ロータおよびモータ
【課題】超電導部材への熱の伝達をより抑制し、耐久性の高いロータおよびモータを提供する。
【解決手段】モータ１００は、回転子であるロータ１０と、ロータ１０の周囲に配置されたステータコア２３と、ロータ１０の回転を出力するための出力軸５１とを備える。ロータ１０は、回転軸１８に交差する断面における中央部分から放射状に延びるロータコア１３と、ロータコア１３に巻回されたロータコイル１１とを含んでいる。ロータコア１３には、回転軸１８の延在方向、出力軸５１の配置される方向に突出した突出部１４が形成されている。
【解決手段】モータ１００は、回転子であるロータ１０と、ロータ１０の周囲に配置されたステータコア２３と、ロータ１０の回転を出力するための出力軸５１とを備える。ロータ１０は、回転軸１８に交差する断面における中央部分から放射状に延びるロータコア１３と、ロータコア１３に巻回されたロータコイル１１とを含んでいる。ロータコア１３には、回転軸１８の延在方向、出力軸５１の配置される方向に突出した突出部１４が形成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超電導コイルを用いたロータおよびモータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
モータの駆動能力を向上するために、回転子であるロータに用いるコイルとして超電導コイルを用いることがある。超電導コイルは、通常のコイルに比べて通電可能な電流値を大きくすることにより、高い磁場を提供することができるためである。
【０００３】
しかし、たとえばロータを構成する界磁と電機子とをともに超電導コイルや超電導バルクを用いて形成した場合、界磁と電機子とをともに超電導電流を流すことが可能な程度の極低温に冷却する必要がある。したがって両者を冷却するための設備が必要となるが、このような設備は構成が複雑となるとともに、コスト高を招くことがある。
【０００４】
また、たとえ界磁と電機子との両方を、適切な設備を用いて冷却することができたとしても、ロータの回転軸と、ロータの回転を出力するための出力軸とが機械的に直結していれば、出力軸は室温中に配置されていることから、外部の熱が出力軸を介してロータへと伝わり、界磁や電機子を冷却する効率が低下する可能性がある。具体的には、出力軸に接続され、室温下に配置された負荷にたとえば切削工具などが接続されており、当該負荷が回転することにより切削工具が駆動するなどの動作を行なった際には、当該切削工具が発熱することがある。ここでロータの回転軸と、負荷に接続される出力軸とが機械的に直結していれば、負荷の配置された外部雰囲気からの熱や、上記切削工具の発熱が、出力軸（回転軸）を伝わり、容易に界磁や電機子に伝達する。このようにして界磁や電機子に外部から熱が伝わる状態となると、これらを極低温に冷却した状態を保つことが困難になり、冷却の効率が低下する。
【０００５】
そこで、たとえば以下の特許文献１においては、ロータの回転軸と、負荷に接続される出力軸とを分割し、ロータの回転軸と出力軸との間に磁気カップリングを配置して、ロータの回転を負荷側の出力軸に伝える電力発生装置が開示されている。この場合、ロータの回転軸と負荷に接続される出力軸とは機械的に不連続であるため、負荷が有する熱が出力軸を伝ってロータ側に伝達される可能性を小さくすることができる。
【特許文献１】特開２００４−２３９２１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１の図３において開示されている動力または電力発生装置は、負荷に接続される動力伝達軸について、ロータの回転軸として用いられる回転体と機械的に不連続であるため、これらの軸を伝って負荷から回転体へ熱が伝達する可能性は小さい。しかし、当該装置は、ロータの回転体の延在方向に対して交差する方向における断面の外周部（ロータの回転体の外周側面）に配置される超電導バルクを冷却する必要があるため、当該超電導バルクが配置されたロータの回転体全体を収納するように真空断熱槽を形成する必要がある。また、真空断熱槽の内部には当該回転体のほかにも超電導コイルなどが備えられているため、当該真空断熱槽の内部空間は非常に大きい。このため、真空断熱槽の内部空間を冷却するためには大きな容量の冷却機（冷凍機）を用いる必要がある。
【０００７】
また、当該装置は、超電導バルクを有する回転体と、負荷に連なる動力伝達軸に接続された外筒とが、ベアリングにより接続されている。当該ベアリングにより、動力伝達軸や外筒は、回転体に対して、回転体の延在方向軸周りに自由に回転することが可能となっている。また、回転体の超電導バルクと、外筒の内周部に配置される永久磁石との磁気カップリングを利用して、回転体が回転すれば外筒および外筒に接続された動力伝達軸が回転する構成となっている。
【０００８】
上記のような構成の従来の装置では、超電導バルクを磁気カップリングに利用している。そのため、たとえば超電導バルクに、真空断熱槽の外部の熱が何らかのトラブルなどにより伝わり当該超電導バルクの温度が上昇すると、超電導バルクが超電導体として機能しなくなる場合が考えられる。この場合、回転体の回転が動力伝達軸に伝わらなくなり、当該装置が正常に動作しなくなるという問題が起こりうる。
【０００９】
本発明は、以上の問題に鑑みなされたものであり、その目的は、超電導部材への熱の伝達をより抑制し、耐久性の高いロータおよびモータを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係るロータは、モータに用いるロータであり、ロータ軸と、上記ロータ軸の、回転軸に交差する断面における中央部分から放射状に延びるロータコアと、ロータコアに巻回された超電導コイルとを備える。上記ロータコアは、回転軸の方向における一方の端部に、当該回転軸の方向に突出した突出部を含む。
【００１１】
本発明に係るロータでは、ロータコアが回転軸の方向に突出した突出部を含んでいるので、超電導コイルに電流を流して磁界を発生させた場合に、当該突出部も磁石として作用させることができる。
【００１２】
このようなロータコアの突出部は超電導コイルのように冷却する必要は無く、たとえば温度条件を室温としておいてもよい。そして、このような磁石として作用する突出部は、上記ロータを組み込んだモータにおいて、出力軸とロータ軸とを磁気的に接続するための磁気カップリングを構成するロータ側の磁石部として用いることができる。このため、磁気カップリングを構成する出力軸側の磁石部と対向する位置に超電導コイルを直接配置する場合より、磁気カップリングから超電導コイルを離れた位置に配置することができる。したがって、出力軸の温度が外乱の影響で高くなった場合にも、当該出力軸の温度の影響を超電導コイルが受ける可能性を低くすることができる。この結果、本発明によるロータを用いれば、外部からの熱（外乱）に対する耐久性の高いモータを実現することができる。
【００１３】
また、本発明に係るロータは、ロータ軸の、回転軸に交差する断面における中央部分から放射状に延びるロータコアに巻回された超電導コイルの近傍の領域を冷却するだけで、超電導コイルを超電導状態にすることができる。このため、超電導コイルに超電導電流を流し、電磁石としての機能を発揮させることが可能となる。したがって、冷却が必要な空間の領域を少なくすることができる。冷却が必要な空間の領域を少なくすることができるため、当該ロータを用いたモータなどの電力発生装置の設備の構成を簡略化（小型化）することができ、設備のコストを低減することができる。
【００１４】
本発明に係るロータを用いたモータなどの動力または電力発生装置は、ロータコアの突出部と、負荷に接続された出力軸側の磁石部との磁気カップリングを用いてたとえば負荷に接続された出力軸に回転を伝える構成となる。突出部はロータの超電導コイルから離れた領域に配置されるため、超電導コイルは磁気カップリングから離れた領域に配置される。したがって、負荷の発熱が超電導コイルに伝達することにより、超電導コイルの機能を阻害する（たとえば超電導コイルの温度が上昇することにより超電導状態を維持できなくなる）可能性を小さくすることができる。
【００１５】
本発明に係るモータは、ロータと、ロータの周囲に配置されたステータと、ロータの回転を出力するための出力軸とを備える。上記ロータは、ロータ軸と、上記ロータ軸の、回転軸に交差する断面における中央部分から放射状に延びるロータコアと、上記ロータコアに巻回された超電導コイルとを含む。上記ロータコアは、上記回転軸の方向における一方の端部に、上記回転軸の方向に突出した突出部が形成され、さらに、上記ロータから上記出力軸へ回転を伝達するためのロータの突出部をロータ側の磁石部として用いる磁気カップリングを備える。
【００１６】
本発明に係るロータを用いたモータなどの電力発生装置は、ロータコアの突出部と、負荷に接続された出力軸側の磁石部との磁気カップリングを用いて負荷に回転を伝える構成となっている。突出部はロータの超電導コイルから離れた領域に配置されるため、超電導コイルは磁気カップリングから離れた領域に配置される。したがって、負荷の発熱が超電導コイルに伝達することにより、超電導コイルの機能を阻害する可能性を小さくすることができる。
【００１７】
上記モータでは、上述した磁気カップリングにおいて、出力軸側の磁石部は、ロータ側の磁石部に対して、回転軸の方向において対向するよう配置されていることが好ましい。このような構成とすれば、出力軸側の磁石部を、その面積がロータ側の磁石部の、出力軸側の磁石部と対向する領域の面積と略等しくなるように配置することができる。この結果、ロータ側の磁石部に対して、ロータの回転軸から見て外周側（ロータの回転軸に交差する断面における中央部分から放射状に延びる半径方向での外側）に出力軸側の磁石部を配置する場合より、磁気カップリングのサイズ（上記半径方向における径）を小さくすることができる。このため、磁気カップリングおよびモータのサイズが大きくなることを抑制できる。
【００１８】
上記モータでは、磁気カップリングにおいて、出力軸側の磁石部は、ロータ側の磁石部に対して、回転軸に交差する断面におけるロータの中央部分から放射状に延びる方向において対向するよう配置されていてもよい。このようにすれば、出力軸側に配置する磁石部の、回転軸の方向における長さ（つまりロータ側の磁石部と対向する領域の長さ）を自在に調節することができる。このため、調節した磁石部の長さに応じて、磁気カップリングにおけるロータ側の磁石部と出力軸側の磁石部との磁気的な結合力を調整することができる。そのため、磁気カップリングによるロータの回転を出力軸に伝達する場合の、ロータと出力軸との結合強さを自在に調節することができる。したがって、ロータの回転を出力軸に確実に伝達することができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、超電導部材への熱の伝達をより抑制し、外乱に対する耐久性の高いロータおよびモータを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、図面を参照しながら、本発明の各実施の形態について説明する。なお、各実施の形態において、同一の機能を果たす要素には同一の参照符号を付し、その説明は、特に必要がなければ繰り返さない。
【００２１】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１の一の局面に係るモータの概略構成図である。図２は、図１の線分ＩＩ−ＩＩにおける概略断面図である。図３は、図１において省略されたステータ２０の概略斜視図である。図４は、図１におけるロータ１０の概略斜視図である。
【００２２】
図１〜図４を参照して、本発明の実施の形態１に係るモータ１００は、回転子であるロータ１０と、ロータ１０の周囲に配置されたステータ２０とからなるモータ本体部３０と、ロータ１０の回転を出力するための出力軸５１とを備える。ロータ１０は、回転軸１８の長軸方向に延びる外周面の周囲に形成されたロータ軸１６を含む。また、ロータ１０は、ロータ軸１６の、回転軸１８に交差する断面における中央部分（回転軸１８が配置されている領域）から放射状に、ロータ軸１６の外周面から突出するように延びるロータコア１３と、ロータコア１３に巻回されたロータコイル１１とを含んでいる。
【００２３】
ロータコア１３には、回転軸１８の延在方向（図１における左右方向）における一方の端部（図１における左側）において、回転軸１８の延在方向、より具体的には出力軸５１の配置される方向に突出した突出部１４が形成されている。
【００２４】
ロータ１０と間隔を隔てて、出力軸５１が配置されている。ロータ１０の回転中心軸と出力軸５１と回転中心軸とは重なるように、ロータ１０および出力軸５１は配置されている。出力軸５１の延在方向における一端には、ロータ１０の回転を出力軸５１へ伝達するための磁気カップリングを構成する磁石部を配置するための負荷側土台３４が配置されている。負荷側土台３４の主表面がロータ１０の回転軸１８に交差する方向を向くように、負荷側土台３４は配置されている。負荷側土台３４の、ロータ１０と対向する主表面上には、突出部１４のうち、負荷側土台３４と対向する端面である突出部端面１５と対向する永久磁石３３ａ、３３ｂが配置されている。永久磁石３３ａでは、突出部端面１５と対向する部分がＮ極となっており、永久磁石３３ｂでは突出部端面１５と対向する部分がＳ極となっている。なお、ここで主表面とは、表面のうち最も面積の大きい面をいうこととする。また、出力軸５１の、負荷側土台３４が配置される側と反対側の一端には、ロータ１０の回転が出力軸５１に伝達されることにより回転する負荷５０が接続されている。
【００２５】
ロータ１０の周囲に配置された、モータ本体部３０の固定子としてのステータ２０にも、ステータコイル２１と呼ばれる、ロータ１０を回転軸１８周りに回転させるためのコイル状の部材が形成されている。図２に示すように、ステータ２０は上述したステータコイル２１と、ステータコイル２１を取り囲むように存在するステータ２０の本体部分であるステータコア２３と呼ばれる部分とから構成される。ステータコイル２１としては、超電導コイルを用いてもよく、この場合には図２に示すように冷却容器の内部にステータコイル２１は配置される。当該冷却容器は、ステータコア２３の一部が配置されるようにステータコイル２１のコイル中心において開口部を有している。
【００２６】
なお、図１においては、図を見やすくするためステータ２０は記載を省略しており、ステータ２０の外枠部分であるステータコア２３についてのみ点線で図示している。また、図３においては、ステータコア２３の記載が省略されているが、ステータコイル２１の周囲に（取り囲むように）ステータコア２３が配置されるとともに、ステータコイル２１のコイル中心部を貫通するようにステータコア２３の一部が配置されている。
【００２７】
モータ本体部３０のロータ１０を構成する回転軸１８と、負荷５０が接続された出力軸５１とは、ベアリング３５により、モータ１００の本体をなす、図１において図示しない外枠部材に接続される。なお、図１においてベアリング３５は、配置を理解しやすくするため、断面図状に描写している。
【００２８】
図１、図３、図４においては、ロータ１０のロータ軸１６から４本のロータコア１３が放射状に延びているが、ロータコア１３の本数はたとえば６本、８本、３本など任意の本数とすることができる。同様に、図２、図３においては、ステータコイル２１およびステータコイル２１のコイル中心を貫通するステータコア２３の一部は６本配置されているが、たとえば４本、８本、３本など任意の本数とすることができる。
【００２９】
ロータ１０の各ロータコア１３に巻回されたロータコイル１１としては、超電導コイルを用いることが好ましい。ロータコイル１１に超電導コイルを用いれば、たとえば通常の銅線のコイルを用いた場合に比べて、ロータコイル１１に流す電流値を大きくすることができる。このため、ロータコイル１１に流れる電流が発生する磁場を大きくすることができ、ロータ１０の回転力を大きくすることができる。その結果、モータ１００の駆動能力を向上することができる。なお、ステータ２０に備えられたステータコイル２１に流れる電流が発生する磁場の大きさは、上述したロータコイル１１に流れる電流が発生する磁場の大きさに比べて、負荷５０に伝達する回転の出力の強さに与える影響は小さい。したがって、ステータコイル２１には上述のように超電導コイルを用いてもよいが、たとえば通常の銅線のコイルを用いてもよい。ステータコイル２１に通常の銅線のコイルを用いれば、後述するコイルを冷却する領域を少なくすることができるため、冷却装置を小型化することができる。
【００３０】
ロータコア１３がたとえば鉄塊で形成されている場合、当該ロータコア１３に巻回されたロータコイル１１（超電導コイル）に直流電流を流すと、ロータコア１３は電磁石として機能する。ここでは直流電流を流しているため、ロータコア１３により形成される電磁石の極性は時間変化せず、たとえば図１に示す上側と下側に存在するロータコア１３には電磁石のＳ極であるロータコアＳ極１３ｂが発生し、図１に示す中央部分に存在するロータコア１３には電磁石のＮ極であるロータコアＮ極１３ａが発生する。後述する交流モータとしての駆動能力を高めるために、たとえば図２の断面図においてロータコア１３の配置される円周上にて隣接されるロータコア１３同士は互いに逆の極性を発生した配置とすることが好ましい。
【００３１】
このとき、ロータコア１３の周囲に配置されたステータコイル２１に交流電流を流すと、ステータコイル２１に発生する電磁石は交流電流の流れる向きにより極性が周期的に時間変化する。ステータコイル２１の極性の変化により、各ステータコイル２１は、各ロータコア１３に対して反発力と吸引力とを交互に繰返し及ぼすことになる。この結果、ロータコア１３が回転軸１８周りに回転する。モータ１００はこのように、ロータコイル１１に直流電流、ステータコイル２１に交流電流を流すことによりロータコイル１１を回転させる交流モータであることが好ましい。
【００３２】
そして、図１に示すようにロータコア１３はたとえば図２に示す回転軸１８に交差する断面図における、中央部分から放射状に４本延在している。そして、図１、図４に示すように、ロータコア１３の径方向外周部では、回転軸１８の延びる方向における端部から外側へ、回転軸１８の延びる方向に延在する突出部１４が形成されている。当該突出部１４の先端部は、ロータ１０から出力軸５１へ回転を伝達するための磁気カップリングを構成する。この突出部の端部を構成する突出部端面１５は負荷５０側、より具体的には図１に示すように、負荷５０側の出力軸５１に接続された負荷側土台３４の、永久磁石３３ａ、３３ｂが配置された一方の主表面と対向する。回転軸１８の径方向における突出部端面１５の幅は、当該突出部端面１５とロータコア１３との間に位置する突出部１４の部分における上記径方向における幅より広くなっている。
【００３３】
図１に示すように各ロータコア１３の上端部（回転軸１８に対する径方向外周部）は各極性に磁化されており、ロータコアＮ極１３ａおよびロータコアＳ極１３ｂとなっている。これらの極性は突出部１４や突出部端面１５にも及ぶため、各ロータコア１３の突出部１４や突出部端面１５はロータ１０側の磁石部として用いられる。ここで、上述したように、出力軸５１側には出力軸５１側の磁石部としての永久磁石３３ａ、３３ｂが備えられている。そのため、これら永久磁石３３ａ、３３ｂが、突出部端面１５に対して、回転軸１８の方向において対向するように配置されれば、当該突出部１４と永久磁石３３ａ、３３ｂとは磁気カップリングとしての機能を有することになる。すなわち、図１に示すようにロータコアＮ極１３ａの突出部端面１５は永久磁石３３ｂのＳ極と互いに吸引し合い、ロータコアＳ極１３ｂの突出部端面１５は永久磁石３３ａのＮ極と互いに吸引し合う。したがって、ロータ１０の回転により突出部端面１５が回転軸１８周りに回転すると、突出部端面１５に吸引されている永久磁石３３ａ、３３ｂが突出部端面１５と同様に回転軸１８の延在方向周りに回転する。負荷側土台３４は突出部端面１５と対向し、出力軸５１は回転軸１８の延在方向に揃うように配置されている。以上より、負荷側土台３４や出力軸５１が、ロータ１０の回転に同期して回転し、負荷５０にも同様の回転が伝達される。
【００３４】
以上のように、突出部端面１５と永久磁石３３ａ、３３ｂとの吸引力により、ロータ１０の回転が出力軸５１（負荷５０）に伝達されるため、モータ本体部３０および出力軸５１（負荷５０）側との間では非接触の状態を保つことができる。ここで、通常負荷５０は室温下に配置されるため、仮にモータ本体部３０と出力軸５１（負荷５０）とが機械的に直結されていれば、負荷５０の熱が、モータ本体部３０のたとえば超電導コイルからなるロータコイル１１に伝達する可能性がある。さらに、たとえば負荷５０に切削工具などが接続されている場合、当該切削工具が加工を行なうことにより発生する熱が、上述したようにモータ本体部３０のたとえば超電導コイルからなるロータコイル１１に伝達する可能性がある。しかし、モータ１００においては上述したように負荷５０が熱を有し、この熱が負荷５０から出力軸５１を伝って負荷側土台３４や、負荷側土台３４の主表面上の永久磁石３３ａ、３３ｂに伝達したとしても、モータ本体部３０と出力軸５１（負荷５０）側との間では非接触の状態が保たれているため、この熱がモータ本体部３０の突出部端面１５やロータコア１３などに伝達する可能性を低減することができる。このため、ロータコイル１１に超電導コイルを用いている場合において、当該ロータコイル１１に熱が伝達することにより当該ロータコイル１１（超電導コイル）の動作に影響を及ぼす可能性を低減することができる。
【００３５】
また、モータ１００においては、突出部端面１５と永久磁石３３ａ、３３ｂとの吸引力（磁気カップリング）により、負荷５０や出力軸５１を回転させている。このため、たとえロータコイル１１に超電導コイルを用いたとしても、当該磁気カップリングの領域には超電導部材が用いられていない。したがって、たとえ負荷５０側の熱がモータ本体部３０側に伝達したとしても、負荷５０側からモータ本体部３０側へ熱を伝達する入口部に該当する磁気カップリングの領域には超電導部材が存在しない。超電導部材で構成されるロータコイル１１が配置されているのは、突出部端面１５から、回転軸１８の方向に延在するロータコア１３の一部の領域を経た領域であり、磁気カップリングの領域から離れた箇所である。このため、たとえ負荷５０側の熱がモータ本体部３０側に伝達したとしても、これがロータコイル１１に到達する可能性は小さい。したがって、上述したように磁気カップリングに直接超電導コイルを用いない構成とすることにより、超電導コイル部分が外部の熱により動作を阻害される可能性を低減することができる。
【００３６】
さらに、たとえ負荷５０側の熱が突出部端面１５から、ロータコア１３の内部を伝達してロータコイル１１（超電導コイル）に達する不具合が発生したとしても、たとえば図１における突出部端面１５からロータコイル１１までの距離を示す制御距離３６をより長く設計することで、突出部端面１５の熱がロータコイル１１に到達することを抑制することができる。このように、制御距離３６の設計の自由度を向上することができるとともに、制御距離３６の設計値に応じて、ロータコイル１１に外部の熱が到達する可能性をより抑制することができる。
【００３７】
図５は、モータ１００に用いられる超電導コイルを冷却するコイル冷却容器の概略斜視図である。図２の断面図に示すように、モータ１００に用いられるロータコイル１１である超電導コイルは、およそロータコア１３がロータ軸１６から放射状に延びる領域に巻回されている。図５に示した冷却容器の内部には、ロータコイル１１を冷却するための冷却材が配置されている。つまり、図２においてロータコイル１１が配置されている領域の大部分は、ロータコイル１１を冷却する冷媒を配置する領域に当てることができる。
【００３８】
この、図２においてロータコイル１１が配置されている領域の大部分、すなわち４本のロータコア１３が貫通する開口部を有し、ロータ軸１６の側面を囲むように図５に示すコイル冷却容器１７を配置することが好ましい。コイル冷却容器１７としてはたとえば液化したヘリウムを減圧することにより冷却したクライオスタットを用いることが好ましい。このコイル冷却容器１７を図２および図５に示すように、ロータコア１３の周囲に巻回されたロータコイル１１（図５においてはコイル冷却容器１７に収容されているため図示せず）の周囲を取り囲むような配置となるよう構成する。
【００３９】
図２に示すように、冷却する必要のあるロータコイル１１が配置されているのは、ロータコア１３がロータ軸１６から放射状に延びる領域のみであり、モータ本体部３０全体のごく一部の領域である。また、磁気カップリングの領域を冷却する必要もない。したがって、図５に示すような、当該領域の周囲のみを取り囲むような配置とされたコイル冷却容器１７を用いることにより、コイル冷却容器１７の容積をコンパクトにすることができる。コイル冷却容器１７は、磁気カップリングに関与するロータコア１３の突出部端面１５は冷却しない。またその他、たとえば回転軸１８やステータ２０など、超電導部材が配置されない領域を冷却する構成とはなっていない。このため、冷媒を供給する設備として、たとえばモータ本体部３０の全体を冷却するような大掛かりな設備は必要なく、設備の構成を簡略化（小型化）することができ、設備のコストを低減することができる。
【００４０】
さらに、図５に示すコイル冷却容器１７は、たとえばロータコイル１１として超電導コイルでないコイルを用いる場合や、ロータコイル１１として超電導コイルを用いる場合における冷却温度を変更、調整する場合に取外したり、別の同様の態様を有するコイル冷却容器１７と交換したりする作業を容易に行なうことができる。つまり、他のロータ１０やステータ２０が配置された各領域に影響を与えることなく、円筒状の形状を有するクライオスタットを交換ないし取外すだけで、容易に所望の作業を行なうことができる。
【００４１】
図６は、本発明の実施の形態１の他の局面に係るモータの概略構成図である。図６に示すモータ２００は、図１に示すモータ１００と基本的に同様の態様を備えている。しかし、ロータコア１３の突出部１４の形状がモータ１００と異なる。この点においてのみ、モータ２００はモータ１００と異なる。なお、図６においてはステータ２０（ステータコア２３）の記載を省略している。
【００４２】
モータ１００における突出部１４は、図１、図４に示すように、他の領域に比べて構造体の（回転軸１８の径方向における）幅が小さくなっており、コの字型の形状を有することが好ましい。このようにすれば、磁気カップリングを構成する永久磁石３３ａ、３３ｂと対向する突出部端面１５の面積を大きくできるので、磁気カップリングにおける突出部端面１５と永久磁石３３ａ、３３ｂとの磁気的な結合力をより高めることができる。ただし、モータ２００のようにこのような形態をとらず、図６に示すように、突出部１４においても他の領域と略等しい構造体の幅を有する構成としてもよい。ロータコア１３はたとえば鉄塊などの磁性体であるため、図６に示す突出部１４の形状を有するモータ２００においても、図１に示す突出部１４の形状を有するモータ１００と同様の磁気カップリング特性を示し、モータとして同様の作用効果を奏する。
【００４３】
また、たとえば突出部１４を図６のモータ２００のような形状にした場合においても、たとえば鉄を鋳造することにより、図１のモータ１００の突出部１４のようなコの字型の形状を有する鋳造体を形成し、モータ２００の突出部１４に当該鋳造体を取り付けることにより、容易に図１のモータ１００の突出部１４と同様の機能を付与することができる。
【００４４】
（実施の形態２）
図７は、本発明の実施の形態２の一の局面に係るモータの概略構成図である。図７に示すモータ３００は、図１に示すモータ１００と基本的に同様の態様を備えている。しかし、永久磁石３３ａ、３３ｂの配置の態様がモータ１００と異なる。すなわち、永久磁石３３ａ、３３ｂは、ロータコア１３の突出部１４に対して、回転軸１８に交差する断面におけるロータ１０の中央部分から放射状に延びる方向において対向するよう配置されている。より具体的には、永久磁石３３ａ、３３ｂは、回転軸１８に沿った方向における突出部１４の表面に対向するように配置されている。ここでも永久磁石３３ａ、３３ｂは、突出部１４に対して非接触の状態を保っている。なお、図７においてはステータ２０（ステータコア２３）の記載を省略している。また、図を簡略化するため、図７においては突出部１４の形状は上述した図６に示すモータ２００の突出部１４と同様の態様としているが、上述した図１に示すモータ１００の突出部１４と同様の態様としてもよい。
【００４５】
なお、図７において永久磁石３３ａ、３３ｂは、ロータコアＮ極１３ａおよびロータコアＳ極１３ｂの両方の主表面上から、ロータコアＮ極１３ａおよびロータコアＳ極１３ｂを挟むように１対の平板状のものが配置されている。しかし、ロータコアＮ極１３ａおよびロータコアＳ極１３ｂの突出部１４の、回転軸１８の方向における表面の全体を外側から覆う筒状に永久磁石３３ａ、３３ｂが配置されていてもよい。
【００４６】
上述したモータ１００のように、永久磁石３３ａ、３３ｂが突出部端面１５に対して、回転軸１８の方向において対向するよう配置されている場合は、負荷側土台３４の主表面のうち、突出部端面１５と対向する領域に永久磁石３３ａ、３３ｂを配置することにより、突出部端面１５と永久磁石３３ａ、３３ｂとの磁気カップリングにより出力軸５１（負荷５０）側に回転を与えることができる。すなわち、永久磁石３３ａ、３３ｂを突出部１４より外周側に配置する必要が無いので、磁気カップリングの幅（回転軸１８に対する径方向における幅）をロータの当該幅より大きくする必要がない。
【００４７】
これに対して、モータ３００のように、永久磁石３３ａ、３３ｂが、突出部１４において回転軸１８の延在する方向に延びる表面に対向する配置とすれば、突出部１４の表面を取り囲むように永久磁石３３ａ、３３ｂを配置することができる。このためモータ３００は、モータ１００に比べて永久磁石３３ａ、３３ｂが突出部１４と対向する領域を広くすることができる。当該領域を自在に広くすることができる上、永久磁石３３ａ、３３ｂが突出部１４の表面を取り囲むように配置されるため、両者の間の磁気カップリングによる吸引力を強化することができる。したがって、ロータ１０の回転をより確実に出力軸５１（負荷５０）側に伝達することが可能となる。
【００４８】
さらに、当該吸引力を所望の値に調整するため、永久磁石３３ａ、３３ｂを配置する領域の面積を自在に調整することにより、磁気カップリングによる吸引力を設計する自由度を向上することができる。
【００４９】
図８は、本発明の実施の形態２の他の局面に係るモータの概略構成図である。図８に示すモータ４００は、図７に示すモータ３００と基本的に同様の態様を備えている。しかしモータ４００は、図１に示すモータ１００に永久磁石３３ａ、３３ｂが配置された領域と、図３に示すモータ３００に当該永久磁石３３ａ、３３ｂが配置された領域との両方に当該永久磁石が配置された構成となっている。このようにすれば、当該永久磁石がロータコア１３に対して磁気カップリングによる吸引力を及ぼす領域をさらに広く、かつ強固なものとすることができる。このためモータ４００は、ロータ１０の回転をより確実に出力軸５１（負荷５０）側に伝達することが可能となる。
【００５０】
なお、図８においてもステータ２０（ステータコア２３）の記載を省略している。また、図を簡略化するため、図８においても突出部１４の形状は上述した図６に示すモータ２００の突出部１４と同様の態様としているが、モータ１００の突出部１４と同様の態様としてもよい。さらに、図８のモータ４００においても、永久磁石３３ａ、３３ｂは回転軸１８の方向における突出部１４を両側から挟む１対の平板状に配置しているが、回転軸１８の方向における突出部１４の全体を覆う筒状に配置していてもよい。
【００５１】
本発明の実施の形態２は、以上に述べた各点についてのみ、本発明の実施の形態１と異なる。すなわち、本発明の実施の形態２について、上述しなかった構成や条件、手順や効果などは、全て本発明の実施の形態１に順ずる。
【００５２】
今回開示された各実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
本発明は、超電導部材への熱の伝達をより抑制し、より強い動力を伝達する技術として、特に優れている。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明の実施の形態１の一の局面に係るモータの概略構成図である。
【図２】図１の線分ＩＩ−ＩＩにおける概略断面図である。
【図３】図１において省略されたステータ２０の概略斜視図である。
【図４】図１におけるロータ１０の概略斜視図である。
【図５】モータ１００に用いられる超電導コイルを冷却するコイル冷却容器の概略斜視図である。
【図６】本発明の実施の形態１の他の局面に係るモータの概略構成図である。
【図７】本発明の実施の形態２の一の局面に係るモータの概略構成図である。
【図８】本発明の実施の形態２の他の局面に係るモータの概略構成図である。
【符号の説明】
【００５５】
１０ ロータ、１１ ロータコイル、１３ ロータコア、１３ａ ロータコアＮ極、１３ｂ ロータコアＳ極、１４ 突出部、１５ 突出部端面、１６ ロータ軸、１７ コイル冷却容器、１８ 回転軸、２０ ステータ、２１ ステータコイル、２３ ステータコア、３０ モータ本体部、３３ａ，３３ｂ 永久磁石、３４ 負荷側土台、３５ ベアリング、３６ 制御距離、５０ 負荷、５１ 出力軸、１００，２００，３００，４００ モータ。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超電導コイルを用いたロータおよびモータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
モータの駆動能力を向上するために、回転子であるロータに用いるコイルとして超電導コイルを用いることがある。超電導コイルは、通常のコイルに比べて通電可能な電流値を大きくすることにより、高い磁場を提供することができるためである。
【０００３】
しかし、たとえばロータを構成する界磁と電機子とをともに超電導コイルや超電導バルクを用いて形成した場合、界磁と電機子とをともに超電導電流を流すことが可能な程度の極低温に冷却する必要がある。したがって両者を冷却するための設備が必要となるが、このような設備は構成が複雑となるとともに、コスト高を招くことがある。
【０００４】
また、たとえ界磁と電機子との両方を、適切な設備を用いて冷却することができたとしても、ロータの回転軸と、ロータの回転を出力するための出力軸とが機械的に直結していれば、出力軸は室温中に配置されていることから、外部の熱が出力軸を介してロータへと伝わり、界磁や電機子を冷却する効率が低下する可能性がある。具体的には、出力軸に接続され、室温下に配置された負荷にたとえば切削工具などが接続されており、当該負荷が回転することにより切削工具が駆動するなどの動作を行なった際には、当該切削工具が発熱することがある。ここでロータの回転軸と、負荷に接続される出力軸とが機械的に直結していれば、負荷の配置された外部雰囲気からの熱や、上記切削工具の発熱が、出力軸（回転軸）を伝わり、容易に界磁や電機子に伝達する。このようにして界磁や電機子に外部から熱が伝わる状態となると、これらを極低温に冷却した状態を保つことが困難になり、冷却の効率が低下する。
【０００５】
そこで、たとえば以下の特許文献１においては、ロータの回転軸と、負荷に接続される出力軸とを分割し、ロータの回転軸と出力軸との間に磁気カップリングを配置して、ロータの回転を負荷側の出力軸に伝える電力発生装置が開示されている。この場合、ロータの回転軸と負荷に接続される出力軸とは機械的に不連続であるため、負荷が有する熱が出力軸を伝ってロータ側に伝達される可能性を小さくすることができる。
【特許文献１】特開２００４−２３９２１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１の図３において開示されている動力または電力発生装置は、負荷に接続される動力伝達軸について、ロータの回転軸として用いられる回転体と機械的に不連続であるため、これらの軸を伝って負荷から回転体へ熱が伝達する可能性は小さい。しかし、当該装置は、ロータの回転体の延在方向に対して交差する方向における断面の外周部（ロータの回転体の外周側面）に配置される超電導バルクを冷却する必要があるため、当該超電導バルクが配置されたロータの回転体全体を収納するように真空断熱槽を形成する必要がある。また、真空断熱槽の内部には当該回転体のほかにも超電導コイルなどが備えられているため、当該真空断熱槽の内部空間は非常に大きい。このため、真空断熱槽の内部空間を冷却するためには大きな容量の冷却機（冷凍機）を用いる必要がある。
【０００７】
また、当該装置は、超電導バルクを有する回転体と、負荷に連なる動力伝達軸に接続された外筒とが、ベアリングにより接続されている。当該ベアリングにより、動力伝達軸や外筒は、回転体に対して、回転体の延在方向軸周りに自由に回転することが可能となっている。また、回転体の超電導バルクと、外筒の内周部に配置される永久磁石との磁気カップリングを利用して、回転体が回転すれば外筒および外筒に接続された動力伝達軸が回転する構成となっている。
【０００８】
上記のような構成の従来の装置では、超電導バルクを磁気カップリングに利用している。そのため、たとえば超電導バルクに、真空断熱槽の外部の熱が何らかのトラブルなどにより伝わり当該超電導バルクの温度が上昇すると、超電導バルクが超電導体として機能しなくなる場合が考えられる。この場合、回転体の回転が動力伝達軸に伝わらなくなり、当該装置が正常に動作しなくなるという問題が起こりうる。
【０００９】
本発明は、以上の問題に鑑みなされたものであり、その目的は、超電導部材への熱の伝達をより抑制し、耐久性の高いロータおよびモータを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係るロータは、モータに用いるロータであり、ロータ軸と、上記ロータ軸の、回転軸に交差する断面における中央部分から放射状に延びるロータコアと、ロータコアに巻回された超電導コイルとを備える。上記ロータコアは、回転軸の方向における一方の端部に、当該回転軸の方向に突出した突出部を含む。
【００１１】
本発明に係るロータでは、ロータコアが回転軸の方向に突出した突出部を含んでいるので、超電導コイルに電流を流して磁界を発生させた場合に、当該突出部も磁石として作用させることができる。
【００１２】
このようなロータコアの突出部は超電導コイルのように冷却する必要は無く、たとえば温度条件を室温としておいてもよい。そして、このような磁石として作用する突出部は、上記ロータを組み込んだモータにおいて、出力軸とロータ軸とを磁気的に接続するための磁気カップリングを構成するロータ側の磁石部として用いることができる。このため、磁気カップリングを構成する出力軸側の磁石部と対向する位置に超電導コイルを直接配置する場合より、磁気カップリングから超電導コイルを離れた位置に配置することができる。したがって、出力軸の温度が外乱の影響で高くなった場合にも、当該出力軸の温度の影響を超電導コイルが受ける可能性を低くすることができる。この結果、本発明によるロータを用いれば、外部からの熱（外乱）に対する耐久性の高いモータを実現することができる。
【００１３】
また、本発明に係るロータは、ロータ軸の、回転軸に交差する断面における中央部分から放射状に延びるロータコアに巻回された超電導コイルの近傍の領域を冷却するだけで、超電導コイルを超電導状態にすることができる。このため、超電導コイルに超電導電流を流し、電磁石としての機能を発揮させることが可能となる。したがって、冷却が必要な空間の領域を少なくすることができる。冷却が必要な空間の領域を少なくすることができるため、当該ロータを用いたモータなどの電力発生装置の設備の構成を簡略化（小型化）することができ、設備のコストを低減することができる。
【００１４】
本発明に係るロータを用いたモータなどの動力または電力発生装置は、ロータコアの突出部と、負荷に接続された出力軸側の磁石部との磁気カップリングを用いてたとえば負荷に接続された出力軸に回転を伝える構成となる。突出部はロータの超電導コイルから離れた領域に配置されるため、超電導コイルは磁気カップリングから離れた領域に配置される。したがって、負荷の発熱が超電導コイルに伝達することにより、超電導コイルの機能を阻害する（たとえば超電導コイルの温度が上昇することにより超電導状態を維持できなくなる）可能性を小さくすることができる。
【００１５】
本発明に係るモータは、ロータと、ロータの周囲に配置されたステータと、ロータの回転を出力するための出力軸とを備える。上記ロータは、ロータ軸と、上記ロータ軸の、回転軸に交差する断面における中央部分から放射状に延びるロータコアと、上記ロータコアに巻回された超電導コイルとを含む。上記ロータコアは、上記回転軸の方向における一方の端部に、上記回転軸の方向に突出した突出部が形成され、さらに、上記ロータから上記出力軸へ回転を伝達するためのロータの突出部をロータ側の磁石部として用いる磁気カップリングを備える。
【００１６】
本発明に係るロータを用いたモータなどの電力発生装置は、ロータコアの突出部と、負荷に接続された出力軸側の磁石部との磁気カップリングを用いて負荷に回転を伝える構成となっている。突出部はロータの超電導コイルから離れた領域に配置されるため、超電導コイルは磁気カップリングから離れた領域に配置される。したがって、負荷の発熱が超電導コイルに伝達することにより、超電導コイルの機能を阻害する可能性を小さくすることができる。
【００１７】
上記モータでは、上述した磁気カップリングにおいて、出力軸側の磁石部は、ロータ側の磁石部に対して、回転軸の方向において対向するよう配置されていることが好ましい。このような構成とすれば、出力軸側の磁石部を、その面積がロータ側の磁石部の、出力軸側の磁石部と対向する領域の面積と略等しくなるように配置することができる。この結果、ロータ側の磁石部に対して、ロータの回転軸から見て外周側（ロータの回転軸に交差する断面における中央部分から放射状に延びる半径方向での外側）に出力軸側の磁石部を配置する場合より、磁気カップリングのサイズ（上記半径方向における径）を小さくすることができる。このため、磁気カップリングおよびモータのサイズが大きくなることを抑制できる。
【００１８】
上記モータでは、磁気カップリングにおいて、出力軸側の磁石部は、ロータ側の磁石部に対して、回転軸に交差する断面におけるロータの中央部分から放射状に延びる方向において対向するよう配置されていてもよい。このようにすれば、出力軸側に配置する磁石部の、回転軸の方向における長さ（つまりロータ側の磁石部と対向する領域の長さ）を自在に調節することができる。このため、調節した磁石部の長さに応じて、磁気カップリングにおけるロータ側の磁石部と出力軸側の磁石部との磁気的な結合力を調整することができる。そのため、磁気カップリングによるロータの回転を出力軸に伝達する場合の、ロータと出力軸との結合強さを自在に調節することができる。したがって、ロータの回転を出力軸に確実に伝達することができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、超電導部材への熱の伝達をより抑制し、外乱に対する耐久性の高いロータおよびモータを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、図面を参照しながら、本発明の各実施の形態について説明する。なお、各実施の形態において、同一の機能を果たす要素には同一の参照符号を付し、その説明は、特に必要がなければ繰り返さない。
【００２１】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１の一の局面に係るモータの概略構成図である。図２は、図１の線分ＩＩ−ＩＩにおける概略断面図である。図３は、図１において省略されたステータ２０の概略斜視図である。図４は、図１におけるロータ１０の概略斜視図である。
【００２２】
図１〜図４を参照して、本発明の実施の形態１に係るモータ１００は、回転子であるロータ１０と、ロータ１０の周囲に配置されたステータ２０とからなるモータ本体部３０と、ロータ１０の回転を出力するための出力軸５１とを備える。ロータ１０は、回転軸１８の長軸方向に延びる外周面の周囲に形成されたロータ軸１６を含む。また、ロータ１０は、ロータ軸１６の、回転軸１８に交差する断面における中央部分（回転軸１８が配置されている領域）から放射状に、ロータ軸１６の外周面から突出するように延びるロータコア１３と、ロータコア１３に巻回されたロータコイル１１とを含んでいる。
【００２３】
ロータコア１３には、回転軸１８の延在方向（図１における左右方向）における一方の端部（図１における左側）において、回転軸１８の延在方向、より具体的には出力軸５１の配置される方向に突出した突出部１４が形成されている。
【００２４】
ロータ１０と間隔を隔てて、出力軸５１が配置されている。ロータ１０の回転中心軸と出力軸５１と回転中心軸とは重なるように、ロータ１０および出力軸５１は配置されている。出力軸５１の延在方向における一端には、ロータ１０の回転を出力軸５１へ伝達するための磁気カップリングを構成する磁石部を配置するための負荷側土台３４が配置されている。負荷側土台３４の主表面がロータ１０の回転軸１８に交差する方向を向くように、負荷側土台３４は配置されている。負荷側土台３４の、ロータ１０と対向する主表面上には、突出部１４のうち、負荷側土台３４と対向する端面である突出部端面１５と対向する永久磁石３３ａ、３３ｂが配置されている。永久磁石３３ａでは、突出部端面１５と対向する部分がＮ極となっており、永久磁石３３ｂでは突出部端面１５と対向する部分がＳ極となっている。なお、ここで主表面とは、表面のうち最も面積の大きい面をいうこととする。また、出力軸５１の、負荷側土台３４が配置される側と反対側の一端には、ロータ１０の回転が出力軸５１に伝達されることにより回転する負荷５０が接続されている。
【００２５】
ロータ１０の周囲に配置された、モータ本体部３０の固定子としてのステータ２０にも、ステータコイル２１と呼ばれる、ロータ１０を回転軸１８周りに回転させるためのコイル状の部材が形成されている。図２に示すように、ステータ２０は上述したステータコイル２１と、ステータコイル２１を取り囲むように存在するステータ２０の本体部分であるステータコア２３と呼ばれる部分とから構成される。ステータコイル２１としては、超電導コイルを用いてもよく、この場合には図２に示すように冷却容器の内部にステータコイル２１は配置される。当該冷却容器は、ステータコア２３の一部が配置されるようにステータコイル２１のコイル中心において開口部を有している。
【００２６】
なお、図１においては、図を見やすくするためステータ２０は記載を省略しており、ステータ２０の外枠部分であるステータコア２３についてのみ点線で図示している。また、図３においては、ステータコア２３の記載が省略されているが、ステータコイル２１の周囲に（取り囲むように）ステータコア２３が配置されるとともに、ステータコイル２１のコイル中心部を貫通するようにステータコア２３の一部が配置されている。
【００２７】
モータ本体部３０のロータ１０を構成する回転軸１８と、負荷５０が接続された出力軸５１とは、ベアリング３５により、モータ１００の本体をなす、図１において図示しない外枠部材に接続される。なお、図１においてベアリング３５は、配置を理解しやすくするため、断面図状に描写している。
【００２８】
図１、図３、図４においては、ロータ１０のロータ軸１６から４本のロータコア１３が放射状に延びているが、ロータコア１３の本数はたとえば６本、８本、３本など任意の本数とすることができる。同様に、図２、図３においては、ステータコイル２１およびステータコイル２１のコイル中心を貫通するステータコア２３の一部は６本配置されているが、たとえば４本、８本、３本など任意の本数とすることができる。
【００２９】
ロータ１０の各ロータコア１３に巻回されたロータコイル１１としては、超電導コイルを用いることが好ましい。ロータコイル１１に超電導コイルを用いれば、たとえば通常の銅線のコイルを用いた場合に比べて、ロータコイル１１に流す電流値を大きくすることができる。このため、ロータコイル１１に流れる電流が発生する磁場を大きくすることができ、ロータ１０の回転力を大きくすることができる。その結果、モータ１００の駆動能力を向上することができる。なお、ステータ２０に備えられたステータコイル２１に流れる電流が発生する磁場の大きさは、上述したロータコイル１１に流れる電流が発生する磁場の大きさに比べて、負荷５０に伝達する回転の出力の強さに与える影響は小さい。したがって、ステータコイル２１には上述のように超電導コイルを用いてもよいが、たとえば通常の銅線のコイルを用いてもよい。ステータコイル２１に通常の銅線のコイルを用いれば、後述するコイルを冷却する領域を少なくすることができるため、冷却装置を小型化することができる。
【００３０】
ロータコア１３がたとえば鉄塊で形成されている場合、当該ロータコア１３に巻回されたロータコイル１１（超電導コイル）に直流電流を流すと、ロータコア１３は電磁石として機能する。ここでは直流電流を流しているため、ロータコア１３により形成される電磁石の極性は時間変化せず、たとえば図１に示す上側と下側に存在するロータコア１３には電磁石のＳ極であるロータコアＳ極１３ｂが発生し、図１に示す中央部分に存在するロータコア１３には電磁石のＮ極であるロータコアＮ極１３ａが発生する。後述する交流モータとしての駆動能力を高めるために、たとえば図２の断面図においてロータコア１３の配置される円周上にて隣接されるロータコア１３同士は互いに逆の極性を発生した配置とすることが好ましい。
【００３１】
このとき、ロータコア１３の周囲に配置されたステータコイル２１に交流電流を流すと、ステータコイル２１に発生する電磁石は交流電流の流れる向きにより極性が周期的に時間変化する。ステータコイル２１の極性の変化により、各ステータコイル２１は、各ロータコア１３に対して反発力と吸引力とを交互に繰返し及ぼすことになる。この結果、ロータコア１３が回転軸１８周りに回転する。モータ１００はこのように、ロータコイル１１に直流電流、ステータコイル２１に交流電流を流すことによりロータコイル１１を回転させる交流モータであることが好ましい。
【００３２】
そして、図１に示すようにロータコア１３はたとえば図２に示す回転軸１８に交差する断面図における、中央部分から放射状に４本延在している。そして、図１、図４に示すように、ロータコア１３の径方向外周部では、回転軸１８の延びる方向における端部から外側へ、回転軸１８の延びる方向に延在する突出部１４が形成されている。当該突出部１４の先端部は、ロータ１０から出力軸５１へ回転を伝達するための磁気カップリングを構成する。この突出部の端部を構成する突出部端面１５は負荷５０側、より具体的には図１に示すように、負荷５０側の出力軸５１に接続された負荷側土台３４の、永久磁石３３ａ、３３ｂが配置された一方の主表面と対向する。回転軸１８の径方向における突出部端面１５の幅は、当該突出部端面１５とロータコア１３との間に位置する突出部１４の部分における上記径方向における幅より広くなっている。
【００３３】
図１に示すように各ロータコア１３の上端部（回転軸１８に対する径方向外周部）は各極性に磁化されており、ロータコアＮ極１３ａおよびロータコアＳ極１３ｂとなっている。これらの極性は突出部１４や突出部端面１５にも及ぶため、各ロータコア１３の突出部１４や突出部端面１５はロータ１０側の磁石部として用いられる。ここで、上述したように、出力軸５１側には出力軸５１側の磁石部としての永久磁石３３ａ、３３ｂが備えられている。そのため、これら永久磁石３３ａ、３３ｂが、突出部端面１５に対して、回転軸１８の方向において対向するように配置されれば、当該突出部１４と永久磁石３３ａ、３３ｂとは磁気カップリングとしての機能を有することになる。すなわち、図１に示すようにロータコアＮ極１３ａの突出部端面１５は永久磁石３３ｂのＳ極と互いに吸引し合い、ロータコアＳ極１３ｂの突出部端面１５は永久磁石３３ａのＮ極と互いに吸引し合う。したがって、ロータ１０の回転により突出部端面１５が回転軸１８周りに回転すると、突出部端面１５に吸引されている永久磁石３３ａ、３３ｂが突出部端面１５と同様に回転軸１８の延在方向周りに回転する。負荷側土台３４は突出部端面１５と対向し、出力軸５１は回転軸１８の延在方向に揃うように配置されている。以上より、負荷側土台３４や出力軸５１が、ロータ１０の回転に同期して回転し、負荷５０にも同様の回転が伝達される。
【００３４】
以上のように、突出部端面１５と永久磁石３３ａ、３３ｂとの吸引力により、ロータ１０の回転が出力軸５１（負荷５０）に伝達されるため、モータ本体部３０および出力軸５１（負荷５０）側との間では非接触の状態を保つことができる。ここで、通常負荷５０は室温下に配置されるため、仮にモータ本体部３０と出力軸５１（負荷５０）とが機械的に直結されていれば、負荷５０の熱が、モータ本体部３０のたとえば超電導コイルからなるロータコイル１１に伝達する可能性がある。さらに、たとえば負荷５０に切削工具などが接続されている場合、当該切削工具が加工を行なうことにより発生する熱が、上述したようにモータ本体部３０のたとえば超電導コイルからなるロータコイル１１に伝達する可能性がある。しかし、モータ１００においては上述したように負荷５０が熱を有し、この熱が負荷５０から出力軸５１を伝って負荷側土台３４や、負荷側土台３４の主表面上の永久磁石３３ａ、３３ｂに伝達したとしても、モータ本体部３０と出力軸５１（負荷５０）側との間では非接触の状態が保たれているため、この熱がモータ本体部３０の突出部端面１５やロータコア１３などに伝達する可能性を低減することができる。このため、ロータコイル１１に超電導コイルを用いている場合において、当該ロータコイル１１に熱が伝達することにより当該ロータコイル１１（超電導コイル）の動作に影響を及ぼす可能性を低減することができる。
【００３５】
また、モータ１００においては、突出部端面１５と永久磁石３３ａ、３３ｂとの吸引力（磁気カップリング）により、負荷５０や出力軸５１を回転させている。このため、たとえロータコイル１１に超電導コイルを用いたとしても、当該磁気カップリングの領域には超電導部材が用いられていない。したがって、たとえ負荷５０側の熱がモータ本体部３０側に伝達したとしても、負荷５０側からモータ本体部３０側へ熱を伝達する入口部に該当する磁気カップリングの領域には超電導部材が存在しない。超電導部材で構成されるロータコイル１１が配置されているのは、突出部端面１５から、回転軸１８の方向に延在するロータコア１３の一部の領域を経た領域であり、磁気カップリングの領域から離れた箇所である。このため、たとえ負荷５０側の熱がモータ本体部３０側に伝達したとしても、これがロータコイル１１に到達する可能性は小さい。したがって、上述したように磁気カップリングに直接超電導コイルを用いない構成とすることにより、超電導コイル部分が外部の熱により動作を阻害される可能性を低減することができる。
【００３６】
さらに、たとえ負荷５０側の熱が突出部端面１５から、ロータコア１３の内部を伝達してロータコイル１１（超電導コイル）に達する不具合が発生したとしても、たとえば図１における突出部端面１５からロータコイル１１までの距離を示す制御距離３６をより長く設計することで、突出部端面１５の熱がロータコイル１１に到達することを抑制することができる。このように、制御距離３６の設計の自由度を向上することができるとともに、制御距離３６の設計値に応じて、ロータコイル１１に外部の熱が到達する可能性をより抑制することができる。
【００３７】
図５は、モータ１００に用いられる超電導コイルを冷却するコイル冷却容器の概略斜視図である。図２の断面図に示すように、モータ１００に用いられるロータコイル１１である超電導コイルは、およそロータコア１３がロータ軸１６から放射状に延びる領域に巻回されている。図５に示した冷却容器の内部には、ロータコイル１１を冷却するための冷却材が配置されている。つまり、図２においてロータコイル１１が配置されている領域の大部分は、ロータコイル１１を冷却する冷媒を配置する領域に当てることができる。
【００３８】
この、図２においてロータコイル１１が配置されている領域の大部分、すなわち４本のロータコア１３が貫通する開口部を有し、ロータ軸１６の側面を囲むように図５に示すコイル冷却容器１７を配置することが好ましい。コイル冷却容器１７としてはたとえば液化したヘリウムを減圧することにより冷却したクライオスタットを用いることが好ましい。このコイル冷却容器１７を図２および図５に示すように、ロータコア１３の周囲に巻回されたロータコイル１１（図５においてはコイル冷却容器１７に収容されているため図示せず）の周囲を取り囲むような配置となるよう構成する。
【００３９】
図２に示すように、冷却する必要のあるロータコイル１１が配置されているのは、ロータコア１３がロータ軸１６から放射状に延びる領域のみであり、モータ本体部３０全体のごく一部の領域である。また、磁気カップリングの領域を冷却する必要もない。したがって、図５に示すような、当該領域の周囲のみを取り囲むような配置とされたコイル冷却容器１７を用いることにより、コイル冷却容器１７の容積をコンパクトにすることができる。コイル冷却容器１７は、磁気カップリングに関与するロータコア１３の突出部端面１５は冷却しない。またその他、たとえば回転軸１８やステータ２０など、超電導部材が配置されない領域を冷却する構成とはなっていない。このため、冷媒を供給する設備として、たとえばモータ本体部３０の全体を冷却するような大掛かりな設備は必要なく、設備の構成を簡略化（小型化）することができ、設備のコストを低減することができる。
【００４０】
さらに、図５に示すコイル冷却容器１７は、たとえばロータコイル１１として超電導コイルでないコイルを用いる場合や、ロータコイル１１として超電導コイルを用いる場合における冷却温度を変更、調整する場合に取外したり、別の同様の態様を有するコイル冷却容器１７と交換したりする作業を容易に行なうことができる。つまり、他のロータ１０やステータ２０が配置された各領域に影響を与えることなく、円筒状の形状を有するクライオスタットを交換ないし取外すだけで、容易に所望の作業を行なうことができる。
【００４１】
図６は、本発明の実施の形態１の他の局面に係るモータの概略構成図である。図６に示すモータ２００は、図１に示すモータ１００と基本的に同様の態様を備えている。しかし、ロータコア１３の突出部１４の形状がモータ１００と異なる。この点においてのみ、モータ２００はモータ１００と異なる。なお、図６においてはステータ２０（ステータコア２３）の記載を省略している。
【００４２】
モータ１００における突出部１４は、図１、図４に示すように、他の領域に比べて構造体の（回転軸１８の径方向における）幅が小さくなっており、コの字型の形状を有することが好ましい。このようにすれば、磁気カップリングを構成する永久磁石３３ａ、３３ｂと対向する突出部端面１５の面積を大きくできるので、磁気カップリングにおける突出部端面１５と永久磁石３３ａ、３３ｂとの磁気的な結合力をより高めることができる。ただし、モータ２００のようにこのような形態をとらず、図６に示すように、突出部１４においても他の領域と略等しい構造体の幅を有する構成としてもよい。ロータコア１３はたとえば鉄塊などの磁性体であるため、図６に示す突出部１４の形状を有するモータ２００においても、図１に示す突出部１４の形状を有するモータ１００と同様の磁気カップリング特性を示し、モータとして同様の作用効果を奏する。
【００４３】
また、たとえば突出部１４を図６のモータ２００のような形状にした場合においても、たとえば鉄を鋳造することにより、図１のモータ１００の突出部１４のようなコの字型の形状を有する鋳造体を形成し、モータ２００の突出部１４に当該鋳造体を取り付けることにより、容易に図１のモータ１００の突出部１４と同様の機能を付与することができる。
【００４４】
（実施の形態２）
図７は、本発明の実施の形態２の一の局面に係るモータの概略構成図である。図７に示すモータ３００は、図１に示すモータ１００と基本的に同様の態様を備えている。しかし、永久磁石３３ａ、３３ｂの配置の態様がモータ１００と異なる。すなわち、永久磁石３３ａ、３３ｂは、ロータコア１３の突出部１４に対して、回転軸１８に交差する断面におけるロータ１０の中央部分から放射状に延びる方向において対向するよう配置されている。より具体的には、永久磁石３３ａ、３３ｂは、回転軸１８に沿った方向における突出部１４の表面に対向するように配置されている。ここでも永久磁石３３ａ、３３ｂは、突出部１４に対して非接触の状態を保っている。なお、図７においてはステータ２０（ステータコア２３）の記載を省略している。また、図を簡略化するため、図７においては突出部１４の形状は上述した図６に示すモータ２００の突出部１４と同様の態様としているが、上述した図１に示すモータ１００の突出部１４と同様の態様としてもよい。
【００４５】
なお、図７において永久磁石３３ａ、３３ｂは、ロータコアＮ極１３ａおよびロータコアＳ極１３ｂの両方の主表面上から、ロータコアＮ極１３ａおよびロータコアＳ極１３ｂを挟むように１対の平板状のものが配置されている。しかし、ロータコアＮ極１３ａおよびロータコアＳ極１３ｂの突出部１４の、回転軸１８の方向における表面の全体を外側から覆う筒状に永久磁石３３ａ、３３ｂが配置されていてもよい。
【００４６】
上述したモータ１００のように、永久磁石３３ａ、３３ｂが突出部端面１５に対して、回転軸１８の方向において対向するよう配置されている場合は、負荷側土台３４の主表面のうち、突出部端面１５と対向する領域に永久磁石３３ａ、３３ｂを配置することにより、突出部端面１５と永久磁石３３ａ、３３ｂとの磁気カップリングにより出力軸５１（負荷５０）側に回転を与えることができる。すなわち、永久磁石３３ａ、３３ｂを突出部１４より外周側に配置する必要が無いので、磁気カップリングの幅（回転軸１８に対する径方向における幅）をロータの当該幅より大きくする必要がない。
【００４７】
これに対して、モータ３００のように、永久磁石３３ａ、３３ｂが、突出部１４において回転軸１８の延在する方向に延びる表面に対向する配置とすれば、突出部１４の表面を取り囲むように永久磁石３３ａ、３３ｂを配置することができる。このためモータ３００は、モータ１００に比べて永久磁石３３ａ、３３ｂが突出部１４と対向する領域を広くすることができる。当該領域を自在に広くすることができる上、永久磁石３３ａ、３３ｂが突出部１４の表面を取り囲むように配置されるため、両者の間の磁気カップリングによる吸引力を強化することができる。したがって、ロータ１０の回転をより確実に出力軸５１（負荷５０）側に伝達することが可能となる。
【００４８】
さらに、当該吸引力を所望の値に調整するため、永久磁石３３ａ、３３ｂを配置する領域の面積を自在に調整することにより、磁気カップリングによる吸引力を設計する自由度を向上することができる。
【００４９】
図８は、本発明の実施の形態２の他の局面に係るモータの概略構成図である。図８に示すモータ４００は、図７に示すモータ３００と基本的に同様の態様を備えている。しかしモータ４００は、図１に示すモータ１００に永久磁石３３ａ、３３ｂが配置された領域と、図３に示すモータ３００に当該永久磁石３３ａ、３３ｂが配置された領域との両方に当該永久磁石が配置された構成となっている。このようにすれば、当該永久磁石がロータコア１３に対して磁気カップリングによる吸引力を及ぼす領域をさらに広く、かつ強固なものとすることができる。このためモータ４００は、ロータ１０の回転をより確実に出力軸５１（負荷５０）側に伝達することが可能となる。
【００５０】
なお、図８においてもステータ２０（ステータコア２３）の記載を省略している。また、図を簡略化するため、図８においても突出部１４の形状は上述した図６に示すモータ２００の突出部１４と同様の態様としているが、モータ１００の突出部１４と同様の態様としてもよい。さらに、図８のモータ４００においても、永久磁石３３ａ、３３ｂは回転軸１８の方向における突出部１４を両側から挟む１対の平板状に配置しているが、回転軸１８の方向における突出部１４の全体を覆う筒状に配置していてもよい。
【００５１】
本発明の実施の形態２は、以上に述べた各点についてのみ、本発明の実施の形態１と異なる。すなわち、本発明の実施の形態２について、上述しなかった構成や条件、手順や効果などは、全て本発明の実施の形態１に順ずる。
【００５２】
今回開示された各実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
本発明は、超電導部材への熱の伝達をより抑制し、より強い動力を伝達する技術として、特に優れている。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明の実施の形態１の一の局面に係るモータの概略構成図である。
【図２】図１の線分ＩＩ−ＩＩにおける概略断面図である。
【図３】図１において省略されたステータ２０の概略斜視図である。
【図４】図１におけるロータ１０の概略斜視図である。
【図５】モータ１００に用いられる超電導コイルを冷却するコイル冷却容器の概略斜視図である。
【図６】本発明の実施の形態１の他の局面に係るモータの概略構成図である。
【図７】本発明の実施の形態２の一の局面に係るモータの概略構成図である。
【図８】本発明の実施の形態２の他の局面に係るモータの概略構成図である。
【符号の説明】
【００５５】
１０ ロータ、１１ ロータコイル、１３ ロータコア、１３ａ ロータコアＮ極、１３ｂ ロータコアＳ極、１４ 突出部、１５ 突出部端面、１６ ロータ軸、１７ コイル冷却容器、１８ 回転軸、２０ ステータ、２１ ステータコイル、２３ ステータコア、３０ モータ本体部、３３ａ，３３ｂ 永久磁石、３４ 負荷側土台、３５ ベアリング、３６ 制御距離、５０ 負荷、５１ 出力軸、１００，２００，３００，４００ モータ。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
モータに用いるロータであり、
ロータ軸と、
前記ロータ軸の、回転軸に交差する断面における中央部分から放射状に延びるロータコアと、
前記ロータコアに巻回された超電導コイルとを備え、
前記ロータコアは、前記回転軸の方向における一方の端部に、前記回転軸の方向に突出した突出部を含む、ロータ。
【請求項２】
ロータと、
前記ロータの周囲に配置されたステータと、
前記ロータの回転を出力するための出力軸とを備え、
前記ロータは、
ロータ軸と、
前記ロータ軸の、回転軸に交差する断面における中央部分から放射状に延びるロータコアと、
前記ロータコアに巻回された超電導コイルとを含み、
前記ロータコアは、前記回転軸の方向における一方の端部に、前記回転軸の方向に突出した突出部が形成され、さらに、
前記ロータから前記出力軸へ回転を伝達するため、前記ロータの前記突出部を前記ロータ側の磁石部として用いる磁気カップリングを備える、モータ。
【請求項３】
前記磁気カップリングにおいて、前記出力軸側の磁石部は、前記ロータ側の磁石部に対して、前記回転軸の方向において対向するよう配置されている、請求項２に記載のモータ。
【請求項４】
前記磁気カップリングにおいて、前記出力軸側の磁石部は、前記ロータ側の磁石部に対して、前記回転軸に交差する断面における前記ロータの中央部分から放射状に延びる方向において対向するよう配置されている、請求項２に記載のモータ。
【請求項１】
モータに用いるロータであり、
ロータ軸と、
前記ロータ軸の、回転軸に交差する断面における中央部分から放射状に延びるロータコアと、
前記ロータコアに巻回された超電導コイルとを備え、
前記ロータコアは、前記回転軸の方向における一方の端部に、前記回転軸の方向に突出した突出部を含む、ロータ。
【請求項２】
ロータと、
前記ロータの周囲に配置されたステータと、
前記ロータの回転を出力するための出力軸とを備え、
前記ロータは、
ロータ軸と、
前記ロータ軸の、回転軸に交差する断面における中央部分から放射状に延びるロータコアと、
前記ロータコアに巻回された超電導コイルとを含み、
前記ロータコアは、前記回転軸の方向における一方の端部に、前記回転軸の方向に突出した突出部が形成され、さらに、
前記ロータから前記出力軸へ回転を伝達するため、前記ロータの前記突出部を前記ロータ側の磁石部として用いる磁気カップリングを備える、モータ。
【請求項３】
前記磁気カップリングにおいて、前記出力軸側の磁石部は、前記ロータ側の磁石部に対して、前記回転軸の方向において対向するよう配置されている、請求項２に記載のモータ。
【請求項４】
前記磁気カップリングにおいて、前記出力軸側の磁石部は、前記ロータ側の磁石部に対して、前記回転軸に交差する断面における前記ロータの中央部分から放射状に延びる方向において対向するよう配置されている、請求項２に記載のモータ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１０−１５４６８２（Ｐ２０１０−１５４６８２Ａ）
【公開日】平成２２年７月８日（２０１０．７．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−３３０９２６（Ｐ２００８−３３０９２６）
【出願日】平成２０年１２月２５日（２００８．１２．２５）
【出願人】（０００００２１３０）住友電気工業株式会社 (12,747)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年７月８日（２０１０．７．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１２月２５日（２００８．１２．２５）
【出願人】（０００００２１３０）住友電気工業株式会社 (12,747)
【Ｆターム（参考）】
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