(57)【要約】  【課題】  永久磁石を備えたモータにおいて、該永久磁石により発生する回転磁界を増強できるようにして高出力化を図る。  【解決手段】  回転界磁型モータの回転子の永久磁石あるいは回転電機子型モータの固定子の永久磁石に超電導線で形成されたコイルを組み合わせ、回転界磁型モータの固定子の電機子コイルあるいは回転電機子型モータの回転子の電機子コイルと上記超電導線のコイルへの給電で固定子内に発生させる回転磁界を増強させる構成としている。  【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転界磁型モータの回転子の永久磁石あるいは回転電機子型モータの固定子の永久磁石に超電導線で形成されたコイルを組み合わせ、回転界磁型モータの固定子の電機子コイルあるいは回転電機子型モータの回転子の電機子コイルと上記超電導線のコイルへの給電で固定子内に発生させる回転磁界を増強させる構成としていることを特徴とするモータ。
【請求項２】
回転界磁型モータとし、永久磁石と、該永久磁石のＮ−Ｓ極方向と直交方向の外周面に巻回した上記超電導線コイルを回転子に備えている請求項１に記載のモータ。
【請求項３】
上記固定子を冷却手段で冷却し、該固定子からの間接伝導冷却で上記超電導線コイルを備えた回転子を冷却する構成としている請求項２に記載のモータ。
【請求項４】
固定子側の電機子コイルの少なくとも一部を超電導線から形成している請求項２または請求項３に記載のモータ。
【請求項５】
回転界磁型モータの固定子の界磁側の内周面に超電導線で形成されたコイルを付設している請求項２乃至請求項４のいずれか１項に記載のモータ。
【請求項６】
回転電機子型モータとし、固定ヨークの内周面に周方向に間隔をあけて配置する永久磁石に超電導線からなるコイルを巻き付けている請求項１に記載のモータ。
【請求項７】
上記電機子コイルと上記超電導線からなるコイルは高出力が必要な時に給電され、通常出力時には上記電機子コイルへのみ給電される構成としている請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載のモータ。    
【請求項８】
上記超電導線は高温超電導線からなる請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載のモータ。
【請求項９】
請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載のモータを備えた電動移動体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気自動車等の移動体に用いられるモータに関し、特に、大パワーが必要な時に永久磁石により発生する回転磁界の限界を越えた強力な磁界を発生させ、高出力化が図れるようにするものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、電気自動車用のモータに関して種々の開発がなされている。永久磁石型モータでは、永久磁石による磁界は一定であるため、最大出力（トルク）を大きくするには、電磁力（Ｆ）は、Ｆ＝Ｂ（磁界）×Ｉ（電流）×Ｌ（電機子コイルの大きさ）で一定で、磁界と電流の積がトルクに比例するため、電機子コイルへ供給する電流を大きくせざるを得ない。例えば、１０倍の高出力を必要とする場合、１０倍の電流を流す必要がある。そのため、電源の容量を大きくする必要があり、かつ、最大出力（トルク）時の大電流に耐え得る容量を持った回路を設ける必要がある。
しかしながら、自動車において最大出力を継続的に利用することはなく、通常走行時には大電流を必要とせず、大容量とした電源や大電流回路が無駄となり、かつ、電源および回路が大型化、重量化する問題がある。
【０００３】
電気自動車用のモータ装置として、従来、特開平６−６９０７号（特許文献１）に、モータの回転子側に第１の電機子コイルと第２の電機子コイルを設け、固定子側に超電導体からなる界磁コイルを設け、上記２つの電機子コイルに交番電流を夫々流すて磁界を形成する一方、界磁コイルに直流電流を流して磁界を形成し、これらの磁界の相互作用により回転子を回転させる超電導モータ装置が提供されている。
【０００４】
しかしながら、上記超電導モータ装置では、電機子コイルと界磁コイルへの給電により生じる回転磁界にのみに依存して回転子を回転しているため、回転磁界を増強して高出力とする時には電機子コイルおよび界磁コイルへ大電流を流す必要がある。よって、電源の大容量と大電流回路を形成する必要があり、前記した問題は解消できない。
【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、永久磁石型モータを改良し、永久磁石により発生する回転磁界を利用すると共に、電源容量を増大することなく、永久磁石の特性限界を越えた強力な回転磁界を発生させ、高出力化できるモータを提供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、回転界磁型モータの回転子の永久磁石あるいは回転電機子型モータの固定子の永久磁石に超電導線で形成されたコイルを組み合わせ、回転界磁型モータの固定子の電機子コイルあるいは回転電機子型モータの回転子の電機子コイルと上記超電導線のコイルへの給電で固定子内に発生させる回転磁界を増強させる構成としていることを特徴とするモータを提供している。
【０００７】
上記のように、本発明は永久磁石型モータに超電導線コイルを付設した複合型のモータとしている。永久磁石型モータとしては、図４（Ａ）に示すように回転子１に永久磁石２を設けると共に、固定子３のスロット３ａ内に電機子コイルを収容した回転界磁型モータＡと、図４（Ｂ）に示すように回転子１’側のスロット１ａ内に電機子コイルを収容すると共に固定子３’側に永久磁石２を設けた回転電機子型モータＢがある。これら永久磁石型モータの電機子コイルに電流が供給されることにより、固定子の中空部に回転磁界が発生して回転子が回転し、回転子に連結された駆動軸が回転される。
【０００８】
本発明では、上記のように、回転子側あるいは固定子側に配置する永久磁石に超電導線からなるコイル（以下、超電導線コイルと称す）を組み合わせている。超電導材から形成した超電導線のコイルを用いているのは、通常の導体では電流密度を大きくすることが出来ず、永久磁石に付設するコイルが大きくなり過ぎ、その結果、モータが大型化するが、超電導線コイルを用いるとコイルを大きくすることなく電流密度を大きくすることができる。
このように、永久磁石を配置していない側の電機子コイルと永久磁石側の超電導線コイルの両方に給電することにより、永久磁石により発生する回転磁界が増強され、高出力を発生させることができる。例えば、上記超電導線コイルに給電して発生する回転磁界を３倍に増強すると、電機子コイルへ給電する電流量を約３倍とするだけで１０倍近い高出力を得ることができる。よって、電源容量を１０倍にすることなく１０倍の高出力を得ることが出来ることとなる。
【０００９】
上記超電導線コイルを形成する超電導線は、例えば、酸化ビスマス・ストロンチウム・カルシウム・銅系超電導材、酸化イットリウム・バリウム・銅系超電導材、水銀をベースとした超電導材、タリウムをベースとした超電導材等の酸化物からなる高温超電導材が用いられる。該高温超電導材は液体窒素の温度７７（Ｋ）でも超電導特性を示し、さらに、液体水素の温度２０（Ｋ）であれば、液体窒素の温度の時と比較して約１０倍の大電流を流せるためである。
【００１０】
また、高温超電導材は冷却温度を高くできると共に、多少の発熱を許容するＩｃ（臨界電流）を越えた大電流での利用が可能となり、通常導体の数百倍以上の電流密度をとることも困難ではない。よって、コイルをより小さくでき、モータ全体を大きくすること無しに、高出力のモータとすることができる。
【００１１】
なお、永久磁石に付設する回転磁界増強用のコイルは、要求される最高出力がさほど大きくない場合には、超電導線からなる超電導線コイルに代えて、銅等からなる通常の常電導材からなるコイルを用いてもよい。
【００１２】
本発明のモータは、電機子コイルの冷却の点から、電機子コイルを固定側に配置する回転界磁型モータとすることが好ましい。
よって、回転界磁型モータとし、永久磁石と、該永久磁石のＮ−Ｓ極方向と直交方向の外周面に巻回した上記超電導線コイルを回転子に備えている。
【００１３】
上記回転界磁型モータでは、固定子を冷却手段で冷却し、該固定子からの間接伝導冷却で上記超電導線コイルを備えた回転子を冷却する構成としている。
例えば、固定子の冷却手段として、固定子を囲む冷媒容器を設け、冷却される固定子からの間接伝導冷却で上記超電導線コイルを備えた回転子を冷却する構成としている。
具体的には、固定子の外周を冷媒が流通する容器で囲み、冷媒により固定子および該固定子に取り付けた電機子コイルを冷却すると、固定子の中空部も冷媒温度まで冷却され、該中空部に配置される回転子も冷却され、該回転子の永久磁石に付設した超電導線コイルも冷却される。
あるいは、固定子と回転子の間の空間に高熱伝導性材料で形成した仕切板を設け、該仕切板で仕切られた外周側空間に冷媒を導入し、固定子側の電機子を直接冷却すると共に、仕切板を介して固定子側の超電導線コイルを間接冷却する構成としてもよい。
【００１４】
上記いずれの手段も簡単な冷却機構となる。このような超電導線コイルを直接冷媒に浸漬しない簡単な間接冷却機構とすることが出来るのは、本発明のモータを電気自動車用モータとした場合、最高出力で継続的に運転するため超電導線コイルに電流を流すことは稀であり、加速が必要な数秒だけ超電導線コイルを冷却すれば良いためである。よって、超電導線コイルを用いて電磁石とした場合に必要な浸漬冷却として継続的に冷却する必要はなく、上記間接伝導冷却で十分であることによる。また、回転子に冷媒の流体を接触させないため、流体同士の摩擦による抵抗を生じない。
上記冷媒としては、電気自動車の場合には、電源用燃料電池の燃料となる液体水素や液体窒素等が好適に用いられる。
【００１５】
さらに、回転界磁型モータの固定子側の電機子コイルの少なくとも一部を超電導線から形成することが好ましい。このように、電機子コイルも超電導線コイルとすると、電流密度を高めることができるため、電機子コイルも小型化でき、モータの小型化に寄与することができる。なお、電機子コイルの全部を超電導線コイルとする方が有利であることは言うまでもない。
【００１６】
さらにまた、回転界磁型モータの固定子の界磁側の内周面に超電導線コイルを付設してもよい。このように、固定子側において電機子コイルに超電導線コイルを組み合わせると、さらに発生させる回転磁界の増強を図ることができ、最高出力をパワーアップさせることができる。
【００１７】
上記回転界磁型モータに変えて、回転電機子型モータとした場合には、固定子の固定ヨークの内周面に周方向に間隔をあけて取り付ける永久磁石に超電導線コイルを巻き付けている。
このように、固定子側に永久磁石と超電導線コイル、回転子側に電機子コイルを取り付け、た回転電機子型モータにおいても、永久磁石と超電導線コイルを組み合わせていることにより、発生する回転磁界を増強でき、高出力を得ることができる。
上記のように、固定子側に超電導線コイルを付設した場合、前記のように、固定子と回転子の間の空間に高熱伝導材からなる仕切板を配置し、外周側空間に冷媒を導入すると、超電導線コイルを冷媒により直接冷却でき、前記間接冷却となる回転界磁型モータよりも超電導線コイルに大電流を長時間流すことができ、高出力の持続期間を長期化することができる。
【００１８】
常電導材からなる上記電機子コイルと上記超電導線からなるコイルには高出力が必要な時に給電され、通常出力時は上記電機子コイルのみ給電される構成としている。
例えば、本発明のモータを電気自動車用モータとした場合、通常走行時には、電機子コイルのみに電流を流して、固定子の中空部に回転磁界を発生させて回転子を回転させ、この回転力で電気自動車の通常走行の駆動力を得ている。一方、加速時等の高出力が必要な場合には、電機子コイルと共に永久磁石に付設した超電導線コイルにも給電すると、永久磁石により発生する回転磁界に増強され、高出力を得ることができる。
【００１９】
このように、本発明のモータは永久磁石に超電導線コイルを組み合わせた複合型のモータとし、高出力が必要な時には超電導線コイルに給電して回転磁界を増強して高出力が得られる構成としているため、加速時に瞬間的に高出力を必要とする電気自動車用のモータとして好適に用いられるものである。
【発明の効果】
【００２０】
以上の説明より明らかなように、本発明のモータでは、永久磁石型モータに改良を加え、永久磁石に超電導線コイルを組わせた複合型モータとしていることにより、電源容量を大きくすることなく、高出力を得ることができる。
よって、瞬間的あるいは短時間に高出力を必要とし、通常時はさほど高出力を必要としないモータとして好適に用いることができる。かつ、該モータは電源容量を大きくすること無く、且つモータも大型化しないため、低コスト化、小型化、軽量化を図ることができる。
【００２１】
特に、電気自動車用モータとして用いた場合、通常の電気自動車走行時には、常電導材の電機子コイルにのみ給電して、固定子内に回転磁界を発生させて回転駆動軸を回転させ、この回転力で電気自動車の駆動力を得ることが出来る。一方、加速時等の高出力が必要な場合には、超電導線コイルにも給電することで回転磁界を増強され、高出力を得ることができる。
上記のように、本発明のモータは電気自動車用として好適に用いられるが、電気自動車用モータに限定されず、電気鉄道用やエレベータ用等の電動移動体用モータを含め、各種用途のモータとしても好適に用いることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
本発明のモータを電気自動車用モータとした実施形態を図面を参照して説明する。
図１及び図２は、電気自動車のモータとした第１実施形態を示す。
モータ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モータとして用いており、水素の供給源として搭載された極低温（約２０ケルビン）の液体水素をモータ１０の冷媒としても用いている。
【００２３】
第１実施形態のモータ１０は回転界磁型の永久磁石型モータを基本とし、回転子１００の永久磁石４０に超電導線からなるコイルである超電導線コイル１５を付設して複合型としている。該超電導線コイル１５はビスマス系高温超電導線で形成している。
【００２４】
図１に示すように、断面円環形状の固定子２００の固定ヨーク１１には、その内周面に周方向に並列して設けたスロット１１ａ内に常電導材の銅線からなる電機子コイル１３を収容している。
固定子２００の中空部に回転自在に配置する回転子１００は、永久磁石４０の中心軸孔に回転駆動軸１２を貫通させて固定し、永久磁石４０と回転駆動軸１２とを共回転させるようにしている。永久磁石４０の軸線方向の両端面側がＮ極とＳ極となり、該軸線方向と直交する永久磁石４０の外周面に上記高温超電導材からなる超電導線コイル１５が巻き付けて付設している。回転駆動軸１２は固定ヨーク１１の両側壁１１ｂ、１１ｃに穿設した軸孔内の軸受１８で回転自在に支承し、一端側を外方に突出させて駆動伝達手段２１を介して車軸（図示せず）と連繋している。
【００２５】
図２に示すように、固定子２００側の電機子コイル１３と回転子１００側の超電導線コイル１５には外部の電源２５から給電している。超電導線コイル１５には、固定子２００と超電導線コイル１５との間の空間を電磁誘導により給電する非接触給電手段２６が設けられている。該非接触給電手段２６は、固定子２００に取り付けられた誘導給電送信部２７と超電導線コイル１５に交換器２９を介して取り付けられた誘導給電受信部２８とを備え、誘導給電送信部２７には電源２５に接続した電線２４を接続している。
誘導給電受信部２８で受電される電流は交流であるため、誘導給電受信部２８と超電導線コイル１５との間に炭化ケイ素（ＳｉＣ）半導体素子を用いた上記交換器２９を介設し、該交流を直流に変換して超電導線コイル１５に給電している。
固定子２００の電機子コイル１３は、固定子２００の側壁１１ｂの開口を通じて挿入する電線２３を介して電源２５と接続している。
【００２６】
モータ１０の冷却は、液体水素を貯留するタンク（図示せず）と接続された冷媒供給手段２０に冷媒流路１９を接続し、該冷媒流路１９を固定子２００の外面を覆うように設けたジャケット１７内の冷媒通路１７ａを還流させている。この冷媒通路１７ａを還流する液体水素により固定子２００は約２０ケルビンの極低温に冷却され、該固定子２００で囲まれた中空部２２内も極低温となるため、該中空部２２に位置する回転子１００の超電導線コイル１５も十分に冷却されるようにしている。
【００２７】
なお、モータ１０の冷却機構は図３（Ａ）（Ｂ）に示すように、回転子１００と固定子２００との間の空間に、銅、銀、ダイヤ、アルミニウム（窒化アルミ等）等の高熱伝導性材料から形成した仕切板１６を設け、該仕切板１６で仕切られた外周側空間２２ａに冷媒を導入する構成としてもよい。該構成とすると、固定子２００の電機子コイル１３を冷媒により直接冷却し、回転子１００側の超電導線コイル１５は間接冷却としてもよい。
【００２８】
次に、上記モータ１０の作用について説明する。  まず、通常時においては、液体水素を燃料とする燃料電池の電源２５から電線２３を介して電機子コイル１３に交流電流が供給される。電機子コイル１３へ供給された電流の位相ズレにより固定子１１内に回転磁界が発生し、この回転磁界により永久磁石４０が回転して回転駆動軸１２を回転させる。回転駆動軸１２のトルクは駆動伝達手段２１に伝達して車輪を駆動し、走行させる。
一方、加速時等の高出力が必要な場合には、電源２５から電線２４、非接触給電手段２６及び変換器２９を介して超電導線コイル１５に給電される。これにより、超電導線コイル１５が電磁石となって、永久磁石４０により発生する回転磁界を増強し、電機子コイル１３に供給する電流を大きくしなくても回転子１００の回転力が高められ、高出力となって車輪を高速回転させる。
なお、電機子コイルに供給される電流は直流でもよく、この場合には、電機子コイルに周方向に順次電流を供給して、回転磁界を発生させて回転駆動軸を回転させている。
【００２９】
上記構成とすると、通常の電気自動車走行時には、固定子１１に固定した電機子コイル１３にのみ電流を流して、固定子１１内に回転磁界を発生させて永久磁石４０を回転させ、この回転力で電気自動車の駆動力を得ているが、高出力が必要な場合には、回転駆動軸１２に固定した高温超電導線コイル１５にも電流を流して磁界を強くすることで、電機子コイルへの電流を大きくすることなく超電導モータ装置１０による出力を高出力とすることができる。
【００３０】
なお、上記第１実施形態では、固定子２００に固定する電機子コイル１３を常電導コイルとしているが、少なくとも一部の電機子コイル、好ましくは全ての電機子コイルも超電導材から形成してもよい。このように、固定子２００の電機子コイルと回転子１００の永久磁石に付設するコイルの両方を超電導線コイルとすると、コイルの電流密度を高くできるためコイルを小型化できると共にさらに高出力を得ることができる。  
【００３１】
図４は、回転電機子型とした本発明の第２実施形態のモータを示す。  モータ１０’の固定子２００’の固定子ヨーク１１’の内周面に周方向に９０°の間隔をあけて円弧形状とした永久磁石４０’を固定している。これらの永久磁石４０’には図４（Ｂ）に示すように、永久磁石４０’を囲むように高温超電導材料からなる超電導線コイル１５’を巻き付けて固定している。図中、上下に配置する永久磁石４０Ａ’は外周側をＳ極、内周側をＮ極とし、左右に配置する永久磁石４０Ｂ’は外周側をＮ極、内周側をＳ極としている。
一方、回転子１００’の回転駆動軸１２’を貫通させた回転子ヨーク３０の外周面に周方向に並列したスロット３０ａを設け、各スロット３０ａに常電導材料からなる電機子コイル１３’を収容固定している。
【００３２】
この回転電機子型モータ１０’では固定子２００’側の内周面に超電導線コイル１５’を配置しているため、図示のように、固定子２００’と回転子１００’の間の空間を高伝熱材からなる仕切板１６’で仕切り、外周側空間２２’に冷媒を循環させ、超電導線コイル１５’を冷媒により直接冷却している。回転子２００’側の常電導材からなる電機子コイル１３’は間接冷却としている。  
【００３３】
上記固定子２００’側の超電導線コイル１５’には、電源に接続した電線に交流を直流に変換する交換器を介設して直接接続している。一方、回転子１００’側の電機子コイル１３’には、第１実施形態と同様の非接触給電手段（図示せず）により電源から給電している。
【００３４】
上記構成からなる回転電機子型モータとしても、通常時には、常電導材の電機子コイル１３’のみに電流を流して固定子２００’内に回転磁界を発生させて回転子１００’を回転させ、この回転力で通常走行時の駆動力を得ている。加速時等の高出力が必要な場合には、固定子２００’に取り付けた超電導線コイル１５’にも電流を流して磁界を強くすることで、電機子コイル１３’への電流をさほど大きくすることなくモータ１０’による出力を高出力とすることができる。
また、超電導線コイル１５’を外周空間２２’に配置して冷媒により直接冷却できるようにしているため、効率良く超電導線コイル１５’を冷却することができ、長時間連続して高出力を得ることができる。
なお、他の構成及び作用効果は第１実施形態と同様のため、同一の符号を付して説明を省略する。
【００３５】
なお、第２実施形態では固定子側に取り付ける永久磁石は４個としているが、対向位置に２個でも良いし、その個数は限定されず、これら永久磁石に超電導線コイルを付設しておればよい。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
本発明の永久磁石に超電導線コイルを組み合わせた複合型モータは、一時的に高出力が要求される移動体用のモータ、特に、電気自動車の駆動源となるモータとして好適に用いられるものである。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の第１実施形態のモータを示す断面図である。
【図２】第１実施形態のモータを備えたモータ装置の断面図である。
【図３】（Ａ）（Ｂ）は第１実施形態の冷却機構の変形例を示す図面である。
【図４】（Ａ）は本発明の第２実施形態のモータを示す断面図、（Ｂ）は永久磁石に超電導線コイルを取り付けた状態を示す図面である。
【図５】（Ａ）（Ｂ）は従来例を示す図面である。
【符号の説明】
【００３８】
１０  モータ
１１  固定子ヨーク
１２  回転駆動軸
１３  電機子コイル
１５  超電導線コイル
２５  電源
４０  永久磁石
１００  回転子
２００  固定子
【図１】
2005237175.tif 000003
【図２】
2005237175.tif 000004
【図３】
2005237175.tif 000005
【図４】
2005237175.tif 000006
【図５】
2005237175.tif 000007