圧縮機の車載構造
【課題】車両の上下振動に対する車載リニアモータの信頼性を向上させる。
【解決手段】リニアモータ固定子８０、および、リニアモータ固定子８０により発生する磁界によって直線状に往復移動するリニアモータ可動子８２を含むリニアモータ７０と、リニアモータ可動子８２に固定されるピストン軸５５と、ピストン軸５５の端部に設けられ、シリンダ５２内で往復移動して冷媒ガスの圧縮および膨張を行うピストン５４とを備える圧縮機５６の車載構造であって、リニアモータ可動子８２の移動方向が水平方向に沿うように圧縮機５６を車両に搭載することを特徴とする。
【解決手段】リニアモータ固定子８０、および、リニアモータ固定子８０により発生する磁界によって直線状に往復移動するリニアモータ可動子８２を含むリニアモータ７０と、リニアモータ可動子８２に固定されるピストン軸５５と、ピストン軸５５の端部に設けられ、シリンダ５２内で往復移動して冷媒ガスの圧縮および膨張を行うピストン５４とを備える圧縮機５６の車載構造であって、リニアモータ可動子８２の移動方向が水平方向に沿うように圧縮機５６を車両に搭載することを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧縮機の車載構造に関し、特に、リニアモータを駆動源として備える圧縮機の車載構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
昨今、車載の二次電池から電力を供給し、その電力により車載のモータを駆動して走行用動力を得る電気自動車（以下、ＥＶということがある）がＣＯ2を排出しないゼロエミッションの観点から注目されている。走行用動力源としてエンジンとモータとを併用するハイブリッド電気自動車（以下、ＨＥＶということがある）も普及が急拡大しつつある。
【０００３】
上記のような電気自動車やハイブリッド車に搭載されるモータは、限られた狭いスペースに搭載されるために小型で且つ高出力であることが求められ、その出力性能を維持するにはモータの温度上昇を抑制すること、より具体的にはステータコイルの冷却が不可欠である。
【０００４】
これに関連する先行技術文献として、特開２０００−１２５５１２号公報（特許文献１）には、コイルエンド接触冷却型回転電機が開示されている。この回転電機では、ステータコイルの少なくともコイルエンドを、厚さ方向がステータコアの径方向に一致する姿勢でステータコアの端面から突出する細板状導体からなる各軸方向突出部を互いに径方向に重ねて構成している。そして、このコイルエンドの径方向最外側または径方向最内側の細板状導体の平坦な主面に電気絶縁されつつ直接に密着する平坦な冷却面を有する良熱伝導性の冷却部材を設けることによりコイルエンド部２ｄの冷却性を向上することが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−１２５５１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、上記ＥＶやＨＥＶに搭載されるモータとして、超電導モータを用いることが考えられる。超電導モータは、超電導線材からなる複数のコイルを有しており、このコイルを所定の極低温（例えば７０Ｋ）に冷却して電流、厳密には直流電流を流すと電気抵抗が実質的にゼロになることから、モータひいてはＥＶ等の低電費化を図るうえで有望である。
【０００７】
超電導モータを動力源として搭載するには、超電導線材からなるコイルを極低温にまで冷却可能な冷凍機を車載する必要がある。しかし、この冷凍機についても搭載スペースの制限等の理由から、小型で高い冷凍性能であることが求められる。
【０００８】
上記のような冷凍機として、例えば蓄冷型冷凍機、スターリング冷凍機などが用いられる。このスターリング冷凍機は、リニアモータよりシリンダ内で往復駆動されるピストンを含む圧縮機と、圧縮機内において圧縮および膨張が繰り返される圧縮ガスである例えばヘリウムガスが内部に流出入する蓄冷部とを備える。
【０００９】
上記のようなスターリング冷凍機が車載された場合、例えば、車両が悪路を比較的高速で走行したとき車体には上下方向の周期的な振動が生じることがある。このときの振動周波数が上記スターリング冷凍機の圧縮機内におけるリニアモータのリニアモータ可動子およびピストン等からなる振動系の往復振動周波数に相当した場合には、共振により振幅が著しく大きくなって破損につながるおそれがある。
【００１０】
本発明の目的は、車体の上下振動によって圧縮機を構成するリニアモータが破損しないように圧縮機を車両に搭載する車載構造を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に係る圧縮機の車載構造は、リニアモータ固定子、および、前記リニアモータ固定子により発生する磁界によって直線状に往復移動するリニアモータ可動子を含むリニアモータと、前記リニアモータ可動子に固定されるピストン軸と、前記ピストン軸の端部に設けられ、シリンダ内で往復移動して冷媒ガスの圧縮および膨張を行うピストンとを備える圧縮機の車載構造であって、車両が水平面上に置かれたときに前記リニアモータ可動子の移動方向が水平方向に沿うように前記圧縮機を前記車両に搭載することを特徴とするものである。
【００１２】
ここで水平方向とは、完全なる水平方向である場合に限らず、水平方向に対して所定角度傾斜している場合も含むものとし、上記所定角度は±３０度であることが好ましく、±１０度であることがより好ましい。
【００１３】
本発明に係る圧縮機の車載構造において、前記リニアモータ可動子の移動方向が前記車両の進行方向と直交する方向に沿うように前記圧縮機が前記車両に搭載されていてもよい。ここで直交方向とは、車両の進行方向に対して完全に９０度をなして交差する方向に限らず、９０度を含む所定角度範囲で前記車両進行方向と交差する方向も含むものとし、上記所定角度範囲は６０〜１２０度であることが好ましい。
【００１４】
また、本発明に係る圧縮機の車載構造では、前記リニアモータ可動子を貫通して固定される前記ピストン軸は前記リニアモータ可動子の軸方向両側において、前記リニアモータを収容するモータハウジング内壁に固定されたフレクシャベアリングによってそれぞれ支持されていてもよい。
【００１５】
さらに、本発明に係る圧縮機の車載構造において、前記圧縮機は、前記車両の動力源である超電導モータの超電導線材からなるコイルを冷却するための蓄冷型冷凍機の一部を構成してもよい。この場合、前記冷凍機の圧縮機が前記超電導モータのモータケースの外周側壁上に一体に取り付けられていてもよい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明に係る圧縮機の車載構造によれば、例えば車両が悪路を比較的高速で走行したとき等に上下方向の振動が車体に継続して加わっても、リニアモータ可動子、ピストン軸およびピストンを含む振動系の往復移動方向が水平方向であるため、上記車体の上下方向振動が上記振動系を共振させることがなく、そのためリニアモータが破損するのを抑制でき、リニアモータを駆動源とする圧縮機、この圧縮機により冷却される超電導モータ、および、超電導モータを動力源とする電動車両の車体振動に対する信頼性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施形態である圧縮機の車載構造を適用した電気自動車の概略構成図である。
【図２】図１に示す超電導モータの軸方向に沿った断面図（一部側面を含む）である。
【図３】図２におけるＡ−Ａ線断面図である。
【図４】冷凍機の圧縮部の縦断面図（一部側面を含む）である。
【図５】図４に示す圧縮部に含まれるフレクシャベアリングを示す斜視図である。
【図６】本発明の別実施形態である圧縮機の車載構造を適用した電気自動車の概略構成図である。
【図７】図６に示す電気自動車の変形例を示す概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下に、本発明に係る実施の形態について添付図面を参照しながら詳細に説明する。この説明において、具体的な形状、材料、数値、方向等は、本発明の理解を容易にするための例示であって、用途、目的、仕様等にあわせて適宜変更することができる。
【００１９】
以下の説明では、電動車両として電気自動車を例に説明するが、本発明はハイブリッド車両等の他の電動車両に適用されてもよい。
【００２０】
図１は本発明の一実施形態である圧縮機の車載構造１００を採用した電気自動車１の概略構成を示す。図１において、矢印Ｘ方向が車両進行方向すなわち車両前後方向を示し、車両進行方向と直交する矢印Ｙ方向が車両左右方向すなわち車幅方向を示す。また、図１において、紙面に沿う方向が車両が水平面上の置かれたときの水平方向であり、紙面に垂直な方向が鉛直方向である。
【００２１】
電気自動車１は、走行用動力源として超電導モータ１２を搭載している。超電導モータ１０のロータシャフト１８（図２参照）は、超電導モータ１０と一体に設けられたトランスミッション１１を介して、２つの前輪２にそれぞれ連結されるフロント車軸３に接続されている。これにより、超電導モータ１０のロータシャフト１８から出力される回転動力がトランスミッション１１およびフロント車軸３を介して前輪２に伝達されるようになっている。
【００２２】
また、電気自動車１は、２つの後輪４と、各後輪４にそれぞれ接続されるリア車軸５と、リア車軸５が連結されるリアディファレンシャルギヤ６とを備える。２つの後輪４は、電気自動車１の走行時に従動回転することになる。
【００２３】
超電導モータ１０は、電気自動車１の前部に位置するエンジンコンパートメント７内に搭載されている。超電導モータ１０は、図示しないブラケットやマウント等の取付部材を介して車体８に対して固定されている。すなわち電気自動車１０は、ＦＦ（フロントエンジン・フロントドライブ）車である。
【００２４】
超電導モータ１０は、第１および第２の冷凍機１６，１７を一体に備えている。各冷凍機１６，１７は、リニアモータを内蔵した圧縮部をそれぞれ有しており、電動車両１が水平面上に置かれたときに各圧縮部のリニアモータ可動子の移動方向が水平方向に沿うよう上記圧縮機を電気自動車に搭載した車載構造１００を採用している。次に、図２，３を参照して超電導モータ１０について詳細に説明する。
【００２５】
図２，３に示すように、超電導モータ１０は、回転可能に支持されたロータ１２と、ロータ１２の外周を覆って設けられる略円筒状のステータ１４と、超電導モータ１０の軸方向両端面に固定された２つの冷凍機１６，１７とを備える。ここでの説明において、ロータ１２の中心を貫通するロータシャフト１８の回転中心軸Ｒに関し、これに沿う方向を軸方向といい、回転中心軸Ｒと直交する放射方向を径方向といい、回転中心軸Ｒを中心点として前記放射方向を含む平面上に描かれる円形に沿う方向を周方向という。
【００２６】
ロータ１２は、例えば電磁鋼板を積層してカシメや溶接等により一体に構成される円筒状のロータコア２０と、ロータコア２０の中心穴を貫通して固定された丸棒鋼材等からなるロータシャフト１８とを含む。ロータコア２０の外周面には、複数（本実施形態では６つ又は６箇所）の永久磁石２２が露出した状態で周方向に等間隔に固定されている。ただし、ロータコア２０に設けられる永久磁石は、外周面に露出していなくてもよく、外周面近傍の内部に埋設されてもよい。
【００２７】
ロータ１２のロータシャフト１８は、その両端部１９ａ，１９ｂにおいて、超電導モータ１０の軸方向両端面を形成する円盤状のエンドプレート２４，２６に固定された軸受部材２８によって回転可能に支持されている。これにより、ステータ１４の内部に回転磁界が形成されると、これに伴ってロータコア２０の永久磁石２２がひきつけられて、ロータ１２が回転駆動されるようになっている。
【００２８】
ステータ１４は、略円筒状をなす固定子鉄心であるステータコア３０を含む。ステータコア３０の内周部には、径方向内側へ突出する複数（本実施形態では９つ）のティース部３２が周方向に等間隔に形成されている。ステータコア３０は、例えば複数の略円環状の電磁鋼板を軸方向に積層してカシメ、接着、溶接等によって一体に組み付けて構成されることができる。ただし、ステータコア３０は、各々１つのティース部を有する９つの分割ステータコアを円環状に連ねて配置してその外側から筒状の締結部材により締め付けることによって構成されてもよい。この場合、分割ステータコアは、圧粉磁心により形成されることができる。
【００２９】
ステータコア３０のティース部３２には、超電導線材からなるコイル３４が巻装されている。超電導線材は、断面形状が円形状でもよいし、あるいは、矩形状であってもよい。また、超電導線材には、例えば、イットリウム系超電導材料やビスマス系超電導材料が好適に用いられる。ただし、超電導線材を構成する超電導材料は、これらに限定されるものではなく、他の公知の超電導材料、あるいは、将来開発される、より高温で超電導特性を発現する超電導材料であってもよい。
【００３０】
コイル３４を構成する超電導線材は、絶縁被覆されていてもよい。これにより、コイル３４として密着して巻回されたときに各ターン間での電気絶縁が確保される。ただし、超電導線材が絶縁被覆されていない場合、コイル３４に形成するときに絶縁紙や絶縁フィルム等を挟みながらコイル状に巻くことで各ターン間の電気絶縁が確保されてもよい。
【００３１】
コイル３４は、隣接するティース部３２間に形成されるスロット内に位置する部分３５と、ステータコア３０の軸方向両端面から外側へそれぞれ突出するコイルエンド部３６とを含む。各コイル３４は、２つ置きごとのコイル３４と直列接続されてＵ，Ｖ，Ｗの各相コイルを構成する。各相コイルの一方端は、図示しない中性点において互いに接続され、各相コイルの他方端は図示しない各相電流導入端子にそれぞれ接続されている。
【００３２】
超電導モータ１０は、円筒状のモータケース４０を有している。モータケース４０内に、ロータ１２およびステータ１４が収容されている。モータケース４０の軸方向の両端部は、エンドプレート２４，２６の外周縁部に気密状態で連結されている。モータケース４０およびエンドプレート２４，２６は、例えばステンレス等の非磁性材料から形成される。なお、モータケース４０は、エンドプレート２４または２６と一体のものとして形成されてもよい。
【００３３】
モータケース４０内には、各々円筒状をなす内筒部材４２および外筒部材４４がロータ１２と同心上に配置されている。内筒部材４２および外筒部材４４の軸方向両端部は、エンドプレート２４，２６の内面に気密状態を保持可能に連結されている。内筒部材４２は、磁界の通過を妨げず且つ非導電性である非金属材料により形成されるのが好ましい。一方、外筒部材４４は、低熱伝導率材料（例えばＦＲＰ等）で形成されるのが好ましく、低熱伝導率の非磁性材料で形成されるのがより好ましい。
【００３４】
内筒部材４２は、ロータ１２のロータコア２０よりも若干大きい内径を有し、ロータコア２０の外周面との間に周方向に一様な隙間が形成されている。また、内筒部材４２と外筒部材４４との間には、筒状空間からなる第１真空室４６が形成されている。第１真空室４６内には、コイル３４を含むステータ１４が収容されている。ステータ１４のステータコア３０の外周面が、外筒部材４４の内周面上に密着して固定されている。
【００３５】
第1真空室４６は、冷凍機１６，１７を含めて超電導モータ１０が組み立てられた後に、エンドプレート２４，２６の少なくとも何れかに形成された図示しない空気抜き穴から真空引きされて、真空状態に維持される。このように、熱伝導率が低い内筒部材４２および外筒部材４４で区画形成し、かつ、内部を真空とすることで、第１真空室４６内に収容されたコイル３４を含むステータ１４への断熱性を高めることができる。
【００３６】
さらに、外筒部材４４とモータケース４０との間には、筒状空間からなる第２真空室４８が形成されている。第２真空室４８もまた、第１真空室４６と同様に真空状態になっている。これにより、第１真空室４６内に収容されたコイル３４を含むステータ１４が第２真空室４８によってモータ外部と隔てられることで、コイル３４を含むステータ１４に対する断熱効果をより一層高めることができる。
【００３７】
超電導モータ１０において、軸方向の一端側に位置するエンドプレート２４には第１の冷凍機１６が設けられ、軸方向の他端側に位置するエンドプレート２６には第２の冷凍機１７が設けられている。第１および第２の冷凍機１６，１７は、気密状態を確保しつつエンドプレート２４，２６の貫通穴の周囲に固定された筒状のブラケット５０を介してそれぞれ取り付けられている。このように２つの冷凍機１６，１７を超電導モータの一部として一体に設けることで、車載する際に必要となるスペースをできるだけ小さくすることができる。
【００３８】
なお、ここでは２つの冷凍機１６，１７を超電導モータ１０の各エンドプレート２４，２６にそれぞれ設けるものとして説明するが、１つの冷凍機のみを含むように超電導モータが構成されてもよい。
【００３９】
第１および第２の冷凍機１６，１７は、シリンダ５２内でピストン５４が直線的に往復移動して冷媒ガス（例えば、Ｈｅガス）の圧縮および膨張を繰り返し行うガス圧縮機（以下、単に圧縮機という）５６をそれぞれ有する。また、第１および第２の冷凍機１６，１７は、筒状のブラケット５０内からエンドプレート２４，２６の貫通穴を介して第１真空室４６まで延伸した段付き柱状外形状を有する冷却部５８をそれぞれ備える。冷却部５８の平坦な先端面は、伝熱部材６０を介してコイルエンド部３６にそれぞれ接触している。ここで、コイルエンド部３６と伝熱部材６０との間、および、伝熱部材６０と冷却部５８との間の少なくともいずれか一方に絶縁紙等の絶縁部材を介在させて、コイル３４と冷凍機１６，１７間の電気絶縁が確保されてもよい。
【００４０】
第１および第２の冷凍機１６，１７は、超電導線材からなるコイル３４が超電導特性を発現する所望の極低温（例えば、約７０Ｋ）まで冷却可能な冷却性能を有し、ピストン５４のストロークを制御することによって冷却温度を調節することができる。電気自動車１の走行用動力源として搭載される超電導モータ１０は、設置スペースの制約や車両重量の軽量化のため冷凍機１６，１７は小型で軽量のものであることが好ましい。例えば、第１および第２の冷凍機１６，１７には、蓄冷型スターリング冷凍機が好適に用いられる。ただし、設置スペースおよび重量の制約が緩い場合、例えば、超電導モータ１０が電車や船舶等の大型の移動体の動力源として、あるいは、設置位置が固定された機械の動力源として用いられる場合には、上記のような冷却性能を有する冷凍機であれば、体格が大きくて重い冷凍機であっても構わない。
【００４１】
第１および第２の冷凍機１６，１７は、各ピストン５４の移動方向が同一直線上となるように対向配置されている。すなわち、第１および第２の冷凍機１６，１７は、軸方向に対向して設けられている。そして、第１および第２の冷凍機１６，１７では、各ピストン５４が互いに反対方向に移動するように圧縮機５６を駆動する。換言すれば、第１および第２の冷凍機１６，１７において、ピストン５４による圧縮ストロークと膨張ストロークとが互いに同期するように駆動される。このような配置および駆動にすることで、ピストン５４の移動によって第１および第２の冷凍機１６，１７が超電導モータ１０に及ぼす回転モーメントが相殺されて、振動や騒音を抑制できる。
【００４２】
なお、上記では第１および第２の冷凍機１６，１７を各エンドプレート２４，２６上に固定するものとして説明したが、これに限定されず、各冷凍機１６，１７の圧縮機５６をモータケース４０の外周側壁上に固定し、各圧縮機５６からそれぞれ延伸する圧縮ガス流路管を各冷凍機１６，１７の冷却部５８にそれぞれ接続する構成としてもよい。このようにすれば、超電導モータ１０の軸方向の幅を小さくすることができ、車両搭載性が向上する。
【００４３】
第１の冷凍機１６の冷却部５８の軸方向先端面が接触する伝熱部材６０は、例えば熱伝導性が良好な金属板で形成され、周方向に連なった円環状をなして軸方向一方側に位置する全てのコイルエンド部３６に接触している。一方、第２の冷凍機１７の冷却部５８の軸方向先端面が接触する伝熱部材６０は、例えば熱伝導性が良好な金属板で形成され、周方向に連なった円環状をなして、軸方向他方側に位置する全てのコイルエンド部３６に接触している。これにより、各冷凍機１６，１７の冷却部５８が伝熱部材６０を介してコイルエンド部３６から吸熱してコイル３４を冷却することができる。
【００４４】
伝熱部材６０のコイル対向面には、コイルエンド部３６が嵌合する凹部または溝が形成されている。このようにすることで、コイルエンド部３６と伝熱部材６０との接触面積が増加し、コイル３４の冷却効率を上げることができる。
【００４５】
また、伝熱部材６０は、絶縁性樹脂材料を成型することによってコイルエンド部３６に一体に形成されてもよい。これにより、コイル３４と冷凍機１６，１７の冷却部５８間の電気絶縁性がより向上する。この場合、伝熱部材６０の熱伝導性を良好にするために、金属製の粒子または粉末を上記絶縁性樹脂材料に分散させるのが好ましい。
【００４６】
このように本実施形態の超電導モータ１０では、２つの冷凍機１６，１７によって、熱容量が大きいステータコア３０を介在させることなく、コイル３４を軸方向両側から効率よく迅速に所望の極低温まで冷却することができる。そのため、超電導モータ１０の始動時間の短時間化、および、冷凍機の消費電力の低減を図れる。
【００４７】
また、本実施形態の超電導モータ１０では、第１および第２の冷凍機１６，１７は、各ピストン５４の移動方向が同一直線上となるように配置され、かつ、各ピストン５４が互いに反対方向に移動するように圧縮機５６が駆動されることで、ピストン５４の移動によって第１および第２の冷凍機１６，１７が超電導モータ１０に及ぼす回転モーメントが相殺されて振動や騒音を抑制できる。
【００４８】
続いて、図４，５を参照して第１および第２の冷凍機１６，１７の圧縮機５６について詳細に説明する。ここでは第２の冷凍機１７の圧縮機５６を例に説明するが、第１の冷凍機５６の圧縮機５６も同一構成を有している。
【００４９】
上述したように圧縮機５６は、円筒状空間を内包するシリンダ５２と、シリンダ５２内で矢印Ｂ方向に沿って直線状に往復移動する円柱状のピストン５４とを備える。ピストン５４は、シリンダ５２の内径よりも若干小径に形成されており、後述するようにシリンダ内面との間に若干の隙間を形成しつつ非接触状態でシリンダ５２内を往復移動可能なように設計されている。
【００５０】
シリンダ５２は、ピストン５４を駆動するためのリニアモータ７０を収容するモータハウジング７２内に形成されている。モータハウジング７２の矢印Ｂ方向の一方側端面７４には、圧縮される冷媒ガスが流出入する開口部７６がシリンダ５２と連通して形成されている。
【００５１】
上記リニアモータ７０は、モータハウジング７２内において上記シリンダ５２に対して上記開口部７６とは反対側に形成されたモータ収容室７８内に配置されている。リニアモータ７０は、リニアモータ固定子８２と、リニアモータ可動子８２とを含んで構成されている。リニアモータ固定子８０は、モータ収容室７８内の内壁に対してねじ止め等の手段によって固定されている。リニアモータ固定子８０の内周部には、複数のコイルが巻装されている。これらのコイルに通電することによって、リニアモータ固定子８０の内側には、矢印Ｂ方向に移動する磁界が形成されるようになっている。
【００５２】
一方、リニアモータ固定子８０の内側には、リニアモータ可動子８２が非接触状態に配置されている。リニアモータ可動子８２は、永久磁石を含んで構成される永久磁石型可動子であってもよいし、あるいは、コイル通電によって励磁される電磁気型可動子であってもよい。このようなリニアモータ可動子８２は、リニアモータ固定子８０により形成される移動磁界に対する反発力および引付力によって、直線状に往復駆動されるようになっている。
【００５３】
リニアモータ可動子８２の中心部分には、ピストン軸５５が貫通して固定されている。リニアモータ可動子８２とピストン軸５５との固定方法は、溶接、カシメ、ねじ止め等の種々の手段が採用可能である。ピストン軸５５の一端部（図４中の左側端部）には、ピストン５４が連結されている。ピストン軸５５は、リニアモータ可動子８２を間にしてその両側において、板ばね８４によってそれぞれ支持されている。ピスト軸５５は、板ばね８４に対して固定されている。具体的には、ピストン軸５５に対して外装された板ばね８４は、溶接、カシメ、ねじ止め等の種々の手段によってピストン軸５５の外周面上に固定されることができる。
【００５４】
板ばね８４は、図５に示すような例えば薄鋼板からなる円板状の板ばねであるフレクシャベアリング８６を複数枚重ね合わせて構成されている。フレクシャベアリング８６は、中心部にピストン軸取付穴８８が形成されるとともに、外周縁部に複数の固定穴９０が周方向に均等配置で形成されている。これらの固定穴９０に挿通されるボルトと必要に応じて前記ボルトに螺合するナットとによって、複数枚のフレクシャベアリング８６からなる板ばね８４はモータ収容室７８の内壁に対して固定されている。
【００５５】
また、フレクシャベアリング８６には、ピストン軸取付穴８８を取り囲んで３本の渦巻状のスリット９２が周方向に均等配置で形成されている。これらのスリット９２の数、幅、長さ、形状等は、板ばね８４について所望の面内ばね定数および面直交ばね定数が得られるように適宜に設計される。ここで、面内ばね定数は、中心取付穴８８に固定された、ピストン５４、ピストン軸５５およびリニアモータ可動子８２を含む振動系を板ばね８６の中心位置にシリンダ５２に対して同軸状に保持するための弾性定数であり、他方、面直交ばね定数は、リニアモータ７０による駆動によって往復移動するピストン５４等からなる振動系の共振状態が確保されるように設定される弾性定数である。
【００５６】
上記板ばね８４の面内ばね定数は、圧縮機５６内のリニアモータ可動子８２の往復移動方向、すなわちシリンダ５２内のピストン５４の往復移動方向が水平方向に沿うように圧縮機５６を含む超電導モータ１０が車両１に搭載されたとき、すなわち、図４において矢印Ｂ方向が水平方向に沿うように圧縮機５６が車載されたときに、シリンダ内面とピストン外周面との間に若干の隙間が形成されるように設定されている。また、板ばね８４の面直交ばね定数は、上記のように圧縮機５６のピストン稼働方向が水平方向に沿うように配置された状態で、リニアモータ７０を最大ストローク量で継続的に駆動した場合でも板ばね８４が破損しないことを考慮して設定される。
【００５７】
なお、上記においてモータハウジング７２は、シリンダ５２および開口部７６が形成されたシリンダ形成部分と、モータ収容室７８が内部に形成されたモータ収容室形成部分とに分割して構成されてもよい。また、上記モータ収容室形成部分は、両端が開口した円筒状部材と、この円筒状部材の一方開口部を閉じる円板状のエンドプレート部材とによって構成されてもよい。このようにモータハウジング７２を分割形成することで、リニアモータ７０、ピストン５４、ピストン軸５５および板ばね８４を含む圧縮機５６の組立易さが向上する。
【００５８】
図２を再び参照すると、第１および第２の冷凍機１６，１７の各圧縮機５６は、ピストン５４の往復移動方向がロータコアシャフト１８の回転中心軸Ｒと平行になるように超電導モータ１０に対して取り付けられている。そして、図１を再び参照すると、この超電導モータ１０が電気自動車１の車体８に対して、ロータシャフト１８の回転中心軸Ｒが水平方向に沿うとともに車両進行方向と直交する姿勢で搭載されている。すなわち、本実施形態の圧縮機５６の車載構造１００では、車両１が水平面上の置かれたときに圧縮機５６のリニアモータ可動子８２の往復移動方向（矢印Ｂ方向）が水平方向に沿うと共に車両進行方向（矢印Ｘ方向）と直交するように圧縮機５６が車両１に搭載されている。ここで「水平方向」とは、完全なる水平方向である場合に限らず、水平方向に対して所定角度傾斜している場合も含まれるものとし、上記所定角度は±３０度であることが好ましく、±１０度であることがより好ましい。また、上記「車両進行方向と直交する」とは、車両進行方向に対して完全に９０度をなして交差する方向に限らず、９０度を含む所定角度範囲で車両進行方向と交差する方向を含むものとし、上記所定角度範囲は６０〜１２０度であることが好ましい。
【００５９】
このような車載構造１００により超電導モータ１０が搭載された電気自動車１では、例えば悪路を比較的高速で走行したとき等に上下方向の周期的な振動が車体８に継続して加わっても、リニアモータ可動子８２、ピストン軸５５およびピストン５４を含む振動系の往復移動方向が水平方向であるため、上記車体８の上下方向振動が上記振動系を共振させることがない。また、上記のように面内ばね定数が設定された、フレクシャベアリング８６からなる板ばね８４によって、車両上下振動時に圧縮機５６の上記振動系の荷重をしっかりと受け止めることができる。そのため、リニアモータ７０が破損するのを抑制でき、リニアモータ７０を駆動源とする圧縮機５６、この圧縮機５６を含む冷凍機１６，１７により冷却される超電導モータ１０、および、超電導モータ１０を動力源とする電気自動車１の車体振動に対する信頼性が向上する。
【００６０】
また、電気自動車１が加減速したときに車両進行方向の加速度が圧縮機５６の上記振動系に作用することになるが、本実施形態の車載構造１００では圧縮機５６のリニアモータ可動子８２の往復移動方向が車両進行方向と直交する方向に沿うように圧縮機５６が車載されているため、このような車両進行方向の加速度変化による振動が圧縮機５６の振動系に共振を生じさせることもない。
【００６１】
ここで、もし電気自動車１において車両進行方向に周期的な振動が生じたとしても、その振動周波数は圧縮機５６のリニアモータ７０の振動周波数（例えば数十ヘルツ）に比べて極めて小さい値になると考えられる。そのため、後述するようにリニアモータ７０のリニアモータ可動子８２の移動方向が車両前後方向に沿うように圧縮機５６が搭載されたとしても、車両前後方向の振動によってリニアモータ７０が共振により破損するおそれはない。さらには、電気自動車１の旋回時に車幅方向の遠心力（いわゆる横Ｇ）が圧縮機５６の振動系に作用することになるが、このような遠心力が圧縮機５６の振動系を共振させるような振動として作用することはまずあり得ないので圧縮機の車載構造１００において無視できるものである。
【００６２】
次に、図６を参照して別実施形態の圧縮機の車載構造１０１を適用した電気自動車１ａについて説明する。ここでは上述した電気自動車１と同一または類似の構成要素には同一または類似の符合を付して重複することとなる説明を援用により省略する。
【００６３】
図６は電気自動車１ａ概略構成を示す。電気自動車１ａにおける圧縮機の車載構造１０１では、圧縮機５６のリニアモータ可動子８２の往復移動方向が、水平方向に沿うとともに車両進行方向（矢印Ｘ方向）と平行になるように圧縮機５６が車体８に搭載されている。そして、超電導モータ１０のロータシャフト１８は、トランスミッション１１に連結されたリアドライブシャフト９ａを介してリアディフェレンシャルギヤ６に接続されている。すなわち、ここでの電気自動車１ａはＦＲ（フロントエンジン・リアドライブ）車であり、２つの前輪２に接続されるフロント車軸３は、図示しない車両前部のフロントディフェレンシャルギヤにそれぞれ連結されている。これ以外の構成については上記電気自動車１の場合と同様である。
【００６４】
このようにリニアモータ可動子８２の往復移動方向が水平方向に沿うと共に車両進行方向と平行になるように圧縮機５６を車載した場合にも、上記と同様の作用効果を奏することができる。すなわち、車両上下振動によってリニアモータ７０が破損するのを抑制でき、リニアモータ７０を駆動源とする圧縮機５６、この圧縮機５６を含む冷凍機１６，１７により冷却される超電導モータ１０、および、超電導モータ１０を動力源とする電気自動車１の車体振動に対する信頼性が向上する。また、車両前後方向の振動によってリニアモータ７０が共振により破損するおそれもない。
【００６５】
次に、図７を参照して、図６に示す電気自動車１ａの変形例について説明する。この電気自動車１ａは、４ＷＤ車（４輪駆動車）であり、トランスミッション１１に連結されたフロントドライブシャフト９ｂがフロントディフェレンシャルギヤ６´に接続されている。これ以外の構成は、上記圧縮機の車載構造１０１を含めて上記電気自動車１ａと同様である。この変形例の電気自動車１ａによっても上記と同様の作用効果を奏することができる。
【００６６】
なお、上記圧縮機の車載構造１０１のように、圧縮機５６のリニアモータ可動子８２の往復移動方向が水平方向に沿うとともに車両進行方向と平行になるように圧縮機５６が車載される場合には、電気自動車１ａの挙動特性（例えば、サスペンションばね定数、ピッチ角、ロール剛性等）を、車両前後方向の振動が圧縮機５６の振動系に共振を生じさせないように設計してもよい。
【符号の説明】
【００６７】
１，１ａ 電気自動車、２ 前輪、３ フロント車軸、４ 後輪、５ リア車軸、６ リアディフェレンシャルギヤ、６´ フロントディフェレンシャルギヤ、７ エンジンコンパートメント、８ 車体、９ａ リアドライブシャフト、９ｂ フロントドライブシャフト、１０ 超電導モータ、１２ ロータ、１４ ステータ、１６ 第１の冷凍機、１７ 第２の冷凍機、１８ ロータシャフト、１９ａ，１９ｂ 端部、２０ ロータコア、２２ 永久磁石、２４，２６ エンドプレート、２８ 軸受部材、３０ ステータコア、３２ ティース部、３３ スロット、３４ コイル、３５ スロット内に位置するコイル部分、３６ コイルエンド部、４０ モータケース、４２ 内筒部材、４４ 外筒部材、４６ 第１真空室、４８ 第２真空室、５０ ブラケット、５２ シリンダ、５４ ピストン、５５ ピストン軸、５６ ガス圧縮機、５８ 冷却部、６０ 伝熱部材、７０ リニアモータ、７２ モータハウジング、７４ ハウジング端面、７６ 開口部、７８ モータ収容室、８０ リニアモータ固定子、８２ リニアモータ可動子、８４ 板ばね、８６ フレクシャベアリング、８８ ピストン軸取付穴、９０ 固定穴、９２ スリット。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧縮機の車載構造に関し、特に、リニアモータを駆動源として備える圧縮機の車載構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
昨今、車載の二次電池から電力を供給し、その電力により車載のモータを駆動して走行用動力を得る電気自動車（以下、ＥＶということがある）がＣＯ2を排出しないゼロエミッションの観点から注目されている。走行用動力源としてエンジンとモータとを併用するハイブリッド電気自動車（以下、ＨＥＶということがある）も普及が急拡大しつつある。
【０００３】
上記のような電気自動車やハイブリッド車に搭載されるモータは、限られた狭いスペースに搭載されるために小型で且つ高出力であることが求められ、その出力性能を維持するにはモータの温度上昇を抑制すること、より具体的にはステータコイルの冷却が不可欠である。
【０００４】
これに関連する先行技術文献として、特開２０００−１２５５１２号公報（特許文献１）には、コイルエンド接触冷却型回転電機が開示されている。この回転電機では、ステータコイルの少なくともコイルエンドを、厚さ方向がステータコアの径方向に一致する姿勢でステータコアの端面から突出する細板状導体からなる各軸方向突出部を互いに径方向に重ねて構成している。そして、このコイルエンドの径方向最外側または径方向最内側の細板状導体の平坦な主面に電気絶縁されつつ直接に密着する平坦な冷却面を有する良熱伝導性の冷却部材を設けることによりコイルエンド部２ｄの冷却性を向上することが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−１２５５１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、上記ＥＶやＨＥＶに搭載されるモータとして、超電導モータを用いることが考えられる。超電導モータは、超電導線材からなる複数のコイルを有しており、このコイルを所定の極低温（例えば７０Ｋ）に冷却して電流、厳密には直流電流を流すと電気抵抗が実質的にゼロになることから、モータひいてはＥＶ等の低電費化を図るうえで有望である。
【０００７】
超電導モータを動力源として搭載するには、超電導線材からなるコイルを極低温にまで冷却可能な冷凍機を車載する必要がある。しかし、この冷凍機についても搭載スペースの制限等の理由から、小型で高い冷凍性能であることが求められる。
【０００８】
上記のような冷凍機として、例えば蓄冷型冷凍機、スターリング冷凍機などが用いられる。このスターリング冷凍機は、リニアモータよりシリンダ内で往復駆動されるピストンを含む圧縮機と、圧縮機内において圧縮および膨張が繰り返される圧縮ガスである例えばヘリウムガスが内部に流出入する蓄冷部とを備える。
【０００９】
上記のようなスターリング冷凍機が車載された場合、例えば、車両が悪路を比較的高速で走行したとき車体には上下方向の周期的な振動が生じることがある。このときの振動周波数が上記スターリング冷凍機の圧縮機内におけるリニアモータのリニアモータ可動子およびピストン等からなる振動系の往復振動周波数に相当した場合には、共振により振幅が著しく大きくなって破損につながるおそれがある。
【００１０】
本発明の目的は、車体の上下振動によって圧縮機を構成するリニアモータが破損しないように圧縮機を車両に搭載する車載構造を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に係る圧縮機の車載構造は、リニアモータ固定子、および、前記リニアモータ固定子により発生する磁界によって直線状に往復移動するリニアモータ可動子を含むリニアモータと、前記リニアモータ可動子に固定されるピストン軸と、前記ピストン軸の端部に設けられ、シリンダ内で往復移動して冷媒ガスの圧縮および膨張を行うピストンとを備える圧縮機の車載構造であって、車両が水平面上に置かれたときに前記リニアモータ可動子の移動方向が水平方向に沿うように前記圧縮機を前記車両に搭載することを特徴とするものである。
【００１２】
ここで水平方向とは、完全なる水平方向である場合に限らず、水平方向に対して所定角度傾斜している場合も含むものとし、上記所定角度は±３０度であることが好ましく、±１０度であることがより好ましい。
【００１３】
本発明に係る圧縮機の車載構造において、前記リニアモータ可動子の移動方向が前記車両の進行方向と直交する方向に沿うように前記圧縮機が前記車両に搭載されていてもよい。ここで直交方向とは、車両の進行方向に対して完全に９０度をなして交差する方向に限らず、９０度を含む所定角度範囲で前記車両進行方向と交差する方向も含むものとし、上記所定角度範囲は６０〜１２０度であることが好ましい。
【００１４】
また、本発明に係る圧縮機の車載構造では、前記リニアモータ可動子を貫通して固定される前記ピストン軸は前記リニアモータ可動子の軸方向両側において、前記リニアモータを収容するモータハウジング内壁に固定されたフレクシャベアリングによってそれぞれ支持されていてもよい。
【００１５】
さらに、本発明に係る圧縮機の車載構造において、前記圧縮機は、前記車両の動力源である超電導モータの超電導線材からなるコイルを冷却するための蓄冷型冷凍機の一部を構成してもよい。この場合、前記冷凍機の圧縮機が前記超電導モータのモータケースの外周側壁上に一体に取り付けられていてもよい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明に係る圧縮機の車載構造によれば、例えば車両が悪路を比較的高速で走行したとき等に上下方向の振動が車体に継続して加わっても、リニアモータ可動子、ピストン軸およびピストンを含む振動系の往復移動方向が水平方向であるため、上記車体の上下方向振動が上記振動系を共振させることがなく、そのためリニアモータが破損するのを抑制でき、リニアモータを駆動源とする圧縮機、この圧縮機により冷却される超電導モータ、および、超電導モータを動力源とする電動車両の車体振動に対する信頼性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施形態である圧縮機の車載構造を適用した電気自動車の概略構成図である。
【図２】図１に示す超電導モータの軸方向に沿った断面図（一部側面を含む）である。
【図３】図２におけるＡ−Ａ線断面図である。
【図４】冷凍機の圧縮部の縦断面図（一部側面を含む）である。
【図５】図４に示す圧縮部に含まれるフレクシャベアリングを示す斜視図である。
【図６】本発明の別実施形態である圧縮機の車載構造を適用した電気自動車の概略構成図である。
【図７】図６に示す電気自動車の変形例を示す概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下に、本発明に係る実施の形態について添付図面を参照しながら詳細に説明する。この説明において、具体的な形状、材料、数値、方向等は、本発明の理解を容易にするための例示であって、用途、目的、仕様等にあわせて適宜変更することができる。
【００１９】
以下の説明では、電動車両として電気自動車を例に説明するが、本発明はハイブリッド車両等の他の電動車両に適用されてもよい。
【００２０】
図１は本発明の一実施形態である圧縮機の車載構造１００を採用した電気自動車１の概略構成を示す。図１において、矢印Ｘ方向が車両進行方向すなわち車両前後方向を示し、車両進行方向と直交する矢印Ｙ方向が車両左右方向すなわち車幅方向を示す。また、図１において、紙面に沿う方向が車両が水平面上の置かれたときの水平方向であり、紙面に垂直な方向が鉛直方向である。
【００２１】
電気自動車１は、走行用動力源として超電導モータ１２を搭載している。超電導モータ１０のロータシャフト１８（図２参照）は、超電導モータ１０と一体に設けられたトランスミッション１１を介して、２つの前輪２にそれぞれ連結されるフロント車軸３に接続されている。これにより、超電導モータ１０のロータシャフト１８から出力される回転動力がトランスミッション１１およびフロント車軸３を介して前輪２に伝達されるようになっている。
【００２２】
また、電気自動車１は、２つの後輪４と、各後輪４にそれぞれ接続されるリア車軸５と、リア車軸５が連結されるリアディファレンシャルギヤ６とを備える。２つの後輪４は、電気自動車１の走行時に従動回転することになる。
【００２３】
超電導モータ１０は、電気自動車１の前部に位置するエンジンコンパートメント７内に搭載されている。超電導モータ１０は、図示しないブラケットやマウント等の取付部材を介して車体８に対して固定されている。すなわち電気自動車１０は、ＦＦ（フロントエンジン・フロントドライブ）車である。
【００２４】
超電導モータ１０は、第１および第２の冷凍機１６，１７を一体に備えている。各冷凍機１６，１７は、リニアモータを内蔵した圧縮部をそれぞれ有しており、電動車両１が水平面上に置かれたときに各圧縮部のリニアモータ可動子の移動方向が水平方向に沿うよう上記圧縮機を電気自動車に搭載した車載構造１００を採用している。次に、図２，３を参照して超電導モータ１０について詳細に説明する。
【００２５】
図２，３に示すように、超電導モータ１０は、回転可能に支持されたロータ１２と、ロータ１２の外周を覆って設けられる略円筒状のステータ１４と、超電導モータ１０の軸方向両端面に固定された２つの冷凍機１６，１７とを備える。ここでの説明において、ロータ１２の中心を貫通するロータシャフト１８の回転中心軸Ｒに関し、これに沿う方向を軸方向といい、回転中心軸Ｒと直交する放射方向を径方向といい、回転中心軸Ｒを中心点として前記放射方向を含む平面上に描かれる円形に沿う方向を周方向という。
【００２６】
ロータ１２は、例えば電磁鋼板を積層してカシメや溶接等により一体に構成される円筒状のロータコア２０と、ロータコア２０の中心穴を貫通して固定された丸棒鋼材等からなるロータシャフト１８とを含む。ロータコア２０の外周面には、複数（本実施形態では６つ又は６箇所）の永久磁石２２が露出した状態で周方向に等間隔に固定されている。ただし、ロータコア２０に設けられる永久磁石は、外周面に露出していなくてもよく、外周面近傍の内部に埋設されてもよい。
【００２７】
ロータ１２のロータシャフト１８は、その両端部１９ａ，１９ｂにおいて、超電導モータ１０の軸方向両端面を形成する円盤状のエンドプレート２４，２６に固定された軸受部材２８によって回転可能に支持されている。これにより、ステータ１４の内部に回転磁界が形成されると、これに伴ってロータコア２０の永久磁石２２がひきつけられて、ロータ１２が回転駆動されるようになっている。
【００２８】
ステータ１４は、略円筒状をなす固定子鉄心であるステータコア３０を含む。ステータコア３０の内周部には、径方向内側へ突出する複数（本実施形態では９つ）のティース部３２が周方向に等間隔に形成されている。ステータコア３０は、例えば複数の略円環状の電磁鋼板を軸方向に積層してカシメ、接着、溶接等によって一体に組み付けて構成されることができる。ただし、ステータコア３０は、各々１つのティース部を有する９つの分割ステータコアを円環状に連ねて配置してその外側から筒状の締結部材により締め付けることによって構成されてもよい。この場合、分割ステータコアは、圧粉磁心により形成されることができる。
【００２９】
ステータコア３０のティース部３２には、超電導線材からなるコイル３４が巻装されている。超電導線材は、断面形状が円形状でもよいし、あるいは、矩形状であってもよい。また、超電導線材には、例えば、イットリウム系超電導材料やビスマス系超電導材料が好適に用いられる。ただし、超電導線材を構成する超電導材料は、これらに限定されるものではなく、他の公知の超電導材料、あるいは、将来開発される、より高温で超電導特性を発現する超電導材料であってもよい。
【００３０】
コイル３４を構成する超電導線材は、絶縁被覆されていてもよい。これにより、コイル３４として密着して巻回されたときに各ターン間での電気絶縁が確保される。ただし、超電導線材が絶縁被覆されていない場合、コイル３４に形成するときに絶縁紙や絶縁フィルム等を挟みながらコイル状に巻くことで各ターン間の電気絶縁が確保されてもよい。
【００３１】
コイル３４は、隣接するティース部３２間に形成されるスロット内に位置する部分３５と、ステータコア３０の軸方向両端面から外側へそれぞれ突出するコイルエンド部３６とを含む。各コイル３４は、２つ置きごとのコイル３４と直列接続されてＵ，Ｖ，Ｗの各相コイルを構成する。各相コイルの一方端は、図示しない中性点において互いに接続され、各相コイルの他方端は図示しない各相電流導入端子にそれぞれ接続されている。
【００３２】
超電導モータ１０は、円筒状のモータケース４０を有している。モータケース４０内に、ロータ１２およびステータ１４が収容されている。モータケース４０の軸方向の両端部は、エンドプレート２４，２６の外周縁部に気密状態で連結されている。モータケース４０およびエンドプレート２４，２６は、例えばステンレス等の非磁性材料から形成される。なお、モータケース４０は、エンドプレート２４または２６と一体のものとして形成されてもよい。
【００３３】
モータケース４０内には、各々円筒状をなす内筒部材４２および外筒部材４４がロータ１２と同心上に配置されている。内筒部材４２および外筒部材４４の軸方向両端部は、エンドプレート２４，２６の内面に気密状態を保持可能に連結されている。内筒部材４２は、磁界の通過を妨げず且つ非導電性である非金属材料により形成されるのが好ましい。一方、外筒部材４４は、低熱伝導率材料（例えばＦＲＰ等）で形成されるのが好ましく、低熱伝導率の非磁性材料で形成されるのがより好ましい。
【００３４】
内筒部材４２は、ロータ１２のロータコア２０よりも若干大きい内径を有し、ロータコア２０の外周面との間に周方向に一様な隙間が形成されている。また、内筒部材４２と外筒部材４４との間には、筒状空間からなる第１真空室４６が形成されている。第１真空室４６内には、コイル３４を含むステータ１４が収容されている。ステータ１４のステータコア３０の外周面が、外筒部材４４の内周面上に密着して固定されている。
【００３５】
第1真空室４６は、冷凍機１６，１７を含めて超電導モータ１０が組み立てられた後に、エンドプレート２４，２６の少なくとも何れかに形成された図示しない空気抜き穴から真空引きされて、真空状態に維持される。このように、熱伝導率が低い内筒部材４２および外筒部材４４で区画形成し、かつ、内部を真空とすることで、第１真空室４６内に収容されたコイル３４を含むステータ１４への断熱性を高めることができる。
【００３６】
さらに、外筒部材４４とモータケース４０との間には、筒状空間からなる第２真空室４８が形成されている。第２真空室４８もまた、第１真空室４６と同様に真空状態になっている。これにより、第１真空室４６内に収容されたコイル３４を含むステータ１４が第２真空室４８によってモータ外部と隔てられることで、コイル３４を含むステータ１４に対する断熱効果をより一層高めることができる。
【００３７】
超電導モータ１０において、軸方向の一端側に位置するエンドプレート２４には第１の冷凍機１６が設けられ、軸方向の他端側に位置するエンドプレート２６には第２の冷凍機１７が設けられている。第１および第２の冷凍機１６，１７は、気密状態を確保しつつエンドプレート２４，２６の貫通穴の周囲に固定された筒状のブラケット５０を介してそれぞれ取り付けられている。このように２つの冷凍機１６，１７を超電導モータの一部として一体に設けることで、車載する際に必要となるスペースをできるだけ小さくすることができる。
【００３８】
なお、ここでは２つの冷凍機１６，１７を超電導モータ１０の各エンドプレート２４，２６にそれぞれ設けるものとして説明するが、１つの冷凍機のみを含むように超電導モータが構成されてもよい。
【００３９】
第１および第２の冷凍機１６，１７は、シリンダ５２内でピストン５４が直線的に往復移動して冷媒ガス（例えば、Ｈｅガス）の圧縮および膨張を繰り返し行うガス圧縮機（以下、単に圧縮機という）５６をそれぞれ有する。また、第１および第２の冷凍機１６，１７は、筒状のブラケット５０内からエンドプレート２４，２６の貫通穴を介して第１真空室４６まで延伸した段付き柱状外形状を有する冷却部５８をそれぞれ備える。冷却部５８の平坦な先端面は、伝熱部材６０を介してコイルエンド部３６にそれぞれ接触している。ここで、コイルエンド部３６と伝熱部材６０との間、および、伝熱部材６０と冷却部５８との間の少なくともいずれか一方に絶縁紙等の絶縁部材を介在させて、コイル３４と冷凍機１６，１７間の電気絶縁が確保されてもよい。
【００４０】
第１および第２の冷凍機１６，１７は、超電導線材からなるコイル３４が超電導特性を発現する所望の極低温（例えば、約７０Ｋ）まで冷却可能な冷却性能を有し、ピストン５４のストロークを制御することによって冷却温度を調節することができる。電気自動車１の走行用動力源として搭載される超電導モータ１０は、設置スペースの制約や車両重量の軽量化のため冷凍機１６，１７は小型で軽量のものであることが好ましい。例えば、第１および第２の冷凍機１６，１７には、蓄冷型スターリング冷凍機が好適に用いられる。ただし、設置スペースおよび重量の制約が緩い場合、例えば、超電導モータ１０が電車や船舶等の大型の移動体の動力源として、あるいは、設置位置が固定された機械の動力源として用いられる場合には、上記のような冷却性能を有する冷凍機であれば、体格が大きくて重い冷凍機であっても構わない。
【００４１】
第１および第２の冷凍機１６，１７は、各ピストン５４の移動方向が同一直線上となるように対向配置されている。すなわち、第１および第２の冷凍機１６，１７は、軸方向に対向して設けられている。そして、第１および第２の冷凍機１６，１７では、各ピストン５４が互いに反対方向に移動するように圧縮機５６を駆動する。換言すれば、第１および第２の冷凍機１６，１７において、ピストン５４による圧縮ストロークと膨張ストロークとが互いに同期するように駆動される。このような配置および駆動にすることで、ピストン５４の移動によって第１および第２の冷凍機１６，１７が超電導モータ１０に及ぼす回転モーメントが相殺されて、振動や騒音を抑制できる。
【００４２】
なお、上記では第１および第２の冷凍機１６，１７を各エンドプレート２４，２６上に固定するものとして説明したが、これに限定されず、各冷凍機１６，１７の圧縮機５６をモータケース４０の外周側壁上に固定し、各圧縮機５６からそれぞれ延伸する圧縮ガス流路管を各冷凍機１６，１７の冷却部５８にそれぞれ接続する構成としてもよい。このようにすれば、超電導モータ１０の軸方向の幅を小さくすることができ、車両搭載性が向上する。
【００４３】
第１の冷凍機１６の冷却部５８の軸方向先端面が接触する伝熱部材６０は、例えば熱伝導性が良好な金属板で形成され、周方向に連なった円環状をなして軸方向一方側に位置する全てのコイルエンド部３６に接触している。一方、第２の冷凍機１７の冷却部５８の軸方向先端面が接触する伝熱部材６０は、例えば熱伝導性が良好な金属板で形成され、周方向に連なった円環状をなして、軸方向他方側に位置する全てのコイルエンド部３６に接触している。これにより、各冷凍機１６，１７の冷却部５８が伝熱部材６０を介してコイルエンド部３６から吸熱してコイル３４を冷却することができる。
【００４４】
伝熱部材６０のコイル対向面には、コイルエンド部３６が嵌合する凹部または溝が形成されている。このようにすることで、コイルエンド部３６と伝熱部材６０との接触面積が増加し、コイル３４の冷却効率を上げることができる。
【００４５】
また、伝熱部材６０は、絶縁性樹脂材料を成型することによってコイルエンド部３６に一体に形成されてもよい。これにより、コイル３４と冷凍機１６，１７の冷却部５８間の電気絶縁性がより向上する。この場合、伝熱部材６０の熱伝導性を良好にするために、金属製の粒子または粉末を上記絶縁性樹脂材料に分散させるのが好ましい。
【００４６】
このように本実施形態の超電導モータ１０では、２つの冷凍機１６，１７によって、熱容量が大きいステータコア３０を介在させることなく、コイル３４を軸方向両側から効率よく迅速に所望の極低温まで冷却することができる。そのため、超電導モータ１０の始動時間の短時間化、および、冷凍機の消費電力の低減を図れる。
【００４７】
また、本実施形態の超電導モータ１０では、第１および第２の冷凍機１６，１７は、各ピストン５４の移動方向が同一直線上となるように配置され、かつ、各ピストン５４が互いに反対方向に移動するように圧縮機５６が駆動されることで、ピストン５４の移動によって第１および第２の冷凍機１６，１７が超電導モータ１０に及ぼす回転モーメントが相殺されて振動や騒音を抑制できる。
【００４８】
続いて、図４，５を参照して第１および第２の冷凍機１６，１７の圧縮機５６について詳細に説明する。ここでは第２の冷凍機１７の圧縮機５６を例に説明するが、第１の冷凍機５６の圧縮機５６も同一構成を有している。
【００４９】
上述したように圧縮機５６は、円筒状空間を内包するシリンダ５２と、シリンダ５２内で矢印Ｂ方向に沿って直線状に往復移動する円柱状のピストン５４とを備える。ピストン５４は、シリンダ５２の内径よりも若干小径に形成されており、後述するようにシリンダ内面との間に若干の隙間を形成しつつ非接触状態でシリンダ５２内を往復移動可能なように設計されている。
【００５０】
シリンダ５２は、ピストン５４を駆動するためのリニアモータ７０を収容するモータハウジング７２内に形成されている。モータハウジング７２の矢印Ｂ方向の一方側端面７４には、圧縮される冷媒ガスが流出入する開口部７６がシリンダ５２と連通して形成されている。
【００５１】
上記リニアモータ７０は、モータハウジング７２内において上記シリンダ５２に対して上記開口部７６とは反対側に形成されたモータ収容室７８内に配置されている。リニアモータ７０は、リニアモータ固定子８２と、リニアモータ可動子８２とを含んで構成されている。リニアモータ固定子８０は、モータ収容室７８内の内壁に対してねじ止め等の手段によって固定されている。リニアモータ固定子８０の内周部には、複数のコイルが巻装されている。これらのコイルに通電することによって、リニアモータ固定子８０の内側には、矢印Ｂ方向に移動する磁界が形成されるようになっている。
【００５２】
一方、リニアモータ固定子８０の内側には、リニアモータ可動子８２が非接触状態に配置されている。リニアモータ可動子８２は、永久磁石を含んで構成される永久磁石型可動子であってもよいし、あるいは、コイル通電によって励磁される電磁気型可動子であってもよい。このようなリニアモータ可動子８２は、リニアモータ固定子８０により形成される移動磁界に対する反発力および引付力によって、直線状に往復駆動されるようになっている。
【００５３】
リニアモータ可動子８２の中心部分には、ピストン軸５５が貫通して固定されている。リニアモータ可動子８２とピストン軸５５との固定方法は、溶接、カシメ、ねじ止め等の種々の手段が採用可能である。ピストン軸５５の一端部（図４中の左側端部）には、ピストン５４が連結されている。ピストン軸５５は、リニアモータ可動子８２を間にしてその両側において、板ばね８４によってそれぞれ支持されている。ピスト軸５５は、板ばね８４に対して固定されている。具体的には、ピストン軸５５に対して外装された板ばね８４は、溶接、カシメ、ねじ止め等の種々の手段によってピストン軸５５の外周面上に固定されることができる。
【００５４】
板ばね８４は、図５に示すような例えば薄鋼板からなる円板状の板ばねであるフレクシャベアリング８６を複数枚重ね合わせて構成されている。フレクシャベアリング８６は、中心部にピストン軸取付穴８８が形成されるとともに、外周縁部に複数の固定穴９０が周方向に均等配置で形成されている。これらの固定穴９０に挿通されるボルトと必要に応じて前記ボルトに螺合するナットとによって、複数枚のフレクシャベアリング８６からなる板ばね８４はモータ収容室７８の内壁に対して固定されている。
【００５５】
また、フレクシャベアリング８６には、ピストン軸取付穴８８を取り囲んで３本の渦巻状のスリット９２が周方向に均等配置で形成されている。これらのスリット９２の数、幅、長さ、形状等は、板ばね８４について所望の面内ばね定数および面直交ばね定数が得られるように適宜に設計される。ここで、面内ばね定数は、中心取付穴８８に固定された、ピストン５４、ピストン軸５５およびリニアモータ可動子８２を含む振動系を板ばね８６の中心位置にシリンダ５２に対して同軸状に保持するための弾性定数であり、他方、面直交ばね定数は、リニアモータ７０による駆動によって往復移動するピストン５４等からなる振動系の共振状態が確保されるように設定される弾性定数である。
【００５６】
上記板ばね８４の面内ばね定数は、圧縮機５６内のリニアモータ可動子８２の往復移動方向、すなわちシリンダ５２内のピストン５４の往復移動方向が水平方向に沿うように圧縮機５６を含む超電導モータ１０が車両１に搭載されたとき、すなわち、図４において矢印Ｂ方向が水平方向に沿うように圧縮機５６が車載されたときに、シリンダ内面とピストン外周面との間に若干の隙間が形成されるように設定されている。また、板ばね８４の面直交ばね定数は、上記のように圧縮機５６のピストン稼働方向が水平方向に沿うように配置された状態で、リニアモータ７０を最大ストローク量で継続的に駆動した場合でも板ばね８４が破損しないことを考慮して設定される。
【００５７】
なお、上記においてモータハウジング７２は、シリンダ５２および開口部７６が形成されたシリンダ形成部分と、モータ収容室７８が内部に形成されたモータ収容室形成部分とに分割して構成されてもよい。また、上記モータ収容室形成部分は、両端が開口した円筒状部材と、この円筒状部材の一方開口部を閉じる円板状のエンドプレート部材とによって構成されてもよい。このようにモータハウジング７２を分割形成することで、リニアモータ７０、ピストン５４、ピストン軸５５および板ばね８４を含む圧縮機５６の組立易さが向上する。
【００５８】
図２を再び参照すると、第１および第２の冷凍機１６，１７の各圧縮機５６は、ピストン５４の往復移動方向がロータコアシャフト１８の回転中心軸Ｒと平行になるように超電導モータ１０に対して取り付けられている。そして、図１を再び参照すると、この超電導モータ１０が電気自動車１の車体８に対して、ロータシャフト１８の回転中心軸Ｒが水平方向に沿うとともに車両進行方向と直交する姿勢で搭載されている。すなわち、本実施形態の圧縮機５６の車載構造１００では、車両１が水平面上の置かれたときに圧縮機５６のリニアモータ可動子８２の往復移動方向（矢印Ｂ方向）が水平方向に沿うと共に車両進行方向（矢印Ｘ方向）と直交するように圧縮機５６が車両１に搭載されている。ここで「水平方向」とは、完全なる水平方向である場合に限らず、水平方向に対して所定角度傾斜している場合も含まれるものとし、上記所定角度は±３０度であることが好ましく、±１０度であることがより好ましい。また、上記「車両進行方向と直交する」とは、車両進行方向に対して完全に９０度をなして交差する方向に限らず、９０度を含む所定角度範囲で車両進行方向と交差する方向を含むものとし、上記所定角度範囲は６０〜１２０度であることが好ましい。
【００５９】
このような車載構造１００により超電導モータ１０が搭載された電気自動車１では、例えば悪路を比較的高速で走行したとき等に上下方向の周期的な振動が車体８に継続して加わっても、リニアモータ可動子８２、ピストン軸５５およびピストン５４を含む振動系の往復移動方向が水平方向であるため、上記車体８の上下方向振動が上記振動系を共振させることがない。また、上記のように面内ばね定数が設定された、フレクシャベアリング８６からなる板ばね８４によって、車両上下振動時に圧縮機５６の上記振動系の荷重をしっかりと受け止めることができる。そのため、リニアモータ７０が破損するのを抑制でき、リニアモータ７０を駆動源とする圧縮機５６、この圧縮機５６を含む冷凍機１６，１７により冷却される超電導モータ１０、および、超電導モータ１０を動力源とする電気自動車１の車体振動に対する信頼性が向上する。
【００６０】
また、電気自動車１が加減速したときに車両進行方向の加速度が圧縮機５６の上記振動系に作用することになるが、本実施形態の車載構造１００では圧縮機５６のリニアモータ可動子８２の往復移動方向が車両進行方向と直交する方向に沿うように圧縮機５６が車載されているため、このような車両進行方向の加速度変化による振動が圧縮機５６の振動系に共振を生じさせることもない。
【００６１】
ここで、もし電気自動車１において車両進行方向に周期的な振動が生じたとしても、その振動周波数は圧縮機５６のリニアモータ７０の振動周波数（例えば数十ヘルツ）に比べて極めて小さい値になると考えられる。そのため、後述するようにリニアモータ７０のリニアモータ可動子８２の移動方向が車両前後方向に沿うように圧縮機５６が搭載されたとしても、車両前後方向の振動によってリニアモータ７０が共振により破損するおそれはない。さらには、電気自動車１の旋回時に車幅方向の遠心力（いわゆる横Ｇ）が圧縮機５６の振動系に作用することになるが、このような遠心力が圧縮機５６の振動系を共振させるような振動として作用することはまずあり得ないので圧縮機の車載構造１００において無視できるものである。
【００６２】
次に、図６を参照して別実施形態の圧縮機の車載構造１０１を適用した電気自動車１ａについて説明する。ここでは上述した電気自動車１と同一または類似の構成要素には同一または類似の符合を付して重複することとなる説明を援用により省略する。
【００６３】
図６は電気自動車１ａ概略構成を示す。電気自動車１ａにおける圧縮機の車載構造１０１では、圧縮機５６のリニアモータ可動子８２の往復移動方向が、水平方向に沿うとともに車両進行方向（矢印Ｘ方向）と平行になるように圧縮機５６が車体８に搭載されている。そして、超電導モータ１０のロータシャフト１８は、トランスミッション１１に連結されたリアドライブシャフト９ａを介してリアディフェレンシャルギヤ６に接続されている。すなわち、ここでの電気自動車１ａはＦＲ（フロントエンジン・リアドライブ）車であり、２つの前輪２に接続されるフロント車軸３は、図示しない車両前部のフロントディフェレンシャルギヤにそれぞれ連結されている。これ以外の構成については上記電気自動車１の場合と同様である。
【００６４】
このようにリニアモータ可動子８２の往復移動方向が水平方向に沿うと共に車両進行方向と平行になるように圧縮機５６を車載した場合にも、上記と同様の作用効果を奏することができる。すなわち、車両上下振動によってリニアモータ７０が破損するのを抑制でき、リニアモータ７０を駆動源とする圧縮機５６、この圧縮機５６を含む冷凍機１６，１７により冷却される超電導モータ１０、および、超電導モータ１０を動力源とする電気自動車１の車体振動に対する信頼性が向上する。また、車両前後方向の振動によってリニアモータ７０が共振により破損するおそれもない。
【００６５】
次に、図７を参照して、図６に示す電気自動車１ａの変形例について説明する。この電気自動車１ａは、４ＷＤ車（４輪駆動車）であり、トランスミッション１１に連結されたフロントドライブシャフト９ｂがフロントディフェレンシャルギヤ６´に接続されている。これ以外の構成は、上記圧縮機の車載構造１０１を含めて上記電気自動車１ａと同様である。この変形例の電気自動車１ａによっても上記と同様の作用効果を奏することができる。
【００６６】
なお、上記圧縮機の車載構造１０１のように、圧縮機５６のリニアモータ可動子８２の往復移動方向が水平方向に沿うとともに車両進行方向と平行になるように圧縮機５６が車載される場合には、電気自動車１ａの挙動特性（例えば、サスペンションばね定数、ピッチ角、ロール剛性等）を、車両前後方向の振動が圧縮機５６の振動系に共振を生じさせないように設計してもよい。
【符号の説明】
【００６７】
１，１ａ 電気自動車、２ 前輪、３ フロント車軸、４ 後輪、５ リア車軸、６ リアディフェレンシャルギヤ、６´ フロントディフェレンシャルギヤ、７ エンジンコンパートメント、８ 車体、９ａ リアドライブシャフト、９ｂ フロントドライブシャフト、１０ 超電導モータ、１２ ロータ、１４ ステータ、１６ 第１の冷凍機、１７ 第２の冷凍機、１８ ロータシャフト、１９ａ，１９ｂ 端部、２０ ロータコア、２２ 永久磁石、２４，２６ エンドプレート、２８ 軸受部材、３０ ステータコア、３２ ティース部、３３ スロット、３４ コイル、３５ スロット内に位置するコイル部分、３６ コイルエンド部、４０ モータケース、４２ 内筒部材、４４ 外筒部材、４６ 第１真空室、４８ 第２真空室、５０ ブラケット、５２ シリンダ、５４ ピストン、５５ ピストン軸、５６ ガス圧縮機、５８ 冷却部、６０ 伝熱部材、７０ リニアモータ、７２ モータハウジング、７４ ハウジング端面、７６ 開口部、７８ モータ収容室、８０ リニアモータ固定子、８２ リニアモータ可動子、８４ 板ばね、８６ フレクシャベアリング、８８ ピストン軸取付穴、９０ 固定穴、９２ スリット。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
リニアモータ固定子、および、前記リニアモータ固定子により発生する磁界によって直線状に往復移動するリニアモータ可動子を含むリニアモータと、前記リニアモータ可動子に固定されるピストン軸と、前記ピストン軸の端部に設けられ、シリンダ内で往復移動して冷媒ガスの圧縮および膨張を行うピストンとを備える圧縮機の車載構造であって、
前記リニアモータ可動子の移動方向が水平方向に沿うように前記圧縮機を車両に搭載することを特徴とする圧縮機の車載構造。
【請求項２】
請求項１に記載の圧縮機の車載構造において、
前記リニアモータ可動子の移動方向が前記車両の進行方向と直交する方向に沿うように前記圧縮機が前記車両に搭載されていることを特徴とする圧縮機の車載構造。
【請求項３】
請求項１または２に記載の圧縮機の車載構造において、
前記リニアモータ可動子を貫通して固定される前記ピストン軸は前記リニアモータ可動子の軸方向両側において、前記リニアモータを収容するモータハウジング内壁に固定されたフレクシャベアリングによってそれぞれ支持されていることを特徴とする圧縮機の車載構造。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項に記載の圧縮機の車載構造において、
前記圧縮機は、前記車両の動力源である超電導モータの超電導線材からなるコイルを冷却するための蓄冷型冷凍機の一部を構成することを特徴とする圧縮機の車載構造。
【請求項５】
請求項４に記載の圧縮機の車載構造において、
前記冷凍機の圧縮機が前記超電導モータのモータケースの外周側壁上に一体に取り付けられていることを特徴とする圧縮機の車載構造。
【請求項１】
リニアモータ固定子、および、前記リニアモータ固定子により発生する磁界によって直線状に往復移動するリニアモータ可動子を含むリニアモータと、前記リニアモータ可動子に固定されるピストン軸と、前記ピストン軸の端部に設けられ、シリンダ内で往復移動して冷媒ガスの圧縮および膨張を行うピストンとを備える圧縮機の車載構造であって、
前記リニアモータ可動子の移動方向が水平方向に沿うように前記圧縮機を車両に搭載することを特徴とする圧縮機の車載構造。
【請求項２】
請求項１に記載の圧縮機の車載構造において、
前記リニアモータ可動子の移動方向が前記車両の進行方向と直交する方向に沿うように前記圧縮機が前記車両に搭載されていることを特徴とする圧縮機の車載構造。
【請求項３】
請求項１または２に記載の圧縮機の車載構造において、
前記リニアモータ可動子を貫通して固定される前記ピストン軸は前記リニアモータ可動子の軸方向両側において、前記リニアモータを収容するモータハウジング内壁に固定されたフレクシャベアリングによってそれぞれ支持されていることを特徴とする圧縮機の車載構造。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項に記載の圧縮機の車載構造において、
前記圧縮機は、前記車両の動力源である超電導モータの超電導線材からなるコイルを冷却するための蓄冷型冷凍機の一部を構成することを特徴とする圧縮機の車載構造。
【請求項５】
請求項４に記載の圧縮機の車載構造において、
前記冷凍機の圧縮機が前記超電導モータのモータケースの外周側壁上に一体に取り付けられていることを特徴とする圧縮機の車載構造。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１１−２４０７３１（Ｐ２０１１−２４０７３１Ａ）
【公開日】平成２３年１２月１日（２０１１．１２．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１１２０６５（Ｐ２０１０−１１２０６５）
【出願日】平成２２年５月１４日（２０１０．５．１４）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【出願人】（０００００００１１）アイシン精機株式会社 (5,421)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１２月１日（２０１１．１２．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年５月１４日（２０１０．５．１４）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【出願人】（０００００００１１）アイシン精機株式会社 (5,421)
【Ｆターム（参考）】
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