JP3668925B2

JP3668925B2 - Current lead device for rotor of superconducting rotating electrical machine

Info

Publication number: JP3668925B2
Application number: JP19579599A
Authority: JP
Inventors: 顕増永; 公三平丸; 祥央富田; 進前田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1999-07-09
Filing date: 1999-07-09
Publication date: 2005-07-06
Anticipated expiration: 2019-07-09
Also published as: JP2001025234A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、超電導回転電機の回転子に設けられ、超電導界磁巻線に対して電流を流すための超電導回転電機の回転子用電流リード装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図４は従来の超電導界磁巻線の励磁電源回路の一例を示す回路図である。図において、１は超電導回転電機の固定側に設けられている直流電源、２は超電導回転電機の回転子、３は回転子１に設けられ、直流電源１からの直流電流により励磁される超電導界磁巻線、４は直流電源１からの直流電流を回転子２に供給するスリップリング、５は回転子２に設けられ、スリップリング４から供給された直流電流を超電導界磁巻線３に流す回転子用電流リード装置である。
【０００３】
６は超電導界磁巻線３に並列に接続される保護抵抗、７は超電導界磁巻線３に直列に接続され、超電導界磁巻線３にクエンチが発生すると開放される遮断器である。
【０００４】
次に、動作について説明する。超電導界磁巻線３の通電時に、内乱又は外乱等の原因により、コイルの一微小部分が超電導状態から常電導状態へ転位すると、その常電導部分にはジュール損失が発生する。この発熱が超電導界磁巻線３の冷媒、例えば液体ヘリウムの冷却能力よりも大きい場合、常電導部分の温度が上昇し、さらに常電導部分につながる超電導部分の温度も上昇する。
【０００５】
このように、超電導状態が破壊され、常電導部分が拡大、伝播する過程を繰り返すことにより、最終的には超電導界磁巻線３の全体が常電導化してしまう。また、この間も電流は流れ続けているため、ジュール損失により超電導界磁巻線３の各部分の温度はさらに上昇してしまう。この結果、超電導界磁巻線３の焼損が発生する可能性もある。しかも、ここに至るまでの所要時間は、極めて短時間である。また、超電導界磁巻線３の温度上昇により、ヘリウム圧力が急上昇することもある。
【０００６】
上記のようなクエンチ対策として、超電導界磁巻線３が事故等により常電導転位した場合には、遮断器７を開き、超電導界磁巻線３に流れる電流により蓄えられたエネルギーを保護抵抗６で消費することで、超電導界磁巻線３の温度上昇を抑制するようにしている。しかし、遮断器４が開き、電流が保護抵抗６に流れた瞬間に、保護抵抗６の両端には電圧Ｖｑが発生することになる。この電圧Ｖｑは、Ｖｑ＝Ｉｆ×Ｒｐで表される。但し、Ｉｆは遮断器４を開放する直前の界磁電流（Ａ）、Ｒｐは保護抵抗６の抵抗値（Ω）である。
【０００７】
実際の電圧のレベルは、１００ＭＷ級の超電導発電機３で数百ボルト程度であるが、今後超電導発電機３の容量が増大した場合には、運転中に超電導界磁巻線３に蓄積されるエネルギーも増加するため、保護抵抗６で吸収するエネルギーを増大させる必要があり、保護抵抗６の抵抗値を増加させる必要がある。その結果、大容量機では、界磁電流の増加と相まって、クエンチ時に発生する電圧は千ボルトを超える電圧となる。
【０００８】
次に、図５は例えば特公昭５４−２６５８５号公報に示された従来の回転子用電流リード装置の断面図である。図において、８は超電導界磁巻線３が搭載されている回転子軸であり、この回転子軸８の回転中心から偏心した位置には、軸方向に沿って延びる導体収容部８ａが設けられている。また、回転子軸８の外周部には、円形の凹部８ｂが設けられている。この凹部８ｂの底部には、回転子軸８の径方向に沿って延び、導体収容部８ａに連通する第１の径方向孔８ｃが設けられている。
【０００９】
９は導体収容部８ａ内に挿入されている金属製で円筒状の保護管であり、この保護管９には、第１の径方向孔８ｃに連続した第２の径方向孔９ａが設けられている。１０は保護管９内に挿入され、かつ超電導界磁巻線３に電気的に接続されている円筒状の軸方向導体であり、この軸方向導体１０の中心には、軸方向に沿って延び、軸方向導体１０を冷却するためのヘリウムガスが流される導体冷媒ガス流路１０ａが設けられている。
【００１０】
１１は保護管９の内周面と軸方向導体１０の外周面との間に介在されている円筒状の径方向絶縁体、１２は先端部が第１及び第２の径方向孔８ｃ，９ａを通して軸方向導体１０の外周部に螺着され電気的に接続されているラジアルリードであり、このラジアルリード１２には、大径のフランジ部１２ａが設けられている。
【００１１】
１３は回転子軸８の凹部８ｂの底部とラジアルリード１２のフランジ部１２ａとの間に設けられているシール機構であり、このシール機構１３は、第１及び第２の径方向孔８ｃ，９ａとラジアルリード１２との間に形成された円筒状の空間部１４を回転子軸８の外部からシールするとともに、ラジアルリード１２と回転子軸８とを電気的に絶縁する。また、シール機構１３及びフランジ部１２ａは、これらを貫通して凹部８ｂの底部に螺着された複数本のボルト（図示せず）により、回転子軸８に対して固定されている。
【００１２】
１５は空間部１４内で互いに隣接する第１及び第２の径方向孔８ｃ，９ａの周縁部間に設けられたシール溶接部、１６はラジアルリード１２に電気的に接続されている外部接続リード端子であり、この外部接続リード端子１６は、スリップリング４に電気的に接続されている。
【００１３】
１７は保護管１１内の軸方向端部に配置され、軸方向導体１０の端面が当接している軸方向絶縁体であり、この軸方向絶縁体１７には、導体冷媒ガス流路１０ａに連通した絶縁体冷媒ガス流路１７ａが設けられている。１８は導体冷媒ガス流路１０ａ及び絶縁体冷媒ガス流路１７ａを通過したヘリウムガスを受けるヘリウム給排装置である。
【００１４】
上記のような回転子用電流リード装置５では、直流電源１からスリップリング４を介して供給された電流が、外部接続リード端子１６、ラジアルリード１２、軸方向導体１０を経て、超電導界磁巻線３に流れる。図５では一方の回転子用電流リード装置５のみを示したが、回転子２には、プラスとマイナスとで同様の構造を持つ一対の回転子用電流リード装置５が設けられている。一対の回転子用電流リード装置５の軸方向導体１０は、それぞれ超電導界磁巻線３に接続されている。
【００１５】
また、導体収容部８ａの内壁面と保護管９の外周面との間の外部隙間１９は、断熱のため真空にされており、この外部隙間１９の真空を保持するために、第１及び第２の径方向孔８ｃ，９ａの周縁部間は、真空シール溶接によるシール溶接部１５が設けられている。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように構成された従来の回転子用電流リード装置５においては、冷媒ガス流路１０ａ，１７ａを流れるヘリウムガスが、軸方向導体１０の端面と軸方向絶縁体１７との間の隙間、保護管９と軸方向絶縁体１７との間の隙間、径方向絶縁体１１と保護管９との間の隙間などを通って空間部１４内に流入し滞留してしまう。通常、冷媒ガス流路１０ａを流れるヘリウムガスは−７０℃程度であるが、回転子軸８は常温の大気中にあるため、回転子軸８の外周部に近い空間部１４内は、常温のヘリウムガス雰囲気となってしまう。
【００１７】
常温のヘリウムガスに電圧を印加したときの放電開始電圧は、空気に電圧を印加したときの１／５〜１／６と低いため、空間部１４内が常温のヘリウムガス雰囲気となっている場合、シール機構１３を厚くしたり、第１の径方向孔８ｃを大きくするなど、ラジアルリ−ド１２と回転子軸８との間の絶縁距離を大きくする必要があり、絶縁設計が困難なものとなってしまう。また、容量によっては、設計が成り立たない場合も考えられる。
【００１８】
この発明は、上記のような問題点を解決することを課題としてなされたものであり、ラジアルリードの周囲の絶縁性を高め、絶縁構造を簡素化することができる超電導回転電機の回転子用電流リード装置を得ることを目的とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明に係る超電導回転電機の回転子用電流リード装置は、軸方向に沿って延びる導体収容部と、径方向に沿って延び導体収容部に連通する第１の径方向孔とを有し、超電導界磁巻線が搭載される回転子軸、第１の径方向孔に連続した第２の径方向孔を有し、導体収容部に挿入されている保護管、軸方向に沿って延びる導体冷媒ガス流路が内部に設けられているとともに、保護管内に挿入されており、超電導界磁巻線に電気的に接続されている軸方向導体、保護管の内周面と軸方向導体の外周面との間に介在されている径方向絶縁体、第１及び第２の径方向孔を通して軸方向導体に電気的に接続されているラジアルリード、及び回転子軸とラジアルリードとの間に設けられ、第１及び第２の径方向孔とラジアルリードとの間に形成された空間部を回転子軸の外部からシールするシール機構を備え、空間部が真空にされているものである。
【００２０】
請求項２の発明に係る超電導回転電機の回転子用電流リード装置は、導体収容部の内壁面と保護管の外周面との間には、真空にされた外部隙間が形成されており、この外部隙間に連通されることにより空間部が真空にされているものである。
【００２１】
請求項３の発明に係る超電導回転電機の回転子用電流リード装置は、保護管の内周面と径方向絶縁体との間には、内部隙間が形成されており、保護管には、外部隙間と内部隙間とを連通する連通孔が設けられており、この連通孔と内部隙間とを通して、空間部が外部隙間に連通されているものである。
【００２２】
請求項４の発明に係る超電導回転電機の回転子用電流リード装置は、導体冷媒ガス流路に連通した絶縁体冷媒ガス流路と、軸方向導体の端面が当接した当接面とを有し、導体収容部内に収容されている軸方向絶縁体、及び軸方向絶縁体と軸方向導体及び保護管との間にそれぞれ設けられ、空間部への冷媒ガスの侵入を阻止するシール部材を備えたものである。
【００２３】
請求項５の発明に係る超電導回転電機の回転子用電流リード装置は、導体冷媒ガス流路に連通した絶縁体冷媒ガス流路と、軸方向導体の端面が当接した第１の当接面と、この第１の当接面とは反対側の第２の当接面とを有し、導体収容部内に収容されている軸方向絶縁体、絶縁体冷媒ガス流路に連通したフランジ冷媒ガス流路を有し、導体収容部内に収容されているとともに、軸方向絶縁体の第２の当接面に当接している端面フランジ、及び軸方向絶縁体と軸方向導体及び端面フランジとの間にそれぞれ設けられ、空間部への冷媒ガスの侵入を阻止するシール部材を備えたものである。
【００２４】
請求項６の発明に係る超電導回転電機の回転子用電流リード装置は、導体冷媒ガス流路を、ラジアルリードから離れる側へ軸方向導体の中心からずれた位置に設けたものである。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図について説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１による超電導回転電機の回転子用電流リード装置の断面図であり、励磁電源回路は図４と同様である。
【００２６】
図において、８は超電導界磁巻線３が搭載されている回転子軸であり、この回転子軸８の回転中心から偏心した位置には、軸方向に沿って延びる導体収容部８ａが設けられている。また、回転子軸８の外周部には、円形の凹部８ｂが設けられている。この凹部８ｂの底部には、回転子軸８の径方向に沿って延び、導体収容部８ａに連通する第１の径方向孔８ｃが設けられている。
【００２７】
２１は導体収容部８ａ内に挿入されている金属製で円筒状の保護管であり、この保護管２１には、第１の径方向孔８ｃに連続した第２の径方向孔２１ａが設けられている。また、保護管２１の第２の径方向孔２１ａよりも低温側（図の右側）には、保護管２１の内外を連通する連通孔２１ｂが設けられている。
【００２８】
１０は保護管２１内に挿入され、かつ超電導界磁巻線３に電気的に接続されている円筒状の軸方向導体であり、この軸方向導体１０の中心には、軸方向に沿って延び、軸方向導体１０を冷却するためのヘリウムガスが流される導体冷媒ガス流路１０ａが設けられている。
【００２９】
１１は保護管２１の内周面と軸方向導体１０の外周面との間に介在されている円筒状の径方向絶縁体、１２は先端部が第１及び第２の径方向孔８ｃ，２１ａを通して軸方向導体１０の外周部に螺着され電気的に接続されているラジアルリードであり、このラジアルリード１２には、大径のフランジ部１２ａが設けられている。
【００３０】
１３は回転子軸８の凹部８ｂの底部とラジアルリード１２のフランジ部１２ａとの間に設けられているシール機構であり、このシール機構１３は、第１及び第２の径方向孔８ｃ，２１ａとラジアルリード１２との間に形成された円筒状の空間部１４を回転子軸８の外部からシールするとともに、ラジアルリード１２と回転子軸８とを電気的に絶縁する。また、シール機構１３及びフランジ部１２ａは、これらを貫通して凹部８ｂの底部に螺着された複数本のボルト（図示せず）により、回転子軸８に対して固定されている。
【００３１】
１６はラジアルリード１２に電気的に接続されている外部接続リード端子であり、この外部接続リード端子１６は、スリップリング４（図４）に電気的に接続されている。２２は保護管１１内の軸方向端部に配置され、軸方向導体１０の端面が当接している軸方向絶縁体であり、この軸方向絶縁体１７には、導体冷媒ガス流路１０ａに連通した絶縁体冷媒ガス流路２２ａが設けられている。
【００３２】
また、軸方向絶縁体２２は、第１の当接面２２ｂとこの第１の当接面２２ｂとは反対側の第２の当接面２２ｃとを有し、第１の当接面２２ｂには軸方向導体１０の端面が、第２の当接面２２ｃには保護管２１の軸方向端部の内壁面がそれぞれ当接している。
【００３３】
２３は第１の当接面２２ｂと軸方向導体１０の端面との間、及び第２の当接面２２ｃと保護管２１との間にそれぞれ設けられ、空間部への冷媒ガスの侵入を阻止するＯリング等の複数のシール部材、１８は導体冷媒ガス流路１０ａ及び絶縁体冷媒ガス流路１７ａを通過したヘリウムガスを受けるヘリウム給排装置である。
【００３４】
また、導体収容部８ａの内壁面と保護管２１の外周面との間には微小な隙間、即ち外部隙間１９が形成されており、この外部隙間１９は真空にされている。さらに、保護管２１の内周面と径方向絶縁体との間にも微小な隙間、即ち内部隙間２０が形成されており、この内部隙間１９は連通孔２１ｂを介して外部隙間１９に連通されている。
【００３５】
このような回転子用電流リード装置では、直流電源１（図４）からスリップリング４を介して供給された電流が、外部接続リード端子１６、ラジアルリード１２、軸方向導体１０を経て、超電導界磁巻線３に流れる。図５では一方の回転子用電流リード装置５のみを示したが、回転子２には、プラスとマイナスとで同様の構造を持つ一対の回転子用電流リード装置が設けられている。一対の回転子用電流リード装置５の軸方向導体１０は、それぞれ超電導界磁巻線３に接続されている。
【００３６】
また、空間部１４は、連通孔２１ｂと内部隙間２０とを通して外部隙間１９に連通され、かつシール部材２３により空間部１４へのヘリウムガスの漏洩が阻止されており、これにより空間部１４内が真空にされている。従って、ラジアルリード１２の周囲の放電に対する耐電圧レベルが大幅に向上し、シール機構１３を薄くしたり、第１の径方向孔８ｃを小さくしたりして、絶縁構造を簡素化することができる。また、図５の従来例とは異なり、第１及び第２の径方向孔８ｃ，２１ａの周縁部間にシール溶接を施す必要もない。
【００３７】
例えば、真空度が１０^-5Ｔｏｒｒのレベルでは、耐電圧レベルが空気の場合に比べて１０倍以上に増加する。また、耐電圧特性が向上した分、耐電圧設計が容易になり、大容量機の設計が可能になるとともに、ラジアルリード１２の絶縁構造のコンパクト化を図ることができる。
【００３８】
通常、超電導発電機回転子内部の真空度は、極低温部でのクライオポンプ効果（空気分子が極低温側の回転子軸に吸着されることで真空度が向上する効果）により、１０^-5Ｔｏｒｒのレベルに保たれる。
【００３９】
また、実施の形態１では、真空状態の外部隙間１９を利用して空間部も真空にしたので、新たな真空排気系を追加する必要がなく、構造が簡単である。さらに、連通孔２１ｂと内部隙間２０とを通して、空間部１４が外部隙間１９に連通されているので、より簡単な構造で空間部１４を真空にすることができる。さらにまた、軸方向絶縁体２２の両面にシール部材２３を配置したので、簡単な構造で空間部１４へのヘリウムガスの漏洩を阻止することができる。
【００４０】
なお、第１及び第２の径方向孔８ｃ，２１ａの周縁部間において、外部隙間１９と空間部１４とが十分に連通されていれば、連通孔２１ｂは省略してもよい。
また、空間部１４へのヘリウムガスの漏洩を阻止できれば、シール部材２３の個数や位置は図１のものに限定されない。
【００４１】
実施の形態２．
次に、図２はこの発明の実施の形態２による超電導回転電機の回転子用電流リード装置の断面図である。図において、２５は導体収容部８ａ内に収容され、軸方向絶縁体２２の第２の当接面２２ｃに当接している端面フランジであり、この端面フランジ２５は、絶縁体冷媒ガス流路２２ａに連通したフランジ冷媒ガス流路２５ａを有している。また、端面フランジ２５は、回転子軸８の軸方向端部から導体収容部８ａ内に挿入され、複数のボルト２６により保護管２１の端面に取り付けられている。他の構成は、実施の形態１と同様である。
【００４２】
このような装置では、端面フランジ２５を軸方向絶縁体２２の第２の当接面２２ｃに押し付けることにより、軸方向絶縁体２２の第１の当接面２２ｂと軸方向導体１０の端面との密着性、及び第２の当接面２２ｃと端面フランジ２５との密着性を高めることができ、空間部１４へのヘリウムガスの漏洩をより確実に阻止できるとともに、組立性を向上させることができる。
【００４３】
なお、上記の例では、端面フランジ２５を保護管２１にボルト締めしたが、例えば溶接してもよい。
【００４４】
実施の形態３．
次に、図３はこの発明の実施の形態３による超電導回転電機の回転子用電流リード装置の断面図である。この例では、導体冷媒ガス流路１０ａが、ラジアルリード１２から離れる側へ軸方向導体１０の中心からずれた位置に設けられている。これに対応して、絶縁体冷媒ガス流路２２ａ及びフランジ冷媒ガス流路２５ａも、それぞれ軸方向絶縁体２２及び端面フランジ２５の中心からずれた位置に設けられている。他の構成は、実施の形態２と同様である。
【００４５】
このような装置では、ラジアルリード１２から離れる側へ軸方向導体１０の中心からずれた位置に導体冷媒ガス流路１０ａが設けられているため、ラジアルリード１２との干渉を避けつつ、導体冷媒ガス流路１０ａの径を大きくすることができ、軸方向導体１０の冷却性を向上させることができる。
【００４６】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１の発明の超電導回転電機の回転子用電流リード装置は、ラジアルリードの周囲の空間部を真空にしたので、ラジアルリードの周囲の絶縁性を高め、絶縁構造を簡素化することができる。
【００４７】
請求項２の発明の超電導回転電機の回転子用電流リード装置は、導体収容部の内壁面と保護管の外周面との間に形成された真空の外部隙間に、空間部を連通させたので、新たな真空排気系を追加する必要がなく、構造が簡単である。
【００４８】
請求項３の発明の超電導回転電機の回転子用電流リード装置は、外部隙間と内部隙間とを連通する連通孔を保護管に設け、この連通孔と内部隙間とを通して、空間部を外部隙間に連通させたので、より簡単な構造で空間部を真空にすることができる。
【００４９】
請求項４の発明の超電導回転電機の回転子用電流リード装置は、空間部への冷媒ガスの侵入を阻止するシール部材を、軸方向絶縁体と軸方向導体及び保護管との間にそれぞれ設けたので、簡単な構造で空間部へのヘリウムガスの漏洩を阻止することができる。
【００５０】
請求項５の発明の超電導回転電機の回転子用電流リード装置は、端面フランジを軸方向絶縁体の第２の当接面に押し付けることにより、軸方向絶縁体の第１の当接面と軸方向導体の端面との密着性、及び第２の当接面と端面フランジとの密着性を高めることができ、空間部へのヘリウムガスの漏洩をより確実に阻止できるとともに、組立性を向上させることができる。
【００５１】
請求項６の発明の超電導回転電機の回転子用電流リード装置は、導体冷媒ガス流路を、ラジアルリードから離れる側へ軸方向導体の中心からずれた位置に設けたので、ラジアルリードとの干渉を避けつつ、導体冷媒ガス流路の径を大きくすることができ、軸方向導体の冷却性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１による超電導回転電機の回転子用電流リード装置の断面図である。
【図２】この発明の実施の形態２による超電導回転電機の回転子用電流リード装置の断面図である。
【図３】この発明の実施の形態３による超電導回転電機の回転子用電流リード装置の断面図である。
【図４】従来の超電導界磁巻線の励磁電源回路の一例を示す回路図である。
【図５】従来の回転子用電流リード装置の一例の断面図である。
【符号の説明】
３超電導界磁巻線、８回転子軸、８ａ導体収容部、８ｃ第１の径方向孔、１０軸方向導体、１０ａ導体冷媒ガス流路、１１径方向絶縁体、１２ラジアルリード、１３シール機構、１４空間部、１９外部隙間、２０内部隙間、２１保護管、２１ａ第２の径方向孔、２１ｂ連通孔、２２軸方向絶縁体、２２ａ絶縁体冷媒ガス流路、２２ｂ第１の当接面、２２ｃ第２の当接面、２３シール部材、２５端面フランジ、２５ａフランジ冷媒ガス流路。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a current lead device for a rotor of a superconducting rotating electrical machine, which is provided in a rotor of a superconducting rotating electrical machine and allows a current to flow through a superconducting field winding.
[0002]
[Prior art]
FIG. 4 is a circuit diagram showing an example of a conventional excitation power supply circuit for a superconducting field winding. In the figure, 1 is a DC power source provided on the fixed side of a superconducting rotating electrical machine, 2 is a rotor of the superconducting rotating electrical machine, 3 is a superconducting field that is provided on the rotor 1 and is excited by a DC current from the DC power source 1. The magnetic winding 4 is a slip ring for supplying a direct current from the direct current power source 1 to the rotor 2, and 5 is provided in the rotor 2, and the direct current supplied from the slip ring 4 is passed through the superconducting field winding 3. This is a current lead device for a rotor.
[0003]
Reference numeral 6 denotes a protective resistor connected in parallel to the superconducting field winding 3, and 7 denotes a circuit breaker connected in series to the superconducting field winding 3 and opened when quenching occurs in the superconducting field winding 3.
[0004]
Next, the operation will be described. When the superconducting field winding 3 is energized, if a minute portion of the coil is shifted from the superconducting state to the normal conducting state due to internal disturbance or disturbance, Joule loss occurs in the normal conducting portion. When this heat generation is larger than the cooling capacity of the superconducting field winding 3 such as the liquid helium, the temperature of the normal conducting part rises and the temperature of the superconducting part connected to the normal conducting part also rises.
[0005]
As described above, the superconducting state is destroyed and the normal conducting portion is expanded and propagated repeatedly, so that the entire superconducting field winding 3 is finally made normal conducting. In addition, since the current continues to flow during this time, the temperature of each part of the superconducting field winding 3 further increases due to Joule loss. As a result, burning of the superconducting field winding 3 may occur. Moreover, the time required to reach here is extremely short. Further, the helium pressure may rise rapidly due to the temperature rise of the superconducting field winding 3.
[0006]
As a countermeasure against quenching as described above, when the superconducting field winding 3 undergoes normal conduction dislocation due to an accident or the like, the circuit breaker 7 is opened, and the energy stored by the current flowing through the superconducting field winding 3 is used as the protective resistor 6. Is used to suppress the temperature rise of the superconducting field winding 3. However, the voltage Vq is generated at both ends of the protective resistor 6 at the moment when the circuit breaker 4 is opened and the current flows to the protective resistor 6. This voltage Vq is represented by Vq = If × Rp. However, If is a field current (A) immediately before opening the circuit breaker 4, Rp is a resistance value (Ω) of the protective resistor 6.
[0007]
The actual voltage level is about several hundred volts in the 100 MW class superconducting generator 3, but if the capacity of the superconducting generator 3 increases in the future, it will be accumulated in the superconducting field winding 3 during operation. Since the energy also increases, it is necessary to increase the energy absorbed by the protective resistor 6 and to increase the resistance value of the protective resistor 6. As a result, in a large-capacity machine, the voltage generated at the time of quenching exceeds 1000 volts, coupled with an increase in field current.
[0008]
FIG. 5 is a cross-sectional view of a conventional rotor current lead device disclosed in, for example, Japanese Patent Publication No. 54-26585. In the figure, reference numeral 8 denotes a rotor shaft on which the superconducting field winding 3 is mounted. A conductor accommodating portion 8 a extending along the axial direction is provided at a position eccentric from the rotation center of the rotor shaft 8. ing. A circular recess 8 b is provided on the outer peripheral portion of the rotor shaft 8. A first radial hole 8c that extends along the radial direction of the rotor shaft 8 and communicates with the conductor housing portion 8a is provided at the bottom of the recess 8b.
[0009]
Reference numeral 9 denotes a metallic cylindrical protective tube inserted into the conductor accommodating portion 8a. The protective tube 9 is provided with a second radial hole 9a continuous with the first radial hole 8c. ing. Reference numeral 10 denotes a cylindrical axial conductor which is inserted into the protective tube 9 and is electrically connected to the superconducting field winding 3, and extends in the axial direction at the center of the axial conductor 10. A conductor refrigerant gas flow path 10a through which helium gas for cooling the axial conductor 10 flows is provided.
[0010]
Reference numeral 11 denotes a cylindrical radial insulator interposed between the inner peripheral surface of the protective tube 9 and the outer peripheral surface of the axial conductor 10, and 12 denotes first and second radial holes 8c, 9a having tip portions. A radial lead that is screwed and electrically connected to the outer peripheral portion of the axial conductor 10 through the radial lead 12, and the radial lead 12 is provided with a large-diameter flange portion 12a.
[0011]
Reference numeral 13 denotes a seal mechanism provided between the bottom of the recess 8b of the rotor shaft 8 and the flange portion 12a of the radial lead 12, and the seal mechanism 13 includes first and second radial holes 8c, 9a. The cylindrical space portion 14 formed between the radial lead 12 and the radial lead 12 is sealed from the outside of the rotor shaft 8, and the radial lead 12 and the rotor shaft 8 are electrically insulated. The seal mechanism 13 and the flange portion 12a are fixed to the rotor shaft 8 by a plurality of bolts (not shown) that pass through them and are screwed to the bottom portion of the recess 8b.
[0012]
15 is a seal welded portion provided between the peripheral portions of the first and second radial holes 8c and 9a adjacent to each other in the space portion 14, and 16 is an external connection lead electrically connected to the radial lead 12. This external connection lead terminal 16 is electrically connected to the slip ring 4.
[0013]
Reference numeral 17 denotes an axial insulator that is disposed at an axial end in the protective tube 11 and is in contact with an end face of the axial conductor 10. The axial insulator 17 communicates with the conductor refrigerant gas flow path 10 a. The insulator refrigerant gas flow path 17a is provided. Reference numeral 18 denotes a helium supply / discharge device that receives helium gas that has passed through the conductor refrigerant gas channel 10a and the insulator refrigerant gas channel 17a.
[0014]
In the rotor current lead device 5 as described above, the current supplied from the DC power source 1 via the slip ring 4 passes through the external connection lead terminal 16, the radial lead 12, and the axial conductor 10, and the superconducting field winding. Flows on line 3. Although only one rotor current lead device 5 is shown in FIG. 5, the rotor 2 is provided with a pair of rotor current lead devices 5 having the same structure in plus and minus. The axial conductors 10 of the pair of rotor current lead devices 5 are respectively connected to the superconducting field windings 3.
[0015]
Further, the external gap 19 between the inner wall surface of the conductor accommodating portion 8a and the outer peripheral surface of the protective tube 9 is evacuated for heat insulation, and in order to maintain the vacuum of the external gap 19, first and second Between the peripheral portions of the two radial holes 8c and 9a, a seal welded portion 15 by vacuum seal welding is provided.
[0016]
[Problems to be solved by the invention]
In the conventional rotor current lead device 5 configured as described above, the helium gas flowing through the refrigerant gas flow paths 10a and 17a causes a gap between the end face of the axial conductor 10 and the axial insulator 17, It flows into and stays in the space 14 through the gap between the protective tube 9 and the axial insulator 17, the gap between the radial insulator 11 and the protective tube 9, and the like. Normally, the helium gas flowing through the refrigerant gas flow path 10a is about -70 ° C, but the rotor shaft 8 is in the air at room temperature, so that the space 14 near the outer periphery of the rotor shaft 8 has a room temperature. Helium gas atmosphere.
[0017]
When the voltage is applied to the normal temperature helium gas, the discharge start voltage is as low as 1/5 to 1/6 when the voltage is applied to the air, and therefore the space 14 has a normal temperature helium gas atmosphere. It is necessary to increase the insulation distance between the radial lead 12 and the rotor shaft 8, such as increasing the thickness of the seal mechanism 13 or increasing the first radial hole 8c, and the insulation design is difficult. turn into. Further, depending on the capacity, there may be a case where the design does not hold.
[0018]
The present invention has been made in order to solve the above-described problems, and improves the insulation around the radial lead and simplifies the insulation structure. The object is to obtain a lead device.
[0019]
[Means for Solving the Problems]
A current lead device for a rotor of a superconducting rotating electrical machine according to a first aspect of the present invention includes a conductor housing portion extending along the axial direction and a first radial hole extending along the radial direction and communicating with the conductor housing portion. A rotor shaft on which the superconducting field winding is mounted, a second radial hole continuous to the first radial hole, and a protective tube inserted in the conductor housing portion, along the axial direction A conductive refrigerant gas flow path extending in the axial direction is inserted in the protective tube and electrically connected to the superconducting field winding, and the inner peripheral surface of the protective tube and the axial direction A radial insulator interposed between the outer peripheral surface of the conductor, a radial lead electrically connected to the axial conductor through the first and second radial holes, and a rotor shaft and the radial lead; Provided between the first and second radial holes and the radial lead. The space portion includes a sealing mechanism to seal from the outside of the rotor shaft has, in which space is evacuated.
[0020]
In the current lead device for a rotor of a superconducting rotating electrical machine according to the invention of claim 2, a vacuumed external gap is formed between the inner wall surface of the conductor housing portion and the outer peripheral surface of the protective tube. The space is evacuated by communicating with the external gap.
[0021]
The current lead device for a rotor of a superconducting rotating electrical machine according to the invention of claim 3 has an internal gap formed between the inner peripheral surface of the protective tube and the radial insulator, A communication hole for communicating the gap and the internal gap is provided, and the space portion is communicated to the external gap through the communication hole and the internal gap.
[0022]
The current lead device for a rotor of a superconducting rotating electrical machine according to the invention of claim 4 has an insulator refrigerant gas flow channel communicating with the conductor refrigerant gas flow channel, and a contact surface with which the end surface of the axial conductor contacts. And an axial insulator accommodated in the conductor accommodating portion, and a seal member provided between the axial insulator, the axial conductor, and the protective tube, respectively, for preventing refrigerant gas from entering the space portion. It is a thing.
[0023]
A rotor current lead device for a superconducting rotating electrical machine according to a fifth aspect of the invention includes a first abutting surface in which an insulating refrigerant gas flow channel communicating with a conductive refrigerant gas flow channel and an end surface of an axial conductor abut on each other. A flange refrigerant gas having a second abutting surface opposite to the first abutting surface and communicating with the axial insulator accommodated in the conductor accommodating portion and the insulator refrigerant gas flow path An end surface flange having a flow path and being accommodated in the conductor accommodating portion and abutting against the second abutting surface of the axial insulator, and between the axial insulator and the axial conductor and the end surface flange And a sealing member that prevents the refrigerant gas from entering the space.
[0024]
In the rotor current lead device for a superconducting rotating electrical machine according to the sixth aspect of the present invention, the conductor refrigerant gas flow path is provided at a position shifted from the center of the axial conductor toward the side away from the radial lead.
[0025]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
Embodiment 1 FIG.
1 is a cross-sectional view of a rotor current lead device for a superconducting rotating electrical machine according to Embodiment 1 of the present invention, and the excitation power supply circuit is the same as that of FIG.
[0026]
In the figure, reference numeral 8 denotes a rotor shaft on which the superconducting field winding 3 is mounted. A conductor accommodating portion 8 a extending along the axial direction is provided at a position eccentric from the rotation center of the rotor shaft 8. ing. A circular recess 8 b is provided on the outer peripheral portion of the rotor shaft 8. A first radial hole 8c that extends along the radial direction of the rotor shaft 8 and communicates with the conductor housing portion 8a is provided at the bottom of the recess 8b.
[0027]
Reference numeral 21 denotes a metallic cylindrical protective tube inserted into the conductor accommodating portion 8a. The protective tube 21 is provided with a second radial hole 21a continuous with the first radial hole 8c. ing. Further, a communication hole 21 b that communicates the inside and the outside of the protection tube 21 is provided on the lower temperature side (right side in the drawing) than the second radial hole 21 a of the protection tube 21.
[0028]
Reference numeral 10 denotes a cylindrical axial conductor that is inserted into the protective tube 21 and is electrically connected to the superconducting field winding 3, and extends in the axial direction at the center of the axial conductor 10. A conductor refrigerant gas flow path 10a through which helium gas for cooling the axial conductor 10 flows is provided.
[0029]
11 is a cylindrical radial insulator interposed between the inner peripheral surface of the protective tube 21 and the outer peripheral surface of the axial conductor 10, and 12 is a first and second radial hole 8c, 21a at the tip. A radial lead that is screwed and electrically connected to the outer peripheral portion of the axial conductor 10 through the radial lead 12, and the radial lead 12 is provided with a large-diameter flange portion 12a.
[0030]
Reference numeral 13 denotes a seal mechanism provided between the bottom of the recess 8b of the rotor shaft 8 and the flange 12a of the radial lead 12, and the seal mechanism 13 includes first and second radial holes 8c, 21a. The cylindrical space portion 14 formed between the radial lead 12 and the radial lead 12 is sealed from the outside of the rotor shaft 8, and the radial lead 12 and the rotor shaft 8 are electrically insulated. The seal mechanism 13 and the flange portion 12a are fixed to the rotor shaft 8 by a plurality of bolts (not shown) that pass through them and are screwed to the bottom portion of the recess 8b.
[0031]
Reference numeral 16 denotes an external connection lead terminal electrically connected to the radial lead 12, and the external connection lead terminal 16 is electrically connected to the slip ring 4 (FIG. 4). Reference numeral 22 denotes an axial insulator disposed at an axial end in the protective tube 11 and in contact with an end face of the axial conductor 10. The axial insulator 17 communicates with the conductor refrigerant gas flow path 10 a. The insulator refrigerant gas flow path 22a is provided.
[0032]
The axial insulator 22 has a first contact surface 22b and a second contact surface 22c opposite to the first contact surface 22b. The end surface of the axial conductor 10 is in contact with the inner wall surface of the end portion in the axial direction of the protective tube 21 on the second contact surface 22c.
[0033]
23 are provided between the first contact surface 22b and the end surface of the axial conductor 10, and between the second contact surface 22c and the protective tube 21, respectively, to prevent the refrigerant gas from entering the space. A plurality of sealing members such as an O-ring, 18 is a helium supply / exhaust device that receives helium gas that has passed through the conductor refrigerant gas channel 10a and the insulator refrigerant gas channel 17a.
[0034]
Further, a minute gap, that is, an external gap 19 is formed between the inner wall surface of the conductor accommodating portion 8a and the outer peripheral surface of the protective tube 21, and the external gap 19 is evacuated. Further, a minute gap, that is, an internal gap 20 is also formed between the inner peripheral surface of the protective tube 21 and the radial insulator, and this internal gap 19 is communicated with the external gap 19 through the communication hole 21b. ing.
[0035]
In such a rotor current lead device, the current supplied from the DC power source 1 (FIG. 4) via the slip ring 4 passes through the external connection lead terminal 16, the radial lead 12, and the axial conductor 10, and thus the superconducting field. It flows in the magnetic winding 3. Although only one rotor current lead device 5 is shown in FIG. 5, the rotor 2 is provided with a pair of rotor current lead devices having the same structure for plus and minus. The axial conductors 10 of the pair of rotor current lead devices 5 are respectively connected to the superconducting field windings 3.
[0036]
Further, the space portion 14 is communicated with the external gap 19 through the communication hole 21b and the internal gap 20, and the leakage of helium gas to the space portion 14 is prevented by the seal member 23. It is in a vacuum. Therefore, the withstand voltage level against the discharge around the radial lead 12 is greatly improved, and the insulating structure can be simplified by reducing the thickness of the sealing mechanism 13 or reducing the first radial hole 8c. . Further, unlike the conventional example of FIG. 5, it is not necessary to perform seal welding between the peripheral portions of the first and second radial holes 8c and 21a.
[0037]
For example, when the degree of vacuum is 10 ⁻⁵ Torr, the withstand voltage level increases 10 times or more compared to the case of air. In addition, withstand voltage characteristics are improved, the withstand voltage design is facilitated, a large capacity machine can be designed, and the insulation structure of the radial lead 12 can be made compact.
[0038]
Normally, the degree of vacuum inside the superconducting generator rotor is 10 ⁻⁵ due to the cryopump effect in the cryogenic part (the effect of increasing the degree of vacuum by adsorbing air molecules to the rotor shaft on the cryogenic temperature side). Torr level is maintained.
[0039]
Further, in the first embodiment, since the space portion is also evacuated using the external gap 19 in a vacuum state, it is not necessary to add a new evacuation system, and the structure is simple. Furthermore, since the space part 14 is connected to the external gap 19 through the communication hole 21b and the internal gap 20, the space part 14 can be evacuated with a simpler structure. Furthermore, since the seal members 23 are disposed on both surfaces of the axial insulator 22, leakage of helium gas into the space portion 14 can be prevented with a simple structure.
[0040]
Note that the communication hole 21b may be omitted if the external gap 19 and the space 14 are sufficiently communicated between the peripheral portions of the first and second radial holes 8c and 21a.
Further, the number and position of the seal members 23 are not limited to those shown in FIG. 1 as long as helium gas leakage into the space 14 can be prevented.
[0041]
Embodiment 2. FIG.
2 is a sectional view of a rotor current lead device for a superconducting rotating electrical machine according to Embodiment 2 of the present invention. In the figure, reference numeral 25 denotes an end surface flange which is accommodated in the conductor accommodating portion 8a and is in contact with the second contact surface 22c of the axial insulator 22, and this end surface flange 25 is an insulator refrigerant gas flow path 22a. The flange refrigerant gas flow path 25a communicated with the gas. Further, the end surface flange 25 is inserted into the conductor accommodating portion 8 a from the axial end portion of the rotor shaft 8, and is attached to the end surface of the protective tube 21 by a plurality of bolts 26. Other configurations are the same as those in the first embodiment.
[0042]
In such a device, the end surface flange 25 is pressed against the second contact surface 22 c of the axial insulator 22, whereby the first contact surface 22 b of the axial insulator 22 and the end surface of the axial conductor 10 are aligned. The adhesion and the adhesion between the second contact surface 22c and the end surface flange 25 can be improved, and the leakage of helium gas to the space 14 can be more reliably prevented, and the assemblability can be improved. .
[0043]
In the above example, the end face flange 25 is bolted to the protective tube 21, but may be welded, for example.
[0044]
Embodiment 3 FIG.
3 is a sectional view of a rotor current lead device for a superconducting rotating electrical machine according to Embodiment 3 of the present invention. In this example, the conductor refrigerant gas flow path 10 a is provided at a position shifted from the center of the axial conductor 10 toward the side away from the radial lead 12. Correspondingly, the insulator refrigerant gas passage 22a and the flange refrigerant gas passage 25a are also provided at positions shifted from the centers of the axial insulator 22 and the end surface flange 25, respectively. Other configurations are the same as those in the second embodiment.
[0045]
In such an apparatus, since the conductor refrigerant gas flow path 10a is provided at a position shifted from the center of the axial conductor 10 on the side away from the radial lead 12, the conductor refrigerant gas is avoided while avoiding interference with the radial lead 12. The diameter of the flow path 10a can be increased, and the cooling performance of the axial conductor 10 can be improved.
[0046]
【The invention's effect】
As explained above, the current lead device for a rotor of a superconducting rotating electrical machine according to the first aspect of the present invention has evacuated the space around the radial lead, so that the insulation around the radial lead is improved and the insulation structure is improved. It can be simplified.
[0047]
In the current lead device for a rotor of a superconducting rotating electrical machine according to the second aspect of the present invention, the space portion is communicated with the vacuum external gap formed between the inner wall surface of the conductor housing portion and the outer peripheral surface of the protective tube. It is not necessary to add a new evacuation system, and the structure is simple.
[0048]
The current lead device for a rotor of a superconducting rotating electrical machine according to claim 3 is provided with a communication hole in the protective tube that communicates the external gap and the internal gap, and the space portion is formed as an external gap through the communication hole and the internal gap. Since the communication is made, the space can be evacuated with a simpler structure.
[0049]
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a current lead device for a rotor of a superconducting rotating electrical machine, wherein a seal member for preventing refrigerant gas from entering the space is provided between the axial insulator, the axial conductor, and the protective tube. Therefore, leakage of helium gas into the space can be prevented with a simple structure.
[0050]
According to a fifth aspect of the present invention, there is provided a current lead device for a rotor of a superconducting rotating electrical machine, wherein the end surface flange is pressed against the second contact surface of the axial insulator, thereby The adhesion between the end face of the directional conductor and the adhesion between the second contact face and the end face flange can be improved, and the leakage of helium gas to the space can be more reliably prevented and the assemblability can be improved. be able to.
[0051]
In the rotor current lead device for a superconducting rotating electrical machine according to the sixth aspect of the present invention, since the conductor refrigerant gas flow path is provided at a position shifted from the center of the axial conductor toward the side away from the radial lead, it interferes with the radial lead. , The diameter of the conductor refrigerant gas flow path can be increased, and the cooling performance of the axial conductor can be improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view of a rotor current lead device for a superconducting rotating electrical machine according to Embodiment 1 of the present invention;
FIG. 2 is a cross-sectional view of a rotor current lead device for a superconducting rotating electrical machine according to Embodiment 2 of the present invention;
FIG. 3 is a cross-sectional view of a rotor current lead device for a superconducting rotating electrical machine according to Embodiment 3 of the present invention;
FIG. 4 is a circuit diagram showing an example of a conventional excitation power supply circuit for a superconducting field winding.
FIG. 5 is a cross-sectional view of an example of a conventional rotor current lead device.
[Explanation of symbols]
3 Superconducting Field Winding, 8 Rotor Shaft, 8a Conductor Housing, 8c First Radial Hole, 10 Axial Conductor, 10a Conductor Refrigerant Gas Channel, 11 Radial Insulator, 12 Radial Lead, 13 Seal Mechanism , 14 Space portion, 19 External gap, 20 Internal gap, 21 Protective tube, 21a Second radial hole, 21b Communication hole, 22 Axial insulator, 22a Insulator refrigerant gas flow path, 22b First contact surface 22c 2nd contact surface, 23 seal member, 25 end surface flange, 25a flange refrigerant gas flow path.

Claims

A rotor shaft having a conductor housing portion extending along the axial direction and a first radial hole extending along the radial direction and communicating with the conductor housing portion, on which the superconducting field winding is mounted,
A protective tube having a second radial hole continuous with the first radial hole and inserted into the conductor housing;
A conductor refrigerant gas flow path extending along the axial direction is provided inside, and is inserted into the protective tube, and is an axial conductor electrically connected to the superconducting field winding,
A radial insulator interposed between the inner peripheral surface of the protective tube and the outer peripheral surface of the axial conductor;
A radial lead electrically connected to the axial conductor through the first and second radial holes, and the first and second diameters provided between the rotor shaft and the radial lead; A rotor of a superconducting electric rotating machine comprising a sealing mechanism for sealing a space formed between a directional hole and the radial lead from the outside of the rotor shaft, wherein the space is evacuated. Current lead device.

A vacuumed external gap is formed between the inner wall surface of the conductor housing part and the outer peripheral surface of the protective tube, and the space part is evacuated by communicating with the external gap. A current lead device for a rotor of a superconducting rotating electrical machine according to claim 1.

An internal gap is formed between the inner peripheral surface of the protective tube and the radial insulator, and the protective tube is provided with a communication hole that communicates the external gap and the internal gap. The current lead device for a rotor of a superconducting rotating electrical machine according to claim 2, wherein the space portion is communicated with the external gap through the communication hole and the internal gap.

An axial insulator having an insulator refrigerant gas flow path communicating with the conductor refrigerant gas flow path, an abutting surface with which an end face of the axial conductor abuts, and accommodated in the conductor accommodating portion, and the axial direction 4. A seal member provided between the insulator and the axial conductor and the protective tube, respectively, for preventing refrigerant gas from entering the space. A current lead device for a rotor of a superconducting rotating electrical machine according to claim 1.

An insulator refrigerant gas flow path communicating with the conductor refrigerant gas flow path, a first contact surface with which an end face of the axial conductor contacts, and a second contact opposite to the first contact surface And an axial insulator housed in the conductor housing portion,
An end flange having a flange refrigerant gas flow path communicating with the insulator refrigerant gas flow path, being accommodated in the conductor accommodating portion, and abutting against the second abutting surface of the axial insulator And a sealing member provided between the axial insulator, the axial conductor, and the end flange, respectively, for preventing the refrigerant gas from entering the space. A current lead device for a rotor of a superconducting rotating electrical machine according to claim 3.

The rotation of the superconducting rotating electrical machine according to any one of claims 1 to 5, wherein the conductor refrigerant gas flow path is provided at a position shifted from the center of the axial conductor toward the side away from the radial lead. Current lead device for child.