(57)【要約】【課題】  小型・軽量で簡単に製造することができて、メンテナンスの容易な超電導モータの冷却構造を提供する。【解決手段】  本発明は、軸を中心に回転する回転子と、回転子を回転させるための磁場を発生させる超電導コイルを配置した固定子とを有する超電導モータの冷却構造である。この超電導モータの冷却構造は、超電導コイル3を伝導冷却により冷却する伝導冷却機構2を備えており、固定子に配置される超電導コイル3は、界磁コイルまたは電機子コイルの少なくとも一方である。ここで、伝導冷却機構3は、冷凍機20およびこの冷凍機20と超電導コイル3に接続される伝導冷却端子21を有する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸を中心に回転する回転子と、回転子を回転させるための磁場を発生させる超電導コイルを配置した固定子とを有する超電導モータの冷却構造であって、
超電導コイルを伝導冷却により冷却する伝導冷却機構を備え、
超電導コイルは、界磁コイルまたは電機子コイルの少なくとも一方であることを特徴とする超電導モータの冷却構造。
【請求項２】
伝導冷却機構は、コールドヘッドを有する冷凍機と、コールドヘッドに接続されて超電導コイルを伝導冷却する伝導冷却端子とを備えることを特徴とする請求項１に記載の超電導モータの冷却構造。
【請求項３】
少なくとも超電導コイルと伝導冷却端子とコールドヘッドが真空中に保持されていることを特徴とする請求項２に記載の超電導モータの冷却構造。
【請求項４】
伝導冷却端子の一部が超電導コイルの導線間に挿入されてなることを特徴とする請求項２または３に記載の超電導モータの冷却構造。
【請求項５】
伝導冷却端子の少なくとも一部は、編組線であることを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載の超電導モータの冷却構造。
【請求項６】
固定子に界磁コイルおよび電機子コイルを配置して、回転子に誘導子を配置したことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の超電導モータの冷却構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超電導モータの冷却構造に関する。特に、本発明は、冷却構造に伝導冷却を適用した超電導モータの冷却構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
最近、モータの構成部材である界磁コイルや電機子コイルに超電導コイルを用いることが提案されている。モータに超電導コイルを適用すると、電気抵抗によるエネルギー損などの常電導材料の有する欠点を補うことができる。また、超電導コイルを構成する導線は、単位断面積あたりの送電量が常電導材料でできた導線に比較して格段に大きいため、モータの高出力化を実現することができる。
【０００３】
上述のように超電導コイルを適用した従来の超電導モータとして、例えば、特許文献1に記載のものが挙げられる。従来の超電導モータは、固定子（ステータ）に配置するコイルに超電導材料を使用しており、この固定子内に極低温の冷媒（例えば、液体窒素や液体水素など）を流通させて超電導コイルを冷却する冷却構造を有している。また、最近では、回転子（ロータ）にも超電導コイルを配置し、回転子内に冷媒を流通させ、超電導コイルを冷却する冷却構造が提案されている。冷媒を流通させる冷却構造では、この冷媒を保持する冷媒保持区画と、この冷媒保持区画の外周を覆って真空を保持し、冷媒の温度上昇を抑制する真空保持区画の二重の区画がなければならない。
【０００４】
ここで、冷媒保持区画の密閉が破られた場合、冷媒保持区画から冷媒が漏れて、比較的短時間で超電導状態を維持できなくなる可能性がある。一方、真空保持区画の密閉が破られた場合、両区画間の断熱性能が急激に低下して、冷媒保持区画の密閉が破られた場合と同様に超電導状態を維持できなくなる可能性がある。従って、これら冷媒保持区画と真空保持区画は、高い気密性を有するような密閉構造で構成される。
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−５７９３５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、上記のような超電導モータの冷却構造では、超電導コイルに電力を供給する電力線などの超電導モータと外部との接続線の引き出し口を冷媒保持区画と真空保持区画の両方に設けなければならないため、超電導モータの冷却構造が複雑になり、製造に手間がかかる。しかも、このような冷却構造は、超電導モータ内に冷媒保持区画を設けることに加えて、超電導モータの外部に冷媒を貯留するためのタンクや冷媒を流通させるためのポンプを設けなければならず、これら冷却構造を含めた超電導モータの小型・軽量化が難しい。そして、冷凍機やタンク、ポンプの分だけメンテナンスの機会も多くなり、また、モータの補修の際には、モータの冷媒保持区画から冷媒を抜き取らなければならず、非常に手間がかかる。さらに、モータを運転した際の振動により、前述した接続線の引き出し口において密閉が破れ易く、また、モータの回転に伴う振動により冷媒が振動して冷媒の流通が阻害されるなど、超電導モータを安定して運転することができない場合がある。
【０００７】
そこで、本発明の主目的は、流体の冷媒を用いることなく超電導コイルの冷却を行なうことが可能な超電導モータの冷却構造を提供することにある。
【０００８】
また、本発明の他の目的は、小型・軽量で簡単に製造することができて、メンテナンスの容易な超電導モータの冷却構造を提供することにある。
【０００９】
さらに、本発明の別の目的は、モータ自身の振動や外部からの衝撃に強く、安定して超電導モータを運転させることができる超電導モータの冷却構造を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、超電導モータの超電導コイルを流体冷媒を用いることなく伝導冷却し、この超電導コイルを固定子にのみ配置することで上記の目的を達成する。
【００１１】
本発明は、軸を中心に回転する回転子と、回転子を回転させるための磁場を発生させる超電導コイルを配置した固定子とを有する超電導モータの冷却構造である。この超電導モータの冷却構造は、超電導コイルを伝導冷却により冷却する伝導冷却機構を備えており、超電導モータの固定子に配置される超電導コイルは、界磁コイルまたは電機子コイルの少なくとも一方であることを特徴とする。
【００１２】
以下、本発明をより詳しく説明する。
【００１３】
本発明超電導モータの冷却構造に使用される超電導モータは、固定子にのみ超電導コイルを使用した超電導モータであれば何でも良く、特に限定されない。このような超電導モータとしては、例えば、固定子に超電導界磁コイルを配置して、回転子には常電導電機子コイルを配置したものでも良いし、後述する実施例において示すように超電導界磁コイルと超電導電機子コイルの両方を固定子に配置して、回転子に誘導子を設けたものでも良い。どのような構造のモータを選択するにしても、超電導材料を用いて構成された超電導コイルを伝導冷却により冷却する。
【００１４】
伝導冷却を実施するための伝導冷却機構は、冷凍機と、この冷凍機のコールドヘッド（冷凍機の構成のうち、実際に対象を冷却する部分）に接続される伝導冷却端子とを備える。そして、伝導冷却端子は、超電導モータの固定子に配置される超電導コイルにも接続される。このとき、超電導コイル、冷凍機のコールドヘッドおよび伝導冷却端子を一括して真空中に配置することで、超電導モータの構造を簡単にすることができると共に、効率的に真空を保持することが可能になる。
【００１５】
上述の伝導冷却機構のうち、冷凍機は既存のものを使用することができる。冷凍機としては、例えば、GM式冷凍機やスターリング式冷凍機、パルスチューブ式冷凍機などが好適に利用できる。
【００１６】
一方、冷凍機に接続される伝導冷却端子は、例えば、アルミ、銅などの熱伝導率の高い材料で構成される。また、伝導冷却端子の形状は、超電導モータ（超電導コイル）と冷凍機との位置関係や配置空間の裕度を考慮に入れて適宜選択すれば良い。もちろん、伝導冷却端子のうち、冷凍機のコールドヘッドに接続する箇所と超電導コイルに接触する箇所を別部材として、形状を異ならせたり、材料を異ならせたりしてもかまわない。
【００１７】
伝導冷却端子のうち、超電導コイルに接触する箇所の形状は、超電導コイルとの接触面積を大きくすることができる形状が好ましい。例えば、板状や線状、ブロック状に形成することが挙げられる。伝導冷却端子を板状やブロック状にすると、後述するように伝導冷却端子の配置が容易になる。ここで、伝導冷却端子を板状やブロック状に形成すると、固定子に配置されるコイルが電機子コイルであった場合、電機子コイルの発生させる磁場が交流磁場であるため、伝導冷却端子の表面に渦電流が発生し、発熱する。従って、電機子コイルの伝導冷却に使用する伝導冷却端子は、渦電流の電流路を分断する形状、例えば、線状に形成することが好ましい。なお、板状やブロック状に形成した場合でも、例えば、非導電性の材料と導電性の材料を縞状になるように構成するなどして、渦電流の発生を抑制すれば良い。
【００１８】
上述した伝導冷却端子を超電導コイルに接続する方法は、特に限定されない。例えば、超電導コイルの外周を覆うように板状の伝導冷却端子を巻きつけても良いし、コイルの外形に沿った形状のブロック状の伝導冷却端子をコイルの外形に沿って接触させてもかまわない。また、導線を複数層巻回したコイルの層間に板状・線状・ブロック状の伝導冷却端子を挿入するようにすると、コイルと伝導冷却端子との接触面積を大きくすることができて好ましい。コイルの層間に伝導冷却端子を挿入する場合、伝導冷却端子に板状のものを使用するのであれば、コイルのある層の表面を覆うように板状の伝導冷却端子を巻きつけて、この板状の伝導冷却端子の上にコイルの次の層が形成されるようにする。また、伝導冷却端子に線状のものを使用するのであれば、例えば、コイルを形成する導線のピッチと異なるピッチで巻いたり、コイルの巻きつけ軸に平行に線状の伝導冷却端子を配置する。
【００１９】
以上のように、超電導コイルに伝導冷却を適用することにより、従来の超電導モータのように、超電導モータの内部に冷媒を流通させる必要がなくなるので、冷媒を流通させる気密性の高い区画を設ける必要がない。従って、本発明超電導モータの冷却構造では、気密性の高い区画としては、断熱のための真空を維持する区画（真空保持区画）が１つあれば良い。
【００２０】
そして、真空保持区画は、この真空保持区画の内部を真空引きしたときに損傷したりしないような強度を有する材料および形状のものであれば良い。真空保持区画の材料としては、例えば、ステンレスなどの合金が挙げられる。
【００２１】
また、真空保持区画は、超電導コイルを所望の温度に維持するような断熱性能を発揮できるのであれば、どの位置に設けるかについて限定されない。真空保持区画は、少なくとも超電導コイルの外周を覆うように設ければ良く、例えば、超電導モータの内部に存在する全ての超電導コイルを真空保持区画で覆うことが挙げられる。真空保持区画を設けるときに、どのような構成を選択するにしても、超電導コイルと伝導冷却端子と冷凍機のコールドヘッドが真空中に配置されるようにすることが好ましい。ところで、超電導モータの内部に存在する全ての超電導コイルが真空中に配置されるようにした場合、各超電導コイルに接続される伝導冷却端子を1つに集合させて冷凍機のコールドヘッドに接続することができる。即ち、1つの冷凍機により超電導モータ内の全ての超電導コイルを冷却することができる。また、合金製の真空保持区画を超電導コイルから遠ざけることができるので、渦電流損を軽減することができる。
【００２２】
その他、真空保持区画の内部に輻射線を反射するための断熱部材（スーパーインシュレーション）を配置することが好ましい。ここで、気密性の高い区画を二重に設ける必要がないことはすでに述べたが、真空保持区画の内部形状に沿って上述した断熱材を保持する断熱材保持区画を設けてもかまわない。この断熱材保持区画は、断熱材を保持するために設けられるものであるので、気密である必要はなく、従って、従来の冷媒保持区画に相当するものではない。
【発明の効果】
【００２３】
本発明の構成となすことにより、超電導コイルを冷却するための冷媒を使用する必要がなく、真空を保持するための高い気密性を有する区画を1つ設けるだけで良い。従って、以下に示す効果を有する。
[1]  断熱構造を含めた超電導モータの構造が簡単になるので、超電導モータの製造が容易になる。
[2]  冷媒を貯留するタンクや冷媒を流通させるためのポンプを設けなくても良く、冷却構造を含めた超電導モータの小型化・軽量化を図ることができる。
[3]  従来の冷却構造に比べて構成が少ないので、メンテナンスの機会を減らすことができ、また、メンテナンスが容易になる。
[4]  気密性を保持する箇所が少なくなるので、密閉が破れる可能性を減らすことができる。
[5]  超電導モータを運転した際の振動により、冷媒が振動することがなく、冷媒の流通量が減るなどの問題が生じない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
＜実施例＞
以下、界磁コイルおよび電機子コイルの両方を超電導コイルとして固定子に配置し、回転子に誘導子を配置した超電導モータの冷却構造を例に挙げて本発明の実施例を説明する。まず初めに、超電導モータの冷却構造の概略と、この冷却構造に使用する伝導冷却機構と超電導モータとの接続関係を中心に説明し、次に、伝導冷却機構を接続した超電導コイルを使用した超電導モータに関して説明する。
【００２５】
図1は、本実施例の超電導モータの冷却構造を示す概略説明図である。本例の超電導モータの冷却構造は、超電導モータ1と伝導冷却機構2（冷凍機20と伝導冷却端子21）とを備えている。この伝導冷却機構2のうち、伝導冷却端子21の一端を冷凍機20のコールドヘッド20cに、他端を超電導コイル3に接続した。超電導コイル3には、後述するように界磁コイルと電機子コイルとがあり、それぞれ、超電導モータ1の内部に固定・配置されている。また、超電導コイル3、電導冷却端子21および冷凍機20のコールドヘッド20cを内部に含むように真空保持区画4を形成し、この区画4の内部を真空引きした。
【００２６】
本例では、伝導冷却端子21として、素線絶縁された平編組線を複数集合したものを使用した。この集合した平編組線の一端側を冷凍機のコールドヘッドに接続し、他端側を分枝して、各超電導コイルに接続した。平編組線は、可撓性があり、配線の自由度が高い。また、この平編組線は、渦電流の発生を抑制する効果もあるので、交流磁場の発生箇所（具体的には、電機子コイル）の近傍にあっても、超電導モータの性能を低下させ難い。従って、伝導冷却端子21に平編組線を使用することにより、図1に示す真空保持区画4の内部において、超電導モータ1の運転の障害とならないように、伝導冷却端子21を超電導コイル3に接続することができる。
【００２７】
平編組線とした伝導冷却端子21と超電導コイル3との接続は、この平編組線を超電導コイル3の導線間、即ち、複数層になるように巻回した導線の隣接する層間に挿入することにより行なった。以下に、具体例として、電機子コイルの構造および形成工程のみを説明するが、界磁コイルにおいても、伝導冷却端子として平編組線を使用すること、この平編組線をコイルの層間に挿入する事に関しては、電機子コイルと同様である。
【００２８】
図2は、超電導コイル3（後述する電機子コイル）に伝導冷却端子（平編組線210）を配置する過程を示す図である。まず始めに、コイル巻胴に導線100を巻回し、コイルの第1層c1を形成した。次に、冷凍機のコールドヘッドから伸びる平編組線の集合体を分枝して、第1層c1の上に、この分枝した平編組線210をコイル巻胴の軸方向に対してほぼ平行に複数配置した。平編組線210は、周方向に間隔を空けて均等に配置し、コイルの第1層c1全体を覆うように配置した。図2においては、各平編組線210は一定長で現されるが、実際には、図示される平編組線210の端部から連続して伸びており、最終的には、冷凍機のコールドヘッドに接続されている。上記のように平編組線210を配置した後、この平編組線210の上に導線100を巻回し、コイルの第2層c2を形成した。第3層以降も、上記のようにコイルの層間に平編組線210（伝導冷却端子）が挿入されるように形成した。もちろん、全層間に平編組線210を挿入しなくても、十分な冷却効果が得られるので、平編組線210を挿入していない層も存在しても良い。なお、図2においては図示していないが、実際には、筒状のコイル巻胴の内部にはコイルにより磁化される磁性体が存在する。
【００２９】
上記のようにして伝導冷却端子を接続した超電導コイルを用いて、超電導モータを作成した。以下に、超電導モータの構造を説明する。
【００３０】
図3は、本例に使用する超電導モータを示す概略構成図である。この超電導モータの主要部は、界磁側固定子11・回転子12・電機子側固定子13・回転子14・界磁側固定子15をシャフト16の回転軸方向に配置して構成した。主要部のうち、界磁側固定子11,15には、界磁110,150を1つずつ設け、電機子側固定子13には、6つの電機子130を設けた。また、回転子12,14には、それぞれ、8つの誘導子120,140を配置した。そして、界磁110,150および電機子130の発生させる磁場の作用により誘導子120,140を吸引・反発させて回転子12,14を回転させる。この回転子12,14の回転により、回転子12,14に固定されるシャフト16を通じて回転動力を外部に伝達する。ここで、界磁側固定子11と15は同一部材であり、対向配置したものである。また、回転子12と14も同一部材であり、図示する誘導子120と140の配置が異なるのは、同一部材を別の面から見ているからである。
【００３１】
次に、図4を参照して、界磁110、電機子130、誘導子120の構造と位置関係を説明する。なお、図4では、誘導子120と電機子130の一部を省略した。
【００３２】
界磁110は、その表面に定常な磁場を発生させる磁極面（S極面111、N極面119）が形成されるように構成した円筒状部材である。円筒の中心には、超電導モータの回転軸になるシャフト16を貫通させることができる回転軸孔110hを設けた。また、界磁110には回転軸と同軸状の円環溝を形成し、その円状溝に界磁コイル110cを配置した。この界磁コイル110cに直流電流を印加すると、界磁コイル110cが露出する面において、界磁コイル110cよりも径方向内方側（回転軸孔110hのある部分）にS極面111が、界磁コイル110cよりも径方向外方にN極面119が形成される。
【００３３】
電機子130は、回転子12に配置される誘導子120を吸引・反発して回転させるための交流磁界を発生させるように電機子側固定子13に配置された部材である。具体的には、電機子側固定子13において、超電導モータの回転軸と同心状の円周上に均等な間隔で電機子130を6つ（図4においては省略して4つを示す）配置し、電機子側固定子13の端面（回転子12の端面に対向する面）に交流磁界が発生するようにした。電機子130は、円柱状の鉄心と、この鉄心の側壁中央部に導線を巻きつけて形成したコイル（電機子コイル130c）とを備えたもので、導線に流れる電流の向きによって鉄心の両端における磁極が変化する。即ち、この電機子コイル130cに交流電流を印加することで、電機子側固定子13の端面に交流磁界を発生させることができる。これら電機子コイル130cは常に通電されているわけではなく、後述する回転子12を回転させることができるように適宜通電したり、電流の方向を変化させたりしている。具体的には、電機子コイル130cに流れる電流を制御して、後述する誘導子120を有する回転子12が一方向に回転するように、電機子130の鉄心の端面にN極部139やS極部131が形成されるようにする。また、電機子側固定子13には、界磁110と同様に超電導モータの回転軸となるシャフト16を貫通させる回転軸孔が設けられている（図示せず）。
【００３４】
回転子12は、円板状の絶縁部材中に8つ（図4においては省略して4つを示す）の鉄棒（誘導子120）を貫通させるように埋め込んで構成した。このとき、絶縁部材の両端面に誘導子が露出するようにした。誘導子120は、前述の界磁110のS極面111およびN極面119により磁化されており、一定の磁界を有する。そして、この誘導子120は、前述の電機子コイル130が発生させる交流磁界に吸引および反発される。この誘導子120は、回転子12の絶縁部材に固定・配置されているので、誘導子120が吸引・反発される結果、回転子12が回転する。ここで、誘導子120は、回転軸に対して傾くように配置して、回転子12の表面に露出する誘導子120の配置が、界磁110に対向する面と電機子130に対向する面とで異なるようにした。具体的には、電機子130に対向する各誘導子120の端面は、電機子130が配置される円周上に一致するように配置した。一方、界磁110に対向する誘導子120の端面は、交互に界磁110のN極面119とS極面111に一致するように配置した。このようになすことにより、誘導子120は、界磁110により磁化されて、円周方向にN極誘導子129とS極誘導子121とが交互に配置されることになる。その結果、誘導子120が、誘導子120に隣接する電機子130のN極部139とS極部131に吸引・反発されるので、この誘導子120が配置される回転子12がシャフト16を中心に回転する。
【００３５】
なお、図3に示す超電導モータの構成のうち、界磁側固定子11・回転子12・電機子側固定子13の3つがあれば、モータとしての機能を果たす。しかし、本例に示すように、回転子14・界磁側固定子15を追加することで、モータの出力を大きくすることができる。もちろん、シャフト16の軸方向に界磁側固定子・回転子・電機子側固定子をさらに追加しても良い。
【００３６】
以上、説明したように超電導コイルに伝導冷却機構を適用することにより、小型・軽量の超電導モータを製造することができた。なお、界磁コイルまたは電機子コイルのいずれか一方を固定子に配置した超電導モータにおいても本発明の伝導冷却機構を適用することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
本発明は、小型・軽量化の必要がある超電導モータに好適に利用することができる。特に、小型・軽量且つメンテナンスの容易さが要求される電気自動車や船舶のスクリューなどに好適に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】図１は、実施例に記載の超電導モータと伝導冷却機構との位置関係を示す概略構成図である。
【図２】図2は、実施例に記載の電機子コイルと伝導冷却端子との位置関係を示す図である。
【図３】図3は、実施例に記載の超電導モータの概略構成図である。
【図４】図4は、実施例に記載の超電導モータの界磁、電機子、誘導子の関係を示す概略構成図である。
【符号の説明】
【００３９】
1  超電導モータ    2  伝導冷却機構    3  超電導コイル
4  真空保持区画    16  シャフト
100  導線    c1  コイルの第1層    c2  コイルの第2層
210  平編組線（伝導冷却端子）
20  冷凍機    20c  コールドヘッド    21  伝導冷却端子
11,15  界磁側固定子    13  電機子側固定子
12,14  回転子      120,140  誘導子
110,150  界磁    110c  界磁コイル    111  S極面    119  N極面
121  S極誘導子    129  N極誘導子    110h  回転軸孔
130  電機子    130c  電機子コイル    131  S極部  139  N極部
【図１】
2007089345.tif 000003
【図２】
2007089345.tif 000004
【図３】
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【図４】
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