JP2000253645A - 超電導回転電機の回転子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 超電導界磁巻線の温度上昇の抑制、超電導界
磁巻線の絶縁部材における損傷可能性の低減を図った超
電導回転電機の回転子提供。 【解決手段】 超電導界磁巻線に、スリップリング、励
磁電源、遮断器を直列に接続し、保護抵抗を並列に接続
する。又、超電導界磁巻線の極間位置と保護抵抗の中間
タップを中間リード線で電気的に接続する構成とした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、超電導回転電機の
回転子に関し、詳しくは、超電導回転電機の回転子を構
成する超電導界磁巻線と、当該超電導界磁巻線にスリッ
プリングや電流リード線を介して界磁電流を供給する励
磁電源と、上記超電導界磁巻線と並列に接続され中間タ
ップを有する保護抵抗と、上記超電導界磁巻線にクエン
チが発生した場合に上記超電導界磁巻線及び保護抵抗の
回路と上記励磁電源とを断路する遮断器を備えた超電導
回転電機の回転子に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図１０は、例えば特開昭５７−１６６８
８８号公報に示された従来の超電導回転電機の回転子の
構造を示す断面図である。図中の１は、中空のトルクチ
ューブで、その両端の一方側は駆動側端部軸２のフラン
ジ部２ａに、他方側は反駆動側端部軸３のフランジ部３
ａに固定されている。４はこのトルクチューブ１の中央
部に形成された中空の巻線取付軸であり、５はこの巻線
取付軸４に巻回固定された超電導界磁巻線である。上記
巻線取付軸４の外周部にはヘリウム外筒６が配設され、
巻線取付軸４の両側面部のそれぞれには端板としてのヘ
リウム端板７が配設されて、冷媒の液溜め部としての液
体ヘリウムの液溜め部８が形成されている。９は常温ダ
ンパで、その両端の一方側は駆動側端部軸２のフランジ
部２ａに、他方側は反駆動側端部軸３のフランジ部３ａ
に固着されており、上記トルクチューブ１と巻線取付軸
４とを包囲して配設されている。１０は上記巻線取付軸
４と常温ダンパ９との間に配設された低温ダンパ、１１
は駆動側端部軸２及び反駆動側端部軸３を軸支する軸
受、１２はトルクチューブ１に形成あるいは配置された
熱交換器、１３は巻線取付軸４の両側面部の外側のトル
クチューブ１内に設けられた側部輻射シールド、１４は
真空部である。

【０００３】１５は界磁電流供給用のスリップリング
で、反駆動側端部軸３に設けられている。１６は電流リ
ード線で、ヘリウム端板７を貫通し、超電導界磁巻線５
とスリップリング１５とを電気的に接続している。１６
ａはこの電流リード線１６を収納するパイプとしての電
流リード線管である。１７は反駆動側端部軸３の軸端に
取り付けられたヘリウム給排装置、１８は液体ヘリウム
の液溜め部８とヘリウム給排装置１７とを連通する液体
ヘリウム供給管、１９は液体ヘリウムの液溜め部８と熱
交換器１２とを連通するヘリウム配管、２０は熱交換器
１２とヘリウム給排装置１７とを連通するガスヘリウム
排出管、２１は電流リード線管１６ａとヘリウム給排装
置１７とを連通するガスヘリウム排出管である。尚、図
１１は上記超電導界磁巻線５の展開図である。

【０００４】図１２は、上記従来の超電導回転電機の回
転子の励磁回路である。図中の５は超電導界磁巻線、１
５はスリップリング、２２は励磁電源で、超電導界磁巻
線５に直列に接続されスリップリング１５を介して超電
導界磁巻線５に界磁電流を供給する。２３は遮断器で、
超電導界磁巻線５に直列に接続され、超電導界磁巻線５
にクエンチが発生すると開放する。２４は保護抵抗で、
超電導界磁巻線５に並列に接続され、超電導界磁巻線５
にクエンチが発生すると投入される一定抵抗値Ｒを有す
る。

【０００５】次に動作について説明する。超電導界磁巻
線５が超電導状態では、超電導界磁巻線５は遮断器２３
を閉路して、スリップリング１５を介して励磁電源２２
により励磁される。超電導界磁巻線５にはクエンチと称
される現象が存在する。ワイヤムーブメント等の微小振
動による導体表面の発熱、或いは、外部磁界の変動によ
る導体内部での発熱等が生じた場合には、超電導状態が
部分的に常電導状態に転位する。この発熱が超電導界磁
巻線５の冷却剤、例えば、液体ヘリウムの冷却能力より
大きい場合には常電導部分が拡大し、伝播する。この間
も電流は流れ続けており、ジュール損失により、超電導
界磁巻線５の各部分の温度は更に上昇する。超電導界磁
巻線５のエネルギーが大きい場合には、超電導界磁巻線
５は温度上昇により焼損する可能性がある。このため、
超電導界磁巻線５のエネルギーを回転子外部に取り出
し、クエンチが発生すると遮断器２３を閉路して、保護
抵抗２４に電流を流すことで、保護抵抗２４でエネルギ
ーを消費させ、超電導界磁巻線５の温度上昇を抑制す
る。但し、保護抵抗２４に電流が流れる瞬間、超電導界
磁巻線５には電圧が発生する。超電導界磁巻線５の自己
インダクタンスＬ、保護抵抗２４の抵抗値Ｒ、回路に流
れる電流Ｉの場合には、界磁電流の減衰時定数Ｔ＝Ｌ／
Ｒ、超電導界磁巻線５で発生する電圧はＩ×Ｒとなる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】超電導回転電機を大容
量化する場合、容量増大に伴い超電導界磁巻線５のイン
ダクタンスや界磁電流が何れも増大し、超電導界磁巻線
５に蓄えられるエネルギーも小容量機と比較して増大す
る。蓄積エネルギーは、例えば６０万ｋＷ級発電機では
２０万ｋＷ級発電機の約３倍に増大する。従って放電抵
抗値が小容量機と同一の場合には超電導界磁巻線５の温
度上昇が大きくなり、回転子外部でのエネルギー消費量
を増大するには、保護抵抗２４の抵抗値を大きくする必
要がある。しかし、保護抵抗が大きくなると、遮断器２
３の投入時に、超電導界磁巻線５で発生する電圧（界磁
電流Ｉと保護抵抗Ｒの積）が数ｋＶのレベルまで大きく
なるため、大容量化すると超電導界磁巻線５の絶縁設計
が困難になる。本発明はこのような課題の解決を目的と
する。

【０００７】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、超電
導界磁巻線と、当該超電導界磁巻線にスリップリングや
電流リード線を介して界磁電流を供給する励磁電源と、
上記超電導界磁巻線と並列に接続され中間タップを有す
る保護抵抗と、上記超電導界磁巻線にクエンチが発生し
た場合に上記超電導界磁巻線及び保護抵抗の回路と上記
励磁電源とを断路する遮断器を備えた超電導回転電機の
回転子において、上記超電導界磁巻線の極間位置と上記
保護抵抗の中間タップ間を電気的に接続する中間リード
線が設けられたことを特徴とする。

【０００８】請求項２の発明は、超電導界磁巻線を巻回
する巻線取付軸の外周と内周を繋ぐ貫通穴を当該巻線取
付軸に設け、当該貫通穴に前記中間リード線を固定する
と共に、上記巻線取付軸内周に取り出された中間リード
線をスリップリングに接続する軸方向導体が設けられた
ことを特徴とする。

【０００９】請求項３の発明は、巻線取付軸に設けられ
た貫通穴に対して軸対称位置に当該貫通穴と同一形状の
第２の貫通穴を設け、当該第２の貫通穴に中間リード線
と同一重量のダミーリード線が固定されたことを特徴と
する。

【００１０】請求項４の発明は、超電導界磁巻線を自己
インダクタンスが１／３になるように等分割した位置と
抵抗値が同一である３つの保護抵抗の中間位置が２本の
中間リード線で電気的に接続されたことを特徴とする。

【００１１】

【発明の実施の形態】実施の形態１．実施の形態１は、
超電導界磁巻線の極間位置と保護抵抗の中間タップ間を
電気的に接続する中間リード線を設けた構成としたもの
である。以下、図１に基づいて説明する。図は、２局の
超電導回転電機の回転子における励磁回路の構成図を示
す。尚、図示以外の箇所は従来例と同じである。図中の
５ａ、５ｂはそれぞれ超電導回転電機回転子のＮ極、Ｓ
極の磁界を発生する超電導界磁巻線、５ｃはＮ極とＳ極
の中間位置を示し、１５はスリップリング、２２は励磁
電源、２４ａ、２４ｂは超電導界磁巻線５ａ、５ｂに並
列接続されそれぞれ抵抗値Ｒを有する保護抵抗であり、
２３は超電導界磁巻線５ａ，５ｂにクエンチが発生する
と励磁回路を開放する遮断器である。又、２４ｃは保護
抵抗２４ａ、２４ｂの中間位置であり、２５は極間位置
５ｃと保護抵抗２４ａ、２４ｂの中間位置２４ｃとを電
気的に接続した中間リード線である。

【００１２】次に動作について説明する。超電導界磁巻
線５ａ、５ｂが超電導状態で抵抗が零の場合には、超電
導界磁巻線５ａ、５ｂは遮断器２３を閉路してスリップ
リング１５を介して励磁電源２２により励磁されること
は従来技術で説明した通りである。本実施の形態１にお
いては、超電導界磁巻線５ａ、５ｂが外部からの擾乱等
何らかの理由によりクエンチした場合、遮断器２３にて
励磁電源２２の回路を切り離し、保護抵抗２４ａ、２４
ｂに電流が流れることで、超電導界磁巻線５ａ、５ｂ、
保護抵抗２４ａ、２４ｂ、極間位置５ｃと中間位置２４
ｃとの間を電気的に接続するように設けられた中間リー
ド線２５にて、２つの閉回路が形成されるので、超電導
界磁巻線５ａ、５ｂに流れる界磁電流により蓄えられた
エネルギーが保護抵抗２４ａ、２４ｂで消費される。

【００１３】超電導界磁巻線５ａ若しくは５ｂにクエン
チが発生した場合、中間リード線２５で２つの閉回路が
形成されるため、自己インダクタンスＬが中間リード線
２５を設けない場合の１／２に減少し、超電導界磁巻線
５ａ、５ｂに流れる界磁電流の減衰時定数が１／２に減
少する。このことは、一方では外部抵抗でのエネルギー
消費量が増加していることに対応しており、超電導界磁
巻線５ａ、５ｂの温度上昇が抑制される。又、保護抵抗
２４ａ、２４ｂの抵抗値Ｒを、例えば、それぞれＲ／２
にした場合は、界磁電流の減衰時定数は変化しないが、
遮断器２３の投入時に超電導界磁巻線５で発生する電圧
は中間リード線２５がない場合の１／２に減少すること
ができ、超電導界磁巻線５の絶縁部材（図示なし）を損
傷する可能性が低減される。保護抵抗２４ａ、２４ｂの
抵抗値を調整することで、超電導界磁巻線５に流れる界
磁電流の減衰時定数と超電導界磁巻線５に発生する電圧
を調整することが可能となるため、大容量超電導回転電
機の界磁巻線の設計裕度が向上する。

【００１４】尚、中間リード線２５には、超電導界磁巻
線５ａ若しくは５ｂにクエンチが発生しない限り、電流
は流れず、又、クエンチが発生した場合についても、流
れる電流は数秒間と極めて短時間であり、ジュール損失
による発熱が小さいため、可能な限り細いリード線の適
用が可能となる。

【００１５】実施の形態２．上記実施の形態１では、極
間位置５ｃと中間位置２４ｃとの間に設けられた中間リ
ード線２５にて２つの閉回路を形成することで、超電導
界磁巻線５の温度上昇、絶縁部材（図示なし）の損傷可
能性が低減されることを、電気回路による機能上の説明
により示したが、ここでは、実施の形態２として、これ
を実現する具体的構造を図２乃至図５について説明す
る。尚、図２は回転子の構造を示す断面図で、図３は図
２のＡ−Ａ断面図、図４は図２のＢ−Ｂ断面図、図５は
超電導界磁巻線の展開図である。この図２乃至図５に示
す例では、超電導界磁巻線５を巻回する巻線取付軸４に
巻線取付軸４の外周と内周とを繋ぐ貫通穴２７（以下、
第１の貫通穴ともいう）を設け、この第１の貫通穴２７
に中間リード線２５を固定すると共に、巻線取付軸４の
内周に取り出された中間リード線２５をスリップリング
１５に接続する軸方向導体２８を設ける構成としてあ
る。従来の超電導界磁巻線５の電流リード線１６では、
磁極部分４ａに設けた貫通穴２９に通していたが、極間
部分４ｂに設けられた貫通穴２７から中間リード線２５
を取り出すことで、巻線取付軸４の外径側表面から渡す
必要がなくなり、簡素で信頼性の高い構造を提供でき
る。又、図５では一例として貫通穴２７の軸方向位置を
超電導界磁巻線５の中心に設けているが、貫通穴２７は
軸方向の任意の位置に設けても問題はない。

【００１６】実施の形態３．上記実施の形態２では、超
電導界磁巻線５を巻回する巻線取付軸４に巻線取付軸４
の外周と内周を繋ぐ貫通穴２７を設けることで、当該貫
通穴２７を介して中間リード線２５を巻線取付軸４の外
径側から内径側に通すことが構造上可能になる場合につ
いて述べたが、この実施の形態３では、図６に示すよう
に、巻線取付軸４に設けた第１の貫通穴２７の軸対称位
置に、新たに当該第１の貫通穴２７と同一形状の第２の
貫通穴３０を設け、当該第２の貫通穴３０に前記中間リ
ード線２５と同一重量のダミーリード線３１を配線、こ
の例では固定した構成とした。このように構成すると、
超電導回転電機の回転子が回転する際に発生するアンバ
ランスを解消することが可能となり、軸振動特性の向上
につながる。

【００１７】実施の形態４．上記実施の形態１では、極
間位置５ｃと中間位置２４ｃとを電気的に接続するよう
に設けられた中間リード線２５にて２つの閉回路を形成
することで、超電導界磁巻線５の温度上昇、絶縁部材
（図示なし）の損傷可能性が低減される場合について説
明したが、この実施の形態４では、図９に示すように、
超電導界磁巻線５を自己インダクタンスが１／３になる
ように５ａ、５ｂ、５ｃと等分割した位置５ｄ、５ｅと
抵抗値が同一である保護抵抗２４ａ、２４ｂ、２４ｃの
中間位置２４ｄ、２４ｅに中間リード線２５ａ、２５ｂ
を電気的に接続する構成とした。このように構成する
と、超電導界磁巻線５ａ、５ｂ、５ｃの何れかにクエン
チが発生した場合、中間リード線２５ａ、２５ｂにより
３つの閉回路が形成されるため、自己インダクタンスＬ
が中間リード線２５がない場合の１／３に減少し、超電
導界磁巻線５ａ、５ｂ、５ｃに流れる界磁電流の減衰時
定数が小さくなり、超電導界磁巻線５ａ、５ｂ、５ｃの
温度上昇を抑制させる。又、保護抵抗２４ａ、２４ｂ、
２４ｃの抵抗値Ｒを、例えば、それぞれＲ／３にした場
合、遮断器２３の投入時に超電導界磁巻線５に発生する
電圧は、中間リード線がない場合の１／３に減少し、超
電導界磁巻線５の絶縁部材（図示なし）を損傷する可能
性が低減される。以上のように、この実施の形態４によ
れば、大容量化に対する超電導界磁巻線設計の裕度が上
記実施の形態１の場合より向上する。又、上記実施の形
態３を適用して、巻線取付軸４に設けた貫通穴２７の軸
対称位置に、新たに貫通穴２７と同一形状の第２の貫通
穴３０を設けた場合には、中間リード線が２５ａ、２５
ｂと２本存在することになるため、ダミーリード線３１
を採用することなく、超電導回転電機の回転子が回転す
る際に発生するアンバランスを解消することが可能とな
り、軸振動特性の向上につながる。

【００１８】

【発明の効果】請求項１の発明によれば、超電導界磁巻
線がクエンチした場合、保護抵抗に電流が流れること
で、中間リード線にて、２つの閉回路が形成されるの
で、超電導界磁巻線に流れる界磁電流により蓄えられた
エネルギーを保護抵抗で消費させることができる。又、
中間リード線にて２つの閉回路が形成されるため、自己
インダクタンスＬが大幅に減少し、超電導界磁巻線に流
れる界磁電流の減衰時定数を大幅に減少させることがで
き、従って又、超電導界磁巻線の温度上昇を大幅に抑制
することができる。又、保護抵抗の抵抗値Ｒを、例え
ば、それぞれＲ／２にした場合は、界磁電流の減衰時定
数は変化しないが、遮断器投入時に超電導界磁巻線で発
生する電圧は中間リード線がない場合の１／２に減少す
ることができ、超電導界磁巻線の絶縁部材を損傷する可
能性が著しく低減される。又、保護抵抗の抵抗値を調整
することで、超電導界磁巻線に流れる界磁電流の減衰時
定数と超電導界磁巻線に発生する電圧を調整することが
可能となるため、大容量超電導回転電機の界磁巻線の設
計裕度が著しく向上する。又、中間リード線には、超電
導界磁巻線にクエンチが発生しない限り、電流は流れ
ず、又、クエンチが発生した場合についても、流れる電
流は数秒間と極めて短時間でありジュール損失による発
熱が小さいため、可能な限り細いリード線の適用が可能
となる。

【００１９】請求項２の発明によれば、極間部分に設け
られた貫通穴から中間リード線を取り出すことで、巻線
取付軸の外径側表面から渡す必要がなくなり、簡素で信
頼性の高い構造を提供することができる。

【００２０】請求項３の発明によれば、超電導回転電機
の回転子が回転する際に発生するアンバランスを解消す
ることが可能となり、軸振動特性を著しく向上させるこ
とができる。

【００２１】請求項４の発明によれば、超電導界磁巻線
の何れかにクエンチが発生した場合、中間リード線によ
り３つの閉回路が形成されるため、自己インダクタンス
Ｌが大幅に減少し、超電導界磁巻線に流れる界磁電流の
減衰時定数が小さくなり、超電導界磁巻線の温度上昇を
抑制させることができる。又、保護抵抗の抵抗値Ｒを、
例えば、それぞれＲ／３にした場合、遮断器投入時に超
電導界磁巻線に発生する電圧が、中間リード線がない場
合の１／３に減少し、超電導界磁巻線の絶縁部材を損傷
させる可能性が著しく低減される。従って又、この実施
の形態４によれば、大容量化に対する超電導界磁巻線設
計の裕度をより一段と向上させることができる。更に
又、巻線取付軸に設けた貫通穴の軸対称位置に、新たに
貫通穴と同一形状の第２の貫通穴を設けた場合には、中
間リード線が２本存在することになるため、ダミーリー
ド線を採用することなく、超電導回転電機の回転子が回
転する際に発生するアンバランスを解消することが可能
となり、軸振動特性を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 実施の形態１を示す超電導回転電機の回転子
の励磁回路を示す説明図である。

【図２】 実施の形態２を示す超電導回転電機の回転子
の構造を示す断面図である。

【図３】 図２のＡ−Ａ断面図である。

【図４】 図２のＢ−Ｂ断面図である。

【図５】 実施の形態２を示す超電導回転電機の超電導
界磁巻線の展開図である。

【図６】 実施の形態３を示す超電導回転電機の回転子
の構造を示す断面図である。

【図７】 図６のＡ−Ａ断面図である。

【図８】 図６のＢ−Ｂ断面図である。

【図９】 実施の形態４を示す超電導回転電機の回転子
の励磁回路を示す説明図である。

【図１０】 従来の超電導回転電機の回転子の構造を示
す断面図である。

【図１１】 従来の超電導回転電機の超電導界磁巻線の
展開図である。

【図１２】 従来の超電導回転電機の回転子の励磁回路
を示す説明図である

【符号の説明】

４ 巻線取付軸、５ 超電導界磁巻線、１５ スリップ
リング、１６ 電流リード線、２２ 励磁電源、２３
遮断器、２４ 保護抵抗、２５ 中間リード線、２７
貫通穴、２８ 軸方向導体、２９ 貫通穴、３１ ダミ
ーリード線。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 超電導界磁巻線と、当該超電導界磁巻線
   にスリップリングや電流リード線を介して界磁電流を供
   給する励磁電源と、上記超電導界磁巻線と並列に接続さ
   れ中間タップを有する保護抵抗と、上記超電導界磁巻線
   にクエンチが発生した場合に上記超電導界磁巻線及び保
   護抵抗の回路と上記励磁電源とを断路する遮断器を備え
   た超電導回転電機の回転子において、 上記超電導界磁巻線の極間位置と上記保護抵抗の中間タ
   ップ間を電気的に接続する中間リード線が設けられたこ
   とを特徴とする超電導回転電機の回転子。
2. 【請求項２】 超電導界磁巻線を巻回する巻線取付軸の
   外周と内周を繋ぐ貫通穴を当該巻線取付軸に設け、当該
   貫通穴に前記中間リード線を固定すると共に、上記巻線
   取付軸内周に取り出された中間リード線をスリップリン
   グに接続する軸方向導体が設けられたことを特徴とする
   請求項１に記載の超電導回転電機の回転子。
3. 【請求項３】 巻線取付軸に設けられた貫通穴に対して
   軸対称位置に当該貫通穴と同一形状の第２の貫通穴を設
   けて、当該第２の貫通穴に中間リード線と同一重量のダ
   ミーリード線が固定されたことを特徴とする請求項２に
   記載の超電導回転電機の回転子
4. 【請求項４】 超電導界磁巻線を自己インダクタンスが
   １／３になるように等分割した位置と抵抗値が同一であ
   る３つの保護抵抗の中間位置が２本の中間リード線で電
   気的に接続されたことを特徴とする請求項１又は請求項
   ２に記載の超電導回転電機の回転子。