(57)【要約】  【課題】超電導モータの冷却構造を簡素化すると共にトルクの改善を図る。  【解決手段】ロータ１８に界磁用の超電導コイル２４を設けていると共に、超電導コイル２４の中空部に磁性体２３ａ（突出部）を配置し、超電導コイル２４と磁性体２３ａの両方を真空断熱容器１９で包囲し、真空断熱容器１９内に冷媒を収容して超電導コイル２４および磁性体２３ａを冷却する構成としている。  【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロータあるいはステータに界磁用の超電導コイルを設けていると共に、該超電導コイルの中空部に磁性体を配置し、
前記超電導コイルと前記磁性体の両方を断熱容器で包囲し、該断熱容器内に冷媒を収容して前記超電導コイルおよび磁性体を冷却する構成としていることを特徴とする超電導モータ装置。
【請求項２】
前記超電導コイルは前記磁性体に巻き付けている請求項１に記載の超電導モータ装置。
【請求項３】
前記磁性体には圧粉磁性体を用いている請求項１または請求項２に記載の超電導モータ装置。
【請求項４】
前記圧粉磁性体は、磁性粉末を絶縁樹脂で結合し、あるいは、被膜で覆った磁性粉末を絶縁樹脂で結合した構成としている請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の超電導モータ装置。
【請求項５】
前記冷媒は、液体水素、液体窒素、液体空気あるいは液体ネオンとしている請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の超電導モータ装置。
【請求項６】
前記冷媒は液体水素とし、前記断熱容器内において前記超電導コイルとの熱交換で昇温気化した水素は燃料として燃料電池へ導出されていると共に、該燃料電池で生成される電力は前記ロータあるいは／およびステータのコイルに給電される構成としている請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の超電導モータ装置。
【請求項７】
前記ロータの軸線方向に所要の空隙をあけて前記ステータを対向配置し、
前記ロータに固定された回転軸を前記ステータに回転自在に貫通し、
前記ロータおよび前記ステータに取り付けられたコイルの磁束方向を軸線方向に向けて配置するアキシャルギャップ構造としている請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の超電導モータ装置。
【請求項８】
前記ロータの外周側を所要の空隙をあけて包囲するように前記ステータを設け、
前記ロータおよび前記ステータに取り付けられたコイルの磁束方向を径方向に向けて配置するラジアルギャップ構造としている請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の超電導モータ装置。
【請求項９】
請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載の超電導モータ装置を備え、該超電導モータ装置の駆動軸を車輪に連繋接続していることを特徴とする車両。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超電導モータ装置およびそれを備えた車両に関し、詳しくは、界磁用の超電導コイルの好適な冷却構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、ガソリン等の化石燃料の枯渇や排気ガスによる環境悪化を改善すべく、電気エネルギーによりモータを駆動して走行する電気自動車やハイブリッド自動車の開発が進められている。この場合、常電導モータを使用した場合には、電気抵抗による銅損が発生して低効率となると共に通電電流に限界があるために高出力化が困難となる問題がある。一方、特開平６−６９０７号公報、特開平５−２７６７３４号公報等に開示されているように、超電導モータを採用すれば、超電導材料での銅損がなくなり高効率になると共に小型化および高出力化を図ることが可能となる。
【０００３】
ところで、超電導モータにおいては、超電導コイルを極低温に冷却しなければ、超電導状態にならず大電流を通電することはできない。そこで、超電導コイルの冷却構造を考えた場合、通常は超電導コイルの中空部に配置される鉄芯は冷却せずに、超電導コイルのみを冷却することが考えられる。これは、温度低下に伴って鉄芯の抵抗率が低下して、鉄芯内に渦電流損が増大するためである。即ち、渦電流Ｗｅの計算式は一般的に、
Ｗｅ＝Ｋ・１／ρ・ｄ2・ｆ2・Ｂ2
で表されるため（Ｋ：係数、ρ：抵抗率、ｄ：電磁鋼板の厚み、ｆ：磁束変化周波数、Ｂｍ：磁場変動）、冷却と共に抵抗率ρが減少する傾向にある鉄等では、前記式より抵抗率ρが減少すると渦電流損が増大するからである。
【０００４】
しかしながら、超電導コイルのみを冷却して鉄芯を冷却しない冷却構造は複雑であり、冷媒を収容する真空断熱容器の形状設計が複雑化する問題が発生する。また、超電導コイルのみを冷却しようとすれば、超電導コイルと鉄芯との間には真空断熱容器を介在させるための空隙が例えば１０ｍｍ程度必要となるので、鉄芯のサイズを大きくすることができない。そうすると、漏れ磁場が発生しやすくなり、モータのトルク低下に繋がるという問題がある。
【特許文献１】特開平６−６９０７号公報
【特許文献２】特開平５−２７６７３４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、前記問題に鑑みてなされたもので、超電導モータの冷却構造を簡素化すると共にトルクの改善を図ることを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記課題を解決するため、本発明は、ロータあるいはステータに界磁用の超電導コイルを設けていると共に、該超電導コイルの中空部に磁性体を配置し、
前記超電導コイルと前記磁性体の両方を断熱容器で包囲し、該断熱容器内に冷媒を収容して前記超電導コイルおよび磁性体を冷却する構成としていることを特徴とする超電導モータ装置を提供している。
【０００７】
前記構成とすると、超電導コイルと磁性体の両方をまとめて断熱容器で包囲しているので、断熱容器の形状を簡素化することができ、断熱容器の設計負担が軽減できると共に生産性も改善されコスト低減が見込める。この際、界磁用の超電導コイルについて本構造を採用しているのは、界磁側は電機子側に比べて磁場変化が少なく、磁場変化が少ないと渦電流の発生も少なくなるため、磁性体を冷却しても渦電流損の増大が抑えられるからである。なお、前記断熱容器は、外壁と内壁からなる二重構造で内外壁の間の空間を真空とした真空断熱容器としているとよい。
【０００８】
前記超電導コイルは前記磁性体に巻き付けていると好ましい。
前記構成とすると、超電導コイルと磁性体との間に距離が発生しないので、磁路が大きく確保でき、超電導コイルと磁性体との間で漏れ磁場が発生するのを防止することができる。したがって、モータで発生する磁場が強化されて、トルク増強を図ることができる。
【０００９】
前記磁性体には圧粉磁性体を用いていると好ましく、前記圧粉磁性体は、磁性粉末を絶縁樹脂で結合し、あるいは、被膜で覆った磁性粉末を絶縁樹脂で結合した構成としているとより好ましい。
【００１０】
前記構成とすると、圧粉磁性体は金型による成形が容易であり加工性に優れると共に、磁気特性が等方的となる利点がある。また、圧粉磁性体は、磁性粉末を絶縁樹脂で結合し、あるいは、被膜で覆った磁性粉末を絶縁樹脂で結合した構成とすることで、個々の磁性粉末の間が樹脂で絶縁され、一般の軟磁性材料よりも渦電流損失が低減されて磁気特性に優れる磁心が得られ、コイルの磁束を強化することができる。
【００１１】
前記冷媒は、具体的には、液体水素、液体窒素、液体空気あるいは液体ネオンとしていると、超電導コイルを極低温まで安定的に冷却することができ好ましい。
【００１２】
前記冷媒は液体水素とし、前記断熱容器内において前記超電導コイルとの熱交換で昇温気化した水素は燃料として燃料電池へ導出されていると共に、該燃料電池で生成される電力は前記ロータあるいは／およびステータのコイルに給電される構成としていると好ましい。
【００１３】
前記構成とすると、液体水素で超電導コイルを冷却することで発生する気体水素を捨てることなく、酸素と水素の化学反応を利用した燃料電池の燃料として利用することで、資源の有効利用を図ることができる。また、液体水素は冷却時に気化されるので、燃料電池への水素供給時に通常用いる気化装置を不要とすることもできる。
【００１４】
また、前記超電導モータ装置の具体的構造としては、前記ロータの軸線方向に所要の空隙をあけて前記ステータを対向配置し、
前記ロータに固定された回転軸を前記ステータに回転自在に貫通し、
前記ロータおよび前記ステータに取り付けられたコイルの磁束方向を軸線方向に向けて配置するアキシャルギャップ構造としていると好ましい。
あるいは、前記ロータの外周側を所要の空隙をあけて包囲するように前記ステータを設け、
前記ロータおよび前記ステータに取り付けられたコイルの磁束方向を径方向に向けて配置するラジアルギャップ構造としても好ましい。
【００１５】
また本発明は、前記超電導モータ装置を備え、該超電導モータ装置の駆動軸を車輪に連繋接続していることを特徴とする車両を提供している。
前記構成とすると、簡素な構造で高トルクの超電導モータを搭載しているので、車両の低コスト化および高出力化に貢献する。
【発明の効果】
【００１６】
以上の説明より明らかなように、超電導コイルと磁性体の両方をまとめて断熱容器で囲繞しているので、断熱容器の形状を簡素化することができ、断熱容器の設計負担も軽減される。また、超電導コイルは磁性体に巻き付けることで、超電導コイルと磁性体との間で漏れ磁場が発生するのを防止でき、出力トルクの強化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明の実施形態を図面を参照して説明する。
図１乃至図３は第１実施形態を示す。
図２は電気を駆動源として走行する車両Ｃを示し、水素を酸素と反応させて電力を生成する燃料電池１２と、該燃料電池１２からの電力により駆動される超電導モータ１１とを備えた超電導モータ１０を搭載している。詳しくは、車両Ｃには、液体水素を貯留する液体水素タンク１５と、燃料電池１２で発電された電力を蓄電するバッテリー１３と、バッテリー１３からの電力を所定の電力に変換するインバータ１４とが搭載されており、超電導モータ１１はインバータ１４から供給される電力で駆動されて車輪軸と連繋されていると共に、燃料電池１２には液体水素タンク１１からの水素と超電導モータ１１から排出される水素とが供給される。
【００１８】
超電導モータ１１は、図１に示すように、ステータ１７と、該ステータ１７の中空部に回転自在に配置されたロータ１８と、ロータ１８を囲繞する真空断熱容器１９（クライオスタット）とを備えたラジアルギャップ構造のモータである。
ステータ１７は断面環状であり、内周面に多数の凸部２０を周方向に間隔をあけた状態で中心方向に向けて突出させることにより、隣接する凸部２０の間の隙間をスロット２１として形成しており、該スロット２１には常電導材である銅線からなる導体線が分布巻きされて電機子コイル２２を形成している。電機子コイル２２にはインバータ１４から配線を介して三相交流を給電している。
【００１９】
ロータ１８は、磁性体からなるロータコア２３の外周に等間隔に突設された突出部２３ａに界磁用の超電導コイル２４を集中巻きしており、ロータコア２３の中心には外部に延出する駆動軸２５を貫通固定している。超電導コイル２４にはインバータ１４から配線を介して直流電流を給電している。ロータコア２３は、磁性粉末（鉄粉等）を絶縁樹脂でプレス結合して加熱処理を施した圧粉磁性体、あるいは、被膜（燐酸化合物被膜等）で覆った磁性粉末（鉄粉等）を絶縁樹脂で結合して加熱処理を施した圧粉磁性体としている。圧粉磁性体の結合用樹脂としては、ポリフェニレンサルファイドや可溶性ポリイミド等の樹脂が好適に用いられる。なお、超電導コイル２４を形成する超電導材としては、ビスマス系やイットリウム系等の超電導材を用いている。
【００２０】
真空断熱容器１９は、ロータ１８を包囲する円筒閉空間を冷媒流路Ｒとして形成しており、外壁２６と内壁２７との間に真空層Ｓを介設することで断熱性能を発揮している。真空断熱容器１９内には液体水素タンク１５から極低温の液体水素が冷媒として流入する一方、超電導コイル２４との熱交換で昇温気化した水素は燃料電池へと導出されるよう配管している。また、外壁２６および内壁２７の材料としてはステンレスを用いているが、冷却による渦電流損を考慮する場合にはＦＲＰ等を用いると好適である。
【００２１】
次に、超電導モータ装置１０の動作について説明する。
液体水素タンク１１から配管を介して液体水素が真空断熱容器１９内の冷媒流路Ｒに流入し、冷媒流路Ｒを循環することで超電導コイル２４を２０Ｋ近くに冷却して超電導状態に維持する。冷媒流路Ｒを流れた液体水素は超電導コイル２４を冷却することで昇温気化され、配管を介して燃料電池１２へと導出される。即ち、燃料電池１２では気化された水素が燃料として必要となるが、超電導コイル２４との熱交換により液体水素が気化されることで、液体水素タンク１１に貯留された液体水素の気化に必要なエネルギーが低減できる。
【００２２】
電機子コイル２２には、分布巻きされた各導体線に三相交流が供給されることで、各電機子コイル２２への給電の位相ズレによりステータ１７内に回転磁界が発生し、界磁用の超電導コイル２４が回転磁界の影響を受けることでロータ１８に回転力が発生する。このロータ１８の回転による駆動軸２５のトルクが車輪軸に伝達されることで車両Ｃが走行される。
【００２３】
以上の構成とすると、超電導コイル２４と磁性体であるロータコア２３の両方をまとめて真空断熱容器１９で包囲する構成としているので、４つの超電導コイル２４をまとめて冷却することが可能となり真空断熱容器１９の形状を簡素化することができる。したがって、真空断熱容器１９の設計負担が大幅に軽減されてモータの低コスト化にも貢献する。この際、界磁用の超電導コイル２４について本構造を採用しているのは、界磁側は電機子側に比べて磁場変化が少なく、磁場変化が少ないと渦電流の発生も少なくなるため、ロータコア２３を冷却しても渦電流損の増大が抑えられるからである。
【００２４】
ここで、界磁の磁場変化について詳述すると、界磁側では一定の直流が供給されるため理想的にはロータコア２３の突出部２３ａにおいて磁場変化は生じない。ただし、現実には、電機子側の凸部２０毎に磁束の通り易さは異なることと、電機子コイル２２の交流通電に伴いロータ１８と同期して回転する磁界を生じるが、電機子コイル２２の配置をよほど工夫しなければ綺麗な回転磁界とならず、回転位置によって多少のリップル磁場（磁場脈動）が生じてしまうこととから、ロータ１８側にも微小な磁場変化が生じ、特にステータ側が集中巻きであった場合にはこの現象は顕著となる。
しかし、電機子側と比較すると界磁側の磁場変化は顕著に少なく、特に電機子コイル２２を分布巻きした時には、ステータ１７の凸部２０の近傍のみ微小に磁場変化するだけであるので、ロータコア２３を超電導コイル２２と共に極低温まで冷却してもコア２３における渦電流の増加は極めて少なく、それ以上に、真空断熱容器１９を簡素化でき、磁路が大きくとれ、磁場漏れが減少する大きなメリットを享受することができる。
【００２５】
しかも、ロータコア２３は前述のように圧粉磁性体で形成されており、個々の磁性粉末の間が樹脂で絶縁され、一般の軟磁性材料よりも渦電流損失が低減されて磁気特性に優れるので、極低温に冷却されていても超電導コイル２４で生成される磁束を好適に強化することが可能となる。
【００２６】
また、真空断熱容器１９はロータコア２３と超電導コイル２４との両方を冷却する構成としているため、超電導コイル２４をロータコア２３の突出部２３ａにダイレクトに巻き付けることができ、その結果、突出部２３ａと超電導コイル２４との間に距離が発生せず、超電導コイル２４と突出部２３ａとの間で漏れ磁場が発生するのを防止できる。したがって、ロータ１８側で発生する磁場が強化されて、トルク増強を図ることができる。なお、超電導モータ１１に供給する冷媒は、冷凍機を用いて生成した冷媒（液体窒素や液体ヘリウム等）を用いてもよい。また、超電導モータ１１に供給する電力は、水素エンジンでの駆動力で発電した電力を用いる構成としてもよい。
【００２７】
図３および図４は第２実施形態を示す。
第１実施形態との相違点は、超電導モータ３０をアキシャルギャップ構造としている点である。
【００２８】
本実施形態の超電導モータ３０は、ステータ３１の軸線方向の一側に第１ロータ３２を対向配置していると共に、他側に第２ロータ３３を対向配置し、駆動軸３９は第１ロータ３２および第２ロータに固定してステータ３１に固定していない。
【００２９】
ステータ３１は略円環形状で、ケーシング等の固定部Ｇに固定された密閉円筒状の真空断熱容器３２の内部に磁心３７に巻き付けた超電導コイル３８を６つ収容している。詳しくは、真空断熱容器３２は、図３および図４に示すように、外壁３５と内壁３６の間に真空層Ｓを形成した本体部３４および蓋部３４で円環状の冷媒流路Ｒを形成している。
真空断熱容器３２の内壁３６の側面には周方向に等間隔をあけて位置決め凹部３６ａを形成している。一方、超電導コイル３８を巻き付ける磁心３７は、圧粉磁性体からなる円柱状で上下面に位置決め凸部３７ａを突設している。そして、磁心３７の位置決め用凸部３７ａを真空断熱容器３２の位置決め凸部３６ａに嵌合することで超電導コイル３８を周方向の等間隔に位置決めしている。このように、複数の超電導コイル３８を軸線回りの周方向に間隔をあけて取り付け、夫々の超電導コイル３８の磁束方向が軸線方向を向くように配置している。なお、真空断熱容器３２には、液体水素タンク１５から液体水素を冷媒として供給している。また、超電導コイル３８には、インバータ１４から直流給電を行っている。
【００３０】
第１ロータ３２と第２ロータ３３とは左右対称の略円盤形状で、第１ロータ３２および第２ロータ３３のヨーク４０、４１の中心に駆動軸３９を固定している。ヨーク４０、４１の外周側のステータ３１との対向面側には周方向に等間隔をあけてコイル取付穴４０ａ、４１ａを設け、これらコイル取付穴４０ａ、４１ａに銅等の常電導材からなる複数の電機子コイル４２、４３を埋設している。即ち、電機子コイル４２、４３の軸線を駆動軸３９の軸線と平行に配置することで、コイル４２、４３の磁束方向を軸線方向に向けている。また、電機子コイル４２、４３の中空部には磁性体からなる磁心４４、４５を密着配置している。なお、ヨーク４０、４１および磁心４４、４５は、磁性粉末（鉄粉等）を絶縁樹脂でプレス結合して加熱処理を施した圧粉磁性体、あるいは、被膜（燐酸化合物被膜等）で覆った磁性粉末（鉄粉等）を絶縁樹脂で結合して加熱処理を施した圧粉磁性体としている。圧粉磁性体の結合用樹脂としては、ポリフェニレンサルファイドや可溶性ポリイミド等の樹脂が好適に用いられる。
なお、他の構成は第１実施形態と同様であるため説明を省略する。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の第１実施形態の超電導モータ装置の断面図である。
【図２】超電導モータ装置を搭載した車両を示す概略図である。
【図３】第２実施形態の超電導モータ装置の断面図である。
【図４】真空断熱容器の分解斜視図である。
【符号の説明】
【００３２】
１０    超電導モータ装置
１１、３０    超電導モータ
１２    燃料電池
１３    バッテリー
１４    インバータ
１５    液体水素タンク
１７、３１    ステータ
１８、３２、３３    ロータ
１９、３２    真空断熱容器
２２、３８    電機子コイル
２３ａ  突出部（磁性体）
２４、４２、４３    超電導コイル
２５、３９    駆動軸
２６    外壁
２７    内壁
３７    磁心（磁性体）
Ｃ      車両
Ｒ      冷媒流路
Ｓ      真空層
【図１】
2007060747.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
2007060747.tif 000006