JP2016226138A - Superconducting motor and superconducting generator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、コイルを超伝導ワイヤーで形成した超伝導モーターと超伝導発電機とに関する。 The present invention relates to a superconducting motor having a coil formed of a superconducting wire and a superconducting generator.
超伝導モーターや超伝導発電機等の超伝導回転機は、第二種超伝導体が発見された後の１９６０年頃から開発が開始された。当初は、液体ヘリウム冷却による大出力の超伝導回転機の開発競争が世界的に行われていたが、近年では、高温超電導ワイヤーを用いた液体窒素冷却及び冷凍機による超伝導モーターの開発が各国で行われるようになっている。ところが、これらの超伝導回転機は、通常の回転機のコイルを超伝導ワイヤーに置き換えた構造のものであり、主に、銅損を低減することによって大きな出力が得られるようにすることを目的として開発されたものである。すなわち、これらの超伝導回転機は、超伝導体の性質を十分に利用したものとは言えず、その出力特性や冷却に必要なエネルギーを考慮した場合、必ずしも実用性の高いものとは言えなかった。 Development of superconducting rotating machines such as superconducting motors and superconducting generators began around 1960 after the discovery of type 2 superconductors. Initially, competition for the development of high-power superconducting rotating machines with liquid helium cooling was conducted worldwide. It is to be done in. However, these superconducting rotating machines have a structure in which a coil of a normal rotating machine is replaced with a superconducting wire, and the purpose is mainly to obtain a large output by reducing copper loss. It was developed as. That is, these superconducting rotating machines cannot be said to fully utilize the properties of superconductors, and are not necessarily highly practical when considering their output characteristics and energy required for cooling. It was.
このような実状に鑑みて、本発明者は、これまでに、特許文献１及び特許文献２の超伝導回転機を提案した。 In view of such a situation, the present inventor has so far proposed superconducting rotating machines of Patent Document 1 and Patent Document 2.
このうち、特許文献１の超伝導回転機は、円環状に形成した固定子の円環部分に、コイルを形成する線材（超伝導ワイヤー）を巻き付けたものとなっている。同文献の超伝導回転機は、回転子に設けられた永久磁石の磁場がコイルを流れる電流に及ぼすローレンツ力の利用効率（超伝導モーターの場合）や、回転子に設けられた永久磁石による変動磁場がコイルに発生させる電磁誘導作用の利用効率（超伝導発電機の場合）が高く、また、各相のコイルが円環上で同一方向に揃っており、自己誘導がキャンセルする構造となっているため、それまでの超伝導回転機と比較して、高速回転時でもトルクの減少が小さく、高い出力密度を実現できるものとなっていた。 Among these, the superconducting rotating machine of Patent Document 1 is obtained by winding a wire (superconducting wire) forming a coil around an annular portion of a stator formed in an annular shape. The superconducting rotator described in this document uses the Lorentz force utilization efficiency (in the case of a superconducting motor) that the magnetic field of the permanent magnet provided in the rotor affects the current flowing through the coil, and the fluctuation caused by the permanent magnet provided in the rotor. The use efficiency of electromagnetic induction generated by the magnetic field in the coil (in the case of a superconducting generator) is high, and the coils of each phase are aligned in the same direction on the ring, so that self-induction is cancelled. Therefore, compared with the conventional superconducting rotating machine, torque reduction is small even at high speed rotation, and high power density can be realized.
しかし、特許文献１の超伝導回転機は、固定子の円環部分の断面が真円を為しており、固定子が厚みを有する構造となっていた。このため、同文献の超伝導回転機では、コイルの自己インダクタンスを他相からの相互インダクタンスを利用してキャンセルさせるために極数を多くする必要があった。したがって、同文献の超伝導回転機では、構造が複雑になるだけでなく、駆動周波数を高くする必要が生じ、渦電流損失の増加による発熱が問題となりやすかったため、固定子の円環部分に熱伝導率の高い金属を使用することができなかった。にもかかわらず、同文献の超伝導回転機では、回転子と固定子との隙間（ギャップ）を広く確保しにくく、当該隙間に、断熱効果の高い断熱材を配するといったことも困難であったため、コイルが設けられた固定子の冷却効率や断熱効率を高めにくいという問題があった（超伝導回転機では、コイルを冷却するために固定子を冷却し、固定子をコイルとともに断熱状態に保つことが行われている。）。 However, the superconducting rotating machine of Patent Document 1 has a structure in which the cross section of the annular portion of the stator forms a perfect circle, and the stator has a thickness. For this reason, in the superconducting rotating machine of the same document, it is necessary to increase the number of poles in order to cancel the self-inductance of the coil by utilizing the mutual inductance from the other phase. Therefore, in the superconducting rotating machine of the same document, not only the structure is complicated, but it is necessary to increase the driving frequency, and heat generation due to an increase in eddy current loss tends to be a problem. A metal with high conductivity could not be used. Nevertheless, in the superconducting rotating machine of the same document, it is difficult to secure a wide gap between the rotor and the stator, and it is also difficult to arrange a heat insulating material having a high heat insulating effect in the gap. Therefore, there is a problem that it is difficult to increase the cooling efficiency and heat insulation efficiency of the stator provided with the coil (in a superconducting rotating machine, the stator is cooled in order to cool the coil, and the stator is brought into a heat insulation state together with the coil. Is being done.)
一方、特許文献２の超伝導回転機は、回転子と固定子との隙間（ギャップ）が回転子の回転中心線（アックス）に平行な方向に形成されたいわゆる「アキシャルギャップ型」と呼ばれる構造を有している。同文献の超伝導回転機では、固定子を平板状に形成するとともに、略半円状に巻かれたコイルを固定子の両面に固定している。同文献の超伝導回転機は、上述した特許文献１の超伝導回転機と比較して、固定子の冷却効率や断熱効率を高めやすい構造となっている。また、特許文献２の超伝導回転機では、コイルが固定子の両側に配されているため、理論的には、各相のコイルの自己インダクタンスによる誘導電流をキャンセルすることも可能となっている。 On the other hand, the superconducting rotating machine of Patent Document 2 has a so-called “axial gap type” structure in which a gap (gap) between the rotor and the stator is formed in a direction parallel to the rotation center line (ax) of the rotor. have. In the superconducting rotating machine of the same document, the stator is formed in a flat plate shape, and coils wound in a substantially semicircular shape are fixed to both surfaces of the stator. Compared with the superconducting rotating machine disclosed in Patent Document 1 described above, the superconducting rotating machine disclosed in this document has a structure in which the cooling efficiency and heat insulating efficiency of the stator can be easily increased. Moreover, in the superconducting rotating machine of Patent Document 2, since the coils are arranged on both sides of the stator, it is theoretically possible to cancel the induced current due to the self-inductance of the coils of each phase. .
しかし、特許文献２の超伝導モーターは、略半円状に巻かれたコイルの一部（平面的・二次元的に巻かれたコイルの片面側）しか固定子に接触させることができず、コイルと固定子との接触面積が小さいため、コイルの熱的安定性が乱れやすく、コイルの臨界電流が低減しやすいものとなっていた。また、同文献の超伝導モーターは、コイルにおける円弧状に延びる部分に流れる電流に作用するローレンツ力の反力が回転子を回転させる向きに作用しないため、ローレンツ力の利用効率が低いものとなっていた。ローレンツ力の利用効率を高めることだけを考慮するならば、極数を増加させればよいが、この場合には、磁束密度が低下するだけでなく、駆動周波数を高くする必要が生じ、誘導及びヒステリシス損失の増加による発熱が問題となりやすくなる。この発熱の問題を解決するために、固定子を熱伝導性に優れた金属で形成したとしても、固定子自身に誘導電流が流れてしまい、発熱が引き起こされてしまう。また、出力効率の低下も引き起こされる。このため、同文献の超伝導回転機は、出力効率等について、他の超伝導回転機と比較して大きな優位性を有するものとは言い難かった。 However, in the superconducting motor of Patent Document 2, only a part of the coil wound in a substantially semicircular shape (one side of the coil wound two-dimensionally or two-dimensionally) can be brought into contact with the stator. Since the contact area between the coil and the stator is small, the thermal stability of the coil is likely to be disturbed, and the critical current of the coil is likely to be reduced. Further, the superconducting motor of the same document has low utilization efficiency of the Lorentz force because the reaction force of the Lorentz force acting on the current flowing in the arc-shaped portion of the coil does not act in the direction of rotating the rotor. It was. If only increasing the utilization efficiency of the Lorentz force is considered, the number of poles may be increased. However, in this case, not only the magnetic flux density is lowered, but also the driving frequency needs to be increased, and induction and Heat generation due to increased hysteresis loss tends to be a problem. In order to solve this problem of heat generation, even if the stator is made of a metal having excellent thermal conductivity, an induced current flows through the stator itself, which causes heat generation. Also, the output efficiency is reduced. For this reason, it is difficult to say that the superconducting rotating machine of the same document has a great advantage in terms of output efficiency and the like compared to other superconducting rotating machines.
本発明は、上記課題を解決するために為されたものであり、出力効率に優れた超伝導回転機（超伝導モーター又は超伝導発電機）を提供するものである。具体的には、固定子に設けられたコイルの熱的安定性を高め、コイルの臨界電流の低減を抑えることを目的としている。また、ローレンツ力の利用効率（超伝導モーターの場合）や電磁誘導作用の利用効率（超伝導発電機の場合）を高めることも本発明の目的である。さらに、コイルの自己インダクタンスを抑えることも本発明の目的である。さらにまた、各相のコイルの自己インダクタンスによる誘導電流の影響を抑えることも本発明の目的である。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and provides a superconducting rotating machine (superconducting motor or superconducting generator) having excellent output efficiency. Specifically, it is intended to increase the thermal stability of the coil provided in the stator and suppress the reduction of the critical current of the coil. It is also an object of the present invention to increase the utilization efficiency of Lorentz force (in the case of a superconducting motor) and the utilization efficiency of electromagnetic induction action (in the case of a superconducting generator). Further, it is an object of the present invention to suppress the self-inductance of the coil. Furthermore, it is an object of the present invention to suppress the influence of the induced current due to the self-inductance of each phase coil.
上記課題は、
永久磁石が設けられた一対の回転子と、
超伝導ワイヤーで形成されたコイルが相ごとに設けられた固定子と、
を備え、
永久磁石による磁場がコイルを流れる電流に及ぼすローレンツ力の反力によって、固定子の両側に配された一対の回転子が回転するようにした、
アキシャルギャップ型の超伝導モーターであって、
一方の回転子に設けられた永久磁石と他方の回転子に設けられた永久磁石とが、同極が向き合うように対向配置されるとともに、
固定子が、回転子の回転中心線に対して略垂直な平板環状を為す磁性体コアを備えたものとされ、
コイルを形成する超伝導ワイヤーを磁性体コアの両面側（磁性体コアにおける一方の回転子を向く面側、及び、磁性体コアにおける他方の回転子を向く面側）で前記磁場に対して略直交させた状態で磁性体コアの環状部分に巻き付けることにより、コイルが固定子に固定された、
ことを特徴とする超伝導モーター
を提供することによって解決される。
The above issues
A pair of rotors provided with permanent magnets;
A stator in which coils formed of superconducting wires are provided for each phase;
With
A pair of rotors arranged on both sides of the stator are rotated by the reaction force of the Lorentz force exerted on the current flowing through the coil by the magnetic field generated by the permanent magnet.
Axial gap type superconducting motor,
A permanent magnet provided on one rotor and a permanent magnet provided on the other rotor are arranged opposite to each other so that the same pole faces each other,
The stator is provided with a magnetic core that forms a flat plate ring substantially perpendicular to the rotation center line of the rotor,
The superconducting wire forming the coil is substantially the same as the magnetic field on both sides of the magnetic core (the side facing the one rotor in the magnetic core and the side facing the other rotor in the magnetic core). The coil was fixed to the stator by winding it around the annular part of the magnetic core in a state of being orthogonal.
This is solved by providing a superconducting motor characterized by:
本発明の超伝導モーターは、高い出力効率を発揮することが可能なものとなっている。 The superconducting motor of the present invention is capable of exhibiting high output efficiency.
すなわち、本発明の超伝導モーターでは、コイルを形成する超伝導ワイヤーにおける磁性体コアの両面側に位置する部分に流れる電流に作用するローレンツ力の反力が、回転子を回転させる向きに作用するところ、磁性体コアを平板状に形成したことによって、コイルを形成する超伝導ワイヤーにおける磁性体コアの両面側に位置する部分の割合が大きくなっている。このため、ローレンツ力の利用効率を高めることが可能となっている。 That is, in the superconducting motor of the present invention, the reaction force of the Lorentz force acting on the current flowing through the portions of the superconducting wire forming the coil located on both sides of the magnetic core acts in the direction in which the rotor is rotated. However, since the magnetic core is formed in a flat plate shape, the ratio of the portions located on both sides of the magnetic core in the superconducting wire forming the coil is increased. For this reason, it is possible to increase the utilization efficiency of the Lorentz force.
また、本発明の超伝導モーターでは、コイルは、平板状の磁性体コアに巻き付けられるため、コイルの断面形状を細長くして、コイルの断面積を小さくし、コイルの自己インダクタンスを小さくすることができる（コイルの自己インダクタンスは、コイルの断面積に比例する。）。加えて、磁性体コアを周回方向に分割する各位置に各相のコイルを設ければ、各相のコイルに生ずる自己インダクタンスの大部分がキャンセルされるようにすることもできる。このため、各相のコイルの自己インダクタンスによる誘導電流の影響を抑えることが可能になる。よって、本発明の超伝導モーターを、各相のコイルの自己インダクタンスによる誘導電流の影響がない「超伝導無誘導モーター」とすることもできる。 In the superconducting motor of the present invention, since the coil is wound around the flat magnetic core, the coil cross-sectional shape can be elongated, the coil cross-sectional area can be reduced, and the coil self-inductance can be reduced. (The self-inductance of the coil is proportional to the cross-sectional area of the coil). In addition, if each phase coil is provided at each position where the magnetic core is divided in the circumferential direction, most of the self-inductance generated in each phase coil can be canceled. For this reason, it becomes possible to suppress the influence of the induced current due to the self-inductance of the coil of each phase. Therefore, the superconducting motor of the present invention can be a “superconducting non-inductive motor” that is not affected by the induced current due to the self-inductance of the coil of each phase.
さらに、本発明の超伝導モーターでは、磁性体コアの環状部分における所定区間に亘ってコイルを多数回巻き付ければ（立体的・三次元的に巻き付ければ）、その分、コイルと固定子との接触面積を増大させ、コイルの熱的安定性を高めることができるようになっている。このため、コイルの臨界電流の低減を抑えることも可能となっている。 Furthermore, in the superconducting motor of the present invention, if the coil is wound many times (three-dimensionally and three-dimensionally) over a predetermined section in the annular portion of the magnetic core, the coil, the stator, The contact area of the coil can be increased, and the thermal stability of the coil can be improved. For this reason, it is also possible to suppress a reduction in the critical current of the coil.
さらにまた、本発明の超伝導モーターでは、一方の回転子に設けられた永久磁石と他方の回転子に設けられた永久磁石とを、磁性体コアを挟んで、同極が向き合うように対向配置したことにより、永久磁石による磁場をモーターギャップ（固定子とそれぞれの回転子との隙間）内に均一に発生させることができるようになっている。このため、コイルを形成する超伝導ワイヤーにおける磁性体コアの両面側に位置する部分の略全体に、磁場が略垂直に加わるようにし、ローレンツ力の利用効率をさらに高めることができる。加えて、回転子の表面における磁場の強度のモーターギャップ依存度が小さくなるため、モーターギャップを広く確保することもできる。したがって、モーターギャップに、多層構造を有するスーパーインシュレーター等、断熱効果の高い断熱材を配することも容易で、固定子の冷却効率や断熱効率を高めることも可能となっている。 Furthermore, in the superconducting motor of the present invention, the permanent magnet provided on one rotor and the permanent magnet provided on the other rotor are arranged opposite to each other so that the same poles face each other across the magnetic core. As a result, the magnetic field generated by the permanent magnet can be uniformly generated in the motor gap (the gap between the stator and each rotor). For this reason, it is possible to apply a magnetic field substantially vertically to substantially the entire portion of the superconducting wire forming the coil located on both sides of the magnetic core, thereby further increasing the utilization efficiency of the Lorentz force. In addition, since the motor gap dependency of the magnetic field strength on the surface of the rotor is reduced, a wide motor gap can be secured. Therefore, it is easy to arrange a heat insulating material having a high heat insulating effect such as a super insulator having a multilayer structure in the motor gap, and it is also possible to increase the cooling efficiency and heat insulating efficiency of the stator.
本発明の超伝導モーターにおいて、磁性体コアに用いる磁性体は、渦電流損失とヒステリシス損失が極めて小さい磁性体を用いると好ましい。具体的には、磁性体コアにおけるヒステリシス損失及び渦電流損失をコイル冷却手段による冷却能力を超えない範囲に抑えることができる磁性体によって磁性体コアを形成すると好ましい。より具体的には、冷却に必要なエネルギーを考慮すると、使用条件下において最大損失が１０ｋＷ／ｍ３程度以下の磁性体によって磁性体コアを形成すると好ましい。これにより、回転子を高速回転させる場合においても、高い出力効率を維持することが可能になる。これは、従来の超伝導モーターにおいては、非常に困難であると考えられていたことである。 In the superconducting motor of the present invention, it is preferable that the magnetic material used for the magnetic core is a magnetic material having extremely small eddy current loss and hysteresis loss. Specifically, it is preferable that the magnetic core is formed of a magnetic body that can suppress hysteresis loss and eddy current loss in the magnetic core within a range not exceeding the cooling capacity of the coil cooling means. More specifically, in consideration of energy required for cooling, it is preferable to form the magnetic core with a magnetic body having a maximum loss of about 10 kW / m 3 or less under use conditions. As a result, high output efficiency can be maintained even when the rotor is rotated at a high speed. This was considered to be very difficult in the conventional superconducting motor.
本発明の超伝導モーターにおいては、コイルを冷却するためのコイル冷却手段を固定子に設けることも好ましい。この場合、コイル冷却手段の具体的な構成は、特に限定されないが、例えば、以下の構成を採用すると好ましい。すなわち、コイル冷却手段を、固定子の板厚方向中間部を形成する冷却用金属板と、冷却用金属板に冷熱を供給するための冷熱供給源とで構成し、磁性体コアを、冷却用金属板における一面側に固定された第一の磁性体コアと、冷却用金属板における他面側に固定された第二の磁性体コアとで構成し、コイルを形成する超伝導ワイヤーを、第一の磁性体コアにおける一面側と第二の磁性体コアにおける他面側とを往来するように磁性体コアの環状部分に巻き付けると好ましい。これにより、磁性体コア（第一の磁性体コア及び第二の磁性体コア）を冷却用金属板で効率的に冷却しながらも、永久磁石の磁場が冷却用金属板に当たりにくくし、渦電流損失を抑えることが可能となっている。 In the superconducting motor of the present invention, it is also preferable to provide a coil cooling means for cooling the coil in the stator. In this case, the specific configuration of the coil cooling means is not particularly limited. For example, it is preferable to adopt the following configuration. That is, the coil cooling means is composed of a cooling metal plate that forms an intermediate portion in the plate thickness direction of the stator and a cooling heat supply source for supplying cooling energy to the cooling metal plate, and the magnetic core is used for cooling. A superconducting wire comprising a first magnetic core fixed to one side of the metal plate and a second magnetic core fixed to the other side of the cooling metal plate, forming a coil, It is preferable to wrap around the annular portion of the magnetic core so that the one surface side of the one magnetic core and the other surface side of the second magnetic core come and go. As a result, the magnetic core (the first magnetic core and the second magnetic core) is efficiently cooled by the cooling metal plate, but the magnetic field of the permanent magnet is less likely to hit the cooling metal plate, and the eddy current Loss can be suppressed.
また、上記課題は、
永久磁石が設けられた一対の回転子と、
超伝導ワイヤーで形成されたコイルが相ごとに設けられた固定子と、
を備え、
固定子の両側に配された一対の回転子が回転して永久磁石による磁場が変動することによって、コイルに誘導電流が流れるようにした、
アキシャルギャップ型の超伝導発電機であって、
一方の回転子に設けられた永久磁石と他方の回転子に設けられた永久磁石とが、同極が向き合うように対向配置されるとともに、
固定子が、回転子の回転中心線に対して略垂直な平板環状を為す磁性体コアを備えたものとされ、
コイルを形成する超伝導ワイヤーを磁性体コアの両面側で前記磁場に対して略直交させた状態で磁性体コアの環状部分に巻き付けることにより、コイルが固定子に固定された、
ことを特徴とする超伝導発電機
を提供することによっても解決される。
The above issues are
A pair of rotors provided with permanent magnets;
A stator in which coils formed of superconducting wires are provided for each phase;
With
When a pair of rotors arranged on both sides of the stator rotate and the magnetic field by the permanent magnet fluctuates, an induced current flows through the coil.
An axial gap type superconducting generator,
A permanent magnet provided on one rotor and a permanent magnet provided on the other rotor are arranged opposite to each other so that the same pole faces each other,
The stator is provided with a magnetic core that forms a flat plate ring substantially perpendicular to the rotation center line of the rotor,
The coil was fixed to the stator by winding the superconducting wire forming the coil around the annular part of the magnetic core in a state of being substantially orthogonal to the magnetic field on both sides of the magnetic core.
This problem can also be solved by providing a superconducting generator characterized by this.
超伝導発電機は、上述した超伝導モーターと入力と出力との関係が逆になるだけであり、超伝導発電機の装置構成は、超伝導モーターの装置構成と同様である。このため、本発明の超伝導モーターで述べたものと同様の効果が、本発明の超伝導発電機においても奏されることになる。本明細書においては、主に超伝導モーターに関する構成を説明し、超伝導発電機に関する構成については説明を割愛しているが、本発明の超伝導モーターに関して述べた構成は、本発明の超伝導発電機においても好適に採用することができる。 In the superconducting generator, only the relationship between the above-described superconducting motor and the input and output is reversed, and the device configuration of the superconducting generator is the same as the device configuration of the superconducting motor. For this reason, the same effect as described in the superconducting motor of the present invention is also exhibited in the superconducting generator of the present invention. In this specification, the configuration related to the superconducting motor is mainly described, and the description regarding the configuration related to the superconducting generator is omitted. However, the configuration described regarding the superconducting motor of the present invention is the same as the configuration of the superconducting motor of the present invention. It can be suitably employed also in a generator.
以上のように、本発明によって、出力効率に優れた超伝導回転機（超伝導モーター又は超伝導発電機）を提供することが可能になる。具体的には、固定子に設けられたコイルの熱的安定性を高め、コイルの臨界電流の低減を抑えることが可能になる。また、ローレンツ力の利用効率（超伝導モーターの場合）や電磁誘導作用の利用効率（超伝導発電機の場合）を高めることも可能になる。さらに、コイルの自己インダクタンスを抑えることも可能になる。さらにまた、各相のコイルの自己インダクタンスによる誘導電流の影響を抑えることも可能になる。 As described above, according to the present invention, it is possible to provide a superconducting rotating machine (superconducting motor or superconducting generator) having excellent output efficiency. Specifically, it is possible to increase the thermal stability of the coil provided in the stator and suppress the reduction of the critical current of the coil. In addition, the utilization efficiency of Lorentz force (in the case of a superconducting motor) and the utilization efficiency of electromagnetic induction (in the case of a superconducting generator) can be increased. Furthermore, it is possible to suppress the self-inductance of the coil. Furthermore, it is possible to suppress the influence of the induced current due to the self-inductance of each phase coil.
本発明の超伝導モーターの好適な実施態様について、図面を用いてより具体的に説明する。図１は、本実施態様の超伝導モーターをその出力軸１０の中心線Ａ１を含む平面で切断した状態を示した断面図である。図２は、本実施態様の超伝導モーターを構成する一対の回転子４０，５０と固定子７０との相対的な位置を説明する斜視図である。図３は、本実施態様の超伝導モーターを構成する一対の回転子４０，５０のそれぞれに永久磁石２０，３０を取り付ける様子を示した斜視図である。図４は、本実施態様御の超伝導モーターを構成する固定子７０の冷却用金属板７２に磁性体コア７１を取り付ける様子を示した斜視図である。図５は、本実施態様の超伝導モーターを図２における円弧面α（点Ｐ１，Ｐ２，Ｑ２，Ｑ１を頂点とする円弧面。辺Ｐ１Ｐ２及び辺Ｑ１Ｑ２は、回転中心線Ａ１を中心とした円弧を為す。）で切断した断面を示した断面図である。図５においては、図示の便宜上、コイル６０を簡素化して描いている。図６は、本実施態様の超伝導モーターのモーターギャップＧ１，Ｇ２周辺に生じる磁場を有限要素法により解析した結果を示した図である。図７は、本実施態様の超伝導モーターの回路構成等を示した図である。 A preferred embodiment of the superconducting motor of the present invention will be described more specifically with reference to the drawings. Figure 1 is a sectional view showing a state in which the superconducting motor taken along a plane including the center line A 1 of the output shaft 10 of the present embodiment. FIG. 2 is a perspective view for explaining the relative positions of the pair of rotors 40 and 50 and the stator 70 constituting the superconducting motor of this embodiment. FIG. 3 is a perspective view showing how the permanent magnets 20 and 30 are attached to the pair of rotors 40 and 50 constituting the superconducting motor of this embodiment. FIG. 4 is a perspective view showing how the magnetic core 71 is attached to the cooling metal plate 72 of the stator 70 constituting the superconducting motor of this embodiment. FIG. 5 shows the superconducting motor according to the present embodiment. The arc surface α in FIG. 2 (the arc surface having points P 1 , P 2 , Q 2 , and Q 1 as vertices. The side P 1 P 2 and the side Q 1 Q 2 are is a sectional view showing a section cut by constituting a centering on the rotation center line a 1 arc.). In FIG. 5, for convenience of illustration, the coil 60 is depicted in a simplified manner. FIG. 6 is a diagram showing the result of analyzing the magnetic field generated around the motor gaps G 1 and G 2 of the superconducting motor of this embodiment by the finite element method. FIG. 7 is a diagram showing a circuit configuration and the like of the superconducting motor of this embodiment.
以下の説明においては、「上面」、「下面」又は「上下方向」等、「上」又は「下」を含む語句を用いているが、これらの語句は、説明の便宜上、図面中におけるｚ軸方向正側を「上」とし、ｚ軸方向負側を「下」として用いたものであり、本発明の超伝導モーターを使用する向きを限定するものではない。 In the following description, terms including “upper” or “lower” such as “upper surface”, “lower surface”, or “vertical direction” are used. The direction in which the superconducting motor of the present invention is used is not limited, with the positive direction being “up” and the negative z-axis direction being “down”.
１．超伝導モーターの概要
本発明の超伝導モーターは、図１に示すように、永久磁石２０，３０が設けられた一対の回転子４０，５０と、超伝導ワイヤーで形成されたコイル６０が相ごとに設けられた固定子７０とを備え、永久磁石２０，３０による磁場がコイル６０を流れる電流に及ぼすローレンツ力の反力によって、固定子７０の両側に配された一対の回転子４０，５０が回転子の回転中心線Ａ１を中心として回転するようにしたアキシャルギャップ型のものとなっている。
1. 1. Overview of Superconducting Motor As shown in FIG. 1, the superconducting motor of the present invention includes a pair of rotors 40 and 50 provided with permanent magnets 20 and 30, and a coil 60 formed of superconducting wires for each phase. And a pair of rotors 40, 50 arranged on both sides of the stator 70 by a reaction force of Lorentz force exerted on a current flowing through the coil 60 by a magnetic field generated by the permanent magnets 20, 30. It has become one of the axial gap type which is adapted to rotate about the rotational center line a 1 of the rotor.
一方の回転子４０に設けられた永久磁石２０と、他方の回転子５０に設けられた永久磁石３０は、同極が向き合う（永久磁石２０のＮ極が永久磁石３０のＮ極を向き、永久磁石２０のＳ極が永久磁石３０のＳ極を向く）ように対向配置されている。 The permanent magnet 20 provided on one rotor 40 and the permanent magnet 30 provided on the other rotor 50 face the same pole (the N pole of the permanent magnet 20 faces the N pole of the permanent magnet 30 and becomes permanent. The S pole of the magnet 20 faces the S pole of the permanent magnet 30).
固定子７０は、図４に示すように、回転子４０，５０（図１）の回転中心線（出力軸１０の中心線Ａ１に一致）に対して垂直な平板環状を為す磁性体コア７１を備えている。
コイル６０は、図１及び図２に示すように、それを形成する超伝導ワイヤーを磁性体コア７１の両面側（磁性体コア７１ａの上面側及び磁性体コア７１ｂの下面側）で前記磁場（磁性体コア７１の両面側においては、ｚ軸方向に略平行となる。）に対して略直交させた状態で磁性体コア７１の環状部分に巻き付けることにより、固定子７０に固定されている。
As shown in FIG. 4, the stator 70 is a magnetic core 71 having a flat plate shape perpendicular to the rotation center line of the rotors 40 and 50 (FIG. 1) (matching the center line A 1 of the output shaft 10). It has.
As shown in FIG. 1 and FIG. 2, the coil 60 forms the superconducting wire forming the magnetic field (on the upper surface side of the magnetic core 71 a and the lower surface side of the magnetic core 71 b) on the both sides of the magnetic core 71. The magnetic core 71 is fixed to the stator 70 by being wound around the annular portion of the magnetic core 71 in a state of being substantially orthogonal to the z-axis direction on both sides.
本実施態様の超伝導モーターにおいて、一対の回転子４０，５０及び固定子７０は、密閉容器８０内に収容されている。この密閉容器８０には、図示省略のバルブを介して図示省略の真空ポンプが接続されており、超伝導モーターの駆動時においては、密閉容器８０の内部を真空又は真空に近い減圧状態に維持することができるようになっている。したがって、密閉容器８０の外部から固定子７０に熱が伝わりにくくして、外気によってコイル６０の温度が上昇しないようにすることが可能となっている。
以下、超伝導モーターを構成する各部材について、詳しく説明する。
In the superconducting motor of this embodiment, the pair of rotors 40 and 50 and the stator 70 are accommodated in a hermetic container 80. A vacuum pump (not shown) is connected to the hermetic container 80 via a valve (not shown), and when the superconducting motor is driven, the inside of the hermetic container 80 is maintained in a vacuum or a reduced pressure state close to vacuum. Be able to. Therefore, it is possible to prevent heat from being transmitted from the outside of the hermetic container 80 to the stator 70 so that the temperature of the coil 60 does not rise due to outside air.
Hereinafter, each member constituting the superconducting motor will be described in detail.
２．回転子
回転子４０と回転子５０は、図１に示すように、固定子７０を挟んだ反対側（固定子７０の上面側と下面側）に対向するように配置されている。回転子４０の中心部と回転子５０の中心部は、いずれも出力軸１０に対して一体的に固定されており、回転子４０及び回転子５０に回転中心線Ａ１回りの回転力が生じると、出力軸１０が回転するようになっている。出力軸１０は、シール軸受９０を介して密閉容器８０に回転可能な状態で取り付けられている。回転子４０及び回転子５０は、それぞれ後述する永久磁石２０及び永久磁石３０を設けることができるのであれば、その形態を特に限定されない。本実施態様の超伝導モーターにおいては、図２に示すように、回転子４０及び回転子５０は、いずれも回転中心線Ａ１に対して回転対称な円盤状を為している。回転子４０の下面には、永久磁石２０が設けられており、回転子５０の上面には、永久磁石４０が設けられている。
2. As shown in FIG. 1, the rotor 40 and the rotor 50 are disposed so as to face opposite sides (an upper surface side and a lower surface side of the stator 70) with the stator 70 interposed therebetween. The central portion of the rotor 40 and the central portion of the rotor 50 are both fixed integrally with the output shaft 10, and a rotational force around the rotation center line A 1 is generated in the rotor 40 and the rotor 50. Then, the output shaft 10 rotates. The output shaft 10 is attached to the sealed container 80 through a seal bearing 90 so as to be rotatable. The form of the rotor 40 and the rotor 50 is not particularly limited as long as the permanent magnet 20 and the permanent magnet 30 described later can be provided. In the superconducting motor of the present embodiment, as shown in FIG. 2, the rotor 40 and the rotor 50 are both forms an rotationally symmetrical disc-shaped with respect to the rotation center line A 1. The permanent magnet 20 is provided on the lower surface of the rotor 40, and the permanent magnet 40 is provided on the upper surface of the rotor 50.
永久磁石２０及び永久磁石３０は、それぞれ回転子４０及び回転子５０につき、偶数個ずつ設けられる。永久磁石２０と永久磁石３０は、通常、同数とされる。本実施態様の超伝導モーターにおいては、図３に示すように、永久磁石２０を、計４個の永久磁石２１，２２，２３，２４で構成しており、永久磁石３０を、計４個の永久磁石３１，３２，３３，３４で構成している。 An even number of permanent magnets 20 and 30 are provided for each of the rotor 40 and the rotor 50. The number of permanent magnets 20 and permanent magnets 30 is usually the same. In the superconducting motor of this embodiment, as shown in FIG. 3, the permanent magnet 20 is composed of a total of four permanent magnets 21, 22, 23, and 24, and the permanent magnet 30 is composed of a total of four pieces. Permanent magnets 31, 32, 33, and 34 are used.
永久磁石２１〜２４の形態は、特に限定されず、永久磁石２１〜２４のそれぞれを異なる形態としてもよいが、通常、同形とされる。本実施態様の超伝導モーターにおいて、永久磁石２１〜２４は、それぞれ四分円の円弧に沿った帯板状を為しており、その上面又は下面のうちの一方がＮ極となり、他方がＳ極となっている。図中においては、永久磁石２１〜２４におけるＮ極側を密な（目の小さな）網掛けハッチングで示しており、Ｓ極側を粗な（目の大きな）網掛けハッチングで示している。これは、後述する永久磁石３１〜３４においても同様である。永久磁石２１〜２４は、隣り合う永久磁石２１〜２４の磁極が交互に入れ替わるように、回転中心線Ａ１を中心として回転対称に配されている。固定子４０に対する永久磁石２１〜２４の固定方法は、特に限定されないが、本実施態様の超伝導モーターにおいては、回転子４０の下面に設けた環状溝４１に永久磁石２１〜２４を嵌め込んだ状態で固定している（図３の矢印Ａ２を参照）。 The form of the permanent magnets 21 to 24 is not particularly limited, and each of the permanent magnets 21 to 24 may have a different form, but is usually the same shape. In the superconducting motor of this embodiment, each of the permanent magnets 21 to 24 has a strip shape along the arc of a quadrant, and one of the upper surface or the lower surface is an N pole, and the other is S. It is the pole. In the drawing, the N pole side of the permanent magnets 21 to 24 is shown by dense (small mesh) hatching, and the S pole side is shown by rough (large mesh) hatching. The same applies to permanent magnets 31 to 34 described later. Permanent magnets 21 to 24, the magnetic poles of the permanent magnets 21 to 24 adjacent to alternating, are arranged rotationally symmetrically around the rotation center line A 1. The method of fixing the permanent magnets 21 to 24 to the stator 40 is not particularly limited, but in the superconducting motor of this embodiment, the permanent magnets 21 to 24 are fitted in the annular groove 41 provided on the lower surface of the rotor 40. are fixed in a state (see arrow a 2 in Fig. 3).
また、永久磁石３１〜３４の形態も、特に限定されないが、通常、それぞれ永久磁石２１〜２４と同形とされる。本実施態様の超伝導モーターにおいても、永久磁石３１〜３４は、それぞれ永久磁石２１〜２４と同形の四分円の円弧に沿った帯板状を為しており、その上面又は下面のうちの一方がＮ極となり、他方がＳ極となっている。永久磁石３１〜３４は、それぞれ永久磁石２１〜２４と上下方向（ｚ軸方向）に重なる位置に配置している。このとき、上下方向に重なる、永久磁石２１と永久磁石３１、永久磁石２２と永久磁石３２、永久磁石２３と永久磁石３３、及び、永久磁石２４と永久磁石３４において、同極が向き合うように対向配置される（図３の矢印Ａ４を参照）。固定子５０に対する永久磁石３１〜３４の固定方法も、特に限定されないが、本実施態様の超伝導モーターにおいては、回転子５０の上面に設けた環状溝５１に永久磁石３１〜３４を嵌め込んだ状態で固定している（図３の矢印Ａ３を参照）。 Further, the form of the permanent magnets 31 to 34 is not particularly limited, but is usually the same shape as that of the permanent magnets 21 to 24, respectively. Also in the superconducting motor of this embodiment, the permanent magnets 31 to 34 are in the form of strips along a quadrant of the same shape as the permanent magnets 21 to 24, respectively. One is the N pole and the other is the S pole. The permanent magnets 31 to 34 are arranged at positions overlapping the permanent magnets 21 to 24 in the vertical direction (z-axis direction), respectively. At this time, the permanent magnet 21 and the permanent magnet 31, the permanent magnet 22 and the permanent magnet 32, the permanent magnet 23 and the permanent magnet 33, and the permanent magnet 24 and the permanent magnet 34 that are overlapped in the vertical direction are opposed so that the same poles face each other. are located (see arrow a 4 in FIG. 3). The method of fixing the permanent magnets 31 to 34 to the stator 50 is not particularly limited, but in the superconducting motor of this embodiment, the permanent magnets 31 to 34 are fitted in the annular groove 51 provided on the upper surface of the rotor 50. are fixed in a state (see arrow a 3 in FIG. 3).
３．固定子
本実施態様の超伝導モーターにおいて、固定子７０は、図４に示すように、磁性体コア７１と、冷却用金属板７２とで構成されている。磁性体コア７１は、冷却用金属板７２の上面側に設けられる第一の磁性体コア７１ａと、冷却用金属板７２の下面側に設けられる第二の磁性体コア７１ｂとで構成されている。換言すると、磁性体コア７１ａ，７１ｂが、固定子７０の上下両面を形成し、冷却用金属板７２が、固定子７０の板厚方向中間部を形成するようになっている。
3. Stator In the superconducting motor of the present embodiment, the stator 70 includes a magnetic core 71 and a cooling metal plate 72, as shown in FIG. The magnetic core 71 is composed of a first magnetic core 71 a provided on the upper surface side of the cooling metal plate 72 and a second magnetic core 71 b provided on the lower surface side of the cooling metal plate 72. . In other words, the magnetic cores 71 a and 71 b form the upper and lower surfaces of the stator 70, and the cooling metal plate 72 forms an intermediate portion in the plate thickness direction of the stator 70.
冷却用金属板７２は、密閉容器８０（図１）に対して動かない状態で支持される。冷却用固定版７２を密閉容器８０に支持する構造は、特に限定されないが、本実施態様の超伝導モーターにおいては、図示省略のＰＢＩ支持棒を介して、冷却用金属板７２の外周部を密閉容器８０に対して動かない状態で支持している。冷却用金属板７２ｃは、回転中心線Ａ１に垂直な円環状を為しており、その中心部に設けられた開口部７２ａに出力軸１０（図１）が回転可能な状態で挿通される。 The cooling metal plate 72 is supported in a state where it does not move with respect to the sealed container 80 (FIG. 1). The structure for supporting the cooling fixed plate 72 to the sealed container 80 is not particularly limited, but in the superconducting motor of this embodiment, the outer peripheral portion of the cooling metal plate 72 is sealed via a PBI support rod (not shown). The container 80 is supported without moving. Cooling the metal plate 72c is formed in a vertical annular to the rotational center line A 1, the output shaft 10 to the opening 72a provided in its center (Fig. 1) is inserted in a rotatable state .
冷却用金属板７２は、コイル６０（図２）に直接的に熱接触することで、又は、磁性体コア７１ａ，７１ｂを介してコイル６０に間接的に熱接触することで、コイル６０を冷却するためのものとなっている。冷却用金属板７２は、その外周部から外方に突出して設けられた伝熱部７２ｂを介して、冷熱供給源１００に接続されている。この冷熱供給源１００は、冷却用金属板７２に冷熱を供給するためものとなっており、冷却用金属板７２とともに、コイル６０を冷却するためのコイル冷却手段として機能するものとなっている。冷熱供給源１００は、コイル６０を超伝導現象が生じる低温域まで冷却できるものであれば特に限定されない。本実施態様の超伝導モーターにおいては、冷熱供給源１００として冷凍機を用いている。 The cooling metal plate 72 cools the coil 60 by being in direct thermal contact with the coil 60 (FIG. 2) or indirectly by being in thermal contact with the coil 60 via the magnetic cores 71a and 71b. It is meant to be The cooling metal plate 72 is connected to the cold heat supply source 100 via a heat transfer portion 72b provided to protrude outward from the outer peripheral portion thereof. The cold heat supply source 100 is for supplying cold heat to the cooling metal plate 72, and functions as a coil cooling means for cooling the coil 60 together with the cooling metal plate 72. The cold heat supply source 100 is not particularly limited as long as it can cool the coil 60 to a low temperature region where a superconducting phenomenon occurs. In the superconducting motor of this embodiment, a refrigerator is used as the cold heat source 100.
冷却用金属板７２は、熱伝導性に優れた金属で形成されたものを用いると好ましい。具体的には、０℃における熱伝導率が２００Ｗ・ｍ・Ｋ−１以上の金属によって冷却用金属板７２を形成すると好ましい。０℃における熱伝導率が２００Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１以上の金属としては、アルミニウム（２３６Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１）や、銅（４０３Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１）等が例示される。本実施態様の超伝導モーターにおいて、冷却用金属板７２は、アルミニウムで形成している。 As the cooling metal plate 72, it is preferable to use a metal plate made of a metal having excellent thermal conductivity. Specifically, it is preferable to form the cooling metal plate 72 with a metal having a thermal conductivity of 200 W · m · K −1 or more at 0 ° C. Examples of the metal having a thermal conductivity of 200 W · m −1 · K −1 or higher at 0 ° C. include aluminum (236 W · m −1 · K −1 ) and copper (403 W · m −1 · K −1 ). Illustrated. In the superconducting motor of this embodiment, the cooling metal plate 72 is made of aluminum.
伝熱部７２ｂも、冷却用金属板７２と同様、熱伝導性に優れた金属で形成される。本実施態様の超伝導モーターにおいて、伝熱部７２ｂは、白金測温抵抗体によって形成している。この白金測温抵抗体（伝熱部７２ｂ）は、冷熱供給源１００で発生した冷熱を冷却用金属板７２に伝達するだけでなく、冷却用金属板７２の温度を測定するための測温手段としても機能するようになっている。冷却用金属板７２の測温手段は、冷却用金属板７２の外周部における他の箇所にも設けられている（図示省略の熱電対が設けられている。）。これらの測温手段は、密閉容器８０の外部に設けられた、図示省略の計測機に接続されている。このため、冷却用金属板７２の温度を監視することで、冷凍機１００から供給される冷熱をフィードバック制御することができるようになっている。 Similarly to the cooling metal plate 72, the heat transfer portion 72b is also formed of a metal having excellent thermal conductivity. In the superconducting motor of this embodiment, the heat transfer section 72b is formed of a platinum resistance temperature detector. The platinum resistance thermometer (heat transfer section 72b) not only transmits the cold generated by the cold supply source 100 to the cooling metal plate 72 but also measures the temperature of the cooling metal plate 72. It is supposed to function as well. The temperature measuring means of the cooling metal plate 72 is also provided at other locations on the outer periphery of the cooling metal plate 72 (a thermocouple (not shown) is provided). These temperature measuring means are connected to a measuring machine (not shown) provided outside the sealed container 80. For this reason, by monitoring the temperature of the cooling metal plate 72, the cooling heat supplied from the refrigerator 100 can be feedback-controlled.
第一の磁性体コア７１ａと第二の磁性体コア７１ｂは、永久磁石２０，３０による磁束密度を高めるとともに、永久磁石２０，３０による磁場の向き（磁束密度Ｂの向き）を、図５に示すように制御するためのものとなっている。第一の磁性体コア７１ａと第二の磁性体コア７１ｂとを配したことによって、固定子７０と一対の回転子４０，５０との隙間（ギャップＧ１，Ｇ２）に生ずる磁束密度Ｂの向きが、磁性体コア７１ａの上面及び磁性体コア７１ｂの下面に対して略直交するようになる。したがって、コイル６０を形成する超伝導ワイヤーにおける第一の磁性体コア７１ａの上面側に位置する部分に流れる電流Ｉ１（図５の紙面手前側に向かって流れる。）の向き、及び、第二の磁性体コア７１ｂの下面側に位置する部分に流れる電流Ｉ２（図５の紙面奥側に向かって流れる。）の向きを、磁束密度Ｂの向きと略直交させ、回転子４０，５０の回転力Ｆ１’，Ｆ２’の元となるローレンツ力Ｆ１，Ｆ２（ローレンツ力Ｆ１，Ｆ２の反力が回転力Ｆ１’，Ｆ２’になる。）の回転方向成分を大きくすることが可能となっている。よって、超伝導モーターの出力効率を高めることも可能となっている。本実施態様の超伝導モーターにおけるギャップＧ１，Ｇ２の周辺に生じる磁場を有限要素法により解析したところ、図６に示す結果が得られた。図６
における永久磁石２１，３１によって形成される磁束を見ると、磁束線が図５に示した状態とかなり近くなっていることが分かる。
The first magnetic core 71a and the second magnetic core 71b increase the magnetic flux density by the permanent magnets 20 and 30, and the direction of the magnetic field (direction of the magnetic flux density B) by the permanent magnets 20 and 30 is shown in FIG. It is for control as shown. By arranging the first magnetic core 71a and the second magnetic core 71b, the magnetic flux density B generated in the gap (gap G 1 , G 2 ) between the stator 70 and the pair of rotors 40, 50 is reduced. The direction is substantially orthogonal to the upper surface of the magnetic core 71a and the lower surface of the magnetic core 71b. Therefore, the direction of the current I 1 (flowing toward the front side in FIG. 5) flowing in the portion of the superconducting wire forming the coil 60 located on the upper surface side of the first magnetic core 71a, and the second The direction of the current I 2 (flowing toward the back side of the paper in FIG. 5) flowing in the portion located on the lower surface side of the magnetic core 71b of the rotor 40, 50 rotational force F 1 ', F 2' the rotational direction component of the underlying Lorentz force F 1, F 2 (reaction force of the Lorentz force F 1, F 2 is the rotational force F 1 ', F 2' becomes.) of It can be enlarged. Therefore, it is possible to increase the output efficiency of the superconducting motor. When the magnetic field generated around the gaps G 1 and G 2 in the superconducting motor of this embodiment was analyzed by the finite element method, the result shown in FIG. 6 was obtained. FIG.
When the magnetic fluxes formed by the permanent magnets 21 and 31 are observed, it can be seen that the magnetic flux lines are very close to the state shown in FIG.
また、第一の磁性体コア７１ａと第二の磁性体コア７１ｂとを配したことによって、ギャップＧ１，Ｇ２を広くしても、上述した効果が奏される。このため、ギャップＧ１，Ｇ２を広く確保することで、図１に示すように、厚みを有する断熱材１１０（断熱効果の高い断熱材）をギャップＧ１，Ｇ２に配することが可能になり、コイル６０が設けられた固定子７０の冷却効率や断熱効率を高めることができるようになる。本実施態様の超伝導モーターにおいては、断熱材１１０として、多層構造を有するスーパーインシュレーターを用いている。断熱材１１０は、図１のみに図示しており、他の図面においては図示を省略している。 In addition, by providing the first magnetic core 71a and the second magnetic core 71b, the above-described effects can be obtained even when the gaps G 1 and G 2 are widened. For this reason, by ensuring the gaps G 1 and G 2 widely, as shown in FIG. 1, it is possible to arrange the heat insulating material 110 having a thickness (a heat insulating material having a high heat insulating effect) in the gaps G 1 and G 2. Thus, the cooling efficiency and heat insulation efficiency of the stator 70 provided with the coil 60 can be increased. In the superconducting motor of this embodiment, a super insulator having a multilayer structure is used as the heat insulating material 110. The heat insulating material 110 is illustrated only in FIG. 1 and is not illustrated in other drawings.
第一の磁性体コア７１ａと第二の磁性体コア７１ｂの形態は、回転中心線Ａ１に対して略垂直な平板環状であれば特に限定されない。ここで、「平板環状」とは、その環状部分における幅Ｗ１（図４）が厚みＴ１（図４）よりも大きな環状部材のことを云う。また、「平板環状」における「環状」とは、その環状部分の一部が切断された開環状であってもよいが、通常、その環状部分が連続した閉環状とされる。さらに、「平板環状」における「環状」とは、その環状部分が真円状を為す円環状に限定されず、その環状部分が多角形を為す多角環状等、円環状以外の環状をも含む。さらにまた、第一の磁性体コア７１ａと第二の磁性体コア７１ｂは、必ずしも同じ形態とする必要はないが、通常、同じ形態とされる。本実施態様の超伝導モーターにおいて、第一の磁性体コア７１ａと第二の磁性体コア７１ｂは、いずれも回転中心線Ａ１に対して垂直で、且つ、回転中心線Ａ１に対して回転対称な平板円環状としている。 Form of the first magnetic core 71a and the second magnetic core 71b is not particularly limited as long as it substantially perpendicular flat annular respect to the rotation center line A 1. Here, the “flat plate” refers to an annular member in which the width W 1 (FIG. 4) in the annular portion is larger than the thickness T 1 (FIG. 4). Moreover, the “annular” in the “flat plate ring” may be an open ring in which a part of the ring portion is cut, but is usually a closed ring in which the ring portion is continuous. Further, the “annular shape” in the “flat plate shape” is not limited to an annular shape in which the annular portion forms a perfect circle shape, and includes a ring shape other than the annular shape, such as a polygonal ring shape in which the annular portion forms a polygon. Furthermore, the first magnetic core 71a and the second magnetic core 71b do not necessarily have the same form, but usually have the same form. In the superconducting motor of the present embodiment, the first magnetic core 71a and the second magnetic core 71b are both perpendicular to the rotational center line A 1, and rotation with respect to the rotation center line A 1 It is a symmetrical flat plate ring.
磁性体コア７１ａ，７１ｂに用いる磁性体の種類は、特に限定されない。磁性体コア７１ａ，７１ｂに用いることのできる磁性体としては、バリウムフェライト等のフェライトや、ＳＵＳ４３０等のステンレスや、酸化クロムや、コバルトや、酸化鉄等が例示される。ただし、回転子４０，５０を高速回転させることを想定する場合には、渦電流損失とヒステリシス損失が極めて小さい磁性体を用いると好ましい。具体的には、磁性体コア７１ａ，７１ｂにおけるヒステリシス損失及び渦電流損失を冷凍機１００（コイル冷却手段）による冷却能力を超えない範囲に抑えることができる磁性体によって磁性体コア７１ａ，７１ｂを形成すると好ましい。より好適には、冷却に必要なエネルギーを考慮すると、使用条件下において最大損失が１０ｋＷ／ｍ３程度以下の磁性体によって磁性体コア７１ａ，７１ｂを形成すると好ましい。このような磁性体としては薄巻鉄コアやフェライト等が例示される。これにより、回転子４０，５０を高速回転させる場合においても、高い出力効率を維持することが可能になる。 The kind of magnetic body used for the magnetic body cores 71a and 71b is not particularly limited. Examples of magnetic materials that can be used for the magnetic cores 71a and 71b include ferrite such as barium ferrite, stainless steel such as SUS430, chromium oxide, cobalt, and iron oxide. However, when it is assumed that the rotors 40 and 50 are rotated at high speed, it is preferable to use a magnetic material having extremely small eddy current loss and hysteresis loss. Specifically, the magnetic cores 71a and 71b are formed of a magnetic body that can suppress hysteresis loss and eddy current loss in the magnetic cores 71a and 71b within a range that does not exceed the cooling capacity of the refrigerator 100 (coil cooling means). It is preferable. More preferably, in consideration of the energy required for cooling, it is preferable to form the magnetic cores 71a and 71b with a magnetic material having a maximum loss of about 10 kW / m 3 or less under use conditions. Examples of such a magnetic body include a thin wound iron core and ferrite. Thereby, even when the rotors 40 and 50 are rotated at high speed, it is possible to maintain high output efficiency.
４．コイル
コイル６０は、図２に示すように、磁性体コア７１（固定子７０）を周回方向に分割する各位置に相ごとに設けられている。本実施態様の超伝導モーターにおいて、コイル６０は、６個のコイル６１ａ，６１ｂ，６２ａ，６２ｂ，６３ａ，６３ｂを３相に設けており（コイル６１ａとコイル６１ｂとを同一位相とし、コイル６２ａとコイル６２ｂとを同一位相とし、コイル６３ａとコイル６３ｂとを同一位相としている。）、それぞれのコイル６０は、回転中心線Ａ１に対して回転対称な位置に配しており、同一位相のコイル６０は、１８０°の回転対称な位置に配している。コイル６０は、コイル６０を形成する超伝導ワイヤーが磁性体コア７１の両面側（磁性体コア７１ａの上面側及び磁性体コア７１ｂの下面側）で磁場Ｂ（図５）に対して略直交し、その部分の超伝導ワイヤーが回転子４０，５０の回転方向に対して略直交した状態となるように、磁性体コア７１（固定子７０）の環状部分に巻き付けられる（超伝導ワイヤーが、第一の磁性体コア７１ａにおける上面側と第二の磁性体コア７１ｂにおける下面側とを交互に往来するように巻き付けられる）。コイル６０のそれぞれの巻数は、特に限定されないが、多くした方が、伝導モーターの出力効率を高めることができるため好ましい。コイル６０は、それぞれ多層に巻いてもよい。
4). As shown in FIG. 2, the coil 60 is provided for each phase at each position where the magnetic core 71 (stator 70) is divided in the circumferential direction. In the superconducting motor of this embodiment, the coil 60 has six coils 61a, 61b, 62a, 62b, 63a, 63b provided in three phases (the coil 61a and the coil 61b have the same phase, and the coil 62a a coil 62b to the same phase, and the coil 63a and the coil 63b and the same phase.) each of the coils 60, are arranged in rotationally symmetrical positions with respect to the rotation center line a 1, the same phase coils 60 is disposed at a rotationally symmetric position of 180 °. In the coil 60, the superconducting wires forming the coil 60 are substantially orthogonal to the magnetic field B (FIG. 5) on both sides of the magnetic core 71 (the upper surface side of the magnetic core 71a and the lower surface side of the magnetic core 71b). The superconducting wire of that portion is wound around the annular portion of the magnetic core 71 (stator 70) so that the superconducting wire is substantially orthogonal to the rotation direction of the rotors 40 and 50 (the superconducting wire is The upper surface side of the one magnetic core 71a and the lower surface side of the second magnetic core 71b are alternately wound around). The number of turns of each of the coils 60 is not particularly limited, but increasing the number is preferable because the output efficiency of the conduction motor can be increased. Each of the coils 60 may be wound in multiple layers.
本実施態様の超伝導モーターにおいて、コイル６０が巻き付けられる固定子７０の環状部分は、その断面形状が矩形状となっているため、コイル６０の断面形状も矩形状となっている。このコイル６０における磁性体コア７１（固定子７０）の両面側に位置する部分が、回転子４０，５０を回転させる元となるローレンツ力Ｆ１，Ｆ２（図５）の発生源として寄与することになる。このため、コイル６０の断面形状は、扁平な形状とし、その横幅Ｗ２（図２）をその縦幅Ｗ３に対してできるだけ大きく確保できる形状とすると好ましい。具体的には、コイル６０の縦幅Ｗ３に対する横幅Ｗ２の比Ｗ２／Ｗ３を１．５以上とすると好ましい。比Ｗ２／Ｗ３は、２以上であるとより好ましく、２．５以上であるとさらに好ましい。比Ｗ２／Ｗ３の上限は、特に制限されないが、通常、１００以下とされる。 In the superconducting motor of this embodiment, since the cross-sectional shape of the annular portion of the stator 70 around which the coil 60 is wound is rectangular, the cross-sectional shape of the coil 60 is also rectangular. The portions of the coil 60 located on both sides of the magnetic core 71 (stator 70) contribute as a source of Lorentz forces F 1 and F 2 (FIG. 5) that cause the rotors 40 and 50 to rotate. It will be. For this reason, it is preferable that the cross-sectional shape of the coil 60 is a flat shape and the width W 2 (FIG. 2) can be secured as large as possible with respect to the vertical width W 3 . Specifically, it is preferable that the ratio W 2 / W 3 of the lateral width W 2 to the longitudinal width W 3 of the coil 60 is 1.5 or more. The ratio W 2 / W 3 is more preferably 2 or more, and further preferably 2.5 or more. The upper limit of the ratio W 2 / W 3 is not particularly limited, but is usually 100 or less.
コイル６０を形成する超伝導ワイヤーとしては、超伝導材料からなる各種の線材を用いることができる。金属系の超伝導材料としては、ＮｂＴｉや、Ｎｂ３Ｓｎや、ＭｇＢ２や、ＮｂＮ等を挙げることができ、酸化物系の超伝導材料としては、ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ４（ＹＢＣＯ）や、Ｂｉ２Ｓｒ２ＣａＣｕ２Ｏｘ（Ｂｉ２２１２）等を挙げることができ、有機系の超伝導線材としては、β−（ＢＥＤＴ−ＴＴＦ）２／３や、Ｋ３Ｃ６０や、Ｒｂ３Ｃ６０や、Ｃ６Ｃａ（グラファイト）等を挙げることができる。 As the superconducting wire forming the coil 60, various wires made of a superconducting material can be used. Examples of the metal-based superconductive material include NbTi, Nb 3 Sn, MgB 2 and NbN. Examples of the oxide-based superconductive material include YBa 2 Cu 3 O 4 (YBCO), Bi 2 Sr 2 CaCu 2 Ox (Bi 2212) and the like can be mentioned, and examples of the organic superconducting wire include β- (BEDT-TTF) 2/3, K 3 C 60 , Rb 3 C 60 , Examples thereof include C 6 Ca (graphite).
コイル６１ａ及びコイル６１ｂからなる組と、コイル６２ａ及びコイル６２ｂからなる組と、コイル６３ａ及びコイル６３ｂからなる組には、それぞれの組ごとに位相のずれた交流電流が流される。本実施態様の超伝導モーターにおいて、コイル６２ａ，６２ｂに流れる電流Ｉ２（図７）の位相は、コイル６１ａ，６１ｂを流れる電流Ｉ１（図７）の位相よりも１２０°遅れており、コイル６３ａ，６３ｂを流れる電流Ｉ３（図７）の位相は、コイル６１ａ，６１ｂを流れる電流Ｉ１の位相よりも２４０°遅れている。このため、永久磁石２１〜２３及び永久磁石３１〜３３の磁場によってコイル６１ａ，６１ｂ，６２ａ，６２ｂ，６３ａ，６３ｂのそれぞれが受けるローレンツ力Ｆ１，Ｆ２（図５）の向きが、コイル６１ａ，６１ｂ，６２ａ，６２ｂ，６３ａ，６３ｂで揃う（回転子４０，５０の回転方向における同じ側を向く）ようになっており、回転子４０，５０がコイル６１ａ，６１ｂ，６２ａ，６２ｂ，６３ａ，６３ｂのそれぞれから受ける回転力Ｆ１’，Ｆ２’（ローレンツ力Ｆ１，Ｆ２の反力）の向きも揃うようになっている。また、コイル６１ａ，６１ｂ，６２ａ，６２ｂ，６３ａ，６３ｂが永久磁石２０，３０のＮ極同士が向き合う領域からＳ極同士が向き合う領域に入ったとき、又は、コイル６１ａ，６１ｂ，６２ａ，６２ｂ，６３ａ，６３ｂが永久磁石２０，３０のＳ極同士が向き合う領域からＮ極同士が向き合う領域に入ったときには、コイル６１ａ，６１ｂ，６２ａ，６２ｂ，６３ａ，６３ｂを流れる電流の向きがそれまでとは逆になることから、ローレンツ力Ｆ１，Ｆ２の向きは変わらない。このため、回転子４０，５０は、同じ向きに回転をし続ける。回転子４０，５０の回転力は、出力軸１０（図１）を介して超伝導モーターの外部へと出力される。 An alternating current having a phase shift for each set is passed through the set including the coil 61a and the coil 61b, the set including the coil 62a and the coil 62b, and the set including the coil 63a and the coil 63b. In the superconducting motor of this embodiment, the phase of the current I 2 (FIG. 7) flowing through the coils 62a and 62b is 120 ° behind the phase of the current I 1 (FIG. 7) flowing through the coils 61a and 61b. The phase of the current I 3 (FIG. 7) flowing through 63a and 63b is delayed by 240 ° from the phase of the current I 1 flowing through the coils 61a and 61b. For this reason, the directions of the Lorentz forces F 1 and F 2 (FIG. 5) received by the coils 61a, 61b, 62a, 62b, 63a, and 63b by the magnetic fields of the permanent magnets 21 to 23 and the permanent magnets 31 to 33 are determined by the coil 61a. , 61b, 62a, 62b, 63a, 63b (they face the same side in the rotational direction of the rotors 40, 50), and the rotors 40, 50 are coils 61a, 61b, 62a, 62b, 63a, The direction of the rotational force F 1 ′, F 2 ′ (reaction force of Lorentz force F 1 , F 2 ) received from each of 63 b is also aligned. Further, when the coils 61a, 61b, 62a, 62b, 63a, 63b enter the region where the S poles face each other from the region where the N poles of the permanent magnets 20, 30 face each other, or the coils 61a, 61b, 62a, 62b, When 63a and 63b enter the region where the south poles face each other from the region where the south poles of the permanent magnets 20 and 30 face each other, the direction of the current flowing through the coils 61a, 61b, 62a, 62b, 63a and 63b is different from that. Since the directions are reversed, the directions of the Lorentz forces F 1 and F 2 are not changed. For this reason, the rotors 40 and 50 continue to rotate in the same direction. The rotational force of the rotors 40 and 50 is output to the outside of the superconducting motor via the output shaft 10 (FIG. 1).
上記のような位相差でコイル６１ａ，６１ｂ，６２ａ，６２ｂ，６３ａ，６３ｂに電流を流すことができるのであれば、コイル６１ａ，６１ｂ，６２ａ，６２ｂ，６３ａ，６３ｂをどのような回路に組み込むかは特に限定されない。本実施態様の超伝導モーターにおいては、図７に示すように、コイル６１ａ，６１ｂ，６２ａ，６２ｂ，６３ａ，６３ｂの一端（回転子４０，５０の回転方向に対して一側を向く端部）同士を接続するとともに、コイル６１ａ，６１ｂ，６２ａ，６２ｂ，６３ａ，６３ｂの他端（回転子４０，５０の回転方向に対して他側を向く端部）同士を接地している。コイル６１ａとコイル６１ｂは、直列に接続されているため、図７（ｂ）においては「コイル６１」に集約して示しており、コイル６２ａとコイル６２ｂは、直列に接続されているため、図７（ｂ）においては「コイル６２」に集約して示しており、コイル６３ａとコイル６３ｂは、直列に接続されているため、図７（ｂ）においては「コイル６３」に集約して示している。これにより、電流Ｉ１（ｔ），Ｉ２（ｔ），Ｉ３（ｔ）の和Ｉ１（ｔ）＋Ｉ２（ｔ）＋Ｉ３（ｔ）が常に０になるようにし、コイル６１〜６３の自己インダクタンスの和が常に０になるようにすることが可能になる（コイル６１〜６３の自己インダクタンスは、電流Ｉ１（ｔ），Ｉ２（ｔ），Ｉ３（ｔ）の時間微分で与えられる）。換言すると、コイル６１〜６３の自己インダクタンスを、他相からの相互インダクタンスを利用してキャンセルされることが可能になる。よって、回転速度によらないトルクの発生を可能とし、最大効率、最大トルク、最大力率制御等を同時に実現することも可能になる。 If the current can flow through the coils 61a, 61b, 62a, 62b, 63a, 63b with the above phase difference, what kind of circuit the coils 61a, 61b, 62a, 62b, 63a, 63b are incorporated in? Is not particularly limited. In the superconducting motor of this embodiment, as shown in FIG. 7, one end of coil 61a, 61b, 62a, 62b, 63a, 63b (end part which faces one side with respect to the rotation direction of rotor 40, 50). The coils 61 a, 61 b, 62 a, 62 b, 63 a, 63 b are grounded at the other end (the end facing the other side with respect to the rotation direction of the rotors 40, 50). Since the coil 61a and the coil 61b are connected in series, they are collectively shown as “coil 61” in FIG. 7B, and the coil 62a and the coil 62b are connected in series. 7 (b), the coil 63a and the coil 63b are connected together in series. Therefore, in FIG. 7 (b), the coil 63a and the coil 63b are collectively displayed. Yes. Thus, a current I 1 (t), so as to be I 2 (t), I 3 sum I 1 (t) + I 2 (t) + I 3 (t) is always 0 (t), the coils 61 to 63 (The self-inductance of the coils 61 to 63 is obtained by time differentiation of the currents I 1 (t), I 2 (t), and I 3 (t)). Given). In other words, the self-inductance of the coils 61 to 63 can be canceled using the mutual inductance from the other phase. Therefore, it is possible to generate torque independent of the rotation speed, and to simultaneously realize maximum efficiency, maximum torque, maximum power factor control, and the like.
５．用途
本発明の超伝導回転機（超伝導モーター及び超伝導発電機）は、その用途を限定されるものではなく、様々な分野において好適に採用することができる。本発明の超伝導回転機は、出力効率が高いものであるため、大きな出力が要求される用途にも好適に採用することができる。このような用途としては、自動車、船舶、電車、航空機又は昇降機等の輸送機器又は移送機器における駆動機構としての用途や、風力発電や水力発電や火力発電等の各種発電機項としての用途が例示される。
5. Applications The superconducting rotating machine (superconducting motor and superconducting generator) of the present invention is not limited in its application and can be suitably employed in various fields. Since the superconducting rotating machine of the present invention has high output efficiency, it can be suitably used for applications that require a large output. Examples of such applications include use as a drive mechanism in transport equipment or transfer equipment such as automobiles, ships, trains, airplanes, and elevators, and use as various generator terms such as wind power generation, hydroelectric power generation, and thermal power generation. Is done.
特に、本発明の超伝導回転機において、磁性体コアをフェライト等の渦電流損失及びヒステリシス損失が極めて小さな磁性体で形成すれば、これまで不可能と考えられていた高速回転での高出力も可能になるため、航空機に使用されているジェットエンジン等を超伝導モーターで置き換えることも不可能ではなく、燃料電池による高効率電機ジェット機の実現も期待される。また、本発明の超伝導回転機は、回転速度や回転トルクの変動が大きい場合でも高効率を維持することが可能であるため、昇降機の駆動機構や、風力発電装置や、自動車のブレーキングによるエネルギー回収機構等、回転速度や回転トルクの変動が大きい用途においても好適に採用することができる。 In particular, in the superconducting rotating machine of the present invention, if the magnetic core is made of a magnetic material with extremely small eddy current loss and hysteresis loss such as ferrite, high output at high speed rotation, which has been considered impossible until now, can be achieved. Therefore, it is not impossible to replace a jet engine or the like used in an aircraft with a superconducting motor, and a high-efficiency electric jet using a fuel cell is also expected. In addition, since the superconducting rotating machine of the present invention can maintain high efficiency even when the rotational speed and rotational torque fluctuate greatly, the superconducting rotating machine can be driven by an elevator drive mechanism, a wind power generator, or an automobile braking. It can also be suitably employed in applications such as an energy recovery mechanism where fluctuations in rotational speed and rotational torque are large.
１０ 出力軸
２０ 永久磁石
３０ 永久磁石
４０ 回転子
４１ 環状溝
５０ 回転子
５１ 環状溝
６０ コイル
７０ 固定子
７１ 磁性体コア
７１ａ 第一の磁性体コア
７１ｂ 第二の磁性体コア
７２ 冷却用金属板（コイル冷却手段）
７２ａ 開口部
７２ｂ 伝熱部（コイル冷却手段）
８０ 密閉容器
９０ シール軸受
１００ 冷熱供給源（コイル冷却手段）
１１０ 断熱材
Ａ１ 出力軸の中心線（回転子の回転中心線）
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Output shaft 20 Permanent magnet 30 Permanent magnet 40 Rotor 41 Annular groove 50 Rotor 51 Annular groove 60 Coil 70 Stator 71 Magnetic body core 71a First magnetic body core 71b Second magnetic body core 72 Metal plate for cooling ( Coil cooling means)
72a Opening 72b Heat transfer part (coil cooling means)
80 Sealed container 90 Sealed bearing 100 Cold source (coil cooling means)
110 Heat insulation material A 1 Centerline of output shaft (rotation centerline of rotor)
Claims (7)
超伝導ワイヤーで形成されたコイルが相ごとに設けられた固定子と、
を備え、
永久磁石による磁場がコイルを流れる電流に及ぼすローレンツ力の反力によって、固定子の両側に配された一対の回転子が回転するようにした、
アキシャルギャップ型の超伝導モーターであって、
一方の回転子に設けられた永久磁石と他方の回転子に設けられた永久磁石とが、同極が向き合うように対向配置されるとともに、
固定子が、回転子の回転中心線に対して略垂直な平板環状を為す磁性体コアを備えたものとされ、
コイルを形成する超伝導ワイヤーを磁性体コアの両面側で前記磁場に対して略直交させた状態で磁性体コアの環状部分に巻き付けることにより、コイルが固定子に固定された、
ことを特徴とする超伝導モーター。 A pair of rotors provided with permanent magnets;
A stator in which coils formed of superconducting wires are provided for each phase;
With
A pair of rotors arranged on both sides of the stator are rotated by the reaction force of the Lorentz force exerted on the current flowing through the coil by the magnetic field generated by the permanent magnet.
Axial gap type superconducting motor,
A permanent magnet provided on one rotor and a permanent magnet provided on the other rotor are arranged opposite to each other so that the same pole faces each other,
The stator is provided with a magnetic core that forms a flat plate ring substantially perpendicular to the rotation center line of the rotor,
The coil was fixed to the stator by winding the superconducting wire forming the coil around the annular part of the magnetic core in a state of being substantially orthogonal to the magnetic field on both sides of the magnetic core.
Superconducting motor characterized by that.
固定子の板厚方向中間部を形成する冷却用金属板と、
冷却用金属板に冷熱を供給するための冷熱供給源と、
で構成され、
磁性体コアが、
冷却用金属板における一面側に固定された第一の磁性体コアと、
冷却用金属板における他面側に固定された第二の磁性体コアと、
で構成され、
コイルを形成する超伝導ワイヤーが、第一の磁性体コアにおける一面側と第二の磁性体コアにおける他面側とを往来するように磁性体コアの環状部分に巻き付けられた、
請求項３又は４記載の超伝導モーター。 Coil cooling means
A cooling metal plate that forms an intermediate portion in the plate thickness direction of the stator;
A cold source for supplying cold to the cooling metal plate;
Consists of
Magnetic core is
A first magnetic core fixed to one side of the cooling metal plate;
A second magnetic core fixed to the other side of the cooling metal plate;
Consists of
The superconducting wire forming the coil was wound around the annular portion of the magnetic core so as to travel between the one side of the first magnetic core and the other side of the second magnetic core.
The superconducting motor according to claim 3 or 4.
超伝導ワイヤーで形成されたコイルが相ごとに設けられた固定子と、
を備え、
固定子の両側に配された一対の回転子が回転して永久磁石による磁場が変動することによって、コイルに誘導電流が流れるようにした、
アキシャルギャップ型の超伝導発電機であって、
一方の回転子に設けられた永久磁石と他方の回転子に設けられた永久磁石とが、同極が向き合うように対向配置されるとともに、
固定子が、回転子の回転中心線に対して略垂直な平板環状を為す磁性体コアを備えたものとされ、
コイルを形成する超伝導ワイヤーを磁性体コアの両面側で前記磁場に対して略直交させた状態で磁性体コアの環状部分に巻き付けることにより、コイルが固定子に固定された、
ことを特徴とする超伝導発電機。 A pair of rotors provided with permanent magnets;
A stator in which coils formed of superconducting wires are provided for each phase;
With
When a pair of rotors arranged on both sides of the stator rotate and the magnetic field by the permanent magnet fluctuates, an induced current flows through the coil.
An axial gap type superconducting generator,
A permanent magnet provided on one rotor and a permanent magnet provided on the other rotor are arranged opposite to each other so that the same pole faces each other,
The stator is provided with a magnetic core that forms a flat plate ring substantially perpendicular to the rotation center line of the rotor,
The coil was fixed to the stator by winding the superconducting wire forming the coil around the annular part of the magnetic core in a state of being substantially orthogonal to the magnetic field on both sides of the magnetic core.
A superconducting generator characterized by that.
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