JP4653648B2 - 誘導子型同期機 - Google Patents

Description

本発明は、誘導子型同期機に関し、詳しくは、界磁側の磁束を所要位置に誘導する磁性体（誘導子）を備えたものであって、電機子の極性変化と回転軸の回転とが同期して回転するモータまたは発電機に関するものである。

従来、特開昭５４−１１６６１０号公報や特開平６−８６５１７号公報に開示された発電機では、図２０に示すように、回転軸１が外筒となるブラケット２にベアリング３を介して貫通し、回転軸１に外嵌固定された継鉄４の外周に界磁巻線５を設けていると共に界磁巻線５の左右から交互に突出する爪形磁極６、７を設け、全体として回転子を形成している。一方、ブラケット２には、爪形磁極６、７に対向して固定子巻線８を設けている。また、界磁巻線５への電力供給は、スリップリング９を介して摺動自在に給電する構成としている。

前記構成によれば、スリップリング９を介して界磁巻線５に直流を供給することで界磁巻線５の図中右側にＮ極が発生し、図中左側にＳ極が発生する場合を考えると、右側から突出する爪形磁極６にＮ極が誘導され、左側から突出する爪形磁極７にＳ極が誘導される。即ち、回転軸１を中心として巻回された界磁巻線５を１つ設けるだけで、回転子の外周側に複数のＮ極およびＳ極を周方向の交互に発生させることが可能となる。

しかしながら、界磁巻線５は回転子の一部として形成されており、回転運動を行う界磁巻線５への給電はスリップリング９を介して摺動接触にて行わねばならず、構造が複雑化してしまうと共に、スリップリング９での接触摩耗による低寿命化の問題や、スリップリング９での摺動接触が不安定化すると給電も安定しないという問題がある。
特開昭５４−１１６６１０号公報 特開平６−８６５１７号公報

本発明は、前記問題に鑑みてなされたもので、コイルへの給電構造等を簡素化できるようにすることを課題としている。

前記課題を解決するため、本発明は、Ｎ極およびＳ極が同心円上に形成される界磁体を有する界磁側固定子と、
前記界磁体のＮ極に対向配置される磁性体からなるＮ極誘導子、および前記界磁体のＳ極に対向配置される磁性体からなるＳ極誘導子を有すると共に回転軸が固定された回転子と、
前記Ｎ極誘導子と前記Ｓ極誘導子に対向配置される電機子コイルを有する電機子側固定子とを備えていることを特徴とする誘導子型同期機を提供している。

前記構成とすると、界磁体と電機子コイルとの両方が固定子に取り付けられるので、コイルへの給電にスリップリング等の摺接部材を用いる必要がなくなり、構造を簡素化できると共に、スリップリング等での接触摩耗による低寿命化の問題や給電不安定の問題も解消することが可能となる。
なお、回転子が回転しても、Ｎ極誘導子は界磁側固定子のＮ極発生地点の円周上を移動すると共に、Ｓ極誘導子は界磁側固定子のＳ極発生地点の円周上を移動するので、各誘導子には一定の極性が誘導される。また、界磁側固定子と電機子側固定子とは別体であってもよいし一体であってもよい。

前記同期機をモータとして使用する場合には、電機子コイルの極性を周期的に変化させるように給電することで、Ｎ極誘導子およびＳ極誘導子と、電機子コイルとの間で吸引／反発力が発生して回転子が回転し、回転軸の駆動力が生成される。また、前記同期機を発電機として使用する場合には、回転軸の回転運動によりＮ極誘導子およびＳ極誘導子が軸線回りに回転して、電機子コイルに誘導電流が流れる。

前記界磁体は、前記回転軸を中心として軸線回りに巻回した界磁コイルとし、
前記界磁コイルの外周側あるいは内周側のいずれか一方に前記Ｎ極誘導子の一部を対向配置すると共に、いずれか他方に前記Ｓ極誘導子の一部を対向配置していると好ましい。

前記構成とすると、界磁コイルに直流を供給した場合に、界磁コイルの外周側あるいは内周側のいずれか一方にＮ極が発生し、いずれか他方にＳ極が発生することになり、Ｎ極とＳ極とを同心円上に発生させることが可能となる。よって、１つの界磁コイルだけでＮ極誘導子およびＳ極誘導子により複数極の界磁を発生させることができ、コイル巻回作業が簡素化でき製造効率が向上する。

また、前記界磁体は、前記回転軸の軸線回りに配置した永久磁石とし、
前記永久磁石のＮ極側に前記Ｎ極誘導子の一部を対向配置すると共に、前記永久磁石のＳ極側に前記Ｓ極誘導子の一部を対向配置してもよい。

前記構成とすると、界磁側固定子に永久磁石を配置すればよいだけであるため、誘導子型同期機の製造効率が向上すると共に、構造を簡素化することができる。
また、界磁体として永久磁石を用いても、本発明の誘導子型同期機を誘導子型モータとした場合、出力が１ｋＷ〜５ＭＷであれば十分に対応することができ、誘導子型同期機の小型化を図ることができる。

前記界磁体および前記電機子コイルの少なくとも一方を超電導材で形成していると好ましい。

各誘導子を構成する磁性体は、通常は空気に比べて３桁以上大きく、界磁体で生成される磁束は主に誘導子内を通過する。しかし、界磁体と各誘導子との間や各誘導子と電機子コイルとの間には所定の空隙（ギャップ）が設けられるために磁気抵抗が増大し、想定外の方向に磁束が流れる漏れ磁束が発生して、出力に寄与する磁束が小さくなる場合がある。
そこで、界磁体および電機子コイルの一方あるいは両方を超電導材で形成することで、発熱の心配がなく大電流を給電することが可能となり、発生する磁束を大幅に強化できる。よって、漏れ磁束が発生したとしても磁束全体が増加しているために出力に寄与する磁束も増大し、高出力化を図ることができる。また、超電導化を図ることで大電流密度が得られるため、界磁体および電機子コイルを小さくすることができ、同期機を小型軽量化できる。なお、超電導材としてはビスマス系やイットリウム系等の高温超電導材を用いると好適である。

また、所要の超電導性能を発揮させるため超電導材を冷却する構造を設ける場合を考えても、前述したように、界磁体と電機子コイルとの両方が固定子に取り付けられて動かないので、冷媒供給路やシール構造等の設計が簡単になり、冷却構造を簡素化することができる。

前記Ｎ極誘導子および前記Ｓ極誘導子の断面積は一端から他端まで一定としていると好ましい。
即ち、前記構成とすれば、界磁体で発生して各誘導子に導入された磁束が誘導子内で飽和しにくくなるので、電機子コイル側に効率良く磁束を導くことができる。

また、前記Ｎ極誘導子の断面積と前記Ｓ極誘導子の断面積とは略同一としていると好ましい。
即ち、各誘導子の断面積を均一にすることで、電機子コイルとの間で発生する吸引力／反発力が一定となり、回転子の回転バランスを安定化することができる。

また、前記同期機の具体的構造として、前記回転子の軸線方向の一側に所要の空隙をあけて前記界磁側固定子を対向配置すると共に、前記回転子の軸線方向の他側に所要の空隙をあけて前記電機子側固定子を対向配置し、
前記回転子に固定された前記回転軸を前記界磁側固定子および前記電機子側固定子に回転自在に貫通して架け渡し、
前記界磁体および前記電機子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、前記界磁側固定子あるいは前記電機子側固定子のいずれか一方を外周筒体とすると共に、前記外周筒体の内部に所要の空隙をあけて前記回転子を配置するラジアルギャップ構造としても好ましい。

以上の説明より明らかなように、本発明によれば、界磁体と電機子コイルとの双方がそれぞれ固定子に取り付けられるので、コイルへの給電にスリップリング等の摺接部材が不要となり、構造の簡素化、長寿命化、給電安定化を図ることができる。
また、界磁体（界磁コイル）および電機子コイルの一方あるいは両方を超電導材で形成することで、発熱の心配なく大電流を給電でき、磁束を大幅に強化できる。よって、漏れ磁束の発生があっても出力に寄与する磁束を増大でき、高出力化を実現できる。
さらに、Ｎ極誘導子およびＳ極誘導子の断面積は一端から他端まで一定とすれば、磁束が誘導子内で飽和しにくくなり、電機子コイル側に効率良く磁束を導くことができる。また、Ｎ極誘導子の断面積とＳ極誘導子の断面積とは略同一とすれば、電機子コイルとの間で発生する吸引力／反発力が一定となり、回転子の回転バランスを安定化できる。

本発明の実施形態を図面を参照して説明する。
図１は第１実施形態の誘導子型同期モータ（誘導子型同期機）１０を示す。
誘導子型同期モータ１０はアキシャルギャップ構造であり、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の順番に回転軸３４で貫通し、界磁側固定子１１、１５および電機子側固定子１３は設置面Ｇに固定すると共に回転軸３４と空隙をあけ、回転子１２、１４は回転軸３４に外嵌固定している。

界磁側固定子１１と界磁側固定子１５とは左右対称であり、図３（Ａ）（Ｂ）には一方の界磁側固定子１５について代表して記載している。
界磁側固定子１１、１５は、設置面Ｇに固定された磁性体からなるヨーク１６、２９と、ヨーク１６、２９に埋設された真空断熱構造の断熱冷媒容器１７、３０と、断熱冷媒容器１７、３０に収容された超電導材からなる巻線である界磁コイル１８、３１とを備えている。
ヨーク１６、２９は、中央に回転軸３４の外径より大きく穿設された遊嵌穴１６ｂ、２９ｂと、遊嵌穴１６ｂ、２９ｂを中心として円環状に凹設された溝部１６ａ、２９ａとを備えている。断熱冷媒容器３０には液体窒素を循環させた状態で界磁コイル１８、３１を収容しており、その断熱冷媒容器１７、３０を溝部１６ａ、２９ａに埋設している。
なお、ヨーク１６、２９は、パーメンダー、珪素鋼板、鉄、パーマロイ等の磁性体で形成している。また、界磁コイル１８、３１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。

回転子１２、１４は左右対称であり、図２（Ａ）〜（Ｄ）には一方の回転子１４について代表して記載している。
回転子１２、１４は、円盤形状で非磁性材料からなり回転軸の取付穴１９ａ、２６ａを有する支持部１９、２６と、取付穴１９ａ、２６ａを中心として点対称位置に埋設された一対のＳ極誘導子２１、２７と、Ｓ極誘導子２１、２７から９０°回転した位置に埋設された一対のＮ極誘導子２０、２８とを備えている。
Ｓ極誘導子２１、２７およびＮ極誘導子２０、２８は、電機子側固定子１３と対向する扇形状の一端面２０ａ、２１ａ、２７ａ、２８ａをそれぞれ同心円上の等間隔に配置すると共に互いに同一面積としている。

Ｓ極誘導子２１、２７の他端面２１ｂ、２７ｂは、界磁コイル１８、３１のＳ極発生位置に対向するように配置され、例えばＳ極誘導子２７の他端面２７ｂは、図３（Ｃ）および図４（Ｂ）に示すように、界磁コイル３１の外周側に対向配置される円弧状としている。
Ｎ極誘導子２０、２８の他端面２０ｂ、２８ｂは、界磁コイル１８、３１のＮ極発生位置に対向するように配置され、例えばＮ極誘導子２８の他端面２８ｂは、図３（Ｂ）および図４（Ｃ）に示すように、界磁コイル３１の内周側に対向配置される円弧状としている。

即ち、Ｓ極誘導子２１、２７およびＮ極誘導子２０、２８は、円弧状の他端面２０ｂ、２１ｂ、２７ｂ、２８ｂから軸線方向に向けて断面形状を変化させることで一端面２０ａ、２１ａ、２７ａ、２８ａでは扇形状となる立体形状としている。また、Ｓ極誘導子２１、２７およびＮ極誘導子２０、２８の断面積は、他端面２０ｂ、２１ｂ、２７ｂ、２８ｂから一端面２０ａ、２１ａ、２７ａ、２８ａまで一定としている。また、Ｓ極誘導子２０、２８の他端面２０ｂ、２８ｂは、Ｎ極誘導子２１、２７の他端面２１ｂ、２７ｂと同一面積としている。
なお、支持部２６は、ＦＲＰやステンレス等の非磁性材料で形成している。また、各誘導子２７、２８は、パーメンダー、珪素鋼板、鉄、パーマロイ等の磁性体で形成している。

電機子側固定子１３は、図１（Ａ）（Ｂ）に示すように、設置面Ｇに固定された非磁性体からなる支持部２２と、支持部２２に埋設された真空断熱構造の断熱冷媒容器２３と、断熱冷媒容器２３に収容された超電導材からなる巻線である電機子コイル２４とを備えている。
支持部２２は、中央に回転軸３４の外径より大きく穿設された遊嵌穴２２ｂと、遊嵌穴２２ｂを中心として周方向に等間隔に穿設された４つの取付穴２２ａとを備えている。断熱冷媒容器２３には液体窒素を循環させた状態で電機子コイル２４を収容していると共に電機子コイル２４の中空部には磁性体からなるフラックスコレクタ２５を配置している。内部に電機子コイル２４を収容した４つの断熱冷媒容器２３を各コイル取付穴２２ａにそれぞれ埋設している。
なお、フラックスコレクタ２５は、パーメンダー、珪素鋼板、鉄、パーマロイ等の磁性体で形成している。また、電機子コイル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。また、支持部２２は、ＦＲＰやステンレス等の非磁性材料で形成している。

界磁コイル１８、３１と電機子コイル２４には配線を介して給電装置３２が接続され、界磁コイル１８、３１には直流を供給すると共に、電機子コイル２４には三相交流を供給している。
断熱冷媒容器１７、２３、３０には断熱配管を介して液体窒素タンク３３が接続され、液体窒素を冷媒として循環している。

次に、誘導子型同期モータ１０の動作原理について説明する。
図１中右側の界磁コイル３１に直流を給電すると、外周側にＳ極が発生すると共に内周側にＮ極が発生する。すると、図４（Ａ）（Ｂ）に示すように、Ｓ極側の磁束が他端面２７ｂよりＳ極誘導子２７内に導入され、一端面２７ａにＳ極磁束が現れる。また、図４（Ａ）（Ｃ）に示すように、Ｎ極側の磁束は他端面２８ｂよりＮ極誘導子２８内に導入され、一端面２８ａにＮ極磁束が現れる。ここで、他端面２７ｂ、２８ｂは界磁コイル３１の内外周に沿った同心円上に配置されているので、回転子１４が回転してもＳ極誘導子２７の一端面２７ａには常にＳ極が現れ、Ｎ極誘導子２８の一端面２８ａには常にＮ極が現れることとなる。
同様の原理により、図１中左側の界磁コイル１８に直流を給電すると、回転子１２のＮ極誘導子２０の一端面２０ａには常にＮ極が現れ、Ｓ極誘導子２１の一端面２１ａには常にＳ極が現れる。

この状態から電機子コイル２４に三相交流を給電すると、三相間の給電位相ズレにより電機子側固定子１３の軸線回りに回転磁界が発生し、この回転磁界の影響で回転子１２、１４のＮ極誘導子２０、２８およびＳ極誘導子２１、２７に軸線回りの回転力が発生し、回転子１２、１４が回転して回転軸３４が回転駆動される。

以上の構成とすると、界磁コイル１８、３１が取り付けられた界磁側固定子１１、１５と、電機子コイル２４が取り付けられた電機子側固定子とは回転せず、各誘導子２０、２１、２７、２８が固定された回転子１２、１４のみが回転軸３４と共に回転するので、各コイル１８、３１への給電にスリップリング等の摺接部材が不要となり、給電構造の簡素化および給電安定化を図ることができると共に、モータの長寿命化にも貢献する。また、液体窒素タンク３３からの液体窒素の供給対象である断熱冷媒容器１７、２３、３０は、全てモータ動作中にも固定されて動かないので、冷媒供給路やシール構造等の設計が容易となり、冷却構造を簡素化することも可能となる。

また、界磁コイル１８、３１および電機子コイル２４を超電導材で形成しているので、大電流を給電でき磁束を大幅に強化できる。したがって、想定外の方向に磁束が流れる漏れ磁束の発生があっても、出力トルクに寄与する磁束を増大することができ、モータの高出力化を実現できる。
さらに、Ｎ極誘導子２０、２８およびＳ極誘導子２１、２７の断面積は他端面２０ｂ、２１ｂ、２７ｂ、２８ｂから一端面２０ａ、２１ａ、２７ａ、２８ａまで一定としているので、誘導子２０、２１、２７、２８内で磁束が飽和しにくく、電機子コイル２４側に効率良く磁束を導くことができる。
また、Ｎ極誘導子２０、２８の断面積とＳ極誘導子２１、２７の断面積とは同一であるので、電機子コイル２４との間で発生する吸引力／反発力が一定となり、回転子１２、１４の回転バランスが安定化する。

なお、界磁コイル１８、３１あるいは電機子コイル２４のいずれか一方は、銅線等の常電導材で形成してもよく、その場合には常電導線について冷却構造を不要とすることができる。また、本実施形態ではモータとしているが、同構造で発電機として利用してもよい。

図５乃至図９は、第１実施形態の変形例を示し、本変形例は界磁体を永久磁石とした点で第１実施形態と相違する。
図５及び図６に示す第１変形例では、リング状で、かつ、径方向の断面がコ字状の永久磁石３５、３６を同心円上にＮ極とＳ極が配置されるように界磁側固定子１１、１５のヨーク１６、２９に取り付けている。
詳細には、界磁側固定子１１（図５中、左側）のヨーク１６に、遊嵌穴１６ｂを中心として凹設された円環状の溝部１６ａに内周側がＳ極、外周側がＮ極となる永久磁石３５を取り付けている。
一方、界磁側固定子１５（図５中、右側）のヨーク２９に、遊嵌穴２９ｂを中心として凹設された円環状の溝部２９ａに内周側がＮ極、外周側がＳ極となる永久磁石３６を取り付けている。

図７に示す第２変形例では、界磁側固定子１１、１５のヨーク１６、２９に設けた溝部１６ａ、２９ａに、扇形に分割された複数の永久磁石３７、３８を周方向に隙間なく配置し、第１変形例の永久磁石と同形状となるようにしている。

図８に示す第３変形例も第２変形例のように、界磁側固定子１１、１５のヨーク１６、２９に設けた溝部１６ａ、２９ａに、分割された複数の永久磁石３７’、３８’を周方向に配置しているが、永久磁石３７’、３８’は扇形とせずに外周側の幅と内周側の幅を同一としている。よって、永久磁石３７’３８’は内周側では隙間なく配置されるが、外周側では隣接する永久磁石３７’、３８’間にそれぞれ隙間が設けられている。

図９に示す第４変形例では、リング状の永久磁石３５’、３６’の径方向の断面形状を前記第１〜第３変形例の永久磁石と相違させており、径方向の断面を矩形状としている。
第１変形例と同様、界磁側固定子１１（図９中、左側）のヨーク１６に、遊嵌穴１６ｂを中心として凹設された円環状の溝部１６ａに内周側がＳ極、外周側がＮ極となるよう永久磁石３５’を取り付ける一方、界磁側固定子１５（図９中、右側）のヨーク２９に、遊嵌穴２９ｂを中心として凹設された円環状の溝部２９ａに内周側がＮ極、外周側がＳ極となるよう永久磁石３６’を取り付けている。
なお、本変形例においても第２、第３変形例のように周方向に分割した永久磁石を用いてもよい。

前記構成の誘導子型同期モータでは、永久磁石のＳ極側の磁束がＳ極誘導子２１、２７内に導入され、これらＳ極誘導子２１、２７の一端面２１ａ、２７ａにＳ極磁束が現れると共に、永久磁石のＮ極側の磁束はＮ極誘導子２０、２８内に導入され、これらＮ極誘導子２０、２８の一端面２０ａ、２８ａにＮ極磁束が現れる。
この状態から電機子コイル２４に三相交流を給電すると、三相間の給電位相ズレにより電機子側固定子１３の軸線回りに回転磁界が発生し、この回転磁界の影響で回転子１２、１４のＮ極誘導子２０、２８およびＳ極誘導子２１、２７に軸線回りの回転力が発生し、回転子１２、１４が回転して回転軸３４が回転駆動される。

前記構成とすると、界磁側固定子１１、１５に永久磁石を配置すればよいだけであるため、誘導子型同期モータの製造効率が向上すると共に、界磁体への給電装置や冷却構造が不要となり構造を簡素化することができる。
また、界磁体として永久磁石を用いても、出力が１ｋＷ〜５ＭＷであれば十分に対応することができ、界磁体を第１実施形態のように超電導材からなるコイルとした場合と比較して誘導子型同期モータの小型化を図ることができる。
なお、以下の実施形態においても、本実施形態のように界磁体を永久磁石としてもよい。

図１０は第２実施形態を示す。
第１実施形態との相違点は、回転子４１、４４および電機子側固定子１３の数を増やしている点である。
即ち、第１実施形態の電機子側固定子１３と回転子１４との間に、回転子４１、電機子側固定子１３、回転子４４、電機子側固定子１３を追加している。

回転子４１、４４は、円盤形状で非磁性材料からなり回転軸３４の取付穴４１ａ、４５ａを有する支持部４１、４５と、取付穴４１ａ、４５ａを中心として周方向に等間隔に埋設された４つの磁性体からなる誘導子４３、４６とを備えている。誘導子４３、４６は、電機子側固定子１３のフラックスコレクタ２５と同一断面の円柱状としている。支持部４１、４５は、ＦＲＰやステンレス等の非磁性材料で形成している。また、各誘導子４１、４５は、パーメンダー、珪素鋼板、鉄、パーマロイ等の磁性体で形成している。

前記構成とすると、界磁コイル１８、３１は超電導材で形成され、発生する磁束が大幅に強化されて遠方まで届くため、両端の界磁側固定子１１、１５の間に多数の回転子１２、４１、４５を配置することでき、出力トルクを増強することが可能となる。
なお、他の構成は第１実施形態と同様であるので同一符号を付して説明を省略する。

図１１は第３実施形態を示す。
第１実施形態との相違点は、回転子１２、１４、電機子側固定子１３および界磁側固定子５１を増やしている点である。
即ち、第１実施形態の回転子１４と界磁側固定子１５との間に、界磁側固定子５１、回転子１２、電機子側固定子１３、回転子１４を追加している。

界磁側固定子５１は、設置面Ｇに固定された磁性体からなるヨーク５２と、ヨーク５２に埋設された真空断熱構造の断熱冷媒容器５４と、断熱冷媒容器５４に収容された超電導材からなる巻線である界磁コイル５３とを備えている。
ヨーク５２は、中央に回転軸３４の外径より大きく穿設された遊嵌穴５２ｂと、遊嵌穴５２ｂを中心として円環状に穿設された取付穴５２ａとを備えている。円環状の断熱冷媒容器５４には液体窒素を循環させた状態で界磁コイル５３を収容しており、その断熱冷媒容器５４を取付穴５２ａに埋設している。
なお、他の構成は第１実施形態と同様であるため同一符号を付して説明を省略する。

図１２は第４実施形態を示す。
第１実施形態との相違点は、回転子６０のＮ極誘導子６２とＳ極誘導子６３の数を増加している点である。
回転子６０は、円盤形状で非磁性材料からなり回転軸の取付穴６１ａを有する支持部６１と、取付穴６１ａを中心として周方向に交互に等間隔をあけて配置された各６個ずつのＮ極誘導子６２およびＳ極誘導子６３とを備えている。
Ｎ極誘導子６２の他端面６２ｂは、界磁コイル３１のＮ極発生位置である外周側に対向配置している。Ｓ極誘導子６３の他端面６３ｂは、界磁コイル３１のＳ極発生位置である内周側に対向配置している。Ｎ極誘導子６２およびＳ極誘導子６３の電機子側固定子１３と対向する一端面６２ａ、６３ａはそれぞれ同心円上の等間隔に配置している。また、Ｎ極誘導子６２およびＳ極誘導子６３の断面積は一端面６２ａ、６３ａから他端面６２ｂ、６３ｂまで一定とし、かつ、Ｎ極誘導子６２の断面積とＳ極誘導子７３の断面積とは略同一としている。
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１３乃至図１６は第５実施形態を示す。
第１実施形態との相違点は、ラジアルギャップ構造の誘導子型同期モータ７０としている点である。

電機子側固定子７１は、筒状部７４ａの内周面より周方向に等間隔をあけて突出した４つのティース部７４ｂを有する磁性体からなるヨーク７４と、ティース部７４ｂを囲む円環状で真空断熱構造の断熱冷媒容器７６と、断熱冷媒容器７６に収容された超電導材からなる巻線である電機子コイル７５とを備えている。

界磁側固定子７２は、電機子側固定子７１のヨーク７４に内嵌固定され、円盤状の磁性体からなるヨーク７７と、ヨーク７７に埋設された真空断熱構造の断熱冷媒容器７９と、断熱冷媒容器７９に収容された超電導材からなる巻線である界磁コイル７８とを備えている。ヨーク７７は、中央に回転軸８４の外径より大きく穿設された遊嵌穴７７ａと、遊嵌穴７７ａを中心として円環状に凹設された溝部７７ｂとを備えている。断熱冷媒容器７９には液体窒素を循環させた状態で界磁コイル７８を収容しており、その断熱冷媒容器７９を溝部７７ｂに埋設している。

回転子７３は、円盤状の非磁性材料からなり回転軸８４の取付穴８０ａを有する支持部８０と、取付穴８０ａを中心として点対称位置に埋設された一対のＮ極誘導子８１と、Ｎ極誘導子８１から９０°回転した位置に埋設された一対のＳ極誘導子８２とを備えている。
Ｎ極誘導子８１は、図１４および図１６に示すように、帯状の段差形状で、一端８１ａを界磁コイル７８のＮ極発生位置に沿って対向配置し、他端側外面８１ｂを電機子コイル７５に対向配置している。
Ｓ極誘導子８２は、図１５および図１６に示すように、帯状の折り返し形状で、一端８２ａを界磁コイル７８のＳ極発生位置に沿って対向配置し、他端側外面８２ｂを電機子コイル７５に対向配置している。また、Ｓ極誘導子８２の他端８２ｃは回転子７３の端面まで到達させず、かつ、Ｓ極誘導子８２を折り返し形状にすることで、界磁コイル７８のＮ極との距離を離して漏れ磁束が発生し難くなるようにしている。
また、Ｎ極誘導子８１およびＳ極誘導子８２は断面積を一定としており、かつ、互いの断面積を略同一としている。
なお、ヨーク７４、７７、Ｎ極誘導子８１およびＳ極誘導子８２は、パーメンダー、珪素鋼板、鉄、パーマロイ等の磁性体で形成している。また、支持部８０は、ＦＲＰやステンレス等の非磁性体で形成している。

界磁コイル７８と電機子コイル７５には配線を介して給電装置３２が接続され、界磁コイル７８には直流を供給すると共に、電機子コイル７５には三相交流を供給している。
断熱冷媒容器７６、７９には断熱配管を介して液体窒素タンク３３が接続され、液体窒素を冷媒として循環している。

次に、誘導子型同期モータ７０の動作原理について説明する。
界磁コイル７８に直流を給電すると、外周側にＮ極が発生すると共に内周側にＳ極が発生する。すると、図１４に示すように、Ｎ極側の磁束が他端面８１ａよりＮ極誘導子８１内に導入され、他端側外面８１ｂにＮ極磁束が現れる。また、図１５に示すように、Ｓ極側の磁束は他端面８２ａよりＳ極誘導子８２内に導入され、他端側外面８２ｂにＳ極磁束が現れる。
この状態から電機子コイル７５に三相交流を給電すると、給電位相ズレにより電機子側固定子７１の軸線回りの内周面に回転磁界が発生し、この回転磁界の影響でＮ極誘導子８１およびＳ極誘導子８２に軸線回りの回転力が発生し、回転子７３が回転して回転軸８４が回転駆動される。

図１７は第６実施形態を示す。
第５実施形態との相違点は、円柱状の界磁側固定子９０を略筒状の回転子９１でギャップをあけて包囲する構造としている点である。
なお、電機子側固定子７１は第５実施形態と同様であるため説明を省略する。

界磁側固定子９０は、円柱状の磁性体からなるヨーク９２と、ヨーク９２の外周に外嵌固定される円環状の真空断熱容器９４と、断熱冷媒容器９４に収容され軸線回りに巻回された超電導材からなる界磁コイル９３と、ヨーク９２の一端面の中心より側方に突出する固定軸９５とを備えている。
回転子９１は、９０°回転させた位置で界磁側固定子９０の左側を覆うように配置された磁性体からなる断面略コ字状のＳ極誘導子９７と、界磁側固定子９０の右側を覆うように配置された磁性体からなる断面略コ字状のＮ極誘導子９８と、Ｓ極誘導子９７とＮ極誘導子９８とを繋げて一体化するための非磁性材料からなる支持部９９、１００と、回転子９１の右側端面の中心より側方に突出する回転軸１０１とを備えている。

Ｓ極誘導子９７は、図１８に示すように、左側端面９７ａが界磁コイル９３のＳ極発生位置に対向配置され、外周面９７ｂが電機子側固定子７１の電機子コイル７５に対向配置される。また、左側端面９７ａの中心には固定軸９５より大径の遊嵌穴９７ｃを穿設している。
Ｎ極誘導子９８は、図１９に示すように、右側端面９８ａを界磁コイル９３のＮ極発生位置に対向配置され、外周面９８ｂが電機子コイル７５に対向配置される。また、右側端面９８ａの中心には回転軸１０１を固定している。

即ち、回転子９１の外周面にはＮ極とＳ極とが周方向に交互に現れる構成としている。また、Ｓ極誘導子９７およびＮ極誘導子９８は断面積を一定としており、かつ、互いの断面積を略同一としている。
なお、ヨーク９２、Ｓ極誘導子９７およびＮ極誘導子９８は、パーメンダー、珪素鋼板、鉄、パーマロイ等の磁性体で形成している。また、支持部９９、１００は、ＦＲＰやステンレス等の非磁性体で形成している。

次に、動作原理について説明する。
界磁コイル９３に直流を給電すると、図中右側にＮ極が発生すると共に左側にＳ極が発生する。すると、図１８に示すように、Ｓ極側の磁束が左側端面９７ａよりＳ極誘導子９７内に導入されて外周面９７ｂにＳ極磁束が現れる。また、図１９に示すように、Ｎ極側の磁束は右側側端面９８ａよりＮ極誘導子９８内に導入され外周面９８ｂにＮ極磁束が現れる。
この状態から図示しない電機子コイル７５に三相交流を給電すると、給電位相ズレにより電機子側固定子７１の軸線回りの内周面に回転磁界が発生し、この回転磁界の影響でＮ極誘導子９８およびＳ極誘導子９７に軸線回りの回転力が発生し、回転子９１が回転して回転軸１０１が回転駆動される。

（Ａ）は本発明の第１実施形態の誘導子型同期モータの断面図、（Ｂ）は９０°回転させた位置での断面図である。 （Ａ）は回転子の正面図、（Ｂ）は（Ａ）のＩ−Ｉ線断面図、（Ｃ）は背面図、（Ｄ）は（Ａ）のＩＩ−ＩＩ線断面図である。 （Ａ）は界磁側固定子の正面図、（Ｂ）は（Ａ）のＩ−Ｉ線断面図である。 （Ａ）は回転子および界磁側固定子を回転軸で貫通した状態の正面図、（Ｂ）は（Ａ）のＩ−Ｉ線断面図、（Ｃ）は（Ａ）のＩＩ−ＩＩ線断面図である。 （Ａ）は本発明の第１実施形態の第１変形例の誘導子型同期モータの断面図、（Ｂ）は９０°回転させた位置での断面図である。 （Ａ）（Ｂ）は第１変形例の界磁側固定子の正面図である。 （Ａ）（Ｂ）は第２変形例の界磁側固定子の正面図である。 （Ａ）（Ｂ）は第３変形例の界磁側固定子の正面図である。 （Ａ）は本発明の第１実施形態の第２変形例の誘導子型同期モータの断面図、（Ｂ）は９０°回転させた位置での断面図である。 第２実施形態の誘導子型同期モータの断面図である。 第３実施形態の誘導子型同期モータの断面図である。 （Ａ）は第４実施形態の回転子および界磁側固定子を回転軸で貫通した状態の正面図、（Ｂ）は（Ａ）のＩ−Ｉ線断面図、（Ｃ）は（Ａ）のＩＩ−ＩＩ線断面図である。 第５実施形態の誘導子型同期モータの断面図である。 図１３のＩ−Ｉ線断面図である。 図１３のＩＩ−ＩＩ線断面図である。 回転子の斜視図である。 第６実施形態の回転子および界磁側固定子を示す斜視図である。 回転子および界磁側固定子の断面図である。 図１８から９０°回転させた位置での断面図である。 従来例を示す図面である。

符号の説明

１０、４０、５０、７０ 誘導子型同期モータ
１１、１５、５１、７２、９２ 界磁側固定子
１２、１４、４１、４４、６０、７３、９１ 回転子
１３、７１ 電機子側固定子
１７、２３、３０、７６、７９ 真空断熱容器
１８、３１、７８、９３ 界磁コイル
２０、２８、６２、８１、９８ Ｎ極誘導子
２１、２７、６３、８２、９７ Ｓ極誘導子
２４、７５ 電機子コイル
３４、１０１ 回転軸
３５、３６、３５’、３６’、３７、３８、３７’、３８’ 永久磁石
９５ 固定軸
９９、１００ 支持部

Claims (8)

1. Ｎ極およびＳ極が同心円上に形成される界磁体を有する界磁側固定子と、
   前記界磁体のＮ極に対向配置される磁性体からなるＮ極誘導子および前記界磁体のＳ極に対向配置される磁性体からなるＳ極誘導子を有すると共に回転軸が固定された回転子と、
   前記Ｎ極誘導子と前記Ｓ極誘導子に対向配置される電機子コイルを有する電機子側固定子とを備えていることを特徴とする誘導子型同期機。
2. 前記界磁体は、前記回転軸の軸線回りに巻回した界磁コイルとし、
   前記界磁コイルの外周側あるいは内周側のいずれか一方に前記Ｎ極誘導子の一部を対向配置すると共に、いずれか他方に前記Ｓ極誘導子の一部を対向配置している請求項１に記載の誘導子型同期機。
3. 前記界磁体は、前記回転軸の軸線回りに配置した永久磁石とし、
   前記永久磁石のＮ極側に前記Ｎ極誘導子の一部を対向配置すると共に、前記永久磁石のＳ極側に前記Ｓ極誘導子の一部を対向配置している請求項１に記載の誘導子型同期機。
4. 前記界磁体および前記電機子コイルの少なくとも一方を超電導材で形成している請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の誘導子型同期機。
5. 前記Ｎ極誘導子および前記Ｓ極誘導子の断面積は一端から他端まで一定としている請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の誘導子型同期機。
6. 前記Ｎ極誘導子の断面積と前記Ｓ極誘導子の断面積とは略同一としている請求項５に記載の誘導子型同期機。
7. 前記回転子の軸線方向の一側に所要の空隙をあけて前記界磁側固定子を対向配置すると共に、前記回転子の軸線方向の他側に所要の空隙をあけて前記電機子側固定子を対向配置し、
   前記回転子に固定された前記回転軸を前記界磁側固定子および前記電機子側固定子に回転自在に貫通して架け渡し、
   前記界磁体および前記電機子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項に記載の誘導子型同期機。
8. 前記界磁側固定子あるいは前記電機子側固定子のいずれか一方を外周筒体とすると共に、前記外周筒体の内部に所要の空隙をあけて前記回転子を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項に記載の誘導子型同期機。

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