JP6455259B2 - 超電導回転電機 - Google Patents

Description

本発明は、超電導回転電機に関する。

超電導モータ（超電導回転電機）は、超電導体により構成されるコイル及びロータを備える。コイル及びロータが超電導体であるため、超電導モータの内部電気抵抗は極めて小さい。よって、超電導モータを作動させることによって大きな出力トルクを得ることができる。

超電導モータを作動させるためには、超電導体により構成される部材（コイル及びロータ）の温度を超電導遷移温度以下の温度に維持しておかなければならない。そのために、例えば、超電導モータの筐体を構成するハウジングの内部に超電導遷移温度以下の温度に冷却された冷媒が充填される。或いは、ハウジング内部に充填された冷媒が冷凍機により超電導遷移温度以下の温度に冷却される。このようにして、ハウジング内部の冷媒を超電導遷移温度以下の温度に冷却することで、ハウジング内に配設された超電導体により構成される部材の温度が超電導遷移温度以下の温度に維持される。

特許文献１は、低温容器によってハウジングの内部に収容空間が形成されてなる超電導モータを開示する。この収容空間の周りには、収容空間と気密的に区画された真空断熱空間が形成される。真空断熱空間が高真空状態にされることにより収容空間が真空断熱される。また、収容空間内には、超電導モータの作動に関与する各種部品、具体的には、磁性体により構成されたステータと、超電導体により構成されたロータ及びコイルが収容される。また、収容空間内には冷媒が充填される。そして、冷凍機のコールドヘッドが収容空間内のステータに接触される。従って、冷凍機により発生された冷熱は、ステータを介して収容空間内の冷媒に供給される。供給された冷熱が冷媒から収容空間内の収容部品に伝達される。これにより、収容空間内に収容された超電導体により構成される部材が超電導遷移温度以下の温度に冷却される。

特開２０１１−６７００６号公報

（発明が解決しようとする課題）

特許文献１に記載の超電導モータによれば、収容空間内にステータが収容されているので、冷凍機からの冷熱は、超電導体により構成される部材のみならず超電導体ではないステータをも冷却する。このため、ステータを冷却するための冷熱の分だけ超電導体により構成される部材を冷却するための冷熱が減少する。その結果、超電導体により構成される部材（コイル、ロータ）が超電導遷移温度以下の温度に低下するまでの時間が長期化する。つまり、特許文献１に記載の超電導モータは、超電導体により構成される部材の冷却時間が長いという問題を有する。また、特許文献１に記載の超電導モータによれば、ステータを介して収容空間内の冷媒及び部材が冷却されるように構成されているので、ステータが十分に冷却された後にコイルやロータが冷却される。このような構成である場合、コイル及びロータを速やかに所定の温度にまで低下させることができない。つまり、特許文献１に記載の超電導モータは、超電導体により構成される部材の熱応答性が悪いという問題を有する。熱応答性が悪い場合、コイルの発熱に対して速やかにコイルを冷却することができず、ひいてはコイルに所望の電流を流せなくなるといった不具合を招く虞がある。

本発明は、超電導体により構成される部材、具体的には、コイル及びロータを、短時間で冷却でき、且つ、これらの熱応答性が良好であるように構成された超電導回転電機を提供することを、目的とする。

（課題を解決するための手段）
本発明は、内部に空間が形成されたハウジング（２）と、超電導体により構成され、ハウジング内に配設されるとともに回転可能にハウジングに支持されたロータ（３）と、磁性体により構成され、ハウジング内に固定配置されるとともに、ロータの回転軸に垂直な面内にてロータの表面に対面するようにロータの回転方向に沿って配列する複数のティース（５ｂ）を有するステータ（５）と、超電導体により構成され、隣接するティース間に形成されるスロット（５ｃ）を通過するように、ハウジング内にてティースの周囲に配設されるコイル（６）と、ハウジング内に配設され、ハウジング内の空間を、ステータが配設される第一空間（２１）と、ロータとコイルが配設される第二空間（２２）とに気密的に区画する区画部材（７）と、を備える、超電導回転電機を提供する。

この場合において、区画部材は、ティースとコイルとの間に配置する隔壁部（７ｃ）を備え、コイルが、隣接するティース間に形成されるスロットを通過するように、第二空間内にて隔壁部に巻回されるとよい。また、隔壁部は、複数のティースの先端面に対面配置する底部（７ｄ）と、隣接するティース間に形成されるスロットに突出するように底部からロータの径方向に沿って延設された突出部（７ｅ）とを備え、コイルが、隣接するティース間に形成されるスロットを通過するように、第二空間内にて突出部に巻回されるとよい。

本発明によれば、超電導モータのハウジング内の空間が、区画部材によって、第一空間と第二空間とに気密的に区画される。第一空間内には磁性体により構成されるステータが配設され、第二空間内には超電導体により構成されたロータ（例えばロータのロータバー、エンドリング）及びコイルが配設される。従って、第二空間内の空間を冷却することにより、超電導体により構成されるロータ及びコイルを冷却することができる。ここで、第二空間内にはステータが配設されていないので、第二空間内に配設されている部材を冷却するにあたり、ステータを冷却しなくてもよい。よって、特許文献１と比較して、ステータを冷却しなくてもよい分だけ、超電導体により構成されたロータ（例えばロータのロータバー、エンドリング）及びコイルを速やかに冷却することができる。また、本発明によれば、第二空間内にステータが配設されていないので、第二空間内の冷媒をステータを介することなく冷却することができる。そして、ステータを介することなく冷却された冷媒によってロータ及びコイルを冷却することができる。つまり、ロータ及びコイルへの冷熱伝達経路にステータが介入されない。よって、ロータ及びコイルの熱応答性は、これらがステータを介して冷却される場合における熱応答性に比較して、高い。このように、本発明によれば、コイル及びロータを短時間で冷却でき、且つ、これらの熱応答性が良好であるように構成された超電導回転電機を提供することができる。

また、ロータは円筒状の外周面（３ｂ）を備え、ティースは、ロータの外周面に対面するように、ロータの外周側に配設されるとよい。また、区画部材は、ロータの一方の端面側からコイル及びロータを覆うように構成された第一キャップ部（７ａ）と、ロータの他方の端面側からコイル及びロータを覆うように構成された第二キャップ部（７ｂ）とを備え、隔壁部は、ロータの外周側からコイル及びロータを覆うように円筒状に構成されるとよい。そして、隔壁部の一方の端部に第一キャップ部が気密的に接続され、隔壁部の他方の端部に第二キャップ部が気密的に接続されることにより、第一キャップ部、第二キャップ部、及び隔壁部により囲まれた第二空間が形成されるとよい。

これによれば、ステータの内周側にロータが配置している場合において、第一キャップ部、第二キャップ部、及び隔壁部により構成される第二空間内に、超電導体により構成されるロータ及びコイルを配設することができる。

また、第二空間に、ロータ及びコイルを構成する超電導体の超電導遷移温度以下の温度の冷媒が充填されているとよい。これによれば、第二空間内の冷媒によりロータ及びコイルが冷却されることにより、ロータ及びコイルを超電導状態にさせることができる。

また、第二空間の外方側に第一空間が形成されており、第一空間が真空状態にされているとよい。すなわち、第二空間が第一空間に囲まれており、且つ、第二空間を囲っている第一空間が真空状態にされているとよい。これによれば、第二空間が第一空間により真空断熱状態にされるため、第二空間内の温度を超電導遷移温度以下の温度に維持することができる。

実施形態に係る超電導モータの回転軸であるシャフトの軸方向を含む一平面で切断した超電導モータ１の断面図である。 図１のII−II断面図である。 図１のIII−III断面図である。 図２のＩＶ部拡大図である。 図１のＶ部拡大図である。 本実施形態の変形例に係る超電導モータの断面図である。 本実施形態の他の変形例に係る超電導モータの断面図である。 本実施形態のさらに他の変形例に係る超電導モータの断面図である。

以下、本発明の実施形態について説明する。図１は、本実施形態に係る超電導モータ１（超電導回転電機）の回転軸であるシャフト４の軸方向（回転軸Ｐ１方向）を含む一平面で切断した超電導モータ１の断面図である。また、図２は、図１のII−II断面図、図３は図１のIII−III断面図である。また、図４は、図２のＩＶ部拡大図であり、図５は、図１のＶ部拡大図である。この超電導モータ１は誘導モータである。図１に示すように、超電導モータ１は、ハウジング２と、ロータ３（回転子）と、シャフト４（回転軸）と、ステータ５（固定子鉄心）と、コイル６（固定子コイル）と、内部容器７とを備える。内部容器７が本発明の区画部材に相当する。

ハウジング２は、モータを作動させるための主要部品が内部に収容される筐体であり、金属（例えばステンレス、アルミニウム）、ＦＲＰ（繊維強化樹脂）またはセラミックスで形成される。ハウジング２は、中央に円孔２ｄが形成された円板状の蓋部２ａと、中央に円孔２ｅが形成された円板状の底部２ｂと、側周部２ｃとを有する。蓋部２ａと底部２ｂは対面配置しており、側周部２ｃは、蓋部２ａの周縁と底部２ｂの周縁とを接続するように円筒形状に形成される。ハウジング２の内部には空間が形成される。ハウジング２の内部に、ロータ３、シャフト４、ステータ５、コイル６、及び内部容器７が配設される。

ロータ３は、誘導モータに通常用いられるような籠形円筒形状を呈しており、周知のように、一対の対向配置するエンドリングと、一対のエンドリングを接続する複数のロータバーとを備える。複数のロータバーは、エンドリングの周方向に沿って等間隔に配設される。このロータ３のロータバー、エンドリングは超電導体により構成される。

回転軸Ｐ１に垂直な面内におけるロータ３の断面形状は、図２に示すようにリング形状である。また、籠形円筒形状のロータ３の内周面３ａの一部に、軸方向に延びるキー溝が形成される。また、ロータ３の内周側にシャフト４がロータ３と同軸的に配設されており、このシャフト４の外周壁の一部にも、軸方向に延びるキー溝が形成されている。そして、ロータ３のキー溝とシャフト４のキー溝が対面配置するようにロータ３とシャフト４が同軸的に配置される。これにより、ロータ３のキー溝とシャフト４のキー溝とにより囲まれた断面矩形状の空間が両部材３，４の軸方向に延びるように形成される。この断面矩形状の空間内にキーＫが嵌め込まれることによって、ロータ３とシャフト４が一体的に同軸回転可能に結合される。

図１に示すように、シャフト４の内部は、軽量化のため部分的に中空状にされている。また、シャフト４の一方の端部４ａは、ハウジング２の底部２ｂの円孔２ｅを形成する内周壁面に嵌め込まれた第一ボールベアリング８を介して、ハウジング２の底部２ｂに回転可能に支持される。なお、底部２ｂの円孔２ｅには、キャップ部材２ｆが外方から被せられる。このキャップ部材２ｆによって、円孔２ｅが気密的に封止される。

また、シャフト４の他方の端部４ｂ側の部分は、ハウジング２の蓋部２ａに設けられている円孔２ｄを経由してハウジング２の外方に突出する。ハウジング２の蓋部２ａの円孔２ｄを形成する内周壁面には、第二ボールベアリング９及び磁性流体ベアリング１０が並んで取り付けられている。磁性流体ベアリング１０は、第二ボールベアリング９よりも、図１において左方、すなわちハウジング２から突出したシャフト４の他方の端部４ｂに近い側に配設されている。第二ボールベアリング９によって、シャフト４がハウジング２の蓋部２ａに回転可能に支持される。従って、第一ボールベアリング８及び第二ボールベアリング９を介して、シャフト４及びこのシャフト４に結合されたロータ３が、回転可能にハウジング２に支持されることになる。このようにしてハウジング２に支持されたシャフト４及びロータ３の回転軸が、図１において回転軸Ｐ１として表される。また、磁性流体ベアリング１０は、シャフト４を回転可能に支持するとともに、ハウジング２の蓋部２ａの円孔２ｄとシャフト４の外周面との間の隙間を封止する。磁性流体ベアリング１０の構成は公知であるので、その具体的説明は省略する。

ステータ５は、ロータ３の外周面３ｂを覆うようにハウジング２内に配設される。図１に示すように、ステータ５は、ハウジング２の側周部２ｃの内壁面のうち、回転軸Ｐ１の軸方向におけるほぼ中央部分に固定されるように、ハウジング２内に設けられる。ステータ５は、図２に良く示すように、透磁率が高い透磁材料（例えば鉄）で形成された円筒形状をなす本体コア５ａと、本体コア５ａの内周壁から求心方向に向かって延設した複数のティース５ｂとを有する。ステータ５は、その本体コア５ａの外周面がハウジング２の側周部２ｃの内壁面に対面接触した状態でハウジング２内の所定位置に固定される。

図２に示すように、ステータ５の複数のティース５ｂは、本体コア５ａの周方向に沿って等間隔に配列している。隣接するティース５ｂ間にスロット５ｃが形成される。また、複数のティース５ｂの先端面に囲まれた円柱状の空間が、ステータ５の内周側に形成され、この円柱状の空間にロータ３が同軸状に配置している。従って、ロータ３の外周面３ｂに、複数のティース５ｂの先端面が対面する。つまり、複数のティース５ｂは、ロータ３の回転軸（回転軸Ｐ１）に垂直な面内にて、ロータ３の外周面３ｂ（表面）に対面するように、ロータ３の回転方向に沿って配列することになる。

ステータ５は、円板状の積層板を積層することにより形成しても良い。或いは、ステータ５は、絶縁被膜で被覆した多数の鉄粉粒子からなる集合体を固結させたものでも良い。本実施形態においては、ステータ５は、回転軸Ｐ１の軸方向に垂直な面内にて複数に分割された分割コアが組み合わされることによって、形成される。

コイル６は、超電導線材（超電導テープ線材）がレーストラック状に巻回されることにより構成される。コイル６は、図２及び図４に示すように、２つの異なるスロット５ｃを回転軸Ｐ１方向に沿って通過するように、ハウジング２内にてティース５ｂの周囲に配設される。本実施形態においては、ステータ５の周方向に沿って隣り合う２つのティース５ｂに跨るように、つまり、ある一つのスロットの両隣に配置した２つのスロットを通過するように、コイル６が複数のティース５ｂの周囲に配設される。

上述したように、ロータ３のロータバー、エンドリング及びコイル６が超電導体により構成される。これらを構成する超電導体として、例えば、イットリウム系、ビスマス系の酸化物超電導体が用いられるが、超電導特性を発揮し得る超電導体であれば、この限りでない。また、ロータ３のロータバー、エンドリング及びコイル６の全てが超電導体により構成されていてもよいし、部分的に超電導体により構成されていてもよい。この場合にも、ロータ３のロータバー、エンドリング及びコイル６が超電導体により構成されているものとする。

また、図１に示すように、ハウジング２内に内部容器７が配設される。内部容器７は、回転軸Ｐ１方向に沿って対向配置する第一キャップ部７ａ及び第二キャップ部７ｂと、第一キャップ部７ａと第二キャップ部７ｂとの間に配設される隔壁部７ｃとを備える。

第一キャップ部７ａは、ステータ５の配設位置よりも図１において左側（ハウジング２の蓋部２ａに近い側）に配設される。この第一キャップ部７ａは、中央に円孔が形成されたリング形状を呈しており、その中心軸が回転軸Ｐ１に同軸状であるように、ハウジング２内に配置される。第一キャップ部７ａの円孔内にはシャフト４が挿通される。そして、第一キャップ部７ａは、その円孔内にシャフト４を挿通させた状態で、図１において左側から、すなわちロータ３の一方の端部側からロータ３及びコイル６を覆うように、ハウジング２内に配設される。また、第一キャップ部７ａの外周側の部分は、ステータ５に近づく方向に折れ曲がることによって円筒状にされる。円筒状にされた第一キャップ部７ａの外周端縁には、その外周端縁から径外方に放射状に延びた第一フランジ１１が取り付けられる。

第二キャップ部７ｂは、ステータ５の配設位置よりも図１において右側（ハウジング２の底部２ｂに近い側）に配設される。この第二キャップ部７ｂは、中央に円孔が形成されたリング形状を呈しており、その中心軸が回転軸Ｐ１に同軸状であるように、ハウジング２内に配置される。第二キャップ部７ｂの円孔内にはシャフト４が挿通される。そして、第二キャップ部７ｂは、その円孔内にシャフト４を挿通させた状態で、図１において右側から、すなわちロータ３の他方の端部側からロータ３及びコイル６を覆うように、ハウジング２内に配設される。また、第二キャップ部７ｂの外周側の部分は、ステータ５に近づく方向に折れ曲がることによって円筒状にされる。円筒状にされた第二キャップ部７ｂの外周端縁には、その外周端縁から径外方に放射状に延びた第二フランジ１２が取り付けられる。

隔壁部７ｃは、円筒形状に形成されており、その中心軸が回転軸Ｐ１に同軸状であるようにハウジング２内に配置している。また、円筒形状の隔壁部７ｃの一方の端部には、径外方に放射状に延びた一方側フランジ１３が取り付けられており、隔壁部７ｃの他方の端部には、径外方に放射状に延びた他方側フランジ１４が取り付けられている。

そして、図１に示すように、第一キャップ部７ａに取り付けられた第一フランジ１１と、隔壁部７ｃの一方の端部に取り付けられた一方側フランジ１３とが対面配置され、ボルト等の締結部材、或いは溶接、により、両フランジ１１，１３が結合される。これによって、第一キャップ部７ａと隔壁部７ｃが気密的に結合される。また、第二キャップ部７ｂに取り付けられた第二フランジ１２と、隔壁部７ｃの他方の端部に取り付けられた他方側フランジ１４とが対面配置され、ボルト等の締結部材、或いは溶接、により、両フランジ１２，１４が結合される。これによって、第二キャップ部７ｂと隔壁部７ｃが気密的に結合される。

内部容器７が上記したようにハウジング２内に配設されている場合、ハウジング２内の空間が、内部容器７に囲われていない第一空間２１と、内部容器７によって囲われた第二空間２２とに、気密的に区画される。本実施形態においては、内部容器７に囲われていない第一空間２１に、ステータ５が配設される。一方、内部容器７に囲われた第二空間２２に、ロータ３及びコイル６配設される。すなわち、内部容器７によって、超電導体ではないステータ５が配設される第一空間２１と、超電導体により構成されるロータ３及びコイル６が配設される第二空間２２が、気密的に区画される。また、図１からわかるように、第二空間２２は、第一空間２１の内方に位置している。つまり、第二空間２２が、第一空間２１に内包されている。

図４に良く示すように、隔壁部７ｃは、ステータ５の内周側に設けられている。隔壁部７ｃは、互いに対面配置しているロータ３と複数のティース５ｂとを仕切るように、両者間に配置している。隔壁部７ｃは、複数のティース５ｂの先端面に対面配置する底部７ｄと、隣接するティース５ｂ間に形成されるスロット５ｃに突出するように底部７ｄからロータ３の径外方向に向かって延設された突出部７ｅとを備える。突出部７ｅは、隣接するティース５ｂ間に形成される全てのスロット５ｃに突出するように、ロータ３の外周面３ｂに沿って形成される。

隔壁部７ｃの突出部７ｅがスロット５ｃに突出するように形成されているため、スロット５ｃを形成するティース５ｂの表面が、ステータ５の内周側から、一定の隙間を隔てて突出部７ｅに覆われる。つまり、突出部７ｅは、ステータ５の内周側からティース５ｂの表面形状を一定の隙間を隔ててトレースするように形成される。このように入り組んだ形状の突出部７ｅに、第二空間２２内に配設されたコイル６が巻回される。すなわち、本実施形態によれば、コイル６は、突出部７ｅ（隔壁部７ｃ）を介して、スロット５ｃを通過するように、ティース５ｂの周囲に配設される。換言すれば、ティース５ｂとコイル６との間に、突出部７ｅ（隔壁部７ｃ）が配置しており、この突出部７ｅを介してティース５ｂに対してコイル６が巻回される。

内部容器７によって囲われた第二空間２２内には、冷媒が充填される。この冷媒として、ロータ３及びコイル６を構成する超電導体の超電導遷移温度では液化しない気体が好ましい。特に、ヘリウムガスが、冷媒として好ましく用いられる。

また、図１に示すように、ハウジング２内において、シャフト４の外周の周りに円筒状の第一スリーブ１５及び第二スリーブ１６が配設される。第一スリーブ１５は、シャフト４のうちロータ３が取り付けられている部分と蓋部２ａに支持されている部分との間の部分の外周面に対面するように、ハウジング２内に設けられる。また、第二スリーブ１６は、シャフト４のうちロータ３が取り付けられている部分と底部２ｂに支持されている部分との間の部分の外周面に対面するように、ハウジング２内に設けられる。

第一スリーブ１５の一方の端部（図１において左側の端部）は、ハウジング２の蓋部２ａに埋め込まれることにより、気密的に固定される。第一スリーブ１５の他方の端部（図１において右側の端部）は、第一キャップ部７ａの内周縁に気密的に固定される。このように固定された状態で、第一スリーブ１５がシャフト４の外周を覆う。このとき、図５に示すように、第一スリーブ１５とそれに対面するシャフト４の外周との間には、円筒形状の微小の隙間が形成される。円筒形状の微小の隙間の一方の端部（第一スリーブ１５が蓋部２ａに固定されている側の端部）は、第一スリーブ１５と蓋部２ａとで囲まれることにより封止される。円筒形状の微小の隙間の他方の端部（第一スリーブ１５が第一キャップ部７ａに固定されている側の端部）は、第二空間２２に連通する。

第二スリーブ１６の一方の端部（図１において右側の端部）は、ハウジング２の底部２ｂに埋め込まれることにより、気密的に固定される。第二スリーブ１６の他方の端部（図１において左側の端部）は、第二キャップ部７ｂの内周縁に気密的に固定される。このように固定された状態で、第二スリーブ１６がシャフト４の外周を覆う。このとき、第二スリーブ１６とそれに対面するシャフト４の外周との間には、円筒形状の微小の隙間が形成される。円筒形状の微小の隙間の一方の端部（第二スリーブ１６が底部２ｂに固定されている側の端部）は、第二スリーブ１６と底部２ｂとで囲まれることにより封止される。円筒形状の微小の隙間の他方の端部（第二スリーブ１６が第二キャップ部７ｂに固定されている側の端部）は、第二空間２２に連通する。

従って、本実施形態においては、厳密に言えば、第二空間２２は、内部容器７に囲まれた空間と、第一スリーブ１５とシャフト４との間の円筒状の隙間内の空間と、第二スリーブ１６とシャフト４との間の円筒状の隙間内の空間とによって、構成される。

また、図１に示すように、超電導モータ１に冷凍機１７が取り付けられる。冷凍機１７としては、パルス管冷凍機、スターリング冷凍機、ギホードマクマホン（ＧＭ）冷凍機、ソルベイ冷凍機、ヴィルマイヤー冷凍機などの公知の冷凍機が例示される。

冷凍機１７は、本体部１７ａとコールドヘッド１７ｂとを備える。本体部１７ａにて冷熱が発生される。発生された冷熱がコールドヘッド１７ｂから取り出される。また、コールドヘッド１７ｂには冷熱伝達部材１７ｃが取り付けられており、この冷熱伝達部材１７ｃの先端に熱交換部材１７ｄが取り付けられている。コールドヘッド１７ｂ、冷熱伝達部材１７ｃ、及び熱交換部材１７ｄは、いずれも、熱伝導度の良好な材質、例えば銅により形成される。

図１に示すように、冷凍機１７のコールドヘッド１７ｂが、ハウジング２内の第一空間２１内に進入するように、冷凍機１７が超電導モータ１に組み付けられる。また、コールドヘッド１７ｂが、冷熱伝達部材１７ｃを介して熱交換部材１７ｄに熱的に接続される。熱交換部材１７ｄは、内部容器７の第一キャップ部７ａに取り付けられる。従って、コールドヘッド１７ｂの冷熱が、冷熱伝達部材１７ｃ及び熱交換部材１７ｄを介して、内部容器７内の第二空間２２に充填された冷媒（ヘリウムガス）に供給される。

また、図１に示す超電導モータ１は、３つのハーメチック（電流導入端子）Ｈを有する（図１においては１つのハーメチックＨのみを示す）。ハーメチックＨは、内部容器７内に収容されている複数のコイル６のうちの所定のコイルのコイルエンドに接続される。なお、本実施形態においては、超電導モータ１が三相誘導モータとして使用されるように、コイル６が、第二空間２２内にて、ティース５ｂの周りに設けられる内部容器７の隔壁部７ｃ（突出部７ｅ）に巻回されている。従って、超電導モータ１が三相誘導モータとして作動するように、ハーメチックＨがコイル６に電気的に接続される。このハーメチックＨは、図示しないインバータの出力側に接続される。

上記構成の超電導モータ１を作動させる場合、まず、ハウジング２内の第一空間２１を排気する。これにより第一空間２１が高真空状態にされる。上記したように、第二空間２２は第一空間２１の内方に形成されている。従って、第一空間２１が真空状態にされることにより、第二空間２２が真空断熱され、超電導モータ１の外部の雰囲気の熱が第二空間２２に伝達されることが効果的に抑止される。

次いで、冷凍機１７を作動させて、冷熱を発生させる。発生した冷熱は、コールドヘッド１７ｂ、冷熱伝達部材１７ｃ、及び熱交換部材１７ｄを経由して、内部容器７内の第二空間２２内の冷媒に伝達される。これにより第二空間２２内の冷媒が冷却される。さらに、第二空間２２内の冷媒によって、第二空間２２内のロータ３及びコイル６が冷却される。そして、ロータ３及びコイル６の温度が、それらを構成する超電導体の超電導遷移温度（例えば９０Ｋ）以下の温度にまで低下したときに、超電導モータ１を作動させる。

すると、インバータにより調整された交番電流がコイル６に伝達される。これにより、ロータ３に外部磁界が印加される。ロータ３は、外部磁界により電磁誘導されて、自身の内部にて磁界を発生する。そして、外部磁界とロータ３内の磁界の合成磁界により作り出された回転磁界によって、ロータ３が回転する。ロータ３が回転すると、ロータ３に結合したシャフト４が回転する。このようにして、超電導モータ１が作動する。

本実施形態によれば、超電導モータ１を構成する部材のうち、電流が流されるコイル６、及び、誘導電流が流れるロータ３のロータバー、エンドリングが、超電導体により構成されている。超電導体は、周知のように、超電導状態にて電気抵抗が非常に小さい（ただし、インダクタンスは０ではない）。よって、通常のモータよりも大きなトルクを発生させることができる。

また、本実施形態においては、内部容器７内の第二空間２２内に、超電導体により構成されているロータ３のロータバー、エンドリング及びコイル６が配設されている。一方、超電導体ではないステータ５は、内部容器７によって第二空間２２とは気密的に区画された第一空間２１内に配設されている。よって、冷凍機１７により供給される冷熱によって、冷却する必要のある超電導体により構成される部材（ロータ３のロータバー、エンドリング及びコイル６）を主に冷却することができ、冷却する必要の無い部材（ステータ５）は冷却されない。このため、超電導体により構成される部材が、冷凍機１７により供給される冷熱により速やかに冷却される。よって、超電導体により構成される部材（ロータ３のロータバー、エンドリング及びコイル６）の冷却時間を短縮することができる。

また、例えば、コイル６が発熱した場合には、コイル６に所望の電流を流せなくなるため、コイル６を急速に冷却する必要がある。この場合において、上記特許文献１のようにステータを介してコイルが冷却される場合には、ステータを介する分だけコイルの冷却が遅れるため、コイル６に所望の電流を流せなくなる可能性が高まってしまう。これに対し、本実施形態によれば、冷凍機１７によりステータを介することなく内部容器７内の冷媒が冷却されるため、内部容器７内のコイル６も速やかに冷却される。つまり、本実施形態においては、ロータ３及びコイル６の熱応答性が高くなるように、超電導モータ１が構成されている。よって、コイル６の発熱に起因して、コイル６に所望の電流が流せなくなるといった不具合を未然に防止することができる。

以上、本発明の実施形態について説明した。本実施形態に係る超電導モータ１は、ハウジング２内の空間を、ステータ５が配設される第一空間２１と、ロータ３とコイル６が配設される第二空間２２とに気密的に区画する区画部材としての内部容器７を備える。また、内部容器７は、ステータ５のティース５ｂとコイル６との間に配置する隔壁部７ｃを備え、コイル６が、隣接するティース５ｂ間に形成されるスロット５ｃを通過するように、第二空間２２内にて隔壁部７ｃに巻回される。また、隔壁部７ｃは、複数のティース５ｂの先端面に対面配置する底部７ｄと、隣接するティース５ｂ間に形成されるスロット５ｃに突出するように底部７ｄからロータ３の径方向に沿って延設された突出部７ｅとを備える。つまり、隔壁部７ｃは、ステータ５の内周側から、一定の隙間を隔ててティース５ｂを覆うように、ティース５ｂの形状をトレースしたような形状にされる。そして、コイル６は、隣接するティース５ｂ間に形成されるスロット５ｃを通過するように、第二空間２２内にて突出部７ｅに巻回される。

本実施形態によれば、ステータ５の配設空間と超電導体により構成される部材（ロータ３のロータバー、エンドリング及びコイル６）の配設空間が気密的に区画されているため、ステータ５を冷却することなしに、ロータ３及びコイル６を速やかに冷却することができるとともに、これらの部材の熱応答性を高めることができる。

また、本実施形態においては、図１に示すように、第二空間２２は、第一空間２１の内方に位置している。そして、超電導モータ１の作動時には、第一空間２１が真空状態にされる。このため第二空間２２が第一空間２１によって真空断熱される。斯かる真空断熱効果により、第二空間２２内の温度を、長時間、超電導遷移温度以下の温度に維持することができる。

また、本実施形態においては、図２に示すように、ステータ５が、回転軸Ｐ１方向に垂直な面内において複数に分割された分割コアにより構成されている。このため、複雑な断面形状の内部容器７にその径外方側から分割コアを順次組み付けていくことにより、内部容器７を内部に備えた超電導モータ１を容易に作製することができる。

本発明は、上記実施形態に限定されるべきものではない。例えば、上記実施形態においては、冷凍機１７によって、内部容器７内の第二空間２２内の冷媒、ロータ３及びコイル６を冷却する例を示したが、図６に示すように、予め超電導遷移温度以下に冷却された冷媒を内部容器７で循環させるように構成してもよい。この場合、内部容器７に、冷媒供給配管１８ａと冷媒排出配管１８ｂが接続される。冷媒供給配管１８ａから、超電導遷移温度以下に冷却された冷媒が内部容器７の第二空間２２内に供給される。また、第二空間２２内で、例えばコイル６の発熱によって加熱された冷媒は、冷媒排出配管１８ｂを経由して第二空間２２の外部に排出される。このようにして、予め冷却された冷媒を順次第二空間２２に供給することにより、冷凍機を用いずとも、内部容器７内の冷媒の温度を超電導遷移温度以下の温度に維持しておくことができる。

また、ハウジング２内に、内部容器７を固定する固定部材を設けてもよい。例えば、図７に示すように、第一キャップ部７ａに取り付けられている第一フランジ１１、及び、第二キャップ部７ｂに取り付けられている第二フランジ１２、のそれぞれに、固定部材としての第一円筒部材１９ａ及び第二円筒部材１９ｂを取り付けておいてもよい。第一円筒部材１９ａ及び第二円筒部材１９ｂは樹脂等の熱伝導性が悪い材料により構成される。第一円筒部材１９ａの一方の端面は第一フランジ１１に接続され、他方の端面はハウジング２の蓋部２ａの内壁面に接続される。第二円筒部材１９ｂの一方の端面は第二フランジ１２に接続され、他方の端面はハウジング２の底部２ｂの内壁面に接続される。このように第一円筒部材１９ａ及び第二円筒部材１９ｂを介して内部容器７をハウジング２に固定することにより、内部容器７を精度良く、特に、精度良く回転軸Ｐ１の同軸上に、位置決めすることができる。

また、図８に示すように、第一キャップ部７ａ及び第二キャップ部７ｂのそれぞれに、固定部材としての第一円板部材１９ｃ及び第二円板部材１９ｄを取り付けておいてもよい。第一円板部材１９ｃ及び第二円板部材１９ｄは樹脂等の熱伝導性の悪い材料によりリング状に形成される。第一円板部材１９ｃの内周面は第一キャップ部７ａに接続され、外周面はハウジング２の側周部２ｃの内壁面に接続される。第二円板部材１９ｄの内周面は第二キャップ部７ｂに接続され、外周面はハウジング２の側周部２ｃの内壁面に接続される。このように第一円板部材１９ｃ及び第二円板部材１９ｄにより内部容器７を固定することによっても、内部容器７を精度良く、特に、精度良く回転軸Ｐ１の同軸上に、位置決めすることができる。

また、本実施形態においては、図４に良く示すように、内部容器７の隔壁部７ｃとティース５ｂとの間に所定の隙間が形成されているが、この隙間を、樹脂等の熱伝導性が悪い物質によって埋めることもできる。これによれば、内部容器７がステータ５に固定されることによって、内部容器７を精度良く位置決めすることができる。なお、樹脂などの熱伝導の悪い物質は、空孔率の高い物質が良く、好ましくは透磁率の高い物質を選択することができる。このように、本発明は、その趣旨を逸脱しない限りにおいて、変形可能である。

１…超電導モータ（超電導回転電機）、２…ハウジング、２ａ…蓋部、２ｂ…底部、２ｃ…側周部、３…ロータ、３ａ…内周面、３ｂ…外周面、４…シャフト、５…ステータ、５ａ…本体コア、５ｂ…ティース、５ｃ…スロット、６…コイル、７…内部容器（区画部材）、７ａ…第一キャップ部、７ｂ…第二キャップ部、７ｃ…隔壁部、７ｄ…底部、７ｅ…突出部、８…第一ボールベアリング、９…第二ボールベアリング、１０…磁性流体ベアリング、１１…第一フランジ、１２…第二フランジ、１３…一方側フランジ、１４…他方側フランジ、１５…第一スリーブ、１６…第二スリーブ、１７…冷凍機、１７ａ…本体部、１７ｂ…コールドヘッド、１７ｃ…冷熱伝達部材、１７ｄ…熱交換部材、１８ａ…冷媒供給配管、１８ｂ…冷媒排出配管、１９ａ…第一円筒部材、１９ｂ…第二円筒部材、１９ｃ…第一円板部材、１９ｄ…第二円板部材、２１…第一空間、２２…第二空間、Ｐ１…回転軸

Claims (6)

1. 内部に空間が形成されたハウジングと、
   超電導体により構成され、前記ハウジング内に配設されるとともに回転可能に前記ハウジングに支持されたロータと、
   磁性体により構成され、前記ハウジング内に固定配置されるとともに、前記ロータの回転軸に垂直な面内にて前記ロータの表面に対面するように前記ロータの回転方向に沿って配列する複数のティースを有するステータと、
   超電導体により構成され、隣接する前記ティース間に形成されるスロットを通過するように、前記ハウジング内にて前記ティースの周囲に配設されるコイルと、
   前記ハウジング内に配設され、前記ハウジング内の前記空間を、前記ステータが配設される第一空間と、前記ロータと前記コイルが配設される第二空間とに気密的に区画する区画部材と、
   を備える、超電導回転電機。
2. 請求項１に記載の超電導回転電機において、
   前記区画部材は、前記ティースと前記コイルとの間に配置する隔壁部を備え、
   前記コイルが、隣接する前記ティース間に形成されるスロットを通過するように、前記第二空間内にて前記隔壁部に巻回される、超電導回転電機。
3. 請求項２に記載の超電導回転電機において、
   前記隔壁部は、複数の前記ティースの先端面に対面配置する底部と、隣接する前記ティース間に形成される前記スロットに突出するように前記底部から前記ロータの径方向に沿って延設された突出部とを備え、
   前記コイルが、隣接する前記ティース間に形成される前記スロットを通過するように、前記第二空間内にて前記突出部に巻回される、超電導回転電機。
4. 請求項３に記載の超電導回転電機において、
   前記ロータは円筒状の外周面を備え、
   前記ティースは、前記ロータの前記外周面に対面するように、前記ロータの外周側に配設され、
   前記区画部材は、前記ロータの一方の端面側から前記コイル及び前記ロータを覆うように構成された第一キャップ部と、前記ロータの他方の端面側から前記コイル及び前記ロータを覆うように構成された第二キャップ部とを備え、
   前記隔壁部は、前記ロータの外周側から前記コイル及び前記ロータを覆うように円筒状に構成され、
   前記隔壁部の一方の端部に前記第一キャップ部が気密的に接続され、前記隔壁部の他方の端部に前記第二キャップ部が気密的に接続されることにより、前記第一キャップ部、前記第二キャップ部、及び前記隔壁部により囲まれた前記第二空間が形成される、超電導回転電機。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の超電導回転電機において、
   前記第二空間に、前記ロータ及び前記コイルを構成する超電導体の超電導遷移温度以下の温度の冷媒が充填されている、超電導回転電機。
6. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の超電導回転電機において、
   前記第二空間の外方側に前記第一空間が形成されており、前記第一空間が真空状態にされている、超電導回転電機。

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