JPH066907A - 電気自動車における超電導モータ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 電気自動車の動力源として超電導モータを適
用し、電気自動車の制動時には、超電導モータから電力
を回生する超電導モータ装置を得る。 【構成】 第１の電機子コイル１１および第２の電機子
コイル１２は、電気自動車の動力源となるモータの回転
子側に設けられる。界磁コイル１３は、超電導体であ
り、モータの固定子側に設けられる。各スイッチ１５〜
２１、およびスイッチユニット２２は、駆動用電流経
路、回生用電流経路等を形成するためのものである。電
気自動車の駆動時には、直流電池１４から界磁コイル１
３並びに各電機子コイル１１，１２への駆動用電流経路
が形成され、これによりモータが回動する。また、電気
自動車の制動時には、各電機子１１，１２から界磁コイ
ル１３へと回生用電流経路が形成され、これにより電力
が回生されて、界磁コイル１３に蓄積される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、電気自動車の動力源
として超電導モータを利用し、電気自動車の駆動と、制
動時の電力回生を行う超電導モータ装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、電気自動車の開発が進展している
が、その開発テーマの一つとして、電力を如何にして効
率的に利用するかがある。

【０００３】このため、車両の走行時には、電力をでき
るだけ各所からかき集め、この電力を２次電池に戻す工
夫がなされている。例えば、太陽電池を付設して、ここ
で発電された電力を回収したり、あるいは車両の減速時
には、動力源であるモータを発電機とみなし、このモー
タから回生された電力を回収していた（１９９１年１１
月１１日発行の日経エレクトロニクスに「電気自動車の
開発が加速，実験から実用の時代へ」と題して記載され
ている）。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、超電導体を
巻線に利用したモータは、その損失の低さから注目すべ
きものであり、電気自動車の動力源としても利用価値が
高い。また、先に述べたようにモータを発電機とみなし
た電力の回収を併用すれば、従来になく、電力の利用効
率を高めることができる。

【０００５】そこで、この発明の課題は、電気自動車の
動力源として超電導モータを適用し、電気自動車の制動
時には、超電導モータから電力を回生する超電導モータ
装置を得ることにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、この発明においては、複数の電機子コイル、および
超電導体を線材として用いた界磁コイルを有し、電気自
動車の車輪を駆動するモータと、前記モータの電源と、
前記電源から前記モータの各電機子コイル並びに界磁コ
イルへと電流を導く駆動用電流経路、および前記各電機
子コイルから前記界磁コイルへと電流を導く回生用電流
経路を形成するスイッチ手段とを備え、このスイッチ手
段は、前記電気自動車の駆動時に、前記駆動用電流経路
を形成し、前記電気自動車の制動時に、前記回生用電流
経路を形成する。

【０００７】

【作用】この発明によれば、電気自動車の駆動時に、駆
動用電流経路が形成される。この駆動用電流経路は、電
源からモータの各電機子コイル並びに界磁コイルへと電
流を導き、これによりモータが回動する。また、電気自
動車の制動時に、回生用電流経路が形成される。この回
生用電流経路は、モータの各電機子コイルから界磁コイ
ルへと電流を導く経路であり、この界磁コイルが超電導
体であることから、ここに電流が蓄積される。つまり、
電気自動車の制動時には、モータを発電機とみなし、各
電機子コイルで発生した電流を回生用電流経路を介して
界磁コイルへと導き、この界磁コイルに蓄積している。

【０００８】

【実施例】以下、この発明の実施例を添付図面を参照し
て説明する。

【０００９】図１は、この発明に係わる超電動モータ装
置の一実施例の構成を示しており、図２は、この実施例
の装置におけるモータの断面構造を示している。

【００１０】この実施例の装置におけるモータ１は、電
気自動車の車輪の軸に直結され、この電気自動車の動力
源として利用されるものである。このモータ１は、第１
の電機子コイル１１および第２の電機子コイル１２を回
転子側に設け、界磁コイル１３を固定子側に設けてい
る。界磁コイル１３は、直流電流を流され、その内側空
間に磁界を形成する。各電機子コイル１１，１２は、交
番電流をそれぞれ流され、界磁コイル１３による磁界と
の相互作用により、回転子を回転させる。

【００１１】直流電源１４は、液体水素を燃料とする燃
料電池であり、各電機子コイル１１，１２、および界磁
コイル１３へと電流を供給する。

【００１２】各スイッチ１５〜２１、およびスイッチユ
ニット２２に内蔵の各スイッチング素子は、後述するよ
うに、それぞれのタイミングでオンおよびオフにされ
る。これにより、直流電源１４から各電機子コイル１
１，１２並びに界磁コイル１３への駆動用電流経路が形
成されたり、各電機子コイル１１，１２から界磁コイル
１３への回生用電流経路が形成される。

【００１３】スイッチユニット２２は、第１乃至第８の
サイリスタ３１〜３８、第１乃至第８のダイオード４１
〜４８、および４つのコンデンサ５１〜５４を備えてお
り、スイッチング素子である各サイリスタ３１〜３８が
それぞれのタイミングでオンおよびオフにされる。

【００１４】また、界磁コイル２３は、超電導体の線材
を巻回したものである。この超導電体の界磁コイル１３
は、モータの内側スリーブ５５と、外側シールド５６間
の密閉空間に位置し、この密閉空間内を流通する冷却媒
体によって冷却される。この冷却媒体は、液体水素であ
り、直流電源１４の燃料である液体水素が用いられる。
この直流電源１４の燃料を界磁コイル１３の冷却に利用
しているので、界磁コイル１３を冷却するための冷却媒
体を特別に必要とせず、装置の小型化を実現することが
できる。すなわち、超電導体を用いる場合は、その冷却
機構が比較的大型化する傾向にあるが、直流電源１４の
燃料を超電導体の冷却媒体として利用することにより、
冷却機構の大型化を防いでいる。しかも、コストの低減
という点でも、有利となる。

【００１５】ここで、界磁コイル１３に用いられる超電
導体は、例えば酸化物超電導体が望ましく、更に具体的
に言えば、ＨＴｃ材が良い。これは、ＨＴｃ材は、液体
窒素の温度７７（Ｋ）でも超電導特性を示すが、液体水
素の温度２０（Ｋ）であれば、液体窒素の温度のときと
比較して、約１０倍という大電流を流せるからである。
この場合、後述するようにモータの電流を回収して界磁
コイル１３に蓄積するときに、より多くの電流を界磁コ
イル１３に蓄積できる。

【００１６】なお、各電機子コイル１１，１２は、通常
の導電体の線材を巻回したものであり、例えばＣｕの線
材が用いられる。

【００１７】さて、電気自動車の駆動時には、次に述べ
るような直流電源１４から界磁コイル１３並びに各電機
子コイル１１，１２への駆動用電流経路が形成される。

【００１８】まず、図１に示すように各スイッチ１５，
１６がオンにされ、直流電源１４→スイッチ１５→スイ
ッチ１６→界磁コイル１３という経路で電流Ｉｂが流れ
る。これにより、この界磁コイル１３が励磁され、磁界
が発生する。

【００１９】また、同時に、各スイッチ１８，２１がオ
ンにされ、直流電源１４→スイッチ１８→スイッチユニ
ット２２→第１の電機子コイル１１→スイッチユニット
２２→第２の電機子コイル１２→スイッチユニット３２
→スイッチ３１という経路で電流Ｉａが流れる。このと
き、スイッチユニット２２における第１乃至第８のサイ
リスタ３１〜３８は、図３の（ｂ−１）乃至（ｂ−８）
に示すそれぞれのタイミングでオンおよびオフにされ、
これに伴い、第１および第２の電機子コイル１１，１２
には、図３の（ａ−１）および（ａ−２）に示すそれぞ
れの位相の各電流Ｉa1およびＩa2が流れる。

【００２０】ここで、スイッチユニット２２における第
１および第３のサイリスタ３１，３３は、図３の（ｂ−
１）および（ｂ−３）に示すように同一のタイミングで
オンとなり、このオンときには、第１のサイリスタ３１
→第１のダイオード４１→第１の電機子１１→第３のダ
イオード４３→第３のサイリスタ３３という経路で電流
Ｉa1が流れる。

【００２１】また、第２および第４のサイリスタ３２，
３４は、図３の（ｂ−２）および（ｂ−４）に示すよう
に同一のタイミングでオンとなり、第１および第３のサ
イリスタ３１，３３よりも１８０度遅れてオンとなって
いる。このときには、第２のサイリスタ３２→第２のダ
イオード４２→第１の電機子１１→第４のダイオード４
４→第４のサイリスタ３４という経路で電流Ｉa1が流
れ、第１および第３のサイリスタ３１，３３のオンのと
きとは、逆方向に電流Ｉa1が流れる。

【００２２】一方、第６および第８のサイリスタ３６，
３８は、図３の（ｂ−６）および（ｂ−８）に示すよう
な同一のタイミングでオンとなり、第１および第３のサ
イリスタ３１，３３よりも９０度遅れてオンとなってい
る。このときには、第６のサイリスタ３６→第６のダイ
オード４６→第２の電機子１２→第８のダイオード４８
→第８のサイリスタ３８という経路で電流Ｉa2が流れ
る。

【００２３】さらに、第５および第７のサイリスタ３
５，３７は、図３の（ｂ−５）および（ｂ−７）に示す
ように同一のタイミングでオンとなり、第６および第８
のサイリスタ３６，３８よりも１８０度遅れてオンとな
っている。このときには、第５のサイリスタ３５→第５
のダイオード４５→第２の電機子１２→第７のダイオー
ド４７→第７のサイリスタ３７という経路で電流Ｉa2が
流れる。

【００２４】このように第１乃至第８のサイリスタ３１
乃至３８をそれぞれのタイミングでオンおよびオフにす
れば、第１の電機子コイル１１には、電流Ｉa1が流れ、
第２の電機子コイル１２には、電流Ｉa1から位相が９０
度遅れた電流Ｉa2が流れる。これにより、モータ１が回
動して、電気自動車の車輪が回動し、電気自動車が駆動
される。

【００２５】次に、電気自動車の駆動から制動に移ると
きには、図１に示す駆動用電流経路に代わって、図４に
示すような各電機子コイル１１，１２から界磁コイル１
３への回生用電流経路が直ちに形成される。なお、電気
自動車が制動に移るときとしては、例えば電気自動車の
減速を開始するとき、あるいは下り坂での定速走行を開
始するときなどがある。

【００２６】図４に示すように、スイッチ１５は、オフ
にされて、直流電源１４が切り離される。また、各スイ
ッチ１８，２１は、オフにされて、この代わりに各スイ
ッチ１９，２０がオンにされる。さらに、スイッチユニ
ット２２における第１乃至第８のサイリスタ３１〜３８
は、先に述べた駆動時と同様に、図３の（ｂ−１）乃至
（ｂ−８）に示すそれぞれのタイミングでオンおよびオ
フにされる。ただし、制動時においては、モータ１の回
動軸の回動角度をエンコーダ（図示せず）によって検出
し、検出された回動角度に応じたそれぞれのタイミング
で各サイリスタ３１〜３８をオンおよびオフにする。

【００２７】ここで、電気自動車の駆動から制動に移る
ときには、スイッチ１５がオフにされて、直流電源１４
が切り離されるものの、界磁コイル１３による磁界は、
直ちに消えず、暫く残留する。

【００２８】このため、電気自動車の制動開始時には、
各電機子コイル１１，１２は、界磁コイル１３の残留磁
界の中で回動し、それぞれの電流を発生する。すなわ
ち、モータ１が発電機として動作し、各電機子コイル１
１，１２にそれぞれの電流が流れる。このとき、スイッ
チユニット２２における第１乃至第８のサイリスタ３１
〜３８は、図３の（ｂ−１）乃至（ｂ−８）に示すそれ
ぞれのタイミングでオンおよびオフにされるので、各電
機子コイル１１，１２には、図３の（ａ−１）および
（ａ−２）に示す各電流Ｉa1，Ｉa2がそれぞれ流れる。
これに伴い、スイッチユニット２２からは、各電流Ｉa
1，Ｉa2の和である電流Ｉｃが出力され、この電流Ｉｃ
は、スイッチユニット２２→スイッチ２０→スイッチ１
６→界磁コイル１３→スイッチ１９という経路で流れ
る。これにより、界磁コイル１３の磁界が徐々に強くな
るだけでなく、この界磁コイル１３に流れる電流が徐々
に多くなっていく。すなわち、電力が回生されて、界磁
コイル１３に流れる電流となって回収される。

【００２９】次に、電気自動車の制動から停止に移ると
きには、図４に示す回生用電流経路に代わって、図５に
示すような蓄積用電流経路が直ちに形成される。

【００３０】ここでは、界磁コイル１３に並列接続され
ているスイッチ１７のみがオンにされ、他の各スイッチ
１５，１６，１８，１９，２０，２１がオフにされてい
る。このとき、界磁コイル１３とスイッチ１７により閉
鎖ループが形成され、かつ界磁コイル１３が超電導体で
あることから、この閉鎖ループには、電流Ｉｄが流れ続
けて蓄積される。この電流Ｉｄは、先に述べた回生用電
流経路の形成時に界磁コイル１３に流れた電流から得た
ものである。

【００３１】この後、電気自動車を再び駆動するときに
は、界磁コイル１３に流れている電流Ｉｄを利用すれば
良く、このときには図４に示す電流経路を形成し、かつ
スイッチユニット２２における第１乃至第８のサイリス
タ３１〜３８を図３の（ｂ−１）乃至（ｂ−８）に示す
それぞれのタイミングでオンおよびオフにする。これに
より、界磁コイル１３に蓄積されている電流Ｉｄは、ス
イッチ１９→スイッチユニット２２→第１の電機子１１
→スイッチユニット２２→第２の電機子１２→スイッチ
ユニット２２→スイッチ２０→スイッチ１６という経路
で流れる。この結果、モータ１が回動して、電気自動車
が駆動される。すなわち、スイッチ１５が開かれてお
り、直流電源１４から電流を供給されてないのに、界磁
コイル１３に蓄積されている電流のみによってモータ１
が回動する。

【００３２】なお、電気自動車が停止せず、制動から再
駆動へと直接移る場合は、図５に示す蓄積用電流経路を
形成する必要が無く、図４に示す回生用電流経路のみで
制動から再駆動へと移る。この場合、制動から再駆動ま
で、同一の電流経路で電流が流れ続ける。

【００３３】ところで、上記実施例の装置において、モ
ータ１の寸法を直径３００（ｍｍ）、長さ６００（ｍ
ｍ）とし、重量を１５０（Ｋｇ）とする。また、モータ
１の出力を５０（ＫＷ）とし、ダイポール磁界強度を４
（Ｔ）とする。さらに、超電導体である界磁コイル１３
の蓄積エネルギー容量を３００（ＫＪ）とする。

【００３４】このようなモータ１を重量１（ｔ）の電気
自動車の車軸に直結すると、モータ１を回転数１０００
（ｒｐｍ）で回転させることにより、電気自動車を８０
（Ｋｍ／ｈ）で走行させることができ、そのときの運動
エネルギーが２５０（ＫＪ）となる。この電気自動車を
停止させるまでの間、図４に示す回生用電流経路を形成
すれば、運動エネルギー２５０（ＫＪ）のうちの２０〜
３０（％）を界磁コイル１３に回収することができる。

【００３５】このように上記実施例では、超電導モータ
を動力源として利用し、このモータから回生された電力
を該モータの界磁コイルに回収しているので、電力の利
用効率を極めて高くすることができる。

【００３６】また、直流電源の燃料である液体水素を超
電導体である界磁コイルを冷却するために利用している
ので、この界磁コイルの冷却機構を小型化することがで
きる。さらに、この界磁コイルは、モータのコイルとし
てだけでなく、回生された電力を蓄積するためにも用い
られるので、回生された電力を蓄積するための手段を特
別に設ける必要がない。このように界磁コイルの冷却機
構を小型化し、かつ界磁コイルを電力の蓄積のためにも
兼用しているので、全体として極めてコンパクトな装置
を得ることができる。

【００３７】

【効果】以上説明したように、この発明によれば、界磁
コイルが超電導体であるモータを電気自動車の動力源と
し、この電気自動車の制動時には、モータを発電機とみ
なして、各電機子コイルで発生した電流を界磁コイルへ
と導き蓄積しているので、電力の利用効率を高めること
ができる。また、界磁コイルを電力の蓄積のためにも兼
用しているので、コンパクトな装置を実現することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明に係わる超電動モータ装置の一実施例
の構成を示す回路図

【図２】この実施例の装置におけるモータの断面構造を
示す図

【図３】図１に示す回路の動作を説明するために用いら
れたタイミングチャート

【図４】図１に示す回路において回生用電流経路を形成
した状態を示す図

【図５】図１に示す回路において蓄積用電流経路を形成
した状態を示す図

【符号の説明】

１ モータ １１ 第１の電機子コイル １２ 第２の電機子コイル １３ 界磁コイル １４ 直流電源 １５〜２１ スイッチ ２２ スイッチユニット

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数の電機子コイル、および超電導体を
   線材として用いた界磁コイルを有し、電気自動車の車輪
   を駆動するモータと、 前記モータの電源と、 前記電源から前記モータの各電機子コイル並びに界磁コ
   イルへと電流を導く駆動用電流経路、および前記各電機
   子コイルから前記界磁コイルへと電流を導く回生用電流
   経路を形成するスイッチ手段とを備え、 前記スイッチ手段は、電気自動車の駆動時に、前記駆動
   用電流経路を形成し、前記電気自動車の制動時に、前記
   回生用電流経路を形成する電気自動車における超電導モ
   ータ装置。
2. 【請求項２】 前記電源は、液体水素を燃料とする燃料
   電池であり、 前記モータの界磁コイルは、前記液体水素によって冷却
   される請求項１記載の電気自動車における超電導モータ
   装置。