JP4981156B2 - 超電導モータ - Google Patents

Description

本発明は、超電導モータに関し、特に、超電導線材からなるコイルを冷却する冷凍機を備えた超電導モータに関する。

昨今、車載の二次電池から電力を供給し、その電力により車載のモータを駆動して走行用動力を得る電気自動車（以下、ＥＶということがある）がＣＯ₂を排出しないゼロエミッションの観点から注目されている。走行用動力源としてエンジンとモータとを併用するハイブリッド電気自動車（以下、ＨＥＶということがある）も普及が急拡大しつつある。

上記のような電気自動車やハイブリッド車に搭載されるモータは、限られた狭いスペースに搭載されるために小型で且つ高出力であることが求められ、その出力性能を維持するにはモータの温度上昇を抑制すること、より具体的にはステータコイルの冷却が不可欠である。

これに関連する先行技術文献として、特開２０００−１２５５１２号公報（特許文献１）には、コイルエンド接触冷却型回転電機が開示されている。この回転電機では、ステータコイルの少なくともコイルエンドを、厚さ方向がステータコアの径方向に一致する姿勢でステータコアの端面から突出する細板状導体からなる各軸方向突出部を互いに径方向に重ねて構成している。そして、このコイルエンドの径方向最外側または径方向最内側の細板状導体の平坦な主面に電気絶縁されつつ直接に密着する平坦な冷却面を有する良熱伝導性の冷却部材を設けることによりコイルエンド部２ｄの冷却性を向上することが記載されている。

特開２０００−１２５５１２号公報

ところで、上記ＥＶやＨＥＶに搭載されるモータとして、超電導モータを用いることが考えられる。超電導モータは、超電導線材からなる複数のコイルを有しており、このコイルを所定の極低温（例えば７０Ｋ）に冷却して電流、厳密には直流電流を流すと電気抵抗が実質的にゼロになることから、モータひいてはＥＶ等の低電費化を図るうえで有望である。

しかし、冷凍機を用いて超電導モータのスタータコイルを冷却する場合、熱容量が大きいステータコア等のコイル以外の部材を介して超電導線材からなるコイルを所望の極低温に冷却すると、すべてのコイルを目標温度まで冷却するのに時間がかかることになる。また、冷凍機の冷却部をステータコアの外周面の一部にだけ接触させて冷却する構造では、その冷却位置から径方向に対向する位置にあるステータコアの部分およびそこに配置されたコイルまで一様に冷却するのは容易ではなく、各部の熱伝導率によっては周方向や軸方向に関して大きな温度勾配が発生することがある。

本発明の目的は、超電導線材からなる複数相のコイルを所望の極低温に効率よく迅速に冷却することができる超電導モータを提供することにある。

本発明に係る超電導モータは、回転可能に支持されたロータと、前記ロータの周囲に設けられ、超電導線材からなる複数のコイルがステータコア内周部に巻装されているステータと、前記コイルを冷却する冷却部を有する冷凍機とを備える超電導モータであって、前記複数のコイルは所定数ごとのコイルが直列接続されて複数相のコイルを構成し、前記複数相コイルの超電導線材からなる各一端部が互いに電気接続される中性点において前記各一端部が前記冷凍機の冷却部に直に接続されて接触していることを特徴とする。

本発明に係る超電導モータにおいて、前記複数相コイルの超電導線材からなる各一端部は前記冷凍機の冷却部に形成された嵌合穴に嵌入されて接続固定されていてもよい。

この場合、前記中性点において前記複数相コイルの超電導線材からなる各一端部は互いに接続された状態で１つの嵌合穴に嵌入されて前記冷凍機の冷却部に接続されるか、または、前記各一端部に対応する複数の嵌合穴にそれぞれ嵌入されることにより導電性部材である前記冷却部を介して前記各一端部が互いに電気接続されて前記中性点を構成してもよい。

また、本発明に係る超電導モータにおいて、前記中性点はモータ軸方向に関して前記コイルの軸方向端部であるコイルエンド部に設けられ、前記コイルエンド部において前記複数相コイルの各一端部が前記冷凍機の冷却部に接続されるよう前記冷凍機が配置されていてもよい。

また、本発明に係る超電導モータにおいて、前記複数のコイルのモータ軸方向端部に位置するコイルエンド部に接触して設けられる環状の伝熱部材を有し、前記冷凍機の冷却部は前記複数のコイルに接触して設けられると共に前記伝熱部材を介してコイルエンド部からも前記複数のコイルを冷却してもよい。

また、本発明に係る超電導モータは、三相交流モータであってもよい。

また、本発明に係る超電導モータにおいて、前記冷凍機は、シリンダ内で往復動するピストンにより膨張室内にある冷媒ガスを繰り返し圧縮および膨張させながら吸熱部材を介して前記冷媒ガスから吸熱および排熱して温度低下させ、これにより前記膨張室を内包する前記冷却部に所望の冷却温度を得ることができるスターリング冷凍機であってもよい。

さらに、本発明に係る超電導モータにおいて、前記冷凍機は、前記冷却部に連結されるガス圧縮機を有しており、前記ガス圧縮機は前記冷却部の中間部または前記冷却部と前記ガス圧縮機との境界に設けられる絶縁部材によって前記複数のコイルに接触する前記冷却部の先端から電気絶縁されていてもよい。

本発明に係る超電導モータによれば、冷凍機の冷却部が複数相コイルに接触して設けられていることにより、ステータコア等を介してではなく超電導線材からなる複数相コイルが直接的に冷却されるので、複数相コイルを所望の極低温まで効率よく迅速に冷却することができる。

本発明の第１の実施の形態（以下、実施形態という）である超電導モータの軸方向に沿った、一部側面を含む断面図である。 図１におけるＡ−Ａ線断面図である。 Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各相コイルが中性点で電気接続される状態を模式的に示す図である。 中性点を構成する各相コイルの各一端部の一例を示す図である。 図４Ａに示す中性点が冷凍機の冷却部に接続される状態を示す図である。 中性点において各相コイルの各一端部が図４Ｂとは異なる構成で冷凍機の冷却部に接続される状態を示す図である。 図５Ａ中の矢印Ｂ方向から見た様子を示す図である。 中性点において各相コイルの各一端部が図４Ｂおよび図５Ａ，５Ｂとは異なる構成で冷凍機の冷却部に接続される状態を示す図である。 冷凍機の冷却部の拡大側面図である。 冷凍機の冷却部の中間部に環状の絶縁部材を設けた例を示す断面図である。 冷凍機の冷却部の中間部に、絶縁抵抗を比較的大きくした環状の絶縁部材を設けた例を示す断面図である。 冷凍機の冷却部とガス圧縮機との境界に環状の絶縁部材を設けた例を示す断面図である。 複数の冷凍機を設けた第２の実施形態の超電導モータの軸方向に沿った一部側面を含む断面図である。 Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各相コイルが２つの中性点で電気接続される状態を模式的に示す図である。 第３の実施形態の超電導モータの軸方向に沿った、一部側面を含む断面図である。 第４の実施形態の超電導モータの軸方向に沿った、一部側面を含む断面図である。

以下に、本発明に係る実施の形態について添付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。

図１は、本発明の第１の実施形態である超電導モータ１０をその軸方向に沿った断面（一部側面を含む）で示す。また、図２は、図１におけるＡ−Ａ線に沿った断面図（ステータコアのハッチング省略）である。超電導モータ１０は、回転可能に支持されたロータ１２と、ロータ１２の外周を覆って設けられる略円筒状のステータ１４と、超電導モータ１０の軸方向一端面に固定された冷凍機１６とを備える。ここでの説明において、ロータ１２の中心を貫通するロータシャフト１８の回転中心軸Ｘに関し、これに沿う方向を軸方向（モータ軸方向）といい、回転中心軸Ｘと直交する放射方向を径方向といい、回転中心軸を中心点として上記放射方向を含む平面上に描かれる円形に沿う方向を周方向という。

ロータ１２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２０と、ロータコア２０の中心穴を貫通して固定された丸棒鋼材等からなるロータシャフト１８とを含む。ロータコア２０の外周面には、複数（本実施形態では６つ又は６箇所）の永久磁石２２が露出した状態で周方向に等間隔に固定されている。ただし、ロータコア２０に設けられる永久磁石は、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。

ロータ１２のロータシャフト１８は、その両端部１９ａ，１９ｂにおいて、超電導モータ１０の軸方向両端面を形成する円盤状のエンドプレート２４，２６に固定された軸受部材２８によって回転可能に支持されている。これにより、ステータ１４の内部に回転磁界が形成されると、これに伴ってロータコア２０の永久磁石２２がひきつけられて、ロータ１２が回転駆動されるようになっている。

ステータ１４は、略円筒状をなす固定子鉄心であるステータコア３０を含む。ステータコア３０の内周部には、径方向内側へ突出する複数（本実施形態では９つ）のティース部３２が周方向に等間隔に形成されており、ティース部３２間には軸方向に延伸する空間からなるスロット３３が形成いる。ステータコア３０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されることができる。ただし、ステータコア３０は、各々１つのティース部を有する９つの分割ステータ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構成されてもよい。上記分割ステータコアは、圧粉磁心により好適に形成されることができる。

ステータコア３０のティース部３２には、超電導線材からなるコイル３４が巻装されている。超電導線材は、矩形断面形状を有するテープ状のものが好適に用いられる。また、超電導線材を構成する超電導材料は、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などが用いられる。ただし、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。

コイル３４は、隣接するティース部３２間に形成されるスロット３３内に位置する部分３５と、ステータコア３０の軸方向両端面から外側へそれぞれ突出するコイルエンド部３６とを含む。たとえば三相同期型交流モータである超伝導モータ１０の各コイル３４は、２つ置きごとのコイル３４と直列接続されてＵ相，Ｖ相およびＷ相の各相コイルを構成する。

なお、本発明に係る超電導モータは、三相交流モータに限定されるものではなく、二相または四相等の複数相コイルを有する交流モータであってもよいし、あるいは、単相の交流モータまたは直流モータであってもよい。

図３に示すように、各相コイル３４Ｕ，３４Ｖ，３４Ｗの各一端部は、中性点７０において互いに電気接続され、各相コイル３４Ｕ，３４Ｖ，３４Ｗの他端部は各相電流導入端子７２Ｕ，７２Ｖ，７２Ｗにそれぞれ接続されている。中性点７０の構成、およびコイル３４を形成する超電導線材の構造については後述する。

図１，２を再び参照すると、超電導モータ１０は、円筒状のモータケース４０を有している。モータケース４０内に、ロータ１２およびステータ１４が収容されている。モータケース４０の軸方向の両端部は、エンドプレート２４，２６の外周縁部に気密状態で連結されている。モータケース４０およびエンドプレート２４，２６は、例えばステンレス等の非磁性材料から形成される。なお、モータケース４０は、エンドプレート２４または２６と一体のものとして形成されてもよい。

モータケース４０内には、各々円筒状をなす内筒部材４２および外筒部材４４がロータ１２と同心上に配置されている。内筒部材４２および外筒部材４４の軸方向両端部は、エンドプレート２４，２６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４２は、磁界の通過を妨げず且つ非導電性である非金属材料により形成されるのが好ましい。一方、外筒部材４４は、低熱伝導率材料（例えばＦＲＰ等）で形成されるのが好ましく、低熱伝導率の非磁性材料で形成されるのがより好ましい。

内筒部材４２は、ロータ１２のロータコア２０よりも若干大きい内径を有し、ロータコア２０の外周面との間に周方向に一様な隙間が形成されている。また、内筒部材４２と外筒部材４４との間には、筒状空間からなる第１真空室４６が形成されている。第１真空室４６内には、コイル３４を含むステータ１４が収容されている。ステータ１４のステータコア３０の外周面が、外筒部材４４の内周面上に密着して固定されている。

第1真空室４６は、冷凍機１６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２４，２６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、熱伝導率が低い内筒部材４２および外筒部材４４で区画形成し、かつ、内部を真空とすることで、第１真空室４６内に収容されたコイル３４を含むステータ１４への断熱性を高めることができる。

さらに、外筒部材４４とモータケース４０との間には、筒状空間からなる第２真空室４８が形成されている。第２真空室４８もまた、第１真空室４６と同様に真空状態になっている。これにより、第１真空室４６内に収容されたコイル３４を含むステータ１４が第２真空室４８によってモータ外部と隔てられることで、コイル３４を含むステータ１４に対する断熱効果をより一層高めることができる。

超電導モータ１０において、軸方向の一端側に位置するエンドプレート２４には冷凍機１６が設けられている。冷凍機１６は、気密状態を確保しつつエンドプレート２４の貫通穴の周囲に固定された筒状のブラケット５０を介して取り付けられている。

冷凍機１６は、シリンダ５２内でピストン５４が直線的に往復移動して冷媒ガス（例えば、Ｈｅガス）の圧縮および膨張を繰り返し行うガス圧縮機５６をそれぞれ有する。また、冷凍機１６は、筒状のブラケット５０内からエンドプレート２４の貫通穴を介して第１真空室４６まで延伸した段付き円柱状外形を有する冷却部５８を備える。冷却部５８の平坦な先端面は、伝熱部材６０を介してコイルエンド部３６に接触している。ここで、コイルエンド部３６と伝熱部材６０との間、および、伝熱部材６０と冷却部５８との間の少なくともいずれか一方に絶縁紙等の絶縁部材を介在させて、コイル３４と冷凍機１６，１７間の電気絶縁が確保されてもよい。

冷凍機１６は、超電導線材からなるコイル３４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、ピストン５４のストロークを制御することによって冷却温度を調節することができる。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１６は小型で軽量のものであることが好ましい。例えば、冷凍機１６には、蓄冷型であるスターリング冷凍機が好適に用いられる。

ここでスターリング冷凍機について簡単に説明する。スターリング冷凍機と、リニアモータ駆動によりシリンダ５２内で直線状に往復動するピストン５４を含む。さらに、シリンダ５４内には、上記ピストン５４と機械的に連結されていないもう１つのフリーピストン（図示しない）が配置されており、このフリーピストンとピストン５４との間に冷媒ガスが充填された圧縮室が区画形成されるとともに、上記フリーピストンとシリンダ５４の端面との間には冷媒ガスが充填された膨張室が区画形成される。そして、これら膨張室と圧縮室との間には熱伝達手段である吸熱部材が設けられており、上記ピストン５４の作動によって所定の位相差をもって往復動するフリーピストンによって膨張室内で圧縮・膨張が繰り返し行われる冷媒ガスから吸熱部材が吸熱して外部に排熱することにより、上記膨張室を内包する冷却部５８（蓄冷部とも呼ばれる）の先端が冷やされるようになっている。

なお、設置スペースおよ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であっても構わない。

冷凍機１６の冷却部５８の軸方向先端面が接触する伝熱部材６０は、例えば熱伝導性が良好な金属板で形成され、周方向に連なった円環状をなして軸方向一方側に位置する全てのコイルエンド部３６に接触している。一方、軸方向他方側に位置するコイルエンド部３６にも、同様の伝熱部材６０が配置されている。このように軸方向両端のコイルエンド部３６に円環状の伝熱部材６０がそれぞれ接触配置されていることで、周方向に配置される複数のコイル３４をコイルエンド部３６から迅速かつ均等に冷却するのに有効である。

伝熱部材６０のコイル対向面には、コイルエンド部３６が嵌合する凹部または溝が形成されている。このようにすることで、コイルエンド部３６と伝熱部材６０との接触面積が増加し、コイル３４の冷却効率を上げることができる。

また、伝熱部材６０は、絶縁性樹脂材料を成型することによってコイルエンド部３６に一体に形成されてもよい。これにより、コイル３４と冷凍機１６の冷却部５８間の電気絶縁性がより向上する。この場合、伝熱部材６０の熱伝導性を良好にするために、金属製の粒子または粉末を上記絶縁性樹脂材料に分散させるのが好ましい。

次に、図４Ａ，４Ｂを参照して上記中性点７０の構造およびコイル３４を構成する超電導線材７４について説明する。図４Ａは中性点７０を構成する各相コイル３４Ｕ，３４Ｗ，３４Ｗの各一端部７４Ｕ，７４Ｖ，７４Ｗの一例を示す図であり、図４Ｂは、図４Ａに示す中性点７０が冷凍機１６の冷却部５８に接続された状態を示す図である。

本実施形態のコイル３４は、矩形断面形状を有するテープ状または帯状の超電導線材７４が巻回されて構成されている。超電導線材７４は、基材７６、中間層７８、超電導層８０および被覆層８２をこの順序に積層して形成されている。

超電導線材７４は、例えば次のようにして製造される。基材７６には、例えばハステロイ製テープ基材が好適に用いられる。この基材７６を長手方向に一定速度で搬送しながら上記中間層７８、超電導層８０および被覆層８２が順次に積層および接合されていく。基材７６の表面には、例えばイオンビームアシスト蒸着法によって酸化物（例えば、Ｇｄ₂Ｚｒ₂Ｏ₇）からなる中間層７８が成膜される。次いで中間層７８の表面に、例えばイットリウム系酸化物またはビスマス系酸化物からなる超電導材料をパルスレーザ蒸着法によって成膜することにより超電導層８０が形成される。そして最後に、超電導層８０の表面に、例えば銀またはその合金をスパッタリングにより成膜して被覆層８２が形成される。被覆層８２は、超電導層８０を覆って保護する機能を有するとともに、コイルエンド部３６において伝熱部材６０と接触する表面を構成する。

なお、本発明における超電導線材を構成する各層の材質および積層方法は、上述したものに限定されず、公知の又は今後開発されるどのような材質および積層方法であってもよい。また、超電導線材は、矩形断面を有するものに限らず、通常の電線のように中央部に芯状の超電導材料が設けられてその周囲に樹脂等からなる絶縁被覆材が形成された丸線であってもよい。

図４Ａに示すように、上記各相コイル３４Ｕ，３４Ｖ，３４Ｗの各一端部７４Ｕ，７４Ｖ，７４Ｗは、コイル３４の軸方向一方側端部であるコイルエンド部３６に各矩形状端面が横並びにそろった状態、すなわち互いに接触した状態で引き出されて中性点７０を構成している。そして、中性点７０をなす各一端部７４Ｕ，７４Ｖ，７４Ｗは、伝熱部材６０に形成された開口部６１（図５Ｂ参照）を貫通して、図４Ｂに示すように冷凍機１６の冷却部５８の端部に形成された扁平矩形開口部を有する１つの嵌合穴５９に圧入されている。また、上記各一端部７４Ｕ，７４Ｖ，７４Ｗが嵌合穴５９に挿入された後に冷却部５８をかしめる等によって接続状態を強固にして、超電導線材７４が冷却部５８から抜け出るのを防止するのが好ましい。

このように本実施形態の超伝導モータ１０では、各相コイル３４Ｕ，３４Ｖ，３４Ｗを構成する超電導線材７４の各相端部７４Ｕ，７４Ｖ，７４Ｗを中性点７０において冷凍機１６の冷却部５８に接続して直に接触させている。これにより、各相コイル３４Ｕ，３４Ｖ，３４Ｗのコイル３４について、熱容量が大きいステータコア３０や、クライオスタット、ベアリング、ロータ等の他のモータ構成部材に冷却を分散させてしまうことなく、熱伝導性が良好な被覆材８２を介して超電導線材７４の超電導層８０を直接的に、効率よく、且つ迅速に冷却することができる。そのため、超電導モータ１０の始動時間の短時間化、および、冷凍機１６の消費電力の低減を図れる。

また、本実施形態の超電導モータ１０では、各相コイル３４Ｕ，３４Ｖ，３４Ｗはほぼ同一長さの超電導線材７４によって構成されることから、各相コイル３４Ｕ，３４Ｖ，３４Ｗを中性点７０から冷却することによって均等に冷却することができる。これにより、三相コイルのうちいずれか一相コイルの温度をセンサで検出して監視すれば、各相コイルの超電導状態を簡易に把握することができる。

さらに、本実施形態の超電導モータ１０では、冷凍機１６の冷却部５８に接触した環状の伝熱部材６０が周方向に均等配置された複数のコイル３４のコイルエンド部３６に接触して設けられているので、これによっても各コイル３４を軸方向両側のコイルエンド部３６から均等に且つ迅速に冷却する効果が向上する。

次に、図５Ａ，５Ｂを参照して中性点７０の別の構成について説明する。図５Ａは中性点７０において各相コイル３４Ｕ，３４Ｖ，３４Ｗの各一端部７４Ｕ，７４Ｖ，７４Ｗが図４Ｂとは異なる構成で冷凍機１６の冷却部５８に接続される状態を示す図であり、図５Ｂは図５Ａ中の矢印Ｂ方向から見た様子を示す図である。

図５Ａを参照すると、各相コイル３４Ｕ，３４Ｖ，３４Ｗの各一端部７４Ｕ，７４Ｖ，７４Ｗは、コイル３４の軸方向一方側端部であるコイルエンド部３６へ互いに接触していない状態で引き出されている。そして、各一端部７４Ｕ，７４Ｖ，７４Ｗは、図５Ｂに示すように、伝熱部材６０の開口部６１を貫通して、冷凍機１６の冷却部５８の端部に形成された３つの嵌合穴５９Ｕ，５９Ｖ，５９Ｗにそれぞれ圧入されている。嵌合穴５９Ｕ，５９Ｖ，５９Ｗは、冷却部５８の端面上に正三角形の三辺に略相当する位置に形成されている。また、上記各一端部７４Ｕ，７４Ｖ，７４Ｗが嵌合穴５９Ｕ，５９Ｖ，５９Ｗにそれぞれ挿入された後に冷却部５８をかしめる等によって接続状態を強固にして、超電導線材７４が冷却部５８から抜け出るのが防止されている。ここで、互いに接触しない状態で冷却部５８に接続される上記各相コイル３４Ｕ，３４Ｖ，３４Ｗの各一端部７４Ｕ，７４Ｖ，７４Ｗの配置は、上記のような略正三角形をなすものに限られず、他の配置、例えば図６に示すように間隔をあけて横一列（または縦一列）に配置されてもよい。

上記各相コイル３４Ｕ，３４Ｖ，３４Ｗの各一端部７４Ｕ，７４Ｖ，７４Ｗは、直接には電気接続されておらず、導電性部材である例えば銅製の冷却部５８を介して互いに電気接続されて中性点７０を構成している。三相交流モータにおいて三相コイルが互いに電気接続される中性点７０の電位は通常ではゼロであることから、上記のように導電性の冷却部５８を介して超電導線材７４の各一端部７４Ｕ，７４Ｖ，７４Ｗを互いに電気接続しても冷却部５８およびガス圧縮機５６に電流が流れることはない。ただし、例えばインバータのスイッチング素子のオープン故障等に起因してモータ電流に乱れが生じた場合に中性点電位がゼロでなくなることもあり得るので、そのようなときに冷却部５８からガス圧縮機５６へ電流が流れるのを防止するための絶縁部材または絶縁構造を設けてもよい。この絶縁部材については後述する。

このように互いに電気接続されていない状態で各相コイル３４Ｕ，３４Ｖ，３４Ｗの各一端部７４Ｕ，７４Ｗ，７４Ｗが冷凍機１６の冷却部５８に接触していても、各相コイル３４Ｕ，３４Ｖ，３４Ｗの冷却に関して上記と同様の作用効果を奏することができる。また、上記のように各一端部７４Ｕ，７４Ｖ，７４Ｗが互いに分離した状態で冷却部５８にそれぞれ圧入されていることで、すべての一端部７４Ｕ，７４Ｖ，７４Ｗが長手方向端面と四方周囲側面とで冷却部５８に接触することができるため、各相コイル３４Ｕ，３４Ｖ，３４Ｗに対するより均一で且つ高効率な冷却が可能になる。

なお、上記の超電導モータ１０では、各相コイル３４Ｕ，３４Ｖ，３４Ｗの各一端部７４Ｕ，７４Ｖ，７４Ｗを中性点７０において冷凍機１６の冷却部５８に接続して各コイル３４を中性点７０側から冷却する構成と、冷凍機１６の冷却部５８に接触する環状の伝熱部材６０を介して各コイル３４をコイルエンド部３６から冷却する構成の両方を備えるものとして説明したが、本発明に係る超電導モータはこれに限定されるものではなく、いずれか一方の構成によって各コイル３４を冷却するものとしてもよい。すなわち、中性点７０側から冷却する構成のみとすれば伝熱部材６０が省略されてもよく、他方、伝熱部材６０により冷却する構成のみとすれば各相コイル３４Ｕ，３４Ｖ，３４Ｗの各一端部７４Ｕ，７４Ｖ，７４Ｗが互いに電気接続される中性点７０を冷凍機１６の冷却部５８から離れた位置に設けてもよい。

また、上記においては各相コイル３４Ｕ，３４Ｖ，３４Ｗが互いに電気接続される中性点７０において冷凍機１６の冷却部５８を接触させるものとしたが、これに限定されず、中性点以外のコイルエンド部において冷凍機の冷却部を各相コイル間の電気絶縁を確保しつつ複数のコイルに接触させるものしてもよい。

さらに、上記においては各相コイル３４Ｕ，３４Ｖ，３４Ｗの各一端部７４Ｕ，７４Ｖ，７４Ｗを冷凍機１６の冷却部５８に嵌入して接触させるものとして説明したが、これに限定されるものではなく、熱伝達に寄与する接触面積が比較的小さくなるものの上記各一端部７４Ｕ，７４Ｖ，７４Ｗの長手方向等の一端面だけが冷凍機の冷却部に接触する構成としてもよい。

続いて、図７から図９を参照して冷凍機１６の絶縁構造について説明する。図７は、冷凍機１６の冷却部５８の拡大側面図である。図８Ａは、上記冷却部５８の中間部に環状の絶縁部材８４を設けた例を示す断面図である。図８Ｂは、上記冷却部５８の中間部に、絶縁抵抗を比較的大きくした環状の絶縁部材８４ａを設けた例を示す断面図である。図９は、ガス圧縮機５６と上記冷却部５８との境界に環状の絶縁部材８４ｂを設けた例を示す断面図である。

図７を参照すると、冷凍機１６は、ガス圧縮機５６と冷却部５８とから構成され、冷却部５８の先端部（図中の右側）において上記各相コイル各相コイル３４Ｕ，３４Ｖ，３４Ｗの中性点７０に接触している。冷却部５８は、先端部が閉じた段付き円筒形状をなしており、その軸方向（図中の左右方向）の中間部分に環状またはリング状の絶縁部材８４が組み込まれている。

図８Ａを参照すると、冷却器１６の冷却部５８は、例えば熱伝導性および導電性が良好な銅等から形成される先端部８６と、例えばステンレス製の円筒状の中間部材８８と、例えばセラミック等の絶縁材料で形成される短尺円筒状の絶縁部材８４と、フランジ部９２によりガス圧縮機５６に気密状態で連結される例えばステンレス製の円筒状の基端部９０とから構成される。上記先端部８６、中間部材８８、絶縁部材８４および基端部９０は、例えば金ろう、銀ろう、ニッケルろう等の金属ろうを用いて気密性を確保しつつそれぞれ接合されている。また、絶縁部材８４は、低熱伝導材料で形成されることが好ましく、セラミックの中でも特にアルミナによって好適に形成される。

このように冷却部５８について、コイル３４に接触する先端部８６とガス圧縮機５６に接続される基端部９０との間に絶縁部材８４からなる絶縁構造を設けることで、何らかの原因でモータ電流に乱れが生じて中性点７０の電位がゼロでなくなった場合でも、冷却部５８からガス圧縮機５６に大電流が流れるのを防止することができ、リニアモータ等を内蔵する冷凍機１６を保護することができる。

また、図８Ｂに示すように、内径を中間部材８８および基端部９０と同一にしつつ径方向外側へ迂回するように延面距離を長くした絶縁部材８４ａを用いれば、絶縁抵抗がより大きくなって絶縁性能がより向上する。

さらに、図９に示すように、冷却部５８の中間部分ではなく、冷却部５８の基端部９０が連結されるガス圧縮機５６の取付部５７と上記基端部９０との間に短尺筒状の絶縁部材８４ｂを配置して、冷却部５８とガス圧縮機５６との境界に絶縁構造を設けてもよい。このようにすれば金属ろうを用いての接合箇所が少なくなり、冷却部５８の製造が容易になるという利点がある。

次に、図１０，１１を参照して、本発明の第２の実施形態である超電導モータ１０ａについて説明する。ここでは、上述した第１の実施形態の超電導モータ１０と異なる構成およびその作用効果について主として説明することとし、同一または類似の構成要素には同一または類似の符合を付して重複することとなる説明を援用により省略する。

図１０は、本実施形態の超電導モータ１０ａの軸方向に沿った断面図（一部側面を含む）であり、図１１は図１０に示す超電導モータ１０ａにおいて、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各相コイル３４が２つの中性点７０ａ，７０ｂでそれぞれ電気接続される状態を模式的に示す図である。

本実施形態の超電導モータ１０ａは、冷凍機（以下、第１の冷凍機という）１６に加えて、もう１つの冷凍機（以下、第２の冷凍機）１７を備えている。第２の冷凍機１７は、軸方向の他端側に位置するエンドプレート２６に、第１の冷凍機１６と同様の構造で取り付けられている。

第１および第２の冷凍機１６，１７は、各ピストン５４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。すなわち、第１および第２の冷凍機１６，１７は、軸方向に対向して設けられている。そして、第１および第２の冷凍機１６，１７では、各ピストン５４が互いに反対方向に移動するようにガス圧縮機５６を駆動する。換言すれば、第１および第２の冷凍機１６，１７は、ピストン５４ｂによる圧縮ストロークと膨張ストロークとが互いに同期するように駆動される。このような配置および駆動にすることで、ピストン５４の移動によって第１および第２の冷凍機１６，１７が超電導モータ１０に及ぼす回転モーメントが相殺されて、振動や騒音を抑制できる。

また、超電導モータ１０ａは、図１１に示すように、２つの中性点７０ａ，７０ｂを有している。すなわち、各相コイル３４Ｕ，３４Ｖ，３４Ｗが２つのグループに分けられて並列に接続されており、一方のグループの各相コイル３４Ｕ，３４Ｖ，３４Ｗが第１の中性点７０ａにおいて互いに電気接続され、他方のグループの各相コイル３４Ｕ，３４Ｖ，３４Ｗが第２の中性点７０ｂにおいて互いに電気接続されている。そして、第１の中性点７０ａは上述した第１実施形態の超伝導モータ１０における中性点７０に対応し、第２の中性点７０ｂは軸方向他端側のコイルエンド部３６に設けられて第２の冷凍機１７の冷却部５８によって冷却されるようになっている。その他の構成は、上記超電導モータ１０と同様である。

このように本実施形態の超電導モータ１０ａでは、２つの冷凍機１６，１７によって、熱容量が大きいステータコア３０等を介在させることなく、各相コイル３４Ｕ，３４Ｖ，３４Ｗのコイル３４を軸方向両側の中性点７０ａ，７ｂから効率よく迅速に所望の極低温まで冷却することができる。そのため、超電導モータ１０ａの始動時間の短時間化、および、冷凍機の消費電力の低減を図れる。

また、超電導モータ１０ａでは、第１および第２の冷凍機１６，１７は、各ピストン５４の移動方向が同一直線上となるように配置され、かつ、各ピストン５４が互いに反対方向に移動するようにガス圧縮機５６が駆動されることで、ピストン５４の移動によって第１および第２の冷凍機１６，１７が超電導モータ１０に及ぼす回転モーメントが相殺されて振動や騒音を抑制できる。

次に、図１２を参照して第３の実施形態の超電導モータ１０ｂについて説明する。本実施形態の超電導モータ１０ｂは、上述した第２の実施形態の超電導モータ１０ａと冷凍機１６，１７の配置が異なるだけであるため、その相違点のみについて説明することとし、他の同一構成については同一符号を付して重複する説明を援用により省略する。

超電導モータ１０ｂでは、第１および第２の冷凍機１６，１７のガス圧縮機５６がモータケース４０の外周側壁上に取り付けられ、各ガス圧縮機５６からそれぞれ延伸する冷媒ガス流路管６２が各冷却部５８にそれぞれ接続されている。この場合においても、第１および第２の冷凍機１６，１７の各ピストン５４は互いに反対方向に移動するように駆動される。これ以外の構成は、上記超電導モータ１０ａと同様である。

本実施形態の超電導モータ１０ｂによれば、上記第２の実施形態の超電導モータ１０と同様の作用効果を奏するのに加えて、軸方向のモータ幅を小さくすることができ、車両搭載性を向上させることができる。

次に、図１３を参照して第４の実施形態である超電導モータ１０ｃについて説明する。本実施形態の超電導モータ１０ｃは、上述した第２の実施形態の超電導モータ１０ａと冷凍機１６，１７の配置が異なるだけであるため、その相違点のみについて説明することとし、他の同一構成については同一符号を付して重複する説明を援用により省略する。

超電導モータ１０ｃでは、第１および第２の冷凍機１６，１７が、１４ステータの径方向に対向する位置に配置されると共に、各ピストン５４が互いに同一方向に移動するようにガス圧縮機５６が駆動されるようになっている。この場合でも、第１および第２の冷凍機１６，１７内の各ピストン５４は、上記超電導モータ１０ａのように同一直線上ではないものの、軸方向に沿って往復移動する。これ以外の構成は、上記超電導モータ１０ａと同様である。

より詳細には、超電導モータ１０ｃでは、第１の冷凍機１６が、第２の冷凍機１７に対して周方向に１８０度ずれた位置において第２の冷凍機１７と対向して設けられている。この場合、第１の冷凍機１６のピストン５４が圧縮ストロークで図中右側へ移動するときには第２の冷凍機１７のピストン５４が膨張ストロークで図中右側へ移動し、第１の冷凍機１６のピストン５４が膨張ストロークで図中左側へ移動するときには第２の冷凍機１７のピストン５４が圧縮ストロークで図中左側へ移動するというように、各ピストン５４が互いに同一方向に移動する。このように第１および第２の冷凍機１６，１７のガス圧縮機５６が駆動されることで、ピストン５４の移動によって第１および第２の冷凍機１６，１７が超電導モータ１０ｂに及ぼす回転モーメントが相殺または減殺されて振動や騒音を抑制できる。

さらに、超電導モータ１０ｃでは、第１および第２の冷凍機１６，１７が径方向に対向する位置に設けられていることで、各冷却部５８もまた径方向に対向する位置（すなわち周方向に１８０度ずれた位置）で中性点７０ａ，７０ｂをそれぞれ構成するとともに伝熱部材６０に接触している。これにより、上記第２の実施形態の超電導モータ１０ａに比べて、周方向に配列された複数のコイル３４全体を所望の極低温まで一様に冷却するのに要する時間をより短縮することが可能になる。

なお、上記各実施形態の超電導モータ１０ａ，１０ｂ，１０ｃにおいては、２つの冷凍機１６，１７を用いて超電導線材からなるコイル３４を軸方向両側から冷却する構成としたが、本発明はこれに限定されるものではなく、３つ以上の冷凍機を用いてコイルを軸方向両側から冷却するようにしてもよい。

１０，１０ａ，１０ｂ，１０ｃ 超電導モータ、１２ ロータ、１４ ステータ、１６ 第１の冷凍機、１７ 第２の冷凍機、１８ ロータシャフト、２０ ロータコア、２２ 永久磁石、２４，２６ エンドプレート、２８ 軸受部材、３０ ステータコア、３２ ティース部、３３ スロット、３４ コイル、３４Ｕ，３４Ｖ，３４Ｗ 各相コイル、３５ スロット内に位置するコイル部分、３６ コイルエンド部、４０ モータケース、４２ 内筒部材、４４ 外筒部材、４６ 第１真空室、４８ 第２真空室、５０ ブラケット、５２ シリンダ、５４ ピストン、５６ ガス圧縮機、５８ 冷却部、５９，５９Ｕ，５９Ｖ，５９Ｗ 嵌合穴、６０ 伝熱部材、６２ 冷媒ガス流路管、７０，７０ａ，７０ｂ 中性点、７４ 超電導線材、７４Ｕ，７４Ｖ，７４Ｗ 各相コイルの一端部、７６ 基材、７８ 中間層、８０ 超電導層、８２ 被覆層、８４ 絶縁部材、８６ 先端部、８８ 中間部材、９０ 基端部、９２ フランジ部。

Claims (8)

1. 回転可能に支持されたロータと、前記ロータの周囲に設けられ、超電導線材からなる複数のコイルがステータコア内周部に巻装されているステータと、前記コイルを冷却する冷却部を有する冷凍機とを備える超電導モータであって、
   前記複数のコイルは所定数ごとのコイルが直列接続されて複数相のコイルを構成し、前記複数相コイルの超電導線材からなる各一端部が互いに電気接続される中性点において前記各一端部が前記冷凍機の冷却部に直に接続されて接触していることを特徴とする超電導モータ。
2. 請求項１に記載の超電導モータにおいて、
   前記複数相コイルの超電導線材からなる各一端部は前記冷凍機の冷却部に形成された嵌合穴に嵌入されて接続固定されていることを特徴とする超電導モータ。
3. 請求項２に記載の超電導モータにおいて、
   前記中性点において前記複数相コイルの超電導線材からなる各一端部は互いに接続された状態で１つの嵌合穴に嵌入されて前記冷凍機の冷却部に接続されるか、または、前記各一端部に対応する複数の嵌合穴にそれぞれ嵌入されることにより導電性部材である前記冷却部を介して前記各一端部が互いに電気接続されて前記中性点を構成することを特徴とする超電導モータ。
4. 請求項２または３に記載の超電導モータにおいて、
   前記中性点はモータ軸方向に関して前記コイルの軸方向端部であるコイルエンド部に設けられ、前記コイルエンド部において前記複数相コイルの各一端部が前記冷凍機の冷却部に接続されるよう前記冷凍機が配置されていることを特徴とする超電導モータ。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載の超電導モータにおいて、
   前記複数のコイルのモータ軸方向端部に位置するコイルエンド部に接触して設けられる環状の伝熱部材を有し、前記冷凍機の冷却部は前記複数のコイルに接触して設けられると共に前記伝熱部材を介してコイルエンド部からも前記複数のコイルを冷却することを特徴とする超電導モータ。
6. 請求項１から５のいずれか一項に記載の超電導モータにおいて、
   前記モータは三相交流モータであることを特徴とする超電導モータ。
7. 請求項１から６のいずれか一項に記載の超電導モータにおいて、
   前記冷凍機は、シリンダ内で往復動するピストンにより膨張室内にある冷媒ガスを繰り返し圧縮および膨張させながら吸熱部材を介して前記冷媒ガスから吸熱および排熱して温度低下させ、これにより前記膨張室を内包する前記冷却部に所望の冷却温度を得ることができるスターリング冷凍機であることを特徴とする超電導モータ。
8. 請求項１から７のいずれかに記載の超電導モータにおいて、
   前記冷凍機は、前記冷却部に連結されるガス圧縮機を有しており、前記ガス圧縮機は前記冷却部の中間部または前記冷却部と前記ガス圧縮機との境界に設けられる絶縁部材によって前記複数のコイルに接触する前記冷却部の先端から電気絶縁されていることを特徴とする超電導モータ。
   

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