JP2005510997A

JP2005510997A - 少なくとも１つの超電導体に給電する装置

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Publication number: JP2005510997A
Application number: JP2003548381A
Authority: JP
Inventors: シュタインマイヤー、フローリアン
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2001-11-15
Filing date: 2002-10-31
Publication date: 2005-04-21
Anticipated expiration: 2022-10-31
Also published as: EP1454404A1; US20070070559A1; DE10156212A1; WO2003047077A1; KR20040053312A; US20040256922A1; KR100991301B1; JP4309274B2; US7355307B2

Abstract

少なくとも１つの超電導巻線（２）に電気エネルギを供給する装置に関する。スリップリングを用いた従来装置における、スリップリングの磨耗に伴う寿命の問題を解決し、かつ電流導線を経由して侵入する熱を低減するために、エネルギ源と超電導体との間に少なくとも１台の変圧器を設け、その一次側はエネルギ源、二次側は超電導体に接続する。昇圧用の変圧器を用いることで、二次側電流導線の断面積を減少させつつ大きな電力を供給でき、侵入熱の低減が図れる。降圧用の第２の変圧器を低温部に設け、超電導巻線に適合した低圧・大電流に変換することも可能である。

Description

本発明は、超電導を達成すべく、少なくとも１つの所定温度に冷却される、少なくとも１つの超電導体、特に少なくとも１つの超電導巻線に給電する装置に関する。

電動機に回転子コイルとして組み込まれる超電導巻線を持つ超電導回転子は、米国特許第５４８２９１９号明細書で公知である。超電導巻線は冷却システムにより超電導状態を示す低温に冷却される。その際、好適には３５Ｋ以上の転移温度で超電導状態になる高温超電導材料（ＨＴＳＬ材料）が用いられる。コイルの冷却は、ギフォード・マクマホン循環プロセス又はスターリング循環プロセスで冷却を行う冷却システムで実行できる。

超電導コイルにはスリップリングを介して交流電流が供給される。しかし、これにはブラシの摩耗が伴い、電動機の寿命にとって明らかに欠点となる。冷却される領域内に多量の熱がスリップリングを経て侵入することも問題である。例えば冷却領域内に、熱伝導によってのみ冷却される電流導線が２０〜４０Ｋの温度の下で、少なくとも４５Ｗ／ｋＡの熱を導入する。超電導体と２本の電流導線に例えば３００Ａの運転電流を流す場合、少なくとも２７Ｗの熱が流入する。これは通常の大容量ギフォード・マクマホン冷却器のほぼ総冷却容量（２０Ｋにおいて約２５Ｗ）に相当する。しかもその際、電流導線の熱損失が高ければ高い程コイルの運転温度も高くなり、超電導体の臨界電流が減少し、コイルの達成可能な磁界も減少する。従って米国特許第５４８２９１９号明細書により公知の電動機では、経済的な運転と効率的な電流供給は条件付きでしか可能でない。

そこで本発明の課題は、できるだけ効率的かつ経済的に運転可能な、少なくとも１つの超電導体、特に少なくとも１つの超電導巻線に電気エネルギを供給する装置を提供することである。その際、特に電流導線を経る熱侵入をできるだけ少くし、もって超電導体の損失を無くし、超電導巻線において巻線又はコイル内の磁界強度の対応する減少を懸念する必要がないようにする。

この課題は、請求項１に記載の構成によって解決される。

超電導を達成すべく少なくとも１つの所定温度に冷却される、少なくとも１つの超電導体、特に少なくとも１つの超電導巻線に電気エネルギを供給する請求項１記載の装置は、少なくとも１つの電気エネルギ源と、エネルギ源と超電導体間で電気エネルギを伝達する少なくとも１台の変圧器とを備え、変圧器の一次巻線が電気エネルギ源に電気的に接続され、変圧器の二次巻線が超電導体に電気的に接続される。

本発明は、電気エネルギ源と超電導体間で電気エネルギを伝達すべく少なくとも１台の変圧器を用いるという考えに基づいている。変圧器はエネルギ源から超電導体へと電気エネルギのブラシレス伝達を可能にし、その結果、回転する巻線、例えば電動機の回転子コイルの場合、摩耗を伴うブラシを省略できる。

冷却される超電導体への熱侵入は、変圧器により明らかに減少する。即ち好ましい実施形態では、変圧器の変圧比（電圧変成比）の適切な選択で、エネルギ源から供給する電圧を昇圧させ、もって同一給電容量の場合、変圧器から被冷却超電導体への必要電流をより少なくできる。その結果変圧器と超電導体との間の電流導線の断面積を減少させ得る。より細い電流導線を用いることで、電流導線を経る熱侵入量を明らかに減らせる。この実施形態は、特に変圧器の一次巻線と二次巻線が高温レベル、即ち超電導体を有する冷却領域の外部にあり、高温領域から被冷却領域又は低温領域への移行が電流導線で行われる場合に有利である。

しかし他の実施形態では、エネルギ源に接続される変圧器の一次巻線が高温レベルにあり、超電導体に接続される二次巻線が低温レベルにあるようにしてもよい。この場合、電流導線も完全に低温領域内に配設できるので、電流導線はもはや超電導体への熱侵入に関与しなくなる。また熱絶縁を変圧器の無接触の両巻線間で行える。ここで変圧比は、実用上任意に設定でき、特に１にすることもできる。

超電導体又は巻線への電気エネルギの伝達は無接触で行われ、従って摩耗は生じない。電気エネルギを超電導体に導入する手段として変圧器を用いることで、冷却領域内への熱侵入量を僅かに保ち、同時に超伝導効率も維持できる。更に運転条件を変更した際も回転子コイルの励磁を可能とする高電力密度を達成すべく、装置を大幅に小形化できる。

本発明による装置の他の好ましい実施態様、変形例および適用例は請求項１に従属する請求項の１つに示す。

本発明の思想を具現化する際、以下のように種々の実施態様が考えられる。例えば変圧器の一次巻線と二次巻線を軸心方向に対向して配置できる。それとは別に、一次コイルと二次コイルを放射方向に対向して配置してもよい。更に変圧器の一次巻線と二次巻線を共通の磁束導体に接して、又はその上に、又はその内部に配置したり、固有の磁束導体に接して、又はその上に、又はその内部に配置したりしてもよい。変圧器の一次巻線を二次巻線の凹所内に配置し、その逆に二次巻線を一次巻線の凹所内に配置してもよい。

一実施形態では、変圧器の一次巻線と二次巻線を空隙で分離する。他の実施形態では、両巻線間の間隔を、非導電性（誘電性）の電気絶縁材料、特に熱を伝えにくい性質（熱絶縁性）を兼ね備えた材料からなる積層体又は隔壁により保持する。この種の材料として、特にファイバ強化プラスチックが考えられる。この隔壁は、特に超電導体を収納する低温タンクの壁であり得る。

変圧器は、一般に一次巻線に印加されるエネルギ源からの交流電圧を、二次巻線に誘導される交流電圧に変換する。

変圧器二次巻線の交流電圧は、一実施形態では変圧器一次巻線の交流電圧より低い。他の実施形態では、変圧器二次巻線の交流電圧は変圧器一次巻線の交流電圧より高い。

更に他の実施形態では、変圧器と超電導回転子コイルの間に第２の変圧器を配置する。第１の変圧器の一次巻線と二次巻線を、共に電動機の冷却領域の外部に配置すると特に好ましい。即ち、それらの部分を例えば実質的に周囲温度環境に置く。その際、第２の変圧器を冷却領域内に配置するとよい。第２の変圧器の一次巻線を第１の変圧器の二次巻線に接続し、一次巻線に印加した交流電圧を変成し、その二次巻線に超電導体用に準備した交流電圧を誘導する。第２の変圧器の二次巻線に誘導されるこの交流電圧は、第１の変圧器で昇圧した電圧分だけ特に超電導体のために再び降圧すべく、第２の変圧器の一次巻線に印加する交流電圧より低くするとよい。

しかし第２の変圧器の二次巻線に誘導される交流電圧は、必要に応じて、第２の変圧器の一次巻線に印加される交流電圧より高くしてもよい。

更に超電導体又は回転子コイルを動作させるべく、変圧器と超電導体又はコイルとの間或いは第２の変圧器と超電導体又はコイルとの間に少なくとも１つの整流器を設け得る。その場合、特に少なくとも１つのＭＯＳＦＥＴスイッチを有する回路とすることが考えられる。整流器は遠隔制御可能になし得る。

一般に変圧器電圧の周波数は広範囲に選定できる。特に電動機の効率は、第１の変圧器と第２の変圧器の少なくとも一方を高周波で運転することで増大できる。

特に有利な実施形態では、少なくとも１つの超電導体は回転可能であり、特に電動機では回転子コイルとして回転する。その際、好ましくは変圧器の一次巻線を超電導体に対して相対的に固定配置し、変圧器の二次巻線を超電導体と一緒に回転可能とする。

図１〜４は本発明の種々の実施例を示す。

図１は、超電導回転子コイル（巻線）２を含む電動機１を示す。回転子コイル２は超電導状態を示すように冷却される。そのため電動機１は、図１に鎖線で示す冷却領域９を備え、該領域９は低温タンク１３の内部に設けられている。冷却領域９の冷却のため、例えばギフォード・マクマホン循環プロセスやスターリング循環プロセスを利用する冷却装置が用いられる。回転子コイル２は３５Ｋ以上の転移温度で超電導状態となる高温超電導材料（ＨＴＳＬ材料）からなっている。

回転子コイル２は特に固定配置された電源系統部１５内に設けられた電気エネルギ源３から給電される。電気エネルギ伝達のため第１の変圧器４が設けられ、該変圧器４は一次巻線５を備える。この一次巻線５は二次巻線６に同軸配置されている。両巻線５、６間には空隙７が存在する。一次巻線５が固定配置されているのに対し、二次巻線６は回転可能である。二次巻線６は略示した回転子１３に固定的に接続され、回転子１３自体は図示しない軸受内に軸１４で軸支されている。

変圧器４の一次巻線５はエネルギ源３に電気的に接続されている。エネルギ源３は交流電圧Ｕ１、即ち時間的に変化し、特に極性が変化する交流電圧を発生し、それを変圧器４の一次巻線５に印加する。交流電圧Ｕ１は空隙７を経て変圧器４の二次巻線６に出力電圧を誘導する。二次巻線６に誘導される出力電圧も交流電圧であり、符号Ｕ２で示す。交流電圧Ｕ２の周波数は一般に元の交流電圧Ｕ１の周波数に一致するのに対し、両交流電圧Ｕ２とＵ１の比Ｕ２／Ｕ１、即ち所謂変圧比又は電圧変成比は、一次巻線５と二次巻線６の選択、特に巻数比の選択により調整できる。

図１から解るように、第１の変圧器４の両巻線５、６は冷却領域９の外部、即ち実質的に周囲温度Ｔ_Uにある。

第１の変圧器４の二次巻線６に第２の変圧器８が接続されている。第２の変圧器８は回転子コイル２に接続され、それに電気エネルギを供給する。第２の変圧器８は超電導温度Ｔ_Sに保たれた冷却領域９内に配置されている。第２の変圧器８の一次巻線８０は電流導線６８を経て第１の変圧器４の二次巻線６に電気的に接続されている。それに対し図１の変圧器８の二次巻線８１の中間タップは、回転子コイル２に電気的に接続されている。第２の変圧器８の二次巻線８１に発生する電圧も交流電圧であり、符号Ｕ３で示す。

高熱状態にある変圧器４の二次巻線６から、冷却領域９内に延びる電流導線６８を経て冷却領域９内へ侵入する熱を減少させるため、電源系統部１５から供給される交流電圧Ｕ１を変圧器４により高電圧Ｕ２に昇圧させる。その場合、変圧比は少なくとも２、特に少なくとも５又は１０以上にしてもよい。高電圧Ｕ２とすることで、同一伝達電力の際に電流導線６８に流れる電流を減少させ、もって作用する抵抗増大による損失電力の増大を来すことなく電流導線６８の断面積を明らかに減少させ得る。

両変圧器４と８は高周波で動作する。動作周波数は、典型的には１００Ｈｚ〜１ＭＨｚとし、また、それ以下又はそれ以上にすることもできる。

両変圧器４と８は、各々広い範囲内で自由に選択できる変圧比を持つ。

電気エネルギ源３から供給されるエネルギは、第１の変圧器４で高電圧Ｕ２と小電流に変成され、電流導線６８を経て「冷却部」内の第２の変圧器８に導入される。

第２の変圧器８で電気エネルギは低電圧Ｕ３と大電流に変成される。その結果、第２の変圧器８を経て超電導回転子コイル２の回路内の電流が必要な値になる。その際、電圧Ｕ２は低電圧Ｕ３に降下する。冷却領域９内、即ち低温では、僅かな熱損失しか生じない。

次に整流器、即ち図１の２つのＭＯＳＦＥＴスイッチを持つ整流器回路内で、超電導回転子コイル２の運転に必要な直流への整流が行われる。整流器１０の運転のため、ＭＯＳＦＥＴのゲートの駆動電圧の位相制御が必要である。この位相制御は、一緒に回転する制御部（制御装置）１６によって僅かな電力消費の下で行われる。

制御部１６は、簡略表示の遠隔制御装置１７にて無接触で駆動制御される。これは、例えば赤外線伝送、光ファイバスリップリング又は無線通信にて行われる。いずれにしろ遠隔制御装置１７は、通常温度と電圧に関する回転子コイル２の運転監視に必要である。制御部１６や遠隔制御装置１７の電源のためのエネルギは変圧器４から取ってもよい。

図２、３および４は各々電動機１の構造的変形例を示す。

図１の変圧器４の一次巻線５と二次巻線６が軸１４の軸心方向に対向して隣接配置されているのに対し、図２の両巻線５、６は放射方向に対向して隣接配置されている。従って図２では、空隙７は中空シリンダ状をなしている。電動機１のその他の構成は図１のものと実質的に同一である。

図３は、変圧器４の一次巻線５が、該巻線５と二次巻線６に共通の磁束導体（ヨーク）６５のリング状空所１１内に配置された電動機１を示している。

ここでは、他の構成例と同様に、渦電流の発生を防止すべく変圧器４の磁束を導くヨーク６５は、フェライトからなる積層鉄板（変圧器鉄板）で構成されている。しかし、高い運転周波数、即ちＭＨｚ領域の周波数では、変圧器鉄板なしに対向両巻線５、６による固定側から回転側への誘導的な伝達も可能である。

電動機１の他の変形例として、図４では回転子２への電気エネルギの供給のために唯一の変圧器４を用い、図１〜３の実施例で用いた第２の変圧器８は設けていない。

ここで変圧器４の固定配置した一次巻線５は「高温」、即ち略周囲温度Ｔ_Uにある。それに対し回転する二次巻線６は「低温」、即ち超電導温度Ｔ_Sにある。

両巻線５、６間の空隙は、非導電性材料の隔壁１２で満たされている。該材料として特にファイバ強化プラスチックが使用できる。この結果、場合により巻線５、６間に図１〜３の構成のものより大きな間隔が生じても、高周波数での変圧器運転に何らの問題も生じない。ここで、隔壁１２は低温タンク１３の壁の一部である。

従って全体として簡単な構造が得られる。

図５は回転子コイル２の電流Ｉを時間ｔの関数として示す。ここには、次の３つの運転状態を図示している。

回転子コイル２の急速充電（充電モード１８、ＭＯＳＦＥＴ：充電回路）のため、大電力の伝送が必要である。そのため充電回路の整流器ブリッジのゲートへの信号供給が同期化され、電源系統部の高電圧と高周波数の少なくとも一方により大きなエネルギ伝達が保障される。

運転中（保持モード１９、ＭＯＳＦＥＴ：充電回路）、ＨＴＳＬコイルの極小損失分しかエネルギ供給が行われない。そのため低電圧・低周波数で十分である。

放電（放電モード２０、ＭＯＳＦＥＴ：放電回路）のため、ＭＯＳＦＥＴ同期の位相が１８０°シフトされる。急速放電のために再び高電圧・高周波数が選択される。

ＭＯＳＦＥＴの適用に伴う利点は、高電圧・高周波数が実現可能なことであり、その結果変動する運転条件への迅速な適応が可能である。同期外れ時の巻線保護のため、保護ダイオードを使用できる。

それ故コイルの放電は、低温のＭＯＳＦＥＴスイッチを有する変圧器／整流器の原理に従って行われる。

以上述べた実施例によれば、回転子電圧が回転速度に依存する誘導機とは異なり、上述のエネルギ伝達が好ましいことに回転速度にほぼ依存しないようにすることもできる。

以上述べた実施例により、本発明の目的が以下のようにして達成される。

即ち、電動機のブラシを省略し、摩耗なしの運転ができる。更に全体として非常に小型な構造を持ち、従って電動機の電力密度を向上させ得る。最後にエネルギ導入に伴い冷却領域内に侵入する熱量を極小化し、従って超電導効果の効率的な利用を達成できる。

第１の実施例による超電導回転子コイルを持つ同期電動機の縦断面図。図１による電動機の他の構成例を示す断面図。図１又は図２に対する更に他の構成例を示す断面図。図１、２又は３に対する他の構成例を示す断面図。回転子コイルに流れる電流の時間推移を示す線図。

符号の説明

１電動機、２超電導回転子コイル、３エネルギ源、４、８変圧器、５、８０一次巻線、６、８１二次巻線、７空隙、９冷却領域、１０整流器、１１空所、１２隔壁、１３低温タンク、１４軸、１５電源系統部、１６制御部、１７遠隔制御装置、１８充電モード、１９保持モード、２０放電モード、６５磁束導体、６８電流導線

Claims

超電導を達成すべく少なくとも１つの所定温度（Ｔ_S）に冷却される少なくとも１つの超電導体（２）、特に超電導巻線に電気エネルギを供給する装置であって、
少なくとも１つの電気エネルギ源（３）と、電気エネルギ源（３）と超電導体（２）の間にあり、電気エネルギを伝達する少なくとも１台の変圧器（４、８）とを備え、
変圧器（４）の一次巻線（５）が電気エネルギ源（３）に、そして変圧器（４）の二次巻線（６）が超電導体（２）に各々電気的に接続された装置。
超電導体が回転する請求項１記載の装置。
変圧器（４）の二次巻線（６）が一次巻線（５）に対し相対的に回転可能であり、超電導体（２）と共に回転する請求項２記載の装置。
変圧器（４）の一次巻線（５）と二次巻線（６）が空隙（７）を介して対向する請求項１から３の１つに記載の装置。
変圧器（４）の一次巻線（５）と二次巻線（６）間に、電気および熱絶縁性の少なくとも一方の性質を持つ材料からなる積層物又は隔壁（１２）が配置された請求項１から３の１つに記載の装置。
超電導体（２）が、冷却された領域（９）の内部に配置された請求項１から５の１つに記載の装置。
変圧器（４）の一次巻線（５）が、冷却された領域（９）の外部に配置されたことと、変圧器（４）の二次巻線（６）が、冷却された領域（９）の内部に配置されたこととの少なくとも一方の要件を備えた請求項６記載の装置。
変圧器（４）の一次巻線（５）と二次巻線（６）の双方が、冷却された領域（９）の外部に配置された請求項６記載の装置。
変圧器（４）が、一次巻線（５）に印加された交流電圧（Ｕ１）を二次巻線（６）の交流電圧（Ｕ２）に変換する請求項１から８の１つに記載の装置。
変圧器（４）の二次巻線（６）の交流電圧（Ｕ２）が、変圧器（４）の一次巻線（５）の交流電圧（Ｕ１）より低い請求項９記載の装置。
変圧器（４）の二次巻線（６）の交流電圧（Ｕ２）が、変圧器（４）の一次巻線（５）の交流電圧（Ｕ１）より高い請求項９記載の装置。
変圧器（４）の二次巻線（６）と超電導体（２）との間に、第２の変圧器（８）が電気的に接続された請求項１から１１の１つに記載の装置。
第２の変圧器（８）が冷却された領域（９）の内部に配置された、請求項６に従属する請求項１２、又は請求項６に従属する請求項７から１１の１つに従属する請求項１２記載の装置。
第１の変圧器（４）の二次巻線（６）に接続された第２の変圧器（８）の一次巻線（８０）に印加される電圧（Ｕ２）が、第２の変圧器（８）の二次巻線（８１）で超電導体（２）のために用いる交流電圧（Ｕ３）に変換される請求項１２又は１３記載の装置。
第２の変圧器（８）の二次巻線（８１）の交流電圧（Ｕ３）が、第２の変圧器（８）の一次巻線（８０）の交流電圧（Ｕ２）より低い請求項１４記載の装置。
第２の変圧器（８）の二次巻線（８１）の交流電圧（Ｕ３）が、第２の変圧器（８）の一次巻線（８０）の交流電圧（Ｕ２）より高い請求項１４記載の装置。
第１の変圧器（４）と超電導体（２）との間、又は第２の変圧器（８）と超電導体（２）との間に、少なくとも１つの整流器（１０）、特に少なくとも１つのＭＯＳＦＥＴスイッチを含む整流器が接続された請求項１から１６の１つに記載の装置。
整流器（１０）が遠隔制御（１７）される請求項１７記載の装置。
第１の変圧器（４）と第２の変圧器（８）の少なくとも一方が高周波数で運転される請求項１７記載の装置。
少なくとも１台の変圧器（４）の一次巻線（５）と二次巻線（６）が軸方向に対向して配置された請求項１から１９の１つに記載の装置。
変圧器（４）の一次巻線（５）と二次巻線（６）が放射方向に対向して配置された請求項１から２０の１つに記載の装置。
変圧器（４）の一次巻線（５）と二次巻線（６）が、各々共通の磁束導体（６５）上又はその内部に配置された請求項１から２１の１つに記載の装置。
変圧器（４）の一次巻線（５）と二次巻線（６）が、各々固有の磁束導体（６５）上又はその内部に配置された請求項１から２２の１つに記載の装置。
少なくとも１つの超電導巻線（２）と、少なくとも１つの超電導巻線（２）に給電するための請求項１から２３の１つに記載の装置とを備えた電動機。
少なくとも１つの超電導巻線（２）が回転可能な回転子の構造部分である請求項２４記載の電動機。