JP2014082859A - 超電導回転機の界磁回転子 - Google Patents

Abstract

【課題】超電導回転機の界磁回転子は、超電導コイルを効率よく冷却する機能を確保するという要求と超電導コイルと入出力軸との間でトルクを伝達させるための機械的な強度を確保するという要求との両立を従来よりも容易にする。
【解決手段】回転軸１８と、回転軸１８の一端において回転軸１８へと冷媒を供給する供給軸１０と、回転軸１８の他端において回転軸１８と一体に回転するように設けられた入出力軸２４と、回転軸１８の周面に保持され、冷媒によって冷却される超電導コイル２０と、を備え、供給軸１０と入出力軸２４とは、一体に回転するように互いに固定されており、回転軸１８と供給軸１０とは、少なくとも一部において互いに接触することで回転軸１８が供給軸１０により支持され、かつ、回転軸１８の周方向及び回転軸の軸方向に摺動可能に嵌まり合っている、超電導回転機の界磁回転子２００。
【選択図】図１

Description

本発明は、超電導回転機の界磁回転子に関する。

特許文献１は、超電導回転電機の回転子を開示する。該回転子において、巻線取付軸の軸方向両側には、それぞれこの巻線取付軸に連結され、回転トルクを外部へ伝達するトルクチューブが設けられており、一方のトルクチューブの他端部は、巻線取付軸の熱変形を許容するための熱延び吸収機構部が設けられて常温ダンパーシールドに連結され、他方のトルクチューブの他端部は他方の回転軸に連結されている。そして常温ダンパーシールドおよびトルクチューブの内部は、断熱のため真空に維持される構成になっている（段落０００４）。

特許文献２は、巻線支持体に配置された超電導巻線と巻線支持体を保持する保持手段とを備える機械を開示する。該機械において、回転子の一方の側で巻線支持体と回転子軸部分との間でトルクを伝達するように設計され回転子外側ハウジングの内部で巻線支持体を保持する保持手段は、回転子のトルク伝達側で、回転子外側ハウジングの内部に、巻線支持体の、軸線方向に延びる片側の固定装置として構成されている（請求項１）。

特許文献３は、巻線支持体に配置された超伝導巻線と巻線支持体から軸部分へトルク伝達をする手段とを備える機械を開示する。該機械は、トルク伝達側で巻線支持体と回転子軸部分との間に、繊維材料で強化されたプラスチックからなるトルク伝達する中空円筒状の結合部材を備えた堅牢な結合装置を含み、回転子外側ハウジングの内部で巻線支持体を保持する手段を有し、結合装置が、端面側の末端部分とその間に介在する中央部分とで一体的に構成され、末端部分は円周方向に見て波形を有し、中央部分は波形を有しておらず、結合部材が末端部分で、金属からなるフランジ状の末端片に摩擦結合で互いに噛み合うように結合され、末端部分は完全に、中央部分は一区域だけ、それぞれフランジ状の末端片の溝状切欠き内へ突入し、各切欠きの少なくとも１つの側壁は、それぞれの末端部分の波形に合わせた波形を有し、各末端部分はその波形が、対応する切欠きの側壁の波形に少なくとも部分的に当接し、結合部材の、切欠き内に配置されている部分は、切欠きの残りの空間の少なくとも部分的な充填によって固定され、フランジ状の末端片は、巻線支持体の付属部分と、ないしは回転子軸部分に結合されている回転子外側ハウジングの側面部分と、摩擦結合的に結合されている（請求項１）。さらに、結合装置は冷却した回転子部分の収縮による軸線方向の膨張補償が可能になるように構成されているのが望ましいとされている（段落００２２）。

特許文献４は、超電導回転機におけるトルク伝達機構を開示する。該トルク伝達機構では、超電導巻線を保持するトルクチューブが、片持ち状態で端板に固定される（図６、７）。

特開２００８−３０１６６５号公報 特開２００４−５３１１８７号公報 特開２００４−５２１５９２号公報 米国特許第６７００２７４号明細書

本発明は、超電導回転機の界磁回転子において、超電導コイルを効率よく冷却する機能を確保するという要求と超電導コイルと入出力軸との間でトルクを伝達させるための機械的な強度を確保するという要求との両立を従来よりも容易にする構造を提供することを課題とする。

本発明の超電導回転機の界磁回転子の一態様は、回転軸と、前記回転軸の一端において前記回転軸へと冷媒を供給する供給軸と、前記回転軸の他端において前記回転軸と一体に回転するように設けられた入出力軸と、前記回転軸の周面に保持され、前記冷媒によって冷却される超電導コイルと、を備え、前記供給軸と前記入出力軸とは、一体に回転するように互いに固定されており、前記回転軸と前記供給軸とは、少なくとも一部において互いに接触することで前記回転軸が前記供給軸により支持され、かつ、前記回転軸の周方向及び前記回転軸の軸方向に摺動可能に嵌まり合っている。

本発明の超電導回転機の界磁回転子によれば、超電導コイルを効率よく冷却する機能を確保するという要求と超電導コイルと入出力軸との間でトルクを伝達させるための機械的な強度を確保するという要求との両立を従来よりも容易にする構造を提供することができるという効果を奏する。

図１は、第１実施形態の第１実施例にかかる超電導回転機の界磁回転子を、中心軸を通る鉛直面で切った概略構成の一例を示す断面図である。 図２Ａは、第１実施形態の第１実施例にかかる超電導回転機の常温状態の界磁回転子において、供給軸側の摺動可能な部位を、中心軸を通る鉛直面で切った概略構成の一例を示す断面模式図である。 図２Ｂは、第１実施形態の第１実施例にかかる超電導回転機の冷温状態の界磁回転子において、供給軸側の摺動可能な部位を、中心軸を通る鉛直面で切った概略構成の一例を示す断面模式図である。 図３Ａは、第１実施形態の第１実施例にかかる超電導回転機の常温状態の界磁回転子において、供給軸側の摺動可能な部位を中心軸に垂直な面で切った概略構成の一例を示す断面模式図である。 図３Ｂは、第１実施形態の第１実施例にかかる超電導回転機の冷温状態の界磁回転子において、供給軸側の摺動可能な部位を中心軸に垂直な面で切った概略構成の一例を示す断面模式図である。 図４は、第１実施形態の第２実施例にかかる超電導回転機の界磁回転子を、中心軸を通る鉛直面で切った概略構成の一例を示す断面図である。 図５Ａは、第１実施形態の第２実施例にかかる超電導回転機の常温状態の界磁回転子において、供給軸側の摺動可能な部位を、中心軸を通る鉛直面で切った概略構成の一例を示す断面模式図である。 図５Ｂは、第１実施形態の第２実施例にかかる超電導回転機の冷温状態の界磁回転子において、供給軸側の摺動可能な部位を、中心軸を通る鉛直面で切った概略構成の一例を示す断面模式図である。 図６Ａは、第１実施形態の第２実施例にかかる超電導回転機の常温状態の界磁回転子において、供給軸側の摺動可能な部位を中心軸に垂直な面で切った概略構成の一例を示す断面模式図である。 図６Ｂは、第１実施形態の第２実施例にかかる超電導回転機の冷温状態の界磁回転子において、供給軸側の摺動可能な部位を中心軸に垂直な面で切った概略構成の一例を示す断面模式図である。

以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照しつつ説明する。なお、以下の説明において「中心軸」、「周面」、「周方向」、「径方向」は、特段の説明のない限り、回転軸の中心軸（回転軸の延びる方向に平行な中心軸）、周面、周方向、径方向を、それぞれ指すものとする。また、説明の便宜上、中心軸方向を前後方向とし、動力が入出力される側を前方、電力や冷媒が入出力される側を後方とする。

（第１実施形態）
第１実施形態の第１態様の超電導回転機の界磁回転子は、回転軸と、回転軸の一端において回転軸へと冷媒を供給する供給軸と、回転軸の他端において回転軸と一体に回転するように設けられた入出力軸と、回転軸の周面に保持され、冷媒によって冷却される超電導コイルと、を備え、供給軸と入出力軸とは、一体に回転するように互いに固定されており、供給軸と回転軸とは、少なくとも一部において互いに接触することで回転軸が供給軸により支持され、かつ、回転軸の周方向及び回転軸の軸方向に摺動可能に嵌まり合っている。

かかる構成では、超電導コイルを効率よく冷却する機能を確保するという要求と、超電導コイルと入出力軸との間でトルクを伝達させるための機械的な強度を確保するという要求と、超伝導コイルの冷却に伴う回転子の熱収縮を吸収するという要求という、３つの要求全てを、従来よりも容易に満たすことができる。

第１実施形態の第２態様の超電導回転機の界磁回転子は、第１実施形態の第１態様の超電導回転機の界磁回転子であって、供給軸と回転軸とは、常温状態から冷温状態へと変化したときの径方向の熱収縮量が相対的に大きい一方が、該熱収縮量が相対的に小さい他方の外周側に位置するように配置される。

かかる構成では、冷温状態において、供給軸と回転軸のうち、熱収縮量の大きい一方の軸が、軸芯に向かって収縮することで、熱収縮量の小さい他方の軸を外周から締め付けることになる。これにより、供給軸と回転軸とが互いに矯正作用を及ぼすことになり、調芯機能が効果的かつ自律的に実現される。

第１実施形態の第３態様の超電導回転機の界磁回転子は、第１実施形態の第２態様の超電導回転機の界磁回転子であって、回転軸の該熱収縮量が、供給軸の該熱収縮量よりも相対的に大きい。

かかる構成では、回転軸が冷温状態においてより低温となることから、回転軸の熱収縮量を供給軸の熱収縮量よりも大きくしやすい。よって、自立的な調芯機能をより容易かつ効果的に実現できる。

第１実施形態の第４態様の超電導回転機の界磁回転子は、第１実施形態の第３態様の超電導回転機の界磁回転子であって、供給軸と回転軸とは、常温状態において、供給軸の鉛直方向下端部と回転軸の鉛直方向下端部との間には間隙が形成され、冷温状態において、供給軸の鉛直方向下端部と回転軸の鉛直方向下端部との間には間隙が形成されないように形成されている。

かかる構成では、冷温状態において回転軸が供給軸を十分に締め付けることで、自律的な調芯機能をさらに効果的に実現できる。

第１実施形態の第５態様の超電導回転機の界磁回転子は、第１実施形態の第１〜４態様のいずれかの超電導回転機の界磁回転子であって、回転軸のうち供給軸と嵌まり合う部分が中空である。

かかる構成では、供給軸から回転軸への伝熱面積が小さくなることで、超電導コイルをより効率的に冷却できる。

第１実施形態の第６態様の超電導回転機の界磁回転子は、第１実施形態の第１〜５態様のいずれかの超電導回転機の界磁回転子であって、回転軸のうち超電導コイルを保持する部分が中空である。

かかる構成では、回転軸の伝熱面積、および熱容量が小さくなることにより、超電導コイルを効率的に冷却できる。更に、かかる構成では、回転軸が軽量化されるため、調芯機能をより確実に実現できる。

第１実施形態の第７態様の超電導回転機の界磁回転子は、第１実施形態の第１〜６態様のいずれかの超電導回転機の界磁回転子において、回転軸と入出力軸との間に、中空であり、かつ径方向の厚みが相対的に薄いトルクチューブが形成されている。

かかる構成では、出力軸から回転軸への伝熱面積が小さく断熱性に優れるため、超電導コイルをより効率的に冷却できる。

以下の実施例では、超電導コイルに、超電導コイルの外部から電圧と電流とが継続的に供給されるものとして説明するが、超電導コイルの外部から電圧と電流とが継続的に供給されず、界磁巻線がいわゆる永久電流モードで用いられる構成を採用してもよい。

本実施形態の界磁回転子は、図示されない固定子電機子の内部に格納されて動作する。固定子電機子については、周知の構成が利用可能であるので、説明を省略する。

［第１実施例］
図１は、第１実施形態の第１実施例にかかる超電導回転機の界磁回転子を、中心軸を通る鉛直面で切った概略構成の一例を示す断面図である。

超電導回転機の界磁回転子１００は、回転軸１８と、供給軸１０と、入出力軸２４と、超電導コイル２０と、を備えている。

回転軸１８は、例えば、界磁回転子１００が、電磁的に空芯構造である場合は、オーステナイト（ａｕｓｔｅｎｉｔｅ）系ステンレス鋼、ＧＦＲＰやＣＦＲＰの複合材などの非磁性材料により構成されうる。あるいは例えば、界磁回転子１００が、電磁的に鉄芯構造である場合は、マルテンサイト（ｍａｒｔｅｎｓｉｔｅ）系ステンレス、フェライト（ｆｅｒｒｉｔｅ）系ステンレス、鉄合金などの磁性材材料により構成されうる。

供給軸１０は、回転軸１８の一端（図１における左端）において、回転軸１８あるいは超伝導コイル２０へと冷媒を供給する。冷媒の種類は特に限定されない。例えば、液体窒素、液体ヘリウム、低温ヘリウムガス等を冷媒に用いることができる。冷媒は、冷媒流路（図示せず）を通じて、供給軸１０から回転軸１８へと供給される。図１に示す構成では、例えば、供給軸１０及び回転軸１８がいずれも中心軸に沿って延びる円筒状の空間を有し、該空間の内部に冷媒流路が配設されている。図１に示す例において、供給軸１０は、軸受１２によって回転可能に支持されている。供給軸１０は、例えば、ステンレス鋼などにより構成されうる。供給軸１０は、必ずしも中空である必要はなく、供給軸１０に冷媒を供給する通路があれば、同様の機能が達成される。

入出力軸２４は、回転軸１８の他端（図１における右端）において、回転軸１８と一体に回転するように設けられている。入出力軸２４は、超電導回転機が電動機である場合には出力軸となる軸であり、超電導回転機が発電機である場合には入力軸となる軸である。

具体的には例えば、入出力軸２４と回転軸１８とは連続的に一体に成形されてもよい。あるいは例えば、入出力軸２４と回転軸１８とは別個に成型され、ボルト等の固定器具で互いに固定されてもよい。図１に示す例において、入出力軸２４は、軸受２６によって回転可能に支持されている。また、図１に示す例では、回転軸１８と入出力軸２４との間に、中空であり、かつ径方向の厚みが相対的に薄くなるように、トルクチューブ２２が形成されている。入出力軸２４は、例えば、ステンレス鋼や、ニッケル基合金、チタン合金などにより構成されうる。

供給軸１０と入出力軸２４とは一体に回転するように互いに固定されている。具体的には、図１に示す例において、供給軸１０と入出力軸２４とは常温ダンパ２８を介して互いに固定されている。供給軸１０と常温ダンパ２８とは、例えば、ボルト等の固定器具で互いに固定されてもよい。常温ダンパ２８と入出力軸２４とは、例えば、ボルト等の固定器具で互いに固定されてもよい。供給軸１０と入出力軸２４とは、必ずしも別部材として構成されている必要はない。

常温ダンパ２８は、例えば、オーステナイト系ステンレス鋼と銅とを張り合わせたクラッド鋼（ｃｌａｄ ｓｔｅｅｌｓ）などにより構成されうる。常温ダンパ２８は、供給軸１０と入出力軸２４と気密に接続されている。超電導コイル２０を冷却するため、超電導回転機の運転時において、常温ダンパ２８の内側は真空（極低圧状態）とされている。

超電導コイル２０は、回転軸１８の周面に保持され、冷媒によって冷却される。超電導コイル２０は、例えば、ビスマス系超電導線材やイットリウム系超電導線材で構成される。超電導コイル２０は、超電導回転機の運転時において、例えば、冷媒流路を通流する冷媒により、３０Ｋ程度まで冷却されることにより、超電導状態となる。

供給軸１０と回転軸１８とは、少なくとも一部において互いに接触することで回転軸１８が供給軸１０により支持され、かつ、回転軸１８の周方向及び回転軸１８の軸方向に摺動可能に嵌まり合っている。以下、本実施例における、摺動部分の具体的態様について説明する。

図１に示す例では、供給軸側摺動部１４が供給軸１０に固定され、回転軸側摺動部１６が回転軸１８に固定されている。供給軸側摺動部１４と供給軸１０とは、同じ材料で構成されていてもよいし、互いに異なる材料で構成されていてもよい。回転軸側摺動部１６と回転軸１８とは、同じ材料で構成されていてもよいし、互いに異なる材料で構成されていてもよい。供給軸側摺動部１４と供給軸１０とが同じ材料で一体かつ連続に形成されていてもよい。回転軸側摺動部１６と回転軸１８とが同じ材料で一体かつ連続に形成されていてもよい。供給軸側摺動部１４及び回転軸側摺動部１６は、いずれも、中心軸と略平行に延びる中実の円柱状、あるいは円筒状の形状を有している。供給軸側摺動部１４及び回転軸側摺動部１６の内、外周側の軸は円筒状でなければならないが、内周側の軸は中実の円柱状、あるいは円筒状の形状を有しうる。

常温状態における供給軸側摺動部１４及び回転軸側摺動部１６のはめあい隙間は、
１）常温状態での組立て作業性、
２）常温状態から冷温状態へと冷却する過程で軸長方向の熱収縮量の差を吸収するための摺動性能、
３）冷温状態における調芯機能のための締付け力、及び応力状態、
を適切に保つように、供給軸側摺動部１４及び回転軸側摺動部１６の熱収縮量の差に応じて、すきまばめ、中間ばめ、しまりばめが選択されうる。なお、はめあい隙間とは、軸と軸が挿入される穴との直径差である。すきまばめ、中間ばめ、しまりばめとは、ＪＩＳ B ０４０１あるいはＩＳＯ ２８６に基づく。例えば、すきまばめは、常にすきまができるはめいである。しまりばめは、常にしめしろができるはめあいである。中間ばめは、穴・軸の実寸法によってすきま又はしめしろのどちらかができるはめあいである。

冷温状態とは、超電導コイルを超電導状態にするために冷却した温度状態としうる（以下同様）。具体的には例えば、冷温状態とは超電導コイルが３０Ｋ程度に冷却された状態としうる。常温状態とは、前記冷温状態とするために冷却される前の温度状態としうる（以下同様）。具体的には例えば、常温とは室温としうる。

例えば、供給軸側摺動部１４、回転軸側摺動部１６が同じ材料で形成される場合は、冷温状態における自律的な調芯効果を得るために、図１の例のように、冷温側の回転軸側摺動部１６が、供給軸側摺動部１４を取り囲むように構成することが望ましい。この場合、低温側である回転軸側摺動部１６の径方向の熱収縮量が、供給軸側摺動部１４の径方向の熱収縮量よりも大きいため、冷温状態では、回転軸摺動部１６が供給軸側摺動部１４を締め付ける方向に作用する。熱収縮量は、常温状態における長さと冷温状態における長さとの差分としうる。かかる例においては、供給軸側摺動部１４および回転軸側摺動部１６のはめあいは、常温状態において、すきまばめが望ましい。具体的には例えば、はめあい公差は、H６/ｈ６、あるいはH８/ｆ６などが採用されうる。なお、H６、H８とは、ＪＩＳ Ｂ ０４０１に示すところの穴公差を、ｈ６、ｆ６は軸公差を示し、はめあい部に隙間を構成しうる。

図１の例であっても、低温側である回転軸側摺動部１６の熱収縮量が、供給軸側摺動部１４の熱収縮量よりも小さい例においては、冷却過程においてはめあいが弛緩する。かかる例では、供給軸側摺動部１４や回転軸摺動部１６において板の厚さを増やすなどして剛性を高くする、冷却に伴うはめあいの弛緩を補償するために常温状態でしまりばめを採用するなど、調芯機能を補償する対策を施すことが好ましい。ただし、板の厚さを増やさないほうが冷却に有利であり、しまりばめを採用しない方が組立て作業性や摺動性を良好に維持できる。供給軸側摺動部１４や回転軸側摺動部１６の材質の強度的な制約からしまりばめを形成しえない場合は、中間ばめが望まれる。かかる例では、調芯機能が供給軸側摺動部１４および回転軸側摺動部１６の剛性に依存するために、該剛性を十分に高くする必要があるが、冷却性能との両立に留意するのが好ましい。

図２Ａは、第１実施形態の第１実施例にかかる超電導回転機の常温状態の界磁回転子において、供給軸側の摺動可能な部位を、中心軸を通る鉛直面で切った概略構成の一例を示す断面模式図である。図２Ｂは、第１実施形態の第１実施例にかかる超電導回転機の冷温状態の界磁回転子において、供給軸側の摺動可能な部位を、中心軸を通る鉛直面で切った概略構成の一例を示す断面模式図である。なお、図２Ａ、図２Ｂは、説明のために比率を誇張して描かれている。

本実施例では、供給軸１０が回転軸１８に挿入されるように構成されている。より詳細に言えば、供給軸１０が備える供給軸側摺動部１４が、回転軸１８が備える回転軸側摺動部１６に挿入されるように構成されている。供給軸１０と回転軸１８との接続部分では、供給軸側摺動部１４の上に回転軸側摺動部１６が載置された状態にある。常温状態において、供給軸側摺動部１４と回転軸側摺動部１６は、回転軸１８の自重を受けて真円状の円筒から変形するため、回転軸１８の鉛直方向下端部と供給軸１０の鉛直方向下端部との間、すなわち供給軸側摺動部１４の鉛直方向下端部と回転軸側摺動部１６の鉛直方向下端部との間、には供給軸側摺動部１４と回転軸１８の変形前の寸法から計算されるはめあい隙間とくらべて大きな間隙Ｄが形成されている。間隙Ｄは、具体的には例えば、０．１ｍｍ程度としうる。

回転軸１８側は、冷媒が供給されることにより冷却され、供給軸１０側よりも低温となる。よって、回転軸側摺動部１６と供給軸側摺動部１４とが同じ材料で形成されている場合、冷温状態において、回転軸側摺動部１６の径方向の熱収縮量は、供給軸側摺動部１４の径方向の熱収縮量よりも大きくなる。その結果、回転軸側摺動部１６は供給軸側摺動部１４を締め付けるように作用し、供給軸と回転軸とが互いに矯正作用を及ぼし合うことで、調芯機能を効果的かつ自律的に実現できる。この調芯機構が効果的に作用する原理には、下記理由が考えられる。

１）例えば、外周面に局所的な外力が作用して真円が崩れた円筒に、自身の熱収縮、あるいは外周面からの均質な締め付け力などが追加的に作用して、円筒壁に、真円形状を保持するような均質な内力が作用すると、結果的に、局所的な外力が総変形に及ぼす寄与率が下がることにより円筒は真円形状に近づき、自律的な調芯機能が作用する。

２）例えば、図２Ｂの様に回転軸側摺動部１６と供給軸側摺動部１４のはめあい部が全周にわたり接触する状態では、互いに保持しあうことで、図２Ａのように鉛直上部側のみが接触する状態と比べて、円筒の中心軸に垂直な面で切った断面に関する曲げ剛性が大きくなり、結果、回転体１８に対する回転軸側摺動部１６と供給軸側摺動部１４の支持剛性が高くなり、調芯機能が増す方向に作用する。

具体的には例えば、供給軸１０の軸心１０Ｃと回転軸１８の軸心１８Ｃとのずれは、常温状態におけるずれｄ１に対し、冷温状態におけるずれｄ２が小さくなる（ｄ１＞ｄ２）。よって、冷却時の収縮により、自律的に調芯機能が実現される。なお、供給軸１０の軸心１０Ｃとは、供給軸１０の中心軸であって回転軸１８の中心軸に平行なものをいい、回転軸１８の軸心１８Ｃとは、回転軸１８の中心軸をいう（以下同様）。なお、冷温状態とは、超電導回転機の運転時において、超電導コイルを超電導状態とするために冷却された後の温度状態としうる（以下同様）。具体的には例えば、冷温状態とは超電導コイルが３０Ｋ（摂氏約−２４３度）程度に冷却された状態としうる。

なお、回転軸１８が冷却されると、供給軸側摺動部１４、回転軸１８、および、トルクチューブ２２は軸方向にも熱収縮するが、常温ダンパ２８はほとんど変化しないので、供給軸１０と回転軸１８との軸方向の間隙（図２における供給軸側摺動部１４の基部と回転軸側摺動部１６の端部との間の距離）は、常温状態における間隙Ｗ１よりも、冷温状態における間隙Ｗ２の方が大きくなる（Ｗ１＜Ｗ２）。よって、供給軸側摺動部１４の長さは、間隙Ｗ２より長いことが好ましい。

本実施例では、冷温状態において、回転軸１８の鉛直方向下端部と供給軸１０の鉛直方向下端部との間、すなわち供給軸側摺動部１４の鉛直方向下端部と回転軸側摺動部１６の鉛直方向下端部との間、には間隙が形成されない。換言すれば、冷温状態において、回転軸１８と供給軸１０とは全周にわたり互いに接触する。すなわち、冷温状態において、供給軸側摺動部１４と回転軸側摺動部１６とは全周にわたり接触する。かかる構成では、冷温状態において、供給軸側摺動部１４が回転軸側摺動部１６によって効率的に締め付けられるため、さらに効果的に調芯機能が実現される。

なお、回転軸１８の鉛直方向下端部と供給軸１０の鉛直方向下端部との間、すなわち供給軸側摺動部１４の鉛直方向下端部と回転軸側摺動部１６の鉛直方向下端部との間、には間隙が形成されてもよい。この場合でも、供給軸側摺動部１４が回転軸側摺動部１６によって締め付けられるため、調芯機能が実現される。

図３Ａは、第１実施形態の第１実施例にかかる超電導回転機の常温状態の界磁回転子において、供給軸側の摺動可能な部位を中心軸に垂直な面で切った概略構成の一例を示す断面模式図である。図３Ｂは、第１実施形態の第１実施例にかかる超電導回転機の冷温状態の界磁回転子において、供給軸側の摺動可能な部位を中心軸に垂直な面で切った概略構成の一例を示す断面模式図である。なお、図３Ａ、図３Ｂは、説明のために比率を誇張して描かれている。

図３Ａに示すように、常温状態において、供給軸側摺動部１４は、回転軸側摺動部１６が載置されることで、断面の鉛直上側がつぶれた楕円形状となる。一方、回転軸側摺動部１６は、上端部を供給軸側摺動部１４によって支持されているため、自重により、断面は上下に延びた形状をなす。より詳細には、回転軸側摺動部１６の上部は変形した供給軸側摺動部１４の上部の形状に沿うように変形しつつも、上部は下部よりも支持すべき自重が大きいことからより強く引っ張られて延びるため、全体として断面は卵型をなす。常温状態において、供給軸側摺動部１４の鉛直方向下端部と回転軸側摺動部１６の鉛直方向下端部との間には間隙Ｄが形成されている。

図３Ｂに示すように、冷温状態において、回転軸側摺動部１６は、供給軸側摺動部１４よりも大きく熱収縮し、常温状態よりも真円に近くなる。供給軸側摺動部１４は、冷却されて熱収縮すると共に、回転軸側摺動部１６によって周囲から締め付けられることで、つぶれやゆがみが矯正され、常温状態よりも真円に近くなる。

本実施例では、冷温状態において、供給軸１０の鉛直方向下端部と回転軸１８の鉛直方向下端部との間、すなわち供給軸側摺動部１４の鉛直方向下端部と回転軸側摺動部１６の鉛直方向下端部との間、には間隙が形成されない。換言すれば、冷温状態において、供給軸側摺動部１４と回転軸側摺動部１６とは全周にわたり接触する。かかる構成では、冷温状態において、供給軸側摺動部１４が回転軸側摺動部１６によって効率的に締め付けられるため、さらに効果的に調芯機能が実現される。

このように、供給軸側摺動部１４と回転軸側摺動部１６とは、固定手段等により固定されずに、供給軸側摺動部１４が、回転軸側摺動部１６の内部に挿入されているだけである。このため、供給軸側摺動部１４と回転軸側摺動部１６とは、回転軸１８の周方向にも互いに摺動可能であり、回転軸１８の軸方向にも互いに摺動可能である。なお、周方向及び軸方向の摺動可能性が確保されていれば、供給軸側摺動部１４と回転軸側摺動部１６とが、摺動面以外の部位において、何らかの締結手段等により一体かつ連続に形成されていてもよい。

接続部分が周方向に摺動可能であるため、例えば、超電導コイル２０により回転軸１８に回転力（トルク）が加わっても、供給軸１０と回転軸１８との接続部分には強い応力が発生しない。換言すれば、接続部分が周方向に摺動可能であるため、供給軸１０と回転軸１８との間の回転方向のねじれを、周方向の摺動によって吸収することができる。

接続部分が軸方向に摺動可能であるため、冷却によって回転軸１８が収縮しても、回転軸１８と供給軸１０との接続部分には、軸方向の熱収縮を拘束することに起因する応力が発生しない。換言すれば、接続部分が軸方向に摺動可能であるため、供給軸１０と回転軸１８との間の軸方向の変位を、軸方向の摺動によって吸収することができる。

以上のことから、供給軸１０と回転軸１８との接続部分に大きな強度を持たせる必要がなく、供給軸１０と回転軸１８との接続部分の、すなわちトルクチューブ２２の伝熱面積を小さくすることが容易になる。あるいは、金属材料と比べて強度では劣るが断熱性に優れる材料を、例えばＧＦＲＰやＣＦＲＰなどの複合材などを、供給軸側摺動部１４や回転軸側摺動部１６へ適用することが容易となる。これら構造では、トルク伝達機能や調芯機能を損なうことなく超電導コイルを効率よく冷却する機能を確保するという要求を実現しやすくなる。

一方で、入出力軸２４は回転軸１８と一体に回転するように設けられていることから、超電導コイル２０および回転軸１８と入出力軸２４との間でトルク伝達を行うことができる。軸方向の熱収縮は供給軸側摺動部１４と回転軸側摺動部１６との摺動により吸収されるため、回転軸１８と入出力軸２４との接続部分は、調芯機能とトルク伝達機能に特化した構造を形成しうる。これにより、回転軸１８と入出力軸２４との接続部分の強度を十分に確保することが容易となり、超電導コイルと入出力軸との間でトルクを伝達させるための機械的な強度を確保するという要求を実現しやすくなる。

さらに、供給軸１０と入出力軸２４とは、一体に回転するように互いに固定されていることから、供給軸１０は、回転軸１８から供給軸側摺動部１４と回転軸側摺動部１６とを介してトルクが伝達されなくても、回転軸１８と実質的に一体に回転することができる。

すなわち、本実施例の超電導回転機の界磁回転子によれば、回転軸の一方の端にはトルクの入出力機能を持たせずに、調芯と熱収縮の吸収のみを行う機能を持たせ、回転軸の他方の端に、調芯とトルクの入出力のみを行う機能を効果的に持たせることができる。

例えば、回転軸と入出力軸との間に、中空であり、かつ径方向の厚みが相対的に薄くなるようなトルクチューブ２２を形成しうることが容易となる。かかる構成では、出力軸から回転軸への伝熱面積が小さく断熱性に優れるため、超電導コイルをより効率的に冷却できる。

さらに例えば、前述の供給軸側摺動部１４および回転軸側摺動部１６による自律的な調芯機能により、摺動部の反対側で回転軸１８の自重を保持するトルクチューブ２２への負荷をさらに下げることができるため、トルクチューブ２０の伝熱面積を小さくすることが、さらに容易になる。

以上の結果、超電導コイルを効率よく冷却する機能を確保するという要求と超電導コイルと入出力軸との間でトルクを伝達させるための機械的な強度を確保するという要求との両立を従来よりも容易にすることができる。

［第２実施例］
図４は、第１実施形態の第２実施例にかかる超電導回転機の界磁回転子を、中心軸を通る鉛直面で切った概略構成の一例を示す断面図である。

本実施例の超電導回転機の界磁回転子２００は、供給軸側摺動部１４及び回転軸側摺動部１６の構成が異なる以外は、第１実施例の超電導回転機の界磁回転子１００と同様に構成されうる。よって、図４と図１とで共通する構成要素には同一の符号および名称を付して詳細な説明を省略する。

図４に示す例では、供給軸側摺動部１４が供給軸１０に固定され、回転軸側摺動部１６が回転軸１８に固定されている。ただし、供給軸側摺動部１４と供給軸１０とが一体に形成されていてもよい。回転軸側摺動部１６と回転軸１８とが一体に形成されていてもよい。供給軸側摺動部１４及び回転軸側摺動部１６は、いずれも、中心軸と略平行に延びる中実の円柱状、あるいは円筒状の形状を有している。供給軸側摺動部１４及び回転軸側摺動部１６の内、外周側の軸は円筒状でなければならないが、内周側の軸は中実の円柱状、あるいは円筒状の形状を有しうる。

供給軸側摺動部１４及び回転軸側摺動部１６は、いずれも、中心軸と略平行に延びる円筒状の形状を有している。常温状態において、供給軸側摺動部１４の内径は、回転軸側摺動部１６の外径よりも大きい。このため、常温状態には、回転軸側摺動部１６は、供給軸側摺動部１４との間に間隙を有しながら、供給軸側摺動部１４の内部に挿入されうる。

供給軸側摺動部１４及び回転軸側摺動部１６のはめあい隙間については、大小関係が入れ替わる点以外は第１実施例と同様とすることができる。よって、詳細な説明を省略する。

図５Ａは、第１実施形態の第２実施例にかかる超電導回転機の常温状態の界磁回転子において、供給軸側の摺動可能な部位を、中心軸を通る鉛直面で切った概略構成の一例を示す断面模式図である。図５Ｂは、第１実施形態の第２実施例にかかる超電導回転機の冷温状態の界磁回転子において、供給軸側の摺動可能な部位を、中心軸を通る鉛直面で切った概略構成の一例を示す断面模式図である。なお、図５Ａ、図５Ｂは、説明のために比率を誇張して描かれている。

本実施例では、回転軸１８が供給軸１０に挿入されるように構成されている。より詳細に言えば、回転軸１８が備える回転軸側摺動部１６が、供給軸１０が備える供給軸側摺動部１４に挿入されるように構成されている。供給軸１０と回転軸１８との接続部分では、供給軸側摺動部１４の上に回転軸側摺動部１６が載置された状態にある。常温状態において、供給軸側摺動部１４と回転軸側摺動部１６は、回転軸１８の自重を受けて真円状の円筒から変形するため、回転軸１８の鉛直方向上端部と供給軸１０の鉛直方向上端部との間、すなわち供給軸側摺動部１４の鉛直方向上端部と回転軸側摺動部１６の鉛直方向上端部との間、には供給軸側摺動部１４と回転軸１８の変形前の寸法から計算されるはめあい隙間とくらべて大きな間隙Ｄが形成されている。間隙Ｄは、具体的には例えば、０．１ｍｍ程度としうる。

回転軸１８側は、冷媒が供給されることにより冷却され、供給軸１０側よりも低温となる。一方で、供給軸１０側も、回転軸１８側に熱が奪われることで、冷却される。ここで、例えば、供給軸１０の材料が、回転軸１８の材料よりも、熱線膨張率が大きい材料で形成されている場合には、冷温状態において、供給軸１０側の径方向の熱収縮量は、回転軸１８側の径方向の熱収縮量よりも大きくなる。かかる材料の組合せ例としては、供給軸１０の材料としてステンレス鋼、回転軸１８の材料としてインバー合金を用いる場合が挙げられる。かかる構成では、供給軸１０の軸心１０Ｃと回転軸１８の軸心１８Ｃとのずれは、常温状態におけるずれｄ１に対し、冷温状態におけるずれｄ２が小さくなる（ｄ１＞ｄ２）。その結果、供給軸側摺動部１４は回転軸側摺動部１６を締め上げるように作用し、供給軸と回転軸とが互いに矯正作用を及ぼし合うことで、調芯機能を効果的かつ自律的に実現できる。調芯機構が効果的に作用する原理は、第１実施例で述べた通りであるので、記載を省略する。

なお、回転軸１８が冷却されると、供給軸側摺動部１４、回転軸１８、および、トルクチューブ２２は軸方向にも熱収縮するが、常温ダンパ２８はほとんど変化しないので、供給軸１０と回転軸１８との軸方向の間隙（図５における供給軸側摺動部１４の端部と回転軸側摺動部１６の基部との間の距離）は、常温状態における間隙Ｗ１よりも、冷温状態における間隙Ｗ２の方が大きくなる（Ｗ１＜Ｗ２）。よって、回転軸側摺動部１６の長さは、間隙Ｗ２より長いことが好ましい。

本実施例では、冷温状態において、回転軸１８の鉛直方向上端部と供給軸１０の鉛直方向上端部との間、すなわち供給軸側摺動部１４の鉛直方向上端部と回転軸側摺動部１６の鉛直方向上端部との間、には間隙が形成されない。換言すれば、冷温状態において、回転軸１８と供給軸１０とは全周にわたり互いに接触する。すなわち、冷温状態において、供給軸側摺動部１４と回転軸側摺動部１６とは全周にわたり接触する。かかる構成では、冷温状態において、回転軸側摺動部１６が供給軸側摺動部１４によって効率的に締め付けられるため、さらに効果的に調芯機能が実現される。

図６Ａは、第１実施形態の第２実施例にかかる超電導回転機の常温状態の界磁回転子において、供給軸側の摺動可能な部位を中心軸に垂直な面で切った概略構成の一例を示す断面模式図である。図６Ｂは、第１実施形態の第２実施例にかかる超電導回転機の冷温状態の界磁回転子において、供給軸側の摺動可能な部位を中心軸に垂直な面で切った概略構成の一例を示す断面模式図である。なお、図６Ａ、図６Ｂは、説明のために比率を誇張して描かれている。

図６Ａに示すように、常温状態において、供給軸側摺動部１４は、自重に加え、下端部に回転軸側摺動部１６が載置されることで、断面は上下に延びた形状をなす。より詳細には、供給軸側摺動部１４の下部は変形した回転軸側摺動部１６の下部の形状に沿うように変形し、かつ、上部は下部よりも支持すべき自重が大きいことからより強く引っ張られて延びるため、全体として断面は卵型をなす。一方、回転軸側摺動部１６は、供給軸側摺動部１４に載置されることで、自重により、断面の鉛直下側がつぶれた楕円形状となる。常温状態において、供給軸側摺動部１４の鉛直方向上端部と回転軸側摺動部１６の鉛直方向上端部との間には間隙Ｄが形成されている。

図６Ｂに示すように、冷温状態において、供給軸側摺動部１４は、回転軸側摺動部１６よりも大きく熱収縮し、常温状態よりも真円に近くなる。回転軸側摺動部１６は、冷却されて熱収縮すると共に、供給軸側摺動部１４によって周囲から締め付けられることで、つぶれやゆがみが矯正され、常温状態よりも真円に近くなる。

本実施例では、冷温状態において、供給軸１０の鉛直方向上端部と回転軸１８の鉛直方向上端部との間、すなわち供給軸側摺動部１４の鉛直方向上端部と回転軸側摺動部１６の鉛直方向上端部との間、には間隙が形成されない。換言すれば、冷温状態において、供給軸側摺動部１４と回転軸側摺動部１６とは全周にわたり接触する。かかる構成では、冷温状態において、回転軸側摺動部１６が供給軸側摺動部１４によって効率的に締め付けられるため、さらに効果的に調芯機能が実現される。

冷温状態において、供給軸１０の鉛直方向上端部と回転軸１８の鉛直方向上端部との間、すなわち供給軸側摺動部１４の鉛直方向上端部と回転軸側摺動部１６の鉛直方向上端部との間、には間隙が形成されてもよい。この場合でも、回転軸側摺動部１６が供給軸側摺動部１４によって締め付けられるため、調芯機能が実現される。

このように、供給軸側摺動部１４と回転軸側摺動部１６とは、固定手段等により固定されずに、回転軸側摺動部１６が、供給軸側摺動部１４の内部に挿入されているだけである。このため、供給軸側摺動部１４と回転軸側摺動部１６とは、回転軸１８の周方向にも互いに摺動可能であり、回転軸１８の軸方向にも互いに摺動可能である。なお、周方向及び軸方向の摺動可能性が確保されていれば、供給軸側摺動部１４と回転軸側摺動部１６とが、摺動面以外の部位において、何らかの締結手段等により一体かつ連続に形成されていてもよい。

本実施例においても、第１実施例と同様の効果が得られる。すなわち、本実施例の超電導回転機の界磁回転子によれば、回転軸の一方の端にはトルクの入出力機能を持たせずに、調芯と熱収縮の吸収のみを行う機能を持たせ、回転軸の他方の端にトルクの入出力機能を集中させることができる。その結果、超電導コイルを効率よく冷却する機能を確保するという要求と超電導コイルと入出力軸との間でトルクを伝達させるための機械的な強度を確保するという要求との両立を従来よりも容易にすることができる。

第２実施例においても、トルクチューブを形成する等、第１実施例と同様の変形が可能である。

上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造および／又は機能の詳細を実質的に変更できる。

本発明の超電導回転機の界磁回転子は、超電導コイルを効率よく冷却する機能を確保するという要求と超電導コイルと入出力軸との間でトルクを伝達させるための機械的な強度を確保するという要求との両立を従来よりも容易にする超電導回転機の界磁回転子として有用である。

１０ 供給軸
１２ 軸受
１４ 供給軸側摺動部
１６ 回転軸側摺動部
１８ 回転軸
２０ 超電導コイル
２４ 入出力軸
２６ 軸受け
２８ 常温ダンパ
１００ 界磁回転子
２００ 界磁回転子

Claims (7)

1. 回転軸と、
   前記回転軸の一端において前記回転軸へと冷媒を供給する供給軸と、
   前記回転軸の他端において前記回転軸と一体に回転するように設けられた入出力軸と、
   前記回転軸の周面に保持され、前記冷媒によって冷却される超電導コイルと、を備え、
   前記供給軸と前記入出力軸とは、一体に回転するように互いに固定されており、
   前記回転軸と前記供給軸とは、少なくとも一部において互いに接触することで前記回転軸が前記供給軸により支持され、かつ、前記回転軸の周方向及び前記回転軸の軸方向に摺動可能に嵌まり合っている、
   超電導回転機の界磁回転子。
2. 前記供給軸と前記回転軸とは、
   常温状態から冷温状態へと変化したときの径方向の熱収縮量が相対的に大きい一方が、前記熱収縮量が相対的に小さい他方の外周側に位置するように配置される、
   請求項１に記載の超電導回転機の界磁回転子。
3. 前記回転軸の前記熱収縮量が、前記供給軸の前記熱収縮量よりも相対的に大きい、請求項２に記載の超電導回転機の界磁回転子。
4. 前記供給軸と前記回転軸とは、
   常温状態において、前記供給軸の鉛直方向下端部と前記回転軸の鉛直方向下端部との間には間隙が形成され、
   冷温状態において、前記供給軸の鉛直方向下端部と前記回転軸の鉛直方向下端部との間には間隙が形成されないように形成されている、
   請求項３に記載の超電導回転機の界磁回転子。
5. 前記回転軸のうち前記供給軸と嵌まり合う部分が中空である、請求項１ないし４のいずれかに記載の超電導回転機の界磁回転子。
6. 前記回転軸のうち前記超電導コイルを保持する部分が中空である、請求項１ないし５のいずれかに記載の超電導回転機の界磁回転子。
7. 前記回転軸と前記入出力軸との間に、中空であり、かつ径方向の厚みが相対的に薄いトルクチューブが形成されている、請求項１ないし６のいずれかに記載の超電導回転機の界磁回転子。

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