(57)【要約】【課題】  ステータ電機子の巻き線の巻き数を低減し小型化、軽量化を達成しながら、かつ大きな駆動力が得られるとともに、弱め界磁、リアクタンストルクの活用が可能となる等の分布巻きのすぐれた特徴をも併せ持ち、電気自動車やハイブリッド自動車の駆動用として好適なモータ、及び該モータを用いる自動車を提供する。【解決手段】  ステータ、該ステータに設けられた電機子、及びロータを有する多相モータであって、該電機子は、テープ状の超電導線材をその断面の長辺を積層しながららせん状に巻いて一体化して形成された超電導コイルからなり、かつ隣接する超電導コイルが、それらのステータ周方向の位置が互いに一部重なりあうように配置されていることを特徴とする超電導モータ及び該超電導モータを用いる自動車。【選択図】          図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステータ、該ステータに設けられた電機子、及びロータを有する多相モータであって、該電機子は、テープ状の超電導線材をその断面の長辺を積層しながららせん状に巻いて一体化して形成された超電導コイルからなり、かつ隣接する超電導コイルが、それらのステータ周方向の位置が互いに一部重なりあうように配置されていることを特徴とする超電導モータ。
【請求項２】
ステータ周方向の位置が互いに一部重なりあうように配置されている超電導コイルのそれぞれが、ロータ回転軸を中心とし半径が異なる円周上にそれぞれ配置されていることを特徴する請求項１に記載の超電導モータ。
【請求項３】
同じ位相の交流が流される超電導コイルが、ロータ回転軸を中心とした同一円周上に配置されていることを特徴する請求項２に記載の超電導モータ。
【請求項４】
超電導コイルが、ステータ周方向に対して一定角度傾けられて配置されていることを特徴する請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の超電導モータ。
【請求項５】
誘導モータ又は同期型モータであることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の超電導モータ。
【請求項６】
該超電導線材として、ビスマス系又はレアアース系の超電導線材を用いることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の超電導モータ。
【請求項７】
請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の超電導モータを用いることを特徴とする自動車。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超電導モータ及び該超電導モータを用いる自動車に関する。より具体的には、ステータに設けられた電機子（以下、ステータ電機子と言う。）に、超電導線材からなるコイル（以下、超電導コイルと言う。）を用いることを特徴とし、電気自動車やハイブリッド自動車の駆動用等として用いられる超電導モータ、及び該超電導モータを用いる自動車に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、電気モータ（以下単にモータと言う。）を駆動源として走行する電気自動車やハイブリッド自動車が、環境対策自動車として注目されている。
例えば、特開２００２−１６６７３５号公報には、内燃機関動力システム、バッテリー動力システム、動力変換機及び主変速機を有し、排気の問題を低減し経済性にも優れた複合電気自動車（ハイブリッド自動車）が開示されており、該バッテリー動力システムは、バッテリーから電力を受けモータとして働く（請求項１、請求項２、段落００１６）。
【０００３】
電気自動車やハイブリッド自動車に用いられるモータには高出力が求められるとともに、モータ自体の軽量化、小型化が求められる。従来の自動車用モータは、主に同期型モータであり、ステータ側に銅線をコイル状に巻いて形成された電機子を設け、該電機子に例えば３相交流を流すことで回転磁界を生じさせ、ロータ部界磁との間で駆動力を発生させていたが、このような同期型モータを小型化するためには、ステータ電機子部の小型化は必須である。
【０００４】
しかし、従来の銅線をコイル状に巻いて形成された電機子を用いる場合、高出力と小型化を同時に達成することは困難であった。そこで本発明者は鋭意検討の結果、ステータ電機子の巻き線としても超電導コイルを用いることが出来ること、そして該超電導コイルに大電流を流すことにより、コイルの巻き数を低減しても大きな駆動力が得られるので、高出力を維持しながらも、該ステータ電機子部の大きさ及び重さを大幅に低減でき、ひいてはモータの小型化、軽量化を達成できることを見出した。そして、このような超電導コイルとしては、図３や図４でその外観が示されるような、テープ状の超電導線材をその断面の長辺を重ねるように積層し、らせん状に巻いたコイルが好ましく用いられることを見出した。
【０００５】
一方、従来の同期型モータの電機子コイルの巻き方としては、ティース毎に１のコイルを巻付ける集中巻きや、１のコイルを複数のティースにわたって巻付け各コイルのステータの周方向の位置を重ねるようにした分布巻きがある。分布巻きは、電圧波形が改善され、逆起電力の発生を抑えやすく、弱め界磁制御、リアクタンストルクの有効活用が可能となる等のすぐれた特徴を有し、高トルクで特に運転範囲が広く要求される自動車の駆動用モータに好適に適用される。
【０００６】
しかし、前記のようなテープ状の超電導線材を、従来のコイルと同様な方法により分布巻きすることはできない。そこで、テープ状の超電導線材をその断面の長辺を重ねるように積層しらせん状に巻いて一体化したコイルを用い、かつ分布巻きと同様な優れた特徴が得られる、コイルの配置方法の開発が望まれる。
【０００７】
【特許文献１】特開２００２−１６６７３５号公報（請求項１、請求項２、段落００１６）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、ステータ電機子の巻き線の巻き数を低減し小型化、軽量化を達成しながら、かつ大きな駆動力が得られるとともに、弱め界磁制御、リアクタンストルクの有効活用が可能となる等の分布巻きのすぐれた特徴をも併せ持ち、電気自動車やハイブリッド自動車の駆動用として好適なモータ、及び該モータを用いる自動車を提供することをその課題とする。
【０００９】
本発明者は、ステータに電機子が設けられた多相モータであって、該ステータ電機子として、テープ状の超電導線材をその断面の長辺を重ねるように積層しらせん状に巻いて一体化して形成された超電導コイルを複数用い、隣接する超電導コイル（ステータ周方向の位置に関して最も近く、異なった位相の交流が流れるコイルを言う。）のステータ周方向の位置が互いに一部重なりあうように配置することにより、モータの高出力と小型化を同時に達成できるとともに、分布巻きの優れた特徴も得られることを見出し、本発明を完成した。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、請求項１において、ステータ、該ステータに設けられた電機子、及びロータを有する多相モータであって、該電機子は、テープ状の超電導線材をその断面の長辺が重なるように積層しながららせん状に巻いて一体化して形成された超電導コイルからなり、かつ隣接する超電導コイルが、それらのステータ周方向の位置が互いに一部重なりあうように配置されていることを特徴とする超電導モータを提供する。
【００１１】
前記本発明の超電導モータにおいては、ステータに設けられた複数の電機子に、それぞれ順次位相のずれた交流を流すことにより、回転磁界が発生し、ロータとの吸引力、反発力により、駆動力が生じる。交流としては、滑らかな回転磁界を発生させるためには３相交流等の多相交流が用いられる。
【００１２】
超電導コイルには、通常の銅線等からなるコイルと比較してはるかに大きな電流を流すことができ、コイルの巻き数が少ない場合であっても、大きな磁束密度を発生させることができる。従って、巻き数を低減し、電機子、ひいてはモータの小型化、軽量化を達成しながら、かつ高い出力が達成される。
【００１３】
本発明の超電導モータに用いられる超電導コイルは、テープ状の超電導線材を、隣接したテープの断面の長辺を重ねるように積層してらせん状に巻いて形成される。この超電導コイルは、通常、図３で示されるようなレーストラック状又は図４で示されるようなパンケーキ状の形状を有する。それぞれのコイルの中では、一枚のテープ状の超電導線材がらせん状に巻かれており、隣接するらせん周期（コイル周期）のテープの上面及び下面が重なるように積層されている。隣接するらせん周期のテープ間は、絶縁材等により絶縁されており、絶縁材としては絶縁性接着剤が例示される。
【００１４】
本発明の超電導モータは、ステータに電機子を設ける形態にもその特徴を有し、隣接する超電導コイルが、それらのステータ周方向の位置が互いに一部重なりあうように配置されている。隣接する超電導コイルには、位相のずれた交流が流されるが、これらのコイルをこのような配置とすることにより、電圧波形が改善され、逆起電力の発生を抑えやすく、弱め磁界、リアクタンストルクの活用が可能となる等の分布巻きの優れた特徴が達成される。
【００１５】
ステータ周方向の位置が互いに一部重なりあうように配置されるとは、モータ回転軸に垂直にモータを切った断面図において、ロータ回転軸Ａ、超電導コイルの左端（内周側）点Ｂ、超電導コイルの右端（内周側）点Ｃにより形成される３角形を三角形ＡＢＣ（図１、図２におけるＡＢＣ）としたとき、隣接する超電導コイルについての三角形ＡＢＣが、一部は互いに重なるように配置されることを言う。一部が重なるのであるから、重なっていない部分も存在しなければならない。なめらかな回転を達成するために、モータ内の全ての超電導コイルについて、該三角形ＡＢＣの重なり合う部分の面積比（該三角形ＡＢＣ全体の面積に対する重なっている部分の面積比）が等しいことが好ましい。
【００１６】
なお、電機子の数（極数）が多い場合、超電導コイルの、コイルのステータ周方向の大きさによっては、隣接するコイルのさらに隣接するコイル等とも、それらのステータ周方向の位置が互いに一部重なりあうように配置されてもよい。
【００１７】
ステータ周方向の位置が互いに一部重なりあうように超電導コイルを配置する方法としては、例えば、次の配置法１及び配置法２が挙げられる。
配置法１：  周方向の位置が一部重なりあう超電導コイルを、ロータ回転軸を中心とし半径が異なる円周上に配置する。
配置法２：  超電導コイルを、ステータ周方向に対して一定角度傾けて配置する。
配置法１及び配置法２を組合せることも可能である。
【００１８】
本発明の請求項２は、配置法１を採用した態様に該当し、前記の超電導モータであって、ステータ周方向の位置が互いに一部重なりあうように配置されている超電導コイルのそれぞれが、ロータ回転軸を中心とし半径が異なる円周上にそれぞれ配置されていることを特徴する超電導モータを提供するものである。
【００１９】
異なった位相の交流が流される隣接するコイルは、ステータ周方向の位置が互いに一部重なりあうように配置されるので、この態様の場合は、半径が異なる円周上に配置される。一方、隣接されていないコイル等、コイル周方向の位置が重なりあわないコイルは、同一円周上に配置されてもよい。
【００２０】
特に、同じ位相の交流が流される超電導コイル（ステータ周方向の位置は互いに重ならない。）は、滑らかな回転磁界を発生するために、同一円周上に配置されることが好ましい。本発明の、請求項３は、請求項２の超電導コイルであって、同じ位相の交流が流されるコイル（同一相に対応するコイル）が、ロータ回転軸を中心とした同一円周上に配置されていることを特徴する超電導モータを提供するものである。図１はこの配置の一例を示すものである。通常、同一相に対応する超電導コイルを同一円周上に配置し、相毎に配置する円周の半径を異なるようにするので、Ｎ相モータの場合は、超電導コイルがＮ段で配置されたステータ電機子となる。
【００２１】
本発明の請求項４は、配置法２を採用した態様に該当し、前記の超電導モータであって、超電導コイルが、ステータ周方向に対して一定角度傾けられて配置されていることを特徴する超電導モータを提供するものである。図２はこの配置の一例を示すものであるが、このように配置することにより、ステータ周方向の位置が互いに一部重なりあう隣接するコイルを、同一円周上に配置することも可能である。
【００２２】
本発明の超電導モータは、誘導モータ及び同期型モータ等に好ましく適用される。請求項５は、この好ましい態様に該当し、前記の超電導モータであって、誘導モータ又は同期型モータであることを特徴とする超電導モータを提供するものである。
【００２３】
本発明の超電導モータに使用されるテープ状の超電導線材は、特に限定されるものではないが、通常次の方法により製造される。まず、超電導線材の原料粉末混合物を充填した金属管を伸線加工して、原料粉末混合物を芯材とし、金属管の材質で被覆されたクラッド線を得る。こうして得た複数のクラッド線を束ねて、再び金属管に挿入し、伸線加工することによって、原料粉末混合物がフィラメント状となり、多数のフィラメントが金属管の材質（金属シース）に埋め込まれた多芯線が得られる。このようにして得られた多芯線を、機械的に上下から加圧してテープ状にして（圧延加工）、超電導線材を得る。金属管の材質としては、銀又は銀合金が好ましく用いられる。
【００２４】
超電導線材としては、ビスマス系又はレアアース系の超電導線材が好ましく例示される。請求項６は、この好ましい態様に該当し、前記の超電導モータであって、該超電導線材として、ビスマス系又はレアアース系の超電導線材を用いることを特徴とする超電導モータを提供するものである。
【００２５】
ビスマス系の超電導線材としては、（Ｂｉ＋Ｐｂ）: Ｓｒ：Ｃａ：Ｃｕの組成比（モル比）が２：２：２：３程度のＢｉ−２２２３相を主相とするＢｉ−２２２３線材が好ましく例示される。Ｂｉ−２２２３線材は、１１０Ｋ程度の高い臨界温度を有し、臨界電流値は、コイル状でない場合は、銅線と比較して７７Ｋで１００倍、２０Ｋで２００〜３００倍に達し、コイル状とした場合であっても、前記の半分程度の非常に大きな臨界電流値が得られる。
【００２６】
レアアース系の超電導線材は、Ｒｅ（レアアース）−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏで構成される高温超電導線材であり、レアアースとしてはホルミウムが例示される。レアアース系の超電導線材は、ビスマス系の超電導線材よりもさらに大きな電流密度を達成できるものであり、又耐磁場特性が良好との特徴も有する。
【００２７】
このように、超電導線材を用いることにより、銅線の場合に比べ、大幅に通電する電流を上げることができる。ただし、磁束密度はある程度のアンペアターンで飽和するので、アンペアターンの増加を計るよりも、アンペアターンは維持したまま、大電流化により巻き数を減らすことがより効果的な場合が多い（例えば、ビスマス系の超電導線材が、銅線と比較して１００倍の電流を流すことができるとすると、その巻き数は１／１００に低減することができる。）。巻き数を減らすことにより、電機子の小型化、ひいてはモータの小型化を達成することができる。
【００２８】
前記の本発明の超電導モータは、自動車に好ましく用いられる。そこで、本発明は、請求項７において、前記の超電導モータを用いることを特徴とする自動車を提供する。特に、本発明の超電導モータは、電気自動車やハイブリッド自動車の駆動用に好ましく用いられる。
【００２９】
本発明の超電導モータは、電気エネルギーを受けて大きな駆動力を発揮するものであるが、一方、機械（回転）エネルギーを受けて電気エネルギーを発生する発電機としても機能する。例えば、本発明の超電導モータを、電気自動車やハイブリッド自動車の駆動用に用いた場合は、該自動車の減速、停止時や、下り坂の走行時等では、発電機として機能し、回生電流を発生して電池を充電することができる。
【発明の効果】
【００３０】
本発明の超電導モータは、ステータ電機子の巻き線の巻き数を低減し小型化、軽量化を達成しながら、かつ大きな駆動力が得られるとともに、逆起電力の発生を抑えやすい、弱め磁界、リアクタンストルクの活用が可能となる等の分布巻きのすぐれた特徴も有するものであり、電気自動車やハイブリッド自動車の駆動用として好適に用いられる。又、該超電導モータを使用した自動車においては、前記の特徴を利用して、軽量化及び高出力の達成が容易になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
図１は、本発明の超電導モータの一例の、ロータ回転軸に垂直な断面図である。本例の超電導モータは、３相８極型であり、各相に対応した超電導コイル１、２及び３が、各相それぞれ８、合計２４、ステータ５の内周に沿って配置されている。本発明の超電導モータとしては、極数は８に限定されず、４極、６極、１２極等他の極数のモータも、本発明の超電導モータとなり得る。なお、図１中の超電導コイル１’、２’及び３’は、超電導コイル１、２及び３のそれぞれと同一相に対応するコイルであるが、極性が逆である。図中では、極性が逆のコイルはその輪郭が点線で示されている。
【００３２】
超電導コイル１、２及び３並びに超電導コイル１’、２’及び３’は、図３で示されるレーストラック状、又は図４で示されるパンケーキ状の形状を有する。図１及び図２中の各コイルの輪郭は、図３又は図４の矢印方向からコイルを見た場合の形状に相当する。なお、図３及び図４については後に詳述する。
【００３３】
図１より明らかなように、隣接するコイルについて、例えばコイル１とコイル２、コイル２とコイル３とでは、ロータ回転軸Ａ、超電導コイルの左端（内周側）点Ｂ、超電導コイルの右端（内周側）点Ｃにより形成される三角形ＡＢＣは、互いに一部が重なっている。本例では、隣接するコイルのさらに隣接するコイルについても該三角形ＡＢＣは一部が重なっている。
【００３４】
超電導コイル１、２及び３並びに超電導コイル１’、２’及び３’には、順次３相交流のＵ、Ｖ、Ｗ相が流されて、回転磁界が発生する。該超電導モータの中心には、ロータ４が、回転軸を中心にして回転可能に設けられている。本例のモータは、同期型モータであり、ロータ４の外周側には、永久磁石（図示せず）がロータ４の外周に沿って設けられている。そして、超電導コイルにより発生される回転磁界と、ロータ４の永久磁石との間の吸引、反発力により駆動力が発生する。
永久磁石の代りに、電磁石を用いることも可能であるし、又超電導コイルを用いることも可能であり、これらの場合も、同期型モータとして機能する。
【００３５】
超電導コイル１、２及び３並びに超電導コイル１’、２’及び３’を超電導状態に保つためには、冷媒及び／又は冷却器を用いて、コイルを冷却する必要がある。（上記のように、ロータの永久磁石の代りに、超電導コイルを用いる場合は、このコイルも超電導状態に保つように冷却する必要がある。）そこで、本例のモータでは冷媒循環ジャケット（図示せず）がモータ外周に設けられている。
【００３６】
冷媒としては、液体水素や液体窒素等が用いられる。燃料電池を用いる自動車では、液体水素は冷媒と電力発生の両方の役割を兼ねることができるとの利点を有するが、通常は、安価で安全な液体窒素が好ましい。前記のビスマス系の超電導線材を用いれば、液体窒素による冷却で超電導状態に保つことができる。
【００３７】
図２は、本発明の超電導モータの他の一例の、ロータ回転軸に垂直な断面図である。本例の超電導モータも、３相８極型であり、各相に対応した超電導コイル１a、２a及び３aが、各相それぞれ８づつ、合計２４、ステータ５の内周に沿って配置されている。
【００３８】
図２中の超電導コイル1'a、2'a及び3'aは、超電導コイル１a、２a及び３aのそれぞれと同一相に対応するコイルであるが、極性が逆である。図中では、極性が逆のコイルはその輪郭が点線で示されている。
【００３９】
本例においても隣接するコイルについて、例えばコイル１aとコイル２a、コイル２aとコイル３aとでは、ロータ回転軸Ａ、超電導コイルの左端（内周側）点Ｂ、超電導コイルの右端（内周側）点Ｃにより形成される三角形ＡＢＣは、互いに一部が重なっている。しかし、各超電導コイル（超電導コイル1'a、2'a及び3'a、超電導コイル１a、２a及び３a）は、ステータ周方向に対して１５度傾けられて配置されているので、全てのコイルを同一円周上に配置することが可能になっている。なお、駆動力の発生のメカニズムや冷却等他の点では、図１の例と同じであり、説明を省略する。
【００４０】
図３は、レーストラック状の超電導コイルを示す斜視図である。この形状の超電導コイルは、テープ状の超電導線材を、隣接したらせん周期（コイル周期）のテープの上面及び下面が重なるようにらせん状に積層し、図３に示すようなレーストラック状になるように巻いて、形成される。
【００４１】
図５は、超電導線材が、らせん周期（コイル周期）のテープの上面及び下面が重なるように積層されている状態を示す、超電導コイルの概略断面図である。図５に示されるように、超電導コイルは、超電導体のフィラメント７が銀又は銀合金中に埋め込まれた超電導線材６を積層して形成されている。それぞれの超電導線材６の間には、絶縁性接着剤からなる絶縁層８が設けられている。
【００４２】
図６は、図５の超電導コイルの部分拡大断面図であり、図５のＭ部を拡大して示すものである。図６により、超電導体のフィラメント７が、銀又は銀合金９中に埋め込まれて超電導線材６が形成されており、それぞれの超電導線材６の間には絶縁層８が設けられていることが示されている。
【００４３】
なお、レーストラック状の超電導コイルの代りに、図４で示されるパンケーキ状の超電導コイルを用いることも可能である。パンケーキ状の超電導コイルも、レーストラック状の超電導コイルとは、外部形状が異なるのみで、積層の構造や内部の構成等は同じである。
【００４４】
本発明の自動車は、上記のようにして形成された超電導モータを搭載するものである。特に、該超電導モータを駆動用として搭載する電気自動車、ハイブリッド自動車がその代表例である。
【００４５】
電気自動車、ハイブリッド自動車であって、上記の形態の同期型モータ（超電導モータ）を駆動用として搭載する自動車は、燃料電池や二次電池等の電池、インバータを有し、電池からの直流電流をインバータにより交流に変え（必要により昇圧手段により電圧を上げて）、超電導モータに供給し、自動車の駆動力を発生させる。本発明の自動車は、さらに超電導コイルの超電導状態を維持するための冷却装置や冷媒循環装置等の冷却手段を有し、さらに必要により該超電導モータに供給する電圧を上げるための昇圧手段、該超電導モータで発生した電圧を下げるための降圧手段を有してもよい。
【００４６】
ハイブリッド自動車の場合は、自動車の駆動力を、該超電導モータと内燃機関エンジンを組合せて発生している。パラレル型、シリーズ型、パラレルシリーズ型等、いずれの型式のハイブリッド自動車にも、本発明の超電導モータを使用することができる。
【００４７】
本発明の自動車に搭載された駆動用の超電導モータは、自動車の減速時や下り坂の走行時には、機械エネルギーを受けて電気を発生する発電機として機能することもできる。発生した電気は、インバータ等により直流とされた後、必要により降圧手段を通して、電池（二次電池）に供給され、該電池を充電する。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の超電導モータの一例の、回転軸に垂直な断面図である。
【図２】本発明の超電導モータの他の一例の、回転軸に垂直な断面図である。
【図３】本発明の超電導モータに用いられる超電導コイルの一例の斜視図である。
【図４】本発明の超電導モータに用いられる超電導コイルの他の一例の斜視図である。
【図５】本発明の超電導モータに用いられる超電導コイルの一例の概略断面図である。
【図６】図５の部分拡大断面図である。
【符号の説明】
【００４９】
１、２、３、１’、２’、３’、１a、２a、３a、1'a、2'a、3'a、  超電導コイル
４、４a、 ロータ
５、５a、 ステータ
６、      超電導線材
７、      超電導体のフィラメント
８、      絶縁層
９、      銀合金
Ａ、      ロータ回転軸
【図１】
2005176582.tif 000003
【図２】
2005176582.tif 000004
【図３】
2005176582.tif 000005
【図４】
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【図５】
2005176582.tif 000007
【図６】
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