(57)【要約】【課題】超電導モータの出力の安定性を向上でき、更に超電導部材の曲げ加工性及び製造コストの低減に優れた超電導モータの制御システムを提供する。【解決手段】この超電導モータの制御システム１では、超電導モータ３に用いられる超電導部材の臨界電流値Ｉcが超電導モータ３に流れる電流の最大電流値Ｉmaxより低い値に設定され、その制御回路７は、臨界電流値Ｉcを超えた電流Ｉを超電導モータ３に流す場合には、その電流Ｉの連続通電時間を予め設定された最大連続通電可能時間Ｔ１内に制限して流す。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
超電導モータと、前記超電導モータに流れる電流の電流量を制御する制御手段とを備えた超電導モータの制御システムであって、
前記制御手段は、臨界電流値を超えた電流を前記超電導モータに流す場合には、その電流の連続通電時間を予め設定された最大連続通電可能時間内に制限して流すことを特徴とする超電導モータの制御システム。
【請求項２】
前記超電導モータに用いられる超電導部材の臨界電流値が前記超電導モータに流れる電流の最大電流値より低い値に設定されることを特徴とする請求項１に記載の超電導モータの制御システム。
【請求項３】
前記最大電流値は、前記臨界電流値の２〜１０倍の値であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の超電導モータの制御システム。
【請求項４】
前記最大連続通電可能時間は、１０分以下の時間であることを特徴とする請求項３に記載の超電導モータの制御システム。
【請求項５】
前記超電導モータは、自動車又は船舶の推進用モータであることを特徴とする請求項１〜請求項４の何れかに記載の超電導モータの制御システム。
【請求項６】
前記超電導モータに用いられる超電導部材は、ビスマス−ストロンチウム−カルシウム−銅−酸素系化合物により形成されることを特徴とする請求項１〜請求項５の何れかに記載の超電導モータの制御システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気自動車や船舶等に搭載される超電導モータの制御システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、超電導モータでは、その出力を加速させるべくそのモータへの電流を増加させた場合、加速するどころか逆に減速する場合や、加速しても十分に加速しない場合がある。
【０００３】
これは、一般に、超電導体は、臨界電流値を超えた電流が流れると超電導状態を保持できず、特に高温超電導体は、無機物であり非超電導状態では絶縁体となるので、臨界電流値を越えた電流が流れると、その電気抵抗は急増する。その為、超電導モータへの電流を増加させた場合に、その電流が臨界電流値を超えてしまって超電導モータ内の超電導部材（電機子巻線や界磁巻線）の電気抵抗が増加し、これにより超電導モータに流れる電流が増加するどころか逆に低減され又は増加しても十分に増加せず、その結果、加速するどころか逆に減速され又は加速しても十分に加速しないのである。
【０００４】
この様な超電導モータの出力の安定性の悪さを改善する為に、従来では、加速に際して超電導モータへの電流を増加させた場合にその電流が臨界電流値を超える事の無い様に、超電導モータ内の超電導部材の臨界電流値を当該超電導モータに流れる電流の最大電流値以上の値に設定していた。
【０００５】
尚、電気自動車に搭載される超電導モータとしては例えば特許文献１のものが知られている。
【０００６】
【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】
【０００７】
従来では、超電導モータ内の超電導部材の臨界電流値を当該超電導モータに流れる電流の最大電流値以上の値に設定する為、即ち臨界電流値を比較的高く設定する為、その超電導部材を大径化する必要があり、その為、その超電導部材の曲げ加工が困難になるという問題や、製造コストが上昇するという問題を招いていた。
【０００８】
そこで、この発明の課題は、第１に超電導モータの出力の安定性を向上できる超電導モータの制御システムを提供すること、第２に超電導部材の曲げ加工性及び製造コストの低減に優れた超電導モータの制御システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決する為には、請求項１に記載の発明は、超電導モータと、前記超電導モータに流れる電流の電流量を制御する制御手段とを備えた超電導モータの制御システムであって、前記制御手段は、臨界電流値を超えた電流を前記超電導モータに流す場合には、その電流の連続通電時間を予め設定された最大連続通電可能時間内に制限して流すものである。
【００１０】
請求項２に記載の発明は、前記超電導モータに用いられる超電導部材の臨界電流値が前記超電導モータに流れる電流の最大電流値より低い値に設定されるものである。
【００１１】
請求項３に記載の発明は、前記最大電流値は、前記臨界電流値の２〜１０倍の値であるものである。
【００１２】
請求項４に記載の発明は、前記最大連続通電可能時間は、１０分以下の時間であるものである。
【００１３】
請求項５に記載の発明は、前記超電導モータは、自動車又は船舶の推進用モータであるものである。
【００１４】
請求項６に記載の発明は、前記超電導モータに用いられる超電導部材は、ビスマス−ストロンチウム−カルシウム−銅−酸素系化合物により形成されるものである。
【発明の効果】
【００１５】
請求項１に記載の発明によれば、臨界電流値を超えた電流が超電導モータに流される場合は、その電流の連続通電時間が予め設定された最大連続通電可能時間内に制限されて流される為、臨界電流値を超えた電流が超電導モータに流された場合でも超電導モータに用いられる超電導部材の電気抵抗の増加を抑制でき、これにより超電導モータの出力の安定性を向上できる。
【００１６】
請求項２に記載の発明によれば、超電導モータに用いられる超電導部材の臨界電流値が超電導モータに流れる電流の最大電流値より低い値に設定される為、即ち臨界電流値を比較的低く設定できる為、超電導モータに用いられる超電導部材を小径化でき、これにより超電導モータの超電導部材の曲げ加工性及び製造コストの低減を向上できる。
【００１７】
請求項３に記載の発明によれば、最大電流値は臨界電流値の２〜１０倍の値である為、最大電流値と臨界電流値との差と最大連続通電可能時間とが相反関係（トレードオフの関係）にある事を考慮すると、実用上十分な最大連続通電可能時間を確保でき、且つ実用上十分なモータ出力を確保できる。
【００１８】
請求項４に記載の発明によれば、最大連続通電可能時間は１０分以下の時間である為、最大電流値と臨界電流値との差と最大連続通電可能時間とが相反関係（トレードオフの関係）にある事を考慮すると、臨界電流値を十分低く設定でき（即ち超電導部材を十分小径化でき）、且つ実用上十分な最大連続通電可能時間を確保できる。
【００１９】
請求項５に記載の発明によれば、超電導モータは自動車又は船舶の推進用モータ（即ち加速／減速が頻繁に繰り返されるモータ）である為、本発明の効果を有効に発揮できて超電導モータの自動車又は船舶への適用に寄与できる。
【００２０】
請求項６に記載の発明によれば、超電導モータに用いられる超電導部材は、ビスマス−ストロンチウム−カルシウム−銅−酸素系化合物である為、他の超電導材質よりも臨界電流特性及び線材加工性に優れ、これにより超電導部材の曲げ加工性、製造コストの低減及び超電導モータの出力の安定性の向上に寄与できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
この実施の形態に係る超電導モータの制御システム１は、電気自動車や船舶等に搭載されて推進用等に用いられる超電導モータを制御するものであり、図１の様に、超電導モータ３と、超電導モータ３に電流を供給する電源Ｂと、電源Ｂから超電導モータ３へ流れる電流Ｉの電流量（即ち超電導モータ３の出力）を調整する為のアクセルパダル等の操作部５と、操作部５の操作量Ｉ’に従って電源Ｂから超電導モータ３へ流れる電流Ｉの電流量を制御する制御回路（制御手段）７とを備える。
【００２２】
この制御システム１は、超電導体の通電特性（臨界電流値を超えた電流でも、或る一定時間（以後、最大連続通電可能時間と称す）内であれば、或る程度低い電気抵抗で超電導体を通電するという特性）を利用して、臨界電流値の低設定化（ひいては超電導モータ３の超電導部材の小径化）及び超電導モータ３の出力（特に高出力側の出力）の安定化を図るものである。尚、ここでは、臨界電流値は、超電導体中に発生する電界が１μＶ／ｃｍ
に達する電流値として定義される。
【００２３】
この制御システム１では、超電導モータ３に用いられる超電導部材の臨界電流値は、超電導モータ３に流れる電流の最大電流値（要求されるモータ出力の最大出力時に流れる電流値）より低い値に設定され、この設定に基づき、後述の様に超電導モータ３及び制御回路７が設計される。
【００２４】
ここでは、上記の臨界電流値は、例えば最大電流値の１／２〜１／１０倍の値に設定される（換言すれば、最大電流値は、臨界電流値の２〜１０倍の値に設定される）。これは、最大電流値が臨界電流値の１０倍以上に設定された場合は、上記の最大連続通電可能時間が著しく短くなり自動車や船舶等の推進に用いる時間としては適さず、他方、最大電流値が臨界電流値の２倍以下に設定された場合は、超電導モータ３の最大出力が低くなり加速時等のモータ出力の不足を招いて適さないからである。
【００２５】
尚、上記の様に臨界電流値が最大電流値の１／２〜１／１０倍の値に設定された場合、発明者の研究結果によれば、臨界電流値を越えた電流でも、１０分間は、或る程度低い電気抵抗で超電導体を連続通電できることが確認された。通常の電気自動車や船舶の推進モータの最大出力を連続的に出力させる時間としては、１０分あれば十分である。この事実を踏まえて、ここでは、上記の最大連続通電可能時間として１０分以下の適宜時間（例えば３分）を採用する。
【００２６】
超電導モータ３は、その通電部材（例えば電機子巻線や界磁巻線等の線材）が超電導材料により形成された電動モータである。上記の通電部材（即ち超電導部材）は、上記の様に、その臨界電流値が超電導モータ３に流れる電流の最大電流値よりも低い値になる様に設計される。上記の超電導材料としては、例えばビスマス−ストロンチウム−カルシウム−銅−酸素系化合物等のビスマス系超電導材料（該ビスマス系超電導材料のビスマスの一部を鉛に置換したものを含む。）が用いられる。
【００２７】
制御回路７は、上記の最大電流値Ｉmaxを上限値Ｉuとして操作部５の操作量Ｉ’に従って電源Ｂから超電導モータ３へ流れる電流Ｉの電流量を制御し、その際、上記の臨界電流値Ｉcを超えた電流Ｉを超電導モータ３に流す際は、その電流Ｉの連続通電時間を上記の最大連続通電可能時間Ｔ１内に制限して流すように構成される。
【００２８】
ここでは、制御回路７は、図１及び図３の様に、例えば操作部５の操作量Ｉ’に基づいて超電導モータ３に臨界電流値Ｉcを超えた電流（非臨界電流）Ｉが流されたか否かを検出する非臨界電流検出部７ａと、非臨界電流検出部７ａの検出結果に基づいて超電導モータ３に臨界電流値Ｉcを超えた電流Ｉが連続して流れる時間を計時するタイマ７ｂと、タイマ７ｂの計時により最大連続通電可能時間Ｔ１が計時された場合（即ち超電導モータ３に臨界電流値Ｉcを超えた電流Ｉが連続して最大連続通電可能時間Ｔ１流れた場合）に上限値Ｉuを一定時間Ｔ２だけ最大電流値Ｉmaxから臨界電流値Ｉcに低下させる上限値降昇部７ｃと、上限値降昇部７ｃにより設定された電流値Ｉmax又はＩcを上限値Ｉuとして操作部５の操作量Ｉ’に従って電源Ｂから超電導モータ３へ流れる電流Ｉの電流量を制御する制御部７ｄとを備える。尚、上記の一定時間Ｔ２は、例えば超電導モータ３内の超電導部材の温度が低下するのに必要な時間とする。
【００２９】
以下、図２及び図３を用いて制御回路７の動作を説明する。図３の区間Ｉを参照し、ステップＳ１で、上限値降昇部７ｃにより初期的に前記上限値Ｉuが最大電流値Ｉmaxに設定され、ステップＳ２で、制御部７ｄによりその最大電流値Ｉmaxを上限値として操作部５の操作量Ｉ’に応じて電源Ｂから超電導モータ３へ流れる電流Ｉの電流量が制御されると共に（即ち、操作部５の操作量で指定される電流値Ｉ’が最大電流値Ｉmax以下の場合は、操作部５の操作量で指定される電流値Ｉ’の電流Ｉが超電導モータ３に流され、操作部５の操作量で指定される電流値Ｉ’が最大電流値Ｉmaxを超える場合は、最大電流値Ｉmaxの電流Ｉが超電導モータ３に流されると共に）、ステップＳ３で、非臨界電流検出部７ａにより操作部５の操作量で指定される電流値Ｉ’が臨界電流値Ｉcを超えたか否かの検出が行われる。尚、ステップＳ２の処理は、後述のステップＳ４〜Ｓ９の処理の間も継続して行われる。
【００３０】
そして、ステップＳ３で、例えば図３の時点ｔ１の様に操作部５の操作量で指定される電流値Ｉ’が臨界電流値Ｉcを超えた事が検出されると、ステップＳ４に進み、タイマ７ｂによりその検出された時点ｔ１から計時が開始される。尚、このステップＳ４で開始されたタイマ７ｂの計時は、後述のステップＳ５，Ｓ７の間も継続して行われる。
【００３１】
そして、図３の区間IIを参照し、ステップＳ５で、非臨界電流検出部７ａにより操作部５の操作量で指定される電流値Ｉ’が臨界電流値Ｉc以下に低下したか否かの検出が行われ、その検出の結果、図３の時点ｔ２での曲線Ｉ’ｂの場合の様に操作量で指定される電流値Ｉ’が臨界電流値Ｉc以下に低下した事が検出された場合は、ステップＳ６に進み、タイマ７ｂの計時を終了してステップＳ３に戻り、他方、図３の曲線Ｉ’ａの場合の様に操作量で指定される電流値Ｉ’が臨界電流値Ｉcを越えたままである事が検出された場合は、ステップＳ７に進み、タイマ７ｂの計時時間が未だ最大連続通電可能時間Ｔ１に達していない場合は、ステップＳ５に戻り、他方、タイマ７ｂの計時時間が最大連続通電可能時間Ｔ１に達した場合（即ち、超電導モータ３に臨界電流値Ｉcを越えた電流Ｉが連続して最大連続通電可能時間Ｔ１流された場合）は、タイマ７ｂの計時を終了してステップＳ８に進む。
【００３２】
そして、図３の区間IIIを参照し、ステップＳ８で、上限値降昇部７ｃにより上限値Ｉuが最大電流値Ｉmaxから臨界電流値Ｉcに一定時間Ｔ２低下され、ステップＳ９で、その一定時間Ｔ２の間、制御部７ｄにより臨界電流値Ｉcを上限値として操作部５の操作量に応じて電源Ｂから超電導モータ３へ流れる電流Ｉの電流量が制御される（即ち、操作部５の操作量で指定される電流値Ｉ’が臨界電流値Ｉc以下の場合は、その操作部５の操作量で指定される電流値Ｉ’の電流Ｉが超電導モータ３に流され、操作部５の操作量で指定される電流値Ｉ’が臨界電流値Ｉcを超える場合は、臨界電流値Ｉcの電流Ｉが超電導モータ３に流される）。尚、上記の一定時間Ｔ２は、上限値Ｉuが最大電流値Ｉmaxから臨界電流値Ｉcに低下された時点ｔ３から、タイマ７ｂにより計時される。
【００３３】
この様に、ここでは、ステップＳ７で、超電導モータ３に臨界電流値Ｉcを超えた電流Ｉが連続して最大連続通電可能時間Ｔ１流れた事が検出されると、ステップＳ８で、超電導モータ３に流す電流Ｉの上限値Ｉuが最大電流値Ｉmaxから臨界電流値Ｉcに一定時間Ｔ２低下される事により、臨界電流値Ｉcを超えた電流Ｉが連続して超電導モータ３に流れる時間が最大連続通電可能時間Ｔ１内に制限される。尚、この最大連続通電可能時間Ｔ１内では、上述の超電導体の通電特性により、臨界電流値Ｉcを超える電流Ｉでも或る程度低い電気抵抗で超電導部材を通電する為、操作部５の操作量Ｉ’が臨界電流値Ｉcを超える場合でも、操作部５の操作量Ｉ’の増加に応じて超電導モータ３に流れる電流Ｉの電流量（即ち超電導モータ３の出力）を十分に増加できる。
【００３４】
そして、図３の区間IVを参照し、ステップＳ１０で、タイマ７ｂの計時時間が一定時間Ｔ２に達していない場合は、ステップＳ９に戻り、他方、タイマ７ｂの計時時間が一定時間Ｔ２に達した場合は、ステップＳ１１に進み、上限値降昇部７ｃにより上限値Ｉuが臨界電流値Ｉcから最大電流値Ｉmaxに戻されてステップＳ２に戻る。
【００３５】
以上の様に構成された超電導モータの制御システム１によれば、臨界電流値Ｉcを超えた電流Ｉが超電導モータ３に流される場合は、その電流Ｉの連続通電時間が予め設定された最大連続通電可能時間Ｔ１内に制限されて流される為、臨界電流値Ｉcを超えた電流が超電導モータ３に流された場合でも超電導モータ３に用いられる超電導部材の電気抵抗の増加を抑制でき、これにより超電導モータ３の出力の安定性を向上できる。
【００３６】
又、超電導モータ３に用いられる超電導部材の臨界電流値Ｉcが超電導モータ３に流れる電流Ｉの最大電流値Ｉmaxより低い値に設定される為、即ち臨界電流値Ｉcを比較的低く設定できる為、超電導モータ３に用いられる超電導部材を小径化でき、これにより超電導モータ３の超電導部材の曲げ加工性及び製造コストの低減を向上できる。
【００３７】
又、最大電流値Ｉmaxは臨界電流値Ｉcの２〜１０倍の値である為、最大電流値Ｉmaxと臨界電流値Ｉcとの差と最大連続通電可能時間Ｔ１とが相反関係（トレードオフの関係）にある事を考慮すると、実用上十分な最大連続通電可能時間Ｔ１を確保でき、且つ実用上十分なモータ出力を確保できる。
【００３８】
又、最大連続通電可能時間Ｔ１は１０分以下の時間である為、最大電流値Ｉmaxと臨界電流値Ｉcとの差と最大連続通電可能時間Ｔ１とが相反関係（トレードオフの関係）にある事を考慮すると、臨界電流値Ｉcを十分低く設定でき（即ち超電導部材を十分小径化でき）、且つ実用上十分な最大連続通電可能時間Ｔ１を確保できる。
【００３９】
又、超電導モータ３は自動車又は船舶の推進用モータ（即ち加速／減速が頻繁に繰り返されるモータ）である為、本発明の効果を有効に発揮できて超電導モータ３の自動車又は船舶への適用に寄与できる。
【００４０】
又、超電導モータ３に用いられる超電導部材は、ビスマス−ストロンチウム−カルシウム−銅−酸素系化合物等のビスマス系超電導材料である為、他の超電導材質よりも臨界電流特性及び線材加工性に優れ、これにより超電導部材の曲げ加工性、製造コストの低減及び超電導モータ３の出力安定性の向上に寄与できる。特に、超電導部材が、ビスマス系超電導材料のビスマスの一部を鉛に置換したものにより形成された場合は、より臨界温度を高くでき（即ち臨界電流値Ｉcをより低くでき）、より一層、超電導部材の曲げ加工性、製造コストの低減及び超電導モータ３の出力の安定性の向上に寄与できる。
【００４１】
尚、本発明の用途としては、上記の通り電気自動車や船舶等の推進用モータへの適用が適切である。それは、電気自動車や船舶等では、加速／減速が頻繁に繰り返され、巡航時にはモータの最大出力の例えば１／５程度の低出力で運転され、しかも高出力状態で長時間連続運転される事も殆ど無いので、本発明の様に臨界電流値Ｉcを最大電流値Ｉmaxより低い値に設定しても、巡航時には超電導モータ３を超電導状態で運転できてエネルギー効率の向上や大トルク化等の超電導モータ３の優れた特徴を十分発揮でき、しかも高出力が必要な時でも、最大連続通電可能時間Ｔ１内であれば臨界電流値Ｉcを超えた電流Ｉを超電導モータ３に流して高出力を確保でき、この様に本発明の特徴的な機能を有効に発揮できるからである。
【００４２】
これに対して、工作機器等の比較的一定の出力で運転されるモータでは、最大電流値Ｉmaxの１／２〜１／１０倍の臨界電流値Ｉcを持った超電導部材を用いた場合、モータの運転時間の殆どで臨界電流値Ｉcを超える電流が要求される虞があり、本発明の用途としては適当ではない。
【００４３】
尚、超電導モータ３の構成としては種々のものが適用可能である。例えば超電導材質を回転子側の巻線又は固定子側の巻線だけに用いたもの超電導モータ３にも適用可能であり、双方に用いた超電導モータ３にも適用可能であり、一般に、その通電部分に超電導材質を用いた全ての種類の超電導モータ３に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の実施の形態に係る超電導モータの制御システムの構成図である。
【図２】図１の超電導モータの制御システムの動作を説明する図である。
【図３】図１の超電導モータの制御システムに於ける操作部の操作量と超電導モータに流される電流の電流量との相関の一例を示した図である。
【符号の説明】
【００４５】
１  制御システム
３  超電導モータ
５  操作部
７  制御回路
７ａ  非臨界電流検出部
７ｂ  タイマ
７ｃ  上限値降昇部
７ｄ  制御部
Ｂ  電源
【図１】
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【図２】
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【図３】
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