軸向間隙型超導電機的製作方法

2023-09-16 08:02:55 4

專利名稱：軸向間隙型超導電機的製作方法
軸向間隙型超導電機[技術領域]本發明涉及一種軸向間隙型超導電機，更具體地，涉及一種用作 汽車和輪船的驅動源的高扭矩電機。[相關技術]常規地，作為電機提供了徑向間隙型電機和軸向間隙型電機。作 為徑向間隙型，廣泛地且一般使用其中轉子提供在具有環形截面的定 子的中空部分中以使得線圈的磁通量方向指向徑向方向的電機。其間，如在日本未審專利申請公布No.2004-140937中公開的軸向間隙型電機， 具有設置為在轉子的軸向方向上彼此面對的定子，以使得線圈的通量 方向指向軸向方向。然而，在常規的軸向間隙型電機中，永久磁鐵或線圈例如銅線用 於磁場，以及銅線用於電樞線圈。如從給出輸出扭矩作為電流和磁場 的乘積的事實可知，對電機輸出有限制。而且，為了增加輸出，不可 避免地會增加電機的尺寸以使得其重量增加。而且，如果電流量增加， 則會由於銅損耗等而降低能量效率。[專利文獻l]待審日本專利申請公布No.2004-140937[發明內容][本發明要解決的問題]鑑於上述問題製作了本發明。因此本發明的一個方面是提供一種 能實現高輸出、小且重量輕、具有高效率、尤其是適合地用作輪船等 的推進電機的軸向間隙型電機。[解決問題的方式]為了解決上述問題，根據本發明，提供了一種軸向間隙型超導電 機，包括在轉子的軸向方向上設置具有所需空氣間隙以彼此面對的定子， 多個場體，設置在轉子和轉子的軸周圍的定子的任一個中， 設置在該軸周圍的其它中的多個電樞線圈，其中場體和電樞線圈中的至少一個由超導材料形成，以使得其磁通量 方向指向軸向方向。在這種結構中，超導材料用於軸向間隙型電機的磁場和/或電樞。 由此，可以施加大電流，並且可以減小電機的尺寸和重量，同時獲得 高輸出電機扭矩。而且，通過使用超導材料，可以顯著地減少能量損 耗，而沒有銅損耗，其能夠實現高效率。而且，由於作為軸向間隙型 結構定子設置在轉子的軸向方向上，所以可以減小直徑以便可以減少 由旋轉引起的噪聲。在軸向間隙型電機中，沒有形成對電機扭矩沒有 作用的線圈端部，這與徑向間隙型電機不同。因此，能夠獲得高效率 和高輸出的電機。優選，場體是勵磁線圈，並且勵磁線圈和電樞線圈都由超導材料 形成。作為超導材料，適當地使用鉍基或釔基高溫超導材料。而且，象高溫超導大體積磁體或永久磁體一樣，超導材料可形成為塊。高溫超導大體積磁體是由通過在RE-Ba-Cu-0高溫超導體中分散非超導相以使該相熔融和生長獲得的並且能夠俘獲和磁化比高性能永 久磁體更大的磁場的高溫超導錠製成的磁體。而且，場體可以是由除了超導材料之外的材料製成的永久磁體，
並且電樞線圈可由超導材料形成。如果採用這種結構，則永久磁體可僅設置在轉子和定子的任一個 中。因此，可以增強軸向間隙型超導電機的製造效率，其能夠簡化該結構。而且，儘管使用由除了超導材料之外的材料製成的永久磁體作為場體，但如果超導電機的輸出為lkW至5MW，則能夠充分地處理任何情形。結果，能夠減小軸向間隙型超導電機的尺寸。優選，定子設置在轉子的軸向方向上的轉子的兩側上，懸掛固定 到轉子的旋轉軸以穿過定子的軸承，並且場體和電樞線圈具有在軸向 方向上的空氣間隙地設置在相同軸上。如果釆用這種結構，則將一對定子提供在軸向方向上的轉子兩側 上，它們之間有空氣間隙。因此，與定子僅設置在一側時相比，加強 了對於轉子的磁場，其能夠獲得高輸出電機扭矩。優選，磁體的通量收集器設置在用作場體和/或電樞線圈的勵磁線 圈的中空部分中。如果採用這種結構，因為磁體提供在線圈中空部分中，可以加強 線圈的磁通量，其能夠實現高輸出電機。而且，由於電機具有高輸出， 可以減少線繞線圈的數量，以便可以進一步減小電機的尺寸和重量。 而且，通量收集器實現了形成要在線圈中產生的磁通量的磁路的作用。 因此，可以指定磁通量方向，並且可以防止洩漏磁場在磁通量對扭矩 沒有作用的方向上產生。而且，磁體被掩埋在線圈中空部分中，由此 增強了線圈的機械強度。優選，通量收集器的前端設置在與設置通量收集器的線圈的前端 表面相同的位置或從線圈的前端表面收回的位置。尤其是當永久磁體或超導大體積磁體提供在面向對應物 (counterpart) —側上時，通量收集器沒有從圍繞通量收集器的線圈的 前端面伸出。在該情況下，在裝配等期間，很難在磁體和面向對應物 一側之間產生由磁力引起的引力。而且，在轉子和定子之間沒有出現 碰撞。因此，容易進行定位同時將間隙保持在設定距離。然而，可提供通量收集器以從設置通量收集器的線圈的前端表面 伸出。在該情況下，可以減小收集器和面向對應物一側(轉子或定子) 之間的間隙。由此，可以加強轉子和定子之間的磁通量，其會導致輸 出扭矩的提高。優選，定子和/或轉子由磁體形成。如果釆用這種結構，定子和/或轉子實現軛的作用，並且通過此處 的磁通量可以被屏蔽免於洩漏到其後側。因此，加強了磁場，其能夠 實現高輸出扭矩。優選，具有高磁通量密度/高導磁率的材料用於磁體。高通量密度指的是飽和通量密度為0.5至IO特斯拉的通量密度。 優選，通量密度可設定為1.5至4特斯拉。而且，具有高導磁率的材料指的是比導磁率比為500至10000000 的材料。優選，比導磁率可設定為2000至10000。尤其是，更優選具有高磁通量密度/高導磁率的材料為波明德合 波明德合金具有比鐵的導磁率大大約十倍的導磁率，並且其磁場 飽和大於2特斯拉。因此，提供給線圈的電流至少可以產生大的磁場 以便可以增加電機輸出，並且可以減小電機的尺寸。然而，作為磁體， 可使用矽鋼、鐵、坡莫合金等。優選，空氣間隙提供在電樞線圈的中空部分中，或非磁體設置在 中空部分中。而且，優選，空氣間隙提供在勵磁線圈的中空部分中，或非磁體 設置在中空部分中。尤其是當永久磁體或超導大體積磁體提供在面對對應物一側上 時，磁體沒有存在於線圈的中空部分中。在該情況下，在裝配等期間， 在磁體和面對對應物一側之間沒有產生由磁力引起的引力。因此，可 以容易進行定位，同時轉子和定子之間的間隙保持在設定距離。而且，當空氣間隙提供在線圈中空部分中或輕非磁體設置在線圈 中空部分時，能夠減小電機的重量。尤其是，如果空氣間隙提供在轉 子的線圈中空部分中或輕非磁體例如樹脂設置在線圈中空部分中，則 可以減少電機的重量，以便減小轉動期間的慣性力。而且，提高了旋 轉速度變化的響應率。另外，作為將要設置在線圈中空部分中的輕非磁體，可使用樹脂、 FRP、鋁等作為例子。作為用於冷卻超導材料用於形成場體和/或電樞線圈的製冷劑供 應裝置，當超導材料附著到轉子側時，優選包括液氮等的製冷劑的流 道提供在固定到轉子的轉軸內以穿過轉子的中心。其間，當超導材料 附著到定子側時，優選用於包括液氮等的製冷劑的流道提供在定子中 超導材料的每個附著位置。在任何情況下，優選製冷劑流道塗布有絕
熱層直至製冷劑接近用作磁通量體或電樞線圈的超導材料的設置位置 的位置。[發明效果]如從上述描述清楚可知，根據本發明，超導材料用於軸向間隙型 電機的場體和/或電樞線圈。因此，可以以高效率應用大電流，而沒有 銅損耗。而且，可以獲得高輸出的電機扭矩，並且可以減小電機的尺 寸和重量。而且，由於作為軸向間隙型結構定子設置在轉子的軸向方 向上，所以可以減少電機的尺寸，並且還可以減少由旋轉引起的噪聲。另外，磁體的通量收集器設置在線圈中空部分中。因此，可以加 強線圈的磁通量，其能夠實現高輸出電機。而且，可以減小電機的尺 寸和重量。倘若通量收集器對磁通量方向的指定有作用，那麼會減少 洩漏磁通量。[


]圖l是根據本發明第一實施例的軸向間隙型超導電機的截面圖。圖2是根據第一實施例的軸向間隙型超導電機的透視圖。圖3是根據本發明第二實施例的軸向間隙型超導電機的截面圖。圖4是根據本發明第三實施例的軸向間隙型超導電機的截面圖。圖5是示出線圈電流和通量之間的關係的圖。圖6是根據本發明第五實施例的軸向間隙型超導電機的截面圖。圖7是根據本發明第六實施例的軸向間隙型超導電機的截面圖。[參考數字〗10:軸向間隙型超導電機11:轉子12、 13:定子14:旋轉軸15:勵磁線圈(場體)16、 18、 20:通量收集器17、 19:電樞線圈 21:液氫槽33:永久磁鐵(場體)S:間隔[具體實施方式
]在下文，將參考各圖描述本發明的實施例。圖1和2示出了根據本發明第一實施例的軸向間隙型超導電機10。 軸向間隙型超導電機10在固定到旋轉軸14上的轉子11的軸向方向上具 有在轉子11的兩側上設置的彼此面對的一對定子12和13。懸掛固定到 轉子11上的旋轉軸14以使得穿過定子12和13的軸承31和32。轉子ll形成為圓盤形，並且旋轉軸14固定到轉子11上以穿過它的 中心。轉子ll具有多個線圈附著孔lla和掩埋在線圈附著孔lla中的多個 勵磁線圈15，多個線圈附著孔lla以每隔一定間隔提供在轉子的外圍側 的外圍方向上，勵磁線圈15由超導材料製成。同樣地，多個勵磁線圈 15在圍繞轉子的軸的外圍方向上每隔一定間隔附著，以使得各個勵磁 線圈15的通量方向指向軸向方向。在勵磁線圈15的每個的中空部分中， 設置了由波明德合金製成的通量收集器(磁體)16。通量收集器16和 勵磁線圈15中的任一個都沒有製成為從轉子11的兩個側表面伸出。作為轉子ll的材料，使用磁性材料例如波明德合金、矽鋼或坡莫 合金。而且，作為形成勵磁線圈15的超導材料，使用鉍基或釔基超導 材料。配置這些勵磁線圈15以對其從電源(未示出)提供所需的電能。定子12和13具有相互對稱的形狀。固定到地表面G的定子12和13 具有提供在其面向轉子l的表面中的多個線圈附著凹部分12a和13a。多 個線圈連接凹部分12a和13a每隔一定間隔提供在外圍側上的外圍方向
上，以使得由超導材料製成的多個電樞線圈17和19掩埋在線圈附著凹 部分12a和13a中。同樣地，多個電樞線圈17和19在軸周圍的外圍方向上 每隔一定間隔附著，以使得它們的通量方向指向軸向方向。在各個電 樞線圈17和19的中空部分中，設置了由波明德合金製成的通量收集器 (磁體)18和20。通量收集器18和20和電樞線圈17和19中的任一個都 沒有製成為分別從定子12和13的側表面伸出。配置電樞線圈17和19以 對其從電源(未示出)提供所需的電能。作為定子12和13的材料，使用磁性材料，例如波明德合金、矽鋼、 鐵或坡莫合金，以實現背軛的作用。而且，作為用於形成電樞線圈17 和19的超導材料，使用鉍基或釔基超導材料。設置電樞線圈17和19和勵磁線圈15，以使得從旋轉軸14的軸心到 各個線圏的徑向距離彼此重合。而且，在轉子的一側上的轉子ll的旋 轉端面和定子12或13的端面之間的距離設定為0.1mm至lmm作為間隙 (在該實施例中為0.5mm)。由於勵磁線圈15由超導材料形成，所以將儲存在液氮槽21中的液 氮引入旋轉軸14的中空部分14a中以使勵磁線圈15冷卻下來。更具體地，旋轉軸14具有延伸到轉子11的設置位置提供的中空部 分14a，中空部分朝著軸向方向上旋轉軸的一端敞開。管22通過軸承26 從液氮槽21插入到中空部分14a中，以在轉子的設置位置之前立即結束。 管22具有雙管結構，包括用作流出通道的內圍流道24和用作引入通道 的外圍流道25，以便在該管前端流過內圍流道24的液氮移動並流通到 外圍流道25。管22具有提供在除了對應於轉子11的位置外的其外圍表 面上的真空絕熱層23。由於電樞線圈17和19也由超導材料形成，所以儲存在液氮槽21中 的液氮被用於使電樞線圈17和19冷卻下來。更具體地，雙層管27源自液氮槽21，管27具有用作流出通道的內 圍流道28和用作引入通道的外圍流道29。在這種結構中，在該管前端 處流過內圍流道28的液氮移動並循環到外圍流道29。管27分叉到定子 12的後側和定子13的後側，以使得分叉的管27延伸到各個定子12和13 的勵磁線圈17和19的附著部分的中心位置。分叉的管27的前端分別與 在定子12和13的後側中凹入的致冷劑引入孔12b和13b相通，以引入致 冷劑。致冷劑引入孔12b和13b分別設置在對應於勵磁線圈17和19的位 置。管27除了配合到定子12和13的製冷劑引入孔12b和13b中的部分外， 具有提供在管27的外圍表面上的真空絕熱層30。根據以這種方式配置的軸向間隙型超導電機IO，勵磁線圈15由超 導材料形成。因此，能夠以高效率施加大的電流，而沒有銅損耗等。 結果，能夠實現高輸出電機扭矩和減少尺寸和重量。而且，作為軸向 間隙結構，定子12和13設置在轉子11的軸向方向上。因此，可以減少 直徑，並且還可以減少旋轉噪聲。而且，由於定子12和13設置在轉子 ll的兩側上，所以可以加強磁場，其能夠實現較高的輸出。另外，磁 性材料用於定子12和13以用作背軛，以便防止洩漏磁場的產生。因此， 進一步加強了磁場，其能夠實現高輸出扭矩。而且，在勵磁線圈15和 電樞線圈17和19的中空部分中，提供磁體(波明德合金)作為通量收 集器16、 18和20。由此，加強了磁場，其能夠實現高輸出。另外，在該實施例中，轉子11的勵磁線圈15和定子12和13的電樞 線圈17和19由超導材料形成。然而，它們中只有一個由超導材料形成, 並且其他可由一般的導電材料形成。在該情況下，在轉子ll的一側上 的轉子11的旋轉端表面與定子12和13的端表面之間的距離可設定為1 mm至20mm。也就是，間隙可提供在它們之間。而且，定子12和13和通量收集器18和20是分離形成的。然而，當 定子12和13和通量收集器18和20由相同材料形成時，它們可整體形成。
作為製冷劑，除了液氮之外，還可以使用液氖、液氦等。 接下來，將描述本發明的第二實施例。如圖3所示，與第一實施例的不同之處在於，掩埋設置在轉子ll的 勵磁線圈15的中空部分中的通量收集器35以使得不從勵磁線圈15的端表面伸出。如果採用這種結構，通量收集器35則不從勵磁線圈15的前端表面 伸出。因此，在裝配等期間在定子12和13之間幾乎不產生由磁力引起 的引力。而且，在轉子11和定子12或13之間沒有出現任何碰撞。因此， 容易進行定位，同時將間隙保持在設定距離。接下來，將描述本發明的第三實施例。如圖4所示，與第一實施例的不同之處在於，在定子12和13的電樞 線圈17和19的中空部分中提供了空氣間隙S。如果採用這種結構，則在面向轉子11的通量收集器16的電樞線圈 17和19的中空部分中不存在磁體，並且在裝配等期間不會產生由磁體 之間的磁力引起的引力。由此，可以容易進行定位，同時轉子ll和定 子12或13之間的間隙保持在設定距離。通常，當通量收集器設置在線圈的中空部分中時，能加強磁場。 然而，如圖5所示，磁通量在電流超過某個值之後幾乎沒有增加。而是， 當沒有提供通量收集器時，磁場傾向於加強。也就是，當電流的上限 可以設定為高值時，該實施例的軸向間隙型超導電機40可以實現高輸 出扭矩。而且，能夠減少與沒有提供通量收集器差不多的電機的重量。 該實施例的其它部分與第一實施例相同。因此，與第一實施例相同的 部分被給予相同的參考數字，並省略了它們的描述。而且，由於基本
條件根據是否存在通量收集器而變化，所以線圈的形狀也大大改變了。 注意，沒有描述當使用相同線圈時該性能根據是否存在通量收集器而 改變。在該實施例中，在定子12和13的電樞線圈17和19的中空部分中提供了空氣間隙。然而，即使當非磁體例如FRP (纖維增強塑料)等設置在中空部分中作為本實施例的修改時，也能夠獲得相同的效果。尤其是當在中空部分中沒有提供空氣間隙但非磁體設置在中空部分中時，由非磁體支持該線圈以便增強附著穩定性。接下來，將描述本發明的第四實施例。與第一實施例的不同之處在於，定子12和13由非磁體FRP形成。也就是，定子12和13沒有由重量相對重的磁體(例如鐵)形成， 但由輕非磁體例如樹脂等形成。因此，可以減少電機的重量。尤其是， 在許多情況下，配置用於輪船的大尺寸的電機為其中轉子和定子交替 設置在軸向方向上的串聯耦合同步電機。因此，通過減小各個定子12 和13的重量，可以顯著地減小電機的重量。上述效果相當大。該實施 例的其它部分與第一實施例相同，因此省略了它們的描述。在該實施例中，定子12和13由FRP形成。然而，轉子11可以由FRP 形成。而且，定子12和13和/或轉子11由非磁體例如FRP形成的結構可 以應用到本發明的所有實施例。接下來，將描述本發明的第五實施例。如圖6所示，與第一實施例的不同之處在於，由超導材料製成的電 樞線圈54提供在轉子51中，由超導材料製成的勵磁線圈55和56提供在 定子52和53中，以及空氣間隙S提供在電樞線圈54的中空部分中。
在該實施例中，軸向間隙型超導電機50的轉子51具有固定到其中心以通過該中心的旋轉軸14、在轉子51外圍側的外圍方向上每隔一定 間隔提供的多個線圈附著孔5Ia、和掩埋在線圈附著孔51a中的多個電樞 線圈54，電樞線圈由超導材料製成。同樣地，多個電樞線圈54在轉子 的軸周圍的外圍方向上每隔一定間隔附著，以使得各個電樞線圈54的 磁通量方向指向軸向方向。形成電樞線圈54以不從轉子51的兩個側表 面伸出。作為轉子51的材料，使用磁性材料，例如波明德合金、矽鋼、 鐵或坡莫合金。而且，作為形成電樞線圈54的超導材料，使用鉍基或 釔基超導材料。配置各個電樞線圈54以對其從電源(未示出)提供所 需的電能。定子52和53具有相互對稱的形狀。固定到地表面G的定子52和53 具有形成在其面向轉子的表面中的多個線圈附著凹部分52a和53a，這些 線圈附著凹部分52a和53a每隔一定間隔形成在外圍側上的外圍方向上。 由超導材料製成的多個勵磁線圈55和56分別掩埋在線圈附著凹面部分 52a和53a中。同樣，多個勵磁線圈55和56每隔一定間隔附著在該軸周圍 的外圍方向上，以便它們的磁通量方向指向軸向方向。在各個勵磁線 圈55和56的中空部分中，設置由波明德合金製成的通量收集器(磁體) 18和20。通量收集器18和20和勵磁線圈55和56中的任一個沒有製成為 從定子52和53的側表面伸出。配置勵磁線圈55和56以對其從電源(未 示出)提供所需的電能。作為定子52和53的材料，使用磁性材料，例如波明德合金、矽鋼、 鐵或坡莫合金，來實現作為背軛的作用。而且，作為形成勵磁線圈55 和56的超導材料，使用鉍基或釔基超導材料。在上述實施例中的變化，也就是，在線圈中空部分中存在或不存 在通量收集器，轉子和/或定子等的材料等等也可以應用到如在本實施 例中的勵磁線圈55和56提供在定子52和53中的情況。 而且，在該實施例和上述的第三實施例中，轉子和定子中的任一 個都具有設置在其線圈中空部分中的磁體。然而，轉子和定子兩個都可具有形成在其線圈中空部分中的空氣間隙(或非磁體，例如RFP)， 而沒有磁體。接下來，將描述本發明的第六實施例。如圖7所示，與第一實施例的不同之處在於，由除了超導材料之外的材料製成的永久磁鐵33用作將附著在轉子11'中的磁體。永久磁體33 附著在多個附著孔lla'中，該多個附著孔lla'每隔一定間隔提供於轉子 的外圍方向上。在該情況下，永久磁體33的磁通量方向指向轉子11'的 軸向方向。如果採用這種結構，則永久磁體33可僅設置在轉子11'中。因此， 軸向間隙型超導電機60的製造效率提高了。而且，不需要用於將電源 提供給場體或冷卻結構的器件，其能夠簡化該電機的結構。而且，儘管永久磁體33用作場體，但如果輸出為lkW至5MW，則 能夠充分處理任何情形。而且，與如在第一實施例中線圈用作勵磁線 圈33時相比，能夠減小電機的尺寸。該實施例的其它部分和工作效果與第一實施例相同。因此，對於 與第一實施例相同的部分給出相同的附圖標記，由此省略了它們的描 述。可以將場體為磁體、並非線圈的結構應用到第三至第五實施例。 [工業實用性]根據本發明的軸向間隙型超導電機可以獲得高的輸出並減小它的 尺寸。因此，該電機適合用作交通工具例如汽車、火車和輪船的驅動 電機。尤其是，該電機適合用作輪船的推進電機。
權利要求
1.一種軸向間隙型超導電機，包括在轉子的軸向方向上設置的、具有所需空氣間隙、以便彼此面對的定子，多個場體，設置在轉子和轉子的軸周圍的定子的任一個中，設置在該軸周圍的另一個中的多個電樞線圈，其中場體和電樞線圈中的至少之一由超導材料形成，以使得其磁通量方向指向軸向方向。
2. 根據權利要求1的軸向間隙型超導電機，其中 場體是勵磁線圈，和勵磁線圈和電樞線圈都由超導材料形成。
3. 根據權利要求1的軸向間隙型超導電機，其中場體為永磁體，和 電樞線圈由超導材料形成。
4. 根據權利要求1至3中任一項的軸向間隙型超導電機，其中 定子設置在轉子的軸向方向上的轉子的兩側上， 一旋轉軸懸掛固定到轉子上以穿過定子的軸承，和 場體和電樞線圈設置在相同的軸上，並具有在該軸方向上的空氣間隙。
5. 根據權利要求1、 2和4中任一項的軸向間隙型超導電機，其中磁體的通量收集器設置在用作場體和/或電樞線圈的勵磁線圈的 中空部分中。
6. 根據權利要求5的軸向間隙型超導電機，其中 通量收集器的前端設置在與設置有通量收集器的線圈的前端表面 相同的位置或設置在從線圈的前端表面收回的位置中。
7. 根據權利要求1至6中任一項的軸向間隙型超導電機，其中 定子和/或轉子由磁體形成。
8. 根據權利要求5至7中任一項的軸向間隙型超導電機，其中對於磁體使用具有高磁通量密度/高導磁率的材料。
9. 根據權利要求8的軸向間隙型超導電機，其中 具有高磁通量密度/高導磁率的材料為波明德合金。
10. 根據權利要求1至4中任一項的軸向間隙型超導電機，其中 空氣間隙提供在電樞線圈的中空部分中，或者非磁體設置在該中空部分中。
11. 根據權利要求2、 4和5中任一項的軸向間隙型超導電機，其中空氣間隙提供在勵磁線圈的中空部分中，或非磁體設置在該中空 部分中。
全文摘要
定子12和13在轉子11的軸向方向上設置有所需的空氣間隙以彼此面對，多個場體15或永久磁體33設置在轉子11中，以及多個電樞線圈17和19設置在該軸周圍的定子12和13中。場體15或永久磁體33和電樞線圈17和19中的至少之一由超導材料形成，以使得它們的磁通量方向指向軸向方向。
文檔編號H02K1/22GK101133542SQ20058004470
公開日2008年2月27日 申請日期2005年12月16日 優先權日2004年12月24日
發明者岡崎徹, 大橋紳悟, 杉本英彥, 竹田敏雄 申請人:住友電氣工業株式會社