(57)【要約】【課題】超電導モータにおいて、超電導コイルの温度の偏りを小さくしつつ、超電導コイルを所望の極低温に効率よく冷却することである。【解決手段】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し、コイルを有するステータとを含む。超電導モータは、内側に低温の冷媒を流す細管６６を有する冷凍機１４を含み、細管６６は、コイル３６の周囲に配置されるコイル周囲配置部１００を含む。コイル周囲配置部１００は、コイル３６の外周部のうち、ステータの周方向片側に向く片側板部９６に沿って配置され、熱接触する片側直線部１０２と、コイル３６の外周部のうち、ステータの周方向他側に向く他側板部９７に沿って配置され、熱接触する他側直線部１０４と、両直線部１０２，１０４同士を連結する連結部１０６とを有する。【選択図】図６
2012143043.tif 000002
【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、前記超電導コイルの周囲に配置されるコイル周囲配置部を含み、
前記コイル周囲配置部は、前記細管に設けられ、前記ステータの軸方向片側から他側に向かうように、前記超電導コイルの外周部のうち、前記ステータの周方向片側に向く片側外周部に沿って配置され、前記片側外周部に熱接触する片側配置部と、前記ステータの軸方向片側から他側に向かうように、前記超電導コイルの外周部のうち、前記ステータの周方向他側に向く他側外周部に沿って配置され、前記他側外周部に熱接触する他側配置部と、前記片側配置部及び前記他側配置部同士を前記ステータの軸方向の同じ側で連結する連結部とを有することを特徴とする超電導モータ。
【請求項２】
請求項１に記載の超電導モータにおいて、
前記片側配置部は、前記超電導コイルの外周部のうち、前記ステータの周方向片側に向く前記片側外周部に沿って軸方向に配置されており、
前記他側配置部は、前記超電導コイルの外周部のうち、前記ステータの周方向他側に向く前記他側外周部に沿って軸方向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３】
請求項１または請求項２に記載の超電導モータにおいて、
前記コイル周囲配置部は、前記超電導コイルの外周部に嵌合されていることを特徴とする超電導モータ。
【請求項４】
請求項３に記載の超電導モータにおいて、
前記コイル周囲配置部は、前記超電導コイルの外周部に、前記ステータの軸方向他側から片側に向かうように嵌合されていることを特徴とする超電導モータ。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれか１に記載の超電導モータにおいて、
前記連結部に設けられ、自由状態で最も曲率半径が小さくなる円弧部は、自由状態で、前記超電導コイルの外周部において、前記ステータの軸方向他端部に位置し、前記円弧部に対向する部分の曲率半径Ｒｓよりも小さい内側の曲率半径Ｒｃを有することを特徴とする超電導モータ。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれか１に記載の超電導モータにおいて、
前記コイル周囲配置部の自由状態で前記片側配置部及び前記他側配置部同士の内側の幅寸法Ｂｃは、前記超電導コイルの前記片側外周部と前記他側外周部との幅寸法Ｂｓよりも小さくしていることを特徴とする超電導モータ。
【請求項７】
請求項１から請求項６のいずれか１に記載の超電導モータにおいて、
前記コイル周囲配置部は、前記超電導コイルの外周部に高熱伝導性接着剤により接合されてい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。
【０００６】
また、超電導モータの冷却性を向上するために超電導コイルに直接熱伝導材を接触させ、熱伝導材により超電導コイルを冷却することも考えられる。ただし、超電導コイルは、ステータの軸方向に関する長さが大きくなりやすく、超電導コイルの軸方向の狭い範囲でのみ超電導コイルを冷却する場合には、超電導コイルの温度の偏りを小さくしつつ超電導コイルを冷却することが難しい。これに対して、超電導コイルの超電導状態の破綻を避けるために、超電導コイルを例えば７７Ｋ等、通常の超電導状態を実現するための温度よりもさらに温度低下させる過冷却の手段を採用することも考えられる。ただし、この場合には、その分、冷凍機の消費電力が過大になる。このため、超電導コイルを均一に冷却する等、超電導コイルの温度の偏りを小さくしつ、超電導コイルを効率よく冷却する面から改良の余地がある。
【０００７】
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。
【０００８】
本発明の目的は、超電導モータにおいて、超電導コイルの温度の偏りを小さくしつつ、超電導コイルを所望の極低温に効率よく冷却することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る超電導モータは、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、超電導コイルの周囲に配置されるコイル周囲配置部を含み、コイル周囲配置部は、細管に設けられ、ステータの軸方向片側から他側に向かうように、超電導コイルの外周部のうち、ステータの周方向片側に向く片側外周部に沿って配置され、片側外周部に熱接触する片側配置部と、ステータの軸方向片側から他側に向かうように、超電導コイルの外周部のうち、ステータの周方向他側に向く他側外周部に沿って配置され、他側外周部に熱接触する他側配置部と、片側配置部及び他側配置部同士をステータの軸方向の同じ側で連結する連結部とを有することを特徴とする超電導モータである。なお、本明細書及び特許請求の範囲全体で「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。
【００１０】
また、本発明に係る超電導モータにおいて、好ましくは、片側配置部は、超電導コイルの外周部のうち、ステータの周方向片側に向く片側外周部に沿って軸方向に配置されており、他側配置部は、超電導コイルの外周部のうち、ステータの周方向他側に向く他側外周部に沿って軸方向に配置されている。
【００１１】
また、本発明に係る超電導モータにおいて、好ましくは、コイル周囲配置部は、Ｕ字形に形成され、超電導コイルの外周部に嵌合されている。
【００１２】
また、本発明に係る超電導モータにおいて、好ましくは、コイル周囲配置部は、超電導コイルの外周部に、ステータの軸方向他側から片側に向かうように嵌合されている。
【００１３】
また、本発明に係る超電導モータにおいて、好ましくは、連結部に設けられ、自由状態で最も曲率半径が小さくなる円弧部は、自由状態で、超電導コイルの外周部において、ステータの軸方向他端部に位置し、円弧部に対向する部分の曲率半径Ｒｓよりも小さい内側の曲率半径Ｒｃを有する。
【００１４】
また、本発明に係る超電導モータにおいて、好ましくは、コイル周囲配置部の自由状態で片側配置部及び他側配置部同士の内側の幅寸法Ｂｃは、超電導コイルの片側外周部と他側外周部との幅寸法Ｂｓよりも小さくしている。
【００１５】
また、本発明に係る超電導モータにおいて、好ましくは、コイル周囲配置部は、超電導コイルの外周部に高熱伝導性接着剤により接合されている。また、好ましくは、高熱伝導性接着剤として、シリカ、アルミナ等の熱伝導性のよい材料等のフィラーを含有した接着剤とする。より好ましくは、低温脆性のない接着剤を使用する。
【発明の効果】
【００１６】
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、超電導コイルの周囲に配置されるコイル周囲配置部を含むので、コイル周囲配置部を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、コイル周囲配置部は、超電導コイルの外周部のうち、ステータの軸方向の広い範囲にわたって接触して冷却することができる。このため、冷凍機の消費電力を過大にすることなく、超電導コイルを均一に冷却する等、超電導コイルの温度の偏りを小さくしつ、超電導コイルを効率よく冷却することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の第１の実施の形態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の実施の形態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】図２のＣ部の拡大断面に対応する図である。
【図６】図１から細管の一部と、この細管に嵌合された１の超電導コイルとを取り出して示す斜視図である。
【図７】図６の超電導コイルに細管を嵌合させる直前の状態を示す図である。
【図８】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９】図８のＤ−Ｄ断面図である。
【図１０】本発明の第２の実施の形態の超電導モータにおいて、細管の一部と、この細管に嵌合された１の超電導コイルとを取り出して示す図である。
【図１１】図１０の超電導コイルに細管を嵌合させる直前の状態を示す図である。
【図１２】本発明の第３の実施の形態の超電導モータにおいて、細管の一部と、この細管に嵌合された１の超電導コイルとを取り出して示す図である。
【図１３】図１２の超電導コイルに細管を嵌合させる直前の状態を示す図である。
【図１４】本発明の第４の実施の形態の超電導モータを示す、図５に対応する図である。
【図１５】本発明の第５の実施の形態の超電導モータを示す、図５に対応する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
［第１の実施の形態］
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。
【００１９】
図１から図７は、本発明の第１の実施形態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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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（図２）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。
【００２３】
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。また、超電導線材は、後述する図６に示すように、断面矩形状の平角線をフラットワイズ状に巻くことでコイル３６を構成している。例えば、コイル３６は、平角線を略長円形の渦巻状に巻いたパンケーキ巻きに巻くことで構成される。ただし、コイル３６の巻き方式はこのような構成に限定するものではなく、例えば、平角線をソレノイド巻きで巻くことで構成することもできる。また、超電導線材は、平角線に限定するものではなく、例えば断面形状が円形状でもよい。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。
【００２４】
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。
【００２５】
コイル３６は、ステータコア３４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。
【００２６】
また、図７に示すように、コイル３６は、ステータ２２の径方向に見た場合に略長円形の形状を有するように構成されている。すなわち、コイル３６は、互いに略平行な板部９６、９７と、板部９６、９７の両端側に設けられ、コイルエンド部４６を構成する断面略半円の部分円筒部９８とを有する。
【００２７】
また、図１に示すように、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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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、本実施の形態で使用する冷凍機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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
本実施の形態では、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、軸方向片側（図１の右側）に位置するエンドプレート２８の周方向一部（図１の上部）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、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（図１の下側）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。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。
【００３８】
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の長さ方向中間部の２個所は、ステータコア３４において、隣り合う２ずつのスロット４２内にそれぞれ挿入されるように配置されている。すなわち、図５，６に示すように、各細管６６は、長さ方向中間部に設けられ、コイル３６の周囲に嵌合するように配置される、略Ｕ字形のコイル周囲配置部１００を含む。このために、コイル周囲配置部１００は、細管６６の中間部に設けられ、互いに連結される片側配置部である片側直線部１０２、他側配置部である他側直線部１０４及び連結部１０６を有し、全体が略Ｕ字形に形成されている。このうち、片側直線部１０２は、ステータ２２（図１）の軸方向片側（図１の右側、図６の左側）から軸方向他側（図１の左側、図６の右側）に向かうように、コイル３６の外周部のうち、ステータ２２の周方向片側（図５の上側、図６の裏側）に向く片側外周部である片側の板部９６の外側面に沿って軸方向に配置され、片側板部９６に熱接触している。
【００３９】
また、他側直線部１０４は、ステータ２２の軸方向片側（図１の右側、図６の左側）から軸方向他側（図１の左側、図６の右側）に向かうように、コイル３６の外周部のうち、ステータ２２の周方向他側（図６の表側）に向く他側外周部である他側の板部９７の外側面に沿って軸方向に配置され、他側板部９７に熱接触している。連結部１０６は、略半円形に設けられる円弧部１０８を含む。連結部１０６の全体が円弧部１０８により構成されるようにすることもできる。連結部１０６は、片側直線部１０２及び他側直線部１０４の一端同士を、ステータ２２の軸方向の同じ側で連結している。このため、片側直線部１０２及び他側直線部１０４は、直線状で、回転軸１８の回転中心軸Ｘと平行に配置されている。また、片側直線部１０２及び他側直線部１０４同士で、コイル３６の外周部において、ステータ２２の径方向に関する同位置に配置している。このため、各直線部１０２，１０４は、コイル３６の巻き軸中心Ｏに対し略直交する仮想平面上に配置している。また、片側直線部１０２の他端は直接または細管６６の別の部分を介して蓄冷器６８に接続され、他側直線部１０４は直接または細管６６の別の部分を介して第２ピストン収容部７０に接続されている。このように、複数の細管６６は、ステータ２２の周方向の異なる複数個所に配置されたコイル３６の外周部に嵌合される略Ｕ字形のコイル周囲配置部１００をそれぞれ有する。
【００４０】
また、コイル周囲配置部１００は、コイル３６の外周部に、ステータ２２の軸方向片側（図１の左側）から軸方向他側（図１の右側）に向かうように嵌合されている。具体的には、コイル周囲配置部１００の蓄冷器６８及び第２ピストン収容部７０側である、各直線部１０２，１０４の他端側を先にした状態で、コイル３６の外周部に、ステータ２２の軸方向と平行な方向に沿って嵌合させている。ただし、コイル周囲配置部１００は、このように嵌合する構成に限定するものではなく、例えば、ステータ２２の内周側から外周側に向け、各コイル周囲配置部１００をコイル３６の外周部に嵌合させることもできる。
【００４１】
また、図７に示すように、コイル３６の外周部の幅寸法をＢｓとし、細管６６のコイル周囲配置部１００の自由状態で、各直線部１０２，１０４同士の内側の幅寸法をＢｃとする場合を考える。また、細管６６の連結部１０６に設けられ、自由状態で、最も内径が小さくなる円弧部１０８の内側の曲率半径をＲｃとし、コイル３６の外周部において、ステータ２２の軸方向他端部（図１の左端部、図７の右端部）に位置し、円弧部１０８に対向する部分である断面円弧形の部分円筒部９８の外面の曲率半径をＲｓとする。この場合に、Ｂｓ＞ＢｃとＲｓ＞Ｒｃとの一方または両方を満たすように各部の寸法を規制している。例えば、コイル周囲配置部１００の自由状態で、円弧部１０８は、ステータ２２の軸方向他端側の部分円筒部９８の外面の曲率半径Ｒｓよりも小さい内側の曲率半径Ｒｃ（＜Ｒｓ）を有する。また、これに代えて、またはこれとともに、コイル周囲配置部１００の自由状態で、片側直線部１０２及び他側直線部１０４同士の内側の幅寸法Ｂｃは、コイル３６の両側の板部９６，９７の外側の幅寸法Ｂｓよりも小さくする（Ｂｃ＜Ｂｓ）。
【００４２】
また、コイル周囲配置部１００は、単にコイル３６の外周部に嵌合させることで固定するだけでなく、コイル周囲配置部１００をコイル３６の外周部に、高熱伝導性接着剤により接合して固定することもできる。例えば、高熱伝導性接着剤として、シリカ、アルミナ等の熱伝導性のよい材料等のフィラーを含有した接着剤を使用し、より好ましくは、低温脆性がない、すなわち低温での、もろさがない接着剤を使用する。
【００４３】
このようなコイル周囲配置部１００は、ステータコア３４には接触していない。すなわち、各コイル周囲配置部１００は、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、コイル周囲配置部１００との接触部を通じて伝達される。このような構成では、ステータコア３４に設けられたティース４０の数と同数の細管６６が設けられている。
【００４４】
また、この構成では、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。
【００４５】
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細管６６のそれぞれが、コイル３６の周囲に配置されるコイル周囲配置部１００を含むので、コイル周囲配置部１００をコイル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、コイル周囲配置部１００は、コイル３６の外周部のうち、ステータ２２の軸方向の広い範囲にわたって接触して冷却することができる。このため、冷凍機１４の消費電力を過大にすることなく、コイル３６を均一に冷却する等、コイル３６の温度の偏りを小さくしつ、コイル３６を効率よく冷却することができる。すなわち、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実施の形態によれば、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を効率よく冷却できる。
【００４６】
さらに、コイル周囲配置部１００は、コイル３６の外周部に嵌合されているので、細管６６とコイル３６との密着性を確保でき、コイル３６の冷却効率を向上できるとともに、細管６６をコイル３６に容易に装着することができる。このため、細管６６の取付性の向上を図れる。また、細管６６がコイル３６に支持されるので使用時に細管６６をがたつきにくくして、コイル３６を構成する超電導線材の構造を破壊しにくくできる。
【００４７】
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。
【００４８】
また、各細管６６は、２ずつのスロット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片側直線部１０２及び他側直線部１０４を有し、それぞれの直線部１０２，１０４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１０２，１０４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。
【００４９】
また、コイル３６の外周部の幅寸法をＢｓとし、コイル周囲配置部１００に設けた各直線部１０２，１０４同士の内側の幅寸法をＢｃとし、細管６６の連結部１０６に設けられ、自由状態で、最も内径が小さくなる円弧部１０８の内側の曲率半径をＲｃとし、コイル３６の外周部において、ステータ２２の軸方向他端部に位置し、円弧部１０８に対向する部分である断面円弧形の部分円筒部９８の外面の曲率半径をＲｓとした場合に、Ｂｓ＞ＢｃとＲｓ＞Ｒｃとの一方または両方を満たすように各部の寸法を規制している。このため、コイル周囲配置部１００とコイル３６との接触圧や密着性を高くして、細管６６をより容易にコイル３６に固定することができる。また、円弧部１０８の曲率半径Ｒｃを適切に調整することにより、コイル３６を構成する緻密な超電導線材の内部構造の破壊を有効に防止しつつ、コイル３６に細管６６を十分に接触させることができる。
【００５０】
また、円弧部１０８の曲率半径Ｒｃを適切に調整することにより、細管６６とコイル３６との密着性を調整できる。さらに、円弧部１０８に微細な切欠であるノッチ部等を設けることで、細管６６とコイル３６との密着性及び固定強度の調整を図ることもできる。また、超電導線材と細管６６を構成する材料との熱膨張係数を調整することにより、コイル３６と細管６６との密着性を調整することもできる。
【００５１】
また、コイル周囲配置部１００をコイル３６の外周部に高熱伝導性接着剤により接合して固定した場合には、コイル周囲配置部１００が点接触や線接触でコイル３６の外周部に接触する場合でも、その間に介在される高熱伝導性接着剤により熱伝達性の向上を図れ、コイル３６に対する冷却性の向上を図れる。また、コイル３６に対し細管６６をより強度よく固定することができる。
【００５２】
なお、図５に示すように、コイル３６は、ティース４０の外周部に電気絶縁性を有するインシュレータ１１０（図２では図示を省略する。）を介して接触させているが、このインシュレータ１１０を厚くしたり、熱伝導性の悪い材料により構成したり、熱伝導性を低下させる形状により構成することもできる。この構成によれば、コイル３６からステータコア３４への冷却経路を遮断して、コイル３６に対する冷却性をより向上させることができる。例えば、熱伝導性を低下させる形状を有するインシュレータ１１０として、片側に櫛歯を有する櫛歯片の長さ方向両端を環状に結合したり、板部の両端を環状に結合したものの周方向複数個所に厚さ方向に貫通する孔部を形成したものを使用する。また、インシュレータ１１０として、ガラス繊維強化樹脂（ＧＦＲＰ）等の熱伝導性の悪い材料により構成することもできる。
【００５３】
また、インシュレータ１１０を、ＰＥ等の柔軟性のある材料により構成することで、コイル３６と細管６６との密着性や、コイル３６の各ターン間の密着性を向上させて、コイル３６の各ターンへの熱伝達性を向上することができ、かつ、緻密な超電導線材の内部構造の破壊をより有効に防止することもできる。
【００５４】
図８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９は、図８のＤ−Ｄ断面図である。図８、図９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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
［第２の実施の形態］
図１０は、本発明の第２の実施の形態の超電導モータにおいて、細管の一部と、この細管に嵌合された１の超電導コイルとを取り出して示す図である。図１１は、図１０の超電導コイルに細管を嵌合させる直前の状態を示す図である。
【００６０】
図１０に示すように、本実施の形態では、コイル３６を、ステータ２２（図１参照）の径方向に見た場合に略矩形の形状を有するように構成している。すなわち、コイル３６は、互いに略平行な板部９６，９７と、各板部９６，９７の両側に略直交するように設けられ、コイルエンド部４６を構成する第２板部１１２とを有する。
【００６１】
また、コイル３６の外周部の幅寸法をＢｓとし、細管６６のコイル周囲配置部１００の自由状態で、各直線部１０２，１０４同士の内側の幅寸法をＢｃとした場合に、Ｂｓ＞Ｂｃを満たすように各部の寸法を規制している。このため、コイル周囲配置部１００とコイル３６との接触圧や密着性を高くして、細管６６をより容易にコイル３６に固定することができる。
【００６２】
また、細管６６の連結部１０６に設けられ、自由状態で、最も内径が小さくなる円弧部１０８の内側の曲率半径をＲｃ１とした場合に、円弧部１０８の曲率半径Ｒｃ１を適切に調整することにより、コイル３６を構成する緻密な超電導線材の内部構造の破壊を有効に防止しつつ、コイル３６に細管６６を十分に接触させることができる。なお、コイル周囲配置部１００をコイル３６の外周部に嵌合させた状態で、円弧部１０８の内側の曲率半径Ｒｃ２（図１０）は、自由状態の曲率半径Ｒｃ１（図１１）よりも大きくなる。その他の構成及び作用は、上記の図１から図７に示した第１の実施の形態と同様である。
【００６３】
［第３の実施の形態］
図１２は、本発明の第３の実施の形態の超電導モータにおいて、細管の一部と、この細管に嵌合された１の超電導コイルとを取り出して示す図である。図１３は、図１２の超電導コイルに細管を嵌合させる直前の状態を示す図である。
【００６４】
本実施の形態では、上記の図１０から図１１に示した第２の実施の形態において、細管を構成するコイル周囲配置部１００の連結部１０６は、円弧部１０８（図７）ではなく、楕円を半分にした形状の半楕円部１１４により全体が構成されている。また、コイル３６の外周部の幅寸法をＢｓとし、細管６６のコイル周囲配置部１００の自由状態で、各直線部１０２，１０４同士の内側の幅寸法をＢｃとした場合に、Ｂｓ＞Ｂｃを満たすように各部の寸法を規制している。
【００６５】
また、コイル周囲配置部１００の自由状態で、半楕円部１１４の内側の頂部Ｐ（図１３）と各直線部１０２，１０４との一端との間の、直線部１０２，１０４の直線方向（図１３の左右方向）に関する長さａ１を適切に調整することにより、コイル３６を構成する緻密な超電導線材の内部構造の破壊を有効に防止しつつ、コイル３６に細管６６を十分に接触させることができる。また、半楕円部１１４に微細な切欠であるノッチ部等を設けることで、細管６６とコイル３６との密着性及び固定強度の調整を図ることもできる。その他の構成及び作用は、上記の図１から図７に示した第１の実施の形態、または上記の図１０から図１１に示した第２の実施の形態と同様である。なお、連結部１０６は、円弧部１０８（図６，７，１０，１１）や、半楕円部１１４（図１２，１３）を含む形状以外の形状とすることもできる。
【００６６】
［第４の実施の形態］
図１４は、本発明の第４の実施の形態の超電導モータを示す、図５に対応する図である。本実施の形態の場合には、上記の図１から図７に示した第１の実施の形態において、細管６６の数を３倍とし、各コイル３６の外周部ごとに、ステータ２２の径方向（図１４の左右方向）に関して離れるように３本のコイル周囲配置部１００を嵌合させ、それぞれのコイル周囲配置部１００の両端は、細管６６の別の部分を介して蓄冷器６８（図１参照）と第２ピストン収容部７０（図１参照）とにそれぞれ接続している。このような構成によれば、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の実施の形態と同様である。なお、本実施の形態は、第１の実施の形態以外に、上記の図１０から図１１に示した第２の実施の形態、または図１２から図１３に示した第３の実施の形態に組み合わせることもできる。
【００６７】
［第４の実施の形態］
図１５は、本発明の第５の実施の形態の超電導モータを示す、図５に対応する図である。本実施の形態の場合には、上記の図１から図７に示した第１の実施の形態において、コイル３６の外周部に嵌合させるコイル周囲配置部１００は、コイル３６の外周部において、ステータ２２の径方向に関する同位置ではなく、片側直線部１０２と他側直線部１０４とで、ステータ２２の径方向に関して異なる位置に接触している。このために、コイル３６の外周部の幅寸法である板部９６，９７の外側面同士の間の幅寸法Ｂｓ（図７参照）は、略Ｕ字形のコイル周囲配置部１００の自由状態での直線部１０２，１０４同士の内側の幅寸法Ｂｃ（図７参照）以下としている（Ｂｓ≦Ｂｃ）。
【００６８】
また、各直線部１０２，１０４をコイル３６に対し、コイル３６の巻き軸Ｏに対し直交する仮想平面上に位置するように、コイル周囲配置部１００をコイル３６の外周部に嵌合した後、巻き軸Ｏに対し傾斜させるように、各直線部１０２，１０４の一方の位置をずらせるように、コイル周囲配置部１００をねじってコイル３６の外周部に固定している。また、図１５に示すように、各直線部１０２，１０４のうち、他側直線部１０４のみは、周方向に隣り合う両側の２のコイル３６の外周部に、互いの間に挟持されるように接触させている。すなわち、１の細管で２の超電導コイルを冷却する構成としている。その他の構成及び作用は、上記の図１から図７に示した第１の実施の形態と同様である。
【００６９】
なお、上記の各実施の形態では、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】
【００７０】
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、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、９６，９７  板部、９８  部分円筒部、１００  コイル周囲配置部、１０２  片側直線部、１０４  他側直線部、１０６  連結部、１０８  円弧部、１１０  インシュレータ、１１２  第２板部、１１４  半楕円部。
【図１】
2012143043.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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【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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