KR100976885B1 - 축방향 간극형 초전도 모터 - Google Patents

Abstract

로터(11)의 축선 방향에 스테이터(12, 13)를 대향 배치하고, 로터(11)에 복수의 계자 코일(15) 또는 영구자석(33)을 축선 주위에 배치하는 동시에, 스테이터(12, 13)에 복수의 전기자 코일(17, 19)을 축선 주위에 배치하고, 계자 코일(15) 또는 영구자석(33)과 전기자 코일(17, 19)의 적어도 한쪽은 초전도재로 형성해서 자속 방향을 축선 방향을 향하여 배치한다.

Description

축방향 간극형 초전도 모터{AXIAL-GAP SUPERCONDUCTING MOTOR}

본 발명은 축방향 간극(axial gap)형 초전도 모터에 관한 것으로, 특히 차량이나 선박 등의 구동원으로서 사용할 수 있는 고 토크의 모터에 관한 것이다.

종래, 모터로는 반경 방향 간극형 모터와 축방향 간극형 모터가 존재한다. 반경 방향 간극형 모터는, 원환상 단면을 갖는 스테이터의 중공부에 로터를 마련하여 코일의 자속 방향이 직경 방향을 향하는 것으로 널리 일반에 채용되어 있다. 한편, 축방향 간극형 모터는 일본 특허 공개 제 2004-140937 호 공보에 개시되어 있는 바와 같이, 로터의 축선 방향에 스테이터를 대향 배치해서 코일의 자속 방향이 축선 방향을 향하도록 구성되어 있다.

그러나 종래의 축방향 간극형 모터는, 계자용에 영구자석이나 동선 등의 코일을 이용하여 전기자 코일에 동선 등을 사용하는 것이 일반적이며, 출력 토크가 전류와 자장의 곱으로 주어지는 것으로부터 명백한 바와 같이, 모터 출력에 한계가 있다. 또한, 출력을 증가시키려고 하면 모터가 대형화되어 중량이 증대하는 동시에, 전류량을 증가시키면 동손 등에 의해 에너지 효율이 저하하는 문제도 있다.

특허문헌 1 : 일본 특허 공개 제 2004-140937 호 공보

발명의 요약

본 발명은 상기 문제에 비추어 이루어진 것으로서, 고 출력, 소형 경량, 고 효율로 특히, 선박 등의 추진용 모터로서 적합하게 사용할 수 있는 축방향 간극형 모터를 제공하는 것을 과제로 하고 있다.

상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명은 로터의 축선 방향에 소망의 공극을 두고 스테이터를 대향 배치하고, 상기 로터와 상기 스테이터 중 어느 한쪽에 복수의 계자체를 축선 주위에 배치하는 동시에, 다른 쪽에 복수의 전기자 코일을 축선 주위에 배치하고, 상기 계자체와 상기 전기자 코일의 적어도 한쪽을 초전도재로 형성하고, 자속 방향을 축선 방향을 향하여 배치하는 것을 특징으로 하는 축방향 간극형 초전도 모터를 제공하고 있다.

상기 구성으로 하면, 축방향 간극형 모터의 계자용 및/또는 전기자용으로 초전도재를 채용하고 있으므로, 대전류를 통전하는 것이 가능해지고, 모터 토크의 고 출력화를 도모하면서도 소형 경량화를 실현할 수 있다. 또한, 초전도재를 사용하는 것으로 동손 등이 없어져, 에너지 손실이 대폭 감소하여, 고 효율화를 도모할 수 있다. 또한, 축방향 간극 구조로서 스테이터를 로터의 축선 방향으로 배치하고 있기 때문에 소경화를 도모할 수 있고, 회전에 따른 소음도 줄일 수 있다. 또한, 축방향 간극형 모터는, 반경 방향 간극형 모터와 같이 모터 토크에 기여하지 않는 코일 단부가 발생하지 않으므로, 고 효율, 고 출력 모터를 얻을 수 있다는 이점도 있다.

상기 계자체는 계자 코일로 하고, 상기 계자 코일 및 상기 전기자 코일의 양쪽을 초전도재로 형성하는 것이 바람직하다.

상기 초전도재의 재료로서, 바람직하게는 창연계나 이트륨계 등의 고온 초전도재 등이 사용된다.

또한, 초전도재는 고온 초전도 벌크자석이나 영구자석과 같은 괴상(塊狀)으로도 좋다. 고온 초전도 벌크자석은 RE-Ba-Cu-O 고온 초전도체 내에 비초전도상을 분산하여 용융 성장시킨 고온 초전도체의 괴로 이루어지고, 고성능 영구자석보다 큰 자장을 포착, 착자할 수 있는 것이다.

또한, 상기 계자체는 초전도재 이외의 재료로 이루어진 영구자석으로 하고, 상기 전기자 코일을 초전도재로 형성해도 좋다.

상기 구성으로 하면, 로터와 스테이터 중 어느 한쪽에 영구자석을 배치하면 좋기 때문에, 축방향 간극형 초전도 모터의 제조 효율이 향상되는 동시에, 구조를 간소화할 수 있다.

또한, 계자체로서 초전도재 이외의 재료로 이루어진 영구자석을 이용하여도, 초전도 모터의 출력이 1kW 내지 5MW이면 충분히 대응할 수 있고, 축방향 간극형 초전도 모터의 소형화를 도모할 수 있다.

상기 로터의 축선 방향의 양측에 상기 스테이터를 배치하고, 상기 로터에 고정된 회전축을 상기 스테이터의 베어링을 관통하여 설치하고, 상기 계자체와 상기 전기자 코일을 축선 방향으로 공극을 두고 동일 축선 상에 배치하는 것이 바람직하다.

상기 구성으로 하면, 로터의 축선 방향의 양측에 한쌍의 스테이터를 간극을 둔 상태로 설치하므로, 한쪽에만 스테이터를 배치할 경우와 비교해서 로터로의 자장이 강화되어, 모터 토크의 고 출력화를 도모할 수 있다.

상기 계자체가 되는 계자 코일 및/또는 상기 전기자 코일의 중공부에, 자성체로 이루어진 플럭스 컬렉터를 배치하면 바람직하다.

상기 구성으로 하면, 코일 중공부에 자성체를 마련하는 것으로, 코일의 자속을 강화할 수 있고, 모터의 고 출력화를 도모할 수 있다. 또한, 모터가 고 출력화 됨으로써, 코일의 권수를 줄일 수 있고, 모터의 소형 경량화를 도모할 수 있다. 또한, 플럭스 컬렉터가 코일에서 생기는 자속의 자로를 형성하는 역할을 다하는 것으로, 자속 방향을 특정화할 수 있고, 토크에 기여하지 않는 방향으로의 누설 자속의 발생을 줄일 수 있다. 또한, 코일 중공부를 자성체로 매설하여, 코일의 기계적 강도도 향상된다.

상기 플럭스 컬렉터의 선단은, 그 배치되는 코일의 선단면과 동일 위치 또는 해당 코일의 선단면보다 후퇴한 위치에 설정하는 것이 바람직하다.

특히, 대향하는 상대측에 영구자석이나 초전도 벌크자석 등을 마련하고 있는 경우에는, 플럭스 컬렉터가 자신을 포위하는 코일의 선단면보다 돌출하지 않는 것으로, 조립 시 등에 있어서 대향하는 상대측과의 사이에서 자력에 의한 흡인력이 발생하기 어려워져, 로터와 스테이터 사이에서 충돌을 일으키지 않고, 간극을 설정 거리로 유지하면서 위치 결정하기 용이해진다.

그러나 플럭스 컬렉터는, 자신이 배치되는 코일의 선단면보다 돌출하여 마련해도 좋다. 그 경우에는, 대향하는 상대측(로터 또는 스테이터)과의 간극을 작게 할 수 있으므로, 스테이터와 로터 사이를 건너는 자속을 강화할 수 있어, 출력 토크의 향상으로 이어진다.

상기 스테이터 및/또는 상기 로터는 자성체로 형성하면 바람직하다.

상기 구성으로 하면, 스테이터 및/또는 로터가 요크의 역할을 다하고, 관통하는 자속이 배면측에 누설되는 것을 차단할 수 있으며, 자장의 강화가 도모되어서 토크의 고 출력화를 실현하는 것이 가능해진다.

상기 자성체로는 고 자속 밀도 및 고 투자율 재료를 사용하는 것이 바람직하다.

여기에서, 고 자속 밀도라 함은, 포화 자속 밀도가 0.5테슬라 이상 10테슬라 이하의 것을 의미하고, 바람직하게는, 1.5테슬라 이상 4테슬라 이하이면 좋다.

또한, 고 투자율 재료라 함은, 비투자율이 500 이상 10000000 이하의 것을 의미하고, 바람직하게는, 2000 이상 10000 이하이면 좋다.

특히, 상기 고 자속 밀도 및 고 투자율 재료는 퍼멘더(permendur)로 하면 보다 바람직하다. 퍼멘더는 철에 비해 투자율이 약 10배이며, 자장 포화가 2테슬라 이상으로 크기 때문에, 코일로 공급하는 전류가 적어도 큰 자장을 발생시키는 것이 가능해서, 모터 출력의 향상 및 모터의 소형화를 실현할 수 있다. 그러나, 상기 자성체로서, 규소강판, 철, 퍼멀로이(permalloy) 등을 이용하여도 좋다.

상기 전기자 코일의 중공부는 공극으로 하거나, 또는 해당 중공부에 비자성체를 배치하고 있으면 바람직하다.

또한, 상기 계자 코일의 중공부는 공극으로 하거나, 또는 해당 중공부에 비 자성체를 배치하고 있으면 바람직하다.

특히, 대향하는 상대측에 영구자석이나 초전도 벌크자석 등을 마련하고 있는 경우에는, 코일의 중공부에 자성체가 존재하지 않는 것으로, 조립 시 등에 있어서 상대측과의 사이에서 자력에 의한 흡인력이 발생하지 않으므로, 로터와 스테이터 사이의 간극을 설정 거리로 유지하면서 용이하게 위치 결정할 수 있다.

또한, 코일 중공부를 공극으로 하거나, 또는 코일 중공부에 경량의 비자성체를 배치함으로써, 모터의 경량화를 도모할 수 있다. 특히, 로터측의 코일 중공부를 공극으로 하거나 또는 수지 등의 경량의 비자성체를 배치하면, 로터가 경량화되어서 회전시의 관성력이 감소하여, 회전 속도 변화에 관한 응답성도 향상된다.

또한, 코일 중공부에 배치되는 경량의 비자성체로서는, 수지, FRP, 알루미늄 등을 들 수 있다.

상기 계자체 및/또는 전기자 코일을 형성하는 초전도재를 냉각하는 냉매 공급 수단으로서, 상기 초도전재를 로터측에 부착한 경우에는, 해당 로터 중심에 관통 고정되는 회전축의 내부에 액체 질소 등으로 이루어진 냉매 유로를 마련하는 것이 바람직하다. 한편, 상기 초도전재를 스테이터측에 부착한 경우에는, 스테이터의 각 초전도재 장착 위치에 액체 질소 등으로 이루어진 냉매 유로를 마련하는 것이 바람직하다. 어느 쪽의 경우에도, 계자체나 전기자 코일이라고 하는 초전도재의 배치 위치에 도달할 때까지는 냉매 유로를 단열층으로 피복하고 있는 것이 바람직하다.

발명의 효과

이상의 설명으로부터 명확한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 축방향 간극형 모터의 계자체 및/또는 전기자에 초전도재를 사용하고 있으므로, 동손 등이 없어져 고 효율로 대전류를 통전하는 것이 가능해지고, 모터 토크의 고 출력화 및 소형 경량화를 도모할 수 있다. 또한, 축방향 간극 구조로서 스테이터를 로터의 축선 방향으로 배치하고 있기 때문에 소경화를 도모할 수 있어 회전에 따른 소음도 줄일 수 있다. 또한, 코일 중공부에 자성체로 이루어진 플럭스 컬렉터를 배치함으로써, 코일의 자속이 강화되어서 모터의 고 출력화를 도모할 수 있는 동시에 모터의 소형 경량화를 도모할 수 있다. 또한, 플럭스 컬렉터를 마련하는 것으로 자속 방향의 특정화나 누설 자속의 감소에도 공헌한다.

도 1은 본 발명의 제 1 실시 형태의 축방향 간극형 초전도 모터를 도시하는 단면도,

도 2는 제 1 실시 형태의 축방향 간극형 초전도 모터를 도시하는 사시도,

도 3은 제 2 실시 형태의 축방향 간극형 초전도 모터를 도시하는 단면도,

도 4는 제 3 실시 형태의 축방향 간극형 초전도 모터를 도시하는 단면도,

도 5는 코일 전류와 자속의 관계를 나타내는 그래프,

도 6은 제 5 실시 형태의 축방향 간극형 초전도 모터를 도시하는 단면도,

도 7은 제 6 실시 형태의 축방향 간극형 초전도 모터를 도시하는 단면도.

부호의 설명

10 : 축방향 간극형 초전도 모터 11 : 로터

12, 13 : 스테이터 14 : 회전축

15 : 계자 코일(계자체) 16, 18, 20 : 플럭스 컬렉터

17, 19 : 전기자 코일 21 : 액체 질소 탱크

33 : 영구자석(계자체) S : 공극

본 발명의 실시 형태를 도면을 참조해서 설명한다.

도 1 및 도 2는 제 1 실시 형태의 축방향 간극형 초전도 모터(10)를 도시하고, 회전축(14)에 고정된 로터(11)의 축선 방향의 양측에 한쌍의 스테이터(12, 13)를 대향 배치하고, 로터(11)에 고정된 회전축(14)을 스테이터(12, 13)의 베어링(31, 32)을 관통하도록 설치하고 있다.

로터(11)는 원반 형상으로, 그 중심에 회전축(14)을 관통 고정하는 한편, 외주측에 둘레 방향으로 등 간격을 두고 코일 부착 구멍(11a)을 마련하고, 이들 코일 부착 구멍(11a)에 초전도재로 이루어진 복수의 계자 코일(15)을 매설하여 구성되어 있다. 이렇게, 복수의 계자 코일(15)을 축선 주위의 둘레 방향으로 간격을 두고 부착하여, 각 계자 코일(15)의 자속 방향이 축선 방향을 향하도록 배치하고 있다. 각 계자 코일(15)의 중공부에는 퍼멘더로 이루어진 플럭스 컬렉터(자성체; 16)를 배치하고 있다. 플럭스 컬렉터(16) 및 계자 코일(15)은 어느 것이나 로터(11)의 양측면으로부터 돌출되지 않는다.

상기 로터(11)의 재료로는, 퍼멘더, 규소강판, 철, 퍼멀로이 등의 자성 재료를 사용한다. 또한, 계자 코일(15)을 형성하는 초전도재로서는, 창연계나 이트륨계 등의 초전도재를 사용하고 있다. 이들 계자 코일(15)에는 도시하지 않은 전원으로부터 소망의 전력이 공급되는 구성으로 되어 있다.

스테이터(12, 13)는, 서로 대칭 형상이며, 접지면(G)에 고정된 스테이터(12, 13)의 로터 대향면측에서는 외주측에 둘레 방향으로 등 간격을 두고 코일 장착 오목부(12a, 13a)를 마련하여, 이들 코일 장착 오목부(12a, 13a)에 초전도재로 이루어진 복수의 전기자 코일(17, 19)을 매설하고 있다. 이렇게, 복수의 전기자 코일(17, 19)을 축선 주위의 둘레 방향으로 간격을 두고 부착하여, 자속 방향이 축선 방향을 향하도록 배치하고 있다. 각 전기자 코일(17, 19)의 중공부에는 퍼멘더로 이루어진 플럭스 컬렉터(자성체; 18, 20)를 배치하고 있다. 플럭스 컬렉터(18, 20) 및 전기자 코일(17, 19)은 어느 것이나 스테이터(12, 13)의 측면으로부터 돌출되지 않는다. 이들 전기자 코일(17, 19)에는 도시하지 않은 전원으로부터 소망의 전력이 공급되는 구성으로 되어 있다.

상기 스테이터(12, 13)의 재료로는, 퍼멘더, 규소강판, 철, 퍼멀로이 등의 자성 재료를 이용하여 백요크(back yoke)의 역할을 다하고 있다. 또한, 전기자 코일(17, 19)을 형성하는 초전도재로서는, 창연계나 이트륨계 등의 초전도재를 사용하고 있다. 상기 각 전기자 코일(17, 19)과 계자 코일(15)은 회전축(14)의 축심으로부터의 직경 방향 거리를 일치시키고 있다. 또한, 로터(11)의 회전 단면과, 스테이터(12, 13)의 로터측의 단면과의 거리는, 0.1㎜ 내지 1㎜(본 실시 형태에서는 0.5㎜)로 하여 간극을 마련하고 있다.

계자 코일(15)은 초전도재로 형성되어 있기 때문에, 액체 질소 탱크(21)에 저류한 액체 질소를 회전축(14)의 중공부(14a)에 도입해서 계자 코일(15)을 냉각하고 있다.

상세하게는, 회전축(14)에는 축선 방향의 일단측으로 개방되는 중공부(14a)를 로터(11)의 배치 위치까지 연장시켜 마련하고, 파이프(22)를 액체 질소 탱크(21)로부터 베어링(26)을 거쳐 중공부(14a)로 삽입하고, 로터 배치 위치의 앞에서 종단시킨다. 해당 파이프(22)는 2중관 구조로서 내부 유로(24)를 왕로로 하는 동시에 외주 유로(25)를 귀로로 하여, 파이프 선단측에서 내부 유로(24)를 흐르는 액체 질소가 외주 유로(25)로 이동해서 순환하도록 구성하고 있다. 파이프(22)의 외주면에는 로터(11)와 대응하는 위치 이외에 진공 단열층(23)을 마련하고 있다.

전기자 코일(17, 19)도 초전도재로 형성하고 있기 때문에, 액체 질소 탱크(21)에 저류한 액체 질소를 이용하여 냉각하고 있다.

상세하게는, 액체 질소 탱크(21)로부터 2중 관 파이프(27)를 도출하고, 해당 파이프(27)는 내부 유로(28)를 왕로로 하는 동시에 외주 유로(29)를 귀로로 해서 파이프 선단측에서 내부 유로(28)를 흐르는 액체 질소가 외주 유로(29)로 이동해서 순환하도록 구성하고 있다. 파이프(27)는 스테이터(12)의 배면측과 스테이터(13)의 배면측으로 분기하고, 이들 분기한 파이프(27)를 각 스테이터(12, 13)의 계자 코일(17, 19)의 부착부의 중심 위치로 연장되도록 추가로 분기되어 있다. 이들 파이프(27)의 선단은 스테이터(12, 13)의 배면측에 오목하게 설치된 냉매 도입 구멍(12b, 13b)에 연통해서 냉매를 도입하고 있다. 이들 냉매 도입 구멍(12b, 13b)은 계자 코일(17, 19)에 대응하는 위치에 각기 배치되어 있다. 파이프(27)의 외주면에는 스테이터(12, 13)의 냉매 도입 구멍(12b, 13b)에 결합하는 위치 이외에 진공 단열층(30)을 마련하고 있다.

상기 구성의 축방향 간극형 모터(10)에 의하면, 계자 코일(15)에 초전도재를 사용하고 있으므로, 동손 등이 없어져 고 효율로 대전류를 통전하는 것이 가능해지고, 모터 토크의 고 출력화 및 소형 경량화를 실현하는 것이 가능해진다. 또한, 축방향 간극 구조로서 스테이터(12, 13)를 로터(11)의 축선 방향으로 배치하고 있기 때문에 소경화를 도모할 수 있어 회전 소음도 줄일 수 있다. 또한, 로터(11)의 양측에 스테이터(12, 13)를 배치하고 있으므로, 자장이 강화될 수 있어 한층 고 출력화를 도모하는 것이 가능해진다. 또한, 스테이터(12, 13)에 자성 재료를 이용하여 백 요크로 하여, 누설 자장의 발생을 방지하고 있으므로, 자장의 강화에 의해 토크의 고 출력화를 실현하는 것이 가능해진다. 또한, 계자 코일(15) 및 전기자 코일(17, 19)의 중공부에는 플럭스 컬렉터(16, 18, 20)로서 자성체(퍼멘더)를 마련하고 있으므로 계자가 강화되어서 고 출력화를 도모할 수 있다.

또한, 본 실시 형태에서는, 로터(11)측의 코일(15)도 스테이터(12, 13)의 코일(17, 19)도 초전도재로 형성하고 있지만, 어느 한쪽만을 초전도재로 형성하고, 다른 쪽은 동선 등의 통상의 전도재로 형성해도 좋다. 그 경우, 로터(11)의 회전 단면과, 스테이터(12, 13)의 로터측의 단면과의 거리는, 1㎜ 내지 20㎜로 하여 간극을 마련하면 좋다.

또한, 스테이터(12, 13)와 플럭스 컬렉터(18, 20)는 별개로 하고 있지만, 서로가 동일한 소재의 경우에는 일체로 하여도 좋다. 또한, 냉매는 액체 질소 이외에, 액체 네온, 액체 헬륨 등을 이용하여도 좋다.

다음으로, 제 2 실시 형태에 대해서 설명한다.

제 1 실시 형태와의 차이점은, 도 3에 도시하는 바와 같이, 로터(11)의 계자 코일(15)의 중공부에 배치하는 플럭스 컬렉터(35)를 계자 코일(15)의 단면보다 돌출되지 않게 매몰시키고 있다는 점이다.

상기 구성으로 하면, 플럭스 컬렉터(35)가 계자 코일(15)의 선단면으로부터 돌출하지 않으므로, 조립 시 등에 있어서 스테이터(12, 13) 측과의 사이에서 자력에 의한 흡인력이 발생하기 어려워져, 로터(11)와 스테이터(12, 13) 사이에서 충돌을 일으키지 않고, 간극을 설정 거리로 유지하면서 위치 결정하기 용이해진다.

다음으로, 제 3 실시 형태에 대해서 설명한다.

제 1 실시 형태와의 차이점은, 도 4에 도시하는 바와 같이, 스테이터(12, 13)의 전기자 코일(17, 19)의 중공부를 공극(S)으로 하고 있다는 점이다.

해당 구성으로 하면, 로터(11)의 플럭스 컬렉터(16)와 대향하는 전기자 코일(17, 19)의 중공부에 자성체가 존재하지 않고, 조립 시 등에 있어서 계자체측과의 사이에서 자력에 의한 흡인력이 발생하지 않으므로, 로터(11)와 스테이터(12, 13) 사이의 간극을 설정 거리로 유지하면서 용이하게 위치 결정할 수 있다.

또한, 일반적으로 코일 중공부에 플럭스 컬렉터를 배치한 쪽이 계자가 강화되지만, 도 5에 도시하는 바와 같이, 어떤 일정한 전류값을 넘은 후에는 자속의 증가가 거의 없어지고, 플럭스 컬렉터가 없는 쪽이 자속이 강하게 되는 경향이 있다. 즉, 본 실시 형태의 축방향 간극형 초전도 모터(40)는 전류의 상한값을 높게 설정할 수 있는 경우에 토크의 고 출력화를 도모할 수 있고, 또한, 플럭스 컬렉터가 없는 쪽만 모터의 경량화를 도모할 수도 있다. 또한, 다른 구성은 제 1 실시 형태와 같기 때문에 동일 부호를 붙여 설명을 생략한다. 또한, 여기에서 플럭스 컬렉터의 유무에 의해 기본적인 조건이 변하기 때문에, 코일의 형상도 크게 변경되어 있다. 단순하게 같은 코일로 플럭스 컬렉터의 유무에 따라 성능이 변하는 것을 말하고 있는 것이 아니라는 것을 강조하여 둔다.

또한, 본 실시 형태에서는, 스테이터(12, 13)의 전기자 코일(17, 19)의 중공부를 공극으로 했지만, 변형예로서 해당 중공부에 FRP(섬유강화 플라스틱) 등의 비자성체를 배치해도 동일한 효과를 얻을 수 있다. 특히, 코일 중공부를 공극으로 하지 않고 비자성체를 배치함으로써, 코일이 지지되어 장착 안정성이 양호하게 된다.

다음으로, 제 4 실시 형태에 대해서 설명한다.

제 1 실시 형태와의 차이점은, 스테이터(12, 13)를 비자성체인 FRP로 형성하고 있다는 점이다.

즉, 스테이터(12, 13)를 비교적 중량이 큰 자성체(철 등)로 형성하지 않고, 수지 등의 경량 비자성체로 형성함으로써, 모터 중량의 경량화를 도모하고 있다. 특히, 선박 등에서 채용하는 대형 모터의 경우에는, 로터와 스테이터를 축선 방향으로 교대로 배치하여 직렬 연결 동기 타입으로 할 경우가 많기 때문에, 각 스테이터(12, 13)를 경량화함으로써, 모터 중량을 대폭 경감할 수 있어, 그 효과는 매우 크게 된다. 다른 구성은 제 1 실시 형태와 같기 때문에 설명을 생략한다.

또한, 본 실시 형태는 스테이터(12, 13)를 FRP로 형성하고 있지만, 로터(11)를 FRP로 형성해도 좋다. 또한, 스테이터(12, 13) 및/또는 로터(11)를 FRP 등의 비자성체로 형성하는 것은 다른 모든 실시 형태에 적용 가능하다.

다음으로, 제 5 실시 형태에 대해서 설명한다.

제 1 실시 형태와의 차이점은, 도 6에 도시하는 바와 같이, 로터(51)측에 초전도재로 이루어진 전기자 코일(54)을 마련하고, 스테이터(52, 53)측에 초전도재로 이루어진 계자 코일(55, 56)을 마련하며, 전기자 코일(54)의 중공부에 공극(S)을 마련하고 있다는 점이다.

본 실시 형태의 축방향 간극형 초전도 모터(50)의 로터(51)는 그 중심에 회전축(14)을 관통 고정하는 한편, 외주측에 둘레 방향으로 등 간격을 두고 코일 부착 구멍(51a)을 마련하고, 이들 코일 부착 구멍(51a)에 초전도재로 이루어진 복수의 전기자 코일(54)을 매설하고 있다. 이렇게, 복수의 전기자 코일(54)을 축선 주위의 둘레 방향으로 간격을 두고 부착하고, 각 전기자 코일(54)의 자속 방향이 축선 방향을 향하도록 배치하고 있다. 전기자 코일(54)은 로터(51)의 양측면으로부터 돌출되지 않는다. 로터(51)의 재료로는, 퍼멘더, 규소강판, 철, 퍼멀로이 등의 자성 재료를 사용하고 있다. 또한, 전기자 코일(54)을 형성하는 초전도재로서는, 창연계나 이트륨 등의 초전도재를 사용하고 있다. 이들 전기자 코일(54)에는 도시하지 않은 전원으로부터 소망의 전력이 공급되도록 구성되어 있다.

스테이터(52, 53)는 서로 대칭 형상이며, 접지면(G)에 고정된 스테이터(52, 53)의 로터 대향면측에서는 외주측에 둘레 방향으로 등 간격을 두고 코일 장착 오목부(52a, 53a)를 마련하고, 이들 코일 장착 오목부(52a, 53a)에 초전도재로 이루어진 복수의 계자 코일(55, 56)을 매설하고 있다. 이렇게, 복수의 계자 코일(55, 56)을 축선 주위의 둘레 방향으로 간격을 두고 부착하고, 자속 방향이 축선 방향을 향하도록 배치하고 있다. 각 계자 코일(55, 56)의 중공부에는 퍼멘더로 이루어진 플럭스 컬렉터(자성체; 18, 20)를 배치하고 있다. 플럭스 컬렉터(18, 20) 및 계자 코일(55, 56)은 어느 것이나 스테이터(52, 53)의 측면보다 돌출되지 않는다. 이들 계자 코일(55, 56)에는 도시하지 않은 전원으로부터 소망의 전력이 공급되도록 구성되어 있다.

스테이터(52, 53)의 재료로는, 퍼멘더, 규소강판, 철, 퍼멀로이 등의 자성 재료를 이용하여 백 요크의 역할을 다하고 있다. 또한, 계자 코일(55, 56)을 형성하는 초전도재로서는 창연계나 이트륨계 등의 초전도재를 사용하고 있다.

또한, 전술한 각 실시 형태의 변형, 즉, 코일 중공부에 있어서의 플럭스 컬렉터의 유무, 로터 및/또는 스테이터의 재료 등은 본 실시 형태와 같은 스테이터(52, 53)에 계자 코일(55, 56)을 마련했을 경우에도 각각 적용 가능하다. 또한, 본 실시 형태와 전술한 제 3 실시 형태는, 로터와 스테이터의 어느 한편의 코일 중공부에는 자성체를 배치하고 있지만, 양쪽 모두 자성체를 없애 공극(또는 FRP 등의 비자성체)으로 해도 좋다.

다음으로, 제 6 실시 형태에 대해서 설명한다.

제 1 실시 형태와의 차이점은, 도 7에 도시한 바와 같이 로터(11')에 부착되는 계자체를 초전도재 이외의 재료로 이루어진 영구자석(33)으로 하고 있다는 점이다. 해당 영구자석(33)을 로터(11')에 둘레 방향으로 간격을 두고 마련한 부착 구멍(11a')에 자속 방향이 축선 방향을 향하도록 부착하고 있다.

상기 구성으로 하면, 로터(11')에 영구자석(33)을 배치하면 좋기 때문에, 축방향 간극형 초전도 모터(60)의 제조 효율이 향상되는 동시에, 계자체로의 급전 장치나 냉각 구조가 불필요하게 되어 구조를 간소화할 수 있다.

또한, 계자체로서 영구자석(33)을 이용하여도, 출력이 1kW 내지 5MW이면 충분히 대응할 수 있고, 계자체(33)를 제 1 실시 형태와 같이 코일로 했을 경우와 비교해서 모터의 소형화를 도모할 수 있다.

또한, 다른 구성 및 작용 효과는 제 1 실시 형태와 같기 때문에, 동일한 부호를 붙여 설명을 생략한다.

또한, 계자체가 코일이 아니라 영구자석으로 이루어진 구성은, 상기 제 3 내지 제 5 실시 형태에도 적용할 수 있다.

본 발명의 축방향 간극형 초전도 모터는 고 출력이고, 또한 소형화를 도모하기 위해, 자동차, 철도, 선박 등의 각종 수송 기관의 구동용 모터로서 바람직하게 채용될 수 있고, 특히, 선박의 추진용 모터로서 바람직하게 사용된다.

Claims (11)

1. 로터의 축선 방향으로 소망의 공극을 두고 스테이터를 대향 배치하고, 상기 로터와 상기 스테이터 중 어느 한쪽에 복수의 계자체를 축선 주위에 배치하는 동시에, 다른 쪽에 복수의 전기자 코일을 축선 주위에 배치하고,

   상기 계자체와 상기 전기자 코일 중 적어도 한쪽을 초전도재로 형성하고, 자속 방향을 축선 방향을 향해 배치하며,

   상기 계자체는 계자 코일로 하고, 상기 계자 코일 및 상기 전기자 코일 양자를 초전도재로 형성하며,

   상기 계자체가 되는 계자 코일 및 상기 전기자 코일 중 적어도 하나의 중공부에 자성체로 이루어진 플럭스 컬렉터를 배치하는 것을 특징으로 하는

   축방향 간극형 초전도 모터.
2. 삭제
3. 로터의 축선 방향으로 소망의 공극을 두고 스테이터를 대향 배치하고, 상기 로터와 상기 스테이터 중 어느 한쪽에 복수의 계자체를 축선 주위에 배치하는 동시에 다른 쪽에 복수의 전기자 코일을 축선 주위에 배치하고,

   상기 계자체와 상기 전기자 코일 중 적어도 한쪽을 초전도재로 형성하고, 자속 방향을 축선 방향을 향해 배치하며,

   상기 계자체는 영구자석으로 하고, 상기 전기자 코일을 초전도재로 형성하며,

   상기 전기자 코일의 중공부에 자성체로 이루어진 플럭스 컬렉터를 배치하는

   축방향 간극형 초전도 모터.
4. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,

   상기 로터의 축선 방향의 양측에 상기 스테이터를 배치하고, 상기 로터에 고정된 회전축을 상기 스테이터의 베어링을 관통하여 설치하고, 상기 계자체와 상기 전기자 코일을 축선 방향으로 공극을 두고 동일 축선 상에 배치하는

   축방향 간극형 초전도 모터.
5. 삭제
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 플럭스 컬렉터의 선단은 그 배치되는 코일의 선단면과 동일 위치 또는 상기 코일의 선단면으로부터 후퇴한 위치에 설정되는

   축방향 간극형 초전도 모터.
7. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,

   상기 스테이터 및 상기 로터 중 적어도 하나는 자성체로 형성되는

   축방향 간극형 초전도 모터.
8. 제 1 항에 있어서,

   상기 자성체로는 고 자속 밀도·고 투자율 재료를 이용하는

   축방향 간극형 초전도 모터.
9. 제 8 항에 있어서,

   상기 고 자속 밀도·고 투자율 재료는 퍼멘더(permendur)인

   축방향 간극형 초전도 모터.
10. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,

    상기 전기자 코일의 중공부는 공극으로 하거나, 또는 상기 중공부에 비자성체를 배치하는

    축방향 간극형 초전도 모터.
11. 제 1 항에 있어서,

    상기 계자 코일의 중공부는 공극으로 하거나, 또는 상기 중공부에 비자성체를 배치하는

    축방향 간극형 초전도 모터.

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