JP2529981B2 - 超電導回転子 - Google Patents
超電導回転子Info
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- JP2529981B2 JP2529981B2 JP62287292A JP28729287A JP2529981B2 JP 2529981 B2 JP2529981 B2 JP 2529981B2 JP 62287292 A JP62287292 A JP 62287292A JP 28729287 A JP28729287 A JP 28729287A JP 2529981 B2 JP2529981 B2 JP 2529981B2
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- Japan
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- rotor
- current lead
- superconducting
- heat
- collector ring
- Prior art date
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- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E40/00—Technologies for an efficient electrical power generation, transmission or distribution
- Y02E40/60—Superconducting electric elements or equipment; Power systems integrating superconducting elements or equipment
Landscapes
- Superconductive Dynamoelectric Machines (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は回転電機の超電導回転子に関する。
（従来の技術） 最近、超電導導体を回転界磁巻線として利用したいわ
ゆる超電導回転子を備えた発電機が開発されている。超
電導導体を用いた界磁巻線は、その超電導性を維持する
ために臨界温度以下に冷却しなければならず、例えば導
体としてNbTi,Nb3Snを用いた場合は冷却媒体として4K程
度の液体ヘリウムを使用する。
ゆる超電導回転子を備えた発電機が開発されている。超
電導導体を用いた界磁巻線は、その超電導性を維持する
ために臨界温度以下に冷却しなければならず、例えば導
体としてNbTi,Nb3Snを用いた場合は冷却媒体として4K程
度の液体ヘリウムを使用する。
このような低温の冷媒は一般に蒸発潜熱が小さく、冷
媒が気化し易いために、超電導界磁巻線の超電導状態を
維持するにはその界磁巻線を備えた低温ロータへの侵入
熱を極力少なくする必要がある。
媒が気化し易いために、超電導界磁巻線の超電導状態を
維持するにはその界磁巻線を備えた低温ロータへの侵入
熱を極力少なくする必要がある。
侵入熱は輻射伝熱，希薄気体伝熱，伝導伝熱等に分類
されるが、従来はこれらを抑制するために低温ロータの
周囲は真空圧力の小さい真空層とし、機械的に低温ロー
タと常温ロータを接続する構造部材は低温ロータ内で気
化した気体の冷媒により冷却されていた。すなわち、低
温ロータ内で気化した冷媒は単に排出・回収されるので
はなく、トルクチューブや電流リードなど熱伝導による
低温ロータへの侵入熱を抑制するために、これらの部材
を冷却する媒体として排気ガスを有効に利用されつつ
（An Approach to Optimal Thermal Design of Superco
nducting Generator Rotor;K.Sato,et.al,IEEE/PES,198
5,（85SM334−８）参照）回収されている。
されるが、従来はこれらを抑制するために低温ロータの
周囲は真空圧力の小さい真空層とし、機械的に低温ロー
タと常温ロータを接続する構造部材は低温ロータ内で気
化した気体の冷媒により冷却されていた。すなわち、低
温ロータ内で気化した冷媒は単に排出・回収されるので
はなく、トルクチューブや電流リードなど熱伝導による
低温ロータへの侵入熱を抑制するために、これらの部材
を冷却する媒体として排気ガスを有効に利用されつつ
（An Approach to Optimal Thermal Design of Superco
nducting Generator Rotor;K.Sato,et.al,IEEE/PES,198
5,（85SM334−８）参照）回収されている。
この従来の超電導発電機は、コレクタリング側の超電
導界磁巻線端部とコレクタリングを真空断熱空間の内部
を貫通する構造で配設されていた。
導界磁巻線端部とコレクタリングを真空断熱空間の内部
を貫通する構造で配設されていた。
第５図は、従来の超電導回転子の電流リードの概略配
置図を示すものである。同図に示すように、絶縁物で絶
縁された電流リード（１）（通常は常電導導体）の内部
の冷却パス（２）を低温冷媒が図中の矢印の方向に流
れ、電流リード（１）を冷却する。すなわち、電流リー
ド（１）を中空にして内部に冷却パス（２）を設けるこ
とにより、それ自体が熱交換器の機能を有することにな
る。電流リード（１）を介しての低温ロータ（３）への
侵入熱を抑制するためには、冷却パス（２）の構成を検
討し、熱交換性能を向上させること、冷却長を長くする
こと、電流リード断面積を小さくすることが一般的であ
る。従来の超電導回転子の構造では、前述したように、
コレクタリング（４）側の界磁巻線（５）の端部からコ
レクタリング（４）までの長さをある程度確保されてお
り、その長さは概ねトルクチューブ（６）の軸方向長さ
に継ぎシャフト（７）の軸方向長さを加えた程度であっ
た。そして、一般にはこの電流リードの長さは発電機容
量が大きくなってもトルクチューブ（６）や継シャフト
（７）がそれに比例して長くなることはなく、1000MVA
級の機械でも高々3m程度であった。
置図を示すものである。同図に示すように、絶縁物で絶
縁された電流リード（１）（通常は常電導導体）の内部
の冷却パス（２）を低温冷媒が図中の矢印の方向に流
れ、電流リード（１）を冷却する。すなわち、電流リー
ド（１）を中空にして内部に冷却パス（２）を設けるこ
とにより、それ自体が熱交換器の機能を有することにな
る。電流リード（１）を介しての低温ロータ（３）への
侵入熱を抑制するためには、冷却パス（２）の構成を検
討し、熱交換性能を向上させること、冷却長を長くする
こと、電流リード断面積を小さくすることが一般的であ
る。従来の超電導回転子の構造では、前述したように、
コレクタリング（４）側の界磁巻線（５）の端部からコ
レクタリング（４）までの長さをある程度確保されてお
り、その長さは概ねトルクチューブ（６）の軸方向長さ
に継ぎシャフト（７）の軸方向長さを加えた程度であっ
た。そして、一般にはこの電流リードの長さは発電機容
量が大きくなってもトルクチューブ（６）や継シャフト
（７）がそれに比例して長くなることはなく、1000MVA
級の機械でも高々3m程度であった。
ところで、近年に至っては、超電導回転子の熱性能
（冷却性能）をさらに向上させ冷媒の効率的運用の試み
がなされると共に、小形機への超電導導体搭載が検討さ
れている。
（冷却性能）をさらに向上させ冷媒の効率的運用の試み
がなされると共に、小形機への超電導導体搭載が検討さ
れている。
（発明が解決しようとする問題点） 上記のように、機械、特に回転子軸長を長くすること
なく、電流リードを介して低温ロータへの侵入熱を低
減、抑制する必要があるため、低熱侵入形の電流リード
の構造にしなければならないが、電流リード断面を小さ
くする方式をとると帯電導部の電流密度が上昇し、電流
リードの過熱やひいては焼損を引起こすことになる。
なく、電流リードを介して低温ロータへの侵入熱を低
減、抑制する必要があるため、低熱侵入形の電流リード
の構造にしなければならないが、電流リード断面を小さ
くする方式をとると帯電導部の電流密度が上昇し、電流
リードの過熱やひいては焼損を引起こすことになる。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、その目
的は低温ロータへの熱伝導による伝熱量を低減せしめる
電流リードを具備した超電導回転子を提供することにあ
る。
的は低温ロータへの熱伝導による伝熱量を低減せしめる
電流リードを具備した超電導回転子を提供することにあ
る。
（問題点を解決するための手段） 本発明は、上記目的を達成するために、電流リードを
内部に低温ガスを流して冷却する形式の超電導回転子に
おいて、常電導導体と超電導導体の接続場所を反コレク
タリング側の超電導界磁巻線端部に移行し、電流リード
を低温ロータ内部に通し、低温ロータ内部の電流リード
は真空配管内にて、スーパーインシュレーションを介し
て配設して、軸方向にゆるやかな温度勾配をもたせたこ
とを特徴とする超電導回転子を提供するものである。
内部に低温ガスを流して冷却する形式の超電導回転子に
おいて、常電導導体と超電導導体の接続場所を反コレク
タリング側の超電導界磁巻線端部に移行し、電流リード
を低温ロータ内部に通し、低温ロータ内部の電流リード
は真空配管内にて、スーパーインシュレーションを介し
て配設して、軸方向にゆるやかな温度勾配をもたせたこ
とを特徴とする超電導回転子を提供するものである。
（作 用） このように構成されたものにおいては、例えば常電導
導体製の電流リードの断面積を小さくすることになく、
あるいは、寸法的に余裕のない小容量機においても電流
リード長を確保できるので侵入熱を低減することが可能
となり、冷却性能の高い超電導回転子を提供することが
できる。
導体製の電流リードの断面積を小さくすることになく、
あるいは、寸法的に余裕のない小容量機においても電流
リード長を確保できるので侵入熱を低減することが可能
となり、冷却性能の高い超電導回転子を提供することが
できる。
（実施例） 実施例１ 以下、本発明の第１の実施例について第１図および第
２図を参照して説明する。
２図を参照して説明する。
尚、第１図および第２図において、従来例の第５図と
同一部分には同一符号を付して説明を省略し、未説明の
ものは説明をつけるから従来例の理解の参考にされた
い。低温ロータ（３）内部の反コレクタリング側の超電
導界磁巻線端部（5a）と常電導導体製の電流リード
（１）の低温端が反コレクタリング側で接続されてい
る。常電導導体の周囲は絶縁物（11）により電気的に絶
縁されており、常温端側からの伝導熱と自身のジュール
損失による発熱に対して、低温ロータ（３）内部で気化
した冷媒であるガスヘリウム（９）をその電流リード
（１）内に設けた冷却パス（２）に導入し、通過させる
ことにより、熱交換を行い電流リード（１）を冷却す
る。
同一部分には同一符号を付して説明を省略し、未説明の
ものは説明をつけるから従来例の理解の参考にされた
い。低温ロータ（３）内部の反コレクタリング側の超電
導界磁巻線端部（5a）と常電導導体製の電流リード
（１）の低温端が反コレクタリング側で接続されてい
る。常電導導体の周囲は絶縁物（11）により電気的に絶
縁されており、常温端側からの伝導熱と自身のジュール
損失による発熱に対して、低温ロータ（３）内部で気化
した冷媒であるガスヘリウム（９）をその電流リード
（１）内に設けた冷却パス（２）に導入し、通過させる
ことにより、熱交換を行い電流リード（１）を冷却す
る。
低温ロータ（３）内部における電流リード（１）は、
周囲に液体ヘリウム（9a）から蒸発した低温の冷媒であ
るガスヘリウム（９）が存在するため、このガスヘリウ
ム（９）によりこの部分の軸方向の均一的な冷却を防止
するように真空断熱層（10）を真空配管（12）により隔
離すると共に真空配管（12）と、絶縁物（11）の周囲に
設けた保持管（13）との間に複数層のスーパーインシュ
レーション（14）を設けることにより、軸方向にゆるや
かな温度勾配をもたせるようにしてある。この真空配管
（12）は常温ロータ（13）内部の他の真空断熱空間（1
5）と連通している。
周囲に液体ヘリウム（9a）から蒸発した低温の冷媒であ
るガスヘリウム（９）が存在するため、このガスヘリウ
ム（９）によりこの部分の軸方向の均一的な冷却を防止
するように真空断熱層（10）を真空配管（12）により隔
離すると共に真空配管（12）と、絶縁物（11）の周囲に
設けた保持管（13）との間に複数層のスーパーインシュ
レーション（14）を設けることにより、軸方向にゆるや
かな温度勾配をもたせるようにしてある。この真空配管
（12）は常温ロータ（13）内部の他の真空断熱空間（1
5）と連通している。
電流リードの常温側構成は従来の超電導回転子と同様
であり、図中の矢印で示した電流リードを冷却した冷媒
と分離されて接続導体（16）を介してコレクタリング
（４）と接続されている。尚、冷媒供給管（21）と冷媒
回収管（22）とで冷媒給排管（23）を形成して液体ヘリ
ウム（9a）を界磁巻線（５）に供給後、ガスヘリウム
（９）として１部は電流リード（１）内を通し、ガスヘ
リウム排出孔（24）から連通管（25）を介して冷媒回収
を行わせ、残部は冷媒回収管（22）を介して冷媒回収を
行わせる。
であり、図中の矢印で示した電流リードを冷却した冷媒
と分離されて接続導体（16）を介してコレクタリング
（４）と接続されている。尚、冷媒供給管（21）と冷媒
回収管（22）とで冷媒給排管（23）を形成して液体ヘリ
ウム（9a）を界磁巻線（５）に供給後、ガスヘリウム
（９）として１部は電流リード（１）内を通し、ガスヘ
リウム排出孔（24）から連通管（25）を介して冷媒回収
を行わせ、残部は冷媒回収管（22）を介して冷媒回収を
行わせる。
このような構成とすることによれば次のような作用効
果が得られる。
果が得られる。
第３図は従来の電流リードに沿った温度分布と、本実
施例の構造の電流リードに沿った温度分布の比較を示し
たもので、回転子の機械的・電気的諸元は同一のベース
である。これによると、本実施例では明らかに温度勾配
がゆるやかになり、電流リードの低温端近傍の温度勾配
と熱伝導率の積で決定する侵入熱が低減している。そし
て、常温端の温度は従来の電流リードの構造では常温
（室温）以下になる場合もあり、その場合空気中の水分
による電流リード常温側端部への霜の付着、氷結あるい
はそれに到らないまでも結露などが発生し絶縁破壊をも
たらしていたものが、当該部の室温への接近により絶縁
破壊を防止することが可能となる。従って良好な熱交換
性能と、熱侵入の低減を図ることが可能で、電流リード
の冷却媒体の十分な活用が可能となり、電流リード
（１）長をロータ長を延ばすことなく長くすることがで
き、熱侵入量を数分の一から一桁小さくすることができ
るため、低温ロータ内の超電導界磁巻線の安定した超電
導状態を維持する極めて安全な超電導回転子を提供する
ことができる。そして、冷媒の消費量の観点から言え
ば、侵入熱が少なくなった分だけ冷却効率の良い機械を
提供できるわけである。これは特に、小容量機において
その利点が拡大される。
施例の構造の電流リードに沿った温度分布の比較を示し
たもので、回転子の機械的・電気的諸元は同一のベース
である。これによると、本実施例では明らかに温度勾配
がゆるやかになり、電流リードの低温端近傍の温度勾配
と熱伝導率の積で決定する侵入熱が低減している。そし
て、常温端の温度は従来の電流リードの構造では常温
（室温）以下になる場合もあり、その場合空気中の水分
による電流リード常温側端部への霜の付着、氷結あるい
はそれに到らないまでも結露などが発生し絶縁破壊をも
たらしていたものが、当該部の室温への接近により絶縁
破壊を防止することが可能となる。従って良好な熱交換
性能と、熱侵入の低減を図ることが可能で、電流リード
の冷却媒体の十分な活用が可能となり、電流リード
（１）長をロータ長を延ばすことなく長くすることがで
き、熱侵入量を数分の一から一桁小さくすることができ
るため、低温ロータ内の超電導界磁巻線の安定した超電
導状態を維持する極めて安全な超電導回転子を提供する
ことができる。そして、冷媒の消費量の観点から言え
ば、侵入熱が少なくなった分だけ冷却効率の良い機械を
提供できるわけである。これは特に、小容量機において
その利点が拡大される。
実施例２ 第４図は本発明の第２の実施例を示すもので、低温ロ
ータ（３）内部に電流リード（１）を配設することによ
り侵入熱を低減させるに十分な常温端からの距離を確保
できることに着目し、コレクタリング（４）をベアリン
グ（18）の内側、すなわち、界磁巻線（５）寄りに配置
し、他は実施例１の通りにした構成である。
ータ（３）内部に電流リード（１）を配設することによ
り侵入熱を低減させるに十分な常温端からの距離を確保
できることに着目し、コレクタリング（４）をベアリン
グ（18）の内側、すなわち、界磁巻線（５）寄りに配置
し、他は実施例１の通りにした構成である。
上述した実施例２の構造によれば、単に小容量機の熱
侵入対策のみならず、ベアリング（18）の外側、すなわ
ち軸端部の重量を低減することが可能であるので、オー
バーハングした軸端部の振動低減が容易になるという付
帯効果を有するほか、実施例１と同様な作用効果が得ら
れる。
侵入対策のみならず、ベアリング（18）の外側、すなわ
ち軸端部の重量を低減することが可能であるので、オー
バーハングした軸端部の振動低減が容易になるという付
帯効果を有するほか、実施例１と同様な作用効果が得ら
れる。
以上説明したように、本発明によれば、電流リード長
をロータ長を延ばすことなく長くすることができ、熱侵
入量を数分の一から一桁小さくすることができ、また低
温ロータ内部における電流リードは反コレクターリング
側の超電導界磁巻線端部にわたってスーパーインシュレ
ーションを配設したために、軸方向にゆるやかな温度勾
配をもたせることができるため、低温ロータ内の超電導
線の安定した超電導状態を維持する極めて安全な超電導
回転子を提供することができる。そして、冷媒の消費量
の観点から言えば、侵入熱が少なくなった分だけ冷却効
率の良い機械を提供できるわけである。これは特に小容
量機においてその利点が拡大される。
をロータ長を延ばすことなく長くすることができ、熱侵
入量を数分の一から一桁小さくすることができ、また低
温ロータ内部における電流リードは反コレクターリング
側の超電導界磁巻線端部にわたってスーパーインシュレ
ーションを配設したために、軸方向にゆるやかな温度勾
配をもたせることができるため、低温ロータ内の超電導
線の安定した超電導状態を維持する極めて安全な超電導
回転子を提供することができる。そして、冷媒の消費量
の観点から言えば、侵入熱が少なくなった分だけ冷却効
率の良い機械を提供できるわけである。これは特に小容
量機においてその利点が拡大される。
第１図は本発明の超電導回転子の第１の実施例を示す上
半部縦断面図、第２図は第１図のII−II線に沿う矢視拡
大断面図、第３図は第１の実施例と従来例との電流リー
ドに沿った温度分布比較図、第４図は第２の実施例を示
す上半部縦断面図、第５図は従来例を示す上半部縦断面
図である。 １……電流リード、２……冷却パス、 ３……低温ロータ、４……コレクタリング、 ５……超電導界磁巻線、 ９……低温ガスであるガスヘリウム、 11……絶縁物、12……真空配管、 14……スーパーインシュレーション、 18……ベアリング。
半部縦断面図、第２図は第１図のII−II線に沿う矢視拡
大断面図、第３図は第１の実施例と従来例との電流リー
ドに沿った温度分布比較図、第４図は第２の実施例を示
す上半部縦断面図、第５図は従来例を示す上半部縦断面
図である。 １……電流リード、２……冷却パス、 ３……低温ロータ、４……コレクタリング、 ５……超電導界磁巻線、 ９……低温ガスであるガスヘリウム、 11……絶縁物、12……真空配管、 14……スーパーインシュレーション、 18……ベアリング。
Claims (2)
- 【請求項１】電流リードを内部に低温ガスを流して冷却
する超電導回転子において、電流リードはコレクタリン
グからコレクタリング側真空断熱空間と低温ロータ内を
通して反コレクタリング側の超電導界磁巻線端部に接続
し、低温ロータ内部の電流リードは真空配管内にてスー
パーインシュレーションを介して配設したことを特徴と
する超電導回転子。 - 【請求項２】コレクタリングはベアリングより低温ロー
タ寄りに設けたことを特徴とする特許請求の範囲第１項
記載の超電導回転子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62287292A JP2529981B2 (ja) | 1987-11-16 | 1987-11-16 | 超電導回転子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62287292A JP2529981B2 (ja) | 1987-11-16 | 1987-11-16 | 超電導回転子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH01129764A JPH01129764A (ja) | 1989-05-23 |
| JP2529981B2 true JP2529981B2 (ja) | 1996-09-04 |
Family
ID=17715498
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP62287292A Expired - Lifetime JP2529981B2 (ja) | 1987-11-16 | 1987-11-16 | 超電導回転子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2529981B2 (ja) |
-
1987
- 1987-11-16 JP JP62287292A patent/JP2529981B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH01129764A (ja) | 1989-05-23 |
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