超電導モータ装置及び電動車両
【課題】超電導モータ装置及び電動車両において、モータの駆動源として大きな電力源を設けずに済む構造を実現することである。
【解決手段】超電導モータ装置２４は、超電導モータ２６と、切り替え制御ユニット４８とを備える。超電導モータ２６は、ロータ５４に設けられる超電導電機子コイル６６と、ステータ５２に設けられる超電導界磁コイル５０とを有する。切り替え制御ユニット４８は、入力される信号に対応して、超電導界磁コイル５０と超電導電機子コイル６６との間でのエネルギの受け渡しを可能とする。切り替え制御ユニット４８は、超電導モータ２６の力行または回生を可能とする超電導モータ作動状態と、超電導電機子コイル６６と超電導界磁コイル５０との間でのエネルギの受け渡しを阻止するとともに、超電導界磁コイル５０にエネルギを超電導状態で貯蔵するエネルギ貯蔵状態とを切り替える。
【解決手段】超電導モータ装置２４は、超電導モータ２６と、切り替え制御ユニット４８とを備える。超電導モータ２６は、ロータ５４に設けられる超電導電機子コイル６６と、ステータ５２に設けられる超電導界磁コイル５０とを有する。切り替え制御ユニット４８は、入力される信号に対応して、超電導界磁コイル５０と超電導電機子コイル６６との間でのエネルギの受け渡しを可能とする。切り替え制御ユニット４８は、超電導モータ２６の力行または回生を可能とする超電導モータ作動状態と、超電導電機子コイル６６と超電導界磁コイル５０との間でのエネルギの受け渡しを阻止するとともに、超電導界磁コイル５０にエネルギを超電導状態で貯蔵するエネルギ貯蔵状態とを切り替える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超電導モータと、制御部とを備える超電導モータ装置、及び、電動車両に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、電気自動車またはハイブリッド車両等のモータを搭載した電動車両が知られている。電気自動車は、モータを駆動源として車両の左右両側の車輪である、左右車輪を駆動する。ハイブリッド車両は、モータと内燃機関とを備え、モータと内燃機関とのうち、少なくとも一方を主駆動源として、車両の左右両側の車輪である、左右車輪を駆動する。
【０００３】
このような電動車両は、モータに電力を供給するための電力源である二次電池やインバータが必要となる。このため、車両に二次電池搭載用の空間が必要になり、車両の部品配置上の制限がある。特に、電動車両がハイブリッド車両である場合には、左右車輪の動力源として内燃機関であるエンジンと、燃料タンクとが必要になるため、車両に対する部品配置の制限がさらに厳しくなる。例えばハイブリッド車両では、エンジンルームにモータ及びインバータが搭載され、荷室やフロアパネル下側に二次電池が搭載される場合が多い。このため、従来から製造されている単なるエンジン付車、すなわち、左右車輪の駆動源としてエンジンのみを使用する車両の構造の大部分をそのまま使用して、モータ、二次電池、インバータ等多くの部品をさらに備えるハイブリッド車両とすることは難しい。
【０００４】
また、ハイブリッド車両では、トランスミッション等を含む動力伝達部等の基幹ユニットをハイブリッド車両専用に変更する必要がある。例えば、基幹ユニットとして、従来から車両走行停止時に自動でエンジンを停止させるアイドルストップ機能や、無段変速装置（ＣＶＴ）の機能を有するものを使用する場合がある。このような事情から、従来から、開発に要する資力や工程が膨大になることが、ハイブリッド車両のさらなる車種増加と市場へのさらなる普及拡大とを行う面からの超えるべき点となっている。ただし、動力伝達部等のハイブリッド車両用の基幹ユニットの機能の少なくとも一部を、エンジン付車でも備えるようにすることは、比較的容易に開発できる可能性がないとはいえない。
【０００５】
これに対して、特許文献１には、内燃機関エンジンとモータとを組み合わせて車両を駆動させるハイブリッド自動車の車両駆動システムであって、モータとして超電導モータを用い、該超電導モータは二次電池から供給される電力で稼働される構成としている車両駆動システムが記載されている。また、特許文献２には、内燃機関と燃料電池と蓄電手段とモータと、内燃機関とモータとの少なくとも一方により駆動される車輪とを有するハイブリッド電気自動車であって、蓄電手段がバッテリーまたはキャパシターまたはＳＭＥＳ（超電導磁気エネルギー貯蔵装置）あるいはこれらの組み合わせであるハイブリッド電気自動車が記載されている。
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−２０９１３号公報
【特許文献２】特開２００４−２２９４８０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ただし、特許文献１に記載されたハイブリッド自動車のように、単に車輪駆動用のモータとして、二次電池から供給される電力により稼働される超電導モータを使用しただけでは、二次電池が必要になる状況、及び、車両に二次電池設置用の空間を確保する必要があることは、モータを超電導モータとしない場合と同じであり、車両に関する空間の利用効率を向上させる面から改良の余地がある。
【０００８】
また、特許文献２に記載されたハイブリッド電気自動車の場合、蓄電手段としてＳＭＥＳを使用しているが、モータとは別にＳＭＥＳを設ける必要があるため、蓄電手段として二次電池を使用する場合に比べて、車両のエンジンルームや、荷室等に二次電池の代わりにＳＭＥＳを設置する空間が必要になり、車両の空間効率を向上させる面からやはり改良の余地がある。
【０００９】
なお、上記のような不都合は、ハイブリッド車両の場合だけでなく、二次電池の大きな搭載空間が必要となる電動車両の場合も同様である。このため、従来から、モータ装置において、モータの駆動源として大きな二次電池等の電力源を設けずに済む構造の実現が望まれている。
【００１０】
本発明の目的は、超電導モータ装置及び電動車両において、モータの駆動源として大きな電力源を設けずに済む構造を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に係る超電導モータ装置は、超電導モータと、切り替え制御ユニットとを備え、超電導モータは、ステータとロータとのうちの一方に設けられて、回転磁界を生成する電機子コイルと、ステータとロータとのうちの他方に設けられて、電機子コイルに対向配置された超電導界磁コイルと、を有し、切り替え制御ユニットは、入力される信号に対応して、超電導界磁コイルと電機子コイルとの間でのエネルギの受け渡しを可能とするとともに、電機子コイルと超電導界磁コイルとを相互作用させることにより、超電導モータの力行または回生を可能とする超電導モータ作動状態と、電機子コイルと超電導界磁コイルとの間でのエネルギの受け渡しを阻止するとともに、短絡路により超電導界磁コイルを短絡した状態で超電導界磁コイルに電流を循環させ続けることにより、エネルギを超電導状態で貯蔵するエネルギ貯蔵状態と、を切り替えることを特徴とする超電導モータ装置である。
【００１２】
また、本発明に係る超電導モータ装置において、好ましくは、超電導界磁コイルに並列に接続される短絡路を備え、さらに、切り替え制御ユニットは、短絡路に断接可能に設けられる切り替え手段と、界磁電流制御部とを備え、界磁電流制御部は、入力される信号に対応して回生制動時と力行時とモータ作動停止状態とのいずれであるかを判定するモータ作動状態判定手段と、モータ作動状態判定手段の判定結果に対応して、切り替え手段の断接の切り替えを制御する切り替え制御手段と、を有する。
【００１３】
また、本発明に係る超電導モータ装置において、好ましくは、超電導界磁コイルと電機子コイルとの間に接続されたインバータと、インバータを制御するインバータ制御部と、インバータの超電導界磁コイル側の入力電圧であるシステム電圧を検出する電圧検出手段と、を備え、切り替え制御ユニットまたはインバータ制御部は、検出されたシステム電圧を一定または一定の範囲とするように、インバータを制御する。
【００１４】
また、本発明に係る超電導モータ装置において、好ましくは、超電導界磁コイルと電機子コイルとの間に接続されたインバータと、インバータを制御するインバータ制御部と、超電導界磁コイルに流れる電流を検出する電流検出手段と、を備え、切り替え制御ユニットまたはインバータ制御部は、電流検出手段により検出された電流検出値と、入力される超電導モータのトルク指令値とに対応してトルク電流目標値を決定し、トルク電流目標値に対応してインバータを制御する。
【００１５】
また、本発明に係る超電導モータ装置において、好ましくは、超電導界磁コイルと電機子コイルとの間に接続されたインバータと、インバータを制御するインバータ制御部と、超電導界磁コイルに流れる電流を検出する電流検出手段と、超電導モータの回転速度を検出する回転速度検出手段と、インバータの超電導界磁コイル側の入力電圧であるシステム電圧を検出する電圧検出手段と、を備え、切り替え制御ユニットまたはインバータ制御部は、電流検出手段により検出された電流検出値と、回転速度検出手段により検出された回転速度検出値とから超電導モータが発生する誘起電圧を算出し、誘起電圧が小さいときにシステム電圧を小さくし、誘起電圧が大きいときにシステム電圧を大きくするように、インバータを制御する。
【００１６】
また、本発明に係る電動車両は、超電導モータ装置を備え、超電導モータ装置を駆動源として、左右車輪を駆動する電動車両であって、超電導モータ装置は、上記の本発明に係る超電導モータ装置であることを特徴とする電動車両である。
【００１７】
また、本発明に係る電動車両において、好ましくは、内燃機関を備え、超電導モータ装置と内燃機関とのうち、少なくとも一方を主駆動源として、左右車輪を駆動し、ハイブリッド車両として使用される。
【００１８】
また、本発明に係る電動車両において、好ましくは、超電導モータ装置は、左右車輪のそれぞれに対応して車両の左右両側に少なくとも１個ずつ設けられている。
【００１９】
また、本発明に係る電動車両において、好ましくは、左右車輪をそれぞれ駆動する２個の超電導モータ装置の少なくとも一部は、左右車輪のそれぞれの内側に配置されている。
【００２０】
また、本発明に係る電動車両において、好ましくは、補機に電力を供給する二次電池を備え、二次電池は、昇圧コンバータを介して電機子コイルと超電導界磁コイルとの少なくとも一方への電力の供給を可能に接続されている。
【００２１】
また、本発明に係る電動車両において、好ましくは、電機子コイルと超電導界磁コイルとの間と、昇圧コンバータまたは二次電池との間に設けられ、電機子コイルと超電導界磁コイルとの間と、昇圧コンバータとの間の断接を切り替える第２切り替え手段と、超電導界磁コイルに流れる電流を検出する電流検出手段と、電流検出手段により検出された電流検出値が予め設定された所定電流値以下の場合に、第２切り替え手段を接続する第２切り替え制御手段と、を備え、第２切り替え制御手段は、超電導界磁コイルを流れる電流が不足している場合に、二次電池から超電導界磁コイルへの電力の供給を可能とする。
【００２２】
また、本発明に係る電動車両において、好ましくは、第２切り替え制御手段は、電流検出手段により検出された電流検出値が予め設定された第２の所定電流値以上の場合に、第２切り替え手段を切断し、超電導界磁コイルを流れる電流が十分である場合に、二次電池から超電導界磁コイルへの電力の供給を阻止する。
【発明の効果】
【００２３】
本発明に係る超電導モータ装置及び電動車両によれば、モータの駆動源として大きな電力源を設けずに済む構造を実現できる。すなわち、超電導界磁コイルと電機子コイルとの相互作用により、超電導モータの力行または回生が可能となり、超電導界磁コイルから電機子コイルに供給されるエネルギにより電機子コイルに回転磁界生成用の電流が流れ、超電導界磁コイルに蓄積されるエネルギにより、超電導界磁コイルが励磁される。このため、超電導界磁コイルが、モータの界磁コイルとしての機能だけでなく、エネルギ貯蔵部と電機子コイルへの電力供給源との機能も有し、超電導モータにエネルギ貯蔵機能を持たせることができる。したがって、超電導モータとは別に大きな二次電池を設ける必要がなくなる。この結果、超電導モータ装置の小型化及び軽量化を図れる。また、電動車両のように、車輪を駆動するモータとして超電導モータを使用する車両に本発明を適用する場合に、車両に大きな二次電池設置用の空間を設ける必要がなくなり、車両に関する空間の利用効率の向上を図れる。
【００２４】
また、超電導界磁コイルと電機子コイルとの間に接続されたインバータと、インバータを制御するインバータ制御部と、インバータの超電導界磁コイル側の入力電圧であるシステム電圧を検出する電圧検出手段と、を備え、切り替え制御ユニットまたはインバータ制御部は、検出されたシステム電圧を一定または一定の範囲とするように、インバータを制御する構成によれば、電機子コイルと超電導界磁コイルとの間での入出力される電力をより有効にバランスさせることができる。このため、電機子コイルと超電導界磁コイルとの間での入出力される電力をより有効にバランスさせることができ、インバータの超電導界磁コイル側にコンデンサを設ける場合でも、コンデンサ両端に印加される電圧が過大や過小になることをより有効に防止できる。すなわち、電機子コイルに流す電流と、超電導界磁コイルに流す電流とのそれぞれを、電力制御により制御することも考えられるが、このような電力制御の場合には、制御誤差が生じた場合に、電機子コイルと超電導界磁コイルとの間での入出力される電力がバランスしないで、コンデンサ両端に印加される電圧が過大や過小になる可能性がある。これに対して、上記のように、切り替え制御ユニットまたはインバータ制御部は、検出されたシステム電圧を一定または一定の範囲とするように、インバータを制御する構成によれば、上記の不都合を防止でき、インバータの超電導界磁コイル側にコンデンサを設ける場合でも、コンデンサ両端に印加される電圧が過大や過小になることをより有効に防止できる。この場合、例えば、電機子コイルに流す電流は、トルク制御により制御する。この構成によれば、超電導界磁コイルに供給される電力が成り行きとなり、電力のアンバランスを抑制できる。また、超電導モータの磁気回路と磁気エネルギ貯蔵部とが同じ超電導界磁コイルを共用するのにもかかわらず、トルク指令に対応する超電導モータの出力トルクをより有効に高精度に制御することができる。
【００２５】
また、超電導界磁コイルと電機子コイルとの間に接続されたインバータと、インバータを制御するインバータ制御部と、超電導界磁コイルに流れる電流を検出する電流検出手段と、を備え、切り替え制御ユニットまたはインバータ制御部は、電流検出手段により検出された電流検出値と、入力される超電導モータのトルク指令値とに対応してトルク電流目標値を決定し、トルク電流目標値に対応してインバータを制御する構成によれば、超電導界磁コイルの貯蔵エネルギの変化により、超電導状態で流れる電流が変化する場合でも、トルク指令に対応して電機子コイルに流れるトルク電流を変化させることができ、より有効に超電導モータの性能向上を図れる。
【００２６】
また、本発明に係る超電導モータ装置において、超電導界磁コイルと電機子コイルとの間に接続されたインバータと、インバータを制御するインバータ制御部と、超電導界磁コイルに流れる電流を検出する電流検出手段と、超電導モータの回転速度を検出する回転速度検出手段と、インバータの超電導界磁コイル側の入力電圧であるシステム電圧を検出する電圧検出手段と、を備え、切り替え制御ユニットまたはインバータ制御部は、電流検出手段により検出された電流検出値と、回転速度検出手段により検出された回転速度検出値とから超電導モータが発生する誘起電圧を算出し、誘起電圧が小さいときにシステム電圧を小さくし、誘起電圧が大きいときにシステム電圧を大きくするように、インバータを制御する構成によれば、超電導界磁コイルに貯蔵される貯蔵エネルギ量や、超電導モータの動作状態の変化にかかわらず、より有効にシステム全体の効率を高くできる。
【００２７】
また、本発明に係る電動車両において、内燃機関を備え、超電導モータ装置と内燃機関とのうち、少なくとも一方を主駆動源として、左右車輪を駆動し、ハイブリッド車両として使用される構成によれば、単にエンジンのみを駆動源として左右車輪を駆動するエンジン付車の構造の多くを共通化して利用することができ、コストを大幅に低減できるとともに、大きな二次電池を設ける必要がなくなる。また、大きな二次電池に対応する高電圧用のケーブルを設ける必要がなくなる。ハイブリッド車両の車室や荷室をより有効に広くしやすくなる。
【００２８】
また、超電導モータ装置は、左右車輪のそれぞれに対応して車両の左右両側に少なくとも１個ずつ設けられている構成において、左右車輪をそれぞれ駆動する２個の超電導モータ装置の少なくとも一部は、左右車輪のそれぞれの内側に配置されている構成によれば、単にエンジンのみを駆動源として左右車輪を駆動するエンジン付車の構造のより多くを共通化して利用することができ、コストをより大幅に低減できる。また、エンジン付車のエンジンルーム内の部品配置の制限をより有効に少なくでき、より多くの車種のエンジン付車を、ハイブリッド車両に変更しやすくなる。
【００２９】
また、補機に電力を供給する二次電池を備え、二次電池は、昇圧コンバータを介して電機子コイルと超電導界磁コイルとの少なくとも一方への電力の供給を可能に接続されている構成によれば、超電導モータ装置での貯蔵電力が零になった場合に、超電導界磁コイルの界磁がなくなり、超電導モータを力行または回生のいずれにも作動できなくなる傾向となるのにもかかわらず、二次電池により超電導界磁コイルに界磁のための電流を流すことができ、その後、内燃機関による車両走行開始後に回生制動により徐々に超電導界磁コイルに貯蔵される貯蔵電力を大きくして、通常の動作状態へ移行できる。このため、電動車両に過度に大きな二次電池を設けることなく、超電導界磁コイルの貯蔵電力が零等、超電導モータ装置の貯蔵電力が低下した状態からでも、車両を安定して始動させるとともに、安定して通常走行させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
［第１の発明の実施の形態］
以下において、図面を用いて本発明に係る実施の形態につき詳細に説明する。図１から図６は、本発明の第１の実施の形態を示している。図１は、本実施の形態の超電導モータ装置を備える電動車両である、ハイブリッド車両の略構成図である。図２は、本実施の形態のハイブリッド車両のブロック図である。図３は、本実施の形態の超電導モータ装置の略構成図である。図４は、界磁電流制御部の構成要素を示す図である。図５は、本実施の形態の超電導モータ装置の略断面図である。図６は、図５のＡ−Ａ断面図である。
【００３１】
図１に示すように、ハイブリッド車両１０は、内燃機関であるエンジン１２と、前側、後側の車輪１４，１６と、変速機（Ｔ／Ｍ）１８と、差動装置（ディファレンシャル装置）２０とを備える。前側の左右の車輪１４に左右の車軸２２を結合している。差動装置２０は、左右の車軸２２の間に設けている。エンジン１２からの動力は、変速機１８と、差動装置２０と、左右の車軸２２とを介して、左右の車輪１４に伝達される。このため、エンジン１２の駆動により、左右の車輪１４が回転駆動される。また、左右の車軸２２の端部に２個の超電導モータ装置２４を設けることにより、それぞれの超電導モータ装置２４を構成する超電導モータ２６（図２、図３参照）の駆動によっても、左右の車輪１４が回転駆動されるようにしている。また、エンジン１２の周辺部に、エンジン１２の出力軸の回転に伴って発電する発電機（オルタネータ）２８と、エンジン１２の始動時に図示しない起動スイッチの操作に対応して、エンジン１２の出力軸を回転させる補機である始動装置（スタータ）３０とを設けている。
【００３２】
図２に示すように、ハイブリッド車両１０は、車両コントローラ３２と、左右の車輪１４にそれぞれ対応する２個の超電導モータ装置２４とを備える。車両コントローラ３２は、エンジンルーム３４（図１）内に配置されて、車両を駆動するための動力を分配制御する機能を有する。車両コントローラ３２には、図示しないアクセルペダルの操作量に対応するアクセル開度を検出するアクセル開度センサ３６と、車速を検出するレゾルバ等により構成する車速センサ３８と、シフトポジションを検出するシフトセンサ４０と、ブレーキペダルの踏み込み量、またはブレーキペダルのオンオフを検出するブレーキペダルセンサ４２とからの検出信号を、それぞれ車両コントローラ３２に入力している。車両コントローラ３２は、ＣＰＵ、メモリであるＲＡＭ、ＲＯＭ等を有するマイクロコンピュータである。
【００３３】
エンジン１２に、車両コントローラ３２からの制御信号が入力されることにより、燃料噴射制御、点火制御、吸入空気量調節制御等の運転制御が行われるようにしている。また、エンジン１２からは、エンジン１２の回転数等のエンジン１２の運転状態を表す信号を車両コントローラ３２に出力している。なお、車両コントローラ３２とエンジン１２との間にエンジン用電子制御ユニット（エンジンＥＣＵ）を設けて、車両コントローラ３２からの信号により、エンジンＥＣＵを介してエンジン１２を運転制御し、また、エンジン１２からの運転状態を表す信号をエンジンＥＣＵに出力することもできる。
【００３４】
一方、２個の超電導モータ装置２４は、それぞれインバータ制御部であるモータコントローラ４４と、インバータ４６と、超電導モータ２６とを備える。超電導モータ２６の回転軸を、左右の車輪１４に連結することにより、超電導モータ２６の回転により左右の車輪１４が回転駆動されるようにしている。超電導モータ２６の駆動状態は、車両コントローラ３２から信号を入力される各モータコントローラ４４により制御している。各モータコントローラ４４は、インバータ４６に、スイッチング素子のスイッチングを制御するための信号をそれぞれ出力する。すなわち、各モータコントローラ４４は、ＣＰＵ、メモリであるＲＡＭ、ＲＯＭ等を有するマイクロコンピュータであり、インバータ４６を制御する。また、各モータコントローラ４４は、切り替え制御ユニット４８（図３参照）に、超電導モータ２６を構成する超電導界磁コイル５０（図３参照）からの電流をインバータ４６に送ることを指示する信号を出力する。この結果、インバータ４６は、対応する超電導モータ２６を駆動する。このようなハイブリッド車両１０は、超電導モータ２６を駆動源として、左右の車輪１４を駆動可能とする。すなわち、ハイブリッド車両１０は、超電導モータ装置２４とエンジン１２とのうち、少なくとも一方を主駆動源として、左右の車輪１４（図１）を駆動する。
【００３５】
図３、図４に示すように、１個の超電導モータ装置２４を構成する超電導モータ２６は、２個のステータ５２（図３ではステータ５２を１個のみ図示する。）と、ロータ５４とを軸方向に対向させたアキシャル型の同期モータである。すなわち、図５に示すように、超電導モータ２６は、回転軸５６に外嵌固定したロータ５４と、ケース５８の内側にロータ５４を介して軸方向に対向させた２個のステータ５２とを備える。ロータ５４は、２個の非磁性材製の円板状のロータ要素６０の間の円周方向複数個所等間隔位置に、それぞれ鉄心等の磁性材からなるロータコア６４と、ロータコア６４の周囲に巻装したＵ相、Ｖ相、Ｗ相の３相のロータ巻線である、超電導電機子コイル６６とを備える。各超電導電機子コイル６６は、例えば、酸化物超電導材料のイットリウム系、ビスマス系、タリウム系、ネオジウム系等の超電導材料により造っている。
【００３６】
また、車輪１４（図１）の回転にかかわらず回転しない部分にケース５８を固定するとともに、ケース５８に、インバータ制御部一体ユニット６８を固定している。インバータ制御部一体ユニット６８は、ユニットケース７０の内側に、図３に示す、インバータ４６と、モータコントローラ４４と、切り替え制御ユニット４８とを収容している。図５に戻り、各超電導電機子コイル６６には、図示しない整流子とブラシ等を介して、インバータ４６（図３）から３相の交流電流が送られるようにしている。超電導電機子コイル６６は、３相の交流電流が流れることにより、ロータ５４に回転磁界を生成する。
【００３７】
また、図６に示すように、各ステータ５２は、それぞれ円周方向複数個所等間隔位置に配置した鉄心等の磁性材からなるステータコア７２と、ステータコア７２の周囲に巻装したステータ巻線である、超電導界磁コイル５０とを備える。各ステータ５２は、超電導電機子コイル６６に、ロータ要素６０を介して対向させている。各超電導界磁コイル５０も、上記の各超電導電機子コイル６６と同様に、超電導材料により造っている。各超電導界磁コイル５０は、周方向に隣り合うもの同士で、巻き方向を異ならせることにより、各超電導界磁コイル５０に直流電流が流れることに伴って、図６に示すように、ステータ５２の周方向複数個所にＮ極とＳ極とが交互に配置されるようにしている。このように超電導モータ２６は、ロータ５４に設けられて回転磁界を生成する超電導電機子コイル６６と、ステータ５２に設けられて、超電導電機子コイル６６にロータ要素６０を介して対向配置された超電導界磁コイル５０とを有する。
【００３８】
このように構成するため、図３に示すように、インバータ４６から３相の超電導電機子コイル６６に３相の交流電流が流れることにより、ロータ５４が生成する回転磁界と、超電導界磁コイル５０が生成する磁界との相互作用により、ロータ５４が回転し、回転軸５６（図５、図６）が回転する。なお、ロータ５４に超電導電機子コイル６６を設ける構成は、図５に示したような構成に限定するものではなく、例えば、超電導電機子コイル６６は、ロータ５４の軸方向全長にわたって設け、その軸方向両端を直接ステータ５２に対向させることもできる。また、超電導界磁コイル５０の数及び配置も図５、図６に示す構成のような数及び配置に限定するものではなく、種々の数及び配置とすることもできる。
【００３９】
図３に戻って、本実施の形態では、超電導モータ２６へ電力を供給するための二次電池は設けていない。超電導モータ２６を力行状態で回転駆動する場合には、超電導界磁コイル５０で貯蔵したエネルギを、インバータ４６を介して超電導電機子コイル６６に供給する。インバータ４６は、超電導界磁コイル５０から供給される直流電圧を交流電圧に変換して超電導電機子コイル６６に供給する。すなわち、インバータ４６は、超電導界磁コイル５０と超電導電機子コイル６６との間に接続されている。また、車両の制動時に、超電導モータ２６で制動エネルギを吸収し、すなわち発電させることにより得たエネルギを、ロータ５４の超電導電機子コイル６６側からインバータ４６を介してステータ５２の超電導界磁コイル５０側へ送ることで、超電導界磁コイル５０にエネルギを貯蔵させるようにしている。
【００４０】
このために、切り替え制御ユニット４８は、インバータ４６と、超電導界磁コイル５０との間に接続している。なお、図３では、１個の超電導界磁コイル５０のみが切り替え制御ユニット４８に接続されているかのような図示をしているが、実際には、複数の超電導界磁コイル５０のすべてが切り替え制御ユニット４８に接続されている。切り替え制御ユニット４８は、超電導界磁コイル５０を短絡する短絡路７４と、界磁電流制御部７６とを備える。短絡路７４は、超電導界磁コイル５０に並列に接続されている。また、インバータ４６の超電導界磁コイル５０側にコンデンサ７７を接続している。
【００４１】
短絡路７４に、断接可能な切り替え手段である、超電導スイッチ７８を設けている。超電導スイッチ７８は、上記で説明したような超電導材料により造ったもので、周囲温度が常温になることで両端間が切断される一方、超電導材料が超電導状態になる低温に低下することで両端が電気抵抗零で短絡されるようにしている。このような超電導スイッチ７８の断接を制御するために、図示しない温度調節部により周辺温度を調節可能としている。温度調節部は、加温と冷却との少なくとも一方の温度変化を行えるようにしている。例えば、加温のみの機能を有する場合には、温度調節部をヒータ部により構成する。そして、液体窒素や液体ヘリウム等の寒材を充填した部分により周囲の温度を低下させるとともに、温度調節部により加温することにより、超電導スイッチ７８周囲の温度を調節可能とする。すなわち、超電導モータの超電導スイッチ７８周囲に供給する寒材の温度は、外部に設けた、寒材と外気との熱交換を可能とする熱交換部を有する冷却システムにより、超電導スイッチ７８周囲に供給する寒材が温度上昇する傾向となった場合でも冷却して、超電導スイッチ７８周囲に供給する寒材を一定の低温に調節可能とする。そして、温度調節部に、界磁電流制御部７６から制御信号を入力することにより、温度調節部が必要時に温度上昇して、超電導スイッチ７８周囲の温度を調節可能とする。
【００４２】
界磁電流制御部７６は、超電導モータ２６の回生制動時に、超電導電機子コイル６６から回収したエネルギが超電導界磁コイル５０に蓄積されることを可能とし、超電導モータ２６の力行時には、超電導界磁コイル５０に蓄積されたエネルギが超電導電機子コイル６６に放出されることを可能とする。すなわち、界磁電流制御部７６は、入力される信号に対応して、超電導界磁コイル５０と超電導電機子コイル６６との間でのエネルギの受け渡しを可能とする。このために、図４に示すように、界磁電流制御部７６は、入力される信号に対応して、回生制動時と力行時とモータ作動停止状態とのいずれであるかを判定するモータ作動状態判定手段８０と、モータ作動状態判定手段８０の判定結果に対応して、超電導スイッチ７８の断接の切り替えを制御する切り替え制御手段８２と、を有する。回生制動時には、モータ作動状態判定手段８０が、車両コントローラ３２にアクセル開度センサ３６（図２）やブレーキペダルセンサ４２（図２）から信号が入力され、車両コントローラ３２が、超電導モータ２６による車両の走行時に、アクセルペダルのオフや、ブレーキペダルの作動、すなわち、ブレーキペダルが踏まれたことを検出したことに対応して、回生制動時であると判定し、これに対応する信号がモータコントローラ４４に入力され、モータコントローラ４４は、超電導モータ２６が発電した交流電圧を直流電圧に変換するための信号を生成し、インバータ４６に出力する。
【００４３】
なお、インバータ４６と超電導界磁コイル５０との間にＤＣ／ＤＣコンバータを設けて、超電導界磁コイル５０からの直流電圧を昇圧してインバータ４６に供給することを可能とするとともに、インバータ４６からの直流電圧を降圧して超電導界磁コイル５０に供給することを可能とする構成としてもよい。
【００４４】
また、モータコントローラ４４に、インバータ４６から超電導モータ２６が発電状態であることを表す信号が入力された場合、または、車両コントローラ３２から超電導モータ２６が発電した交流電圧を直流電圧に変換させる指令を表す信号が入力された場合に、モータコントローラ４４は、界磁電流制御部７６に制御信号を出力し、界磁電流制御部７６のモータ作動状態判定手段８０は、回生制動時であると判定し、切り替え制御手段８２が、温度調節部に制御信号を入力することにより、超電導スイッチ７８を切断、すなわち開放状態に切り替える。この結果、超電導電機子コイル６６からインバータ４６を介して超電導界磁コイル５０に流れる界磁電流が増大し、超電導モータ２６が回生状態となる。
【００４５】
また、モータコントローラ４４に、インバータ４６から超電導モータ２６が力行状態であることを表す信号が入力された場合、または、車両コントローラ３２（図２）から超電導界磁コイル５０からの直流電圧を交流電圧に変換させる指令を表す信号が入力された場合に、モータコントローラ４４は、界磁電流制御部７６に制御信号を出力し、モータ作動状態判定手段８０は、力行時であると判定し、切り替え制御手段８２が、超電導スイッチ７８を切断、すなわち開放状態に切り替える。この結果、超電導界磁コイル５０からインバータ４６を介して超電導電機子コイル６６に電流が流れて、超電導モータ２６が力行状態となる。この場合、超電導界磁コイル５０に蓄積されたエネルギがインバータ４６を介して超電導電機子コイル６６に供給される。また、モータコントローラ４４は、車両コントローラ３２から、超電導モータ２６を回生させるための信号を入力されて、インバータ４６に、トルク指令値及びモータ回転数に基づいて、インバータ４６のスイッチング素子を制御するための信号を生成し、インバータ４６に出力する。この結果、超電導電機子コイル６６に電流が流れることによりステータ５２に発生する磁界と、超電導界磁コイル５０に電流が流れることによりロータ５２に発生する磁界との相互作用により、超電導モータ２６が同期モータとして作用して、超電導モータ２６が回転する。
【００４６】
また、車両の走行停止時、またはエンジン１２（図２）による車両の走行時等に、車両コントローラ３２からモータコントローラ４４にモータ作動停止状態で、エネルギ貯蔵指示状態であることを表す信号が入力された場合に、モータコントローラ４４は、界磁電流制御部７６に制御信号を出力し、モータ作動状態判定手段８０は、モータ作動停止状態であると判定し、切り替え制御手段８２が、温度調節部に制御信号を入力することにより、超電導スイッチ７８を接続状態に切り替える。この結果、超電導界磁コイル５０と短絡路７４との間で電流が超電導状態で循環して、超電導界磁コイル５０にエネルギが貯蔵される。このために、例えば、超電導界磁コイル５０及び超電導電機子コイル６６を含む超電導モータ２６と、超電導スイッチ７８とを含む部分は、上記の寒材と冷却システムにより、超電導状態が維持される低温に維持する。このように超電導界磁コイル５０にエネルギが超電導状態で貯蔵される場合でも、超電導界磁コイル５０に電流が超電導状態で流れるため、励磁されて、ステータ５２にＮ極及びＳ極が周方向に交互に配置される状態が維持される。
【００４７】
このように界磁電流制御部７６は、入力される信号に対応して、超電導界磁コイル５０と超電導電機子コイル６６との間でのエネルギの受け渡しを可能とするとともに、超電導電機子コイル６６と超電導界磁コイル５０とを相互作用させることにより、超電導モータ２６の力行または回生を可能とする超電導モータ作動状態と、超電導電機子コイル６６と超電導界磁コイル５０との間でのエネルギの受け渡しを阻止するとともに、短絡路７４により超電導界磁コイル５０を短絡した状態で超電導界磁コイル５０に電流を循環させ続けることにより、エネルギを超電導状態で貯蔵するエネルギ貯蔵状態と、を切り替える機能を有する。
【００４８】
なお、図３では、インバータ４６とモータコントローラ４４とが別体のような図示をしているが、インバータ４６とモータコントローラ４４とを単一のケース内に収容してインバータユニットを構成することもできる。
【００４９】
また、本実施の形態では、「超電導電機子コイル６６と超電導界磁コイル５０との間の電力バランス制御」を行っている。このために、超電導モータ装置２４は、インバータ４６の超電導界磁コイル５０側の入力電圧であるシステム電圧を検出する電圧検出手段である電圧センサ８４を備える。電圧センサ８４の検出信号は、界磁電流制御部７６に入力している。また、界磁電流制御部７６は、検出されたシステム電圧が予め設定される一定値または一定の範囲（例えば一定電圧に対して５％以下から５％以上までの範囲）となるように、インバータ４６を、モータコントローラ４４を介して、例えば、フィードバック制御により制御している。この場合、超電導電機子コイル６６に流す電流は、トルク制御により制御する。「トルク制御」は、超電導電機子コイル６６に流す電流を、モータコントローラ４４に入力されるトルク指令に応じて変えるように、モータコントローラ４４によりインバータ４６の駆動を制御することである。例えば、検出されたシステム電圧が、トルク指令に応じて設定されるシステム電圧目標値よりも高い場合には、界磁電流制御部７６がモータコントローラ４４に制御信号を出力し、超電導モータ２６の回生量を大きくするように、超電導界磁コイル５０に流れる電流を増大させて、超電導電機子コイル６６側から超電導界磁コイル５０側にエネルギが吸収されるようにする。これに対して、検出されたシステム電圧がシステム電圧目標値よりも低い場合には、界磁電流制御部７６がモータコントローラ４４に制御信号を出力し、超電導モータ２６の回生量を少なくするように、超電導界磁コイル５０に流れる電流を減少させて、超電導界磁コイル５０側から超電導電機子コイル６６側へエネルギが放出されるようにする。
【００５０】
このような超電導モータ装置２４は、図１に示すように、左右の車輪１４のそれぞれに対応して、ハイブリッド車両１０の左右両側に１個ずつ設けられている。また、左右の車輪１４をそれぞれ駆動する２個の超電導モータ装置２４の少なくとも一部は、左右の車輪１４のそれぞれの内側に配置されている。
【００５１】
このような超電導モータ装置２４及びハイブリッド車両１０によれば、超電導モータ２６の駆動源として大きな電力源を設けずに済む構造を実現できる。すなわち、超電導界磁コイル５０と超電導電機子コイル６６との相互作用により、超電導モータ２６の力行または回生が可能となり、超電導界磁コイル５０から供給されるエネルギにより超電導電機子コイル６６に回転磁界生成用の電流が流れ、超電導界磁コイル５０に蓄積されるエネルギにより、超電導界磁コイル５０が励磁される。このため、超電導界磁コイル５０が、超電導モータ２６の界磁コイルとしての機能だけでなく、エネルギ貯蔵部と超電導電機子コイル６６への電力供給源との機能も有し、超電導モータ２６にエネルギ貯蔵機能を持たせることができる。すなわち、本実施の形態の超電導モータ装置２４は、超電導磁気エネルギ貯蔵装置（ＳＭＥＳ）を有するような構造となる。したがって、超電導モータ２６とは別に大きな二次電池を設ける必要がなくなる。この結果、超電導モータ装置２４の小型化及び軽量化を図れる。
【００５２】
また、本実施の形態の場合には、界磁電流制御部７６は、検出されたシステム電圧が一定値または一定の範囲となるように、インバータ４６を制御している。また、超電導電機子コイル６６に流す電流は、トルク制御により制御する。このため、超電導電機子コイル６６と超電導界磁コイル５０との間での入出力される電力をより有効にバランスさせることができ、本実施の形態のように、インバータ４６の超電導界磁コイル５０側にコンデンサ７７を設ける場合でも、コンデンサ７７両端に印加される電圧が過大や過小になることをより有効に防止できる。すなわち、本実施の形態の場合と異なり、超電導電機子コイル６６に流す電流を、モータコントローラ４４に入力されるトルク指令に応じて変える「トルク制御」すなわち「インバータ４６についての電力制御」により制御するとともに、超電導界磁コイル５０に流す電流を、検出された電流値を用いて制御する電力制御により制御することも考えられる。ただし、このようにインバータ４６と超電導界磁コイル５０との両方を電力制御により制御する場合には、センサの検出誤差等による制御誤差が生じた場合に、超電導電機子コイル６６と超電導界磁コイル５０との間での入出力される電力がバランスしないで、コンデンサ７７両端に過電圧が印加されたり、コンデンサ７７両端に印加される電圧が過小になり、インバータ４６を有効に高精度に制御することが困難になる可能性がある。これに対して、本実施の形態のように、切り替え制御ユニット４８は、検出されたシステム電圧が一定値または一定の範囲となるように、インバータ４６を制御する構成によれば、上記の不都合を防止でき、本実施の形態のように、インバータ４６の超電導界磁コイル５０側にコンデンサ７７を設ける場合に、コンデンサ７７両端に印加される電圧が過大や過小になることをより有効に防止できる。この構成によれば、超電導界磁コイル５０に供給される電力が成り行きとなり、電力のアンバランスを抑制できる。また、超電導モータ２６の磁気回路と磁気エネルギ貯蔵部とが同じ超電導界磁コイル５０を共用するのにもかかわらず、トルク指令に対応する超電導モータ２６の出力トルクをより有効に高精度に制御することができる。
【００５３】
なお、電圧センサ８４からの検出信号を直接モータコントローラ４４に入力し、モータコントローラ４４は、電圧センサ８４により検出されたシステム電圧が一定値または一定の範囲となるように、インバータ４６を制御することもできる。
【００５４】
また、本実施の形態のハイブリッド車両１０のように、車輪１４を駆動するモータを使用する車両に本発明を適用する場合に、ハイブリッド車両１０に大きな二次電池設置用の空間を設ける必要がなくなり、ハイブリッド車両１０に関する空間の利用効率の向上を図れる。図７は、従来から考えられているエンジンと走行用モータとのうち、一方を車輪１４の主駆動源として使用する従来型ハイブリッド車両８８の１例を示している。従来型ハイブリッド車両８８は、車両後側の荷室９０または荷室９０付近に大きな二次電池９２が設けられている。また、車両前側のエンジンルーム３４に図示しないエンジンや、変速装置等の動力伝達装置の他に、モータジェネレータ装置（ＭＧ）９４と、コントロールユニット（ＰＣＵ）９６とが設けられている。モータジェネレータ装置９４は、図示しない走行用モータと発電機とを含む。
【００５５】
図７に示した従来型ハイブリッド車両８８と、図１に示した本実施の形態のハイブリッド車両１０とを比較すれば明らかなように、本実施の形態のハイブリッド車両１０の場合には、従来型ハイブリッド車両８８に対して、図７に斜線部で示すモータジェネレータ装置９４のうち、少なくとも走行用モータと、大きな容量を有する二次電池９２とをなくすことができる。なお、図１に示すように、本実施の形態のハイブリッド車両１０の場合には、エンジンルーム３４に小型の補機用二次電池９８を設けているが、この補機用二次電池９８は、１２Ｖ等の低電圧の補機駆動用であり、図７に示す従来型ハイブリッド車両８８の場合と異なり、走行用モータに電力を供給するための二次電池９２のように大きくする必要がなく、補機用二次電池９８（図１）は十分に小さくでき、ハイブリッド車両１０の空間の利用効率の向上を図れる。
【００５６】
また、本実施の形態によれば、ハイブリッド車両１０ではない、従来から多く製造されているエンジンにより車両を駆動するエンジン付車両において、左右の車輪の内側に超電導モータ装置２４（図１等）の少なくとも一部を設ける等により、エンジン付車両の構造の多くを使用しながら、ハイブリッド車両１０を実現でき、部品の共用化によるコスト低減を図れる。すなわち、エンジン付車両に施す改造や変更を少なく抑えながら、制動時にエネルギを回収する回生機能と、車輪１４の電動駆動の機能とを有するハイブリッド車両１０を容易に実現できる。また、多くの車種へハイブリッド車両１０を展開することをより容易に行える。
【００５７】
［第２の発明の実施の形態］
図８は、本発明に係る第２の実施の形態において、超電導モータ装置を示す、図３に対応する図である。本実施の形態の超電導モータ装置２４ａでは、超電導界磁コイル５０の貯蔵エネルギが変化して、超電導界磁コイル５０が有する界磁量が変化する場合でも、超電導電機子コイル６６に流すトルク電流が一定であれば、超電導モータ２６の発生トルクが一定になるようにすることを目的としている。すなわち、本実施の形態は、超電導界磁コイル５０の貯蔵エネルギが変化した場合に、超電導界磁コイル５０が有する界磁量が変化し、超電導電機子コイル６６に流すトルク電流が一定であっても、超電導モータ２６の発生トルクが変化してしまう不都合をなくすべく考えられたものである。このために、本実施の形態では、「貯蔵エネルギの変化に対応するトルク制御」を行っている。すなわち、超電導モータ装置２４ａに、超電導界磁コイル５０に流れる電流を検出するための電流検出手段である電流センサ１００を設けている。また、各モータコントローラ４４は、電流センサ１００により検出された電流検出値と、入力される超電導モータ２６のトルク指令値とに対応して超電導電機子コイル６６に流すトルク電流目標値を決定し、トルク電流目標値に対応してインバータ４６を制御する。すなわち、各モータコントローラ４４は、超電導界磁コイル５０の貯蔵エネルギの変化に応じて、そのときの超電導界磁コイル５０が有する界磁量から後述するトルク定数Ｋｔを算出し、トルク定数Ｋｔに対応する電機子電流目標値であるトルク電流目標値を決定する。
【００５８】
具体的には、貯蔵エネルギＥは、次の（１）式により算出される。
Ｅ＝Ｌ×Ｉ2／２・・・（１）
ここで、Ｌは超電導界磁コイル５０のインダクタンスであり、Ｉは超電導界磁コイル５０に流れる電流である界磁電流である。Ｌは、予め定数として設定することができる。このため、超電導界磁コイル５０に流れる電流Ｉを電流センサ１００により検出することにより、貯蔵エネルギＥを算出することができる。
【００５９】
また、超電導界磁コイル５０が有する界磁量Φは、次の（２）式により算出される。
Φ＝Ｌ×Ｉ・・・（２）
【００６０】
また、トルク定数Ｋｔは、次の（３）式により算出される。
Ｋｔ＝Ｐ×Φ・・・（３）
ここで、Ｐは、ステータ５２の極対数である。このため、上記の（１）、（２）、（３）式から、電流センサ１００の検出値から界磁量Φが求められ、界磁量Φからトルク定数Ｋｔが算出される。
【００６１】
さらに、超電導モータ２６のトルク電流目標値Ｉｑは、次の（４）式により算出される。
Ｉｑ＝Ｔａ／Ｋｔ・・・（４）
ここで、Ｔａは、モータコントローラ４４に入力されるトルク指令である。このため、上記の（４）式と、上記の（３）式で決定されたトルク定数Ｋｔとからトルク指令Ｔａに対応するトルク電流目標値Ｉｑが決定される。すなわち、電流センサ１００の検出値から、トルク指令Ｔａに対応するトルク電流目標値Ｉｑが決定される。モータコントローラ４４は、決定されたトルク電流目標値Ｉｑにしたがって、インバータ４６を制御し、超電導モータ２６を駆動する。
【００６２】
このような本実施の形態によれば、インバータ４６を制御するモータコントローラ４４と、超電導界磁コイル５０に流れる電流を検出する電流センサ１００とを備え、モータコントローラ４４は、電流センサ１００により検出された電流検出値Ｉと、入力される超電導モータ２６のトルク指令値Ｔａとに対応してトルク電流目標値Ｉｑを決定し、トルク電流目標値Ｉｑに対応してインバータ４６を制御する。このため、超電導界磁コイル５０の貯蔵エネルギの変化により、超電導状態で流れる電流が変化する場合でも、トルク指令に対応して超電導電機子コイル６６に流すトルク電流を変化させることができ、より有効に超電導モータ２６の性能向上を図れる。その他の構成及び作用は、上記の第１の実施の形態と同様であるため、同等部分には同一符号を付して重複する図示及び説明を省略する。
【００６３】
なお、界磁電流制御部７６に電流センサ１００からの検出信号を入力し、界磁電流制御部７６は、電流検出値Ｉと、トルク指令値Ｔａとに対応してトルク電流目標値Ｉｑを決定し、界磁電流制御部７６は、モータコントローラ４４を介して、トルク電流目標値Ｉｑに対応してインバータ４６を制御することもできる。
【００６４】
［第３の発明の実施の形態］
図９は、本発明に係る第３の実施の形態において、超電導モータ装置を示す、図３に対応する図である。図１０は、第３の実施の形態において、システム電圧を制御する方法を説明するための誘起電圧とシステム電圧との関係を示す図である。なお、上記の図１から図６に示した第１の実施の形態と同じ要素には同一符号を付して説明する。本実施の形態の超電導モータ装置２４ｂでは、超電導界磁コイル５０の貯蔵エネルギ量や、超電導モータ２６の動作状態にかかわらず、システム全体の効率をより高くすることを目的としている。すなわち、本実施の形態は、次のような不都合をなくすべく考えられたものである。すなわち、インバータ４６の超電導界磁コイル５０側の入力電圧であるシステム電圧が高くなると、システム電圧の大きさに比例するインバータ４６のスイッチング損失が増大し、システムである超電導モータ装置２４ｂ全体の効率が悪化する原因となる。このため、従来からシステム電圧を低くすることが考えられているが、システム電圧が過度に低くなると、超電導モータ２６が発生する誘起電圧（逆起電圧）がシステム電圧よりも高くなって、超電導モータ２６側で勝手に発電し、超電導電機子コイル６６に超電導モータ２６の駆動のために適切な電流を流すことが困難になる可能性がある。
【００６５】
また、誘起電圧Ｖｒは、超電導モータ２６の角速度をωとし、超電導界磁コイル５０の磁束量をΦとした場合に、次の（４）式で表される。
Ｖｒ＝ω×Φ・・・（４）
【００６６】
このことから、超電導モータ２６の誘起電圧Ｖｒは、超電導モータ２６の回転数が高くなるほど大きくなることが分かる。このため、超電導モータ２６の回転数が高くなる場合には、上記のように超電導電機子コイル６６に適切な電流を流すことが困難になるという、不都合が生じる可能性がさらに高くなる。従来から考えられている永久磁石付同期電動モータにおいて、電動モータの駆動源として二次電池を使用し、二次電池からの直流電流をインバータにより交流電流に変換する構造の場合には、例えば、電動モータの回転数が高くなる場合に、永久磁石から出る磁束を減じるように電機子コイルに流れる電流の位相を調整することにより、電動モータの誘起電圧を減らす、「弱め界磁制御」を行うことが考えられている。ただし、このような弱め界磁制御を行うことは、トルクに寄与しない電流を電機子コイルに流すことになるため、システムの効率が悪化する原因になる。また、本実施の形態では、超電導モータ２６の駆動源が超電導界磁コイル５０であり、超電導モータ２６の駆動により超電導界磁コイル５０の磁束量が変化して、誘起電圧も変化するため、これを考慮する必要もある。本実施の形態は、このような事情を考慮して、超電導界磁コイル５０の貯蔵エネルギ量や、超電導モータ２６の動作状態にかかわらず、システム全体の効率をより高くすることを目的として考えられたものである。
【００６７】
すなわち、本実施の形態では、図９に示すように、界磁電流制御部７６が、超電導モータ２６の誘起電圧に応じてシステム電圧が変化するようにインバータ４６を制御する、「最適システム電圧制御」を行っている。具体的には、超電導モータ装置２４ｂは、上記の第１の実施の形態と同様に、インバータ４６を制御するモータコントローラ４４を備える。また、超電導モータ装置２４ｂは、超電導界磁コイル５０に流れる電流を検出する電流センサ１００と、超電導モータ２６の回転速度を検出する回転速度センサ１０２と、インバータ４６のシステム電圧を検出する電圧センサ８４とを備える。
【００６８】
また、切り替え制御ユニット４８が有する界磁電流制御部７６は、電流センサ１００により検出された電流検出値と、回転速度センサ１０２により検出された回転速度検出値とから超電導モータ２６が発生する誘起電圧を算出し、誘起電圧が小さいときにシステム電圧を小さくし、誘起電圧が大きいときにシステム電圧を大きくするように、インバータ４６を、モータコントローラ４４を介して制御し、超電導モータ２６による回生量を調整する。より具体的には、図１０に示すように、界磁電流制御部７６は、システム電圧が誘起電圧（ωΦ）の増加に対して直線的に比例して大きくなるように制御している。このような図１０に示す関係は、マップのデータとして、界磁電流制御部７６に記憶させている。また、回転速度検出値から超電導モータ２６の回転各速度ωが求められ、電流検出値から超電導界磁コイル５０の磁束量が求められるため、回転速度検出値と電流検出値とから誘起電圧ωΦに対応するシステム電圧が設定される。なお、図１０に示すように、誘起電圧がある値以上でシステム電圧が一定値になっているが、この一定値は、インバータ４６を構成するスイッチング素子の耐電圧に対応して設定される。
【００６９】
このような本実施の形態によれば、入力される超電導モータ２６のトルク指令値に対応してインバータ４６を制御するモータコントローラ４４と、超電導界磁コイル５０に流れる電流を検出する電流センサ１００と、超電導モータ２６の回転速度を検出する回転速度センサ１０２と、インバータ４６の超電導界磁コイル５０側の入力電圧であるシステム電圧を検出する電圧センサ８４とを備える。また、界磁電流制御部７６は、電流センサ１００により検出された電流検出値と、回転速度センサ１０２により検出された回転速度検出値とから超電導モータ２６が発生する誘起電圧を算出し、誘起電圧が小さいときにシステム電圧を小さくして、誘起電圧が大きいときにシステム電圧を大きくするように、インバータ４６を制御して、超電導モータ２６による回生量を調整する。このため、超電導界磁コイル５０の界磁量が大きくなった場合や、超電導モータ２６の回転速度が高くなった場合に、誘起電圧が高くなる場合でも、システム電圧が誘起電圧よりも過度に下回ることを防止でき、しかも超電導モータ２６の回転速度が低くなり、かつ、超電導界磁コイル５０の界磁量が小さい場合に、システム電圧を小さくして、スイッチング損失の低減をはかれる。また、超電導界磁コイル５０の界磁量が大きくなった場合や、超電導モータ２６の回転速度が高くなった場合に、システム電圧が高くなるので、弱め界磁制御を行う必要がなくなる。この場合、システム電圧が高くなるのでスイッチング損失は増大するが、弱め界磁制御を行う場合に比べてシステム全体の効率を高くできる。この結果、超電導界磁コイル５０に貯蔵される貯蔵エネルギ量や、超電導モータ２６の動作状態の変化にかかわらず、より有効にシステム全体の効率を高くできる。その他の構成及び作用は、上記の図１から図６に示した第１の実施の形態と同様であるため、同等部分には同一符号を付して重複する図示及び説明を省略する。
【００７０】
なお、電圧センサ８４、電流センサ１００、回転速度センサ１０２からの検出信号を直接モータコントローラ４４に入力し、モータコントローラ４４は、電流センサ１００により検出された電流検出値と、回転速度センサ１０２により検出された回転速度検出値とから超電導モータ２６が発生する誘起電圧を算出し、誘起電圧が小さいときにシステム電圧を小さくし、誘起電圧が大きいときにシステム電圧を大きくするように、インバータ４６を制御することもできる。
【００７１】
［第４の発明の実施の形態］
図１１は、本発明に係る第４の実施の形態において、超電導モータ装置を示す、図３に対応する図である。本実施の形態の超電導モータ装置２４ｃでは、ハイブリッド車両１０（図１等参照）に過度に大きな二次電池を設けることなく、超電導界磁コイル５０の貯蔵電力が零等、超電導モータ装置２４ｃの貯蔵電力が低下した状態からでも、車両を安定して始動させるとともに、安定して通常走行させることができるようにすることを目的としている。すなわち、貯蔵電力が零である状態では、超電導界磁コイル５０の界磁量も零になるので、何ら工夫しない場合には、超電導モータ２６が力行も回生もいずれも行えなくなってしまい、超電導モータ装置２４が正常な機能を発揮できない可能性がある。これに対して、本実施の形態では、上記の図１から図６に示した第１の実施の形態において、超電導モータ装置２４ｃに、超電導界磁コイル５０に流れる電流を検出する電流センサ１００を設けている。また、超電導モータ装置２４ｃに、インバータ４６を制御するためのモータコントローラ４４（図３等参照）を設けている。
【００７２】
また、本実施の形態のハイブリッド車両１０（図１等参照）は、エンジン１２（図１等参照）を始動する始動装置３０（図１参照）等の補機に電力を供給する１２Ｖ等の低電圧の補機用二次電池９８を設けている。また、補機用二次電池９８は、昇圧コンバータであるＤＣ−ＤＣコンバータ１０４を介して、超電導電機子コイル６６と超電導界磁コイル５０との少なくとも一方への電力の供給を可能に接続されている。また、ハイブリッド車両１０は、第２切り替え手段である第２スイッチ１０６と、第２切り替え制御手段である、第２スイッチ制御部１０８とを備える。第２スイッチ１０６は、超電導電機子コイル６６と超電導界磁コイル５０との間と、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０４との間に設けられ、超電導電機子コイル６６と超電導界磁コイル５０との間と、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０４との間の断接を切り替える。第２スイッチ制御部１０８は、ＣＰＵ、メモリ等を有するマイクロコンピュータであり、電流センサ１００により検出された電流検出値が予め設定された所定電流値以下の場合に、第２スイッチ１０６を接続するように、第２スイッチ１０６の接続状態を制御する。このため、第２スイッチ制御部１０８は、超電導界磁コイル５０を流れる電流が不足している場合に、補機用二次電池９８から超電導界磁コイル５０への電力の供給を可能とする。
【００７３】
また、第２スイッチ制御部１０８は、電流センサ１００により検出された電流検出値が予め設定された第２の所定電流値以上の場合に、第２スイッチ１０６を切断し、超電導界磁コイル５０を流れる電流が十分である場合に、補機用二次電池９８から超電導界磁コイル５０への電力の供給を阻止する。
【００７４】
このような本実施の形態によれば、エンジン１２（図１等参照）を始動する始動装置に電力を供給する補機用二次電池９８を備え、補機用二次電池９８は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０４を介して超電導電機子コイル６６と超電導界磁コイル５０との少なくとも一方への電力の供給を可能に接続されている。このため、超電導モータ装置２４での貯蔵電力が零になった場合に、超電導界磁コイル５０の界磁がなくなり、超電導モータ２６を力行または回生のいずれにも作動できなくなる傾向となるのにもかかわらず、補機用二次電池９８により超電導界磁コイル５０に界磁のための電流を流すことができる。この界磁のための電流である界磁電流は、回生動作を可能とするだけの小さいもので済む。そして、その後、エンジン１２による車両走行開始後の回生制動により徐々に超電導界磁コイル５０に貯蔵される貯蔵電力を大きくして、すなわち超電導界磁コイル５０の界磁量を回復させて、通常の動作状態へ移行できる。界磁量が少ない場合には、回生電力も少ないが、界磁量が徐々に大きくなることにより、回生電力を急激に増大させて回復させることができる。このように最初の界磁量は少なくて済むので、超電導界磁コイル５０に電流を送るための補機用二次電池９８は、低電圧でよく、２００Ｖ〜３００Ｖ等の過度に大きな二次電池とする必要はない。このため、ハイブリッド車両１０（図１等参照）に過度に大きな二次電池を設けることなく、超電導モータ装置２４ｃの貯蔵電力が低下した場合でも、車両を安定して始動させるとともに、安定して通常走行させることができる。その他の構成および作用は、上記の図１から図６に示した第１の実施の形態と同様であるため、同等部分には同一符号を付して重複する図示及び説明を省略する。
【００７５】
なお、第２スイッチ１０６は、超電導電機子コイル６６と超電導界磁コイル５０との間と、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０４との間ではなく、補機用二次電池９８とＤＣ／ＤＣコンバータ１０４との間の接続部に設けることもできる。また、界磁電流制御部７６や、モータコントローラ４４や、車両コントローラ３２に、第２スイッチ制御部１０８の機能を持たせるようにして、第２スイッチ制御部１０８を省略することもできる。
【００７６】
また、上記の各実施の形態では、超電導界磁コイル５０をステータ５２側に、超電導電機子コイル６６をロータ５４側に、それぞれ設けているが、超電導界磁コイル５０をロータ側に、超電導電機子コイル６６をステータ側に、それぞれ設けることもできる。
【００７７】
また、上記の各実施の形態では、超電導モータ２６に超電導電機子コイル６６を設けているが、超電導電機子コイル６６を、非超電導材料等の従来から一般的に使用されている材料製の電機子コイルとすることもできる。また、超電導材料として、常温で使用できる材料を使用する場合には、超電導界磁コイル５０及び超電導電機子コイル６６を含む部分を、寒材により温度低下させる必要がなくなる。また、超電導界磁コイル５０を短絡する短絡路７４に設ける超電導スイッチ７８は、界磁電流制御部７６により制御可能な別の切り替えスイッチとすることもできる。
【００７８】
また、上記の各実施の形態において、車両コントローラ３２とモータコントローラ４４とを単一の制御ユニットとして、エンジン１２からの信号、及び、アクセル開度センサ３６（図２参照）及びブレーキペダルセンサ４４（図２参照）からの信号を、直接単一の制御ユニットに入力して、制御ユニットがインバータ４６と切り替え制御ユニット４８とを制御する構成とすることもできる。また、超電導モータ装置２４は、後側の車輪１６（図１参照）の内側に少なくとも一部を設けて、後側の車輪１６を駆動する構成とすることもできる。
【００７９】
また、上記の各実施の形態では、２個の車輪１４の内側のそれぞれに少なくとも超電導モータ装置２４，２４ａ、２４ｂ、２４ｃの一部を設ける場合について説明したが、２個の車輪１４（または１６）の内側に超電導モータ装置２４，２４ａ、２４ｂ、２４ｃを設けず、エンジンルーム３４（図１）に１個の超電導モータ装置を設け、エンジン１２（図１等参照）の動力と超電導モータ装置の動力とのうちのいずれかを、変速機１８、差動装置２０、車軸２２等を介して車輪１４に伝達するハイブリッド車両とすることもできる。このような構成の場合も、従来から一般的に知られているハイブリッド車両の構成に比べて、大きな二次電池を設けずに済む構造を実現できる。
【００８０】
また、上記の各実施の形態では、電動車両がハイブリッド車両１０である場合を説明したが、本発明の超電導モータ装置を設ける電動車両は、車輪１４（または１６）を駆動する駆動源として、単に超電導モータ装置のみを設け、エンジン１２を使用しない電気自動車とすることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】本発明の第１の実施の形態の超電導モータ装置を備える電動車両である、ハイブリッド車両の略構成図である。
【図２】第１の実施の形態のハイブリッド車両のブロック図である。
【図３】第１の実施の形態の超電導モータ装置の略構成図である。
【図４】界磁電流制御部の構成要素を示す図である。
【図５】第１の実施の形態の超電導モータ装置の略断面図である。
【図６】図５のＡ−Ａ断面図である。
【図７】従来から考えられているエンジンと走行用モータとのうち、一方を車輪の主駆動源として使用する従来型ハイブリッド車両の１例を示す図である。
【図８】本発明に係る第２の実施の形態において、超電導モータ装置を示す、図３に対応する図である。
【図９】本発明に係る第３の実施の形態において、超電導モータ装置を示す、図３に対応する図である。
【図１０】第３の実施の形態において、システム電圧を制御する方法を説明するための誘起電圧とシステム電圧との関係を示す図である。
【図１１】本発明に係る第４の実施の形態において、超電導モータ装置を示す、図３に対応する図である。
【符号の説明】
【００８２】
１０ ハイブリッド車両、１２ エンジン、１４，１６ 車輪、１８ 変速機（Ｔ／Ｍ）、２０ 差動装置、２２ 車軸、２４，２４ａ，２４ｂ，２４ｃ 超電導モータ装置、２６ 超電導モータ、２８ 発電機、３０ 始動装置、３２ 車両コントローラ、３４ エンジンルーム、３６ アクセル開度センサ、３８ 車速センサ、４０ シフトセンサ、４２ ブレーキペダルセンサ、４４ モータコントローラ、４６ インバータ、４８ 切り替え制御ユニット、５０ 超電導界磁コイル、５２ ステータ、５４ ロータ、５６ 回転軸、５８ ケース、６０ ロータ要素、６４ ロータコア、６６ 超電導電機子コイル、６８ インバータ制御一体ユニット、７０ ユニットケース、７２ ステータコア、７４ 短絡路、７６ 界磁電流制御部、７７ コンデンサ、７８ 界磁電流制御部、８０ モータ作動状態判定手段、８２ 切り替え制御手段、８４ 電圧センサ、８８ エンジン、９０ 荷室、９２ 二次電池、９４ モータジェネレータ装置（ＭＧ）、９６ コントロールユニット（ＰＣＵ）、９８ 補機用二次電池、１００ 電流センサ、１０２ 回転速度センサ、１０４ ＤＣ／ＤＣコンバータ、１０６ 第２スイッチ、１０８ 第２スイッチ制御部。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超電導モータと、制御部とを備える超電導モータ装置、及び、電動車両に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、電気自動車またはハイブリッド車両等のモータを搭載した電動車両が知られている。電気自動車は、モータを駆動源として車両の左右両側の車輪である、左右車輪を駆動する。ハイブリッド車両は、モータと内燃機関とを備え、モータと内燃機関とのうち、少なくとも一方を主駆動源として、車両の左右両側の車輪である、左右車輪を駆動する。
【０００３】
このような電動車両は、モータに電力を供給するための電力源である二次電池やインバータが必要となる。このため、車両に二次電池搭載用の空間が必要になり、車両の部品配置上の制限がある。特に、電動車両がハイブリッド車両である場合には、左右車輪の動力源として内燃機関であるエンジンと、燃料タンクとが必要になるため、車両に対する部品配置の制限がさらに厳しくなる。例えばハイブリッド車両では、エンジンルームにモータ及びインバータが搭載され、荷室やフロアパネル下側に二次電池が搭載される場合が多い。このため、従来から製造されている単なるエンジン付車、すなわち、左右車輪の駆動源としてエンジンのみを使用する車両の構造の大部分をそのまま使用して、モータ、二次電池、インバータ等多くの部品をさらに備えるハイブリッド車両とすることは難しい。
【０００４】
また、ハイブリッド車両では、トランスミッション等を含む動力伝達部等の基幹ユニットをハイブリッド車両専用に変更する必要がある。例えば、基幹ユニットとして、従来から車両走行停止時に自動でエンジンを停止させるアイドルストップ機能や、無段変速装置（ＣＶＴ）の機能を有するものを使用する場合がある。このような事情から、従来から、開発に要する資力や工程が膨大になることが、ハイブリッド車両のさらなる車種増加と市場へのさらなる普及拡大とを行う面からの超えるべき点となっている。ただし、動力伝達部等のハイブリッド車両用の基幹ユニットの機能の少なくとも一部を、エンジン付車でも備えるようにすることは、比較的容易に開発できる可能性がないとはいえない。
【０００５】
これに対して、特許文献１には、内燃機関エンジンとモータとを組み合わせて車両を駆動させるハイブリッド自動車の車両駆動システムであって、モータとして超電導モータを用い、該超電導モータは二次電池から供給される電力で稼働される構成としている車両駆動システムが記載されている。また、特許文献２には、内燃機関と燃料電池と蓄電手段とモータと、内燃機関とモータとの少なくとも一方により駆動される車輪とを有するハイブリッド電気自動車であって、蓄電手段がバッテリーまたはキャパシターまたはＳＭＥＳ（超電導磁気エネルギー貯蔵装置）あるいはこれらの組み合わせであるハイブリッド電気自動車が記載されている。
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−２０９１３号公報
【特許文献２】特開２００４−２２９４８０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ただし、特許文献１に記載されたハイブリッド自動車のように、単に車輪駆動用のモータとして、二次電池から供給される電力により稼働される超電導モータを使用しただけでは、二次電池が必要になる状況、及び、車両に二次電池設置用の空間を確保する必要があることは、モータを超電導モータとしない場合と同じであり、車両に関する空間の利用効率を向上させる面から改良の余地がある。
【０００８】
また、特許文献２に記載されたハイブリッド電気自動車の場合、蓄電手段としてＳＭＥＳを使用しているが、モータとは別にＳＭＥＳを設ける必要があるため、蓄電手段として二次電池を使用する場合に比べて、車両のエンジンルームや、荷室等に二次電池の代わりにＳＭＥＳを設置する空間が必要になり、車両の空間効率を向上させる面からやはり改良の余地がある。
【０００９】
なお、上記のような不都合は、ハイブリッド車両の場合だけでなく、二次電池の大きな搭載空間が必要となる電動車両の場合も同様である。このため、従来から、モータ装置において、モータの駆動源として大きな二次電池等の電力源を設けずに済む構造の実現が望まれている。
【００１０】
本発明の目的は、超電導モータ装置及び電動車両において、モータの駆動源として大きな電力源を設けずに済む構造を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に係る超電導モータ装置は、超電導モータと、切り替え制御ユニットとを備え、超電導モータは、ステータとロータとのうちの一方に設けられて、回転磁界を生成する電機子コイルと、ステータとロータとのうちの他方に設けられて、電機子コイルに対向配置された超電導界磁コイルと、を有し、切り替え制御ユニットは、入力される信号に対応して、超電導界磁コイルと電機子コイルとの間でのエネルギの受け渡しを可能とするとともに、電機子コイルと超電導界磁コイルとを相互作用させることにより、超電導モータの力行または回生を可能とする超電導モータ作動状態と、電機子コイルと超電導界磁コイルとの間でのエネルギの受け渡しを阻止するとともに、短絡路により超電導界磁コイルを短絡した状態で超電導界磁コイルに電流を循環させ続けることにより、エネルギを超電導状態で貯蔵するエネルギ貯蔵状態と、を切り替えることを特徴とする超電導モータ装置である。
【００１２】
また、本発明に係る超電導モータ装置において、好ましくは、超電導界磁コイルに並列に接続される短絡路を備え、さらに、切り替え制御ユニットは、短絡路に断接可能に設けられる切り替え手段と、界磁電流制御部とを備え、界磁電流制御部は、入力される信号に対応して回生制動時と力行時とモータ作動停止状態とのいずれであるかを判定するモータ作動状態判定手段と、モータ作動状態判定手段の判定結果に対応して、切り替え手段の断接の切り替えを制御する切り替え制御手段と、を有する。
【００１３】
また、本発明に係る超電導モータ装置において、好ましくは、超電導界磁コイルと電機子コイルとの間に接続されたインバータと、インバータを制御するインバータ制御部と、インバータの超電導界磁コイル側の入力電圧であるシステム電圧を検出する電圧検出手段と、を備え、切り替え制御ユニットまたはインバータ制御部は、検出されたシステム電圧を一定または一定の範囲とするように、インバータを制御する。
【００１４】
また、本発明に係る超電導モータ装置において、好ましくは、超電導界磁コイルと電機子コイルとの間に接続されたインバータと、インバータを制御するインバータ制御部と、超電導界磁コイルに流れる電流を検出する電流検出手段と、を備え、切り替え制御ユニットまたはインバータ制御部は、電流検出手段により検出された電流検出値と、入力される超電導モータのトルク指令値とに対応してトルク電流目標値を決定し、トルク電流目標値に対応してインバータを制御する。
【００１５】
また、本発明に係る超電導モータ装置において、好ましくは、超電導界磁コイルと電機子コイルとの間に接続されたインバータと、インバータを制御するインバータ制御部と、超電導界磁コイルに流れる電流を検出する電流検出手段と、超電導モータの回転速度を検出する回転速度検出手段と、インバータの超電導界磁コイル側の入力電圧であるシステム電圧を検出する電圧検出手段と、を備え、切り替え制御ユニットまたはインバータ制御部は、電流検出手段により検出された電流検出値と、回転速度検出手段により検出された回転速度検出値とから超電導モータが発生する誘起電圧を算出し、誘起電圧が小さいときにシステム電圧を小さくし、誘起電圧が大きいときにシステム電圧を大きくするように、インバータを制御する。
【００１６】
また、本発明に係る電動車両は、超電導モータ装置を備え、超電導モータ装置を駆動源として、左右車輪を駆動する電動車両であって、超電導モータ装置は、上記の本発明に係る超電導モータ装置であることを特徴とする電動車両である。
【００１７】
また、本発明に係る電動車両において、好ましくは、内燃機関を備え、超電導モータ装置と内燃機関とのうち、少なくとも一方を主駆動源として、左右車輪を駆動し、ハイブリッド車両として使用される。
【００１８】
また、本発明に係る電動車両において、好ましくは、超電導モータ装置は、左右車輪のそれぞれに対応して車両の左右両側に少なくとも１個ずつ設けられている。
【００１９】
また、本発明に係る電動車両において、好ましくは、左右車輪をそれぞれ駆動する２個の超電導モータ装置の少なくとも一部は、左右車輪のそれぞれの内側に配置されている。
【００２０】
また、本発明に係る電動車両において、好ましくは、補機に電力を供給する二次電池を備え、二次電池は、昇圧コンバータを介して電機子コイルと超電導界磁コイルとの少なくとも一方への電力の供給を可能に接続されている。
【００２１】
また、本発明に係る電動車両において、好ましくは、電機子コイルと超電導界磁コイルとの間と、昇圧コンバータまたは二次電池との間に設けられ、電機子コイルと超電導界磁コイルとの間と、昇圧コンバータとの間の断接を切り替える第２切り替え手段と、超電導界磁コイルに流れる電流を検出する電流検出手段と、電流検出手段により検出された電流検出値が予め設定された所定電流値以下の場合に、第２切り替え手段を接続する第２切り替え制御手段と、を備え、第２切り替え制御手段は、超電導界磁コイルを流れる電流が不足している場合に、二次電池から超電導界磁コイルへの電力の供給を可能とする。
【００２２】
また、本発明に係る電動車両において、好ましくは、第２切り替え制御手段は、電流検出手段により検出された電流検出値が予め設定された第２の所定電流値以上の場合に、第２切り替え手段を切断し、超電導界磁コイルを流れる電流が十分である場合に、二次電池から超電導界磁コイルへの電力の供給を阻止する。
【発明の効果】
【００２３】
本発明に係る超電導モータ装置及び電動車両によれば、モータの駆動源として大きな電力源を設けずに済む構造を実現できる。すなわち、超電導界磁コイルと電機子コイルとの相互作用により、超電導モータの力行または回生が可能となり、超電導界磁コイルから電機子コイルに供給されるエネルギにより電機子コイルに回転磁界生成用の電流が流れ、超電導界磁コイルに蓄積されるエネルギにより、超電導界磁コイルが励磁される。このため、超電導界磁コイルが、モータの界磁コイルとしての機能だけでなく、エネルギ貯蔵部と電機子コイルへの電力供給源との機能も有し、超電導モータにエネルギ貯蔵機能を持たせることができる。したがって、超電導モータとは別に大きな二次電池を設ける必要がなくなる。この結果、超電導モータ装置の小型化及び軽量化を図れる。また、電動車両のように、車輪を駆動するモータとして超電導モータを使用する車両に本発明を適用する場合に、車両に大きな二次電池設置用の空間を設ける必要がなくなり、車両に関する空間の利用効率の向上を図れる。
【００２４】
また、超電導界磁コイルと電機子コイルとの間に接続されたインバータと、インバータを制御するインバータ制御部と、インバータの超電導界磁コイル側の入力電圧であるシステム電圧を検出する電圧検出手段と、を備え、切り替え制御ユニットまたはインバータ制御部は、検出されたシステム電圧を一定または一定の範囲とするように、インバータを制御する構成によれば、電機子コイルと超電導界磁コイルとの間での入出力される電力をより有効にバランスさせることができる。このため、電機子コイルと超電導界磁コイルとの間での入出力される電力をより有効にバランスさせることができ、インバータの超電導界磁コイル側にコンデンサを設ける場合でも、コンデンサ両端に印加される電圧が過大や過小になることをより有効に防止できる。すなわち、電機子コイルに流す電流と、超電導界磁コイルに流す電流とのそれぞれを、電力制御により制御することも考えられるが、このような電力制御の場合には、制御誤差が生じた場合に、電機子コイルと超電導界磁コイルとの間での入出力される電力がバランスしないで、コンデンサ両端に印加される電圧が過大や過小になる可能性がある。これに対して、上記のように、切り替え制御ユニットまたはインバータ制御部は、検出されたシステム電圧を一定または一定の範囲とするように、インバータを制御する構成によれば、上記の不都合を防止でき、インバータの超電導界磁コイル側にコンデンサを設ける場合でも、コンデンサ両端に印加される電圧が過大や過小になることをより有効に防止できる。この場合、例えば、電機子コイルに流す電流は、トルク制御により制御する。この構成によれば、超電導界磁コイルに供給される電力が成り行きとなり、電力のアンバランスを抑制できる。また、超電導モータの磁気回路と磁気エネルギ貯蔵部とが同じ超電導界磁コイルを共用するのにもかかわらず、トルク指令に対応する超電導モータの出力トルクをより有効に高精度に制御することができる。
【００２５】
また、超電導界磁コイルと電機子コイルとの間に接続されたインバータと、インバータを制御するインバータ制御部と、超電導界磁コイルに流れる電流を検出する電流検出手段と、を備え、切り替え制御ユニットまたはインバータ制御部は、電流検出手段により検出された電流検出値と、入力される超電導モータのトルク指令値とに対応してトルク電流目標値を決定し、トルク電流目標値に対応してインバータを制御する構成によれば、超電導界磁コイルの貯蔵エネルギの変化により、超電導状態で流れる電流が変化する場合でも、トルク指令に対応して電機子コイルに流れるトルク電流を変化させることができ、より有効に超電導モータの性能向上を図れる。
【００２６】
また、本発明に係る超電導モータ装置において、超電導界磁コイルと電機子コイルとの間に接続されたインバータと、インバータを制御するインバータ制御部と、超電導界磁コイルに流れる電流を検出する電流検出手段と、超電導モータの回転速度を検出する回転速度検出手段と、インバータの超電導界磁コイル側の入力電圧であるシステム電圧を検出する電圧検出手段と、を備え、切り替え制御ユニットまたはインバータ制御部は、電流検出手段により検出された電流検出値と、回転速度検出手段により検出された回転速度検出値とから超電導モータが発生する誘起電圧を算出し、誘起電圧が小さいときにシステム電圧を小さくし、誘起電圧が大きいときにシステム電圧を大きくするように、インバータを制御する構成によれば、超電導界磁コイルに貯蔵される貯蔵エネルギ量や、超電導モータの動作状態の変化にかかわらず、より有効にシステム全体の効率を高くできる。
【００２７】
また、本発明に係る電動車両において、内燃機関を備え、超電導モータ装置と内燃機関とのうち、少なくとも一方を主駆動源として、左右車輪を駆動し、ハイブリッド車両として使用される構成によれば、単にエンジンのみを駆動源として左右車輪を駆動するエンジン付車の構造の多くを共通化して利用することができ、コストを大幅に低減できるとともに、大きな二次電池を設ける必要がなくなる。また、大きな二次電池に対応する高電圧用のケーブルを設ける必要がなくなる。ハイブリッド車両の車室や荷室をより有効に広くしやすくなる。
【００２８】
また、超電導モータ装置は、左右車輪のそれぞれに対応して車両の左右両側に少なくとも１個ずつ設けられている構成において、左右車輪をそれぞれ駆動する２個の超電導モータ装置の少なくとも一部は、左右車輪のそれぞれの内側に配置されている構成によれば、単にエンジンのみを駆動源として左右車輪を駆動するエンジン付車の構造のより多くを共通化して利用することができ、コストをより大幅に低減できる。また、エンジン付車のエンジンルーム内の部品配置の制限をより有効に少なくでき、より多くの車種のエンジン付車を、ハイブリッド車両に変更しやすくなる。
【００２９】
また、補機に電力を供給する二次電池を備え、二次電池は、昇圧コンバータを介して電機子コイルと超電導界磁コイルとの少なくとも一方への電力の供給を可能に接続されている構成によれば、超電導モータ装置での貯蔵電力が零になった場合に、超電導界磁コイルの界磁がなくなり、超電導モータを力行または回生のいずれにも作動できなくなる傾向となるのにもかかわらず、二次電池により超電導界磁コイルに界磁のための電流を流すことができ、その後、内燃機関による車両走行開始後に回生制動により徐々に超電導界磁コイルに貯蔵される貯蔵電力を大きくして、通常の動作状態へ移行できる。このため、電動車両に過度に大きな二次電池を設けることなく、超電導界磁コイルの貯蔵電力が零等、超電導モータ装置の貯蔵電力が低下した状態からでも、車両を安定して始動させるとともに、安定して通常走行させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
［第１の発明の実施の形態］
以下において、図面を用いて本発明に係る実施の形態につき詳細に説明する。図１から図６は、本発明の第１の実施の形態を示している。図１は、本実施の形態の超電導モータ装置を備える電動車両である、ハイブリッド車両の略構成図である。図２は、本実施の形態のハイブリッド車両のブロック図である。図３は、本実施の形態の超電導モータ装置の略構成図である。図４は、界磁電流制御部の構成要素を示す図である。図５は、本実施の形態の超電導モータ装置の略断面図である。図６は、図５のＡ−Ａ断面図である。
【００３１】
図１に示すように、ハイブリッド車両１０は、内燃機関であるエンジン１２と、前側、後側の車輪１４，１６と、変速機（Ｔ／Ｍ）１８と、差動装置（ディファレンシャル装置）２０とを備える。前側の左右の車輪１４に左右の車軸２２を結合している。差動装置２０は、左右の車軸２２の間に設けている。エンジン１２からの動力は、変速機１８と、差動装置２０と、左右の車軸２２とを介して、左右の車輪１４に伝達される。このため、エンジン１２の駆動により、左右の車輪１４が回転駆動される。また、左右の車軸２２の端部に２個の超電導モータ装置２４を設けることにより、それぞれの超電導モータ装置２４を構成する超電導モータ２６（図２、図３参照）の駆動によっても、左右の車輪１４が回転駆動されるようにしている。また、エンジン１２の周辺部に、エンジン１２の出力軸の回転に伴って発電する発電機（オルタネータ）２８と、エンジン１２の始動時に図示しない起動スイッチの操作に対応して、エンジン１２の出力軸を回転させる補機である始動装置（スタータ）３０とを設けている。
【００３２】
図２に示すように、ハイブリッド車両１０は、車両コントローラ３２と、左右の車輪１４にそれぞれ対応する２個の超電導モータ装置２４とを備える。車両コントローラ３２は、エンジンルーム３４（図１）内に配置されて、車両を駆動するための動力を分配制御する機能を有する。車両コントローラ３２には、図示しないアクセルペダルの操作量に対応するアクセル開度を検出するアクセル開度センサ３６と、車速を検出するレゾルバ等により構成する車速センサ３８と、シフトポジションを検出するシフトセンサ４０と、ブレーキペダルの踏み込み量、またはブレーキペダルのオンオフを検出するブレーキペダルセンサ４２とからの検出信号を、それぞれ車両コントローラ３２に入力している。車両コントローラ３２は、ＣＰＵ、メモリであるＲＡＭ、ＲＯＭ等を有するマイクロコンピュータである。
【００３３】
エンジン１２に、車両コントローラ３２からの制御信号が入力されることにより、燃料噴射制御、点火制御、吸入空気量調節制御等の運転制御が行われるようにしている。また、エンジン１２からは、エンジン１２の回転数等のエンジン１２の運転状態を表す信号を車両コントローラ３２に出力している。なお、車両コントローラ３２とエンジン１２との間にエンジン用電子制御ユニット（エンジンＥＣＵ）を設けて、車両コントローラ３２からの信号により、エンジンＥＣＵを介してエンジン１２を運転制御し、また、エンジン１２からの運転状態を表す信号をエンジンＥＣＵに出力することもできる。
【００３４】
一方、２個の超電導モータ装置２４は、それぞれインバータ制御部であるモータコントローラ４４と、インバータ４６と、超電導モータ２６とを備える。超電導モータ２６の回転軸を、左右の車輪１４に連結することにより、超電導モータ２６の回転により左右の車輪１４が回転駆動されるようにしている。超電導モータ２６の駆動状態は、車両コントローラ３２から信号を入力される各モータコントローラ４４により制御している。各モータコントローラ４４は、インバータ４６に、スイッチング素子のスイッチングを制御するための信号をそれぞれ出力する。すなわち、各モータコントローラ４４は、ＣＰＵ、メモリであるＲＡＭ、ＲＯＭ等を有するマイクロコンピュータであり、インバータ４６を制御する。また、各モータコントローラ４４は、切り替え制御ユニット４８（図３参照）に、超電導モータ２６を構成する超電導界磁コイル５０（図３参照）からの電流をインバータ４６に送ることを指示する信号を出力する。この結果、インバータ４６は、対応する超電導モータ２６を駆動する。このようなハイブリッド車両１０は、超電導モータ２６を駆動源として、左右の車輪１４を駆動可能とする。すなわち、ハイブリッド車両１０は、超電導モータ装置２４とエンジン１２とのうち、少なくとも一方を主駆動源として、左右の車輪１４（図１）を駆動する。
【００３５】
図３、図４に示すように、１個の超電導モータ装置２４を構成する超電導モータ２６は、２個のステータ５２（図３ではステータ５２を１個のみ図示する。）と、ロータ５４とを軸方向に対向させたアキシャル型の同期モータである。すなわち、図５に示すように、超電導モータ２６は、回転軸５６に外嵌固定したロータ５４と、ケース５８の内側にロータ５４を介して軸方向に対向させた２個のステータ５２とを備える。ロータ５４は、２個の非磁性材製の円板状のロータ要素６０の間の円周方向複数個所等間隔位置に、それぞれ鉄心等の磁性材からなるロータコア６４と、ロータコア６４の周囲に巻装したＵ相、Ｖ相、Ｗ相の３相のロータ巻線である、超電導電機子コイル６６とを備える。各超電導電機子コイル６６は、例えば、酸化物超電導材料のイットリウム系、ビスマス系、タリウム系、ネオジウム系等の超電導材料により造っている。
【００３６】
また、車輪１４（図１）の回転にかかわらず回転しない部分にケース５８を固定するとともに、ケース５８に、インバータ制御部一体ユニット６８を固定している。インバータ制御部一体ユニット６８は、ユニットケース７０の内側に、図３に示す、インバータ４６と、モータコントローラ４４と、切り替え制御ユニット４８とを収容している。図５に戻り、各超電導電機子コイル６６には、図示しない整流子とブラシ等を介して、インバータ４６（図３）から３相の交流電流が送られるようにしている。超電導電機子コイル６６は、３相の交流電流が流れることにより、ロータ５４に回転磁界を生成する。
【００３７】
また、図６に示すように、各ステータ５２は、それぞれ円周方向複数個所等間隔位置に配置した鉄心等の磁性材からなるステータコア７２と、ステータコア７２の周囲に巻装したステータ巻線である、超電導界磁コイル５０とを備える。各ステータ５２は、超電導電機子コイル６６に、ロータ要素６０を介して対向させている。各超電導界磁コイル５０も、上記の各超電導電機子コイル６６と同様に、超電導材料により造っている。各超電導界磁コイル５０は、周方向に隣り合うもの同士で、巻き方向を異ならせることにより、各超電導界磁コイル５０に直流電流が流れることに伴って、図６に示すように、ステータ５２の周方向複数個所にＮ極とＳ極とが交互に配置されるようにしている。このように超電導モータ２６は、ロータ５４に設けられて回転磁界を生成する超電導電機子コイル６６と、ステータ５２に設けられて、超電導電機子コイル６６にロータ要素６０を介して対向配置された超電導界磁コイル５０とを有する。
【００３８】
このように構成するため、図３に示すように、インバータ４６から３相の超電導電機子コイル６６に３相の交流電流が流れることにより、ロータ５４が生成する回転磁界と、超電導界磁コイル５０が生成する磁界との相互作用により、ロータ５４が回転し、回転軸５６（図５、図６）が回転する。なお、ロータ５４に超電導電機子コイル６６を設ける構成は、図５に示したような構成に限定するものではなく、例えば、超電導電機子コイル６６は、ロータ５４の軸方向全長にわたって設け、その軸方向両端を直接ステータ５２に対向させることもできる。また、超電導界磁コイル５０の数及び配置も図５、図６に示す構成のような数及び配置に限定するものではなく、種々の数及び配置とすることもできる。
【００３９】
図３に戻って、本実施の形態では、超電導モータ２６へ電力を供給するための二次電池は設けていない。超電導モータ２６を力行状態で回転駆動する場合には、超電導界磁コイル５０で貯蔵したエネルギを、インバータ４６を介して超電導電機子コイル６６に供給する。インバータ４６は、超電導界磁コイル５０から供給される直流電圧を交流電圧に変換して超電導電機子コイル６６に供給する。すなわち、インバータ４６は、超電導界磁コイル５０と超電導電機子コイル６６との間に接続されている。また、車両の制動時に、超電導モータ２６で制動エネルギを吸収し、すなわち発電させることにより得たエネルギを、ロータ５４の超電導電機子コイル６６側からインバータ４６を介してステータ５２の超電導界磁コイル５０側へ送ることで、超電導界磁コイル５０にエネルギを貯蔵させるようにしている。
【００４０】
このために、切り替え制御ユニット４８は、インバータ４６と、超電導界磁コイル５０との間に接続している。なお、図３では、１個の超電導界磁コイル５０のみが切り替え制御ユニット４８に接続されているかのような図示をしているが、実際には、複数の超電導界磁コイル５０のすべてが切り替え制御ユニット４８に接続されている。切り替え制御ユニット４８は、超電導界磁コイル５０を短絡する短絡路７４と、界磁電流制御部７６とを備える。短絡路７４は、超電導界磁コイル５０に並列に接続されている。また、インバータ４６の超電導界磁コイル５０側にコンデンサ７７を接続している。
【００４１】
短絡路７４に、断接可能な切り替え手段である、超電導スイッチ７８を設けている。超電導スイッチ７８は、上記で説明したような超電導材料により造ったもので、周囲温度が常温になることで両端間が切断される一方、超電導材料が超電導状態になる低温に低下することで両端が電気抵抗零で短絡されるようにしている。このような超電導スイッチ７８の断接を制御するために、図示しない温度調節部により周辺温度を調節可能としている。温度調節部は、加温と冷却との少なくとも一方の温度変化を行えるようにしている。例えば、加温のみの機能を有する場合には、温度調節部をヒータ部により構成する。そして、液体窒素や液体ヘリウム等の寒材を充填した部分により周囲の温度を低下させるとともに、温度調節部により加温することにより、超電導スイッチ７８周囲の温度を調節可能とする。すなわち、超電導モータの超電導スイッチ７８周囲に供給する寒材の温度は、外部に設けた、寒材と外気との熱交換を可能とする熱交換部を有する冷却システムにより、超電導スイッチ７８周囲に供給する寒材が温度上昇する傾向となった場合でも冷却して、超電導スイッチ７８周囲に供給する寒材を一定の低温に調節可能とする。そして、温度調節部に、界磁電流制御部７６から制御信号を入力することにより、温度調節部が必要時に温度上昇して、超電導スイッチ７８周囲の温度を調節可能とする。
【００４２】
界磁電流制御部７６は、超電導モータ２６の回生制動時に、超電導電機子コイル６６から回収したエネルギが超電導界磁コイル５０に蓄積されることを可能とし、超電導モータ２６の力行時には、超電導界磁コイル５０に蓄積されたエネルギが超電導電機子コイル６６に放出されることを可能とする。すなわち、界磁電流制御部７６は、入力される信号に対応して、超電導界磁コイル５０と超電導電機子コイル６６との間でのエネルギの受け渡しを可能とする。このために、図４に示すように、界磁電流制御部７６は、入力される信号に対応して、回生制動時と力行時とモータ作動停止状態とのいずれであるかを判定するモータ作動状態判定手段８０と、モータ作動状態判定手段８０の判定結果に対応して、超電導スイッチ７８の断接の切り替えを制御する切り替え制御手段８２と、を有する。回生制動時には、モータ作動状態判定手段８０が、車両コントローラ３２にアクセル開度センサ３６（図２）やブレーキペダルセンサ４２（図２）から信号が入力され、車両コントローラ３２が、超電導モータ２６による車両の走行時に、アクセルペダルのオフや、ブレーキペダルの作動、すなわち、ブレーキペダルが踏まれたことを検出したことに対応して、回生制動時であると判定し、これに対応する信号がモータコントローラ４４に入力され、モータコントローラ４４は、超電導モータ２６が発電した交流電圧を直流電圧に変換するための信号を生成し、インバータ４６に出力する。
【００４３】
なお、インバータ４６と超電導界磁コイル５０との間にＤＣ／ＤＣコンバータを設けて、超電導界磁コイル５０からの直流電圧を昇圧してインバータ４６に供給することを可能とするとともに、インバータ４６からの直流電圧を降圧して超電導界磁コイル５０に供給することを可能とする構成としてもよい。
【００４４】
また、モータコントローラ４４に、インバータ４６から超電導モータ２６が発電状態であることを表す信号が入力された場合、または、車両コントローラ３２から超電導モータ２６が発電した交流電圧を直流電圧に変換させる指令を表す信号が入力された場合に、モータコントローラ４４は、界磁電流制御部７６に制御信号を出力し、界磁電流制御部７６のモータ作動状態判定手段８０は、回生制動時であると判定し、切り替え制御手段８２が、温度調節部に制御信号を入力することにより、超電導スイッチ７８を切断、すなわち開放状態に切り替える。この結果、超電導電機子コイル６６からインバータ４６を介して超電導界磁コイル５０に流れる界磁電流が増大し、超電導モータ２６が回生状態となる。
【００４５】
また、モータコントローラ４４に、インバータ４６から超電導モータ２６が力行状態であることを表す信号が入力された場合、または、車両コントローラ３２（図２）から超電導界磁コイル５０からの直流電圧を交流電圧に変換させる指令を表す信号が入力された場合に、モータコントローラ４４は、界磁電流制御部７６に制御信号を出力し、モータ作動状態判定手段８０は、力行時であると判定し、切り替え制御手段８２が、超電導スイッチ７８を切断、すなわち開放状態に切り替える。この結果、超電導界磁コイル５０からインバータ４６を介して超電導電機子コイル６６に電流が流れて、超電導モータ２６が力行状態となる。この場合、超電導界磁コイル５０に蓄積されたエネルギがインバータ４６を介して超電導電機子コイル６６に供給される。また、モータコントローラ４４は、車両コントローラ３２から、超電導モータ２６を回生させるための信号を入力されて、インバータ４６に、トルク指令値及びモータ回転数に基づいて、インバータ４６のスイッチング素子を制御するための信号を生成し、インバータ４６に出力する。この結果、超電導電機子コイル６６に電流が流れることによりステータ５２に発生する磁界と、超電導界磁コイル５０に電流が流れることによりロータ５２に発生する磁界との相互作用により、超電導モータ２６が同期モータとして作用して、超電導モータ２６が回転する。
【００４６】
また、車両の走行停止時、またはエンジン１２（図２）による車両の走行時等に、車両コントローラ３２からモータコントローラ４４にモータ作動停止状態で、エネルギ貯蔵指示状態であることを表す信号が入力された場合に、モータコントローラ４４は、界磁電流制御部７６に制御信号を出力し、モータ作動状態判定手段８０は、モータ作動停止状態であると判定し、切り替え制御手段８２が、温度調節部に制御信号を入力することにより、超電導スイッチ７８を接続状態に切り替える。この結果、超電導界磁コイル５０と短絡路７４との間で電流が超電導状態で循環して、超電導界磁コイル５０にエネルギが貯蔵される。このために、例えば、超電導界磁コイル５０及び超電導電機子コイル６６を含む超電導モータ２６と、超電導スイッチ７８とを含む部分は、上記の寒材と冷却システムにより、超電導状態が維持される低温に維持する。このように超電導界磁コイル５０にエネルギが超電導状態で貯蔵される場合でも、超電導界磁コイル５０に電流が超電導状態で流れるため、励磁されて、ステータ５２にＮ極及びＳ極が周方向に交互に配置される状態が維持される。
【００４７】
このように界磁電流制御部７６は、入力される信号に対応して、超電導界磁コイル５０と超電導電機子コイル６６との間でのエネルギの受け渡しを可能とするとともに、超電導電機子コイル６６と超電導界磁コイル５０とを相互作用させることにより、超電導モータ２６の力行または回生を可能とする超電導モータ作動状態と、超電導電機子コイル６６と超電導界磁コイル５０との間でのエネルギの受け渡しを阻止するとともに、短絡路７４により超電導界磁コイル５０を短絡した状態で超電導界磁コイル５０に電流を循環させ続けることにより、エネルギを超電導状態で貯蔵するエネルギ貯蔵状態と、を切り替える機能を有する。
【００４８】
なお、図３では、インバータ４６とモータコントローラ４４とが別体のような図示をしているが、インバータ４６とモータコントローラ４４とを単一のケース内に収容してインバータユニットを構成することもできる。
【００４９】
また、本実施の形態では、「超電導電機子コイル６６と超電導界磁コイル５０との間の電力バランス制御」を行っている。このために、超電導モータ装置２４は、インバータ４６の超電導界磁コイル５０側の入力電圧であるシステム電圧を検出する電圧検出手段である電圧センサ８４を備える。電圧センサ８４の検出信号は、界磁電流制御部７６に入力している。また、界磁電流制御部７６は、検出されたシステム電圧が予め設定される一定値または一定の範囲（例えば一定電圧に対して５％以下から５％以上までの範囲）となるように、インバータ４６を、モータコントローラ４４を介して、例えば、フィードバック制御により制御している。この場合、超電導電機子コイル６６に流す電流は、トルク制御により制御する。「トルク制御」は、超電導電機子コイル６６に流す電流を、モータコントローラ４４に入力されるトルク指令に応じて変えるように、モータコントローラ４４によりインバータ４６の駆動を制御することである。例えば、検出されたシステム電圧が、トルク指令に応じて設定されるシステム電圧目標値よりも高い場合には、界磁電流制御部７６がモータコントローラ４４に制御信号を出力し、超電導モータ２６の回生量を大きくするように、超電導界磁コイル５０に流れる電流を増大させて、超電導電機子コイル６６側から超電導界磁コイル５０側にエネルギが吸収されるようにする。これに対して、検出されたシステム電圧がシステム電圧目標値よりも低い場合には、界磁電流制御部７６がモータコントローラ４４に制御信号を出力し、超電導モータ２６の回生量を少なくするように、超電導界磁コイル５０に流れる電流を減少させて、超電導界磁コイル５０側から超電導電機子コイル６６側へエネルギが放出されるようにする。
【００５０】
このような超電導モータ装置２４は、図１に示すように、左右の車輪１４のそれぞれに対応して、ハイブリッド車両１０の左右両側に１個ずつ設けられている。また、左右の車輪１４をそれぞれ駆動する２個の超電導モータ装置２４の少なくとも一部は、左右の車輪１４のそれぞれの内側に配置されている。
【００５１】
このような超電導モータ装置２４及びハイブリッド車両１０によれば、超電導モータ２６の駆動源として大きな電力源を設けずに済む構造を実現できる。すなわち、超電導界磁コイル５０と超電導電機子コイル６６との相互作用により、超電導モータ２６の力行または回生が可能となり、超電導界磁コイル５０から供給されるエネルギにより超電導電機子コイル６６に回転磁界生成用の電流が流れ、超電導界磁コイル５０に蓄積されるエネルギにより、超電導界磁コイル５０が励磁される。このため、超電導界磁コイル５０が、超電導モータ２６の界磁コイルとしての機能だけでなく、エネルギ貯蔵部と超電導電機子コイル６６への電力供給源との機能も有し、超電導モータ２６にエネルギ貯蔵機能を持たせることができる。すなわち、本実施の形態の超電導モータ装置２４は、超電導磁気エネルギ貯蔵装置（ＳＭＥＳ）を有するような構造となる。したがって、超電導モータ２６とは別に大きな二次電池を設ける必要がなくなる。この結果、超電導モータ装置２４の小型化及び軽量化を図れる。
【００５２】
また、本実施の形態の場合には、界磁電流制御部７６は、検出されたシステム電圧が一定値または一定の範囲となるように、インバータ４６を制御している。また、超電導電機子コイル６６に流す電流は、トルク制御により制御する。このため、超電導電機子コイル６６と超電導界磁コイル５０との間での入出力される電力をより有効にバランスさせることができ、本実施の形態のように、インバータ４６の超電導界磁コイル５０側にコンデンサ７７を設ける場合でも、コンデンサ７７両端に印加される電圧が過大や過小になることをより有効に防止できる。すなわち、本実施の形態の場合と異なり、超電導電機子コイル６６に流す電流を、モータコントローラ４４に入力されるトルク指令に応じて変える「トルク制御」すなわち「インバータ４６についての電力制御」により制御するとともに、超電導界磁コイル５０に流す電流を、検出された電流値を用いて制御する電力制御により制御することも考えられる。ただし、このようにインバータ４６と超電導界磁コイル５０との両方を電力制御により制御する場合には、センサの検出誤差等による制御誤差が生じた場合に、超電導電機子コイル６６と超電導界磁コイル５０との間での入出力される電力がバランスしないで、コンデンサ７７両端に過電圧が印加されたり、コンデンサ７７両端に印加される電圧が過小になり、インバータ４６を有効に高精度に制御することが困難になる可能性がある。これに対して、本実施の形態のように、切り替え制御ユニット４８は、検出されたシステム電圧が一定値または一定の範囲となるように、インバータ４６を制御する構成によれば、上記の不都合を防止でき、本実施の形態のように、インバータ４６の超電導界磁コイル５０側にコンデンサ７７を設ける場合に、コンデンサ７７両端に印加される電圧が過大や過小になることをより有効に防止できる。この構成によれば、超電導界磁コイル５０に供給される電力が成り行きとなり、電力のアンバランスを抑制できる。また、超電導モータ２６の磁気回路と磁気エネルギ貯蔵部とが同じ超電導界磁コイル５０を共用するのにもかかわらず、トルク指令に対応する超電導モータ２６の出力トルクをより有効に高精度に制御することができる。
【００５３】
なお、電圧センサ８４からの検出信号を直接モータコントローラ４４に入力し、モータコントローラ４４は、電圧センサ８４により検出されたシステム電圧が一定値または一定の範囲となるように、インバータ４６を制御することもできる。
【００５４】
また、本実施の形態のハイブリッド車両１０のように、車輪１４を駆動するモータを使用する車両に本発明を適用する場合に、ハイブリッド車両１０に大きな二次電池設置用の空間を設ける必要がなくなり、ハイブリッド車両１０に関する空間の利用効率の向上を図れる。図７は、従来から考えられているエンジンと走行用モータとのうち、一方を車輪１４の主駆動源として使用する従来型ハイブリッド車両８８の１例を示している。従来型ハイブリッド車両８８は、車両後側の荷室９０または荷室９０付近に大きな二次電池９２が設けられている。また、車両前側のエンジンルーム３４に図示しないエンジンや、変速装置等の動力伝達装置の他に、モータジェネレータ装置（ＭＧ）９４と、コントロールユニット（ＰＣＵ）９６とが設けられている。モータジェネレータ装置９４は、図示しない走行用モータと発電機とを含む。
【００５５】
図７に示した従来型ハイブリッド車両８８と、図１に示した本実施の形態のハイブリッド車両１０とを比較すれば明らかなように、本実施の形態のハイブリッド車両１０の場合には、従来型ハイブリッド車両８８に対して、図７に斜線部で示すモータジェネレータ装置９４のうち、少なくとも走行用モータと、大きな容量を有する二次電池９２とをなくすことができる。なお、図１に示すように、本実施の形態のハイブリッド車両１０の場合には、エンジンルーム３４に小型の補機用二次電池９８を設けているが、この補機用二次電池９８は、１２Ｖ等の低電圧の補機駆動用であり、図７に示す従来型ハイブリッド車両８８の場合と異なり、走行用モータに電力を供給するための二次電池９２のように大きくする必要がなく、補機用二次電池９８（図１）は十分に小さくでき、ハイブリッド車両１０の空間の利用効率の向上を図れる。
【００５６】
また、本実施の形態によれば、ハイブリッド車両１０ではない、従来から多く製造されているエンジンにより車両を駆動するエンジン付車両において、左右の車輪の内側に超電導モータ装置２４（図１等）の少なくとも一部を設ける等により、エンジン付車両の構造の多くを使用しながら、ハイブリッド車両１０を実現でき、部品の共用化によるコスト低減を図れる。すなわち、エンジン付車両に施す改造や変更を少なく抑えながら、制動時にエネルギを回収する回生機能と、車輪１４の電動駆動の機能とを有するハイブリッド車両１０を容易に実現できる。また、多くの車種へハイブリッド車両１０を展開することをより容易に行える。
【００５７】
［第２の発明の実施の形態］
図８は、本発明に係る第２の実施の形態において、超電導モータ装置を示す、図３に対応する図である。本実施の形態の超電導モータ装置２４ａでは、超電導界磁コイル５０の貯蔵エネルギが変化して、超電導界磁コイル５０が有する界磁量が変化する場合でも、超電導電機子コイル６６に流すトルク電流が一定であれば、超電導モータ２６の発生トルクが一定になるようにすることを目的としている。すなわち、本実施の形態は、超電導界磁コイル５０の貯蔵エネルギが変化した場合に、超電導界磁コイル５０が有する界磁量が変化し、超電導電機子コイル６６に流すトルク電流が一定であっても、超電導モータ２６の発生トルクが変化してしまう不都合をなくすべく考えられたものである。このために、本実施の形態では、「貯蔵エネルギの変化に対応するトルク制御」を行っている。すなわち、超電導モータ装置２４ａに、超電導界磁コイル５０に流れる電流を検出するための電流検出手段である電流センサ１００を設けている。また、各モータコントローラ４４は、電流センサ１００により検出された電流検出値と、入力される超電導モータ２６のトルク指令値とに対応して超電導電機子コイル６６に流すトルク電流目標値を決定し、トルク電流目標値に対応してインバータ４６を制御する。すなわち、各モータコントローラ４４は、超電導界磁コイル５０の貯蔵エネルギの変化に応じて、そのときの超電導界磁コイル５０が有する界磁量から後述するトルク定数Ｋｔを算出し、トルク定数Ｋｔに対応する電機子電流目標値であるトルク電流目標値を決定する。
【００５８】
具体的には、貯蔵エネルギＥは、次の（１）式により算出される。
Ｅ＝Ｌ×Ｉ2／２・・・（１）
ここで、Ｌは超電導界磁コイル５０のインダクタンスであり、Ｉは超電導界磁コイル５０に流れる電流である界磁電流である。Ｌは、予め定数として設定することができる。このため、超電導界磁コイル５０に流れる電流Ｉを電流センサ１００により検出することにより、貯蔵エネルギＥを算出することができる。
【００５９】
また、超電導界磁コイル５０が有する界磁量Φは、次の（２）式により算出される。
Φ＝Ｌ×Ｉ・・・（２）
【００６０】
また、トルク定数Ｋｔは、次の（３）式により算出される。
Ｋｔ＝Ｐ×Φ・・・（３）
ここで、Ｐは、ステータ５２の極対数である。このため、上記の（１）、（２）、（３）式から、電流センサ１００の検出値から界磁量Φが求められ、界磁量Φからトルク定数Ｋｔが算出される。
【００６１】
さらに、超電導モータ２６のトルク電流目標値Ｉｑは、次の（４）式により算出される。
Ｉｑ＝Ｔａ／Ｋｔ・・・（４）
ここで、Ｔａは、モータコントローラ４４に入力されるトルク指令である。このため、上記の（４）式と、上記の（３）式で決定されたトルク定数Ｋｔとからトルク指令Ｔａに対応するトルク電流目標値Ｉｑが決定される。すなわち、電流センサ１００の検出値から、トルク指令Ｔａに対応するトルク電流目標値Ｉｑが決定される。モータコントローラ４４は、決定されたトルク電流目標値Ｉｑにしたがって、インバータ４６を制御し、超電導モータ２６を駆動する。
【００６２】
このような本実施の形態によれば、インバータ４６を制御するモータコントローラ４４と、超電導界磁コイル５０に流れる電流を検出する電流センサ１００とを備え、モータコントローラ４４は、電流センサ１００により検出された電流検出値Ｉと、入力される超電導モータ２６のトルク指令値Ｔａとに対応してトルク電流目標値Ｉｑを決定し、トルク電流目標値Ｉｑに対応してインバータ４６を制御する。このため、超電導界磁コイル５０の貯蔵エネルギの変化により、超電導状態で流れる電流が変化する場合でも、トルク指令に対応して超電導電機子コイル６６に流すトルク電流を変化させることができ、より有効に超電導モータ２６の性能向上を図れる。その他の構成及び作用は、上記の第１の実施の形態と同様であるため、同等部分には同一符号を付して重複する図示及び説明を省略する。
【００６３】
なお、界磁電流制御部７６に電流センサ１００からの検出信号を入力し、界磁電流制御部７６は、電流検出値Ｉと、トルク指令値Ｔａとに対応してトルク電流目標値Ｉｑを決定し、界磁電流制御部７６は、モータコントローラ４４を介して、トルク電流目標値Ｉｑに対応してインバータ４６を制御することもできる。
【００６４】
［第３の発明の実施の形態］
図９は、本発明に係る第３の実施の形態において、超電導モータ装置を示す、図３に対応する図である。図１０は、第３の実施の形態において、システム電圧を制御する方法を説明するための誘起電圧とシステム電圧との関係を示す図である。なお、上記の図１から図６に示した第１の実施の形態と同じ要素には同一符号を付して説明する。本実施の形態の超電導モータ装置２４ｂでは、超電導界磁コイル５０の貯蔵エネルギ量や、超電導モータ２６の動作状態にかかわらず、システム全体の効率をより高くすることを目的としている。すなわち、本実施の形態は、次のような不都合をなくすべく考えられたものである。すなわち、インバータ４６の超電導界磁コイル５０側の入力電圧であるシステム電圧が高くなると、システム電圧の大きさに比例するインバータ４６のスイッチング損失が増大し、システムである超電導モータ装置２４ｂ全体の効率が悪化する原因となる。このため、従来からシステム電圧を低くすることが考えられているが、システム電圧が過度に低くなると、超電導モータ２６が発生する誘起電圧（逆起電圧）がシステム電圧よりも高くなって、超電導モータ２６側で勝手に発電し、超電導電機子コイル６６に超電導モータ２６の駆動のために適切な電流を流すことが困難になる可能性がある。
【００６５】
また、誘起電圧Ｖｒは、超電導モータ２６の角速度をωとし、超電導界磁コイル５０の磁束量をΦとした場合に、次の（４）式で表される。
Ｖｒ＝ω×Φ・・・（４）
【００６６】
このことから、超電導モータ２６の誘起電圧Ｖｒは、超電導モータ２６の回転数が高くなるほど大きくなることが分かる。このため、超電導モータ２６の回転数が高くなる場合には、上記のように超電導電機子コイル６６に適切な電流を流すことが困難になるという、不都合が生じる可能性がさらに高くなる。従来から考えられている永久磁石付同期電動モータにおいて、電動モータの駆動源として二次電池を使用し、二次電池からの直流電流をインバータにより交流電流に変換する構造の場合には、例えば、電動モータの回転数が高くなる場合に、永久磁石から出る磁束を減じるように電機子コイルに流れる電流の位相を調整することにより、電動モータの誘起電圧を減らす、「弱め界磁制御」を行うことが考えられている。ただし、このような弱め界磁制御を行うことは、トルクに寄与しない電流を電機子コイルに流すことになるため、システムの効率が悪化する原因になる。また、本実施の形態では、超電導モータ２６の駆動源が超電導界磁コイル５０であり、超電導モータ２６の駆動により超電導界磁コイル５０の磁束量が変化して、誘起電圧も変化するため、これを考慮する必要もある。本実施の形態は、このような事情を考慮して、超電導界磁コイル５０の貯蔵エネルギ量や、超電導モータ２６の動作状態にかかわらず、システム全体の効率をより高くすることを目的として考えられたものである。
【００６７】
すなわち、本実施の形態では、図９に示すように、界磁電流制御部７６が、超電導モータ２６の誘起電圧に応じてシステム電圧が変化するようにインバータ４６を制御する、「最適システム電圧制御」を行っている。具体的には、超電導モータ装置２４ｂは、上記の第１の実施の形態と同様に、インバータ４６を制御するモータコントローラ４４を備える。また、超電導モータ装置２４ｂは、超電導界磁コイル５０に流れる電流を検出する電流センサ１００と、超電導モータ２６の回転速度を検出する回転速度センサ１０２と、インバータ４６のシステム電圧を検出する電圧センサ８４とを備える。
【００６８】
また、切り替え制御ユニット４８が有する界磁電流制御部７６は、電流センサ１００により検出された電流検出値と、回転速度センサ１０２により検出された回転速度検出値とから超電導モータ２６が発生する誘起電圧を算出し、誘起電圧が小さいときにシステム電圧を小さくし、誘起電圧が大きいときにシステム電圧を大きくするように、インバータ４６を、モータコントローラ４４を介して制御し、超電導モータ２６による回生量を調整する。より具体的には、図１０に示すように、界磁電流制御部７６は、システム電圧が誘起電圧（ωΦ）の増加に対して直線的に比例して大きくなるように制御している。このような図１０に示す関係は、マップのデータとして、界磁電流制御部７６に記憶させている。また、回転速度検出値から超電導モータ２６の回転各速度ωが求められ、電流検出値から超電導界磁コイル５０の磁束量が求められるため、回転速度検出値と電流検出値とから誘起電圧ωΦに対応するシステム電圧が設定される。なお、図１０に示すように、誘起電圧がある値以上でシステム電圧が一定値になっているが、この一定値は、インバータ４６を構成するスイッチング素子の耐電圧に対応して設定される。
【００６９】
このような本実施の形態によれば、入力される超電導モータ２６のトルク指令値に対応してインバータ４６を制御するモータコントローラ４４と、超電導界磁コイル５０に流れる電流を検出する電流センサ１００と、超電導モータ２６の回転速度を検出する回転速度センサ１０２と、インバータ４６の超電導界磁コイル５０側の入力電圧であるシステム電圧を検出する電圧センサ８４とを備える。また、界磁電流制御部７６は、電流センサ１００により検出された電流検出値と、回転速度センサ１０２により検出された回転速度検出値とから超電導モータ２６が発生する誘起電圧を算出し、誘起電圧が小さいときにシステム電圧を小さくして、誘起電圧が大きいときにシステム電圧を大きくするように、インバータ４６を制御して、超電導モータ２６による回生量を調整する。このため、超電導界磁コイル５０の界磁量が大きくなった場合や、超電導モータ２６の回転速度が高くなった場合に、誘起電圧が高くなる場合でも、システム電圧が誘起電圧よりも過度に下回ることを防止でき、しかも超電導モータ２６の回転速度が低くなり、かつ、超電導界磁コイル５０の界磁量が小さい場合に、システム電圧を小さくして、スイッチング損失の低減をはかれる。また、超電導界磁コイル５０の界磁量が大きくなった場合や、超電導モータ２６の回転速度が高くなった場合に、システム電圧が高くなるので、弱め界磁制御を行う必要がなくなる。この場合、システム電圧が高くなるのでスイッチング損失は増大するが、弱め界磁制御を行う場合に比べてシステム全体の効率を高くできる。この結果、超電導界磁コイル５０に貯蔵される貯蔵エネルギ量や、超電導モータ２６の動作状態の変化にかかわらず、より有効にシステム全体の効率を高くできる。その他の構成及び作用は、上記の図１から図６に示した第１の実施の形態と同様であるため、同等部分には同一符号を付して重複する図示及び説明を省略する。
【００７０】
なお、電圧センサ８４、電流センサ１００、回転速度センサ１０２からの検出信号を直接モータコントローラ４４に入力し、モータコントローラ４４は、電流センサ１００により検出された電流検出値と、回転速度センサ１０２により検出された回転速度検出値とから超電導モータ２６が発生する誘起電圧を算出し、誘起電圧が小さいときにシステム電圧を小さくし、誘起電圧が大きいときにシステム電圧を大きくするように、インバータ４６を制御することもできる。
【００７１】
［第４の発明の実施の形態］
図１１は、本発明に係る第４の実施の形態において、超電導モータ装置を示す、図３に対応する図である。本実施の形態の超電導モータ装置２４ｃでは、ハイブリッド車両１０（図１等参照）に過度に大きな二次電池を設けることなく、超電導界磁コイル５０の貯蔵電力が零等、超電導モータ装置２４ｃの貯蔵電力が低下した状態からでも、車両を安定して始動させるとともに、安定して通常走行させることができるようにすることを目的としている。すなわち、貯蔵電力が零である状態では、超電導界磁コイル５０の界磁量も零になるので、何ら工夫しない場合には、超電導モータ２６が力行も回生もいずれも行えなくなってしまい、超電導モータ装置２４が正常な機能を発揮できない可能性がある。これに対して、本実施の形態では、上記の図１から図６に示した第１の実施の形態において、超電導モータ装置２４ｃに、超電導界磁コイル５０に流れる電流を検出する電流センサ１００を設けている。また、超電導モータ装置２４ｃに、インバータ４６を制御するためのモータコントローラ４４（図３等参照）を設けている。
【００７２】
また、本実施の形態のハイブリッド車両１０（図１等参照）は、エンジン１２（図１等参照）を始動する始動装置３０（図１参照）等の補機に電力を供給する１２Ｖ等の低電圧の補機用二次電池９８を設けている。また、補機用二次電池９８は、昇圧コンバータであるＤＣ−ＤＣコンバータ１０４を介して、超電導電機子コイル６６と超電導界磁コイル５０との少なくとも一方への電力の供給を可能に接続されている。また、ハイブリッド車両１０は、第２切り替え手段である第２スイッチ１０６と、第２切り替え制御手段である、第２スイッチ制御部１０８とを備える。第２スイッチ１０６は、超電導電機子コイル６６と超電導界磁コイル５０との間と、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０４との間に設けられ、超電導電機子コイル６６と超電導界磁コイル５０との間と、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０４との間の断接を切り替える。第２スイッチ制御部１０８は、ＣＰＵ、メモリ等を有するマイクロコンピュータであり、電流センサ１００により検出された電流検出値が予め設定された所定電流値以下の場合に、第２スイッチ１０６を接続するように、第２スイッチ１０６の接続状態を制御する。このため、第２スイッチ制御部１０８は、超電導界磁コイル５０を流れる電流が不足している場合に、補機用二次電池９８から超電導界磁コイル５０への電力の供給を可能とする。
【００７３】
また、第２スイッチ制御部１０８は、電流センサ１００により検出された電流検出値が予め設定された第２の所定電流値以上の場合に、第２スイッチ１０６を切断し、超電導界磁コイル５０を流れる電流が十分である場合に、補機用二次電池９８から超電導界磁コイル５０への電力の供給を阻止する。
【００７４】
このような本実施の形態によれば、エンジン１２（図１等参照）を始動する始動装置に電力を供給する補機用二次電池９８を備え、補機用二次電池９８は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０４を介して超電導電機子コイル６６と超電導界磁コイル５０との少なくとも一方への電力の供給を可能に接続されている。このため、超電導モータ装置２４での貯蔵電力が零になった場合に、超電導界磁コイル５０の界磁がなくなり、超電導モータ２６を力行または回生のいずれにも作動できなくなる傾向となるのにもかかわらず、補機用二次電池９８により超電導界磁コイル５０に界磁のための電流を流すことができる。この界磁のための電流である界磁電流は、回生動作を可能とするだけの小さいもので済む。そして、その後、エンジン１２による車両走行開始後の回生制動により徐々に超電導界磁コイル５０に貯蔵される貯蔵電力を大きくして、すなわち超電導界磁コイル５０の界磁量を回復させて、通常の動作状態へ移行できる。界磁量が少ない場合には、回生電力も少ないが、界磁量が徐々に大きくなることにより、回生電力を急激に増大させて回復させることができる。このように最初の界磁量は少なくて済むので、超電導界磁コイル５０に電流を送るための補機用二次電池９８は、低電圧でよく、２００Ｖ〜３００Ｖ等の過度に大きな二次電池とする必要はない。このため、ハイブリッド車両１０（図１等参照）に過度に大きな二次電池を設けることなく、超電導モータ装置２４ｃの貯蔵電力が低下した場合でも、車両を安定して始動させるとともに、安定して通常走行させることができる。その他の構成および作用は、上記の図１から図６に示した第１の実施の形態と同様であるため、同等部分には同一符号を付して重複する図示及び説明を省略する。
【００７５】
なお、第２スイッチ１０６は、超電導電機子コイル６６と超電導界磁コイル５０との間と、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０４との間ではなく、補機用二次電池９８とＤＣ／ＤＣコンバータ１０４との間の接続部に設けることもできる。また、界磁電流制御部７６や、モータコントローラ４４や、車両コントローラ３２に、第２スイッチ制御部１０８の機能を持たせるようにして、第２スイッチ制御部１０８を省略することもできる。
【００７６】
また、上記の各実施の形態では、超電導界磁コイル５０をステータ５２側に、超電導電機子コイル６６をロータ５４側に、それぞれ設けているが、超電導界磁コイル５０をロータ側に、超電導電機子コイル６６をステータ側に、それぞれ設けることもできる。
【００７７】
また、上記の各実施の形態では、超電導モータ２６に超電導電機子コイル６６を設けているが、超電導電機子コイル６６を、非超電導材料等の従来から一般的に使用されている材料製の電機子コイルとすることもできる。また、超電導材料として、常温で使用できる材料を使用する場合には、超電導界磁コイル５０及び超電導電機子コイル６６を含む部分を、寒材により温度低下させる必要がなくなる。また、超電導界磁コイル５０を短絡する短絡路７４に設ける超電導スイッチ７８は、界磁電流制御部７６により制御可能な別の切り替えスイッチとすることもできる。
【００７８】
また、上記の各実施の形態において、車両コントローラ３２とモータコントローラ４４とを単一の制御ユニットとして、エンジン１２からの信号、及び、アクセル開度センサ３６（図２参照）及びブレーキペダルセンサ４４（図２参照）からの信号を、直接単一の制御ユニットに入力して、制御ユニットがインバータ４６と切り替え制御ユニット４８とを制御する構成とすることもできる。また、超電導モータ装置２４は、後側の車輪１６（図１参照）の内側に少なくとも一部を設けて、後側の車輪１６を駆動する構成とすることもできる。
【００７９】
また、上記の各実施の形態では、２個の車輪１４の内側のそれぞれに少なくとも超電導モータ装置２４，２４ａ、２４ｂ、２４ｃの一部を設ける場合について説明したが、２個の車輪１４（または１６）の内側に超電導モータ装置２４，２４ａ、２４ｂ、２４ｃを設けず、エンジンルーム３４（図１）に１個の超電導モータ装置を設け、エンジン１２（図１等参照）の動力と超電導モータ装置の動力とのうちのいずれかを、変速機１８、差動装置２０、車軸２２等を介して車輪１４に伝達するハイブリッド車両とすることもできる。このような構成の場合も、従来から一般的に知られているハイブリッド車両の構成に比べて、大きな二次電池を設けずに済む構造を実現できる。
【００８０】
また、上記の各実施の形態では、電動車両がハイブリッド車両１０である場合を説明したが、本発明の超電導モータ装置を設ける電動車両は、車輪１４（または１６）を駆動する駆動源として、単に超電導モータ装置のみを設け、エンジン１２を使用しない電気自動車とすることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】本発明の第１の実施の形態の超電導モータ装置を備える電動車両である、ハイブリッド車両の略構成図である。
【図２】第１の実施の形態のハイブリッド車両のブロック図である。
【図３】第１の実施の形態の超電導モータ装置の略構成図である。
【図４】界磁電流制御部の構成要素を示す図である。
【図５】第１の実施の形態の超電導モータ装置の略断面図である。
【図６】図５のＡ−Ａ断面図である。
【図７】従来から考えられているエンジンと走行用モータとのうち、一方を車輪の主駆動源として使用する従来型ハイブリッド車両の１例を示す図である。
【図８】本発明に係る第２の実施の形態において、超電導モータ装置を示す、図３に対応する図である。
【図９】本発明に係る第３の実施の形態において、超電導モータ装置を示す、図３に対応する図である。
【図１０】第３の実施の形態において、システム電圧を制御する方法を説明するための誘起電圧とシステム電圧との関係を示す図である。
【図１１】本発明に係る第４の実施の形態において、超電導モータ装置を示す、図３に対応する図である。
【符号の説明】
【００８２】
１０ ハイブリッド車両、１２ エンジン、１４，１６ 車輪、１８ 変速機（Ｔ／Ｍ）、２０ 差動装置、２２ 車軸、２４，２４ａ，２４ｂ，２４ｃ 超電導モータ装置、２６ 超電導モータ、２８ 発電機、３０ 始動装置、３２ 車両コントローラ、３４ エンジンルーム、３６ アクセル開度センサ、３８ 車速センサ、４０ シフトセンサ、４２ ブレーキペダルセンサ、４４ モータコントローラ、４６ インバータ、４８ 切り替え制御ユニット、５０ 超電導界磁コイル、５２ ステータ、５４ ロータ、５６ 回転軸、５８ ケース、６０ ロータ要素、６４ ロータコア、６６ 超電導電機子コイル、６８ インバータ制御一体ユニット、７０ ユニットケース、７２ ステータコア、７４ 短絡路、７６ 界磁電流制御部、７７ コンデンサ、７８ 界磁電流制御部、８０ モータ作動状態判定手段、８２ 切り替え制御手段、８４ 電圧センサ、８８ エンジン、９０ 荷室、９２ 二次電池、９４ モータジェネレータ装置（ＭＧ）、９６ コントロールユニット（ＰＣＵ）、９８ 補機用二次電池、１００ 電流センサ、１０２ 回転速度センサ、１０４ ＤＣ／ＤＣコンバータ、１０６ 第２スイッチ、１０８ 第２スイッチ制御部。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超電導モータと、切り替え制御ユニットとを備え、
超電導モータは、
ステータとロータとのうちの一方に設けられて、回転磁界を生成する電機子コイルと、
ステータとロータとのうちの他方に設けられて、電機子コイルに対向配置された超電導界磁コイルと、を有し、
切り替え制御ユニットは、
入力される信号に対応して、超電導界磁コイルと電機子コイルとの間でのエネルギの受け渡しを可能とするとともに、電機子コイルと超電導界磁コイルとを相互作用させることにより、超電導モータの力行または回生を可能とする超電導モータ作動状態と、電機子コイルと超電導界磁コイルとの間でのエネルギの受け渡しを阻止するとともに、短絡路により超電導界磁コイルを短絡した状態で超電導界磁コイルに電流を循環させ続けることにより、エネルギを超電導状態で貯蔵するエネルギ貯蔵状態と、を切り替えることを特徴とする超電導モータ装置。
【請求項２】
請求項１に記載の超電導モータ装置において、
超電導界磁コイルに並列に接続される短絡路を備え、
さらに、切り替え制御ユニットは、
短絡路に断接可能に設けられる切り替え手段と、
界磁電流制御部と、を備え、
界磁電流制御部は、
入力される信号に対応して回生制動時と力行時とモータ作動停止状態とのいずれであるかを判定するモータ作動状態判定手段と、
モータ作動状態判定手段の判定結果に対応して、切り替え手段の断接の切り替えを制御する切り替え制御手段と、を有することを特徴とする超電導モータ装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の超電導モータ装置において、
超電導界磁コイルと電機子コイルとの間に接続されたインバータと、
インバータを制御するインバータ制御部と、
インバータの超電導界磁コイル側の入力電圧であるシステム電圧を検出する電圧検出手段と、を備え、
切り替え制御ユニットまたはインバータ制御部は、検出されたシステム電圧を一定または一定の範囲とするように、インバータを制御することを特徴とする超電導モータ装置。
【請求項４】
請求項１または請求項２に記載の超電導モータ装置において、
超電導界磁コイルと電機子コイルとの間に接続されたインバータと、
インバータを制御するインバータ制御部と、
超電導界磁コイルに流れる電流を検出する電流検出手段と、を備え、
切り替え制御ユニットまたはインバータ制御部は、電流検出手段により検出された電流検出値と、入力される超電導モータのトルク指令値とに対応してトルク電流目標値を決定し、トルク電流目標値に対応してインバータを制御することを特徴とする超電導モータ装置。
【請求項５】
請求項１または請求項２に記載の超電導モータ装置において、
超電導界磁コイルと電機子コイルとの間に接続されたインバータと、
インバータを制御するインバータ制御部と、
超電導界磁コイルに流れる電流を検出する電流検出手段と、
超電導モータの回転速度を検出する回転速度検出手段と、
インバータの超電導界磁コイル側の入力電圧であるシステム電圧を検出する電圧検出手段と、を備え、
切り替え制御ユニットまたはインバータ制御部は、電流検出手段により検出された電流検出値と、回転速度検出手段により検出された回転速度検出値とから超電導モータが発生する誘起電圧を算出し、誘起電圧が小さいときにシステム電圧を小さくし、誘起電圧が大きいときにシステム電圧を大きくするように、インバータを制御することを特徴とする超電導モータ装置。
【請求項６】
超電導モータ装置を備え、
超電導モータ装置を駆動源として、左右車輪を駆動する電動車両であって、
超電導モータ装置は、請求項１から請求項５のいずれか１に記載した超電導モータ装置であることを特徴とする電動車両。
【請求項７】
請求項６に記載の電動車両において、
内燃機関を備え、
超電導モータ装置と内燃機関とのうち、少なくとも一方を主駆動源として、左右車輪を駆動し、ハイブリッド車両として使用されることを特徴とする電動車両。
【請求項８】
請求項７に記載の電動車両において、
超電導モータ装置は、左右車輪のそれぞれに対応して車両の左右両側に少なくとも１個ずつ設けられていることを特徴とする電動車両。
【請求項９】
請求項８に記載の電動車両において、
左右車輪をそれぞれ駆動する２個の超電導モータ装置の少なくとも一部は、左右車輪のそれぞれの内側に配置されていることを特徴とする電動車両。
【請求項１０】
請求項７から請求項９のいずれか１に記載の電動車両において、
補機に電力を供給する二次電池を備え、
二次電池は、昇圧コンバータを介して電機子コイルと超電導界磁コイルとの少なくとも一方への電力の供給を可能に接続されていることを特徴とする電動車両。
【請求項１１】
請求項１０に記載の電動車両において、
電機子コイルと超電導界磁コイルとの間と、昇圧コンバータまたは二次電池との間に設けられ、電機子コイルと超電導界磁コイルとの間と、昇圧コンバータとの間の断接を切り替える第２切り替え手段と、
超電導界磁コイルに流れる電流を検出する電流検出手段と、
電流検出手段により検出された電流検出値が予め設定された所定電流値以下の場合に、第２切り替え手段を接続する第２切り替え制御手段と、を備え、
第２切り替え制御手段は、超電導界磁コイルを流れる電流が不足している場合に、二次電池から超電導界磁コイルへの電力の供給を可能とすることを特徴とする電動車両。
【請求項１２】
請求項１１に記載の電動車両において、
第２切り替え制御手段は、電流検出手段により検出された電流検出値が予め設定された第２の所定電流値以上の場合に、第２切り替え手段を切断し、超電導界磁コイルを流れる電流が十分である場合に、二次電池から超電導界磁コイルへの電力の供給を阻止することを特徴とする電動車両。
【請求項１】
超電導モータと、切り替え制御ユニットとを備え、
超電導モータは、
ステータとロータとのうちの一方に設けられて、回転磁界を生成する電機子コイルと、
ステータとロータとのうちの他方に設けられて、電機子コイルに対向配置された超電導界磁コイルと、を有し、
切り替え制御ユニットは、
入力される信号に対応して、超電導界磁コイルと電機子コイルとの間でのエネルギの受け渡しを可能とするとともに、電機子コイルと超電導界磁コイルとを相互作用させることにより、超電導モータの力行または回生を可能とする超電導モータ作動状態と、電機子コイルと超電導界磁コイルとの間でのエネルギの受け渡しを阻止するとともに、短絡路により超電導界磁コイルを短絡した状態で超電導界磁コイルに電流を循環させ続けることにより、エネルギを超電導状態で貯蔵するエネルギ貯蔵状態と、を切り替えることを特徴とする超電導モータ装置。
【請求項２】
請求項１に記載の超電導モータ装置において、
超電導界磁コイルに並列に接続される短絡路を備え、
さらに、切り替え制御ユニットは、
短絡路に断接可能に設けられる切り替え手段と、
界磁電流制御部と、を備え、
界磁電流制御部は、
入力される信号に対応して回生制動時と力行時とモータ作動停止状態とのいずれであるかを判定するモータ作動状態判定手段と、
モータ作動状態判定手段の判定結果に対応して、切り替え手段の断接の切り替えを制御する切り替え制御手段と、を有することを特徴とする超電導モータ装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の超電導モータ装置において、
超電導界磁コイルと電機子コイルとの間に接続されたインバータと、
インバータを制御するインバータ制御部と、
インバータの超電導界磁コイル側の入力電圧であるシステム電圧を検出する電圧検出手段と、を備え、
切り替え制御ユニットまたはインバータ制御部は、検出されたシステム電圧を一定または一定の範囲とするように、インバータを制御することを特徴とする超電導モータ装置。
【請求項４】
請求項１または請求項２に記載の超電導モータ装置において、
超電導界磁コイルと電機子コイルとの間に接続されたインバータと、
インバータを制御するインバータ制御部と、
超電導界磁コイルに流れる電流を検出する電流検出手段と、を備え、
切り替え制御ユニットまたはインバータ制御部は、電流検出手段により検出された電流検出値と、入力される超電導モータのトルク指令値とに対応してトルク電流目標値を決定し、トルク電流目標値に対応してインバータを制御することを特徴とする超電導モータ装置。
【請求項５】
請求項１または請求項２に記載の超電導モータ装置において、
超電導界磁コイルと電機子コイルとの間に接続されたインバータと、
インバータを制御するインバータ制御部と、
超電導界磁コイルに流れる電流を検出する電流検出手段と、
超電導モータの回転速度を検出する回転速度検出手段と、
インバータの超電導界磁コイル側の入力電圧であるシステム電圧を検出する電圧検出手段と、を備え、
切り替え制御ユニットまたはインバータ制御部は、電流検出手段により検出された電流検出値と、回転速度検出手段により検出された回転速度検出値とから超電導モータが発生する誘起電圧を算出し、誘起電圧が小さいときにシステム電圧を小さくし、誘起電圧が大きいときにシステム電圧を大きくするように、インバータを制御することを特徴とする超電導モータ装置。
【請求項６】
超電導モータ装置を備え、
超電導モータ装置を駆動源として、左右車輪を駆動する電動車両であって、
超電導モータ装置は、請求項１から請求項５のいずれか１に記載した超電導モータ装置であることを特徴とする電動車両。
【請求項７】
請求項６に記載の電動車両において、
内燃機関を備え、
超電導モータ装置と内燃機関とのうち、少なくとも一方を主駆動源として、左右車輪を駆動し、ハイブリッド車両として使用されることを特徴とする電動車両。
【請求項８】
請求項７に記載の電動車両において、
超電導モータ装置は、左右車輪のそれぞれに対応して車両の左右両側に少なくとも１個ずつ設けられていることを特徴とする電動車両。
【請求項９】
請求項８に記載の電動車両において、
左右車輪をそれぞれ駆動する２個の超電導モータ装置の少なくとも一部は、左右車輪のそれぞれの内側に配置されていることを特徴とする電動車両。
【請求項１０】
請求項７から請求項９のいずれか１に記載の電動車両において、
補機に電力を供給する二次電池を備え、
二次電池は、昇圧コンバータを介して電機子コイルと超電導界磁コイルとの少なくとも一方への電力の供給を可能に接続されていることを特徴とする電動車両。
【請求項１１】
請求項１０に記載の電動車両において、
電機子コイルと超電導界磁コイルとの間と、昇圧コンバータまたは二次電池との間に設けられ、電機子コイルと超電導界磁コイルとの間と、昇圧コンバータとの間の断接を切り替える第２切り替え手段と、
超電導界磁コイルに流れる電流を検出する電流検出手段と、
電流検出手段により検出された電流検出値が予め設定された所定電流値以下の場合に、第２切り替え手段を接続する第２切り替え制御手段と、を備え、
第２切り替え制御手段は、超電導界磁コイルを流れる電流が不足している場合に、二次電池から超電導界磁コイルへの電力の供給を可能とすることを特徴とする電動車両。
【請求項１２】
請求項１１に記載の電動車両において、
第２切り替え制御手段は、電流検出手段により検出された電流検出値が予め設定された第２の所定電流値以上の場合に、第２切り替え手段を切断し、超電導界磁コイルを流れる電流が十分である場合に、二次電池から超電導界磁コイルへの電力の供給を阻止することを特徴とする電動車両。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２００９−２１９３３２（Ｐ２００９−２１９３３２Ａ）
【公開日】平成２１年９月２４日（２００９．９．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−６３４７７（Ｐ２００８−６３４７７）
【出願日】平成２０年３月１３日（２００８．３．１３）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年９月２４日（２００９．９．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年３月１３日（２００８．３．１３）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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