(57)【要約】  【課題】ロータに設けた超電導コイルへ非接触給電を行い、ロータ側で得られた交流を直流へ変化する変換器を効率良く冷却する。  【解決手段】ロータ１２に界磁用の超電導コイル１５を固定すると共にステータ１１に電機子コイル１４を固定し、ステータ１１側からロータ１２側へと誘導給電を行う非接触給電手段１６を設け、非接触給電手段１６によりロータ１２側で受電した交流を変換器１９で直流に変換して超電導コイル１５に給電しており、超電導コイル１５はロータ１２内の冷却空間２３に配置されると共に、冷却空間２３には外部から冷媒が供給される冷媒導入路２２と、超電導コイル１５との熱交換により温度上昇した冷媒が排出される冷媒導出路２４とが設けられ、冷媒導出路２４の昇温した冷媒により変換器１９を冷却する。  【選択図】図１
2005224022.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロータとステータとの間で誘導給電を行う非接触給電手段を設けていると共に、該ロータには交流を直流に変換する変換器と超電導コイルとが固定されており、上記非接触給電手段により上記ロータ側で受電された交流を上記変換器により直流に変換して上記超電導コイルに給電している超電導モータ装置であって、
上記超電導コイルは上記ロータ内の冷却空間に配置されており、該冷却空間には外部から冷媒が供給される冷媒導入路と、上記超電導コイルとの熱交換により温度上昇した冷媒が排出される冷媒導出路とが設けられ、該冷媒導出路の昇温した冷媒により上記変換器を冷却する構成としていることを特徴とする超電導モータ装置。
【請求項２】
上記ロータに固定された上記超電導コイルは界磁用とすると共に、上記ステータ側には周方向に間隔をあけて複数の電機子コイルを固定し、
上記超電導コイルに給電して励磁することで上記ロータ側を電磁石とし、上記複数の電機子コイルの各々に順次給電することで回転磁界を発生させて上記ロータを回転駆動している請求項１に記載の超電導モータ装置。
【請求項３】
上記冷媒導出路には、上記超電導コイルとの熱交換で昇温した冷媒を特定温度に調節する調温ユニットが介設されている請求項１に記載の超電導モータ装置。
【請求項４】
上記変換器は炭化ケイ素（ＳｉＣ）半導体素子を用いている請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の超電導モータ装置。
【請求項５】
上記冷媒導出路から上記変換器への供給される冷媒の温度は、上記調温ユニットにより−１００℃〜０℃に調節されている請求項３または請求項４に記載の超電導モータ装置。
【請求項６】
上記非接触給電手段は、電磁シールド材により囲繞されている請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の超電導モータ装置。
【請求項７】
上記電磁シールド材は上記ステータの外面を覆っている請求項６に記載の超電導モータ装置。  
【請求項８】
上記冷媒は、液体水素あるいは液体窒素としている請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の超電導モータ装置。
【請求項９】
液体水素タンクに貯留された水素を燃料電池により酸素と反応させて発電する電気自動車に搭載されるものであって、
上記冷媒として上記液体水素タンクの液体水素を用いており、上記冷媒導入路、上記冷媒空間、上記冷媒導出路および上記変換器を通過して気化された水素ガスを上記燃料電池に供給して発電し、該電力を上記超電導コイルおよび上記電機子コイルに給電している請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載の超電導モータ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超電導モータ装置に関し、詳しくは、電気自動車やハイブリッド車に用いられる超電導モータ装置においてロータに設けた超電導コイルへ非接触給電を行い且つ高効率に冷却するものに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ガソリン等の燃料資源の枯渇や内燃機関の排気ガスによる環境悪化を改善すべく、電気によりモータを駆動して走行する電気自動車やハイブリッド車の開発が進められている。常電導モータを使用した場合には、電気抵抗による銅損が発生して低効率となると共に通電電流が限られるため高出力化が困難な問題があった。そこで、特開平６−６９０７号公報に開示されているように、超電導モータを採用すれば、超電導コイルでの銅損がなくなり高効率になると共に、モータ自身を小型化および高出力化することができる。
【０００３】
上記超電導モータについては、特に、ロータの界磁を強化する目的で超電導コイルをロータに配置する構成の研究が進められており、この構成によると回転を伴うロータの超電導コイルに給電する構造が必要となる。その給電方法としては、摺動部分にブラシを用いて給電する方法や、最近では非接触給電（誘導給電ともいう）を用いてロータに電力を供給する方法が考えられている。
【０００４】
ロータ側において非接触で受信される誘導給電は交流であるため、この交流を交換器を用いて直流に整流する必要がある。この交換器には半導体素子が用いられており、半導体素子は発熱するため冷却する必要があるが、半導体が最も効率的に作動する温度は一般に常温より低く、水冷や空冷等の通常の冷却方法では十分な冷却が難しい問題がある。
【特許文献１】特開平６−６９０７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたもので、超電導モータのロータに超電導コイルを設けた場合において、該超電導コイルへ非接触給電を行い、ロータ側で得られた交流を直流へ変化する変換器を高効率に冷却することを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するため、本発明は、ロータとステータとの間で誘導給電を行う非接触給電手段を設けていると共に、該ロータには交流を直流に変換する変換器と超電導コイルとが固定されており、上記非接触給電手段により上記ロータ側で受電された交流を上記変換器により直流に変換して上記超電導コイルに給電している超電導モータ装置であって、
上記超電導コイルは上記ロータ内の冷却空間に配置されており、該冷却空間には外部から冷媒が供給される冷媒導入路と、上記超電導コイルとの熱交換により温度上昇した冷媒が排出される冷媒導出路とが設けられ、該冷媒導出路の昇温した冷媒により上記変換器を冷却する構成としていることを特徴とする超電導モータ装置を提供している。
【０００７】
上記構成とすると、非接触給電後の交流を超電導コイルに給電するために直流へと変換する変換器の動作特性を好適に維持するために、超電導コイルを冷却した後の昇温した冷媒を流用して冷却することで、変換器専用に別途冷却手段を設ける必要がなくなり、超電導コイルよりは冷却温度が高くてもよい変換器の冷却を効率良く行うことができる。
【０００８】
上記ロータに固定された上記超電導コイルは界磁用とすると共に、上記ステータ側には周方向に間隔をあけて複数の電機子コイルを固定し、
上記超電導コイルに給電して励磁することで上記ロータ側を電磁石とし、上記複数の電機子コイルの各々に順次給電することで回転磁界を発生させて上記ロータを回転駆動している。
【０００９】
上記構成とすると、界磁コイルとなる上記超電導コイルが励磁されて電磁石となることで、上記ステータ側の複数の電機子コイルに周方向に順次給電することで生じる回転磁界が、ロータを同期回転させて回転駆動力を得ることができる。
【００１０】
上記冷媒導出路には、上記超電導コイルとの熱交換で昇温した冷媒を特定温度に調節する調温ユニットが介設されている。
【００１１】
上記構成とすると、上記変換器を過冷却してしまったり或いは冷却不足とならないように、超電導コイルを冷却済みの冷媒を変換器の最適動作温度に調温してから、変換器へと供給することができる。
【００１２】
上記変換器は炭化ケイ素（ＳｉＣ）半導体素子を用いている。
【００１３】
上記構成とすると、従来のシリコン基板からなる半導体素子に比べて、炭化ケイ素（ＳｉＣ）はバンドギャップが大きくまた非電解強度が大きいことから耐高電圧であるので、超電導モータのように大電流が流れる場合の変換器の半導体素子として最適である。
【００１４】
上記冷媒導出路から上記変換器への供給される冷媒の温度は、上記調温ユニットにより−１００℃〜０℃に調節されている。
【００１５】
上記したＳｉＣ半導体素子を最も電気抵抗の少ない状態で動作させることができる温度領域が−１００℃〜０℃の範囲であることは、後述する本発明者の鋭意研究により知得することができたものであり、上記のように調節ユニットにより冷媒導出路の冷媒温度をこの−１００℃〜０℃の範囲に制御することで、変換器の性能を最適化することが可能となる。
【００１６】
上記非接触給電手段は、電磁シールド材により囲繞されている。
【００１７】
このように、電磁誘導により給電する非接触給電手段を電磁シールド材で囲繞することにより、非接触給電手段で発生する磁界が周囲の電子機器や各種通信機器等へ悪影響を及ぼさないように防止することができる。
【００１８】
上記電磁シールド材は上記ステータの外面を覆っている構成とすると好ましい。
こうすれば、非接触給電手段で発生する磁界と共に、超電導コイルおよび電機子コイルで発生する磁界も外部へ漏れないように一括してシールドすることができる。
【００１９】
上記冷媒は、液体水素あるいは液体窒素としている。
上記超電導コイルは極低温に冷却する必要があるが、上記構成とすると、液体水素の沸点温度は約−２５２．８℃で、液体窒素の沸点温度は約−１９５．８℃であるので、液体状態の水素あるいは窒素を冷媒とすることで超電導性能を好適に発揮することができる。
【００２０】
液体水素タンクに貯留された水素を燃料電池により酸素と反応させて発電する電気自動車に搭載されるものであって、
上記冷媒として上記液体水素タンクの液体水素を用いており、上記冷媒導入路、上記冷媒空間、上記冷媒導出路および上記変換器を通過して気化された水素ガスを上記燃料電池に供給して発電し、該電力を上記超電導コイルおよび上記電機子コイルに給電している。
【００２１】
上記構成とすると、水素と酸素を反応させる燃料電池を搭載した電気自動車の駆動用として超電導モータ装置を搭載することで、超電導コイルおよび変換器の冷却用の冷媒として車載済の液体水素を兼用させることができる。また、超電導コイルおよび変換器を冷却することにより昇温気化した水素ガスを燃料電池に供給することで、液体水素タンクの液体水素を気化させる装置を別途設ける必要がなくなり効率的となる。さらには、燃料電池で発電された電力を超電導コイルおよび電機子コイルに給電することで、超電導モータ装置の駆動力を得ることができる。
【発明の効果】
【００２２】
以上の説明より明らかなように、本発明によれば、交流を直流に変換する変換器の動作特性を好適に維持するために、超電導コイルを冷却した後の昇温した冷媒を流用して冷却することで変換器の冷却を効率良く行うことができる。また、ＳｉＣ（炭化ケイ素）半導体素子を用いた変換器には、−１００℃〜０℃に調温された冷媒を供給することで、最も電気抵抗の少ない状態で最適動作させることができる。さらに、非接触給電手段を電磁シールド材により囲繞することで、誘導給電により発生する磁界が周囲の電子機器や各種通信機器等へ悪影響を及ぼすのを防止することができる。
【００２３】
また、燃料電池を搭載した電気自動車の駆動用として超電導モータ装置を搭載することで、既設の液体水素を超電導コイルおよび変換器の冷却用の冷媒として兼用できると共に、超電導コイルおよび変換器の冷却後の気化した水素ガスを燃料電池に供給することで、気化用の装置を別途設ける必要もなくなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
本発明の実施形態を図面を参照して説明する。
図１に示すように、本実施形態の超電導モータ装置１０は、水素と酸素を反応させて発電する燃料電池を搭載した電気自動車の駆動用に用いられるもので、該水素の供給源として搭載された極低温の液体水素（沸点：約−２５２．８℃）を超電導モータ装置１０の超電導コイル１５および変換器の冷却用の冷媒として兼用している。
【００２５】
超電導モータ装置１０は、ハウジングとなるステータ１１に複数の電機子コイル１４を周方向に間隔をあけて固定しており、ステータ１１内において軸受２１を介して設けられた回転駆動軸２０と固定されたロータ１２に界磁用の超電導コイル１５を設けている。
外部の電力供給制御部３０からの電力をロータ１２の超電導コイル１５に供給する手段として、ステータ１１とロータ１２との間の空間を非接触で電磁誘導により給電する非接触給電手段１６が設けられており、非接触給電手段１６は、ステータ１１側に取り付けられた誘導給電送信部１７と、ロータ１２側に取り付けられた誘導給電受信部１８とを備えている。
誘導給電受信部１８で受電される電流は交流であるため、ロータ１２側において誘導給電受信部１８と超電導コイル１５との間に炭化ケイ素（ＳｉＣ）半導体素子を用いた変換器１９を介設し、該交流を直流に変換して超電導コイル１５に給電している。
【００２６】
超電導コイル１５は、冷媒導入路２２と冷媒導出路２４とが連通された冷却空間２３の内部に設置されている。冷媒導入路２２へは、車載された液体水素タンク２７の液体水素をポンプ２８を介して供給しており、超電導コイル１５との熱交換により昇温気化された水素ガスが冷媒導出路２４に排出される。
冷媒導出路２４は、調温ユニット２５を介して変換器１９へと連通されており、調温ユニット２５において、後述する変換器１９の炭化ケイ素半導体素子が最適動作するための温度である−１００℃〜０℃に水素ガスを温度制御してから変換器１９へ供給冷却している。
【００２７】
変換器１９を冷却した水素ガスは、変換器１９と外部の燃料電池２９とを結ぶ冷媒排出路２６を通過して燃料電池２９へと発電用として供給している。
ロータ１２内には、超電導コイル１５を収容した冷却空間２３と、調温ユニット２５、変換器１９および誘導給電受信部１８とを隔離するように断熱層が設けられている。
ステータ１１の外面は電磁シールド材３１で囲繞しており、非接触給電手段１６で発生する磁界と共に、超電導コイル２３および電機子コイル１４で発生する磁界も外部に漏れないようにシールドして、車載された周囲の電子機器や各種通信機器等へ悪影響を及ぼさないようしている。
【００２８】
燃料電池２９で発電された電力は、電力供給制御部３０へ供給されるように電線で接続されている。電力供給制御部３０は、燃料電池２９から電線を介して供給される電力を入力とする一方、誘導給電送信部１７および各電機子コイル１４へ電線を介して供給する電力を出力としており、各出力のタイミングや電圧等を電子制御している。
【００２９】
次に、超電導モータ装置１０の回転原理について説明する。
電力供給制御部３０から非接触給電手段１６および変換器１９を介して超電導コイル１５に給電することで、図２に示すように、ロータ１２にＮ極、Ｓ極を有する電磁石となる。そして、電力供給制御部３０において、ステータ１１側の周方向に間隔をあけて配置された４つの電機子コイル１４に対して、Ｓ１→Ｓ２→Ｓ３→Ｓ４→Ｓ１・・と順次、電流を給電することで回転磁界が発生する。この回転磁界は電磁石となったロータ１２を引っ張って同期回転させて回転駆動軸２０を駆動させる。そして、回転駆動軸２０のトルクが電気自動車の車輪の回転動力として伝達される。  
【００３０】
なお、本実施形態では電機子コイル１４を４つ設けているが、周方向に３つ設けて夫々の電機子コイルに三相交流を供給して回転磁界を発生させてもよい。また、超電導コイル１５にはビスマス系超電導線材を使用しているが、イットリウム系、タリウム系、ビスマス系の酸化物等のセラミック材を用いてもよい。また、本実施形態では冷媒として液体水素を用いているが、液体窒素を用いても構わない。
【００３１】
以下、変換器１９に用いられる炭化ケイ素半導体素子に関する抵抗率と温度との相関関係を表す実験例を図３および図４を用いて説明する。
実験装置は、図３に示すように、冷媒通路４１の上面に炭化ケイ素半導体素子４２を載置すると共に、炭化ケイ素半導体素子４２に熱電対４３を当接させており、外部を断熱チャンバー４０で覆うことにより内部を真空にしている。
【００３２】
炭化ケイ素半導体素子４２は、４Ｈ−ＳｉＣ型の炭化ケイ素半導体素子４２に窒素イオンが１ｃｍ3当たり１０13〜１０17ドーピングされたｎ型半導体からなる半導体基板を用いている。その炭化ケイ素半導体素子２２にＤＣ１Ｖを印加して電流を計測し温度と抵抗率の関係を調べている。図４に示す実験結果によると、５０℃から−１３０℃にかけて抵抗率が１０-1以下と低くなっていると共に、約６０℃近傍で最も抵抗率が低減できることが分かる。つまり、極低温の冷媒を使用して炭化ケイ素半導体素子を冷却することを考慮すると、０℃〜−１００℃の範囲に雰囲気温度を設定することで、炭化ケイ素半導体素子を有効に動作させることができる。
【００３３】
したがって、上述した超電導モータ装置１０においては、冷却空間２３で超電導コイル１５を冷却することにより気化して冷媒導出路２４に排出された水素ガスを、調温ユニット２５で０℃〜−１００℃に温度調節してから変換器１９に送ることで、変換器１９を効率良く動作させることができる。
また、超電導コイル１５を冷却した後の昇温した水素ガスを変換器１９の冷却用の冷媒として流用することで、変換器１９専用に別の冷却手段を設ける必要がなくなり、超電導コイル１５よりは冷却温度が高くてもよい変換器１９の冷却を効率良く且つ低コストで行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の実施形態の超電導モータ装置の概略断面図である。
【図２】超電導モータ装置の動作原理を示す説明図である。
【図３】炭化ケイ素半導体素子の抵抗率と温度の調べる実験装置の概略図である。
【図４】炭化ケイ素半導体素子の抵抗率と温度の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３５】
１０    超電導モータ装置
１１    ステータ
１２    ロータ
１３    断熱層
１４    電機子コイル
１５    超電導コイル
１６    非接触給電手段
１７    誘導給電送信部
１８    誘導給電受信部
１９    変換器
２０    回転駆動軸
２１    軸受
２２    冷媒導入部
２３    冷却空間
２４    冷媒導出路
２５    調温ユニット
２６    冷媒排出路
２７    液体水素タンク
２８    ポンプ
２９    燃料電池
３０    電力供給制御部
【図１】
2005224022.tif 000003
【図２】
2005224022.tif 000004
【図３】
2005224022.tif 000005
【図４】
2005224022.tif 000006