JPH01303046A - 同期電動機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、同期電動機なとのような電動機に関し、もつ
と詳しくは、超電導を利用した電動機に関する。

従来の技術および発明が解決すべき課題超電導現象を利
用した電動機において、その出力トルクが希望する値と
なるように設定することができれば、用途が拡大し、好
都合である。しかしながら従来では、そのような出力ト
ルクの可変な構成を有する電動機は存在してしない。

本発明の１つの目的は、出力トルクを可変とすることが
できるようにした超電導現象を利用した同期電動機を提
供することである。

成る先行技術は、第１２図（１）に示されている。回転
軸１には、鉄などの強磁性材料から成るロータ材２に、
ロータコイル３が設けられている。

この電動機のハウジンク４ては、鉄なとの強磁性材料か
ら成るステータ材５に、ロータコイル３に磁気結合する
ステータコイル６か固定される。モータの回転動作中に
おけるステータコイル６の磁力線は、参照符７て示され
るとおりである。

このような先行技術では、漏洩磁束を減少させ、出力ト
ルクを向上するために、ロータ材２およびステータ材５
が鉄なとの強磁性材料から成るので、重量が大きいとい
う問題がある。

一方、第１２図（２）に示される電動機では、ロータ材
８およびステータ材９は鉄なとの強磁性材料に替えて合
成樹脂なとの非磁性材料として磁気的に空芯化とし、軽
量化を図っている。このような第１２図く２）て示され
る電動機の新たな問題は、漏洩磁束か参照符１０で示す
ように大きく、出力トルクか大幅に低下することである
。

本発明の他の目的は、軽量化と漏洩磁束の減少を図って
出力トルクの増大をすることがてきるようにした電動機
を提供することである。

電動機では、その回転軸を支持する軸受を簡略化し、し
かも長期間にわたって使用することが望まれている。

本発明のさらに他の目的は、軸受の構成を簡略化すると
ともに、その寿命を格段に向」二することがてきるよう
にした電動機を提供することである。

超電導現象を利用した電動機において、ロータコイルを
永久電流モードて励磁した状態において、そのロータコ
イルの接続端などにおけるわずがな抵抗に起因して、そ
のロータコイルに流れている電流が時間経過に伴って徐
々に減少してゆき、そのロータによって発生される磁界
が減衰してゆく。

本発明の他の目的は、超電導ロータコイルに流れる電流
の減衰を防き、長期間にわたって一定のトルクで回転駆
動を行うことかできるようにした電動機を提供すること
である。

課題を解決するための手段 本発明は、超電導または常電導のステータコイルに交流
電流を供給して励磁し、超電導ロータコイルに、接続お
よび離脱可能な電気的接続手段を介して、所要出力トル
クに対応した直流電流を供＝３− 給し、この状態で、ロータコイルの閉ループを形成して
永久電流モードとすることを特徴とする。

また本発明は、ロータコイルとステータコイルで構成さ
れる磁気発生体を、超電導磁気シールド部材で囲んだこ
とを特徴とする電動機である。

さらにまた本発明は、ロータコイルの外周部の周方向に
かつ軸線方向両側に、超電導体から成る部材を近接して
設げ、これによってロータのラジアルカおよびスラスト
力を受けるようにしたことを特徴とする電動機である。

また本発明は、超電導ロータコイルを永久電流モードて
励磁してその回転出力トルクの一部を利用して直流発電
機を駆動し、 その発電機の出力を、ロータコイルに与えることを特徴
とする電動機である。

作　　用 本発明に従えば、超電導ロータコイルを永久電流モード
て励磁し、この永久電流は、出力トルクに対応した値に
定める。これによって希望する出力トルクを得ることが
可能になる。

この超電導ロータコイルは、それに接続および離脱可能
な電気的接続手段が設けられているので、この電気的接
続手段を介して超電導ロータコイルに、希望する電流を
供給することが可能であり、始動にあたっては、そのロ
ータコイルを励磁する電流が予め定める値となったとき
に、ロータコイルの閉ループを形成して永久電流モード
とする。

また本発明に従えば、ロータコイルとステータコイルと
を超電導磁気シールド部材で囲んだので、マイスナー効
果によって磁束が外部に漏洩することはなく、したがっ
て磁気的に空芯化しても、出力１〜ルクの増大を図り、
しかも軽量化を図ることができる。

また本発明に従えば、ロータコイルの外周部に、超電導
体から成る部材を、前記外周部の周方向にかつ軸線方向
両側に沿って近接して設け、これによってロータのラジ
アルカとスラスト力を受けるようにしたので、そのロー
タの停止中に回転軸を支持するための軸受の構成を簡素
化することができ、その軸受を長期間にわたって使用す
ることかてきるようになる。

さらにまた本発明に従えば、超電導ロータコイルを永久
電流モードで励磁し、この出力トルクの一部を利用して
直流発電機を駆動し、この直流発電機の出力電力によっ
てロータコイルを励磁するようにしたので、ロータコイ
ルに流れている電流の減衰を防ぐことができ、長期間に
わたって希望する出力１ヘルクを得ることができる。直
流発電機は、常電導状態て回転駆動されるようにすれば
、その直流発電機の電力出力端間に電圧を生じることが
でき、これによってロータコイルへの電力の供給が可能
になる。

実施例 第１図は、本発明の一実施例の断面図である。

ハウジング１２には軸受１３，１．４によって回転軸１
５が支持されており、この回転軸１５には、鉄などの強
磁性材料または合成樹脂なとの非磁性材料から成るロー
タ材１６が固着されている。ロータ材１６の厚み方向く
第１図の左右方向）の両側には、超電導ロータコイル１
７．１８が固定される。

第２図は、超電導ロータコイル１７の正面図である。こ
のロータコイル１７は、周方向に隣接して配置される。

ロータコイル１７．１８内でそれぞれ形成される磁界の
向きは、ロータ材１６を貫通する同一方向であり、後述
の第６図に明らかに示されている。

ハウジング１２には、鉄などの強磁性材料または合成樹
脂などの非磁性材料から成るステータ材１９が固定され
ており、このステータ材１９には、ロータコイル１７．
１８に磁気結合する超電導ステータコイル２０．２１が
固定される。ステータコイル２０．２１は、常電導てあ
ってもよい。

第３図（１）は、超電導ステータコイル２０のコイルの
巻回状態を示す正面図である。このステータコイル２０
は、三相交流電流によって励磁される。ステータコイル
２０は、３つのコイル部分２　ＯＬ＋　、　２０　ｖ　
、　２０　ｗを有し、各コイル部分２０ｕ、２０ｖ、２
０ｗは回転軸１５の軸線まわりに周方向に６０度にわた
って広がっており、このうちのコイル部分２０ｕは、代
表的に、第３図（２）て示されている。第３図（２）に
おいて、θ。

＝６０°である。コイル部分２０ｖ、２０ｗは、コイル
２０ｕに対して周方向に角度θ１．θ２をそれぞれすら
して配置される。複数のコイル部分２０ｕは直列に接続
されており、このことはコイル部分２０ｖ、２０ｗに関
しても同様である。

回転軸１５の端部には、電気的接続手段２２が設けられ
る。この電気的接続手段２２は、回転軸１５に固定され
ているスイッチボックス２３と、この回転軸１５と一体
的に回転する環状の摺動片２４と、中央位置に設けられ
た摺動片２５と、これらの摺動片２４．２５に接触可能
にして固定位置に設けられた摺動片２６．２７と、摺動
片２６゜２７を摺動片２４，２５に接触および離間する
ための電磁コイル２８．２９を有する。ばね３０゜３１
は、摺動片２８，２９を摺動片２４，２５に向けてばね
付勢する。

第４図は、ロータコイル１７．１８に関連する構成を示
す電気回路図である。複数の超電導ロー＝８− タコイル１７と複数の超電導ロータコイル１８とは、直
列に接続されており、超電導材料から成るライン３２を
介して、スイッチボックス２３に設けられている超電導
材料から成るスイッチ用ライン３３に接続される。この
スイッチ用ライン３３は、電気ヒータ３４によって加熱
され、この加熱された状態てはスイッチ用ライン３３は
常電導となり、電気ヒータ３４によって加熱されていな
い状態では超電導となる。ライン３２は、摺動片２４．
２５に接続される。摺動片２６．２７には、出力電流が
可変である直流電源３５に接続される。

ロータコイル１７．１８に永久電流モードて直流電流が
流れて励磁され、ステータコイル２０，２１が前述のよ
うに三相交流電流て励磁されることによって、同期電動
機としての動作が達成される。

第５図は、ステータコイル２０．２１に流れる電流Ｉａ
と、これによって得られる回転軸１５の出力トルクＴと
の関係を示す。■１〜Ｉ５（ただし、Ｉｌ＜Ｉ２＜Ｉ３
＜Ｉ４＜１５）は、ロータコイル１７．１８に流れる電
流を示す。出力トルりＴは、第１゜式の関係がある。

Ｔ−１ぐＴＩａ−（１） ここでＫ　Ｔは、トルク定数である。

１〜ルク定数Ｋ　Ｔは、ロータ磁界Φに比例する。

Ｉぐ　Ｔ　（×−Φ　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　・　　　く　２　）このロー
タ磁界は、ロータコイル１７．１８に流れる電流■に比
例する。

Φ鄭■　　　　　　　　　　　　・−・（３）したがっ
て第１式〜第３式に基づいて第４式が成立する。

’、　　ＴｃｃＩ　　■ａ、　　　　　　　　−（４）
このようにして出力トルクＴは、ステータコイル２０．
２１に流れる電流Ｉ　ａと、ロータコイル１７、］８に
流れる電流■とに比例することが判る。

したがってロータコイル１７．１８に流れる直流電流の
値を設定することによって、回転軸］５がらは希望する
トルクを導出することができることが理解される。

この同期電動機の始動に当たっては、まず電気ヒータ３
４を電力付勢してスイッチ用ライン３３を常電導状態と
する。この状態において電磁コイル２６．２７を消磁し
た状態としておき、摺動片２８．２９をはね３０．３１
のばね力て摺動片２４．２５に接触して摺動可能な状態
とする。そこて電源３５によって供給する電流■を時間
経過に伴って徐々に増大してゆく。電流■が出力トルク
に対応する希望する値に達しな時点て、電気ヒータ３４
を消磁する。これによってスイッチ用ライン３３は、超
電導状態となる。これとともに電磁コイル２８．２９を
励磁して摺動片２６．２７をはね３０，３１のばね力に
抗して摺動片２４．２５から離間変位する。したがって
ロータコイル１７、］８、ライン３２およびスイッチ用
ライン３３を介して閉ループが形成され、永久電流モー
ドで電流■が流れ続りて、ロータコイル１７．１８が励
磁されることになる。ロータ材１６とロータコイル１．
７，１．８とから成るロータは、ステータコイル２０．
２１に供給される三相交流電流の周波数に対応した回転
数で回転する。

さらにまた本発明に従えば、ハウジング１２内には、超
電導磁気シールド部材３７が設けられる。

このシールド部材３７は、超電導材料から成る薄板また
は網状に形成されている。さらにまたハウジング１−２
には、軸受用超電導部材３８が固定される。軸受用部材
３８は、薄板または網状に構成されている。軸受用部材
３８は、ロータコイル１７．１８の外周部の周方向にか
つ軸線方向両側に沿って近接して設けられている。この
軸受用部材３８のロータコイル１−７を囲む領域は、第
１゜図および第２図において参照符！１て示される。

超電導磁気シールド部材３７によって、ステータコイル
２０．２１とロータコイル１．７．１８とを囲むことに
よって、それらのコイルから漏洩磁束を生しることを、
マイスナー効果によって抑制することができる。したが
ってロータ材１６およびステータ材１９は、自戒樹脂材
料なとの非磁性材料とすることがてき、出力トルクの増
大を図って軽量化を図ることがてきる。

また軸受用部材３８は、第６図に明らかに示されるよう
に、そのロータコイル１７．１８からの磁束の漏洩を防
ぎ、電磁力によってロータ材１６およびロータコイル１
７．１８から成るロータのラジアルカおよびスラス）〜
力を受けることができる。したかつて本件電動機の停止
中に支持するための軸受１３，１４１成を簡略化し、そ
の軸受１３．１４を長期間にわたって使用することが可
能である。

第７図は、本発明のさらに他の実施例の断面図である。

この実施例は前述の実施例に類似し、対応する部分には
同一の参照符を付す。注目すべきはこの実施例ては、直
流発電機４０が設けられている。この直流発電機４０は
、ハウジング１２に固定されている永久磁石４１と、回
転軸１５に固定される強磁性材料から成るコア４２と、
このコア４２に取付けられるコイル１１３とを有する。

第８図は、直流発電機４０の簡略化した斜視図である。

永久磁石４１は、その厚み方向すなわち回転軸１５の軸
線方向に磁化されており、その磁極は周方向に交互に変
化している。この直流発電機４０によって、次に述へる
ように、永久電流モ−ドの超電導ロータコイル１７．１
８に直流電、流を供給して、そのロータコイル１７，１
．８の電流の減衰を防ぐ。

第９図は、第７図および第８図に示される実施例の電気
回路図である。ライン３２には、タイマスイッチ４４．
４５を介して直流発電機４０のコイル４３に接続される
。

第１０図はロータコイル１７．１８に流れる永久電流モ
ードにおける電流Ｉの時間経過を示すグラフである。そ
のロータコイル１７．１８とライン３２．３３によって
形成される閉ループを等価的に示す第１１図を参照して
、この閉ループのインダクタンスをＬとし、直流抵抗Ｒ
とするとき、電流■は、初期値を１０とするとき第５式
のとおりとなる。

Ｉ　＝　Ｉ　Ｏｅ−”′Ｌｌｔ−（５）このようなロー
タコイル１７．１８の電流の減衰を防ぐなめに、本発明
に従えはタイマスイッチ４４．４５は、時間Ｗの一定時
間間隔て、時間Ｗ１だけ導通し、残余の時間（＝Ｗ−Ｗ
ｌ＞は遮断している。タイマスイッチ４４．４５が導通
することによって、直流発電機４０からの直流電力は、
ロータコイル１７．１８に供給されて永久電流モードに
おける電流の減衰を防ぎ、これによって回転軸１５の出
力トルクの減衰を防ぐことができる。

発明の効果 以上のように本発明によれば、同期電動機の出力トルク
を希望する値に定めることができるとともに、超電導磁
気シールド部材による漏洩磁束を抑制して、軽量化を図
るとともに出力トルクを増大させることができ、さらに
また軸受の簡易化を図ることができ、さらにまたロータ
コイルの永久電流モードにおける電流の減衰を防ぐこと
ができ′る　。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の断面図、第２図は超電導ロ
ータコイル１７の正面図、第３図はステータコイル２０
の正面図、第４図は超電導ロータコイル１．７．１８に
関連する構成を示す電気回路図、第５図はステータコイ
ル２０．２１に流れる電流Ｉａと回転軸１５の出力トル
クＴとの関係を示ずグラフ、第６図は超電導磁気シール
ド部材３７に関連する構成を示す断面図、第７図は本発
明の他の実施例の断面図、第８図は直流発電機４０の簡
略化した斜視図、第９図は第７図および第８図に示され
る実施例の電気回路図、第１０図はロータコイル１７．
１８に流れる永久電流モー１〜における電流■の時間経
過を示すグラフ、第１１図は超電導ロータコイル１７．
１８に関連する構成の等価回路図、第１２図は先行技術
の簡略化した断面図である。 １２・・ハウジング、１３．１４・・・軸受、１５回転
軸、１６　・ロータ材、１７．１８・・超電導ロータコ
イル、１つ　ステータ材、２０．２１・・超電導ステー
タコイル、２２・・電気的接続手段、３７・超電導磁気
シール１〜部材、３８・超電導軸受用部材、４０　・直
流発電機 代理人　　弁理士　西教　圭一部 １６一 第２図 Ｃ１ 第３図 第５図 第６１ 第７図 第８区 第１２図（１） 第１２図（２）

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）超電導または常電導のステータコイルに交流電流
   を供給して励磁し、超電導ロータコイルに、接続および
   離脱可能な電気的接続手段を介して、所要出力トルクに
   対応した直流電流を供給し、この状態て、ロータコイル
   の閉ループを形成して永久電流モードとすることを特徴
   とする特許請求の範囲第１項記載の同期電動機。
2. （２）ロータコイルとステータコイルで構成される磁気
   発生体を、超電導磁気シールド部材で囲んだことを特徴
   とする電動機。
3. （３）ロータコイルの外周部の周方向にかつ軸線方向両
   側に、超電導体から成る部材を近接して設け、これによ
   つてロータのラジアルカおよびスラスト力を受けるよう
   にしたことを特徴とする電動機。
4. （４）超電導ロータコイルを永久電流モードで励磁して
   その回転出力トルクの一部を利用して直流発電機を駆動
   し、 その発電機の出力を、ロータコイルに与えることを特徴
   とする電動機。