及び第二冷媒タンクとよりなり，上記モーター本
体は，回転シャフトに設けた電機子と，該電機子に対向
配設した磁石部と，該磁石部及び冷媒を収容する冷媒容
器と，該冷媒容器に連結した冷媒供給用の冷媒循環パイ
プとよりなると共に，上記磁石部は超電導体とその周囲
に巻回した着磁用コイルとよりなり，かつ該着磁用コイ
ルには着磁用のパルス電流を供給するためのリード線を
接続してなり，また上記電機子の片側に設けた冷媒容器
は第一冷媒タンクに，一方その他側に設けた冷媒容器は
第二冷媒タンクに，それぞれ冷媒循環パイプにより接続
されており，かつ該冷媒循環パイプは上記第一及び第二
冷媒タンクから各冷媒容器に冷媒を送入する送入パイプ
と，該送入パイプの外周に間隙を置いて配置され，各冷
媒容器からの冷媒ガスを第一及び第二冷媒タンクに返送
するための返送パイプとよりなることを特徴とする超電
導モーター。
【請求項２】請求項１において，上記第一冷媒タンク
及び第二冷媒タンクは，それぞれモーター本体の上部に
配設してなることを特徴とする超電導モーター。
【請求項３】請求項１または２のいずれか一項におい
て，上記返送パイプの外周には，断熱材を介して蛇腹状
の外筒を設けたことを特徴とする超電導モーター。
【請求項４】請求項１〜３のいずれか一項において，
上記モーター本体は上記冷媒循環パイプと接続するノズ
ルを有し，上記冷媒循環パイプにおける送入パイプの先
端は上記ノズル内を貫通して冷媒容器に開口し，一方冷
媒循環パイプの返送パイプは上記ノズルに対して着脱可
能に装着されていることを特徴とする超電導モーター。
【請求項５】請求項４において，上記ノズルと上記返
送パイプとは連結パイプを介して接続され，かつそれぞ
れの間はチューブ継手により結合されていることを特徴
とする超電導モーター。
【請求項６】請求項１〜５のいずれか一項において，
上記磁石部は，上記電機子の回転方向に沿って１個又は
複数個配設されていることを特徴とする超電導モータ
ー。
【請求項７】請求項１〜６のいずれか一項において，
上記着磁用コイルは超電導線により作製されていること
を特徴とする超電導モーター。
【請求項８】請求項１〜７のいずれか一項において，
上記超電導体は，溶融法により，ＹとＢａとＣｕの酸化
物を含有する超電導材料によって作製されていることを
特徴とする超電導モーター。
【請求項９】請求項１〜８のいずれか一項において，
上記冷媒は，液体窒素，液体アルゴン，液体空気，液体
酸素，液体メタン，液体クリプトンのグループから選ば
れる液体冷媒であることを特徴とする超電導モーター。
【請求項１０】請求項１〜８のいずれか一項におい
て，上記冷媒は，冷却されたヘリウムガス，水素ガス，
ネオンガスのグループから選ばれる気体冷媒であること
を特徴とする超電導モーター。
【請求項１１】請求項１〜１０のいずれか一項におい
て，上記冷媒容器は，真空容器内に配設されていること
を特徴とする超電導モーター。
【請求項１２】請求項１〜１１のいずれか一項におい
て，上記リード線は互いにらせん状に縒り合わされてい
ることを特徴とする超電導モーター。
【請求項１３】請求項１〜９，１１，１２のいずれか
一項において，上記冷媒タンクへ返送された冷媒ガス
は，冷凍機により冷却されて，該冷凍機と上記冷媒タン
クとの間に循環されていることを特徴とする超電導モー
ター。
【請求項１４】請求項１〜１３のいずれか一項におい
て，上記リード線は，上記冷媒循環パイプ内において配
線されていることを特徴とする超電導モーター。