JP2013055733A - Operation method of superconductive rotating machine and superconductive rotating machine system - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an operation method capable of operating a superconductive rotating machine in a self-supporting stable manner.SOLUTION: A superconductive rotating machine comprises: a rotator having superconductive squirrel-cage winding in which a rotor bar and an end ring are formed by a superconducting wire rod. When a rotational state of a rotator is shifted from a first rotational state of a first torque and a first number of rotations to a second rotational state of a second torque and a second number of rotations that are the same or different from the first ones, control to increase a ratio of applied voltage and its frequency to primary winding of the superconductive rotating machine is performed, and a current more than a critical current is caused to flow in the superconductive squirrel-cage winding of the rotator in the first rotational state so as to be once in a magnetic flux flow state. When the magnetic flux flow state is realized, the ratio of the applied voltage and the frequency is set to a value corresponding to a second rotational state so that shift is made to the second rotational state.

Description

本発明は、高温超電導材料を2次側かご形巻線に用いた超電導回転機の運転方法に関する。   The present invention relates to a method of operating a superconducting rotating machine using a high-temperature superconducting material for a secondary-side cage winding.

既存の構成のかご形誘導機において、2次側かご形巻線に高温超電導材料を用いることにより、誘導機の構成を有しながら誘導回転に加えて同期回転が可能な超電導回転機(高温超電導誘導同期回転機:HTS−ISM)がすでに公知である(例えば、特許文献1参照)。   In a cage induction machine with an existing configuration, by using a high-temperature superconducting material for the secondary-side cage winding, a superconducting rotary machine (high-temperature superconductivity) that can perform synchronous rotation in addition to induction rotation while having an induction machine configuration. An induction synchronous rotating machine (HTS-ISM) is already known (for example, see Patent Document 1).

国際公開第2009/116219号International Publication No. 2009/116219

既存の常電導かご形誘導機の場合、2次側かご形巻線抵抗を小さくしていくと、励磁速度があるしきい値を超えたところで回転が不安定になり、回転制御が不能になるということが知られている。   In the case of an existing normal lead-type induction machine, if the secondary-side squirrel-cage winding resistance is decreased, the rotation becomes unstable when the excitation speed exceeds a certain threshold, and the rotation control becomes impossible. It is known that.

特許文献1に開示された超電導回転機の場合も、2次側かご形巻線が高温超電導材料からなるために、超電導状態においてその抵抗は非常に小さい。それゆえ、同期回転が不安定(振動的)になりやすいという問題があった。特に可変速の際に係る問題が顕著であった。しかしながら、特許文献1においては、係る課題およびその解決手段について、何らの開示も示唆もなされてはいない。   Also in the case of the superconducting rotating machine disclosed in Patent Document 1, since the secondary-side cage winding is made of a high-temperature superconducting material, its resistance is very small in the superconducting state. Therefore, there is a problem that the synchronous rotation is likely to be unstable (vibrational). In particular, the problem related to the variable speed was remarkable. However, in Patent Document 1, there is no disclosure or suggestion regarding such a problem and its solution.

なお、特許文献1には、静止状態にある超電導かご形巻線が、固定子巻線による回転磁界の磁束を捕捉してない状態で超電導状態になっている場合に、磁束フロー状態を利用して同期回転を実現する態様が開示されているが、同期回転の安定制御の実現については、何らの開示も示唆もなされてはいない。   Note that Patent Document 1 uses a magnetic flux flow state when a superconducting cage winding in a stationary state is in a superconducting state without capturing a magnetic flux of a rotating magnetic field by a stator winding. However, there is no disclosure or suggestion regarding the realization of stable control of synchronous rotation.

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、超電導回転機を自立安定的に動作させることができる運転方法を提供することを目的とする。   This invention is made | formed in view of the said subject, and it aims at providing the driving | running method which can operate a superconducting rotary machine independently and stably.

上記課題を解決するため、請求項1の発明は、ロータバーおよびエンドリングが超電導線材によって構成された超電導かご形巻線を有する回転子を備えた超電導回転機の運転方法であって、前記回転子の回転状態を、第1のトルクおよび第1の回転数の第1の回転状態から前記第1のトルクおよび前記第1の回転数と同じまたは異なる第2のトルクおよび第2の回転数の第2の回転状態へと移行させる際に、前記超電導回転機の一次巻線への印加電圧とその周波数とを制御することによって、前記第1の回転状態にある前記回転子の前記超電導かご形巻線をいったん磁束フロー状態としたうえで、前記第2の回転状態へと移行させる、ことを特徴とする。   In order to solve the above-mentioned problems, the invention of claim 1 is a method of operating a superconducting rotating machine comprising a rotor having a superconducting lead-shaped winding in which a rotor bar and an end ring are made of a superconducting wire. From the first rotational state of the first torque and the first rotational speed to the second torque and the second rotational speed that are the same as or different from the first torque and the first rotational speed. When the transition to the rotational state of 2 is performed, the superconducting lead-shaped winding of the rotor in the first rotational state is controlled by controlling the voltage applied to the primary winding of the superconducting rotating machine and its frequency. The wire is once brought into a magnetic flux flow state and then shifted to the second rotation state.

請求項2の発明は、請求項1に記載の超電導回転機の運転方法であって、前記印加電圧と前記周波数との比を増大させて前記超電導かご形巻線に臨界電流以上の電流が流れるようにすることで前記磁束フロー状態を実現させ、前記磁束フロー状態が実現されると、前記印加電圧と前記周波数との比を前記第2の回転状態に応じた値に設定する、ことを特徴とする。   The invention according to claim 2 is the operation method of the superconducting rotating machine according to claim 1, wherein the ratio between the applied voltage and the frequency is increased and a current higher than a critical current flows through the superconducting lead-type winding. By doing so, the magnetic flux flow state is realized, and when the magnetic flux flow state is realized, the ratio between the applied voltage and the frequency is set to a value corresponding to the second rotation state. And

請求項3の発明は、ロータバーおよびエンドリングが超電導線材によって構成された超電導かご形巻線を有する回転子と、一次巻線を含む固定子とを備えた超電導回転機と、前記超電導回転機の動作を制御するコントローラと、を備える超電導回転機システムであって、前記回転子の回転状態を、第1のトルクおよび第1の回転数の第1の回転状態から前記第1のトルクおよび前記第1の回転数と同じまたは異なる第2のトルクおよび第2の回転数の第2の回転状態へと移行させる際に、前記コントローラが、前記一次巻線への印加電圧とその周波数とを制御することによって、前記第1の回転状態にある前記回転子の前記超電導かご形巻線をいったん磁束フロー状態としたうえで、前記第2の回転状態へと移行させる、ことを特徴とする。   According to a third aspect of the present invention, there is provided a superconducting rotating machine comprising a rotor having a superconducting lead-shaped winding in which a rotor bar and an end ring are made of a superconducting wire, a stator including a primary winding, and the superconducting rotating machine. A superconducting rotating machine system comprising: a controller for controlling the operation, wherein the rotation state of the rotor is changed from the first torque and the first rotation state of the first rotation number to the first torque and the first rotation state. The controller controls the voltage applied to the primary winding and its frequency when shifting to the second rotation state of the second torque that is the same as or different from the rotation number of 1 and the second rotation state of the second rotation number. Thus, the superconducting lead-shaped winding of the rotor in the first rotation state is once brought into a magnetic flux flow state and then shifted to the second rotation state.

請求項4の発明は、請求項3に記載の超電導回転機システムであって、前記コントローラは、前記印加電圧と前記周波数との比を増大させて前記超電導かご形巻線に臨界電流以上の電流が流れるようにすることで前記磁束フロー状態を実現させ、前記磁束フロー状態が実現されると、前記印加電圧と前記周波数との比を前記第2の回転状態に応じた値に設定する、ことを特徴とする。   A fourth aspect of the present invention is the superconducting rotating machine system according to the third aspect, wherein the controller increases a ratio of the applied voltage to the frequency to cause a current exceeding a critical current to the superconducting cage winding. The magnetic flux flow state is realized by causing the magnetic flux to flow, and when the magnetic flux flow state is realized, the ratio between the applied voltage and the frequency is set to a value corresponding to the second rotational state. It is characterized by.

請求項1ないし請求項4の発明によれば、磁束フロー状態における誘導トルク主動での回転動作を瞬間的に利用することにより、可変速を行う場合をはじめ、超電導回転機の同期トルク主動での回転動作を安定的に継続させることができる。つまりは、超電導回転機を自立安定的に運転することができる。   According to the first to fourth aspects of the present invention, the instantaneous rotation of the induced torque in the magnetic flux flow state is used to instantaneously change the speed of the superconducting rotating machine in the synchronous torque of the superconducting rotating machine. The rotation operation can be continued stably. That is, the superconducting rotating machine can be operated independently and stably.

本発明の制御方法における制御対象たる超電導回転機1の回転軸方向を含む断面図である。It is sectional drawing containing the rotating shaft direction of the superconducting rotary machine 1 which is a control object in the control method of this invention. 回転子7の回転軸方向に垂直な断面についての断面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view of a cross section perpendicular to the rotation axis direction of the rotor 7. 図3は、回転子鉄心71を示す図である。FIG. 3 is a view showing the rotor core 71. 超電導かご形巻線73を示す図である。It is a figure which shows the superconducting induction | guidance | derivation cage winding 73. FIG. 常電導かご形巻線74を示す図である。It is a figure which shows the normal-electric guide | clad winding 74. FIG. 超電導電動機のトルク特性を示す図である。It is a figure which shows the torque characteristic of a superconducting electromotive motive. 超電導回転機1を組み込んだ超電導回転機システム100の概略構成を示す図である。1 is a diagram showing a schematic configuration of a superconducting rotating machine system 100 in which a superconducting rotating machine 1 is incorporated. 超電導回転機1の超電導かご形巻線73の電流電圧特性を示す図である。It is a figure which shows the current-voltage characteristic of the superconducting lead-shaped winding 73 of the superconducting rotating machine 1. 超電導回転機1の無負荷特性および負荷特性について、解析結果と実測値とを対比する図である。It is a figure which contrasts an analysis result and measured value about the no-load characteristic and load characteristic of superconducting rotating machine 1. 超電導回転機1の同期回転の安定限界を解析した結果を示す図である。It is a figure which shows the result of having analyzed the stability limit of the synchronous rotation of the superconducting rotary machine. 無負荷時における同期回転の安定性を解析した結果を示す図である。It is a figure which shows the result of having analyzed the stability of the synchronous rotation at the time of no load. 無負荷時における同期回転の安定性を解析した結果を示す図である。It is a figure which shows the result of having analyzed the stability of the synchronous rotation at the time of no load.

<超電導回転機の構成>
図1は本発明の制御方法における制御対象たる超電導回転機1の回転軸方向を含む断面図である。超電導回転機1は、概略的にいえば、2次側かご形巻線に高温超電導材料を用いたかご形誘導機である。図1に示すように、超電導回転機1は、ケーシング2と、固定子3と、ブラケット4a、4bと、回転子7とを、主として備える。
<Configuration of superconducting rotating machine>
FIG. 1 is a cross-sectional view including the rotation axis direction of a superconducting rotating machine 1 to be controlled in the control method of the present invention. Generally speaking, the superconducting rotating machine 1 is a squirrel-cage induction machine that uses a high-temperature superconducting material for a secondary-side cage winding. As shown in FIG. 1, the superconducting rotating machine 1 mainly includes a casing 2, a stator 3, brackets 4 a and 4 b, and a rotor 7.

固定子3は、環状の固定子鉄心3aと、固定子鉄心3aの図示しないスロット内に設けられた固定子巻線(一次巻線)3bとから構成される。固定子鉄心3aは、珪素鋼板等の電磁鋼板を軸方向に積層してなるものである。また、固定子巻線3bは常電導材からなっている。   The stator 3 includes an annular stator core 3a and a stator winding (primary winding) 3b provided in a slot (not shown) of the stator core 3a. The stator core 3a is formed by laminating electromagnetic steel plates such as silicon steel plates in the axial direction. The stator winding 3b is made of a normal conductive material.

回転子7は、固定子3(固定子鉄心3a)の内側に、固定子3と離間させて配置されている。回転子7は、回転子鉄心71と、超電導かご形巻線73と、常電導かご形巻線74と、回転軸75とから構成される。図2は回転子7の回転軸方向に垂直な断面についての断面図である。   The rotor 7 is arranged inside the stator 3 (stator iron core 3a) and separated from the stator 3. The rotor 7 includes a rotor core 71, a superconducting lead-shaped winding 73, a normal conducting lead-shaped winding 74, and a rotating shaft 75. FIG. 2 is a cross-sectional view of a cross section perpendicular to the rotation axis direction of the rotor 7.

図3は、回転子鉄心71を示す図である。回転子鉄心71は、図3に示すような中空円柱状の部材であり、珪素鋼板等の電磁鋼板を軸方向に積層してなるものである。図2および図3に示すように、回転子鉄心71の軸中心部には、回転軸受容孔71aが形成されており、丸棒状の回転軸75が挿入されて取り付けられてなる。また、回転子鉄心71の外周近傍には、軸方向に貫通する複数のスロット72が、周方向に所定間隔をあけて形成されている。スロット72は、回転子鉄心71の軸方向(回転軸75の延在方向)に対して斜めに形成され、斜めスロット(スキュー)構成とされている。ただし、本発明においてスロッ72がスキュー構成を有することは必須の態様ではない。図1に示すように、スロット72には、超電導かご形巻線73のロータバー73aおよび常電導かご形巻線74のロータバー74aが収容される。   FIG. 3 is a view showing the rotor core 71. The rotor core 71 is a hollow cylindrical member as shown in FIG. 3 and is formed by laminating electromagnetic steel plates such as silicon steel plates in the axial direction. As shown in FIGS. 2 and 3, a rotation shaft receiving hole 71 a is formed at the shaft center portion of the rotor core 71, and a round bar-shaped rotation shaft 75 is inserted and attached thereto. Further, in the vicinity of the outer periphery of the rotor core 71, a plurality of slots 72 penetrating in the axial direction are formed at predetermined intervals in the circumferential direction. The slot 72 is formed obliquely with respect to the axial direction of the rotor core 71 (the extending direction of the rotary shaft 75), and has an oblique slot (skew) configuration. However, it is not an essential aspect that the slot 72 has a skew configuration in the present invention. As shown in FIG. 1, the slot 72 accommodates the rotor bar 73 a of the superconducting lead-shaped winding 73 and the rotor bar 74 a of the normal conducting lead-shaped winding 74.

図4は、超電導かご形巻線73を示す図である。超電導かご形巻線73は、図4に示すように、複数のロータバー73aと、各ロータバー73aの両端をそれぞれ短絡させる1対のエンドリング73b、73bとから構成される。   FIG. 4 is a diagram showing the superconducting lead-shaped winding 73. As shown in FIG. 4, the superconducting lead-shaped winding 73 includes a plurality of rotor bars 73a and a pair of end rings 73b and 73b that short-circuit both ends of each rotor bar 73a.

より詳細には、ロータバー73aは、超電導線材を複数本束ねてなる、断面視矩形状の部材である。ただし、断面が矩形であることは必須の態様ではない。例えば、断面視円形状をなしていてもよい。超電導線材は、複数本の高温超電導フィラメントを、銅、アルミニウム、銀、金等の高導電性金属によって被覆して構成されている。なお、高温超電導フィラメントにはビスマス系高温超電導材料からなるものを用いるのが好適であるが、他の高温超電導材料からなるフィラメントを用いる態様であってもよい。   More specifically, the rotor bar 73a is a member having a rectangular shape in cross section, which is formed by bundling a plurality of superconducting wires. However, it is not an essential aspect that the cross section is rectangular. For example, the cross sectional view may be circular. The superconducting wire is formed by coating a plurality of high-temperature superconducting filaments with a highly conductive metal such as copper, aluminum, silver, or gold. Although it is preferable to use a high-temperature superconducting filament made of a bismuth-based high-temperature superconducting material, an embodiment using a filament made of another high-temperature superconducting material may be used.

エンドリング73bは、ロータバー73aと同様に超電導線材からなる、環状の部材である。1対のエンドリング73b、73bにはそれぞれ、ロータバー73aの各端部がハンダ接合される。   The end ring 73b is an annular member made of a superconducting wire like the rotor bar 73a. Each end of the rotor bar 73a is soldered to the pair of end rings 73b and 73b.

図5は、常電導かご形巻線74を示す図である。常電導かご形巻線74は、図5に示すように、複数のロータバー74aと、各ロータバー74aの両端をそれぞれ短絡させる1対のエンドリング74b、74bとから構成される。   FIG. 5 is a diagram showing the normal conducting lead-shaped winding 74. As shown in FIG. 5, the normal conducting lead-shaped winding 74 includes a plurality of rotor bars 74a and a pair of end rings 74b and 74b that short-circuit both ends of each rotor bar 74a.

ロータバー74aは、銅、アルミニウム、銀、金等の高導電性材からなる、断面視矩形状の部材である。ただし、断面が矩形であることは必須の態様ではない。例えば、断面視円形状をなしていてもよい。また、エンドリング74bも、ロータバー74aと同様に、銅、アルミニウム、銀、金等の高導電性材からなっている。1対のエンドリング74b、74bにはそれぞれ、ロータバー74aの各端部がハンダ接合される。   The rotor bar 74a is a member having a rectangular shape in cross section made of a highly conductive material such as copper, aluminum, silver, or gold. However, it is not an essential aspect that the cross section is rectangular. For example, the cross sectional view may be circular. Similarly to the rotor bar 74a, the end ring 74b is also made of a highly conductive material such as copper, aluminum, silver, or gold. Each end of the rotor bar 74a is soldered to the pair of end rings 74b and 74b.

ロータバー73aとロータバー74aとは、周方向に所定間隔をあけて、かつ、超電導かご形巻線73の軸方向に対して斜めに配置されている。これにより、超電導かご形巻線73および常電導かご形巻線74は、ともに、円筒状かつスキュー構造を有するものとなっている。しかも、ロータバー73aとロータバー74aとは、回転子鉄心71に設けられてなる全てのスロット72に、過不足なく配置されている。ただし、図1および図2に示すように、スロット72内においては、ロータバー74aの方がロータバー73aよりも外側に配置される。   The rotor bar 73 a and the rotor bar 74 a are disposed at a predetermined interval in the circumferential direction and obliquely with respect to the axial direction of the superconducting lead-shaped winding 73. Thereby, both the superconducting lead-shaped winding 73 and the normal conducting lead-shaped winding 74 are cylindrical and have a skew structure. Moreover, the rotor bar 73a and the rotor bar 74a are disposed in all slots 72 provided in the rotor core 71 without excess or deficiency. However, as shown in FIGS. 1 and 2, in the slot 72, the rotor bar 74a is disposed outside the rotor bar 73a.

また、ロータバー73aとロータバー74aは、スロット72よりも長い。それゆえ、図1に示すように、スロット72に収容された状態においては、ロータバー73aとロータバー74aとはスロット72から突出している。   Further, the rotor bar 73 a and the rotor bar 74 a are longer than the slot 72. Therefore, as shown in FIG. 1, the rotor bar 73 a and the rotor bar 74 a protrude from the slot 72 in the state of being accommodated in the slot 72.

ケーシング2は、固定子3の(より厳密には、固定子鉄心3aの)外周を覆う円筒状の部材である。また、ブラケット4a、4bは、ケーシング2の開口している2つの端部にそれぞれ嵌め合わされる、略円板状の部材である。ただし、ブラケット4aの中央部には、回転軸75を貫通させる貫通孔4hが設けられている。なお、ブラケット4a、4bには、回転軸75を回転自在に支持するベアリング等の軸受け5a、5bが設けられている。   The casing 2 is a cylindrical member that covers the outer periphery of the stator 3 (more precisely, the stator core 3a). Further, the brackets 4 a and 4 b are substantially disk-shaped members that are fitted into the two end portions of the casing 2 that are open. However, a through hole 4h through which the rotary shaft 75 passes is provided at the center of the bracket 4a. The brackets 4a and 4b are provided with bearings 5a and 5b such as bearings for rotatably supporting the rotary shaft 75.

<超電導回転機の基本動作>
次に、以上のような構成を有する超電導回転機1の動作態様について説明する図である。図6は、超電導電動機のトルク特性(すべりsに対するトルクTの変化)を示す図である。なお、図6に示すトルク特性におけるフェーズF1、F2、F3は、超電導かご形巻線73の電導状態と、回転子7の回転モードとの組合せが異なる3つの状況にそれぞれ対応する。
<Basic operation of superconducting rotating machine>
Next, it is a figure explaining the operation | movement aspect of the superconducting rotary machine 1 which has the above structures. FIG. 6 is a diagram showing torque characteristics of the superconducting motive (change in torque T with respect to slip s). The phases F1, F2, and F3 in the torque characteristics shown in FIG. 6 respectively correspond to three situations in which the combination of the conduction state of the superconducting lead-shaped winding 73 and the rotation mode of the rotor 7 is different.

まず、超電導かご形巻線73が常電導状態(非超電導状態)にある場合、固定子3による回転磁界に起因して常電導かご形巻線74に誘導電流が流れ、誘導トルクが生じる。この場合、回転子7は該誘導トルク主動で回転する。このときのトルク特性を示すのが図6のフェーズF1である。   First, when the superconducting lead-shaped winding 73 is in a normal conducting state (non-superconducting state), an induced current flows through the normal conducting lead-shaped winding 74 due to the rotating magnetic field generated by the stator 3 to generate an induction torque. In this case, the rotor 7 rotates by the induced torque main drive. The torque characteristic at this time is shown by phase F1 in FIG.

超電導回転機1がこのような誘導回転をしている状態においては、超電導かご形巻線73にも若干の誘導電流が流れる。しかし、常電導状態にある超電導かご形巻線73と常電導かご形巻線74との抵抗値の違いから、この状態では、常電導かご形巻線74を流れる誘導電流の方が超電導かご形巻線73を流れる誘導電流よりもはるかに大きい。それゆえ、回転子7超電導かご形巻線73に生じる誘導トルクよりも、常電導かご形巻線74に生じる誘導トルクの方が、回転子7の回転に際して支配的となる。   In a state where the superconducting rotating machine 1 performs such induction rotation, a slight induced current also flows through the superconducting lead-shaped winding 73. However, due to the difference in resistance value between the superconducting lead-shaped winding 73 and the normal conducting lead-shaped winding 74 in the normal conducting state, in this state, the induced current flowing through the normal conducting lead-shaped winding 74 is more superconducting lead-shaped. It is much larger than the induced current flowing through the winding 73. Therefore, the induced torque generated in the normal conducting lead winding 74 is more dominant in the rotation of the rotor 7 than the induced torque generated in the rotor 7 superconducting conducting winding 73.

次に、超電導かご形巻線73が常電導状態から超電導状態に転移すると、超電導かご形巻線73が、固定子3による回転磁界の磁束を捕捉する磁束捕捉状態となることで、同期トルクが生じる。このとき、回転子7は当該同期トルク主動で回転する。このときのトルク特性を示すのが図6のフェーズF2である。   Next, when the superconducting lead-shaped winding 73 transitions from the normal conducting state to the superconducting state, the superconducting lead-shaped winding 73 enters a magnetic flux trapping state in which the magnetic flux of the rotating magnetic field by the stator 3 is trapped. Arise. At this time, the rotor 7 rotates by the synchronous torque main drive. The torque characteristic at this time is shown by phase F2 in FIG.

この同期回転時には、ロータバー73aとエンドリング73bの接続抵抗等の影響により、極めてわずかなすべりが生じることがある。しかしながら、この場合も、機器特性としては同期回転を行っているとみなすことができる。   During this synchronous rotation, an extremely slight slip may occur due to the influence of the connection resistance between the rotor bar 73a and the end ring 73b. However, in this case as well, it can be considered that synchronous rotation is performed as a device characteristic.

また、このように同期回転をしている状態において、超電導回転機1に過大な負荷が加わった場合、超電導かご形巻線73は磁束捕捉状態から磁束フロー状態に移行するが、回転子7の回転は、誘導トルク主動で継続される。このときの誘導トルクは、磁束フロー状態にある超電導かご形巻線73および常電導かご形巻線74の両方から提供される。このときのトルク特性を示すのが図6のフェーズF3である。   In addition, when an excessive load is applied to the superconducting rotating machine 1 in the state of synchronous rotation in this way, the superconducting lead-shaped winding 73 shifts from the magnetic flux capturing state to the magnetic flux flow state. The rotation is continued with the induced torque main drive. The induction torque at this time is provided from both the superconducting lead-shaped winding 73 and the normal conducting lead-shaped winding 74 in the magnetic flux flow state. The torque characteristic at this time is shown by phase F3 in FIG.

すなわち、超電導回転機1は、図6に示すようなトルク特性を有し、常電導状態においては誘導トルク主動で動作し、超電導状態においては、通常負荷時には同期トルク主動で、過負荷時に誘導トルク主動で動作する。   That is, the superconducting rotating machine 1 has a torque characteristic as shown in FIG. 6, and operates in the induced torque main drive in the normal conducting state, and in the superconducting state, it operates in the synchronous torque main operation at the normal load and in the induced torque in the overload. Operates in the main drive.

<超電導回転機システム>
図7は、上述のような構成を有する超電導回転機1を組み込んだ超電導回転機システム100の概略構成を示す図である。
<Superconducting rotating machine system>
FIG. 7 is a diagram showing a schematic configuration of a superconducting rotating machine system 100 incorporating the superconducting rotating machine 1 having the above-described configuration.

超電導回転機システム100は、超電導回転機1と、冷却装置11と、コントローラ12と、インバータ13と、バッテリー14とを主として備える。また、超電導回転機1は、その回転軸75に負荷15が接続されている。負荷15は、例えば超電導回転機1が電機自動車の電動機(モータ)として車両に搭載される場合であれば、車軸を介して連結される車輪(駆動輪)である。   The superconducting rotating machine system 100 mainly includes a superconducting rotating machine 1, a cooling device 11, a controller 12, an inverter 13, and a battery 14. The superconducting rotating machine 1 has a load 15 connected to the rotating shaft 75 thereof. For example, when the superconducting rotating machine 1 is mounted on a vehicle as an electric motor (motor) of an electric automobile, the load 15 is a wheel (drive wheel) connected via an axle.

冷却装置11は、冷媒供給路11aと、超電導回転機1の回転軸75と回転子鉄心71とに設けられ、冷媒供給路11aと連通する図示しない内部冷媒供給路とを通じて、回転子7のスロット72内に冷媒を供給する。これにより、超電導回転機1に備わる超電導かご形巻線73が臨界温度未満に冷却される。冷媒としては、ヘリウムガスや液体窒素等が用いられる。   The cooling device 11 is provided in the refrigerant supply path 11a, the rotating shaft 75 and the rotor core 71 of the superconducting rotating machine 1, and the slot of the rotor 7 through an internal refrigerant supply path (not shown) communicating with the refrigerant supply path 11a. A refrigerant is supplied into 72. Thereby, the superconducting lead-shaped winding 73 provided in the superconducting rotating machine 1 is cooled below the critical temperature. As the refrigerant, helium gas, liquid nitrogen, or the like is used.

コントローラ12は、駆動信号Smとして与えられる外部からの動作指示に基づいて、超電導回転機1の動作を制御する。併せて、冷却装置11による冷却動作も制御する。   The controller 12 controls the operation of the superconducting rotating machine 1 based on an external operation instruction given as the drive signal Sm. In addition, the cooling operation by the cooling device 11 is also controlled.

前者についていえば、コントローラ12は、超電導回転機1から絶えず入力される、固定子巻線3b内を流れる1次電流の信号である1次電流信号SIに基づき、インバータ13を介して、超電導回転機1の固定子巻線3bに印加される交流電圧の電圧Vおよび周波数fを独立に制御する。これにより、超電導回転機1の回転数Nおよびトルクτがフィードバック制御される。   As for the former, the controller 12 performs the superconducting rotation via the inverter 13 based on the primary current signal SI which is a signal of the primary current flowing through the stator winding 3b, which is continuously input from the superconducting rotating machine 1. The voltage V and the frequency f of the alternating voltage applied to the stator winding 3b of the machine 1 are controlled independently. Thereby, the rotational speed N and the torque τ of the superconducting rotating machine 1 are feedback-controlled.

コントローラ12の図示しない記憶部には、超電導回転機1が誘導トルク主動で回転する際に用いる誘導回転用制御パターンと、超電導回転機1が同期トルク主動で回転する際に用いる同期回転用制御パターンとが、あらかじめ記憶されている。誘導回転用制御パターンは、従来の誘導回転機に対して用いられる公知の制御パターンと同様のものである。また、同期回転用制御パターンは、従来の同期電動機に対して用いられる公知の制御パターンと同様のものである。   In a storage unit (not shown) of the controller 12, a control pattern for induction rotation used when the superconducting rotating machine 1 rotates with induced torque main rotation and a control pattern for synchronous rotation used when the superconducting rotating machine 1 rotates with synchronous torque main driving are used. Are stored in advance. The control pattern for induction rotation is the same as the known control pattern used for the conventional induction rotating machine. The synchronous rotation control pattern is the same as a known control pattern used for a conventional synchronous motor.

コントローラ12にはさらに、1次電流信号SIに対するしきい値ITHが格納されている。しきい値ITHは、固定子巻線3bに印加される電圧Vとその周波数fの比V/fの値ごとに、あらかじめ設定される。なお、V/fは、超電導かご形巻線73への鎖交磁束の量に比例し、さらには、超電導かご形巻線73に加わるトルクに比例する値である。 The controller 12 further stores a threshold value I TH for the primary current signal SI. The threshold value I TH is set in advance for each value of the ratio V / f between the voltage V applied to the stator winding 3b and its frequency f. Note that V / f is a value proportional to the amount of flux linkage to the superconducting lead-shaped winding 73 and further proportional to the torque applied to the superconducting lead-shaped winding 73.

具体的には、しきい値ITHは、超電導回転機1を実際に動作させて常電導状態から超電導状態へと移行させたときの、超電導状態での1次電流信号SIの値に基づいて設定される。90%値として設定するのが好適な一例である。 Specifically, the threshold value I TH is based on the value of the primary current signal SI in the superconducting state when the superconducting rotating machine 1 is actually operated to shift from the normal conducting state to the superconducting state. Is set. Setting as a 90% value is a preferred example.

しきい値ITHは、コントローラ12において、超電導回転機1の動作が同期トルク主動か否かを判定し、適用する制御パターンをする決定する際に用いられる。すなわち、コントローラ12は、1次電流信号SIの値がしきい値ITHよりも小さければ、超電導回転機1が同期トルク主動で動作していると判定し、同期回転用制御パターンを適用して超電導回転機1を制御する。1次電流信号SIの値がしきい値ITH以上であれば、超電導回転機1が誘導トルク主動で動作していると判定し、誘導回転用制御パターンを適用して超電導回転機1を制御する。 The threshold value I TH is used when the controller 12 determines whether or not the operation of the superconducting rotating machine 1 is synchronous torque main movement and determines a control pattern to be applied. That is, if the value of the primary current signal SI is smaller than the threshold value I TH , the controller 12 determines that the superconducting rotating machine 1 is operating in the synchronous torque main drive, and applies the synchronous rotation control pattern. The superconducting rotating machine 1 is controlled. If the value of the primary current signal SI is equal to or greater than the threshold value I TH, it is determined that the superconducting rotating machine 1 is operating with induced torque main motion and the superconducting rotating machine 1 is controlled by applying a control pattern for induced rotation. To do.

<同期回転動作時の安定制御>
次に、超電導回転機システム100において超電導回転機1を同期トルク主動の同期回転で動作させる際の、安定制御について説明する。
<Stable control during synchronous rotation>
Next, stable control when the superconducting rotating machine 1 is operated in the synchronous rotation of the synchronous torque main drive in the superconducting rotating machine system 100 will be described.

図8は、超電導回転機1の超電導かご形巻線73の電流電圧特性を示す図である。なお、図8および以降の説明においては、超電導かご形巻線73自体の電流Iおよび電圧Vについて、添字sを付けて区別する。図8に示すように、超電導かご形巻線73の電流電圧特性は、0≦Vs≦V1では直線Laに従い、Vs>V1では曲線Lbに従う。ただし、V1はIs=Ic(臨界電流)となる電圧値である。   FIG. 8 is a diagram showing the current-voltage characteristics of the superconducting lead-shaped winding 73 of the superconducting rotating machine 1. In FIG. 8 and the following description, the current I and the voltage V of the superconducting cage winding 73 itself are distinguished by adding a subscript s. As shown in FIG. 8, the current-voltage characteristics of the superconducting lead-shaped winding 73 follow a straight line La when 0 ≦ Vs ≦ V1, and follow a curve Lb when Vs> V1. However, V1 is a voltage value which becomes Is = Ic (critical current).

超電導かご形巻線73の電流電圧特性は、理想的には、その構成材たる超電導材料(ビスマス系高温超電導材料)自体の電流電圧特性のみに従うべきものであるが、実際の超電導かご形巻線73の導通経路には、ロータバー73aとエンドリング73bとを接合しているハンダなどの常電導材料(導体)が、わずかながら介在している。そのため、超電導かご形巻線73の超電導材料が超電導状態であったとしても、超電導かご形巻線73全体としては、常電導材料の抵抗が無視できなくなるため、有限の抵抗を有することになる。この場合の超電導かご形巻線73の電流電圧特性は、オームの法則に従うものとなり、これが、直線Laに該当する。具体的には、直線Laは、次の(1)式で表される。   Ideally, the current-voltage characteristics of the superconducting lead-shaped winding 73 should follow only the current-voltage characteristics of the superconducting material (bismuth-based high-temperature superconducting material) itself, which is a constituent material thereof. A normal conducting material (conductor) such as solder for joining the rotor bar 73a and the end ring 73b is slightly interposed in the conduction path 73. Therefore, even if the superconducting material of the superconducting lead-shaped winding 73 is in a superconducting state, the superconducting lead-shaped winding 73 as a whole has a finite resistance because the resistance of the normal conducting material cannot be ignored. The current-voltage characteristic of the superconducting lead-shaped winding 73 in this case follows Ohm's law, and this corresponds to the straight line La. Specifically, the straight line La is expressed by the following equation (1).

Vs=R・Is・・・・・(1)
ここで、抵抗値Rは超電導かご形巻線73に介在する常電導材料の材質や使用態様(例えば使用量、使用面積その他)などによって定まる定数であり、直線Laの傾きを表す値でもある。0≦R≦約10mΩであるが、常電導材料の抵抗を事実上無視できる場合、R=0としてもよい。
Vs = R · Is (1)
Here, the resistance value R is a constant determined by the material of the normal conducting material interposed in the superconducting lead-shaped winding 73 and the usage mode (for example, usage amount, usage area, etc.), and is also a value representing the slope of the straight line La. Although 0 ≦ R ≦ about 10 mΩ, R = 0 may be used when the resistance of the normal conductive material can be virtually ignored.

一方、超電導かご形巻線73に臨界電流Icを超えた電流が流れると、超電導かご形巻線73は損失状態(超電導状態でありながら損失の発生する磁束フロー状態)となり、超電導材料自体にも抵抗(非線形抵抗)が生じる。この状態を表したのが、曲線Lcである。ただし、厳密には、超電導かご形巻線73の電流電圧特性は、直線Laと曲線Lcとを重ね合わせた曲線Lbにて表される。そして、電流値が大きくなるほど、超電導かご形巻線73全体としても、超電導材料自体の電流電圧特性が支配的となる。曲線Lcは例えば次の(2)式で表される。   On the other hand, when a current exceeding the critical current Ic flows through the superconducting lead-shaped winding 73, the superconducting lead-shaped winding 73 enters a loss state (a magnetic flux flow state in which loss occurs while being in the superconducting state), and the superconducting material itself Resistance (nonlinear resistance) is generated. A curve Lc represents this state. However, strictly speaking, the current-voltage characteristic of the superconducting lead-shaped winding 73 is represented by a curve Lb obtained by superimposing the straight line La and the curve Lc. As the current value increases, the current-voltage characteristics of the superconducting material itself become dominant in the superconducting cage winding 73 as a whole. The curve Lc is expressed by the following equation (2), for example.

Vs=Vc(Is−Ic)n・・・・・(2)
なお、Vcは定数である。また、nは超電導かご形巻線73に使用した超電導材料に応じて定まる値であり、n>1である。この場合、図8において曲線Lb上の任意のデータ点(I、V)と原点とを結ぶ直線の傾きがそのデータ点についての抵抗値Rrとなる。超電導かご形巻線73の抵抗値RrはIs、Vsの関数である。そして、図8から明らかなように、この場合の抵抗値Rrは、直線Laに従う場合の抵抗値R以上となる。すなわち、曲線Lbの範囲では超電導材料は非線形抵抗を有する。本実施の形態においては、係る非線形抵抗を利用して、超電導回転機1の同期回転の安定制御を実現する。
Vs = Vc (Is−Ic) n (2)
Vc is a constant. Further, n is a value determined according to the superconducting material used for the superconducting lead-shaped winding 73, and n> 1. In this case, in FIG. 8, the slope of a straight line connecting an arbitrary data point (I, V) on the curve Lb and the origin is the resistance value Rr for the data point. The resistance value Rr of the superconducting lead-shaped winding 73 is a function of Is and Vs. As is clear from FIG. 8, the resistance value Rr in this case is equal to or greater than the resistance value R in the case of following the straight line La. That is, the superconducting material has a non-linear resistance in the range of the curve Lb. In the present embodiment, stable control of synchronous rotation of the superconducting rotating machine 1 is realized using such a nonlinear resistance.

概略的にいえば、定常動作時においては、超電導かご形巻線73が図8の直線Laで表される電流電圧特性をみたすように、固定子巻線3bへの印加電圧Vとその周波数fとを独立に制御する。一方で、可変速時など、同期回転での動作が不安定化しそうな場合、超電導かご形巻線73を意図的にかつ瞬時に図8の曲線Lbの範囲をみたす磁束フロー状態とすることにより回転子7に誘導トルク主動での回転状態をいったん実現させたうえで、所望する回転数での同期回転に移行することで、同期回転動作の安定性を保つようにする。   Schematically speaking, during the steady operation, the applied voltage V to the stator winding 3b and its frequency f so that the superconducting lead-shaped winding 73 satisfies the current-voltage characteristic represented by the straight line La in FIG. Are controlled independently. On the other hand, when the operation at the synchronous rotation is likely to become unstable, such as at the time of variable speed, the superconducting lead-shaped winding 73 is intentionally and instantaneously brought into a magnetic flux flow state satisfying the range of the curve Lb in FIG. The rotor 7 is once realized in the rotational state by the induced torque main drive, and then shifted to the synchronous rotation at the desired rotational speed, so that the stability of the synchronous rotational operation is maintained.

例として、図8の直線Laで表される電流電圧特性のもと、あらかじめ設定された固定子巻線3bへの印加電圧Vとその周波数fの比に対応した第1の同期回転数で回転子7が同期回転している状態(第1のトルクを負った状態)から、第2の同期回転数で同期回転する状態(第2のトルクを負った状態)へと移行する可変速時を考える。   As an example, based on the current-voltage characteristic represented by the straight line La in FIG. 8, the motor rotates at a first synchronous rotational speed corresponding to a preset ratio of the applied voltage V to the stator winding 3b and its frequency f. When the variable speed is changed from a state where the child 7 is rotating synchronously (a state where the first torque is applied) to a state where the child 7 is rotated synchronously at the second synchronous rotation number (a state where the second torque is applied). Think.

まず、回転子7が第1の同期回転数で同期回転しているとき、図6のフェーズF2の状態が実現されている。このとき、超電導かご形巻線73は鎖交磁束を捕捉し、かつ、図8の直線Laの範囲をみたしている。   First, when the rotor 7 is rotating synchronously at the first synchronous rotational speed, the state of phase F2 in FIG. 6 is realized. At this time, the superconducting lead-shaped winding 73 captures the interlinkage magnetic flux and satisfies the range of the straight line La in FIG.

この状態において、外部から、係る可変速を実行する旨の駆動信号Smとして与えられると、コントローラ12は、直ちに、固定子巻線3bへの印加電圧Vとその周波数fとを変化させることにより、超電導かご形巻線73を流れる電流が臨界電流を超えるまで、比V/fをいったん増大させる。   In this state, when given as a drive signal Sm for executing the variable speed from the outside, the controller 12 immediately changes the voltage V applied to the stator winding 3b and its frequency f, The ratio V / f is once increased until the current flowing through the superconducting lead-shaped winding 73 exceeds the critical current.

超電導かご形巻線73に臨界電流を超えた電流が流れると、超電導かご形巻線73は、図8の曲線Lbで表される電流電圧特性をみたす磁束フロー状態となる。このとき、超電導かご形巻線73には、超電導状態における抵抗値Rよりも十分大きな(無視することのできない程度に大きな)抵抗値Rrが生じる。これにより、図6のフェーズF3の状態が実現されて、回転子7は、いったん誘導トルク主動で回転するようになる。   When a current exceeding the critical current flows through the superconducting lead-shaped winding 73, the superconducting lead-shaped winding 73 enters a magnetic flux flow state satisfying the current-voltage characteristics represented by the curve Lb in FIG. At this time, a resistance value Rr sufficiently larger than the resistance value R in the superconducting state is generated in the superconducting cage winding 73. Thereby, the state of phase F3 in FIG. 6 is realized, and the rotor 7 once rotates by induced torque main movement.

回転子7が誘導トルク主動で回転し始めると、コントローラ12は、比V/fが外部から指示された第2の同期回転数に応じた値となるように、固定子巻線3bへの印加電圧Vとその周波数fとを変化させる。これに伴い、回転子7の回転数が変化し、ほどなく、回転子7と固定子3が作り出す回転磁界との相対速度は小さくなる。これとともに、超電導かご形巻線73を流れる電流も小さくなって、臨界電流を下回るようになる。すると、超電導かご形巻線73が鎖交磁束を捕捉し、再び図6のフェーズF2の状態が実現される。以降、回転子7は、第2の同期回転数にて同期トルク主動で安定に回転する。   When the rotor 7 starts to rotate by the induced torque main drive, the controller 12 applies the voltage to the stator winding 3b so that the ratio V / f becomes a value corresponding to the second synchronous rotational speed instructed from the outside. The voltage V and its frequency f are changed. Along with this, the number of rotations of the rotor 7 changes, and soon the relative speed between the rotor 7 and the rotating magnetic field created by the stator 3 decreases. At the same time, the current flowing through the superconducting lead-shaped winding 73 also becomes smaller and becomes lower than the critical current. Then, the superconducting lead-shaped winding 73 captures the interlinkage magnetic flux, and the state of phase F2 in FIG. 6 is realized again. Thereafter, the rotor 7 is stably rotated by the synchronous torque main drive at the second synchronous rotational speed.

以上のような制御を行うことで、超電導回転機1は、第1の同期回転数で同期回転動作する状態から、第2の同期回転数で同期回転動作する状態へと移行できたことになる。しかも、係る移行の間、回転子7の回転動作が不安定になることはない。また、実際に移行に要する時間は、例えば自動車の場合であれば長くても十数秒程度である。すなわち、超電導回転機1について想定される運転動作の継続時間(少なくとも数分程度)からみれば、係る誘導トルク主動での動作は瞬間的なものであり、実質的には、同期運転動作が安定的に保たれているといって差し支えない。   By performing the control as described above, the superconducting rotating machine 1 has been able to shift from the state of synchronous rotation operation at the first synchronous rotational speed to the state of synchronous rotational operation at the second synchronous rotational speed. . Moreover, the rotating operation of the rotor 7 does not become unstable during the transition. In addition, the actual time required for the transition is, for example, about ten seconds at the maximum in the case of an automobile. In other words, when viewed from the duration of the driving operation assumed for the superconducting rotating machine 1 (at least several minutes), the operation in the induced torque main motion is instantaneous, and the synchronous operation is substantially stable. It is safe to say that it is maintained.

すなわち、ある同期回転数で同期回転をしている際に、いったん比V/fの値が増大するように固定子巻線3bへの印加電圧Vとその周波数fとを変化させて、誘導トルク主動での回転を生じさせた後に、比V/fを新たな同期回転数に応じた値となるように印加電圧Vとその周波数fとを変化させれば、新たな同期回転数での同期回転にスムーズに移行することができる。   That is, during synchronous rotation at a certain synchronous rotational speed, the applied voltage V to the stator winding 3b and its frequency f are changed so that the value of the ratio V / f once increases, and the induced torque If the applied voltage V and its frequency f are changed so that the ratio V / f becomes a value corresponding to the new synchronous rotational speed after the main rotation is generated, the synchronization at the new synchronous rotational speed is achieved. Smooth transition to rotation.

以上の態様による制御は、同期回転時の任意の可変速に適用することができる。加えて、第2の同期回転数が第1の同期回転数と同じである場合にも同様の制御が適用可能である。このことは、上述の制御が、同期回転時全般に適用できることを意味している。   The control according to the above aspect can be applied to any variable speed during synchronous rotation. In addition, the same control can be applied when the second synchronous rotational speed is the same as the first synchronous rotational speed. This means that the above-described control can be applied in general during synchronous rotation.

具体的には、コントローラ12は、超電導回転機1がある同期回転数で同期回転動作をしている際に回転子7の同期回転が不安定化しそうになると、いったん比V/fの値を大きくして誘導トルク主動での回転に移行させた後、比V/fを、再び元の同期回転数を与える値に設定する。なお、コントローラ12においては、回転数N、トルクτ、および1次電流信号SIの値の変化に基づいて、回転子7の回転が不安定化し始めたことを検知することができる。   Specifically, the controller 12 once sets the value of the ratio V / f once the synchronous rotation of the rotor 7 is likely to become unstable while the superconducting rotating machine 1 is performing synchronous rotation operation at a certain synchronous rotation number. The ratio V / f is again set to a value that gives the original synchronous rotation speed after increasing and shifting to rotation with induced torque main rotation. Note that the controller 12 can detect that the rotation of the rotor 7 has become unstable based on changes in the values of the rotational speed N, torque τ, and primary current signal SI.

以上、説明したように、本実施の形態によれば、固定子巻線への印加電圧とその周波数とを制御することによって、磁束フロー状態における誘導トルク主動での回転動作を瞬間的に利用することにより、可変速を行う場合をはじめ、超電導回転機の同期トルク主動での回転動作を安定的に継続させることができる。つまりは、超電導回転機を自立安定的に運転することができる。   As described above, according to the present embodiment, by controlling the voltage applied to the stator winding and its frequency, the rotational operation in the induced torque main motion in the magnetic flux flow state is instantaneously used. Thus, it is possible to stably continue the rotation operation of the superconducting rotating machine with the synchronous torque main drive, including the case where the variable speed is performed. That is, the superconducting rotating machine can be operated independently and stably.

なお、図8の直線Laの範囲での電流電圧特性は、従来の常電導材料からなるかご形誘導機の電流電圧特性と何ら変わるところはないため、この直線Laの範囲内で同期回転を安定化させようとすることは困難である。すなわち、回転子7を、ある同期回転数で回転していた状態から別の同期回転数によって回転する状態へと移行させる可変速を行う場合、直接に比V/fを直接に所望する同期回転数に応じた値に設定したとしても、超電導かご形巻線73における抵抗値Rは小さいままであるため、新たな回転数での回転に安定的に移行させることは難しい。   Note that the current-voltage characteristics in the range of the straight line La in FIG. 8 are not different from the current-voltage characteristics of a conventional cage induction machine made of a normal conducting material, so that the synchronous rotation is stable within the range of the straight line La. It is difficult to make it happen. That is, in the case of performing a variable speed for shifting the rotor 7 from a state where it is rotated at a certain synchronous rotational speed to a state where it is rotated at another synchronous rotational speed, the desired synchronous rotation directly with the ratio V / f is directly achieved. Even if the value is set according to the number, the resistance value R in the superconducting lead-shaped winding 73 remains small, so that it is difficult to stably shift to the rotation at the new rotation number.

<シミュレーションによる解析例>
上述した安定制御が必要であること、および係る安定制御が実現可能であることを示すべく、シミュレーションによる解析を行った。以下、その結果について説明する。
<Example of analysis by simulation>
In order to show that the above-described stable control is necessary and that such stable control is feasible, an analysis by simulation was performed. The results will be described below.

シミュレーションにおいては、超電導回転機1は、3相4極のかご形誘導機であるとした。超電導かご形巻線73はDI−BSCCO(登録商標)線材を用いて構成した。また、固定子巻線3bには既存の8/9分布短節巻銅巻線を用いた。運転温度は77Kとし、同期最大出力は1.5kWとした。   In the simulation, the superconducting rotating machine 1 is assumed to be a three-phase four-pole squirrel-cage induction machine. The superconducting lead-shaped winding 73 was made of DI-BSCCO (registered trademark) wire. The stator winding 3b is an existing 8/9 distributed short-pitch copper winding. The operating temperature was 77K and the synchronous maximum output was 1.5 kW.

解析には、Matlab(登録商標)/Simulink(登録商標)を用いた。その際には、(1)式および(2)式のほか、後記する電圧方程式および力学方程式を適用した。なお、(1)式においてはR=1×10-5Ωとした。(2)式においてはn=23.05とした。また、銀シース材への電流分流の効果も考慮した。 For the analysis, Matlab (registered trademark) / Simulink (registered trademark) was used. At that time, in addition to the equations (1) and (2), voltage equations and dynamic equations described later were applied. In the formula (1), R = 1 × 10 −5 Ω. In the formula (2), n = 23.05. The effect of current shunting on the silver sheath material was also considered.

図9は、超電導回転機1の無負荷特性および負荷特性について、解析結果と実測値とを対比する図である。図9(a)が無負荷特性を示し、図9(b)が負荷特性(トルク特性)を示している。なお、図9(a)において、横軸の入力電圧(Input Voltage)Vは固定子巻線3bへの印加電圧であり、縦軸は回転子7の回転数(Rotation Speed)である。図9(a)、(b)ともに、解析結果が実測値とよく符合している。これは、シミュレーションに用いた解析条件が妥当であることを意味している。   FIG. 9 is a diagram comparing the analysis result with the actual measurement value for the no-load characteristic and the load characteristic of the superconducting rotating machine 1. FIG. 9A shows no-load characteristics, and FIG. 9B shows load characteristics (torque characteristics). In FIG. 9A, the horizontal axis input voltage V is the voltage applied to the stator winding 3b, and the vertical axis is the rotation speed of the rotor 7. 9A and 9B, the analysis results agree well with the actual measurement values. This means that the analysis conditions used for the simulation are appropriate.

図10は、超電導回転機1の同期回転の安定限界についての解析結果を示す図である。横軸の入力電圧(Input Voltage)は固定子巻線3bへの印加電圧であり、縦軸は回転子7の回転数(Rotation Speed)である。結果は、無負荷状態についてのものである。図中、四角印(□印)をつなげた破線L1が、超電導回転機1の安定限界を示している。また、丸印(○印)をつなげた破線L2は、比較のために示す、従来のかご形誘導機の安定限界である。図10では、安定限界以上の回転数の領域が、安定な同期回転が実現される領域(安定領域)となる。   FIG. 10 is a diagram illustrating an analysis result on the stability limit of the synchronous rotation of the superconducting rotating machine 1. The input voltage on the horizontal axis is the voltage applied to the stator winding 3b, and the vertical axis is the rotation speed of the rotor 7. The result is for no load condition. In the figure, a broken line L1 connecting square marks (□ marks) indicates the stability limit of the superconducting rotating machine 1. Moreover, the broken line L2 which connected the round mark (circle mark) is the stability limit of the conventional cage induction machine shown for comparison. In FIG. 10, a region having a rotational speed equal to or higher than the stability limit is a region (stable region) in which stable synchronous rotation is realized.

図10に示すように、超電導回転機1は、従来のかご形誘導機に比べると、安定領域が非常に狭い。ちなみに、従来のかご形誘導機については、図中の実線L3のところで鉄心中の磁束が飽和してしまうため、現実的運転領域は全て安定領域に含まれている。それゆえ、超電導回転機1の安定領域は、係る従来のかご形誘導機の現実的運転領域よりもさらに狭いということを示している。係る結果は、超電導回転機1を同期回転させる際には、これを安定化させるための制御が必要であることを示している。   As shown in FIG. 10, the superconducting rotating machine 1 has a very narrow stable region as compared with the conventional cage induction machine. Incidentally, in the conventional squirrel-cage induction machine, since the magnetic flux in the iron core is saturated at the solid line L3 in the figure, all realistic operation regions are included in the stable region. Therefore, it is shown that the stable region of the superconducting rotating machine 1 is narrower than the practical operation region of the conventional squirrel-cage induction machine. Such a result indicates that when the superconducting rotating machine 1 is rotated synchronously, control for stabilizing it is necessary.

また、図11および図12は、比V/fの値を違えた2通りの場合について、無負荷時における同期回転の安定性を解析した結果を示す図である。具体的には、周波数fはともに60Hzとし、印加電圧Vを40Vと50Vの2水準とした。また、いずれも、目標の同期回転数は1800rpmに設定し、回転数0の状態からの変化を解析した。   FIG. 11 and FIG. 12 are diagrams showing the results of analyzing the stability of synchronous rotation at no load for two cases with different values of the ratio V / f. Specifically, both the frequency f was 60 Hz, and the applied voltage V was two levels of 40V and 50V. In both cases, the target synchronous rotational speed was set to 1800 rpm, and changes from the rotational speed of 0 were analyzed.

図11が、印加電圧Vを40Vに設定した場合の解析結果を示す図であり、図12が、印加電圧Vを50Vに設定した場合の解析結果を示す図である。いずれも、横軸は時間(単位:秒)であり、縦軸は、回転数N、トルクτ、超電導かご形巻線73を流れる電流I2(=Is)、および、抵抗値Rrである。   FIG. 11 is a diagram showing an analysis result when the applied voltage V is set to 40V, and FIG. 12 is a diagram showing an analysis result when the applied voltage V is set to 50V. In either case, the horizontal axis represents time (unit: second), and the vertical axis represents the rotational speed N, torque τ, current I2 (= Is) flowing through the superconducting lead-shaped winding 73, and resistance value Rr.

図11に示す印加電圧Vが40Vの場合、同期回転数は設定の1800rpmには届かず、約110rpm程度に留まってしまっているのに対して、図12に示す印加電圧Vが50Vの場合は、同期回転数は設定通りの1800rpmに達している。また、回転数が一定となった以降は、トルクτ、電流I2、抵抗値Rrも一定の値に保たれている。   When the applied voltage V shown in FIG. 11 is 40V, the synchronous rotation speed does not reach the set 1800 rpm and remains at about 110 rpm, whereas when the applied voltage V shown in FIG. The synchronous rotation speed has reached 1800 rpm as set. In addition, after the rotation speed becomes constant, the torque τ, the current I2, and the resistance value Rr are also kept constant.

係る結果は、印加電圧Vについて、40Vと50Vの間に、回転子7の回転が不安定状態から安定状態に遷移するしきい値(図8のV1に相当)が存在するということを示している。これにより、上述した誘導トルク主動での回転を利用した同期回転の安定制御が、実際に実現可能なものであるということができる。   The result shows that for the applied voltage V, there is a threshold value (corresponding to V1 in FIG. 8) between 40V and 50V where the rotation of the rotor 7 transitions from an unstable state to a stable state. Yes. Thereby, it can be said that the stable control of the synchronous rotation using the rotation by the induced torque main motion described above is actually realizable.

<解析に用いた数式>
以下に、上述の解析に用いた数式を列挙する。
<Mathematical formula used for analysis>
The mathematical formulas used for the above analysis are listed below.

Figure 2013055733
Figure 2013055733

Figure 2013055733
Figure 2013055733

<変形例>
上述の実施の形態では、常電導かご形巻線74のロータバー74aが超電導かかご形巻線73のロータバー73aより外側に配置される態様となっているが、本発明においては、ロータバー73aの方がロータバー74aよりも外側に配置される態様であってもよい。
<Modification>
In the above-described embodiment, the rotor bar 74a of the normal conducting lead-shaped winding 74 is disposed outside the rotor bar 73a of the superconducting guide-shaped winding 73. However, in the present invention, the rotor bar 73a May be arranged outside the rotor bar 74a.

また、超電導回転機1が超電導かご形巻線73と常電導かご形巻線74とを備える構成となっているが、本発明において、常電導かご形巻線74を備える態様は必須ではなく、超電導かご形巻線73のみを有する態様であってもよい。   Moreover, although the superconducting rotating machine 1 is configured to include the superconducting lead-shaped winding 73 and the normal conducting lead-shaped winding 74, in the present invention, the aspect including the normal conducting lead-shaped winding 74 is not essential. An embodiment having only the superconducting lead-shaped winding 73 may be used.

また、上述の実施の形態においては、円柱状の回転子7の外周に固定子3を設けた構成の超電導回転機1を対象に説明を行っているが、本発明は、固定子が軸中心位置に配置され、その外周を円筒状の回転子が回転するいわゆるアウターローター型の超電導回転機にも、適用可能である。   Moreover, in the above-mentioned embodiment, although the superconducting rotating machine 1 having a configuration in which the stator 3 is provided on the outer periphery of the columnar rotor 7 is described, the present invention has the stator centered on the axis. The present invention can also be applied to a so-called outer rotor type superconducting rotating machine which is disposed at a position and has a cylindrical rotor rotating on the outer periphery thereof.

1 超電導回転機
3 固定子
3a 固定子鉄心
3b 固定子巻線
4a、4b ブラケット
7 回転子
71 回転子鉄心
72 スロット
73 超電導かご形巻線
74 常電導かご形巻線
100 超電導回転機システム
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Superconducting rotating machine 3 Stator 3a Stator iron core 3b Stator winding 4a, 4b Bracket 7 Rotor 71 Rotor iron core 72 Slot 73 Superconducting cage winding 74 Normal conducting rod winding 100 Superconducting rotating machine system

Claims (4)

ロータバーおよびエンドリングが超電導線材によって構成された超電導かご形巻線を有する回転子を備えた超電導回転機の運転方法であって、
前記回転子の回転状態を、第1のトルクおよび第1の回転数の第1の回転状態から前記第1のトルクおよび前記第1の回転数と同じまたは異なる第2のトルクおよび第2の回転数の第2の回転状態へと移行させる際に、前記超電導回転機の一次巻線への印加電圧とその周波数とを制御することによって、前記第1の回転状態にある前記回転子の前記超電導かご形巻線をいったん磁束フロー状態としたうえで、前記第2の回転状態へと移行させる、
ことを特徴とする超電導回転機の運転方法。
A method of operating a superconducting rotating machine comprising a rotor having a superconducting lead-shaped winding in which a rotor bar and an end ring are constituted by a superconducting wire,
The rotation state of the rotor is changed from the first rotation state of the first torque and the first rotation number to the second torque and the second rotation that are the same as or different from the first torque and the first rotation number. The superconducting of the rotor in the first rotating state is controlled by controlling the voltage applied to the primary winding of the superconducting rotating machine and its frequency when shifting to the second rotating state of Once the squirrel-cage winding is in a magnetic flux flow state, it is shifted to the second rotation state.
A method for operating a superconducting rotating machine.
請求項1に記載の超電導回転機の運転方法であって、
前記印加電圧と前記周波数との比を増大させて前記超電導かご形巻線に臨界電流以上の電流が流れるようにすることで前記磁束フロー状態を実現させ、
前記磁束フロー状態が実現されると、前記印加電圧と前記周波数との比を前記第2の回転状態に応じた値に設定する、
ことを特徴とする超電導回転機の運転方法。
A method of operating the superconducting rotating machine according to claim 1,
The magnetic flux flow state is realized by increasing the ratio between the applied voltage and the frequency so that a current higher than the critical current flows through the superconducting cage winding,
When the magnetic flux flow state is realized, a ratio between the applied voltage and the frequency is set to a value according to the second rotation state.
A method for operating a superconducting rotating machine.
ロータバーおよびエンドリングが超電導線材によって構成された超電導かご形巻線を有する回転子と、一次巻線を含む固定子とを備えた超電導回転機と、
前記超電導回転機の動作を制御するコントローラと、
を備える超電導回転機システムであって、
前記回転子の回転状態を、第1のトルクおよび第1の回転数の第1の回転状態から前記第1のトルクおよび前記第1の回転数と同じまたは異なる第2のトルクおよび第2の回転数の第2の回転状態へと移行させる際に、前記コントローラが、前記一次巻線への印加電圧とその周波数とを制御することによって、前記第1の回転状態にある前記回転子の前記超電導かご形巻線をいったん磁束フロー状態としたうえで、前記第2の回転状態へと移行させる、
ことを特徴とする超電導回転機システム。
A superconducting rotating machine including a rotor having a superconducting lead-shaped winding in which a rotor bar and an end ring are constituted by a superconducting wire, and a stator including a primary winding;
A controller for controlling the operation of the superconducting rotating machine;
A superconducting rotating machine system comprising:
The rotation state of the rotor is changed from the first rotation state of the first torque and the first rotation number to the second torque and the second rotation that are the same as or different from the first torque and the first rotation number. When the state is shifted to the second rotational state, the controller controls the voltage applied to the primary winding and the frequency thereof, whereby the superconductivity of the rotor in the first rotational state is controlled. Once the squirrel-cage winding is in a magnetic flux flow state, it is shifted to the second rotation state.
A superconducting rotating machine system.
請求項3に記載の超電導回転機システムであって、
前記コントローラは、
前記印加電圧と前記周波数との比を増大させて前記超電導かご形巻線に臨界電流以上の電流が流れるようにすることで前記磁束フロー状態を実現させ、
前記磁束フロー状態が実現されると、前記印加電圧と前記周波数との比を前記第2の回転状態に応じた値に設定する、
ことを特徴とする超電導回転機システム。
The superconducting rotating machine system according to claim 3,
The controller is
The magnetic flux flow state is realized by increasing the ratio between the applied voltage and the frequency so that a current higher than the critical current flows through the superconducting cage winding,
When the magnetic flux flow state is realized, a ratio between the applied voltage and the frequency is set to a value according to the second rotation state.
A superconducting rotating machine system.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2014217166A (en) * 2013-04-25 2014-11-17 アイシン精機株式会社 Superconducting rotary machine and cooling method thereof
JP2016135000A (en) * 2015-01-20 2016-07-25 ジャパンスーパーコンダクタテクノロジー株式会社 Control circuit for induction type superconducting motor
WO2022113930A1 (en) 2020-11-25 2022-06-02 国立大学法人京都大学 Superconducting rotating machine and method for controlling superconducting rotating machine

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH01144345A (en) * 1987-11-27 1989-06-06 Mitsubishi Electric Corp Induction motor
JPH01174291A (en) * 1987-12-28 1989-07-10 Meidensha Corp Excitation of superconductive winding
JPH11273935A (en) * 1998-03-24 1999-10-08 Kazuo Funaki Superconducting coil
US20030052554A1 (en) * 2001-09-17 2003-03-20 Mawardi Osman K. Thin film superconducting synchronous motor
JP2003526304A (en) * 1999-08-10 2003-09-02 アメリカン スーパーコンダクター コーポレイション Superconducting electric motor
JP2006196720A (en) * 2005-01-14 2006-07-27 Masataka Iwakuma Superconductor and superconducting coil using the same
WO2009116219A1 (en) * 2008-03-18 2009-09-24 国立大学法人京都大学 Superconductive rotor, superconductive rotating machine, and superconductive rotating-machine system
JP2010273498A (en) * 2009-05-25 2010-12-02 Kyoto Univ Superconducting rotating machine and superconducting rotating machine system

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH01144345A (en) * 1987-11-27 1989-06-06 Mitsubishi Electric Corp Induction motor
JPH01174291A (en) * 1987-12-28 1989-07-10 Meidensha Corp Excitation of superconductive winding
JPH11273935A (en) * 1998-03-24 1999-10-08 Kazuo Funaki Superconducting coil
JP2003526304A (en) * 1999-08-10 2003-09-02 アメリカン スーパーコンダクター コーポレイション Superconducting electric motor
JP2008237020A (en) * 1999-08-10 2008-10-02 American Superconductor Corp Superconducting electric motor
US7453174B1 (en) * 1999-08-10 2008-11-18 American Superconductor Corporation Superconducting electric motor
US20030052554A1 (en) * 2001-09-17 2003-03-20 Mawardi Osman K. Thin film superconducting synchronous motor
JP2006196720A (en) * 2005-01-14 2006-07-27 Masataka Iwakuma Superconductor and superconducting coil using the same
WO2009116219A1 (en) * 2008-03-18 2009-09-24 国立大学法人京都大学 Superconductive rotor, superconductive rotating machine, and superconductive rotating-machine system
JP2010273498A (en) * 2009-05-25 2010-12-02 Kyoto Univ Superconducting rotating machine and superconducting rotating machine system

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2014217166A (en) * 2013-04-25 2014-11-17 アイシン精機株式会社 Superconducting rotary machine and cooling method thereof
JP2016135000A (en) * 2015-01-20 2016-07-25 ジャパンスーパーコンダクタテクノロジー株式会社 Control circuit for induction type superconducting motor
WO2022113930A1 (en) 2020-11-25 2022-06-02 国立大学法人京都大学 Superconducting rotating machine and method for controlling superconducting rotating machine

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