JP2017220997A - Magnetic field superconducting rotary machine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、界磁超電導回転機に関するものであり、特に、界磁超電導回転機に備わる超電導コイルと超電導コイルを囲む真空断熱容器の形状に関する。 The present invention relates to a field superconducting rotating machine, and more particularly to a superconducting coil provided in a field superconducting rotating machine and a shape of a vacuum heat insulating container surrounding the superconducting coil.
例えば下記特許文献1〜4には、超電導コイルを備える界磁超電導回転機についての技術が開示されている。
For example, the following
下記特許文献1の段落[0002]〜[0004],[0007]〜[0009]、及び、図1,2には、界磁超電導回転機の磁極集成体20(ロータコア)に鉄のソリッドコアを使う技術が記載されている。
In paragraphs [0002] to [0004], [0007] to [0009] of
下記特許文献2の段落[0026]〜[0029]、及び、図2〜6には、超電導コイルを収納する真空容器を一体化する技術が開示されている。
下記特許文献3の段落[0020]〜[0024]、及び、図2,3には、界磁超電導回転機のロータ全体を真空容器で囲む技術が開示されている。
上記特許文献1のようにロータコアに鉄のソリッドコアを使うと、超電導コイルから発生する強い磁場のため鉄損が大きくなる。また、鉄損を減らすために積層鋼板(電磁鋼板)を使うことも考えられるが、真空容器に入った超電導コイルをロータコアに備え付けるためには、組立の関係上、ロータコアの分割が必要となり、ロータコアを固定するためのボルト等の部品点数が増えてしまう。
When an iron solid core is used for the rotor core as in
また、上記特許文献2のように超電導コイルを収納する真空容器を一体化すると、真空容器が大きくなるため製作が難しくなり、真空漏れや超電導コイルの断熱等のトラブルがあったときに一体の容器全体を交換しなければならない。さらに、ロータコアにおけるコア突極の幅(コア幅)を大きくできず、磁気飽和が起こりやすくなってしまう。
In addition, when the vacuum container for housing the superconducting coil is integrated as in the above-mentioned
そして、上記特許文献3のようにロータ全体を真空容器で囲むと、真空容器が大きくなってしまう。また、ロータとステータとの間に、真空層と真空容器壁の厚みが入るため、ギャップが大きくなり、性能が低下してしまう。
And if the whole rotor is enclosed with a vacuum vessel like the said
なお、上記特許文献4にはロータコアについて記載がないが、例えば空心の場合は、線材が多く必要になり(上記特許文献1の段落[0001]参照)、あるいは鉄心の場合は、コアの磁気飽和を考慮しなければ超電導化による強磁場での性能向上が限定的になってしまう。
In addition, although the
すなわち、従来の技術では、超電導コイルを断熱するための真空容器の形状によって、ロータコアの分割が必要になり、また、真空容器によってロータコアの寸法が制約され、磁気飽和により性能向上が限定的になるという問題があった。 That is, in the conventional technique, the shape of the vacuum vessel for insulating the superconducting coil requires the division of the rotor core, and the size of the rotor core is restricted by the vacuum vessel, and the performance improvement is limited by magnetic saturation. There was a problem.
本発明は、上記技術的課題に鑑み、ロータコアの分割を不要とし、コア幅を拡張することを可能とすることで、性能向上を図ることができる、界磁超電導回転機を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above technical problem, and an object of the present invention is to provide a field superconducting rotating machine that can improve performance by making it unnecessary to divide the rotor core and expanding the core width. And
上記課題を解決するための第1の発明に係る界磁超電導回転機は、
シャフトを把持するスパイダと、
前記スパイダの外周面に放射状に極数と同数が配置され、それぞれロータ径方向外側に向け突起したロータコアと、
前記スパイダの外周面において、放射状に極数の半数が、ロータ周方向に1つ置きの前記ロータコアに対し、その側面を囲うようにして配置され、それぞれ、各前記ロータコアの最大幅よりも大きい幅の内周面を有する真空容器と、
それぞれ、前記内周面に沿って前記真空容器内に格納される、極数の半数の超電導コイルとを備える
ことを特徴とする。
The field superconducting rotating machine according to the first invention for solving the above-mentioned problems is
A spider that grips the shaft;
The same number of poles are arranged radially on the outer peripheral surface of the spider, and the rotor core protrudes outward in the rotor radial direction,
On the outer peripheral surface of the spider, a half of the number of poles is arranged so as to surround the side surface with respect to every other rotor core in the circumferential direction of the rotor, and each width is larger than the maximum width of each rotor core. A vacuum vessel having an inner peripheral surface of
Each includes a superconducting coil having half the number of poles stored in the vacuum vessel along the inner peripheral surface.
上記課題を解決するための第2の発明に係る界磁超電導回転機は、
上記第1の発明に係る界磁超電導回転機において、
各前記超電導コイルは、極数と同数配置された場合に必要なターン数の2倍のターン数を有する
ことを特徴とする。
The field superconducting rotating machine according to the second invention for solving the above-mentioned problems is
In the field superconducting rotating machine according to the first invention,
Each of the superconducting coils has a number of turns twice the number of turns required when the same number of poles are arranged.
上記課題を解決するための第3の発明に係る界磁超電導回転機は、
上記第1又は2の発明に係る界磁超電導回転機において、
各前記ロータコアは積層鋼板で構成されている
ことを特徴とする。
A field superconducting rotating machine according to a third invention for solving the above-mentioned problems is
In the field superconducting rotating machine according to the first or second invention,
Each of the rotor cores is composed of laminated steel plates.
本発明に係る界磁超電導回転機によれば、ロータコアの分割を不要とし、コア幅を拡張することを可能とすることで、性能向上を図ることができる。 According to the field superconducting rotating machine according to the present invention, it is possible to improve the performance by making it unnecessary to divide the rotor core and expanding the core width.
以下、本発明に係る界磁超電導回転機について実施例にて図面を用いて説明する。 Hereinafter, the field superconducting rotating machine according to the present invention will be described with reference to the drawings in the embodiments.
[参考例]
図11は、本参考例の界磁超電導回転機のロータの概略図であり、図11(a)は斜視図、図11(b)は上面図、図11(c)は正面断面矢視図である。図11(a)(b)(c)に示すように、本参考例の界磁超電導回転機のロータ100は、シャフト101、シャフト101を把持するスパイダ102、スパイダ102の外周面に放射状に配置されるロータコア103、及び、ロータコア103ごとに配置され、それぞれロータ軸方向に延伸する超電導コイル(図11では省略している)を格納する真空容器104を備えており、ロータ100の極数と同数の超電導コイルが用いられており、ロータコア103及び真空容器104もロータ100の極数と同数である。
[Reference example]
FIG. 11 is a schematic view of a rotor of the field superconducting rotating machine of this reference example, FIG. 11 (a) is a perspective view, FIG. 11 (b) is a top view, and FIG. 11 (c) is a front sectional view. It is. As shown in FIGS. 11 (a), 11 (b), and 11 (c), the
また、図12は図11(b)のC‐C断面矢視図である。図12に示すように、スパイダ102の外周面に放射状に配置されるロータコア103は、それぞれロータコア根元側突極部103a及びロータコア先端側突極部103bを有している。
FIG. 12 is a cross-sectional view taken along the line CC in FIG. As shown in FIG. 12, the
ロータコア根元側突極部103aは、スパイダ102の外周面に複数のボルト106により固定され、ロータ径方向外側に向け突起しかつロータ径方向断面視が矩形状のものである。ロータコア先端側突極部103bは、ロータコア根元側突極部103aに対し、ロータ径方向外側から複数のボルト107により固定され、ロータ径方向断面視において椀形状となっている。
The rotor core base side
そして、ロータコア先端側突極部103bの方がロータコア根元側突極部103aよりも、ロータ径方向断面視におけるロータ接線方向(図12の中央に配されたロータコア103においては紙面左右方向)の幅が長くなっている。なお、ロータコア根元側突極部103aのロータ接線方向の幅を「コア幅」という。
The rotor core tip side
また、真空容器104は、ロータ軸方向に延伸しロータコア根元側突極部103aの周囲を囲う環状(レーストラック形状)の内周面104aを有する、断熱容器であり、超電導コイル105が格納されている。さらに、ロータ軸方向に延伸するレーストラック形状の超電導コイル105は、真空容器104の内に格納され、ロータ100内における界磁巻線として機能する。
The
図13は図12の断面矢視図に対応した分解図である。図13に示すように、上記構成とした本参考例の界磁超電導回転機を組み立てるためには、ロータコア根元側突極部103aの周囲に超電導コイル105を格納した真空容器104を配置し、真空容器104の底面(ロータ径方向内側面)104aをスパイダ102に対しボルト106によって固定した後、ロータコア先端側突極部103bをロータ径方向外側からロータコア根元側突極部103aに対しボルト107によって固定する必要がある。
13 is an exploded view corresponding to the cross-sectional view of FIG. As shown in FIG. 13, in order to assemble the field superconducting rotating machine of this reference example configured as described above, a
すなわち、本参考例の界磁超電導回転機は、銅巻線の回転機と異なり、超電導コイルを内包する真空容器が配置されているため、組立に工夫が必要となる。特に、上述の如くロータコアを分割する等の作業を行わなければならない。またその場合、ロータコアに積層鋼板(電磁鋼板)を使うことが困難となるため、結果として鉄損が大きくなってしまう。 That is, the field superconducting rotating machine of the present reference example is different from the copper winding rotating machine in that a vacuum vessel containing the superconducting coil is arranged, so that it is necessary to devise assembly. In particular, operations such as dividing the rotor core as described above must be performed. In that case, it becomes difficult to use a laminated steel plate (electromagnetic steel plate) for the rotor core, resulting in an increase in iron loss.
[実施例]
本実施例に係る界磁超電導回転機の構成を図1〜3に示す。図1は、本実施例に係る界磁超電導回転機のロータの概略図であり、図1(a)は斜視図、図1(b)は上面図、図1(c)は正面断面矢視図を表す。
[Example]
The structure of the field superconducting rotating machine according to the present embodiment is shown in FIGS. FIG. 1 is a schematic view of a rotor of a field superconducting rotating machine according to the present embodiment, FIG. 1 (a) is a perspective view, FIG. 1 (b) is a top view, and FIG. 1 (c) is a front sectional view. Represents the figure.
本実施例に係る界磁超電導回転機のロータ10は、シャフト11、シャフト11を把持するスパイダ12、スパイダ12の外周面に放射状に配置されるロータコア13、それぞれロータ軸方向に延伸する超電導コイル(図1では省略している)を格納した真空容器14を備えている。なお、シャフト11、スパイダ12及びロータコア13は鉄製であり、真空容器14はステンレス製である。また、ロータコア13は積層鋼板にて構成されるものとする。
The
また、本実施例に係る界磁超電導回転機では、ロータ10の極数に対して半数の超電導コイルが配置されている。なお、図1では極数を30極としているため15個の超電導コイルを使用しているが、本実施例はこれに限定されるものではない。
In the field superconducting rotating machine according to the present embodiment, half the superconducting coils are arranged with respect to the number of poles of the
ここで、まず本実施例に係る界磁超電導回転機における超電導コイルへの給電について説明する。本実施例に係る界磁超電導回転機における超電導コイルへの給電は、真空容器壁を貫通する電流導入端子を通じて行う。 Here, power supply to the superconducting coil in the field superconducting rotating machine according to the present embodiment will be described first. Power supply to the superconducting coil in the field superconducting rotating machine according to the present embodiment is performed through a current introduction terminal penetrating the vacuum vessel wall.
図2は超電導コイル及び電流リード線の配置を示す真空容器の断面図である。図3は、超電導コイル、コイル電極端子及び電流リード線の斜視図である。図4は図2のB‐B断面矢視図(コイル電極端子の位置を示した図)である(ただし、後述する超電導コイルの支持構造は図示していない)。 FIG. 2 is a cross-sectional view of a vacuum vessel showing the arrangement of superconducting coils and current leads. FIG. 3 is a perspective view of a superconducting coil, coil electrode terminals, and current lead wires. 4 is a cross-sectional view taken along the line BB in FIG. 2 (a view showing the position of the coil electrode terminal) (however, a support structure for a superconducting coil to be described later is not shown).
超電導コイル15について改めて説明すると、超電導コイル15は、ロータ10のロータ軸方向に延伸するレーストラック形状であり、(その長手方向が真空容器14の長手方向と一致して)真空容器14内に格納されている。
The
本実施例に係る界磁超電導回転機は、真空容器14内に配されるコイル電極端子21a,21b、真空容器14の(超電導コイル15の)長手方向一端面(ロータ軸方向一端面)14‐1において、該端面の両端から外部に露出する電流導入端子22a,22b(図2参照)、コイル電極端子21aと電流導入端子22aとを電気的に接続する電流リード線23a、及び、コイル電極端子21bと電流導入端子22bとを電気的に接続する電流リード線23bを備える。ちなみに、コイル電極端子21a,21b及び電流リード線23a,23bは銅で構成される。
The field superconducting rotating machine according to this embodiment includes
真空容器14の長手方向一端面(超電導コイル15の長手方向一端側の端面)14‐1において、該端面の両端から外部に露出する電流導入端子22a,22bは、外部の電源又は他の真空容器の端子に接続するものである。
On one end surface in the longitudinal direction of the vacuum vessel 14 (end surface on one end side in the longitudinal direction of the superconducting coil 15) 14-1,
コイル電極端子21a,21bは、真空容器14の長手方向他端面14‐2の内側に配置され、超電導コイル15に接続している。すなわち、コイル電極端子21a,21bは、超電導コイル15の長手方向他端側に接続している。
The
すなわち、コイル電極端子21a,21bと、電流導入端子22a,22bとは、超電導コイル15の長手方向両端にそれぞれ配置されているものとし、コイル電極端子21aと電流導入端子22aとは、互いに真空容器14の対角位置に配され、コイル電極端子21bと電流導入端子22bとは、互いに真空容器14の対角位置に配されている。
That is, the
電流リード線23aは、真空容器14の内部において、一端が電流導入端子22aに接続し、そこから、超電導コイル15に対し周方向外側に離隔しつつ超電導コイル15に沿って延伸し、他端が電流導入端子22aの対角位置に配されるコイル電極端子21aと接続して配されている。
One end of the
電流リード線23bは、真空容器14の内部において、一端が電流導入端子22bに接続し、そこから、超電導コイル15に対し周方向外側に離隔しつつ超電導コイル15に沿って延伸し、他端が電流導入端子22bの対角位置に配されるコイル電極端子21bと接続して配されている。
One end of the
なお、図4に示すように、電流リード線23aと電流リード線23bとは、上下方向(ロータ径方向)に異なる位置に配されているため、コイル電極端子21a,21b付近において、互いに接触することはない。
As shown in FIG. 4, since the
このようにして本実施例に係る界磁超電導回転機では、各真空容器間を電流導入端子にて電気的に接続することで、電源(図示略)及び複数の超電導コイルを電気的に直列接続としている。 Thus, in the field superconducting rotating machine according to the present embodiment, each vacuum vessel is electrically connected by the current introduction terminal, so that a power source (not shown) and a plurality of superconducting coils are electrically connected in series. It is said.
また、冷却システム(図示略)によって極低温に冷却された超電導コイル15は、真空によって常温の真空容器14壁面と隔離され、低温状態を保持している。
The
本実施例に係る界磁超電導回転機では、上述のように、真空容器14において、コイル電極端子21a,21bを、それぞれ電流導入端子22a,22bの(ロータ軸方向における)反対側に配置した上で、コイル電極端子21a,21bと電流導入端子22a,22bとの間に電流リード線23a,23bを配置することで、真空容器14を大きくすることなく真空容器14の内部で電流リード線23a,23bの長さを確保することができ、超電導コイル15への伝導熱を抑制することができる。
In the field superconducting rotating machine according to the present embodiment, as described above, in the
また、隣り合う真空容器14にそれぞれ格納される超電導コイル15同士を電気的に直列接続する電流リード線が内部に延伸する、真空配管により、隣り合う真空容器14同士が接続され、1つの真空容器ユニットとしてもよい。
Further,
ところで、本実施例に係る界磁超電導回転機における超電導コイルは、支持構造(以下、超電導コイル支持構造)によって容器内壁に固定されている。本実施例に係る界磁超電導回転機における超電導コイルの支持方法を、図5〜8を用いて説明する。 By the way, the superconducting coil in the field superconducting rotating machine according to the present embodiment is fixed to the inner wall of the container by a support structure (hereinafter referred to as a superconducting coil support structure). A method for supporting the superconducting coil in the field superconducting rotating machine according to the present embodiment will be described with reference to FIGS.
図5は、超電導コイルと真空容器内壁とを超電導コイル支持構造によりつないだ状態を示す断面矢視図である(電流リード線及び電極は図示していない)。図5(a)は、図4に相当する断面矢視図であり、図5(b)は、図5(a)に直交する断面矢視図である。 FIG. 5 is a cross-sectional view showing a state in which the superconducting coil and the inner wall of the vacuum vessel are connected by the superconducting coil support structure (current leads and electrodes are not shown). 5A is a cross-sectional arrow view corresponding to FIG. 4, and FIG. 5B is a cross-sectional arrow view orthogonal to FIG. 5A.
また、図6は、超電導コイルに対する超電導コイル支持構造を説明する概略図である。図6(a)は、支持体が超電導コイルと接触して配された状態の斜視図であり、図6(b)は、支持体が超電導コイルと接触して配された状態の底面図であり、図6(c)は、支持体の1辺のみを示した斜視図である。 FIG. 6 is a schematic diagram for explaining a superconducting coil support structure for the superconducting coil. FIG. 6A is a perspective view of a state in which the support is disposed in contact with the superconducting coil, and FIG. 6B is a bottom view of the state in which the support is disposed in contact with the superconducting coil. FIG. 6C is a perspective view showing only one side of the support.
まず、超電導コイル支持構造は、支持体31a、及び、補助支持体32a‐1〜32a‐4を備えている。
First, the superconducting coil support structure includes a
図5(a)(b)に示すように、支持体31aは、超電導コイル15を真空容器14の内部空間に位置付ける(支持する)ために、超電導コイル15と真空容器14内壁を接続するものである。支持体31aは、ステンレス製のものであり、断面積を小さく、長さを長く取ることで、極低温の超電導コイル15と常温のロータ(真空容器14外部)との間に、熱障壁をもたらしている。
As shown in FIGS. 5A and 5B, the
また、支持体31aは、図5(a)(b)に示すように、真空容器14の内壁に配設されており、超電導コイル15の下部(ロータ径方向内側)又は上部(ロータ径方向外側)において、図6(a)(b)に示すように、超電導コイル15の巻回方向の形状に対応するように配設され、超電導コイル15を支持している。なお、図5(a)(b)及び図6(a)(b)では、支持体31aは、超電導コイル15の下部(ロータ径方向内側)に配設されている状態が示されている。
Further, as shown in FIGS. 5A and 5B, the
さらに、支持体31aは、互いに長手方向両端部が連結された複数の平板(図6中では、2つの長い平板と2つの短い平板)で構成される形状となっている。
Further, the
上述のように、超電導コイル15の周上に支持体31aを配置することで、狭いスペースでも支持体31aの長さを長くし、熱障壁とすることができる。
As described above, by disposing the
支持体31aの各平板は、長手方向中央部分が超電導コイル15(正確には、後述の銅板34a‐2)を支え、長手方向両端部(すなわち支持体31aの角部)が真空容器14内壁に接するように、図6(a)(c)に示すごとく、屈折した形状となっている。
Each flat plate of the
このように、支持体31aは、各平板が超電導コイル15と真空容器14内壁との間において傾斜(屈折)することで、真空容器14の内部空間で支持体31aの長さを長くとることができる。なお、支持体31aは、ステンレス製の板であるため、ボルト締結による劣化や破損を抑え、回転などの遠心力にも強い。
As described above, the
また、補助支持体32a‐1〜32a‐4は、支持体31aと超電導コイル15との接触部分を、真空容器14内壁から離間した位置とするため、支持体31aを固定し超電導コイル15を支えるものである。
The auxiliary supports 32a-1 to 32a-4 support the
すなわち、補助支持体32a‐1〜32a‐4は、支持体31aの長手方向中央部分の裏側に向け真空容器14から延伸するようにして、配設されている。そして、補助支持体32a‐1〜32a‐4はスプリング構造であることが好ましい。
In other words, the auxiliary supports 32a-1 to 32a-4 are arranged so as to extend from the
さらに、この超電導コイル支持構造は、鉄板33a‐1,33a‐2、及び、銅板34a‐1,34a‐2を備えている。
Further, the superconducting coil support structure includes
超電導コイル15は、下部(ロータ径方向内側)及び上部(ロータ径方向外側)の両側から鉄板33a‐1,33a‐2で挟まれており、鉄板33a‐1,33a‐2のさらに外側から銅板34a‐1,34a‐2で挟まれている。なお、鉄板33a‐1,33a‐2及び銅板34a‐1,34a‐2は、それぞれ超電導コイル15に対し巻回方向に沿うレーストラック形状の平板となっている。
The
そして、この銅板34a‐1,34a‐2に、極低温状態においても可撓性に優れた平編導線を、冷凍機からの熱伝導体として接触させる(図示略)か、又は、真空容器14内に液体窒素などの冷媒を流す(図示略)などの構造とする(冷却システム)。これにより、超電導コイル15を極低温に保つことができる。
Then, these
また、鉄板33a‐1,33a‐2及び銅板34a‐1,34a‐2には、それぞれ複数のボルト通し穴25a‐1が配設されている。
The
そして、鉄板33a‐1,33a‐2及び銅板34a‐1,34a‐2にそれぞれ配設された、複数のボルト通し穴25a‐1のうち一部に、ボルト(図1〜4では図示略)を通すことで、超電導コイル15、鉄板33a‐1,33a‐2及び銅板34a‐1,34a‐2を固定している。なお、上記「一部」を、例えば、補助支持体22との各接触部分にそれぞれ配設されたボルト通し穴25a‐1であるものとすると、安定性を確保できる。
A bolt (not shown in FIGS. 1 to 4) is provided in a part of the plurality of bolt through holes 25a-1 disposed in the
超電導コイル支持構造を上記構造とすることで、まず、既出の冷却システム(図示略)によって、超電導コイル15が極低温に冷却され、超電導状態となることで、大電流を流すことができ、この大電流によって発生する大きな磁場を使うことで、大きなトルクを発生させることができる。
By making the superconducting coil support structure the above structure, first, the
このとき、常温の真空容器14外部から極低温状態の超電導コイル15への侵入熱については、真空容器14によって真空のギャップを設けることで対流熱を無くし、支持体31aを設けることで、真空容器14内壁との接触面積が小さくなり伝導熱を小さく抑えている。
At this time, with respect to the heat that enters the
また、支持体31aと超電導コイル15との接触部分は、超電導コイル15の熱収縮によって、上下方向(ロータ径方向)に移動する、すなわち、真空容器14内壁からの距離が変化するが、補助支持体32a‐1〜32a‐4を伸縮自在のスプリング構造とすることで、この変化に対応することができる。
Further, the contact portion between the
また、補助支持体32a‐1〜32a‐4をスプリング構造とすることで、熱障壁を確保することができる。すなわち、スプリング構造は、超電導コイル15と真空容器14内壁に対して接触面積が小さく、加えて、巻き回ししているため距離が長いので、侵入熱は大きくならない。
Moreover, a thermal barrier can be ensured by making the
通常、超電導コイルは、電流を流すと、電流に対して垂直方向に力を受けて磁束が移動することで電気抵抗が生じ、流せる電流が減少する性質がある。しかしながら、上記超電導コイル支持構造では、鉄板33a‐1,33a‐2を銅板34a‐1,34a‐2と超電導コイル15との間に配置していることにより、磁場の垂直成分が低減し、流せる電流の減少を抑制している。
Usually, when a current is passed, the superconducting coil receives a force in a direction perpendicular to the current and moves the magnetic flux, thereby causing an electrical resistance and reducing the current that can be passed. However, in the superconducting coil support structure, the
ここで、超電導コイル支持構造の他の構成例について、図7,8を用いて説明する。図7は、超電導コイルと真空容器内壁とを、他の構成例の超電導コイル支持構造によりつないだ状態を示す断面矢視図である。図7(a)は、図5(a)の断面矢視図に相当する図であり、図7(b)は、図5(b)の断面矢視図に相当する図である。 Here, another configuration example of the superconducting coil support structure will be described with reference to FIGS. FIG. 7 is a cross-sectional arrow view showing a state where the superconducting coil and the inner wall of the vacuum vessel are connected by the superconducting coil support structure of another configuration example. FIG. 7A is a view corresponding to the cross-sectional arrow view of FIG. 5A, and FIG. 7B is a view corresponding to the cross-sectional view of FIG. 5B.
また、図8は、他の構成例の超電導コイル支持構造を説明する概略図である。図8(a)は、支持体が超電導コイルと接続して配された状態の斜視図であり、図8(b)は、支持体が超電導コイルと接続された状態の底面図であり、図8(c)は、支持体のみを示した斜視図である。 FIG. 8 is a schematic diagram illustrating a superconducting coil support structure of another configuration example. FIG. 8A is a perspective view of a state in which the support body is connected to the superconducting coil, and FIG. 8B is a bottom view of the state in which the support body is connected to the superconducting coil. FIG. 8C is a perspective view showing only the support.
支持体41aは、一面が真空容器14の内壁に接しており、超電導コイル15に対し、巻回方向に沿うレーストラック形状の平板である。また、支持体41aには、ボルト37a‐1〜37a‐4を通すための複数のボルト通し穴25a‐2が設けられている。
One surface of the
スペーサ39a‐1〜39a‐8は、真空容器14のロータ径方向外側の内壁と、ロータ径方向外側の銅板34a‐1の複数のボルト通し穴25a‐1のうちの一部との間に設けられ、ボルト37a‐1〜37a‐4が貫通する円筒状のステンレス製のものである。なお、この「一部」については、ボルト37a‐1〜37a‐4を通した際に安定性が確保できる配置のボルト通し穴25a‐1であればよい(以下同様)。
The
スペーサ39a‐9〜39a‐16は、支持体41aのボルト通し穴25a‐2と、ロータ径方向内側の銅板34a‐2の複数のボルト通し穴25a‐1のうちの一部との間に設けられ、ボルト37a‐1〜37a‐4が貫通する円筒状のステンレス製のものである。
The
スペーサ39a‐1〜39a‐8によって、真空容器14のロータ径方向外側の内壁とロータ径方向内側の銅板34a‐2との間にはスペースが生じ、スペーサ39a‐9〜39a‐16によって、支持体41aとロータ径方向内側の銅板34a‐2との間にはスペースが生じる。これにより、超電導コイル15が真空容器14のロータ径方向外側の内壁及び真空容器14内壁から離間した位置を保つことができるようになっている。
Spacers 39a-1 to 39a-8 create a space between the inner wall of the
また、真空容器14のロータ径方向内側の内壁の、支持体41aのボルト通し穴25a‐2に応じた位置には、溝又は凹部が設けられている。
In addition, a groove or a recess is provided at a position corresponding to the bolt through hole 25a-2 of the
さらに、袋ナット38a‐1〜38a‐8は、端部が半球状であり、支持体41aのボルト通し穴25a‐2の、真空容器14内壁側に配設されている。また、袋ナット38a‐1〜38a‐8は、上記溝又は上記凹部に埋め込まれるようになっている。このようにすることで、位置合わせが容易になる。
Further, the
袋ナット38a‐1〜38a‐4は、半球状となっているので、真空容器14と袋ナット38a‐1〜38a‐4との接触部分が点接触となり、また、銅板34a‐2と支持体41aとは、スペーサ39a‐9〜39a‐16によって離間距離が保たれるので、超電導コイル15への侵入熱を抑えることができる。
Since the
すなわち、他の構成例の超電導コイル支持構造では、超電導コイル15(及び、鉄板33a‐1,33a‐2及び各前記銅板34a‐1,34a‐2)が、スペーサ39a‐1〜39a‐16によって、真空容器14の内壁及び支持体41aから離間する位置に固定され、また、このスペーサ39a‐1〜39a‐16と同心内側に配置されるボルト37a‐1〜37a‐8によって、締結されている。また、支持体41aは、ボルト37a‐1〜37a‐8によって、真空容器14の内壁に固定されている。なお、ボルト37a‐1〜37a‐8の上端部(頭部)は、真空容器14と離間しており、接触はしていない。
That is, in the superconducting coil support structure of another configuration example, the superconducting coil 15 (and the
本実施例に係る界磁超電導回転機の超電導コイル支持構造は、上述のような構成とすることで、さらに真空容器14の外部から超電導コイル15への侵入熱を防ぐことができるものである。
The superconducting coil support structure of the field superconducting rotating machine according to the present embodiment can prevent heat from entering the
なお、上述では、支持体41aが、真空容器14のロータ径方向内側の内壁に配設されるものとしたが、本実施例はこれに限定されるものではなく、例えば、真空容器14のロータ径方向外側の内壁に配設されるものとしてもよい。その場合、ボルト37a‐1〜37a‐4、袋ナット38a‐1〜38a‐4、及び、溝(凹部)等も上述とは逆の配置となる。
In the above description, the
ところで、図9は、図1(b)のA‐A断面矢視図であり、図10は、図9の断面矢視図に対応した、真空容器を取り付ける前の分解図である。本実施例における超電導コイル15は、配置個数を極数の半数とし、その分1つ当たりのターン数を、極数と同数配置された場合に必要なターン数の2倍とすることで、電気的な性能を保っている。
9 is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG. 1B, and FIG. 10 is an exploded view corresponding to the cross-sectional view taken in FIG. The
なお、ターン数を2倍とすることで、超電導コイル15の断面積も参考例の超電導コイル105(図12,13参照)に比べて2倍となるが、回転機全体として見たときには、超電導コイルに使う線材の量は参考例と変わらない。
In addition, by doubling the number of turns, the cross-sectional area of the
また、ロータコア13は、積層鋼板で構成され、スパイダ12の外周面に放射状に極数と同数が配置され、それぞれロータ径方向外側に向け突起しており、ロータ径方向断面視が矩形状のものである。
Further, the
より具体的には、参考例のロータ100におけるロータコア根元側突極部103a及びロータコア先端側突極部103bに相当する形状が一体物として形成された形状である。ただし、ロータコア根元側突極部103aのコア幅に相当する部分の幅が拡張されている(ただし、ロータコア先端側突極部103bの同方向における幅に相当する長さ以下の範囲とする)。
More specifically, the shape corresponding to the rotor core base side
また、ロータコア13のロータ軸方向内側の面には、ロータ径方向断面視において、ロータ軸方向内側に突起した末広の台形状である、ロータ支持部13aが形成されている。
In addition, a
スパイダ12の外周面には、コア支持部13aの形状に対応する溝12aが形成されている。ロータ支持部13aはこの溝12aに嵌め込まれることで固定されるものであり、接着剤等で固着されてもよい。
On the outer peripheral surface of the
図1(a)(b)(c)、及び、図9,10に示すように、断熱容器である真空容器14は、スパイダ12の外周面において放射状に極数の半数が、全ロータコア13のうち、ロータ周方向に1つ置きのロータコア13に対し、その側面を囲う様にして配置されている。
As shown in FIGS. 1A, 1 </ b> B, and 1 </ b> C and FIGS. 9 and 10, the
また、真空容器14は、ロータコア13と干渉しない形状となっており、スパイダ12に対しロータ径方向外側からボルト16等で固定されている。
The
なお、「ロータコア13と干渉しない形状」について具体的に説明すると、真空容器13は、ロータ軸方向に延伸する環状(レーストラック形状)の内周面14aを有しており、この内周面14aは、図9,10に示すように、ロータ径方向断面視において、ロータコア13のロータコア先端側突極部103b(図12,13参照)に相当する形状よりも、コア幅方向(ロータ接線方向)の幅が、大きいことを意味する。換言すれば、真空容器14aは、ロータ接線方向において、ロータ13の最大幅よりも大きい幅の内周面14aを有する。
The “shape that does not interfere with the
また、極数の半数が配置される超電導コイル15は、それぞれロータ軸方向に延伸するレーストラック形状であり、内周面14aに沿って真空容器14内に格納され、ロータ10内における界磁巻線として機能する。
The superconducting coils 15 in which half the number of poles are arranged have racetrack shapes that extend in the rotor axial direction, are stored in the
ロータコア13は、上述のように真空容器14と干渉しない形状とすることで、参考例の技術(図11〜13)のように、ロータコア13を分割せず、真空容器14をスパイダ12に固定することができる。
Since the
以上が本実施例に係る界磁超電導回転機についての構成である。なお、上述では、超電導コイル15は熱伝導によって極低温に冷却されることを説明したが、液体窒素などの冷媒を真空容器14に循環させて超電導コイル15を冷却する方式でもよい。
The above is the configuration of the field superconducting rotating machine according to the present embodiment. In the above description, it has been described that the
本実施例に係る界磁超電導回転機においては、冷却システムによって極低温に冷やされた超電導コイル15は、真空によって常温の真空容器14の壁面と隔離され極低温を保っている。極低温に冷やされた超電導コイル15に大電流を流すことで強力な磁場を発生させ、大きなトルクを得ることができる。
In the field superconducting rotating machine according to the present embodiment, the
本実施例に係る界磁超電導回転機によれば、超電導コイル15の個数を参考例の界磁超電導回転機の半分(極数の半数)としてターン数を2倍にしているので、超電導コイル15の断面積は、回転機全体として見れば参考例の界磁超電導回転機と変わらないが、真空容器14が半分の個数になるため(超電導線材は断面積が小さいため、1つ当たりの超電導コイル15の断面積も然程大きくならない)、スパイダ12の外周面において使用できるスペースが大きくなり、ロータコア14のコア幅を広くとることができる。
According to the field superconducting rotating machine according to this embodiment, the number of
これによって、本実施例に係る界磁超電導回転機では、超電導コイル15に大電流を流した場合でも、ロータコア13が磁束飽和することを抑制することができ、増加した磁束を有効に使い、トルク性能を向上させることができる。
Thereby, in the field superconducting rotating machine according to the present embodiment, even when a large current is passed through the
また、本実施例に係る界磁超電導回転機では、ロータコア13をスパイダ12に組み込んだ状態のものに対し、ロータ径方向外側から真空容器14をロータコア13と干渉させずに入れて組み立てることができる。そのため、ロータコア13の分割が不要となる。さらに、本実施例に係る界磁超電導回転機では、真空容器14の個数を極数の半分としている。したがって、本実施例に係る界磁超電導回転機は、参考例の界磁超電導回転機に比べて部品点数を削減することができる。
Further, in the field superconducting rotating machine according to the present embodiment, the
上記特許文献1等の従来技術では、ロータコアが分割されており、ロータコアを形成するためにボルトを用いなければならないが、積層鋼板にボルト穴を設けることは困難であるため、ロータコアには鉄のソリッドコアを用いなければならない。これにより、約2Tで飽和磁束密度に達し、この状態では電流値を大きくしても漏れ磁束が増えるのみとなり、性能向上効果が限られてしまい、鉄損が大きくなる。
In the prior arts such as
本実施例に係る界磁超電導回転機では、ロータコアのコア幅を大きく取ることで、磁束飽和を緩和して性能向上を図ることができ、さらに、ロータコアに積層鋼板を用いることができるため、鉄損を小さくすることができる。 In the field superconducting rotating machine according to the present embodiment, by increasing the core width of the rotor core, the magnetic flux saturation can be relaxed and the performance can be improved, and furthermore, the laminated steel can be used for the rotor core. The loss can be reduced.
本発明は、界磁超電導回転機として好適である。 The present invention is suitable as a field superconducting rotating machine.
10,100 ロータ
11,101 シャフト
12,102 スパイダ
13,103 ロータコア
14,104 真空容器
14‐1 (真空容器の)長手方向一端面
14‐2 (真空容器の)長手方向他端面
15,105 超電導コイル
16,106,107 ボルト
21a,21b コイル電極端子
22a,22b 電流導入端子
23a,23b 電流リード線
31a,41a 支持体
32a‐1〜32a‐4 補助支持体
33a‐1,33a‐2 鉄板
34a‐1,34a‐2 銅板
35a‐1 (鉄板33a‐1,33a‐2、及び、銅板34a‐1,34a‐2の)ボルト通し穴
35a‐2 (支持体31a,41aの)ボルト通し穴
37a‐1〜37a‐4 ボルト
38a‐1〜38a‐4 袋ナット
39a‐1〜39a‐16 スペーサ
10, 100
Claims (3)
前記スパイダの外周面に放射状に極数と同数が配置され、それぞれロータ径方向外側に向け突起したロータコアと、
前記スパイダの外周面において、放射状に極数の半数が、ロータ周方向に1つ置きの前記ロータコアに対し、その側面を囲うようにして配置され、それぞれ、各前記ロータコアの最大幅よりも大きい幅の内周面を有する真空容器と、
それぞれ、前記内周面に沿って前記真空容器内に格納される、極数の半数の超電導コイルとを備える
ことを特徴とする界磁超電導回転機。 A spider that grips the shaft;
The same number of poles are arranged radially on the outer peripheral surface of the spider, and the rotor core protrudes outward in the rotor radial direction,
On the outer peripheral surface of the spider, a half of the number of poles is arranged so as to surround the side surface with respect to every other rotor core in the circumferential direction of the rotor, and each width is larger than the maximum width of each rotor core. A vacuum vessel having an inner peripheral surface of
A field superconducting rotating machine comprising: a superconducting coil having half the number of poles, each housed in the vacuum vessel along the inner peripheral surface.
ことを特徴とする請求項1に記載の界磁超電導回転機。 2. The field superconducting rotating machine according to claim 1, wherein each of the superconducting coils has a number of turns that is twice the number of turns required when the same number of poles are arranged.
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の界磁超電導回転機。 Each said rotor core is comprised with the laminated steel plate. The field superconducting rotary machine of Claim 1 or 2 characterized by the above-mentioned.
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