(57)【要約】【課題】超電導コイルで少ない線材量でトルクを効率的に導き出す。【解決手段】ロータ１５の回転軸２１に、超電導コイル１７の超電導動作のための冷媒を供給するだけでなく、ステータ１３を超電導温度に冷却する冷却手段により、ロータ１５を外周（ステータ１３側）から間接的に冷却する。この場合、ステータ１３には常電導コイルを用いても良い。モータ３のトルクを向上させるために、ロータ１５とステータ１３とが最接近した瞬間のロータ１５の外周の断熱スペース３５をほぼなくしても、ロータ１５の超電導コイルの超電導状態を維持でき、少ない線材量でトルクを効率的に導き出すことが可能となる。【選択図】図６
2005304216.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロータが超電導コイルを備えたモータであって、
前記ステータに、当該ステータを超電導温度に冷却する冷却手段が設けられ、
前記ロータが、前記冷却手段によって間接的に冷却されることを特徴とするモータ。
【請求項２】
請求項１に記載のモータが、バッテリと、当該バッテリに電気エネルギーを供給する燃料電池と、当該燃料電池に化学物質を供給する化学物質供給部とを備えた車両に搭載され、
前記冷却手段が、前記化学物質供給部からの前記化学物質を冷媒として使用するとともに、当該冷媒で前記ステータを冷却した後に当該冷媒を前記化学物質供給部に回収する冷媒回収経路が形成されてなることを特徴とするモータ。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載のモータであって、
前記超電導コイルが、所定のコイル線材を積層するように巻回した巻線部を備え、
前記巻線部の前記コイル線材の各層の巻き付け位置が、前記ロータの外周に沿って湾曲するように漸次ずらされて形成されたことを特徴とするモータ。
【請求項４】
請求項３に記載のモータであって、
前記超電導コイルは、テープ状の前記コイル線材が積層巻回されたレーストラック型コイルにより前記巻線部が構成されたことを特徴とするモータ。
【請求項５】
請求項４に記載のモータであって、
前記超電導コイルが、前記レーストラック型コイルである一対の前記巻線部の２層巻きによって構成され、巻き付けられた最内層の前記コイル線材が、前記両巻線部に跨って相互に接続されたことを特徴とするモータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気自動車やハイブリッドカー等の車両の走行用に搭載されるモータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
超電導モータは、一般にモータの小型・軽量化や大出力が可能であり、自動車への搭載等において、将来有望なモータとして検討されている。特に、超電導線材をロータ（界磁部）に用いた超電導同期型モータは、コイルに流れる大電流がそのまま、ローレンツ力となって大トルクを発生することができる点で有益である。
【０００３】
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。
【０００４】
【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】
【０００５】
超電導モータに使用される超電導線材は、現時点ではその実施適用例が少ないため高価である。ただし電力送電線への応用が進めば、この線材の価格が大幅に低減されると予想される。
【０００６】
しかしながら、例えばビスマス系の超電導線材の場合、線材の原材料の半分以上が高価な銀であり、銀の原価だけを考慮しても、常電導モータの巻線用の電線と比較すると桁違いに高価である。したがって、超電導モータのロータ部のコイルに超電導線材を採用する場合、最小限の線材量で最大限のトルクを導きだすことが重要である。
【０００７】
そこで、本発明の課題は、少ない線材量でトルクを効率的に導き出すことが可能なモータを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決すべく、請求項１に記載の発明は、ロータが超電導コイルを備えたモータであって、前記ステータに、当該ステータを超電導温度に冷却する冷却手段が設けられ、前記ロータが、前記冷却手段によって間接的に冷却されるものである。
【０００９】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のモータが、バッテリと、当該バッテリに電気エネルギーを供給する燃料電池と、当該燃料電池に化学物質を供給する化学物質供給部とを備えた車両に搭載され、前記冷却手段が、前記化学物質供給部からの前記化学物質を冷媒として使用するとともに、当該冷媒で前記ステータを冷却した後に当該冷媒を前記化学物質供給部に回収する冷媒回収経路が形成されてなるものである。
【００１０】
請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載のモータであって、前記超電導コイルが、所定のコイル線材を積層するように巻回した巻線部を備え、前記巻線部の前記コイル線材の各層の巻き付け位置が、前記ロータの外周に沿って湾曲するように漸次ずらされて形成されたものである。
【００１１】
請求項４に記載の発明は、請求項３に記載のモータであって、前記超電導コイルは、テープ状の前記コイル線材が積層巻回されたレーストラック型コイルにより前記巻線部が構成されたものである。
【００１２】
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載のモータであって、前記超電導コイルが、前記レーストラック型コイルである一対の前記巻線部の２層巻きによって構成され、巻き付けられた最内層の前記コイル線材が、前記両巻線部に跨って相互に接続されたものである。
【発明の効果】
【００１３】
請求項１に記載の発明のモータは、ステータを超電導温度に冷却する冷却手段により、ロータを外周（ステータ側）から間接的に冷却することができる。したがって、トルクを向上させるために、ロータとステータとが最接近した瞬間のロータの外周の断熱スペースをほぼなくしても、ロータの超電導コイルの超電導状態を維持でき、少ない線材量でトルクを効率的に導き出すことが可能となる。
【００１４】
請求項２に記載の発明のモータは、このモータが、バッテリと、当該バッテリに電気エネルギーを供給する燃料電池と、当該燃料電池に化学物質を供給する化学物質供給部とを備えた車両に搭載され、ステータを超電導温度に冷却する手段が、化学物質供給部からの化学物質を冷媒として使用するとともに、当該冷媒でステータを冷却した後に当該冷媒を化学物質供給部に回収する冷媒回収経路が形成されているので、別の冷媒を使用する場合に比べて専用の冷媒貯蔵部を備えておく必要がなく、装置点数を低減でき、効率的な冷却機構を提供できる。
【００１５】
請求項３及び請求項４に記載の発明のモータは、界磁コイルの巻線部のコイル線材の各層の巻き付け位置が、ロータの外周に沿って湾曲するように漸次ずらされて形成されているので、ロータの中心からローレンツ力がかかる各層のテープ線材の位置までの距離を、界磁コイルの内部まで適正に設定することができる。しかも、請求項１のように、ロータとステータとが最接近した瞬間のロータの外周の断熱スペースをほぼなくしても、界磁コイルの巻線部のコイル線材の各層の巻き付け位置が、ロータの外周に沿って湾曲するように漸次ずらされて形成されているので、巻線部がステータに干渉することがなく、かかる状態で、界磁コイルに電流が流れてステータとの磁場によりローレンツ力がかかったときに、モータのトルクを向上することが可能になる。
【００１６】
請求項５に記載の発明のモータは、超電導コイルが、レーストラック型コイルである一対の巻線部の２層巻きによって構成され、巻き付けられた最内層のコイル線材が、両巻線部に跨って相互に接続されているので、コイル線材の両端を容易に最外層に配置でき、これにより外部への引き出しが容易になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
図１及び図２は本発明の一の実施形態に係るモータ（超電導モータ）３が適用された自動車を示すブロック図である。この超電導モータ３は、図１の如く、例えば電気自動車またはハイブリッドカー等の車両１の走行手段として適用され、界磁部に超電導コイルが用いられたものである。
【００１８】
ここで、車両１においては、図１及び図２の如く、超電導モータ３の界磁部の磁場の大きさが、直流電流供給回路（制御手段）４での直流電流の制御によって調整され、またインバータ７によって、バッテリ５からの電力を用いて超電導モータ３が駆動され、また制動時には超電導モータ３から得られた回生エネルギーがインバータ７を通じてバッテリ５に与えられる。
【００１９】
尚、図１中の符号９は、バッテリ５に電気エネルギーを供給する燃料電池、符号１１は、燃料電池９に化学物質を供給する化学物質供給部１１を示している。ここで、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。
【００２０】
そして、超電導モータ３は、図２の如く、ステータ１３を電機子とし、またロータ１５を界磁とした同期型回転機であって、車両１の各車輪内に直接搭載されるイン・ホイール型のものが適用される。この超電導モータ３は、駆動時において各車輪を回転するとともに、制動時においてジェネレータ（発電機）として機能する。
【００２１】
ロータ１５の内部には、界磁部としての超電導コイル（界磁コイル）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し、ステータ１３が作る磁場によってロータ１５の回転トルクが発生するようになっている。
【００２２】
この超電導コイル１７としては、図３のように、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を用いたテープ線材（巻線部）が側面視長円形状に巻き付けられたレーストラック型コイルが使用される。
【００２３】
そして、このロータ１５の回転軸２１に、超電導コイル１７の超電導動作のための冷媒を供給するとともに、所定の冷却手段によりステータ１３側にも冷媒を供給し、この冷却されたステータ１３からも間接的にロータ１５を冷却する構造とすることで、ロータ１５を内外から冷却する構成となっている。
【００２４】
ここで、図４は超電導モータ３において断熱スペースを殆ど形成しない場合のロータ１５を示す模式図であり、図５は断熱スペースを形成した場合の模式図である。尚、図４及び図５においては、超電導モータ３の超電導コイル１７やステータ１３を簡易的にデフォルメして示している。ここではロータ１５の超電導コイル１７として、８極コイルを例に挙げて説明する。
【００２５】
超電導モータ３のロータ１５について、図４のように、ロータ１５とステータ１３とが最接近した場合のロータ１５の外周部における離間空間（断熱スペース：ただし図４においてステータ１３は図示省略されている）を殆ど形成しない場合と、図５のように特定寸法の断熱スペース３５を形成した場合のそれぞれについて、本出願人により超電導モータ３のトルクを机上評価した。
【００２６】
その結果、図４のようにロータ１５の外周部に特定の断熱スペースを形成しない場合、即ち、ロータ１５とステータ１３とが最接近した場合の間の離間空間が殆どなくなる場合の方が、図５のように特定寸法の断熱スペース３５を形成した場合に比べてトルクが大幅に増大することが分かっている。
【００２７】
尚、図４及び図５中の符号３７はロータ１５の回転軸、符号３９はロータ１５において鉄心３３及び超電導コイル１７を支持する支持体を示している。
【００２８】
このように、ロータ１５の内部には超電導コイル１７が存在しており、超電導であるがゆえに極温まで冷却して冷却熱が外部に逃げない構造にする必要がある。
【００２９】
そこで、この実施形態では、ロータ１５の回転軸２１に冷媒を供給するだけでなく、ステータ１３側にも冷媒を供給し、この冷却されたステータ１３からも間接的にロータ１５を冷却する構造とすることで、ロータ１５を内外から冷却する構成となっている。これにより、ロータ１５とステータ１３との間の断熱スペースを最小限に設定しても、ロータ１５を充分に冷却して、超電導コイル１７を支障無く超電導動作させることが可能となる。この場合、ロータ１５とステータ１３の位置関係は、ロータ１５が回転した場合にロータ１５とステータ１３とがギリギリに触れ合わない程度に設定することができる。
【００３０】
この場合、ステータ１３側からロータ１５を冷却するにあたり、ステータ１３内に液体水素等の冷媒を充満させることが最も効率的に冷却する方法といえる。この場合の冷媒としては、図１に示した燃料電池９に化学物質を供給する化学物質供給部１１内で貯蔵される化学物質が利用される。即ち、気化した水素がステータ１３内に形成された中空部を通じてステータ１３を冷却し、このステータ１３を通じてロータ１５を冷却する。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、図１のように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。即ち、この実施形態では、化学物質供給部１１自身が冷却手段として機能する。
【００３１】
このように、冷媒にて超電導温度を維持してステータ１３内のコイルを超電導線を用いて磁場を発生させる構造とすることで、ステータ１３側の巻線体積を大幅に減少させることができる。ただし、ステータ１３側の巻線を厳密に超電導化しなくても、通常の常電導線（銅線）を冷媒に浸して回転磁場を発生させるようにしてもよい。
【００３２】
この場合、ステータ１３内の常電導線が常温より大幅に冷却されるため、ステータ１３を冷却しない場合に比べて、ステータ１３内の常電導線の抵抗値を低減できる。例えば、ステータ１３の常電導線として銅線を使用する場合は、この常電導線である銅線を超電導温度まで冷却することで、銅の抵抗が１／８程度に低減され、ステータ１３内の発熱を最小限に抑えることが可能になる。このように、ステータ１３の発熱を少なくすることが可能になると、より大きな電流を通電しても許容することができ、ステータ１３の常電導線の巻数や巻線体積を低減しても、ステータ１３の常電導線に供給する電流を増大させることで、充分な磁場を得ることができる。
【００３３】
また、ロータ１５及びステータ１３を冷却するための冷媒として、化学物質供給部１１内の化学物質（液体水素）を使用しているので、ロータ１５及びステータ１３の内部に吐き出されて冷媒として使用された気化水素がそのまま化学物質供給部１１に回収されて、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、別の冷媒を使用する場合に比べて専用の冷媒貯蔵部を備えておく必要がなく、装置点数を低減でき、効率的な冷却機構を提供できる。
【００３４】
尚、この実施形態において、さらに超電導モータ３のトルクを向上する構成を併せて説明しておく。かかる超電導モータ３のトルクを向上する構成として、望ましくは、図６の如く、特に複数の超電導コイル１７が、ロータ１５の外周に沿って配置された構成とする。
【００３５】
超電導コイル１７内の導線として超電導線が用いられており、超電導コイル１７（界磁コイル）に大電流を通電すると、超電導コイル１７の半径方向（円外側方向）についてのステータ１３が発生する回転磁界の磁束密度成分（Ｂ）と、超電導コイル１７に流れる電流値（Ｉ）と超電導コイル１７の軸方向の長さ（Ｌ）により、ローレンツ力Ｆ（ここで、Ｆ＝ＩＢＬ）が発生する。さらに、この超電導コイル１７は、磁場の発生効率を考慮して、図７のように第１のコイル部１７ａと第２のコイル部１７ｂを表裏に貼り付けた２層巻きの構成が採用される。これは、内部の超電導線１７ｃを巻廻した際に、その超電導線１７ｃの中間部１７ｄが内層側に位置し、これにより超電導線１７ｃの両端部１７ｅを最外層に配置して外部への引き出しを容易にするためである。尚、超電導線１７ｃの最内層においては、超電導線１７ｃが第１のコイル部１７ａと第２のコイル部１７ｂとの間を跨いで接続される構成となっている。
【００３６】
尚、ロータ１５の超電導コイル１７の超電導線へは、導電ブラシ１９（図２参照）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良い。
【００３７】
そして、超電導コイル１７の超電導線１７ｃが２層巻きの構成であることと、超電導線１７ｃの巻数（Ｎ）とを考慮すると、Ｆ＝２ＩＢＬＮのローレンツ力Ｆが発生する。さらに、超電導コイル１７の積層数に応じてローレンツ力（Ｆ）が強化される。そして、ロータ１５の中心からローレンツ力Ｆがかかる各層の超電導線１７ｃの位置までの距離（Ｄ）を乗じた値がトルクになる。したがって、できる限り距離Ｄを多くとることがトルク増加につながることが分かる。ただし、単純にロータ１５の外形を大きくすれば、モータの大型化、さらには超電導線材量の増加に繋がるため、ロータ１５のサイズはそのままで、超電導コイル１７の配置の工夫により距離Ｄを多くとることが重要となる。
【００３８】
そこで、超電導コイル１７としては、図３のようなレーストラック型コイルの巻き付けにおいて、図８及び図９のようにテープ線材である超電導線（コイル線材）１７ｃを同一位置に重ねて巻いてゆくのではなく、超電導線１７ｃを一周巻き付ける毎に、図７及び図６のようにロータ１５の径方向に沿って徐々に斜めにずらして巻き付け、即ち、特に図６のように円周（ロータ１５の外周）に沿わせた形状に巻き付けることにより、ロータ１５の中心からローレンツ力Ｆがかかる各層の超電導線１７ｃの位置までの距離Ｄを、超電導コイル１７の内部まで適正に設定することができ、超電導モータ３のトルクを向上することが可能になる。
【００３９】
以上のように、超電導コイル１７の各層の巻き付け位置が、ロータ１５の外周に沿って湾曲するように漸次ずらされて形成されることで、超電導モータ３のトルクが向上し、さらに、ステータ１３を超電導温度に冷却してロータ１５を外周（ステータ１３側）から間接的に冷却することで、ロータ１５とステータ１３とが最接近した瞬間のロータ１５の外周の断熱スペースをほぼなくしてトルクを向上しても、ロータ１３の超電導コイル１７の超電導状態を充分に維持できる。したがって、少ない線材量でトルクを効率的に導き出すことが可能となる。
【００４０】
尚、上記の実施形態において、超電導モータ３を冷却する冷媒として燃料電池９に使用される液体水素を利用していたが、これに代えて、液体ネオンや液体ヘリウム等の他の液体冷媒を使用しても差し支えない。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の一の実施形態に係るモータが搭載された車両を示すブロック図である。
【図２】本発明の一の実施形態に係るモータを示すブロック図である。
【図３】本発明の一の実施形態に係るモータの超電導コイルを示す模式図である。
【図４】本発明の一の実施形態に係るモータのロータを示す模式図である。
【図５】モータのロータの比較例を示す模式図である。
【図６】本発明の一の実施形態に係るモータのロータに超電導コイルが設置された状態を示す模式図である。
【図７】本発明の一の実施形態に係るモータの超電導コイルを示す模式図である。
【図８】超電導コイルの比較例を示す模式図である。
【図９】モータのロータに超電導コイルが設置された状態の比較例を示す模式図である。
【符号の説明】
【００４２】
１  車両
３  超電導モータ
５  バッテリ
７  インバータ
９  燃料電池
１１  化学物質供給部
１３  ステータ
１５  ロータ
１７  超電導コイル
１７ａ，１７ｂ  コイル部
１７ｃ  超電導線
１７ｄ  中間部
１７ｅ  両端部
１９  導電ブラシ
２１  回転軸
２２  冷媒回収経路
３３  鉄心
３５  断熱スペース
【図１】
2005304216.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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