(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転可能に配置されたロータと、
前記ロータの径方向に対向配置されたステータとを備え、
前記ステータは、ステータコアと、超電導線材により構成される複数の超電導コイルとを含み、
前記ステータコアは、環状のバックヨークと、前記バックヨークの径方向一端部に径方向に突出する複数のティースと、周方向に隣り合う前記ティース間に設けられたスロットとを有し、
前記複数の超電導コイルは、前記ティースに巻装されている超電導モータであって、
内側に低温の冷媒を流す少なくとも１の細管を有する冷凍機をさらに備え、
前記細管は、前記スロット内において、少なくとも一部が前記ステータの周方向に隣り合う２の前記超電導コイル間に配置されており、少なくともいずれか１の前記超電導コイルに熱接触しており、
さらに、複数の超電導コイルは、複数のティースに集中巻きで巻装されており、
少なくとも１の前記細管は、前記スロット内において、前記ステータの周方向に隣り合う２の前記超電導コイル間に配置され、１の細管毎に設けられた蛇行部を含み、各蛇行部は、前記スロット内で、隣り合う２の前記超電導コイルの双方に、波形変形方向両側の頂部のそれぞれが接触するよう設けられていることを特徴とする超電導モータ。
【請求項２】
回転可能に配置されたロータと、
前記ロータの径方向に対向配置されたステータとを備え、
前記ステータは、ステータコアと、超電導線材により構成される複数の超電導コイルとを含み、
前記ステータコアは、環状のバックヨークと、前記バックヨークの径方向一端部に径方向に突出する複数のティースと、周方向に隣り合う前記ティース間に設けられたスロットとを有し、
前記複数の超電導コイルは、前記ティースに巻装されている超電導モータであって、
内側に低温の冷媒を流す少なくとも１の細管を有する冷凍機をさらに備え、
前記細管は、前記スロット内において、少なくとも一部が前記ステータの周方向に隣り合う２の前記超電導コイル間に配置されており、少なくともいずれか１の前記超電導コイルに熱接触しており、
前記複数の超電導コイルは、前記ステータコアの軸方向両端面から軸方向外側にそれぞれ突出する両側のコイルエンド部を含み、
前記細管は、前記両側のコイルエンド部のうち、少なくとも片側の前記コイルエンド部の軸方向外端面部に対向するように配置され、前記コイルエンド部に接触するコイルエンド対向部を有す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、超電導モータに関し、特に、内側に低温の冷媒を流す少なくとも１の細管を有する冷凍機を備える超電導モータに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、冷凍機を備える超電導モータが考えられている。例えば、特開２０１０−１７８５１７号公報（特許文献１）には、超電導モータと、極低温発生部と、容器とを備える超電導モータ装置が記載されている。超電導モータは、回転可能な回転軸と、回転軸の外周部に配置された複数の永久磁石とを有する回転子と、固定子とを含む。固定子は、固定子鉄心のティース部に巻回された３相の超電導コイルを有する。極低温発生部は、極低温をコールドヘッドにおいて発生させる冷凍機を有する。このコールドヘッドと超電導モータの固定子の固定子鉄心とを伝熱可能につなぐ高い伝熱性を有する熱伝導部が設けられている。熱伝導部の冷却筒部は、極低温状態に冷却され、固定子鉄心の外周部と熱的に接触して、固定子鉄心を冷却する。容器は、超電導コイルを断熱させる真空断熱室を形成する。このため、超電導コイル側に熱侵入が発生したとしても、あるいは冷凍機の冷凍出力が追いつかないときでも、固定子鉄心が超電導コイルを低温状態に維持させるとされている。また、特許文献１の図３には、固定子鉄心のティース部と超電導コイルとの間に高い熱伝導率を有する熱伝導材を設けることが記載され、同じく図４には、固定子鉄心の外周部を包囲する熱伝導部に連接部を介して熱伝導材を連設することが記載されている。この構成により、極低温発生部によって冷却されたティース部を介して超電導コイルを冷却できる可能性はある。
【０００３】
また、国際公開第０３／００１１２７Ａ１号パンフレット（特許文献２）には、圧縮機、高圧切換弁及び低圧切換弁を有する圧力制御手段と、室温端部と低温端部とを有する膨張圧縮部と、室温端部と低温端部とを有する蓄冷部とを備えて、被冷却対象に熱伝達する蓄冷型冷凍機が記載されている。蓄冷型冷凍機は、膨張圧縮部の低温端部と蓄冷部の低温端部とを連結し、被冷却対象まで延長した作動ガスの流路を設けている。また、パルス管冷凍機は、センサ類や半導体装置用の冷却手段として重要な役割を果たすとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−１７８５１７号公報
【特許文献２】国際公開第０３／００１１２７Ａ１号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記の特許文献１に記載された超電導モータのように、従来は、超電導コイルを冷却する場合に、種々の方法で寒冷の伝達を行っているが、固体の熱伝導材を使用して超電導コイルを冷却する場合、熱伝導材の熱伝導率は有限であり、有限の長さを持つ熱伝導材に熱量を流した場合、流す熱量に比例した温度差が生じるため、冷却効率を向上させるのが難しい。このため、超電導コイルの冷却効率を向上させ、早期冷却を図り、安定した超電導状態を早期に発生させる面から改良の余地がある。また、超電導モータの始動の際には、消費電力を抑えながら、超電導コイルを早期に冷却することが望まれている。これに対して、ステータコアの超電導コイルと反対側の外周面等に熱伝導材を接触させ、熱伝導材からステータコアを介して超電導コイルを冷却することも考えられている。ただし、この場合には、ステータコアの熱容量が大きく、超電導モータの始動時の際に、超電導コイルを十分に冷却するまでの間に長時間を要する可能性がある。また、ステータコアを冷却する分、消費電力が高くなりやすい。このため、消費電力を抑えながら超電導コイルを始動時に早期に冷却し、超電導状態に到達するまでの時間を短くする手段の実現が望まれている。
【０００６】
特許文献２には、単に蓄冷型冷凍機が記載されているだけであり、冷凍機を超電導モータの超電導コイルの冷却に使用することは開示されていない。
【０００７】
本発明の目的は、超電導モータにおいて、超電導コイルを所望の極低温に効率よく冷却するとともに、始動時に早期に超電導コイルの超電導状態を作り出すことにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る第１の超電導モータは、回転可能に配置されたロータと、ロータの径方向に対向配置されたステータとを備え、ステータは、ステータコアと、超電導線材により構成される複数の超電導コイルとを含み、ステータコアは、環状のバックヨークと、バックヨークの径方向一端部に径方向に突出する複数のティースと、周方向に隣り合うティース間に設けられたスロットとを有し、複数の超電導コイルは、ティースに巻装されている超電導モータであって、内側に低温の冷媒を流す少なくとも１の細管を有する冷凍機をさらに備え、細管は、スロット内において、少なくとも一部がステータの周方向に隣り合う２の超電導コイル間に配置されており、少なくともいずれか１の超電導コイルに熱接触しており、さらに、複数の超電導コイルは、複数のティースに集中巻きで巻装されており、少なくとも１の前記細管は、前記スロット内において、前記ステータの周方向に隣り合う２の前記超電導コイル間に配置され、１の細管毎に設けられた蛇行部を含み、各蛇行部は、前記スロット内で、隣り合う２の前記超電導コイルの双方に、波形変形方向両側の頂部のそれぞれが接触するよう設けられていることを特徴とする超電導モータである。
【０００９】
【００１０】
【００１１】
【００１２】
【００１３】
本発明に係る第２の超電導モータは、回転可能に配置されたロータと、前記ロータの径方向に対向配置されたステータとを備え、前記ステータは、ステータコアと、超電導線材により構成される複数の超電導コイルとを含み、前記ステータコアは、環状のバックヨークと、前記バックヨークの径方向一端部に径方向に突出する複数のティースと、周方向に隣り合う前記ティース間に設けられたスロットとを有し、前記複数の超電導コイルは、前記ティースに巻装されている超電導モータであって、内側に低温の冷媒を流す少なくとも１の細管を有する冷凍機をさらに備え、前記細管は、前記スロット内において、少なくとも一部が前記ステータの周方向に隣り合う２の前記超電導コイル間に配置されており、少なくともいずれか１の前記超電導コイルに熱接触しており、前記複数の超電導コイルは、前記ステータコアの軸方向両端面から軸方向外側にそれぞれ突出する両側のコイルエンド部を含み、前記細管は、前記両側のコイルエンド部のうち、少なくとも片側の前記コイルエンド部の軸方向外端面部に対向するように配置され、前記コイルエンド部に接触するコイルエンド対向部を有することを特徴とする超電導モータである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明に係る超電導モータによれば、冷凍機に設けられ、内側に低温の冷媒を流す少なくとも１の細管が、スロット内において、少なくとも一部をステータの周方向に隣り合う２の超電導コイル間に配置しているので、細管をスロット内で超電導コイルに直接接触させることができ、超電導コイルを所望の極低温に効率よく冷却することができる。また、熱容量の大きいステータコアを介さずに細管により超電導コイルを冷却するので、消費電力を抑えながら超電導コイルを始動時に早期に冷却し、超電導状態に到達するまでの時間を短くできる。この結果、超電導コイルを所望の極低温に効率よく冷却するとともに、始動時に早期に超電導コイルの超電導状態を作り出すことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明に関する第１参考例の超電導モータを示す、軸方向に沿った断面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ断面の拡大図である。
【図３】第１参考例で使用する冷凍機の基本構成を、細管をすべて直線状にした状態で示す図である。
【図４】図３のＢ−Ｂ断面図である。
【図５】本発明から外れた比較例の超電導モータを示す、軸方向に沿った断面図である。
【図６】図５のＣ−Ｃ断面図である。
【図７】本発明に関する第２参考例の超電導モータを示す、図１のＤ−Ｄ断面の周方向一部を拡大したものに対応する図である。
【図８】第２参考例に使用するインシュレータの第１例の周方向一部を示す図である。
【図９】第２参考例に使用するインシュレータの第２例の周方向一部を示す図である。
【図１０】本発明の第１実施形態の超電導モータを示す、図１のＡ−Ａ断面の周方向一部を拡大したものに対応する図である。
【図１１】図１０のＥ−Ｅ断面図である。
【図１２】本発明の第２実施形態の超電導モータを示す、図１のＡ−Ａ断面の周方向一部を拡大したものに対応する図である。
【図１３】本発明に関する第３参考例の超電導モータを示す、軸方向に沿った断面図である。
【図１４】本発明に関する第４参考例の超電導モータを示す、軸方向に沿った断面図である。
【図１５】図１４のＦ−Ｆ断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
［第１参考例］
以下に、本発明に係る実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。この説明において、具体的な形状、材料、数値、方向等は、本発明の理解を容易にするための例示であって、用途、目的、仕様等にあわせて適宜変更することができる。
【００１７】
図１から図４は、本発明に関する第１参考例の超電導モータを示している。図１、図２に示すように、超電導モータ１０は、モータ本体１２と、モータ本体１２を冷却するための冷凍機１４とを備える。モータ本体１２は、モータケース１６と、モータケース１６に回転可能に支持された回転軸１８と、モータケース１６の内側で回転軸１８の外側に固定されることにより、回転可能に配置されたロータ２０とを含む。また、モータ本体１２は、モータケース１６の内周面に固定されることにより、ロータ２０の径方向外側に対向配置された略円筒状のステータ２２とを含む。また、冷凍機１４は、モータケース１６に固定されている。なお、以下の説明では、特に断らない限り、回転軸１８の中心軸Ｘに関し、これに沿う方向を軸方向といい、回転中心軸Ｘに対し直交する放射方向を径方向といい、回転中心軸Ｘを中心として描かれる円形に沿う方向を周方向という。
【００１８】
ロータ２０は、例えば電磁鋼板を積層してカシメや溶接等により一体に構成される円筒状のロータコア２４と、ロータコア２４の外周面の等間隔複数個所に設けられた永久磁石２６とを含む。すなわち、ロータコア２４の外周面には、複数（図２に示す例では６個）の永久磁石２６が露出した状態で周方向の等間隔に固定されている。永久磁石２６は、径方向に着磁されており、その着磁方向を周方向に交互に異ならせている。このため、ロータ２０の外周面には、Ｎ極とＳ極とが交互に配置されている。ただし、ロータ２０に設けられる永久磁石２６は、外周面に露出していなくてもよく、外周面近傍の内部に埋設されてもよい。このようなロータ２０は、丸棒鋼材等からなる回転軸１８の外周面に固定されている。
【００１９】
回転軸１８は、その両端部において、モータケース１６の両端部を構成する円盤状のエンドプレート２８，３０に固定された軸受３２により回転可能に支持されている。これにより、ステータ２２の内部に回転磁界が生成されると、その影響を受けてロータ２０が回転する。
【００２０】
ステータ２２は、略円筒状をなす固定子鉄心であるステータコア３４と、超電導コイルであるコイル３６とを含む。すなわち、ステータコア３４は、環状のバックヨーク３８と、バックヨーク３８の径方向一端部である、内周端部の周方向等間隔複数個所（図２に示す例では９個所）に径方向に突出するように設けられたティース４０とを有する。また、ステータコア３４は、バックヨーク３８の内周部の周方向に隣り合うティース４０間に設けられた、周方向複数個所（図示の例では９個所）等間隔位置のスロット４２を有する。ステータコア３４は、例えば複数の略円環状の電磁鋼板を軸方向に積層してカシメ、接着、溶接等によって一体に組み付けて構成できる。ただし、ステータコアは、それぞれ１つのティースを有する複数の分割コアを円環状に連ねて配置してその外側から筒状の締結部材により締め付けることによって造られてもよい。上記の分割コアは、圧粉磁心により造られてもよい。
【００２１】
ステータコア３４の複数のティース４０には、超電導線材により構成される複数のコイル３６が集中巻きで巻装されている。なお、複数のコイル３６は、ティース４０に分布巻きで巻装されることもできる。また、超電導線材は、断面形状が円形状でもよいし、あるいは、矩形状であってもよい。例えば、コイル３６は、断面矩形状の平角線である超電導線材を、フラットワイズ状に巻くことで構成することもできる。例えば、コイル３６は、ティース４０に超電導線材をソレノイド巻きまたはパンケーキ巻きに巻くことにより構成することもできる。また、超電導線材には、例えば、イットリウム系超電導材料やビスマス系超電導材料を好適に使用できる。ただし、超電導線材を構成する超電導材料は、これらに限定されるものではなく、他の公知の超電導材料、あるいは、将来開発される、より高温で超電導特性を発現する超電導材料であってもよい。
【００２２】
コイル３６を構成する超電導線材は、絶縁被覆されていてもよい。これにより、コイル３６として密着して巻回されたときに各ターン間での電気絶縁が確保される。ただし、超電導線材が絶縁被覆されていない場合、コイル３６を形成するときに絶縁紙や絶縁フィルム等を挟みながらコイル状に巻くことで各ターン間の電気絶縁が確保されてもよい。
【００２３】
コイル３６は、ステータコアの複数個所に設けられるスロット４２（図２）内に位置するスロット配置部４４と、ステータコア３４の軸方向両端面から軸方向外側へそれぞれ突出する両側のコイルエンド部４６とを含む。各コイル３６は、２つ置きごとのコイル３６と直列接続されてＵ，Ｖ，Ｗの各相コイルを構成する。各相コイルの一端は、図示しない中性点において互いに接続され、各相コイルの他端は図示しない各相電流導入端子にそれぞれ接続されている。
【００２４】
また、モータケース１６は、ロータ２０及びステータ２２を収容するもので、円筒状の外周筒部４８と、外周筒部４８の軸方向両端部にその外周縁部が気密に結合された一対のエンドプレート２８，３０とを含む。外周筒部４８及び各エンドプレート２８，３０は、例えばステンレス等の非磁性材料から構成される。なお、外周筒部４８を片側のエンドプレート２８（または３０）と一体の部材により造ることもできる。
【００２５】
外周筒部４８内には、それぞれ円筒状をなす内筒部材５０及び中間筒部材５２がロータ２０と同心に設けられている。内筒部材５０及び中間筒部材５２の軸方向両端部は、エンドプレート２８，３０の内面に気密状態を保持可能に連結されている。内筒部材５０は、磁界の通過を妨げず且つ非導電性である非金属材料（例えばＦＲＰ等）により造られるのが好ましい。より好ましくは、内筒部材５０は、低熱伝導率材料により造る。なお、内筒部材５０は、基本的機能として、磁束を通す機能と、内筒部材５０を含む空間密封部分での真空を保持できる機能とを有するものであればよく、非導電性材料を使用するものに限定されない。例えば、内筒部材５０を構成する材料として、非磁性の低電気伝導率を有する材料（例えばステンレス）等も使用可能である。一方、中間筒部材５２は、低熱伝導率材料（例えばＦＲＰ等）で造られるのが好ましく、低熱伝導率の非磁性材料で造られるのがより好ましい。
【００２６】
内筒部材５０は、ロータ２０の最外接円の直径よりも若干大きい内径を有し、ロータ２０の外周面との間に隙間が形成されている。また、内筒部材５０と中間筒部材５２との間には、筒状空間である第１真空室５４が設けられている。第１真空室５４内には、コイル３６を含むステータ２２が収容されている。ステータ２２を構成するステータコア３４の外周面は、中間筒部材５２の内周面に固定されている。
【００２７】
第１真空室５４は、後で詳しく説明する冷凍機１４を含めて超電導モータ１０が組み立てられた後に、エンドプレート２８，３０もしくは外周筒部４８等の第１真空室５４及び第２真空室５６の一方または両方と外側空間とに接する部材の少なくとも何れかに形成された図示しない空気抜き穴から真空引きされて、真空状態に維持される。このように、コイル３６及びステータ２２と接触しない内筒部材５０及び熱伝導率が低い中間筒部材５２で区画形成し、かつ、内部を真空とすることで、第１真空室５４内に収容されたコイル３６を含むステータ２２への断熱性を高めることができる。
【００２８】
さらに、中間筒部材５２とモータケース１６との間には、筒状空間からなる第２真空室５６が形成されている。第２真空室５６もまた、第１真空室５４と同様に真空状態になっている。中間筒部材５２には、第１真空室５４と第２真空室５６とを連通する穴を設けることが好ましい。これにより、第１真空室５４内に収容されたコイル３６を含むステータ２２が第２真空室５６によってもモータ外部と隔てられることで、コイル３６を含むステータ２２に対する断熱効果をより一層高めることができる。
【００２９】
また、超電導モータ１０を構成するモータ本体１２に、冷凍機１４が固定されている。次に、図３、図４を用いて、冷凍機１４の基本構成を説明する。図３は、本参考例で使用する冷凍機１４の基本構成を、細管６６をすべて直線状にした状態で示す図であり、図４は、図３のＢ−Ｂ断面図である。冷凍機１４は、複数の冷媒ガス流通用の細管６６を有する、フリーピストン式のスターリングクーラ型（ＦＰＳＣ型）としている。すなわち、冷凍機１４は、一端側に設けられた冷凍機駆動源である圧力振動源５８と、圧力振動源５８に一端部が固定されるコールドヘッドと呼ばれる蓄冷器６８と、他端側に設けられた位相制御器６２と、位相制御器６２に一端部が固定される第２ピストン収容部７０と、蓄冷器６８と第２ピストン収容部７０との間に接続された複数の冷却部であり、伝熱性の良好な材料からなる複数の細管６６とを含む。蓄冷器６８は、内部に図示しない蓄冷材が設けられている。また、蓄冷器６８及び第２ピストン収容部７０は、外部を断熱材により覆われた断熱構造である。
【００３０】
冷凍機１４は、圧力振動源５８に設けられたシリンダ７２内で直線的に往復移動する駆動ピストンである第１ピストン７４を有し、このシリンダ７２内の空間が蓄冷器６８の内側を介して複数の細管６６内に通じている。また、冷凍機１４は、第２ピストン収容部７０に設けたシリンダ７６内でも直線的に往復移動する膨張ピストンまたは従動ピストンと呼ばれる第２ピストン７８を有し、このシリンダ７６内の空間が低温側熱交換部である複数の細管６６内に通じている。複数の細管６６を含む、第１ピストン７４と第２ピストン７８との間の内部空間に冷媒である冷媒ガス（例えば、Ｈｅガス）が封入されている。すなわち、各細管６６は、内側に低温の冷媒ガスが流れるように構成されている。
【００３１】
また、圧力振動源５８及び第２ピストン収容部７０は、各ピストン７４，７８の移動方向が同一直線上となるように対向配置されている。第１ピストン７４は、例えば圧力振動源５８を構成する図示しないリニアモータ等の可動子と接続されており、リニアモータにより、第１ピストン７４をシリンダ７２内で往復駆動させる。第１ピストン７４の往復駆動に伴って、圧力振動源５８のシリンダ７２内で冷媒ガスが圧力変動し、この圧力変動により、位相制御器６２の内部に図示しないコイルスプリングもしくは板ばね等で構成されたバネによって懸架された第２ピストン７８も従属的に往復移動する。この図示しないバネと第２ピストン７８の重量と、第１ピストン７４の往復移動による圧力変動によって、冷媒ガスの圧力変動と位置変動の位相差を調整することができる。また、位相制御器６２の内部に、第２ピストン７８の往復移動により生じる圧力変動を緩和する空間部を設けることにより、第２ピストン７８を配置するシリンダ７６内と連通して、冷媒ガスの圧力変動と位置変動の位相差を調整することができる。
【００３２】
第１ピストン７４の往復移動に伴って、第２ピストン収容部７０の細管６６端部近傍で冷媒ガスが断熱膨張して冷却されるので、各細管６６内部を流れる冷媒ガスも冷却される。このように、第１ピストン７４と第２ピストン７８との間で冷媒ガスの圧縮及び膨張が繰り返されることで、冷媒ガスが流れる各細管６６が冷却される。
【００３３】
冷凍機１４は、超電導線材からなるコイル３６が超電導特性を発現する所望の極低温（例えば、約７０Ｋ）まで冷却可能な冷却性能を有し、第１ピストン７４のストロークを制御することによって冷却温度を調節できる。このために、図示しない制御部により、第１ピストン７４のストロークが制御される。制御部は、超電導モータ１０（図１）の負荷に応じて冷凍機１４の冷却温度を制御するように構成することもできる。例えば、超電導モータ１０の負荷の上昇に伴って冷却温度を低下させることもできる。超電導モータ１０が電気自動車等の電動車両に走行用動力源として搭載される場合、設置スペースの制約や車両重量の軽量化のため冷凍機１４は小型で軽量のものであることが好ましい。上記のように冷凍機１４に、ＦＰＳＣ型を使用する場合、小型化及び軽量化を図れる。
【００３４】
本参考例では、このような基本構成を有する冷凍機１４を、モータ本体１２（図１）に固定している。すなわち、図１に示すように、超電導モータ１０において、軸方向一端側に位置するエンドプレート２８には、冷凍機１４を構成する圧力振動源５８側の筒状の第１ブラケット６０が固定され、軸方向他端側に位置するエンドプレート３０には、冷凍機１４を構成する位相制御器６２側の筒状の第２ブラケット６４が固定されている。そして、圧力振動源５８及び第２ピストン収容部７０は、回転軸１８の回転軸Ｘと平行な同一直線上に配置され、モータ本体１２に関して軸方向両側に配置される。また、蓄冷器６８の一端部及び第２ピストン収容部７０の一端部は、それぞれ第１ブラケット６０または第２ブラケット６４の内側を介して第１真空室５４内に突出している。
【００３５】
また、図２に示すように、低温側熱交換部である複数の細管６６の長さ方向中間部は、ステータコア３４を構成する各スロット４２内にそれぞれ２ずつ設けるように配置されている。すなわち、各細管６６は、それぞれ１のスロット４２内に配置する部分に少なくとも一部が設けられ、回転軸１８の回転軸Ｘと平行方向に延設される直線状の直線部８０を含む。図示の例では、１のスロット４２内に２の細管６６の直線部８０が配置されている。各直線部８０は、対応するスロット４２内において、少なくとも一部がステータ２２の周方向に関して、この周方向に隣り合う２のコイル３６間に配置されている。図示の例では、各直線部８０のスロット４２内に配置されるすべての部分が、ステータ２２の周方向に隣り合う２のコイル３６間に配置されている。
【００３６】
また、各スロット４２内に配置される２の直線部８０は、周方向に関して互いに離れて配置され、周方向片側の直線部８０はスロット４２内の周方向片側のコイル３６の外周部に接触し、周方向他側の直線部８０はスロット４２内の周方向他側のコイル３６の外周部に接触している。各直線部８０は、ステータコア３４のバックヨーク３８には接触していない。すなわち、各細管６６は、対応するスロット４２内において、それぞれ１のコイル３６のみに接触している。このため、各細管６６からは、寒冷がコイル３６に、細管６６との接触部を通じて伝達される。このように複数の細管６６のそれぞれは、中間部が対応するスロット４２内に配置されるようにするので、複数の細管６６の一部または全部は、中間部が略クランク形等に曲げ形成されている。
【００３７】
このような構成では、ステータコア３４に設けられたスロット４２の数の２倍の数の細管６６が設けられている。すなわち、ステータコア３４に設けられたスロット４２の数と少なくとも同数の細管６６により低温側熱交換部が構成されている。また、複数の細管６６は、各スロット４２内において、回転軸１８と平行に配置されて、それぞれコイル３６に接触し、コイル３６を冷却するように構成されている。
【００３８】
このような構成では、第２ピストン収容部７０のモータケース１６の外側に配置される端部により、高温側熱交換部が構成される。このような冷凍機１４は、圧力振動源５８と、高温側熱交換部と、蓄冷器６８と、低温側熱交換部と、第２ピストン７８（図３）とを備える。
【００３９】
このような超電導モータ１０によれば、冷凍機１４を構成し、内側に低温の冷媒ガスが流れる各細管６６が、スロット４２内において、少なくとも一部をステータ２２の周方向に隣り合う２のコイル３６間に配置され、２のコイル３６の少なくともいずれか１に接触し、熱接触している。このため、細管６６をスロット４２内でコイル３６に直接接触させることができ、コイル３６を所望の極低温に効率よく冷却することができる。また、熱容量の大きいステータコア３４を介さずに細管６６によりコイル３６を冷却するので、消費電力を抑えながらコイル３６を始動時に早期に冷却し、超電導状態に到達するまでの時間を短くできる。この結果、コイル３６を所望の極低温に効率よく冷却するとともに、始動時に早期にコイル３６の超電導状態を作り出すことができる。
【００４０】
また、各細管６６は、スロット４２内において、ステータ２２の軸方向と平行方向に延設する延設部である直線部８０を有し、直線部８０がスロット４２内でコイル３６にのみ接触している。このように、直線部８０はバックヨーク３８等でステータコア３４に接触することがないので、より効率よく細管６６からコイル３６に寒冷を伝達して、始動時により早期にコイル３６を冷却できる。また、一般的に、超電導コイルでは、通常の常温で使用する電動モータのコイルを構成する銅線に比べて極端に熱伝導性が悪いため、均一に冷却することが難しい。これに対して、上記の構成を有する本参考例によれば、例えばコイル３６において、コイルエンド部４６だけを冷却する構成の場合と異なり、コイル３６のスロット配置部４４を効率よく冷却できて、超電導コイルであるコイル３６の全体をより均一に冷却しやすくなる。すなわち、コイル３６全体の温度分布の偏りを少なくしつつコイル３６を冷却できる。
【００４１】
なお、上記では、各細管６６が、１のスロット４２内に設けられる軸方向に伸びる直線部８０を１本のみ有する場合を説明した。ただし、本参考例ではこのような構成に限定するものではなく、各細管が、それぞれスロット４２内に配置される２本以上の直線部を有する構成も採用できる。また、各細管は、スロット４２内において、周方向に隣り合う２のコイル３６の間にはめ込むような略Ｕ字形部分を有し、略Ｕ字形部分は、両側にそれぞれ対向するコイル３６に接触する、軸方向に伸びる直線部を有する構造とすることもできる。また、上記では、１のスロット４２内に２の細管６６の直線部８０を配置しているが、それぞれ１のスロット４２内に１の細管６６の直線部８０のみを配置し、１の直線部８０をスロット４２内で周方向に隣り合う２のコイル３６のうち、いずれか１のコイル３６のみ（例えば周方向片側のコイル３６のみ）に接触させることもできる。この場合でも、各コイル３６に１の細管６６が接触するので、各コイル３６を効率よく冷却できる。
【００４２】
図５は、本発明から外れた比較例の超電導モータを示す、軸方向に沿った断面図である。図６は、図５のＣ−Ｃ断面図である。図５、図６に示す比較例の超電導モータ１０は、上記の本実施の形態の構造において、冷凍機１４（図１等）の代わりに、一対の冷凍機８２をモータ本体１２の両側に設けたような構造を有する。すなわち、各冷凍機８２は、上記の冷凍機１４と異なり、冷媒を流すための細管が設けられていないＦＰＳＣ型であり、圧力振動源であるガス圧縮機８４と、ガス圧縮機８４に接続された冷却部である蓄冷器８６とをそれぞれ有する。また、蓄冷器８６は、エンドプレート２８に固定された筒状のブラケット８８の内側を通じて先端部が円板状の伝熱部材９０に接触している。各伝熱部材９０の片面はコイルエンド部４６の軸方向外端部に接触している。
【００４３】
冷凍機８２は、ガス圧縮機８４の内部に設けられた図示しないシリンダ内でピストン（図示せず）が往復移動して冷媒ガスの圧縮及び膨張を繰り返し行うことで、蓄冷器８６及び伝熱部材９０を介して各コイル３６を冷却する。このような構成でも、コイル３６を冷却することが可能であるが、コイル３６の全体を均一に冷却しやすくする面からは改良の余地がある。また、伝熱部材９０は、内部に冷媒を流す細管を用いる構成と異なり、固体のみで冷却対象に伝熱するものであり、複数のコイル３６を均一に冷却する面からは改良の余地がある。上記の本実施の形態によれば、このような改良すべき点をいずれも改良できる。
【００４４】
なお、上記では、冷凍機１４として、第２ピストン７８が第１ピストン７４の変位にしたがって、従属的に変位するパッシブ型の冷凍機１４を説明した。ただし、冷凍機として、第１ピストン７４が往復変位する場合に、その往復変位の１サイクルの位相の９０〜１２０度程度ずらせた位相で第２ピストン７８が変位するように、第２ピストン７８側を強制的に変位させるリニアモータ等の第２駆動源を位相制御器６２側に設けることもできる。この場合には、アクティブ型の冷凍機が構成され、さらなる省エネルギ化を図れる。
【００４５】
また、冷凍機１４として、ＦＰＳＣ型以外の冷凍機を使用することもできる。例えば、冷凍機の設置スペース及び重量の制約が緩い場合、例えば、超電導モータ１０が電車や船舶等の大型の移動体の動力源として、あるいは、設置位置が固定された機械の動力源として用いられる場合には、上記のように複数の細管を有し、極低温（例えば、約７０Ｋ）まで冷却可能な冷却性能を有する冷凍機であれば、体格が大きくて重い冷凍機を用いることもできる。
【００４６】
また、冷凍機として、それぞれ細管を有する、スターリング型パルス管冷凍機や、ＧＭ冷凍機等を使用することもできる。例えばパルス管冷凍機では、上記の第２ピストン収容部７０の代わりに細管６６と位相制御器６２との間に接続されたパルス管を使用する。パルス管の内部にはピストンは設けない。このパルス管冷凍機において、圧力振動源５８として、バルブ開閉の切換により圧力を振動させる構造を用いることもできる。また、ＧＭ冷凍機として、上記のＦＰＳＣ型の冷凍機で、圧力振動源５８として、回転型の圧縮機や、バルブ開閉の切換により圧力を振動させる構造を用いることもできる。また、この構造では、位相制御器６２を省略して、細管６６の圧力振動源５８とは反対側の端部に接続された膨張圧縮部において膨張ピストンとしてディスプレーサを往復移動可能に設ける。ディスプレーサは、例えば冷凍機の作動中に、ステッピングモータ等のモータにより往復移動されるようにする。このように本発明では、冷凍機として内部に冷媒が流れる細管を有するものであれば、種々の種類の冷凍機を使用することができる。
【００４７】
［第２参考例］
図７は、本発明に関する第２参考例の超電導モータを示す、図１のＤ−Ｄ断面の周方向一部を拡大したものに対応する図である。
【００４８】
本参考例の超電導モータ１０の場合、上記の第１参考例において、複数の細管６６の数を多くして、各スロット４２内で２のコイル３６間に配置される細管６６の直線部８０を３本以上（図示の例では８本）としている。そして各細管６６を構成する直線部８０を２のコイル３６間に押し込むように配置している。この状態で、スロット４２内に配置される複数の直線部８０のうち、一部の直線部８０はコイル３６に直接接触しており、残りの直線部８０はコイル３６に別の直線部８０を介して接触することで熱接触している。なお、本明細書全体で「熱接触」とは、互いに伝熱する部材を直接に接触させる他、熱伝導性のある部材を介して接触させる場合も含む。また、各細管６６の直線部８０は、バックヨーク３８には接触していない。
【００４９】
また、ティース４０の周囲に電気絶縁性を有するインシュレータ１１８が設けられている。インシュレータ１１８は、上記の第１参考例でも設けられているが、本参考例では、インシュレータ１１８を、ティース４０とコイル３６との間での熱伝達を低下させる形状及び材料の一方または両方により構成されている。例えば、図８、図９に、熱伝達を低下させる形状の２例を示している。図８は、第２参考例に使用するインシュレータの第１例の周方向一部を示す図である。図８に示す第１例の場合、インシュレータ１１８は、櫛歯の形状をインシュレータ１１８の全周にわたって設けている。インシュレータ１１８は、例えば樹脂製とする。このインシュレータ１１８を介してティース４０（図７）にコイル３６（図７）を接触させることで、ティース４０とコイル３６との間の電気絶縁性を確保しつつ、ティース４０及びコイル３６とインシュレータ１１８との間の接触面積を小さくして、ティース４０からコイル３６へ伝達される熱量を、全周にわたって単なる平板状の薄膜を環状に連結してなる従来のインシュレータを使用する場合よりも低下させることができる。
【００５０】
また、図９は、第２参考例に使用するインシュレータの第２例の周方向一部を示す図である。図９に示す第２例の場合、インシュレータ１１８は、薄膜を環状に連結してなる環状部１２０の周方向複数個所に設けられ、厚さ方向に貫通する複数の孔部１２２を有する。図９のインシュレータ１１８も、例えば樹脂製とする。このインシュレータ１１８を介してティース４０にコイル３６を接触させることで、ティース４０とコイル３６との間の電気絶縁性を確保しつつ、ティース４０及びコイル３６とインシュレータ１１８との間の接触面積を小さくして、ティース４０からコイル３６へ伝達される熱量を、全周にわたって単なる平板状の薄膜を環状に連結してなる従来のインシュレータを使用する場合よりも低下させることができる。
【００５１】
また、インシュレータ１１８は、従来のインシュレータと同様に、平板状の薄膜を環状に連結してなる環状構造とすることもできるが、熱伝達を低下させる材料として、例えばガラス繊維強化樹脂（ＧＦＲＰ）により構成することもできる。このように、コイル３６とティース４０との間に設けるインシュレータ１１８を、熱伝達を低下させる形状または材料により構成されるようにすることで、ティース４０からインシュレータ１１８を介してコイル３６に伝達される熱量を少なくして、より効率よく細管６６からコイル３６に寒冷を伝達して、コイル３６をより早期に冷却することができる。また、スロット４２内において、２のコイル３６間に配置される細管６６の数を上記の第１参考例よりも多くするので、コイル３６に対する冷却性をさらに向上できる。その他の構成及び作用は、上記の第１参考例と同様である。なお、インシュレータ１１８の形状は、上記の図８、図９に示した構成に限定するものではなく、全周にわたって単なる平板状の薄膜を環状に連結してなる従来のインシュレータと同様の形状で、その厚さを従来のインシュレータよりも大きくすることもできる。この構成によれば、コイル３６とティース４０との間で伝達される熱量を低下させることができる。なお、上記のように、ティース４０とコイル３６との間に、熱伝達を低下させる形状または材料により構成されるインシュレータ１１８を配置する構成は、上記の第１参考例、及び、後述の各実施形態及び各参考例のいずれか１に組み合わせることもできる。
【００５２】
［第１実施形態］
図１０は、本発明の第１実施形態の超電導モータを示す、図１のＡ−Ａ断面の周方向一部を拡大したものに対応する図である。図１１は、図１０のＥ−Ｅ断面図である。本実施の形態の場合、各細管１２４は、各スロット４２内において軸方向にスロット４２の全長にわたって延びる直線部を有する構成を使用しない。その代わりに、本実施の形態では、複数の細管１２４として、スロット４２内に配置される中間部に、ステータ２２の軸方向（図１０の表裏方向）に延設する延設部である、蛇行形状の蛇行部１２６を有する細管１２４を使用している。図１１に示すように、各蛇行部１２６は、内側に冷媒ガスが流れるもので、ステータ２２の周方向（図１１の上下方向）に伸びる複数の周方向部９６と、隣り合う周方向部９６の端部同士を連結する連結部９８とを有し、全体としてステータ２２の軸方向（図１１の左右方向）に伸びている。連結部９８は、略Ｕ字形に形成されることもできる。また、図１０に示すように各連結部９８の一部（例えば各連結部９８の長さ方向中間部のみ）または全部に、対向するコイル３６の側面に沿った方向に曲げられた曲げ部が形成されている。例えば、周方向部９６を流れた冷媒ガスは連結部９８の曲げ部でコイル３６の側面に沿って流れてから、隣り合う周方向部９６に流れるようにすることもできる。このため、蛇行部１２６とコイル３６との接触面積を大きくでき、熱接触性を向上できる。また、各蛇行部１２６において、スロット４２の軸方向両端部に位置する周方向部９６の端部に、ステータ２２の軸方向に伸びる直線部１００が連結されている。２の直線部１００のうち、片側の直線部１００の一端は蓄冷器６８（図１）に接続され、他側の直線部１００の一端は第２ピストン収容部７０（図１）に接続されている。
【００５３】
図１０に示すように、各スロット４２内に配置される蛇行部１２６は、周方向に隣り合う２のコイル３６の間に挟まれるように配置され、２のコイル３６の双方の外周縁部のみに接触しており、熱接触している。蛇行部１２６は、スロット４２の底部等でステータコア３４に接触してはいない。このように、それぞれの１の細管１２４は、１のスロット４２内において、ステータ２２の周方向に隣り合う２のコイル３６間に配置され、隣り合う２のコイル３６の双方に熱接触するように、１の細管１２４に設けられた蛇行部１２６を含む。
【００５４】
このような構成によれば、細管１２４はスロット４２内に配置される蛇行部１２６を有するので、スロット４２内に１の細管１２４の一部を設けるだけで、周方向に隣り合う２のコイル３６の双方に細管１２４を接触させることができ、より効率的にコイル３６を冷却することができる。その他の構成及び作用は、上記の図１から図４に示した第１参考例と同様である。
【００５５】
［第２実施形態］
図１２は、本発明の第２実施形態の超電導モータを示す、図１のＡ−Ａ断面の周方向一部を拡大したものに対応する図である。本実施形態では、上記の図１から図４に示した第１参考例において、各スロット４２内に配置される直線部８０を有する各細管６６は、スロット４２内から外側に突出した部分に、コイルエンド部４６の軸方向外端面部に対向するように配置されるコイルエンド対向部１０２を有する。コイルエンド対向部１０２は、図示の例では、細管６６のうち、直線部８０の軸方向両端に連結されて、コイルエンド部４６の軸方向外端面部に沿いながら、ステータ２２の周方向に伸びる周方向部１０４と、周方向部１０４において、ティース４０の周方向中央寄り端部に連結されて、ステータ２２の径方向外側に伸びる径方向部１０６とを有する。そして周方向部１０４と径方向部１０６との少なくとも一部をコイルエンド部４６の軸方向外側面部に接触させ、熱接触させている。すなわち、細管６６は、一対のコイルエンド部４６の軸方向外端面部に接触するように配置されている。この構成によれば、コイル３６に対する冷却性をより向上できるとともに、コイル３６全体をより均一に冷却しやすくなる。すなわち、コイル３６全体の温度分布の偏りを少なくしつつコイル３６を冷却できる。
【００５６】
なお、一対のコイルエンド部４６の片側のコイルエンド部４６の軸方向外端部のみに細管を接触させる構成とすることもできる。その他の構成及び作用は、上記の図１から図４に示した第１参考例と同様である。なお、細管６６をコイルエンド部４６の軸方向外側面部に接触させる部分の構造は、図示の形状を有する構造に限定するものではなく、種々の構造を採用できる。また、上記のように細管が、コイルエンド部４６の軸方向外端面部に対向するように配置されるコイルエンド対向部を有する構成は、上記の図７から図１１に示した第２参考例及び第１実施形態、及び、後述する各実施形態及び各参考例のいずれか１にも適用できる。
【００５７】
［第３参考例］
図１３は、本発明に関する第３参考例の超電導モータを示す、軸方向に沿った断面図である。本参考例の超電導モータ１０の場合、上記の図１から図４に示した第１参考例において、ステータコア３４を構成するスロット４２及びティース４０の数をそれぞれ１２個等、偶数個としている。また、圧力振動源５８及び第２ピストン収容部７０は、一対のエンドプレート２８，３０のうち、片側のエンドプレート２８側のみに、直径方向反対側等、互いに周方向の異なる位置に設けている。すなわち、片側のエンドプレート２８の周方向一部には、圧力振動源５８側の第１ブラケット６０が固定され、片側のエンドプレート２８において、圧力振動源５８とは回転軸１８の直径方向に関して反対側に、位相制御器６２側の第２ブラケット６４が固定されている。すなわち、圧力振動源５８及び第２ピストン収容部７０は、モータ本体１２の軸方向片側のみに設けられている。
【００５８】
また、各細管６６は、蓄冷器６８に一端が接続された片側部分１０８と、第２ピストン収容部７０に一端が接続された他側部分１１０と、片側部分１０８と他側部分１１０とをそれぞれの内側を通じさせるように連結する連結部１１２を含む構成としている。片側部分１０８は、周方向一部のスロット内を軸方向に通過する第１直線部１１４を含む。他側部分１１０は、上記周方向一部のスロットとは、ステータ２２の略直径方向反対側のスロット４２内を軸方向に通過する第２直線部１１６を含む。各直線部１１４，１１６は、対応するスロット４２内で、周方向に隣り合う２のコイル３６間に配置され、少なくとも１のコイル３６に接触している。
【００５９】
このように、圧力振動源５８及び第２ピストン収容部７０は、モータ本体１２に関して軸方向片側に配置される構成でも、本発明を実施できる。その他の構成及び作用は、上記の図１から図４に示した第１参考例と同様である。なお、上記のように、圧力振動源５８及び第２ピストン収容部７０は、モータ本体１２に関して軸方向片側に配置される構成は、上記の図７から図１２に示した参考例及び実施形態のいずれか１にも適用できる。
【００６０】
［第４参考例］
図１４は、本発明に関する第４参考例の超電導モータを示す、軸方向に沿った断面図である。図１５は、図１４のＦ−Ｆ断面図である。本参考例の超電導モータ１０の場合、上記の図１から図４に示した第１参考例において、圧力振動源５８及び第２ピストン収容部７０は、一対のエンドプレート２８，３０の外側において、直径方向反対側位置等、互いに周方向の異なる位置に設けている。すなわち、片側のエンドプレート２８の周方向一部には、圧力振動源５８側の第１ブラケット６０が固定され、他側のエンドプレート３０において、圧力振動源５８とは回転軸１８の直径方向に関して反対側の位置に、位相制御器６２側の第２ブラケット６４が固定されている。このように、圧力振動源５８及び第２ピストン収容部７０は、モータ本体１２の軸方向両側に設けられている。
【００６１】
また、各細管６６は、上記の第１参考例と同様に、各スロット４２内で周方向に隣り合う２のコイル３６間に配置され、周方向の片側または他側のコイル３６に接触する直線部８０を有するようにしている。また、各細管６６の一部は、少なくとも１のコイルエンド部４６の軸方向外端面部に対向させ、接触させるようにすることもできる。このような構成の場合、上記の第１参考例と異なり、複数の細管６６の長さを互いにほぼ同一または、同一に近づけることができる。すなわち、複数の細管６６の長さの差をなくすか、または小さくできる。このため、複数の細管６６により複数のコイル３６をほぼ均一またはより均一に近づけるように冷却できる。さらに、本参考例によれば複数の細管６６の長さを互いにほぼ同一または同一に近づけることができるので冷凍性能を向上できる。すなわち、冷凍機１４の性能は、低温部熱交換器及びピストン配置空間での圧力変動と作動ガスである冷媒ガスの位置の変動が適切な位相角で保たれている必要がある。細管１本の間での位相角の変化量、すなわち細管内で変化する位相角の変化量が最適化されていたと仮定すると、他の長さでは最適値からずれることになる。このため、すべての細管の長さを略同一にすることで、すべての細管において最適値に近い位相角を得ることができ、冷凍性能を向上できる。本参考例では、複数の細管６６の長さを互いにほぼ同一または同一に近づけることができるので冷凍性能を向上できる。その他の構成及び作用は、上記の図１から図４に示した第１参考例と同様である。なお、上記のように、圧力振動源５８及び第２ピストン収容部７０は、モータ本体１２に関して軸方向両側に配置され、かつ、回転軸１８の直径方向に関して反対側に配置される構成は、上記の図７から図１２に示した参考例及び実施形態のいずれか１にも適用できる。
【００６２】
なお、上記の各実施形態では、ステータがロータの径方向外側に対向配置されたインナーロータの構造に本発明を適用した場合を説明した。ただし、本発明は、これに限定するものではなく、ステータがロータの径方向内側に対向配置されたアウターロータの構造に本発明を適用することもできる。この場合、超電導コイルは、ステータコアの径方向一端部である外周端部に巻装される。
【符号の説明】
【００６３】
１０  超電導モータ、１２  モータ本体、１４  冷凍機、１６  モータケース、１８  回転軸、２０  ロータ、２２  ステータ、２４  ロータコア、２６  永久磁石、２８，３０  エンドプレート、３２  軸受、３４  ステータコア、３６  コイル、３８  バックヨーク、４０  ティース、４２  スロット、４４  スロット配置部、４６  コイルエンド部、４８  外周筒部、５０  内筒部材、５２  中間筒部材、５４  第１真空室、５６  第２真空室、５８  圧力振動源、６０  第１ブラケット、６２  位相制御器、６４  第２ブラケット、６６  細管、６８  蓄冷器、７０  第２ピストン収容部、７２  シリンダ、７４  第１ピストン、７６  シリンダ、７８  第２ピストン、８０  直線部、８２  冷凍機、８４  ガス圧縮機、８６  蓄冷器、８８  ブラケット、９０  伝熱部材、９６  周方向部、９８  連結部、１００  直線部、１０２  コイルエンド対向部、１０４  周方向部、１０６  径方向部、１０８  片側部分、１１０  他側部分、１１２  連結部、１１４  第１直線部、１１６  第２直線部、１１８  インシュレータ、１２０  環状部、１２２  孔部、１２４  細管、１２６  蛇行部。
【図１】
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【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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