(57)【要約】【課題】超電導線材が冷却されていない状態であっても、所定の出力レベルで駆動可能な超電導モータを提供する。【解決手段】この超電導モータでは、超電導材料３２としてビスマス系超電導材料を用い、シース部３３の材料として銀系金属を用いた場合において、超電導線材３１の断面におけるシース部３３と超電導材料３２との面積比が、１０：１から１００：１の範囲内に設定され、シース部３３を流れる電流によって所定の出力が可能となっている。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
超電導材料をシース部内に内包して構成される超電導線材を有する超電導モータであって、
前記シース部に流れる電流により所定の出力レベルで駆動可能とされたことを特徴とする超電導モータ。
【請求項２】
超電導材料をシース部内に内包して構成される超電導線材を有する超電導モータであって、
前記超電導線材に沿って金属線材が配置され、
前記シース部に流れる電流と、前記金属線材に流れる電流とにより所定の出力レベルで駆動可能とされたことを特徴とする超電導モータ。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の超電導モータにおいて、
前記シース部は銀系金属を用いて構成されることを特徴とする超電導モータ。
【請求項４】
請求項２に記載の超電導モータにおいて、
前記金属線材は銅又は銀を用いて構成されることを特徴とする超電導モータ。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれかに記載の超電導モータにおいて、
前記超電導材料として、Ｂi、Ｓr、Ｃa、Ｃuの組成比が２：２：２：３となるビスマス系超電導材料が用いられることを特徴とする超電導モータ。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれかに記載の超電導モータにおいて、
前記超電導線材の冷却に液体水素が用いられることを特徴とする超電導モータ。
【請求項７】
請求項１に記載の超電導モータにおいて、
前記シース部は銀系金属を用いて構成され、
前記超電導線材の断面における前記シース部と前記超電導材料との面積比が、１０：１から１００：１の範囲内に設定されることを特徴とする超電導モータ。
【請求項８】
請求項２に記載の超電導モータにおいて、
前記シース部は銀系金属を用いて構成され、
前記金属線材は銅又は銀を用いて構成され
前記超電導線材及び前記金属線材の断面における前記シース部及び前記金属線材の合計面積と、前記超電導材料の面積との比が、１０：１から１００：１の範囲内に設定されることを特徴とする超電導モータ。
【請求項９】
請求項１ないし８のいずれかに記載の超電導モータにおいて、
前記超電導モータは、輸送用機器の駆動用に用いられるものであり、
前記所定の出力レベルとは、前記輸送用機器の始動及び運行が可能なレベルに設定されることを特徴とする超電導モータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超電導材料をシース部内に内包して構成される超電導線材を有する超電導モータに関し、特に輸送用機器の駆動用に用いられる超電導モータに関する。
【背景技術】
【０００２】
電気自動車に搭載される従来の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。
【０００３】
超電導モータが備える超電導体は、臨界温度以上になると常電導状態に移行するため、電気抵抗が大幅に増加する。特に、高温超電導体は無機物であり、室温においては絶縁体であるため、臨界温度以上の電気抵抗は金属系超電導材料よりも大幅に大きい。
【０００４】
このため、従来の超電導モータを用いた輸送用機器では、車両等の輸送用機器を始動する際に、予め超電導線材が十分に冷却されていなかった場合には、超電導線材に電流が流れず、超電導モータを用いて輸送用機器を始動できない場合がある。
【０００５】
この点についての方策として、輸送用機器の運転予定時刻に合わせて超電導モータの超電導線材を予め冷却しておく方法や、超電導線材を常に冷却しておく方法が考えられるが、輸送用機器の運行予定時刻を常に把握して超電導線材の予冷を実行することは、路線バス等の例外を除けば現実的に困難であり、超電導線材を常時冷却しておくこともコスト面等で実現不可能である。
【０００６】
また、従来の超電導モータでは、冷却装置の不調（例えば、冷媒の不足等）により、超電導線材を十分に冷却できない場合にも、輸送用機器の始動や運行ができない場合がある。
【０００７】
【特許文献１】特開平０６−００６９０７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
そこで、本発明の解決すべき課題は、超電導線材が冷却されていない状態であっても、所定の出力レベルで駆動可能な超電導モータを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の課題を解決するため、請求項１の発明では、超電導材料をシース部内に内包して構成される超電導線材を有する超電導モータであって、前記シース部に流れる電流により所定の出力レベルで駆動可能とされた。
【００１０】
また、請求項２の発明では、超電導材料をシース部内に内包して構成される超電導線材を有する超電導モータであって、前記超電導線材に沿って金属線材が配置され、前記シース部に流れる電流と、前記金属線材に流れる電流とにより所定の出力レベルで駆動可能とされた。
【００１１】
また、請求項３の発明では、請求項１又は２の発明に係る超電導モータにおいて、前記シース部は銀系金属を用いて構成される。
【００１２】
また、請求項４の発明では、請求項２の発明に係る超電導モータにおいて、前記金属線材は銅又は銀を用いて構成される。
【００１３】
また、請求項５の発明では、請求項１ないし４のいずれかの発明に係る超電導モータにおいて、前記超電導材料として、Ｂi、Ｓr、Ｃa、Ｃuの組成比が２：２：２：３となるビスマス系超電導材料が用いられる。
【００１４】
また、請求項６の発明では、請求項１ないし５のいずれかの発明に係る超電導モータにおいて、前記超電導線材の冷却に液体水素が用いられる。
【００１５】
また、請求項７の発明では、請求項１の発明に係る超電導モータにおいて、前記シース部は銀系金属を用いて構成され、前記超電導線材の断面における前記シース部と前記超電導材料との面積比が、１０：１から１００：１の範囲内に設定される。
【００１６】
また、請求項８の発明では、請求項２の発明に係る超電導モータにおいて、前記シース部は銀系金属を用いて構成され、前記金属線材は銅又は銀を用いて構成され前記超電導線材及び前記金属線材の断面における前記シース部及び前記金属線材の合計面積と、前記超電導材料の面積との比が、１０：１から１００：１の範囲内に設定される。
【００１７】
また、請求項９の発明では、請求項１ないし８のいずれかの発明に係る超電導モータにおいて、前記超電導モータは、輸送用機器の駆動用に用いられるものであり、前記所定の出力レベルとは、前記輸送用機器の始動及び運行が可能なレベルに設定される。
【発明の効果】
【００１８】
請求項１に記載の発明によれば、シース部に流れる電流を駆動に用いることにより、超電導線材が冷却されていない状態であっても、所定の出力レベルで駆動を行わせることができる。その結果、例えば、シース部に流れる電流による出力により、このモータが搭載された車両等の輸送用機器の始動及び運行を行うことができる。
【００１９】
請求項２に記載の発明によれば、シース部及び金属線材に流れる電流を駆動に用いることにより、超電導線材が冷却されていない状態であっても、所定の出力レベルで駆動を行わせることができるとともに、シース部のみによる場合よりも容易に大きな出力を得ることができる。その結果、例えば、シース部及び金属線材に流れる電流による出力により、このモータが搭載された車両等の輸送用機器の始動及び運行を行うことができる。
【００２０】
また、金属線材はシース部に比して材料選択の自由度が大きいため、安価で低抵抗の材料を選択することができ、超電導モータの低コスト化等の点で有利である。
【００２１】
請求項３に記載の発明によれば、銀系金属は電気抵抗が小さく、かつ線材として加工性に優れているため、非冷却時における電気抵抗が小さく、加工性に優れた超電導線材を提供できる。
【００２２】
請求項４に記載の発明によれば、銅及び銀は電気抵抗が小さく、かつ線材として加工性に優れているため、低抵抗で加工の容易な金属線材を提供できる。
【００２３】
請求項５に記載の発明によれば、ビスマス系超電導材料は大電流の通電が可能であるため、小型で高出力の超電導モータを構成することができる。
【００２４】
請求項６に記載の発明によれば、冷媒として液体水素を用いることにより、超電導線材を２０Ｋで冷却することができるため、超電導線材の電流密度が高い領域で超電導モータを運転することができる。
【００２５】
請求項７に記載の発明によれば、銀系金属は電気抵抗が小さく、かつ線材として加工性に優れているため、非冷却時における電気抵抗が小さく、加工性に優れた超電導線材を提供できる。
【００２６】
また、超電導線材の断面におけるシース部の占める割合を適切な範囲内に制限することにより、超電導線材の大型化を抑制しつつ、超電導線材が冷却されていない状態におけるモータの出力レベルを一定の水準以上確保でき、その結果、実用性の高い超電導モータを提供できる。
【００２７】
請求項８に記載の発明によれば、銀系金属は電気抵抗が小さく、かつ線材として加工性に優れているため、非冷却時における電気抵抗が小さく、加工性に優れた超電導線材を提供できる。
【００２８】
また、銅及び銀は電気抵抗が小さく、かつ線材として加工性に優れているため、低抵抗で加工の容易な金属線材を提供できる。
【００２９】
また、超電導線材及び金属線材の断面におけるシース部及び金属線材の占める割合を適切な範囲内に制限することにより、超電導線材及び金属線材の大型化を抑制しつつ、超電導線材が冷却されていない状態におけるモータの出力レベルを一定の水準以上確保でき、その結果、実用性の高い超電導モータを提供できる。
【００３０】
請求項９に記載の発明によれば、超電導線材が冷却されていない状態であっても、車両等の輸送用機器の始動及び運行を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
＜第１実施形態＞
＜全体構成について＞
図１は本発明の第１実施形態に係る超電導モータが適用された車両駆動システムのブロック図であり、図２は図１に示す構成の一部を詳細に示すブロック図である。なお、本実施形態では、本実施形態に係る超電導モータを輸送用機器である車両（例えば、電気自動車）１の駆動用として適用したが、本実施形態に係る超電導モータをハイブリッド自動車等の他の車両や、鉄道車両、船舶等の他の輸送用機器に適用してもよい。また、本実施形態では、本発明に係る技術を同期型の超電導モータに適用した例について説明するが、モータの構成、種別はこれに限定されるものではない。
【００３２】
この車両駆動システムは、図１及び図２に示すように、駆動（又は、駆動用及び回生用）の超電導モータ３と、この超電導モータ３の界磁部の磁場の大きさを制御するように直流電流を制御して供給する直流電流供給回路４と、バッテリ５からの電力により超電導モータ３を駆動する等の機能を担うインバータ７と、バッテリ５に電気エネルギーを供給する燃料電池９と、この燃料電池９に化学物質を供給する化学物質供給部１１とを備えている。なお、化学物質供給部１１内で貯蔵される化学物質としては例えば液体水素が適用され、この化学物質供給部１１から燃料電池９に供給される時点で水素（Ｈ2）が気化されて、これと別途与えられた酸素とを化学的に反応させ、水を生成すると同時に電気を取り出すようになっている。
【００３３】
超電導モータ３は、例えばステータ１３の内側に配置したロータ１５側に磁界発生源として超電導コイル１７を備えた同期型モータであり、車輪に動力を供給する。そして、ロータ１５の内部には超電導コイル１７を配置し、この超電導コイル１７に大電流（直流）を通電することで、永久磁石では発生し得ない大きな磁場を発生する構成となっている。ロータ１５の超電導コイル１７へは、導電ブラシ１９を通じて外部から電力を通電する。あるいは、非接触給電である電磁誘導を用いてロータ１５の超電導コイル１７に電力を供給してもよい。
【００３４】
また、超電導コイル１７としてコイルを超電導化するためには、コイルの冷却が必須であることから、冷却漏れを極力低減するために、ロータ１５の外周を断熱構造（図示省略）とし、冷却熱が逃げることなく最小限の冷却にて極低温度での超電導コイル１７の冷却を行う構成となっている。この冷却のための冷媒としては、例えば化学物質供給部１１内の化学物質である液体水素を使用し、ロータ１５の回転軸２１を中空筒状に形成してその内部を通じて冷媒をロータ１５にポンプ（図示省略）供給することで冷却を行うようになっている。この際、気化した水素が回転軸２１の中空部を通じて回転軸２１外のロータ１５内部に吐き出されることになる。この気化された水素はそのまま大気に放出することなく所定の冷媒回収経路２２を通じて化学物質供給部１１に回収され、燃料電池９での電気エネルギー変換に利用されることで、駆動用モータにてパワーを供給するようになっている。前記の断熱構造と、ロータ１５の回転軸２１の内部を通じて冷媒をロータ１５に供給するポンプとは、超電導コイル１７を冷却する冷却手段として機能する。
【００３５】
また、超電導コイル１７は、図３に示す超電導線材３１を所定の形態（例えば、レーストラック型）に巻回して構成され、液体水素を用いた冷媒で臨界温度以下に冷却されて超電導状態となる。超電導線材３１の構成については後述する。
【００３６】
直流電流供給回路４は、図２に示すように、所定の直流電源２３からの電流の増減制御を行う可変抵抗２５と、この可変抵抗２５の抵抗値を制御する制御部２７とを備える。
【００３７】
直流電源２３は、図１に図示した燃料電池９をそのまま使用しても差し支えないし、あるいは二次電池を使用しても差し支えない。
【００３８】
＜超電導線材について＞
超電導コイル１７を構成する超電導線材３１は、図３に示すように、超電導材料３２をシース部３３内に内包して構成されている。
【００３９】
そこで、本願発明者は、超電導モータ３の自動車や船舶等の輸送用機器への応用について鋭意研究を進めた結果、超電導線材３１の温度が臨界温度以上である場合には、超電導線材３１を構成するシース部３３に電流を通電することにより必要な電磁気力を得るという着想を得た。
【００４０】
例えば、銀系の金属材料は室温でも１〜２×１０-8Ωｃｍ程度の電気抵抗率であり、非常に良好な通電性を有する。このため、超電導線材３１が十分冷却されていない場合には、このシース部３３（常電導状態）に電流を供給し、車両１を駆動するのに必要なトルク（所定の出力レベル）を得ることができる。この点より、超電導線材３１のシース部３３は例えば銀系金属で構成される。
【００４１】
また、実用性の観点より、超電導線材３１の断面におけるシース部３３の断面積と超電導材料３２の断面積との面積比の制御が重要である。例えば、シース材料が不足した場合、シース部３３に流しうる電流が十分でないため、車両１を円滑に始動させることができない。また、シース材料が過剰である場合、電流量は問題はないが、線材３１の体積が必要以上に大きくなり、車載が困難になる、超電導線材３１の冷却に必要な時間が長くなる、銀のコストが高くなるなどの問題が発生する。
【００４２】
研究の結果、超電導材料３２としてＢi、Ｓr、Ｃa、Ｃuの組成比が２：２：２：３となるビスマス系超電導材料を用い、シース部３３の材料として銀系金属を用いた場合において、超電導線材３１の断面におけるシース部３３と超電導材料３２との面積比を、１０：１から１００：１の範囲内に設定することにより、必要にして十分な始動トルクを得られることが分かった。
【００４３】
ここで、前記のビスマス系超電導材料３２は液体水素冷却時において、同じ断面積の銀線（室温・自然冷却時）の２００〜３００倍の電流を流すことが可能である。このため、仮に銀系金属のシース部３３だけで超電導線材３１と同様のトルクを得ようした場合、ビスマス系超電導材料３２の２００〜３００倍の断面積の銀系金属のシース部３３を形成する必要があり、車両１等への搭載を考慮した場合、前記した体積、冷却に必要な時間、コスト等の面から実用性が低い。
【００４４】
また、これまでに得られた知見によれば、始動時等のモータトルクは冷却時の超電導材料３２により得られる前記トルク（最大トルク）の１／２あれば、車両１等の始動及び時速５０ｋｍ以下の通常の運転を行う場合には特に支障はない。この場合、シース部３３の断面積は超電導材料３２の約１００倍（＝２００×（１／２））必要である。
【００４５】
また、最低限として前記最大トルクの１／２０のトルクがあれば、緊急時等に超電導線材３１を冷却することなしに微速でも車両１等の移動を行うことができる。この場合、シース部３３の断面積は超電導材料３２の約１０倍（＝２０×（１／２））必要である。
【００４６】
このように、銀系金属のシース部３３の断面積とビスマス系超電導材料３２の断面積との比を１０：１から１００：１の範囲内に設定することにより、たとえ超電導材料３２が臨界温度まで冷却されていない場合でも、車両１等の始動、走行又は緊急時等の移動などを行うのに必要かつ十分のトルクが得られる。また、液体水素による超電導線材３１の冷却を行えば、たとえ超電導臨界温度まで冷却されていない場合でも、シース部３３の温度上昇を防ぐことができ、それによってシース部３３の電気抵抗の上昇と高温による劣化、断線等を防止することができる。
【００４７】
以上のように、本実施形態に係る超電導モータ３によれば、超電導線材３１のシース部３３に流れる電流を駆動に用いることにより、超電導線材３１が冷却されていない状態であっても、所定の出力レベルで駆動を行わせることができ、シース部３３に流れる電流による出力により、このモータ３が搭載された車両１等の始動及び運行等を行うことができる。
【００４８】
また、銀系金属は電気抵抗が小さく、かつ線材として加工性に優れているため、非冷却時における電気抵抗が小さく、加工性に優れた超電導線材３１を提供できる。
【００４９】
また、ビスマス系超電導材料３２は大電流の通電が可能であるため、小型で高出力の超電導モータ３を構成することができる。
【００５０】
また、超電導線材３１を冷却する冷媒として液体水素を用いることにより、超電導線材３１を２０Ｋで冷却することができるため、超電導線材３１の電流密度が高い領域で超電導モータ３を運転することができる。
【００５１】
また、超電導線材３１の断面におけるシース部３３の超電導材料３２に対する面積比を１０：１から１００：１の範囲内に制限することにより、超電導線材３１の大型化を抑制しつつ、超電導線材３１が冷却されていない状態におけるモータ３の出力レベルを一定の水準以上確保でき、その結果、実用性の高い超電導モータ３を提供できる。
【００５２】
＜第２実施形態＞
図４は、本発明の第２実施形態に係る超電導モータの超電導線材及び金属線材の断面図である。本実施形態に係る超電導モータ３が前記第１実施形態に係る超電導モータ３と実質的に異なる点は、超電導線材３１に金属線材４１を沿わせる構成とした点及びそれに関連する点のみであり、互いに対応する部分には同一の参照符号を付して説明を省略する。
【００５３】
本実施形態に係る超電導モータ３では、図４に示すように、金属線材４１が超電導線材３１に沿わせて配置され超電導線材３１と共にコイル状に巻回されている。そして、金属線材４１及び超電導線材３１のシース部３３に流れる電流によって、非冷却時における駆動トルクを発生させるようになっている。
【００５４】
超電導線材３１の超電導材料３２及びシース部３３の材料には、第１実施形態と同様なものが用いられる。金属線材４１の材料には、例えば銅又は銀が用いられる。
【００５５】
金属線材４１の断面形状としては、丸形、角形等が採用可能であるが、超電導線材３１の断面形状が通常略角形（例えば、幅が約４ｍｍ、厚さが約０．２ｍｍの略角形）であるため、角形の方がモータ３のコイルに使いやすい。
【００５６】
また、金属線材４１等の超電導材料３２に対する面積比については、前記の第１実施形態の場合と同様に考えて、超電導線材３１及び金属線材４１の断面におけるシース部３３及び金属線材４１の合計面積と、超電導材料３２の面積との比が、１０：１から１００：１の範囲内に設定される。
【００５７】
以上のように、本実施形態に係る超電導モータ３においても、前記第１実施形態と同様な効果が得られるとともに、シース部３３及び金属線材４１に流れる電流を駆動に用いることにより、第１実施形態の場合のようにシース部３３を流れる電流のみによる場合よりも容易に大きな出力を得ることができる。
【００５８】
また、金属線材４１はシース部３３に比して材料選択の自由度が大きいため、安価で低抵抗の材料を選択することができ、超電導モータ３の低コスト化等の点で有利である。
【００５９】
また、銅及び銀は電気抵抗が小さく、かつ線材として加工性に優れているため、これらを金属線材４１に用いることにより低抵抗で加工の容易な金属線材４１を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明の第１実施形態に係る超電導モータが適用された車両駆動システムのブロック図である。
【図２】図１に示す構成の一部を詳細に示すブロック図である。
【図３】図１の実施形態に係る超電導線材の断面図である。
【図４】本発明の第２実施形態に係る超電導モータの超電導線材及び金属線材の断面図である。
【符号の説明】
【００６１】
３  超電導モータ
１７  超電導コイル
３１  超電導線材
３２  超電導材料
３３  シース部
４１  金属線材
【図１】
2005269701.tif 000003
【図２】
2005269701.tif 000004
【図３】
2005269701.tif 000005
【図４】
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