JP2008005654A - 誘導子型同期機 - Google Patents

Abstract

【課題】特に軸方向に小型化を図ることができる誘導子型同期機を提供すること。
【解決手段】超電導電動機（誘導子型同期機）１は、中心部に回転軸（軸部）２を有するアキシャルギャップ構造の超電導電動機であって、磁性体からなるヨーク３と、ヨーク３から回転軸２の軸方向に突出して設けられ、径方向にＮ極及びＳ極を形成する界磁コイル（界磁体）５とを有する一対の界磁側固定子６Ａ，６Ｂと、界磁コイル５によって形成されるＮ極に対向するように配されて磁化されるＮ極誘導子７と、界磁コイル５によって形成されるＳ極に対向するように配されて磁化されるＳ極誘導子８とを有する一対の回転子１０Ａ，１０Ｂと、Ｎ極誘導子７及びＳ極誘導子８に対向して電機子コイル１１が配されて、一対の回転子１０Ａ，１０Ｂに挟まれた電機子側固定子１２とを備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、電機子の極性変化と回転軸の回転とが同期して回転する誘導子型同期機に関する。

従来から、界磁コイルが配された回転子と、この界磁コイルに対向するように電機子コイルが配された固定子と、回転子に固定接続された回転軸とを備えた発電機又は電動機が使用されている。このような同期機の場合、回転軸の一端に接続されたスリップリング等によって、回転する界磁コイルに給電している（例えば、特許文献１，２参照。）。
特開昭５４−１１６６１０号公報 特開平６−８６５１７号公報

しかしながら、上記従来の誘導子型同期機にて大きな回転力を得る場合、コイルに大量の電流を流す必要があることから、コイルを含めた同期機全体が大型化してしまう。また、回転子には常電導コイルが配されているので、回転軸の出力を増大させる場合には、コイルに大量の電流を流す必要がある。そのため、回転運動を伴うコイルに給電するための構造がますます複雑、かつ、大型になってしまう。
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、特に軸方向に小型化を図ることができる誘導子型同期機を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る第１の解決手段として、中心部に軸部を有するアキシャルギャップ構造の誘導子型同期機であって、磁性体からなるヨークと、該ヨークから前記軸部方向に突出して設けられ、径方向にＮ極及びＳ極を形成する界磁体とを有する界磁側固定子と、前記界磁体によって形成されるＮ極に対向するように配されたＮ極誘導子と、前記界磁体によって形成されるＳ極に対向するように配されたＳ極誘導子とを有する回転子と、前記Ｎ極誘導子及び前記Ｓ極誘導子に対向して電機子コイルが配された電機子側固定子とを備えていることを特徴とする誘導子型同期機を採用する。
この発明は、Ｎ極誘導子及びＳ極誘導子によって界磁体を径方向から取り囲むように配することができる。

また、本発明に係る第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、前記界磁体が界磁コイルとされ、該界磁コイルが係合される係合溝が、前記軸部を中心とする前記回転子の側面に設けられ、前記Ｎ極誘導子の一部が、前記係合溝に面して前記界磁コイルの外周側或いは内周側の何れか一方に対向配置され、前記Ｓ極誘導子の一部が、前記係合溝に面して前記界磁コイルの外周側或いは内周側の何れか他方に対向配置されていることを特徴とする誘導子型同期機を採用する。

この発明は、界磁コイルを回転子の係合溝に係合させることにより、界磁コイルを回転子内に収納するように配置することができる。従って、界磁側固定子の軸方向の厚さとしてヨークに必要な厚さのみを考慮すればよくなり、回転軸方向の長さを短くすることができる。

また、本発明に係る第３の解決手段として、上記第２の解決手段において、前記界磁コイル及び前記電機子コイルの少なくとも一方が超電導材で形成されていることを特徴とする誘導子型同期機を採用する。
この発明は、従来と同じ電流量であっても各界磁体や各電機子コイルの大きさを従来よりも小さくすることができ、誘導子型同期機をさらに小型化することができる。

本発明によれば、界磁体とＮ極誘導子及びＳ極誘導子とが軸方向に対向して配される場合よりも回転軸方向の長さを短くすることができる。

本発明の一実施形態について、図１から図６を参照して説明する。
本発明に係る超電導電動機（誘導子型同期機）１は、図１に示すように、中心部に回転軸（軸部）２を有するアキシャルギャップ構造の超電導電動機であって、磁性体からなるヨーク３と、ヨーク３から回転軸２の軸方向に突出して設けられ、径方向にＮ極及びＳ極を形成する界磁コイル（界磁体）５とを有して、回転軸２方向に互いに対向するように左右対称に配された一対の界磁側固定子６Ａ，６Ｂと、界磁コイル５によって形成されるＮ極に対向するように配されて磁化されるＮ極誘導子７と、界磁コイル５によって形成されるＳ極に対向するように配されて磁化されるＳ極誘導子８とを有して、回転軸２方向に互いに対向するように左右対称に配された一対の回転子１０Ａ，１０Ｂと、Ｎ極誘導子７及びＳ極誘導子８に対向して電機子コイル１１が配されて、回転軸２を回転自在、かつ、貫通可能に支持し、一対の回転子１０Ａ，１０Ｂに挟まれた電機子側固定子１２とを備えている。

ヨーク３は、パーメンダー、珪素鋼板、鉄、パーマロイ等の磁性体からなり、回転軸２方向に所定の厚さを有する円盤状に形成されている。ヨーク３の中心部には、回転軸２が貫通可能な径の貫通孔３ａが設けられている。ヨーク３の互いに対向する内側の面には、回転軸２を中心として環状に形成された界磁用断熱冷媒容器１３が、それぞれ回転軸２方向に突出して設けられている。界磁用断熱冷媒容器１３内には、液体窒素が充填されており、界磁コイル５が内部に収納されている。

界磁コイル５は、ビスマス系、イットリウム系といった超電導材から構成されており、回転軸２回りに巻回されるようにして界磁用断熱冷媒容器１３内に収納されている。このため、界磁コイル５を励磁した際には、外周側と内周側との径方向に分かれて磁極が発生する。

一対の回転子１０Ａ，１０Ｂは、図２に示すように、ＦＲＰやステンレス等の非磁性体からなり、中心部に設けられた嵌合孔１５ａにて回転軸２を固定支持する回転子本体１５をそれぞれ備えている。ヨーク３と対向する回転子本体１５の外側の面には、界磁コイル５が係合される係合溝１０ａが、回転軸２を中心として環状に形成されている。そして、係合溝１０ａを囲むように設けられてＮ極誘導子７又はＳ極誘導子８を内部に収納する収納凹部１０ｂ，１０ｃが、周方向に複数形成されている。

Ｎ極誘導子７には、図３に示すように、界磁用断熱冷媒容器１３と径方向外方又は内方から対向可能に曲面状に形成された一端面７ａと、後述する円柱状磁性体１７と対向した際に、回転子本体１５の周方向に長く、径方向に短い楕円板状又は略円板状に形成された他端面７ｂとが設けられている。Ｎ極誘導子７は、図４及び図５に示すように、回転子本体１５の中心に対して点対称となる位置に回転軸２方向に貫通して合計４個配されている。この際、Ｎ極誘導子７の一端面７ａは、係合溝１０ａに面して界磁コイル５のＮ極発生位置に対向配置され、かつ、他端面７ｂは、電機子コイル１１に対向配置されている。

Ｓ極誘導子８には、図６に示すように、界磁用断熱冷媒容器１３と径方向外方又は内方から対向可能に曲面状に形成された一端面８ａと、後述する円柱状磁性体１７と対向した際に、回転子本体１５の周方向に長く、径方向に短い楕円板状又は略円板状に形成された他端面８ｂとが設けられている。Ｓ極誘導子８は、図４及び図５に示すように、回転子本体１５の中心に対して点対称となる位置、かつ、Ｎ極誘導子７とは略９０度の位相差を有する位置に回転軸２方向に貫通して合計４個配されている。この際、Ｓ極誘導子８の一端面８ａは、係合溝１０ａに面して界磁コイル５のＳ極発生位置に対向配置され、かつ、他端面８ｂは、電機子コイル１１に対向配置されている。Ｎ極誘導子７及びＳ極誘導子８は、パーメンダー、珪素鋼板、鉄、パーマロイ等の磁性体から構成されている。

電機子側固定子１２は、ＦＲＰやステンレス等の非磁性体からなる固定子本体１６を備えている。固定子本体１６の中心部には、回転軸２が貫通する貫通孔１６ａが配されている。固定子本体１６には、パーメンダー、珪素鋼板、鉄、パーマロイ等の高透磁性材料からなる円柱状磁性体１７と、厚肉円筒状に形成されて内部が空洞とされた電機子用断熱冷媒容器１８とが、固定子本体１６を貫通するようにして配されている。円柱状磁性体１７は、両端面１７ａ，１７ｂがＮ極誘導子７及びＳ極誘導子８と対向するように、貫通孔１６ａを中心とする同一円周上に所定の間隔を設けて６個埋設されている。

電機子用断熱冷媒容器１８は、各円柱状磁性体１７の外側に嵌合された状態で固定子本体１６に配されている。この電機子用断熱冷媒容器１８内に、ビスマス系、イットリウム系といった超電導材からなる電機子コイル１１が、電機子用断熱冷媒容器１８の内周面に巻回されるようにして配されている。

界磁コイル５には、直流電気配線１９を介して直流電源２０が接続されている。また、電機子コイル１１には、交流電気配線２１を介して交流電源２２が接続されている。一方、界磁用断熱冷媒容器１３及び電機子用断熱冷媒容器１８には、冷却配管２３を介して液体窒素を冷媒とする冷却器２５がそれぞれ接続されている。この冷却器２５は、液体窒素を冷却し、循環させるための不図示の駆動電源と接続されている。

次に、本実施形態に係る超電導電動機１の作用について説明する。
まず、冷却器２５を駆動して、冷却配管２３を介して界磁用断熱冷媒容器１３及び電機子用断熱冷媒容器１８に液体窒素を供給する。そして、界磁用断熱冷媒容器１３及び電機子用断熱冷媒容器１８内に配された界磁コイル５及び電機子コイル１１をそれぞれ冷却して超電導状態とする。

次に、直流電源２０から直流電流を界磁コイル５にそれぞれ給電する。このとき、直流電流の向きに応じて、界磁側固定子６Ａには、例えば、界磁コイル５の径方向外側にＮ極及び径方向内側にＳ極がそれぞれ形成される。これによって、Ｎ極誘導子７の電機子側固定子１２と対向する他端面７ｂにＮ極が導出される。一方、Ｓ極誘導子８の電機子側固定子１２と対向する他端面８ｂにＳ極が導出される。界磁側固定子６Ｂについても直流電流の向きに応じて同様の磁極が形成され、Ｎ極誘導子７及びＳ極誘導子８の他端面７ｂ，８ｂにそれぞれＮ極、Ｓ極が導出される。

この状態で、交流電源２２から三相交流を電機子コイル１１に給電する。このとき、三相間の位相差によって、電機子コイル１１には回転軸２まわりに回転する回転磁界が発生する。この回転磁界がＮ極誘導子７及びＳ極誘導子８に対して、一対の回転子１０Ａ，１０Ｂ間で同一方向の回転軸線回りの回転力を発生させ、回転軸２が回転する。

この超電導電動機１によれば、界磁コイル５と電機子コイル１１とにそれぞれ電流を流して励磁することによって、一対の回転子１０Ａ，１０Ｂを介して回転軸２を回転して回転力を供給することができる。この際、界磁コイル５及び電機子コイル１１が超電導材で形成されているので、従来と同じ電流量であっても界磁コイルや電機子コイルの大きさを従来よりも小さくすることができ、超電導電動機を小型化することができる。

また、一対の回転子１０Ａ，１０ｂにはコイルが配されていないので、固定子に配された界磁コイル５及び電機子コイル１１のみに電源供給及び冷却すればよく、電気系及び冷却系を簡単な構成にすることができる。この際、界磁コイル５を回転子本体１５の係合溝１０ａに係合させることにより、界磁コイル５をＮ極誘導子７及びＳ極誘導子８によって径方向に取り囲むようにして回転子本体１５内に配置することができる。従って、各界磁側固定子６Ａ，６Ｂの軸方向の厚さとしては、界磁コイル５の回転子１０Ａ，１０Ｂ側への突出量を考慮することなくヨーク３に必要な厚さのみを考慮すればよくなり、回転軸２方向の長さを短くすることができる。

なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。例えば、上記実施形態では、誘導子型同期機を超電導電動機としているが、回転軸２を回転することにより発電させる発電機として使用しても構わない。

また、上記実施形態では、一対の回転子１０Ａ，１０Ｂの中心部に接続された回転軸２が一対の回転子１０Ａ，１０Ｂとともに回転するインナーローター型としているがこれに限らない。例えば、中心部に配された軸部は固定軸とされる一方、外周側が一対の回転子と接続されたアウターローター型の誘導子型同期機としてもよい。

さらに、Ｎ極誘導子及びＳ極誘導子と電機子コイルとの組み合わせ数は、上述したものに限らず、例えば、Ｎ極誘導子及びＳ極誘導子を２個ずつとし、電機子コイルを３個としてもよい。また、Ｎ極誘導子及びＳ極誘導子を８個ずつとし、電機子コイルを１２個としてもよい。

本発明の一実施形態に係る超電導電動機の内部構造を示す断面概略図である。 本発明の一実施形態に係る超電導電動機の回転子本体を示す斜視図である。 本発明の一実施形態に係る超電導電動機のＮ極誘導子を示す斜視図である。 本発明の一実施形態に係る超電導電動機のＮ極誘導子及びＳ極誘導子の配置状態を示す構成斜視図である。 本発明の一実施形態に係る超電導電動機のＮ極誘導子及びＳ極誘導子の配置状態を示す構成斜視図である。 本発明の一実施形態に係る超電導電動機のＳ極誘導子を示す斜視図である。

符号の説明

１ 超電導電動機（誘導子型同期機）、２ 回転軸（軸部）、３ ヨーク、５ 界磁コイル（界磁体）、６Ａ，６Ｂ 界磁側固定子、７ Ｎ極誘導子、８ Ｓ極誘導子、１０Ａ，１０Ｂ 回転子、１０ａ 係合溝、１１ 電機子コイル、１２ 電機子側固定子

Claims (3)

1. 中心部に軸部を有するアキシャルギャップ構造の誘導子型同期機であって、
   磁性体からなるヨークと、該ヨークから前記軸部方向に突出して設けられ、径方向にＮ極及びＳ極を形成する界磁体とを有する界磁側固定子と、
   前記界磁体によって形成されるＮ極に対向するように配されたＮ極誘導子と、前記界磁体によって形成されるＳ極に対向するように配されたＳ極誘導子とを有する回転子と、
   前記Ｎ極誘導子及び前記Ｓ極誘導子に対向して電機子コイルが配された電機子側固定子とを備えていることを特徴とする誘導子型同期機。
2. 前記界磁体が界磁コイルとされ、
   該界磁コイルが係合される係合溝が、前記軸部を中心とする前記回転子の側面に設けられ、
   前記Ｎ極誘導子の一部が、前記係合溝に面して前記界磁コイルの外周側或いは内周側の何れか一方に対向配置され、
   前記Ｓ極誘導子の一部が、前記係合溝に面して前記界磁コイルの外周側或いは内周側の何れか他方に対向配置されていることを特徴とする請求項１に記載の誘導子型同期機。
3. 前記界磁コイル及び前記電機子コイルの少なくとも一方が超電導材で形成されていることを特徴とする請求項２に記載の誘導子型同期機。
   

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