JP3857649B2 - 巻線支持体に配置された超伝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 - Google Patents

Description

本発明は、回転軸線を中心にして回転可能に支承された回転子を備え、この回転子が、軸線方向の回転子軸部分に取付けられ、超伝導巻線を備えた低温の巻線支持体を包囲する高温の回転子外側ハウジングを有する機械に関する。さらに回転子は、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を有している。さらに、超伝導巻線の冷却および熱絶縁手段が設けられている。このような機械は西独特許出願公告第２３２６０１６号明細書に記載されている。

電気機械、特に発電機や電動機は、通常、回転する界磁巻線と、定置の固定子巻線とを有している。このとき、極低温に冷却された特に超伝導導体を利用することで電流密度を高め、それによって機械の固有出力すなわち自重１キログラムあたりの出力を高めるとともに、機械の効率も向上させることができる。

電気機械の極低温の巻線は、一般に、周囲から熱絶縁し、冷却手段によって、求められる低い温度に保たなくてはならない。このとき、効率的な断熱を実現することができるのは、一般に残留ガス圧が１０^-3ｍｂａｒ以下である高真空によって、機械の極低温部分が高温の外部空間からできるだけ分離され、かつ、これらの極低温部分と高温の外部空間とをつなぐ接続部分ができるだけ少ない熱しか伝達しない場合に限られる。

低温冷却されるべき回転子巻線を備える回転子と高温の固定子巻線との真空絶縁については、特に２種類のバリエーションが知られている。すなわち１番目の実施形態では、回転子が、高温の外側ハウジングと、一緒に回転する閉じられた真空室とを有している。真空室は極低温領域をすべての側から取り囲むのが望ましい（例えば「Ｓｉｅｍｅｎｓ Ｆｏｒｓｃｈ．ｕ．Ｅｎｔｗｉｃｋｌ．−Ｂｅｒ．」（ジーメンス研究開発レポート）第５巻，１９７６年発行，第１号，１０〜１６頁を参照）。しかしながら、真空室を通って延びる支持部を介して、極低温部分への好ましくない熱伝達が起こる。２番目の実施形態では、実質的に低温の回転子が高真空の中で回転する。高真空室の外側の仕切は、固定子の内部穴によって規定される。しかしこのような機構には、回転子と固定子との間で高真空に密閉された軸シールが必要である（例えば西独特許出願公開第２７５３４６１号明細書参照）。

冒頭に挙げた西独特許出願公告明細書から読み取ることができる機械では、１番目の実施形態が具体化されている。その回転子では、取付けられたフランジ軸とともに回転子の外側ハウジングを形成する回転子型クライオスタットの内部に、超伝導巻線がある。巻線の導体に古典的な超伝導材料が使われているため、動作温度が約４Ｋであるヘリウム冷却部が設けられている。それに対して、回転子外側ハウジングの外側輪郭はほぼ室温であり、作動時には場合によっては室温以上になる。機械の有効トルクは回転子巻線で生成される。この回転子巻線は低温の巻線支持体内に配置されており、さらにこの巻線支持体は、クライオスタットとして作用する回転子外側ハウジングの中に、絶縁された状態で懸架ないしは保持されている。この場合、このような懸架部ないしは保持部は、低温の巻線支持体から駆動側の軸部分へトルクを伝達するために、回転子の駆動側で十分に安定していなければならない。従って、トルク伝達のためのこのような剛性の連結装置は、比較的堅牢に構成されるとともに、巻線支持体と駆動側の軸部分とに摩擦結合的に結合されなくてはならない。それと同時にこの連結装置は、低温の巻線支持体の駆動側のセンタリングも引き受ける。機械の作動にとって重要な、例えば冷媒供給部のような接続部が設けられているので非駆動側または作動側とも呼ばれる対向する回転子側には、トルクが事実上導出されない。従ってこの部分では、実質的に、センタリングの機能と熱絶縁の機能が果たされるだけである。しかし、室温から動作温度へ移行するときに、巻線支持体の軸線方向の長さが、回転子外側ハウジングの対応する長さに対して相対的に少なくとも１ミリメートルだけ減るので、動作側の懸架部は、相応の長さ補償の機能も追加的に保証しなければならない。そこで冒頭に挙げた西独特許出願公告明細書から読み取ることができる機械では、回転子外側ハウジングと巻線支持体との間に、半径方向に延びる円板状の連結部材が設けられ、この連結部材が、膨張補償のために軸線方向での相応の撓曲を可能にする。このような連結部材を介しても、巻線支持体の低温領域への熱導入が起こる。

西独特許出願公開第２７１７５８０号明細書から読み取ることができる、超伝導の界磁巻線を備える機械の別の回転子では、回転子外側ハウジングと巻線支持体との間を半径方向に延びる連結部材が設けられている。この連結部材は確かに軸線方向の変形を可能にするが、機械の低温領域への好ましくない熱導入を生じる。

上述した機械で用いられ以前から知られていたＮｂＴｉやＮｂ₃Ｓｎのような金属の超伝導材料に加えて、１９８７年以来、遷移温度が７７Ｋを超える金属酸化物の超伝導材料も公知になっている。ＨＴＳ材料とも呼ばれるこのような高Ｔｃ超伝導材料を用いた導体によって、機械の超伝導巻線を製作することが試みられている。このような種類の導体を備える機械も、超伝導材料の動作温度と比較的高温の回転子外側ハウジングの外部温度との間に温度差が生じるので、軸線方向で相応の膨張補償をすることが必要である。

本発明の課題は、冒頭に述べた構成要件を備える機械のために、比較的簡単にこのような巻線支持体の軸線方向の膨張補償（＝長さ補償）を可能にし、特に超伝導巻線の熱導入損失を限定された状態に保つような巻線支持体の保持手段を提供することである。

この課題は本発明によれば請求項１の構成要件によって解決される。それによれば、冒頭に述べた構成要件を備える機械において、保持手段が、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（＝回転子軸線と平行な方向つまり軸線平行）に延びる片側の固定装置として構成される。この関連において、固定装置は、回転子外側ハウジングの内部における巻線支持体の機械的に安定した保持とセンタリングとを保証するとともに、通常動作の場合だけでなく、モーメントが比較的高い過負荷のとき、例えば機械の起動時やさまざまな障害時にもトルク伝達を保証する保持手段である。

機械のこのような構成に結びついた利点は、製造が簡単かつ安価であり、センタリングが行われると同時に、熱の漏れが限定された状態に保たれることにある。このとき、巻線支持体の収縮補償（＝軸線方向の運動）のための特別な手段はもはや必要ない。すなわち本発明は、従来技術のような両側での懸架を機械で省略すれば、収縮の問題を回避することができるとい認識に基づいている。すなわち、片側の懸架（回転子軸線の向きに依存しない剛性の取付という意味での懸架）により、巻線支持体の熱収縮によって回転子の低温の内側部分と高温の外側部分との間に応力が発生しない。残された片側の懸架部は当然ながら機械的に相応の強度で設計されていなければならない。しかしこのことは電動機や発電機にとっては一般に問題ではない。すなわち、このような懸架部によって機械のトルクを伝達しなければならないので、機械の駆動側ではそのために十分に頑丈な固定装置の設計がもともと行われている。

本発明による機械の有利な実施態様は従属請求項に記載されている。

例えば、軸線方向に延びる固定装置は中空円筒状に構成されていてよい。このようにして、熱導入損失を抑える少ない材料断面積と同時に、この固定装置を介して巻線支持体の良好なセンタリングを実現することができる。

軸線方向に延びる固定装置の少なくとも１つの部分が繊維強化プラスチック材料から成ると好ましい。このような材料によって、好ましい少ない熱伝達性および十分な機械的安定性が保証される。

機械の超伝導巻線の導体に対しては、金属の低Ｔｃ超伝導材料または特に金属酸化物の高Ｔｃ超伝導材料が考慮の対象となる。

通常、本発明による機械の回転軸線は水平方向に延びている。しかし場合によっては、特に発生する可能性のある不均衡の問題に鑑みて、回転子の回転軸線が垂直方向に向けられるように機械を配置することもできる。

本発明による機械のその他の有利な実施態様は残りの従属請求項の対象となっている。

次に、本発明による機械の有利な実施例について、図面を参照しながらさらに詳しく説明する。

以下に説明する機械は特に同期電動機や発電機であってよい。当然ながら、例えば回転数が高くてコンパクトな船舶の駆動装置用や、例えばボーリングプラットフォームのようないわゆる海洋掘削装置用など、このような機械の別の応用分野ないしは適用分野も考えられる。本発明の機械は回転する超伝導巻線を含んでおり、この巻線には、原理的に、金属のＬＴＳ材料（低Ｔｃ超伝導材料）または特に酸化物のＨＴＳ材料（高Ｔｃ超伝導材料）の使用が可能である。以下の実施例については後者の材料を選択することにする。巻線は１つのコイルでできていてよく、あるいは２極、４極、またはその他の多極に配置されたコイルのシステムであってよい。このような同期電動機の原理的な構造は図から明らかであり、このような機械の公知の実施形態を前提としている（例えば上述の従来技術参照）。

全般に符号２が付されている機械は、室温の状態にある定置の機械外側ハウジング３と、その中の固定子巻線４とを含んでいる。この機械外側ハウジング３の内部では、固定子巻線４で包囲されるように、回転子５が回転軸線Ａを中心にして回転可能に軸受６ａ，６ｂに支承されている。そのために回転子５は、真空容器として構成された回転子外側ハウジング７を有し、この回転子外側ハウジング７の中に、ＨＴＳ巻線１０を備えた巻線支持体９が本発明に基づいて片側で保持されている。そのために駆動側ＡＳでは、巻線支持体９と、回転子軸部分５ａに堅固に連結された回転子外側ハウジングの円板状側面部７ａとの間に、管状の剛性の固定装置８が用いられている。軸線方向（すなわち回転軸線Ａに平行）に延びるこの剛性の固定装置８を介して、トルク伝達も行われる。この固定装置は、実質的に、繊維例えばガラス繊維で強化されたプラスチック材料（いわゆる「ＧＦＲＰ」材料）またはその他の繊維強化材料からなる熱伝導性の低い中空円筒体でできているのが好ましい。公知のように、プラスチック材料内に繊維が埋め込まれるが、このプラスチック材料は繊維に対して母材としての役目をし強度の観点から選択される。この複合材料は、少ない熱伝導性と同時に、トルク伝達にとって十分に高い機械的な剛さと、高いせん断弾性率（Ｇ弾性率）とを保証する。

駆動側ＡＳに向かい合う、以下においてＢＳの符号で呼ぶ非駆動側では、本発明によれば、対応する固定装置が設けられていない。すなわち、巻線支持体９の保持とセンタリングは専ら固定装置８によって行われる。

当然ながら、駆動側とは反対の非駆動側ＢＳでは、巻線支持体９と回転子外側ハウジング７つまりそのハウジング壁７ｂとの間に連結部材があってよい。しかしこの連結部材は、巻線支持体の保持とセンタリングには事実上寄与せず、例えば超伝導巻線の電気的および／または冷却技術的な接続のために設けられている。このような冷却技術上の接続部が図示されている。すなわち、駆動側とは反対の非駆動側ＢＳでは、中空円筒状に構成され軸受６ｂに支承された軸部分５ｂを介して、特に超伝導巻線１０を冷却するための冷媒供給が機械の外部から行われる。冷媒供給や封止の詳細については一般に知られている。従って図面では詳細な図示を割愛している。当然ながら、このような冷媒供給部を駆動側の軸部分５ａに組み込むことも可能である。

少なくとも１つの真空室内において熱絶縁上の理由から超伝導巻線１０を備えた巻線支持体９を取囲んでいる真空は、図面では符号Ｖを付してある。当然ながら、特に超絶縁のような別の熱絶縁手段が設けられていてもよい。

図面に示している１つの中空円筒体の形の固定装置８の実施例とは異なり、当然ながら、固定装置が多分割部分から構成されていてもよい。例えばこのような部材は、互いに同心的に包囲する複数の管として構成されていてよい。

さらに本発明による機械は、図面に示されているように、回転軸線Ａが水平方向に延びるように配置されている必要はない。むしろ、場合により生じる不均衡の問題の観点からは、回転軸線Ａが垂直方向に向けられているのが好ましい場合がある。その場合、巻線支持体９は固定装置８によって回転子外側ハウジング７の内部に、従って軸部分５ａに懸架される。

機械の考えられる実施例を示す概略縦断面図

符号の説明

２ 機械
３ 機械外側ハウジング
４ 固定子巻線
５ 回転子
５ａ 回転子軸部分
６ａ，６ｂ 軸受
７ 回転子外側ハウジング
８ 固定装置
９ 巻線支持体

Claims (7)

1. 回転軸線を中心にして回転可能に支承された回転子を備え、この回転子が、
   ａ）軸線方向の回転子軸部分に取付けられ、超伝導巻線を備えた低温の巻線支持体を包囲する高温の回転子外側ハウジングと、
   ｂ）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とを有し、
   さらに、超伝導巻線の冷却および熱絶縁手段を備えている機械において、
   保持手段が、回転子（５）のトルク伝達側（ＡＳ）で、回転子外側ハウジング（７）の内部に、巻線支持体（９）の、軸線方向に延びる片側の固定装置（８）として構成されていることを特徴とする機械。
   
2. 軸線方向に延びる固定装置（８）が中空円筒状に構成されていることを特徴とする請求項１記載の機械。
3. 軸線方向に延びる固定装置（８）が、特に回転軸線（Ａ）に関して同心的に取り囲む複数の部材を含んでいることを特徴とする請求項１又は２に記載の機械。
4. 軸線方向に延びる固定装置（８）の少なくとも１つの部分が繊維強化プラスチック材料から成ることを特徴とする請求項１乃至３の１つに記載の機械。
5. 超伝導巻線（１０）の導体が金属の低Ｔｃ超伝導材料または金属酸化物の高Ｔｃ超伝導材料を含んでいることを特徴とする請求項１乃至４の１つに記載の機械。
6. 少なくとも回転子外側ハウジング（７）と巻線支持体（９）との間に真空室（Ｖ）があることを特徴とする請求項１乃至５の１つに記載の機械。
7. 回転子（５）の回転軸線（Ａ）が垂直方向に向けられていることを特徴とする請求項１乃至６の１つに記載の機械。

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