(57)【要約】【課題】かご型回転子と超電導コイルを集中巻した固定子からなる超電導モータを滑らかに運転すると共に高トルクとする。【解決手段】超電導線を集中巻して一次コイルとした固定子と、超電導線を貼り付けたかご型導体を設けた回転子が冷却容器に収容されるモータと、前記モータに取り付けられてモータの回転角度を検出する回転センサと、前記モータに電力を供給するモータ制御手段とを備え、前記モータの始動は、前記モータ制御手段が前記一次コイルに電力を供給することにより発生する回転磁界によって、前記かご型導体に誘導電流が発生して回転力を得ることにより行い、前記モータの始動後の運転は、前記モータ制御手段が前記回転センサで計測する回転角度に応じてモータ電流を制御することで行うことを特徴とする。【選択図】図１
2009303314.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超電導線を集中巻して一次コイルとした固定子と、超電導線を貼り付けたかご型導体を設けた回転子が冷却容器に収容されるモータと、
前記モータに取り付けられてモータの回転角度を検出する回転センサと、
前記モータに電力を供給するモータ制御手段と、
を備え、
前記モータの始動は、前記モータ制御手段が前記一次コイルに電力を供給することにより発生する回転磁界によって、前記かご型導体に誘導電流が発生して回転力を得ることにより行い、
前記モータの始動後の運転は、前記モータ制御手段が前記回転センサで計測する回転角度に応じてモータ電流を制御することで行うことを特徴とする超電導モータ装置。
【請求項２】
超電導線を集中巻して一次コイルとした固定子と、超電導線を貼り付けたかご型導体を設けた回転子が冷却容器に収容される超電導モータの運転制御方法であって、
前記モータに回転角度を検出する回転センサを取り付けると共に、前記モータに電力を供給するモータ制御手段を接続し、
前記モータの始動時には、前記モータ制御手段は前記一次コイルに電力を供給することで、該一次コイルに回転磁界が発生し、前記かご型導体に誘導電流が発生して回転力を得て始動し、
前記始動後は、前記モータ制御手段は前記回転センサで計測する回転角度に応じてモータ電流を制御し、前記回転磁界の同期速度と前記回転子の回転速度を一致させてモータを駆動することを特徴とする超電導モータの運転制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超電導モータ装置及び超電導モータの運転制御方法に関し、詳しくは、固定子及び回転子のコイルを超電導としたモータを運転制御するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、モータを高効率化、小型化及び高出力化するために様々な超電導モータが提供されている。例えば、本出願人は、特開２００５−２０４４９２号公報（特許文献１）において、固定子側と回転子側の両方に超電導材を用いたモータを提案している。該モータは、固定子のティース部及び回転子のティース部に超電導コイルを巻きつけ、少ない電力で大きい出力を得ることのできる高効率の構造としている。
【０００３】
特許文献１では回転子にも超電導コイルを巻きつけているが、回転子の構造をより簡単にするためにかご型回転子を用いる場合がある。かご型回転子の場合、超電導モータは誘導機と同様の原理で回転するが、誘導機では固定子のコイルは集中巻ではなく分布巻を用いることが多い。これは、集中巻にした場合には三相交流によって形成される回転磁界がきれいな正弦波とならずにトルクが十分に発生せず、モータを滑らかに回転させることができないからである。
【０００４】
しかし、超電導モータの場合、固定子の超電導コイルは集中巻としていることが多い。これは、超電導材がテープ状である場合、分布巻はティース部への巻き方が複雑であり分布巻を行うことができないからである。また、超電導材が金属系超電導線の場合には、分布巻を行うことはできるが、交流電流を流すと発熱により超電導特性を失いやすく、実用的でないからである。
このため、回転子をかご型回転子としても固定子の超電導コイルは集中巻をすることになり、モータを滑らかに回転させることができず、かつトルクを発生させることができないという問題がある。
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−２０４４９２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、前記問題に鑑みてなされたもので、かご型回転子と超電導コイルを集中巻した固定子からなる超電導モータであっても、滑らかに超電導モータを運転すると共に高トルクとすることを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記課題を解決するため、本発明は、超電導線を集中巻して一次コイルとした固定子と、超電導線を貼り付けたかご型導体を設けた回転子が冷却容器に収容されるモータと、
前記モータに取り付けられてモータの回転角度を検出する回転センサと、
前記モータに電力を供給するモータ制御手段と、
を備え、
前記モータの始動は、前記モータ制御手段が前記一次コイルに電力を供給することにより発生する回転磁界によって、前記かご型導体に誘導電流が発生して回転力を得ることにより行い、
前記モータの始動後の運転は、前記モータ制御手段が前記回転センサで計測する回転角度に応じてモータ電流を制御することで行うことを特徴とする超電導モータ装置を提供している。
【０００８】
前記構成によれば、回転子は超電導線を貼り付けたかご型導体を設けたかご型回転子であり、固定子は超電導線を集中巻した一次コイルを備えている。
モータの始動時には、モータ制御手段が固定子の一次コイルに電圧を印加することで、一次コイルに回転磁界が発生し、回転子のかご型導体に誘導電流が流れてトルクが発生し、回転子が回転する。即ち、モータは誘導機と同様の原理により回転する。
回転子のかご型導体にいったん誘導電流が流れると、かご型導体は超電導線で形成されているため、誘導電流は減衰せずに流れ続け、回転子は永久磁石で構成したものと等価となる。
【０００９】
モータの始動後は、モータ制御手段は回転センサから得る磁極位置と回転角度の情報に応じてモータの一次コイルに流すモータ電流を制御する。該制御により、回転磁界の同期速度と回転子の回転速度が一致するように回転子が回転する。即ち、モータは同期機と同様の原理により回転する。
【００１０】
このように、回転子をかご型回転子とし、固定子の超電導コイルを集中巻とした場合であっても、モータの始動時には誘導機として回転し、始動後は同期機として回転することで、高トルクを得ることができると共に高効率のモータとすることができる。
【００１１】
また、モータの回転中に急激に大きい負荷が加わった場合、従来の同期機においては回転磁界に追従して回転子が回転できなくなり脱調が生じる。しかし、本発明の超電導モータ装置では、回転子の回転角度を回転センサで検出してモータ制御手段で回転角度に合わせたモータ電流に制御するため、脱調が生じることがなく、モータの回転中に急激に大きい負荷が加わった場合であってもモータを制御することができる。
【００１２】
第２の発明として、超電導線を集中巻して一次コイルとした固定子と、超電導線を貼り付けたかご型導体を設けた回転子が冷却容器に収容される超電導モータの運転制御方法であって、
前記モータに回転角度を検出する回転センサを取り付けると共に、前記モータに電力を供給するモータ制御手段を接続し、
前記モータの始動時には、前記モータ制御手段は前記一次コイルに電力を供給することで、該一次コイルに回転磁界が発生し、前記かご型導体に誘導電流が発生して回転力を得て始動し、
前記始動後は、前記モータ制御手段は前記回転センサで計測する回転角度に応じてモータ電流を制御し、前記回転磁界の同期速度と前記回転子の回転速度を一致させてモータを駆動することを特徴とする超電導モータの運転制御方法を提供している。
【００１３】
前述したように誘導機の場合は一般的に固定子のコイルを分布巻とするが、同期機の場合は固定子のコイルは集中巻としてもモータは滑らかに回転し高トルクとなる。
従って、前記超電導モータの運転制御方法によれば、モータの始動時には誘導機として運転するが、始動後は同期機として運転しているため、固定子の超電導コイルを集中巻とした場合であってもモータの始動後においてモータを滑らかに回転させることができると共に、高トルクとすることができる。
【発明の効果】
【００１４】
前述したように、本発明の超電導モータ装置によれば、回転子をかご型とし、固定子の超電導コイルを集中巻とした場合として、モータの始動時には誘導機として回転し、始動後は同期機として回転することで、大きいトルクを得ることができ、高効率のモータとすることができる。
また、第２の発明であるモータの運転制御方法によれば、固定子の超電導コイルを集中巻とした場合であっても、モータの始動後においてはモータは同期機として回転するため、モータを滑らかに回転させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
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に本発明の実施形態を示す。
本発明の超電導モータ装置１０は、図１に示すように、モータ２０と、モータ２０に取り付けられた回転センサ３０と、モータ制御手段を構成するインバータ４０を備えている。
【００１６】
モータ２０は、図２に示すように回転子２１と、回転子２１の周囲に所定のギャップをあけて配置する固定子２２からなる。
固定子２２は、バックヨーク部２２ａと、該バックヨーク部２２ａから固定子内方へ突出するティース部２２ｂからなり、渦電流による鉄損を防止するために薄い板状のけい素鋼板を積層して形成している。ティース部２２ｂには帯状の超電導線を集中巻により巻きつけ、一次コイル２２ｃとしている。
【００１７】
回転子２１は、図３（Ａ）に示すように、鉄心部２１ａとかご型導体部２１ｂを回転軸２１ｃに一体に組み付けて構成している。
鉄心部２１ａは積層したけい素鋼板からなり、外周には予めスロットを形成している。
かご型導体部２１ｂは積層した鉄心部２１ａを締め付けた状態でスロット内に導体材料を流し込んで鉄心部２１ａと一体に形成しており、かご型導体部２１ｂは図３（Ｂ）に示すようにかご状に設けた導体バー２１ｄと、該導体バー２１ｄの両端に接続した環状のエンドリング２１ｅと、導体バー２１ｄ及びエンドリング２１ｅの固定子２２と対向する表面に貼り付けた帯状の超電導線２１ｆからなる。
【００１８】
モータ２０は冷却容器２３に収容している。冷却容器２３は、液体窒素からなる冷媒が充填されると共にモータ２０が収容される内槽２３ａと、該内槽２３ａが真空断熱層Ｓを介して収容される外槽２３ｂを備え、真空断熱層Ｓにはアルミニウムからなる多層断熱フィルム（図示せず）を収容している。前記内槽２３ａと外槽２３ｂは共にステンレスからなる。内槽２３ａ及び外槽２３ｂは配管を介して図示しない冷媒タンクと接続している。
【００１９】
回転センサ３０は、モータ２０の回転軸２１ｃに取り付けたレゾルバ等であり、回転子２１の磁極位置と回転角度を検出している。
インバータ４０はモータ２０の固定子２２の一次コイル２２ｃと接続すると共に３相交流電源４１と接続しており、３相交流電源４１から供給される電力を調整して一次コイル２２ｃに加えている。また、回転センサ３０と接続しており、モータ２０の始動後に回転センサ３０からの磁極位置と回転角度の情報を用いてモータ電流を制御している。
【００２０】
次に、モータ２０の運転方法について説明する。
モータ２０の始動時には、インバータ４０はモータ２０の一次コイル２２ｃに電圧を印加すると、一次コイル２２ｃに回転磁界が発生する。すると、回転子２１のかご型導体に誘導電流が流れてトルクが発生し、回転子２１は回転する。即ち、モータ２０は誘導機と同様の原理により回転する。
【００２１】
モータの始動において、インバータ４０はモータ２０に印加する電圧の周波数をゼロから少しずつ上げていく。回転センサ３０で検知した回転角度よりモータの回転数を演算し、モータ２０の回転数が定格回転数の「あるレベル」となるまで、誘導機と同様の原理によりモータ２０を回転している。なお、前記「あるレベル」とは、モータの用途・容量などによって最適値が異なるため、定量化できない。
【００２２】
回転子２１のかご型導体にいったん誘導電流が流れると、かご型導体は超電導線２１ｆで形成されているため誘導電流は減衰せずに流れ続ける。このため、回転子２１は永久磁石で構成したものと見なすことができる。
そこで、モータ２０の始動後、定格回転数の前記「あるレベル」となった後は、インバータ４０は回転センサ３０から得る磁極位置と回転角度の情報に応じてモータ２０の一次コイル２２ｃに流すモータ電流を演算し、該モータ電流が一次コイル２２ｃに流れるようにインバータ４０が一次コイル２２ｃに印加する電圧を制御する。このような制御により、回転子２１は一次コイル２２ｃに発生する回転磁界の同期速度に合わせた回転速度で回転する。即ち、モータ２０は同期機と同様の原理により回転する。
また、一次コイル２２ｃに印加する電圧の周波数を調整することで、始動後のモータ２０の回転速度を制御する。
【００２３】
本発明によれば、回転子２１をかご型とし、固定子２２の超電導コイルを集中巻とした場合であっても、モータ２０の始動時には誘導機として回転し、始動後は同期機として回転することで大きいトルクを得ることができ、高効率のモータ２０とすることができる。
また、モータ２０の回転中に急激に大きい負荷が加わった場合、従来の同期機においては回転磁界に追従して回転子２１が回転できなくなり脱調が生じる。しかし、本発明の超電導モータ装置１０では、回転センサ３０で回転子２１の回転角度を検出してインバータ４０で回転角度に合わせたモータ電流に制御するため、脱調が生じることがなく、モータ２０の回転中に急激に大きい負荷が加わった場合であってもモータ２０を制御することができる。
【００２４】
なお、本発明は前記実施形態に限定されず、本発明の特許請求の範囲内の種々の形態が含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明である超電導モータ装置の実施形態を示す全体的な概略構成図である。
【図２】冷却容器に収容されたモータの断面図である。
【図３】（Ａ）は回転子の斜視図、（Ｂ）は導体部の斜視図である。
【符号の説明】
【００２６】
１０  超電導モータ装置
２０  モータ
２１  回転子
２１ａ  鉄心部
２１ｂ  かご型導体部
２１ｆ  超電導線
２２  固定子
２２ｃ  一次コイル
２３  冷却容器
３０  回転センサ
４０  インバータ
【図１】
2009303314.tif 000003
【図２】
2009303314.tif 000004
【図３】
2009303314.tif 000005