JP2013538035A - 電気機械のための回転子 - Google Patents

Abstract

本発明は、回転軸（Ｒ）を中心に回転し超電導回転子巻線を備えた回転子体（２）と、回転子巻線（３、４）の冷却のために設けられ回転子体（２）上にほぼ半径方向に対向配置された少なくとも１対の冷却管ループ（３，４）を備えた冷却装置とを有し、極低温冷却材が回転軸（Ｒ）を中心とする回転子（２）の回転時に冷却管ループ（３、４）内を軸方向に第１の回転子軸端（２０１）からこれに対向する第２の回転子軸端（２）に搬送されて戻される電気機械のための回転子に関する。本発明の回転子は、冷却装置に１つまたは複数の接続管（６）が設けられ、この管が少なくとも１対の冷却管ループ（３、４）の一方の冷却管ループ（３）を他方の冷却管ループ（４）に接続することを特徴とする。
【選択図】図４

Description

本発明は、電気機械のための回転子並びにこれに相応する電気機械に関する。

たとえば同期電動機や同期発電機などの電気機械のために超電導回転子巻線を備えた回転子を使用することは先行技術から知られている。とりわけこの種の回転子は電流発生のため原動所の発電機に使用されており、回転子の超電導巻線回転により高出力密度、低損失やほかの利点が達成される。この種の回転子において回転子巻線を超電導にするためには、たとえばヘリウム、水素、ネオンまたは窒素などの極低温冷却材を自動的に循環させる冷却管系が回転子に備えられる。冷却材の循環は回転子の回転時における遠心力により行われる。

特許文献１には、超電導回転子巻線と、冷却管ループが回転子の半径方向に対向する２つの側面に設けられた冷却系とを備えた回転子が記載されている。この場合冷却管ループは冷却材貯留器に接続されている。回転子の運転時には冷却材は貯留器から冷却管ループに搬送され、そこから再び貯留器に戻される。

超電導巻線とそれに対応する冷却系とを備えた公知の回転子では、冷却材が回転子の回転がないときに常に地形的に低い所にある冷却管に向かって流れ、したがって回転子の停止時には回転子巻線の均等な冷却が得られないということが欠点として認められている。回転子がたとえば回転子の正規運転の前に行われる冷却過程において回転なしに冷却されると、冷却管のせいぜい半分だけが冷却材で貫流されることになり、不所望な熱誘導応力を生じる結果になる。それゆえ回転子の通常運転以外でも、冷却材が冷却管系全体を貫流することが保証されなければならない。これは従来の回転子では回転子の連続的または間欠的回転によってのみ達成できるものであり、回転子に駆動機構の設置が必要とされる。

ドイツ特許出願公開第１０３０３３０７号明細書

本発明の課題は、超電導回転子巻線が回転子の停止時でも均等に冷却されるようにした電気機械のための回転子を提供することにある。

この課題は、請求項１による回転子もしくは請求項１４による電気機械により解決される。本発明の実施態様は従属請求項に規定されている。

本発明による回転子は、特に高Ｔ_C超電導材料から成る超電導回転子巻線を備え回転軸を中心に回転する回転子体と、この回転子体の上にほぼ半径方向に対向配置された少なくとも１対の冷却管ループを備えた回転子巻線の冷却用に設けられた冷却装置とを有する。この場合極低温冷却材（たとえばネオン、水素、ヘリウムまたは窒素）は冷却管ループ内を回転軸を中心とする回転子の回転時に軸方向（すなわち回転軸方向）に第１の回転子軸端からこれに対向する第２の回転子軸端に搬送されて戻される。冷却管ループという用語は広義に解釈すべきものであり、特に冷却管ループは場合によっては個々の冷却導管から構成されるだけでなく、互いに並列配置された多数の冷却導管からも構成できる。

本発明による回転子は、冷却装置に１つまたは複数の接続管が設けられ、この管が少なくとも１対の冷却管ループの一方の冷却管ループを他方の冷却管ループに接続することを特徴とする。これにより１対の冷却管ループの互いに対向する冷却管ループ間の直接的な冷却材交換が可能となるので、冷却材は回転子の停止時でも地形的に低い所にある冷却管ループから高い所にある冷却管ループに達することができる。この場合回転子の本来の運転に先立つ冷却過程の枠内でまだ温かい回転子により地形的に低い所にある冷却管ループの冷却材の蒸発が行われるので、液状の冷却材はいわばバブルポンプ作用により１つまたは複数の接続管を介して地形的に高い所にある冷却管ループに向かって促進されるので、冷却管ループ間の冷却材の循環が行われることになる。それゆえ本発明によれば回転子の停止時でも回転子巻線の均等な冷却が達成できる。

１つまたは複数設けられる接続管を除き本発明による回転子はそれ自体は公知の方法で構成できる。特に回転子は特許文献１に示された回転子に相当する。この文献の開示内容はすべて本願の内容に参照される。

特に有利な実施形態では回転子は個々に１対の冷却管ループを備えた２極回転子巻線を有する。回転子に直流を供給される電気機械の運転時にはＮ極とＳ極を有する磁界が形成される。しかし場合によっては、回転子が複数の磁極対を備えた回転子巻線を有することも可能であり、この場合には冷却管ループの対数は極対の数に相当する。

本発明による別の特に有利な実施形態では冷却材の循環は第１の回転子軸端に設けられた冷却材貯留器の使用のもとに行われる。この貯留器は１つまたは複数対の冷却管ループの相応する冷却管ループに接続される。

本発明による特に有利な変形例では、冷却管ループを互いに接続する少なくとも１つの接続管は直線管片であり、少なくとも１対の冷却管ループの一方の冷却管ループから他方の冷却管ループに向かって半径方向に延びている。半径方向に延びる接続管の使用は、この管が回転子の運転時に冷却管ループに作用する遠心力を極めて良好に機械的に吸収し、したがって場合によっては付加的な保持装置を省略できるという利点を有する。

直線管片の代わりにまたはこれに付加して１つまたは複数の接続管を場合によっては湾曲に、特にほぼ半円型の管片として形成することも可能である。この場合にはこの管片の直径が２つの対向配置された冷却管ループ間の間隔に相当すると有利である。冷却管ループ間の冷却材の効果的な分布のために１対の冷却管ループに対して２つの湾曲管片を接続管として設けると、特に２つのほぼ半円型の管片を設け、全体として１つの円を形成させるようにすると有利である。

別の特に有利な実施形態では１つまたは複数の接続管が第２の回転子軸端に設けられる。この変形例は、接続管が回転子体の外側にあるようにできるので、回転子体に組み込む必要はなく、回転子の製造が簡単になるという利点を有する。

別の特に有利な実施形態では、冷却管ループは１つおよび場合によっては複数のＵ字形を有し、冷却材は回転子の回転時にＵ字形の一方の脚に沿って第１の回転子軸端から第２の回転子軸端に向かって搬送され、そこから中管片を介してＵ字形の他方の脚に達し、第１の回転子軸端に戻される。この場合少なくとも１つの接続管が１対の対向配置された冷の管ループのＵ字形の中間片を接続すると有利である。冷却材の折り返し点を形成するこの中間片は製造技術的理由から有利なことに回転子巻線もしくは回転子体の外側にあるので、これにより冷却管ループの簡単な接続がなされる。

別の特に有利な実施形態では少なくとも１つの冷却管ループに１つまたは複数の冷却材加熱手段が設けられる。本発明のこの変形例は、回転子巻線の全周が超電導に必要な温度に冷却される場合でも回転子の停止時における冷却材の循環が得られるという利点を有する。これは、冷却材加熱手段により冷却材の蒸発が惹起されるので、上述のバブルポンプ作用が同様に達成されることにより行われる。冷却材の１つまたは複数の加熱手段はたとえば１つまたは複数の通電可能な加熱素子として形成できるので、必要に応じて冷却材の蒸発およびこれによるバブルポンプ作用を能動的に惹起できる。

回転子巻線および冷却管ループは一般に周囲に対して熱絶縁されているので、１つまたは複数の冷却材加熱手段は場合によっては相応する熱絶縁における１つまたは複数の熱漏洩箇所を有するようにすることもできる。熱絶縁はこの場合有利には冷却管ループ並びに回転子巻線を有するいわゆるクライオスタットにより形成される。

本発明による回転子の別の実施形態では、１対の冷却管ループに対してこの対の専ら一方の冷却管ループに１つまたは複数の冷却材加熱手段が設けられる。このような配置は冷却材加熱手段の数を少なくすることができる。この場合注意すべきことは、既に冷却されている回転子の停止時には、１つまたは複数の冷却材加熱手段を備えた冷却管ループがこのような手段を持たない他方の冷却管ループよりも地形的に低い所にある場合にのみ冷却材の循環が行われることだけである。

上述の回転子のほかに本発明はさらに、特に電気エネルギーを発生するための原動所発電機として形成される電気機械も対象であり、この場合電気機械は本発明による回転子もしくは本発明による有利な実施形態を有している。

本発明の実施態様を以下に添付の図面に基づき詳細に説明する。

図１は従来技術による電気機械の回転子を示す。 図２は異なる運転状況における従来技術による電気機械の回転子を示す。 図３は本発明による電気機械の回転子を示す。 図４は異なる運転状況における本発明による電気機械の回転子を示す。 図５は別の実施態様における本発明による電気機械の回転子を示す。

以下に述べる回転子は大形の超電導発電機、たとえば原動所発電機において１００から１０００ＭＷの出力で使用される。この場合回転子は直流電流を供給され、通流の際に１つまたは複数の磁極対を形成する超電導回転子巻線を有する。この場合回転子は固定子巻線を備えた対応する（図示しない）固定子内に配置されるが、この固定子巻線は従来の金属材料からなり超電導体ではない。以下に回転子巻線が２つの磁極を形成する２極の回転子を考察する。

図１は従来技術による２極回転子の概略を示す。この回転子は特許文献１に記載された回転子と同様に構成できる。回転子１は単に概略的に表示された円筒形回転子体２を有し、この回転子体は運転中に図示の回転軸Ｒを中心に回転する。概略表示のために図示しない超電導回転子巻線は、図１の回転子位置において回転子体の第１の軸端２０１から出発して回転子体の上側に沿って回転子体の第２の軸端２０１まで延び、そこから半径方向に下側に向かい、続いて回転子体の下側に沿って回転子体の第２の軸端２０２から第１の軸端２０１に戻る。

回転子巻線を超電導にするためには、この巻線はたとえばネオンなどの極低温冷却材により適当に冷却されなければならない。このため冷却材貯留器５並びにサーモサイフォンループとも呼ばれる２つの冷却管ループ３、４を有する冷却回路が使用される。この場合冷却管ループは回転子巻線の導体に隣接して配置される。冷却管ループおよび回転子巻線は周囲に対する熱絶縁のため特許文献１に記載のクライオスタットと同様に構成可能な（図示しない）クライオスタット内に配置される。図１並びに以下の図面において液相の冷却材は冷却回路内において斜線で暗示されているのに対し、気相の冷却材は白の領域で再現されている。

図１の冷却管ループ３、４はＵ字状に形成され、回転子の軸方向に延びている２つの脚３０１、３０２もしくは４０１、４０２を有しており、この場合各冷却管ループの両脚は中間管３０３もしくは４０３を介して互いに結合されている。この場合脚および中間管は、図示の都合上、同一面上にあるように示されている。

図１は回転中の回転子１の運転中を示しており、回転は矢印Ｐで暗示されている。回転によって惹起される遠心力に基づき冷却材は貯留器５から両冷却管ループ３、４の対応する脚へ圧送される。これにより冷却材の循環は貯留器から脚３０１へおよびそこから脚３０２を介して貯留器へ戻り、同様に貯留器５から脚４０１へそしてそこから脚４０２を介して貯留器へ戻るようにして行われる。このような循環により回転子巻線の適切な冷却が行われる。冷却材の循環は図１および以下の全ての図において冷却管上の三角形で暗示されている。

図１の電気機械の始動前に回転子および特にその回転子巻線は比較的長く続く冷却過程においてサーモサイフォン系の冷却材により差し当たり超電導体の臨界温度以下に冷却されなければならない。この場合、回転子が通常回転していなくて冷却材への遠心力が作用しないという問題がある。従って冷却材は地形的に低い所にある点に向かってのみ流れるので、回転子巻線の半分だけが冷却される。このような状況は図２に再現されている。遠心力がないために冷却材の循環は下側の冷却管ループ４だけで行われている。この場合循環は、冷却材が冷却過程においてまだ温かい回転子により加熱されて蒸発することにより、管内に冷却材の流れが惹起されることにより成立している。冷却過程の枠内で回転子を連続的にまたは十分に短い間隔で回転し続け、これにより両冷却管ループを均等に冷却することが実際に提案されている。これは、冷却過程の枠内で回転子の回転のための駆動機構が必要となり、高い費用を招くという欠点を有する。

図３は上述の欠点を解決した本発明による回転子の一実施例を示す。この場合回転子は図１および図２と同様に構成されるので、同一部材もしくは互いに対応する部材は同一の符号を付されており再度の説明を省略する。図１もしくは図２の回転子との相違点はサーモサイフォン系において半径方向の接続管６の形を取るもう一つの冷却管が設けられることにあり、この管は上側の冷却管ループ３を回転子体２の軸端２０２において下側の冷却管ループ４に接続する。この場合接続管は相応する中間管３０３、４０３を有するＴ字片を形成する。半径方向の接続管の代わりにたとえば湾曲した接続管および特に２つの半円型の接続管など他の形状の１つまたは複数の接続管を冷却管ループの接続に用いることも可能である。図３は回転中の回転子の定時運転を示す。接続管６がこのような運転を阻害してないことがわかる。特に遠心力により両冷却管ループ３、４における冷却材の循環が再び開始する。この場合冷却材は接続管６において液相および気相状態にある。

図４は電気機械の始動前の冷却過程中の回転していない状態の図３の回転子の非回転モードを示す。この場合回転子は停止状態にある。それにもかかわらず冷却材の循環は、冷却材が貯留器５から冷却管ループ４の下側の脚４０１、４０２に流れ、そこから接続管６を介して上側冷却管ループ３の脚３０１、３０２へ、そして冷却材貯留器５へ戻るようにして行われる。この循環は、冷却管４０１、４０２に流れる冷却材がまだ温かい回転子により加熱されて蒸発することにより生ずる。蒸発液はこの場合管６において既に蒸発している冷却材により連行され、このようにして問題なく地形的に高い所にある管部分３０１、３０２にも達する。このような作用は「バブルポンプ」という名称でも知られている。

バブルポンプのポンプ作用は冷却過程の枠内で暖かい回転子自体により機能する。回転子が完全に冷却されると、バブルポンプ作用はもはや生じない。しかし回転子の停止相でも運転中冷却管ループの冷却材による均等な通流を達成するためには、本発明の回転子の別の実施形態では加熱装置が使用される。この変形実施態様を図５に示す。

図５による回転子の構造は図３および図４に示す回転子の構造にほぼ相当する。しかし付加的に２つの通電可能な電気加熱素子７が下側冷却管ループ４の冷却管４０１、４０２に取り付けられている。この場合加熱素子の１つは回転子体の第１の軸端２０１に、もう１つは回転子体の第２の軸端２０２にある。回転子が停止に至ると、加熱素子が起動し、これにより冷却管４０１，４０２における冷却材の蒸発が生じ、再び上述のバブルポンプ作用が生じるので、冷却材は均等に下側冷却管ループ４および上側冷却管ループ３中を循環する。回転子の回転が再び始まると、冷却材の循環が回転の遠心力により生じるので加熱素子は遮断される。

本発明による回転子の上述の実施形態は一連の利点を有する。回転子の冷却管ループ間に接続管を設けることにより簡単にサーモサイフォン系がバブルポンプとして作用するので、回転子の両冷却管ループは回転なしでも均等に冷却材で通流される。冷却過程中の回転子の回転はもはや不要となる。これにより回転子の始動は著しく容易化される。さらに冷却速度は、回転子が連続的にもしくは間欠的に回転するときの冷却に比べて、多数のサーモサイフォンループが二重に作用するので約２倍高められる。対向する冷却管ループを接続管で接続することにより、サーモサイフォン系のバブルポンプとしての機能が可能となるだけでなく、回転子の回転時に生じこの範囲で巻線の外側に配置されている回転子部分に加えられる遠心力もこの接続管により吸収されるという別の利点が生じる。

１ 回転子
２ 回転子体
３ 冷却管ループ
４ 冷却管ループ
５ 冷却貯留器
６ 接続管
７ 加熱素子
２０１ 第１の軸端
２０２ 第２の軸端
３０１ 脚
３０２ 脚
３０３ 中間管
４０１ 脚
４０２ 脚
４０３ 中間管
Ｒ 回転軸

Claims (14)

1. 回転軸（Ｒ）を中心に回転し超電導回転子巻線を備えた回転子体（２）と、回転子巻線（３、４）の冷却のために設けられ回転子体（２）上にほぼ半径方向に対向配置された少なくとも１対の冷却管ループ（３，４）を備えた冷却装置とを有し、極低温冷却材が回転軸（Ｒ）を中心とする回転子（２）の回転時に冷却管ループ（３、４）内を軸方向に第１の回転子軸端（２０１）からこれに対向する第２の回転子軸端（２）に搬送され
   そこから戻される電気機械のための回転子において、冷却装置に１つまたは複数の接続管（６）が設けられ、この管が少なくとも１対の冷却管ループ（３、４）の一方の冷却管ループ（３）を他方の冷却管ループ（４）に接続することを特徴とする回転子。
2. 回転子（２）が１対の冷却管ループ（３、４）を備えた２極回転子巻線を有するかまたは回転子が複数の極対を備えた回転子巻線と極対の数に対応する数の冷却管ループ（３、４）の対を有することを特徴とする請求項１記載の回転子。
3. 第１の回転子軸端（２０１）に冷却材貯留器（５）が設けられ、冷却管ループ（３、４）と接続されることを特徴とする請求項１または２記載の回転子。
4. 少なくとも１つの接続管（６）が直線管片であり、少なくとも１対の冷却管ループ（３、４）の一方の冷却管ループ（３）から他方の冷却管ループ（４）に向かって半径方向に延びていることを特徴とする請求項１から３の１つに記載の回転子。
5. 少なくとも１つの接続管（６）が湾曲管片、特にほぼ半円型管片であることを特徴とする請求項１から３の１つに記載の回転子。
6. １対の冷却管ループ（３、４）用に２つの湾曲管片、ほぼ半円型の管片が接続管（６）として設けられ、特に２つのほぼ半円型の管片（６）が共同して１つの円を形成することを特徴とする請求項５記載の回転子。
7. １つまたは複数の接続管（６）が第２の回転子軸端（２０２）に設けられることを特徴とする請求項１から６の１つに記載の回転子。
8. 冷却管ループ（３、４）がＵ字形を成し、冷却材が回転子軸（Ｒ）を中心とする回転子（１）の回転時にＵ字形の脚（３０１、４０１）に沿って第１の回転子軸端（２０１）から第２の回転子軸端（２０２）に搬送され、そこから中間片（３０３、４０３）を介してＵ字形の他方の脚（３０２、４０２）に達し、第１の回転子軸端（２０１）に戻されることを特徴とする請求項１から７の１つに記載の回転子。
9. 接続管（６）が対向する１対の冷却管ループ（３、４）のＵ字形の中間片（３０３、４０３）を接続することを特徴とする請求項８記載の回転子。
10. 少なくとも１つの冷却管ループ（３、４）に１つまたは複数の冷却材加熱手段が設けられることを特徴とする請求項１から９の１つに記載の回転子。
11. １つまたは複数の冷却材加熱手段が１つまたは複数の加熱素子（７）を有することを特徴とする請求項１０記載の回転子。
12. １つまたは複数の冷却材加熱手段が熱絶縁内の１つまたは複数の熱漏洩箇所を有することを特徴とする請求項１０または１１記載の回転子。
13. １対の冷却管ループ（３、４）に対し専らこの対の一方の冷却管ループ（３、４）に１つまたは複数の冷却材加熱手段が設けられることを特徴とする請求項１０から１２の１つに記載の回転子。
14. 電気機械が請求項１から１３の１つに記載の回転子（１）を有することを特徴とする電気機械。

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