JP3913807B2

JP3913807B2 - 超電導回転電機の回転子

Info

Publication number: JP3913807B2
Application number: JP15401796A
Authority: JP
Inventors: 俊樹平尾
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1996-06-14
Filing date: 1996-06-14
Publication date: 2007-05-09
Anticipated expiration: 2016-06-14
Also published as: JPH104671A

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関し、特に回転子内部に設けられる配管の構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図７は例えば実開昭５６−１６９７７０号公報に示された従来の超電導回転電機の回転子の断面図である。図において、１は駆動側端部軸、２はこの駆動側端部軸１に対向する反駆動側端部軸、３は端部軸１，２間に設けられている常温ダンパ、４は常温ダンパ３の内側でトルクチューブ５を介して端部軸１，２間に固定されている円筒状の巻線取付軸、６は巻線取付軸４に支持されている超電導界磁巻線、７は巻線取付軸４の外周部に設けられている冷媒外筒、８は巻線取付軸４の軸方向両端部に固定されている一対の端板、９は巻線取付軸４，冷媒外筒７及び端板８により構成され、例えばヘリウムなどの冷媒を貯液する貯液槽であり、図示はしないが、巻線取付軸４には冷媒の流通路が確保されている。１０は貯液槽９内と回転子外部とを連通する配管である。
【０００３】
図８は図７の配管１０を示す説明図である。図において、配管１０は、端板８に接続され貯液槽９内に開口しているとともに回転軸中心に平行に延びる端板接続部１０ａ、回転軸中心に平行に延び回転子外部に連通する外部連通部１０ｂ、及び端板接続部１０ａと外部連通部１０ｂとを連結する連結部１０ｃを有している。
【０００４】
上記のような超電導回転電機の回転子においては、回転時の遠心力により冷媒液が貯液槽９内の径方向外側に移動し、超電導界磁巻線６が冷媒液に浸漬されて冷却される。また、配管１０は、例えば計測データ（超電導界磁巻線６や貯液槽９の温度、歪み、磁束密度など）を取り出す計測リード管、冷媒の圧力上昇時に作動する放圧管、圧力計測に用いる導圧管等として用いられ、その用途に応じて必要な本数設けられる。
【０００５】
さらに、配管１０を電流リード配管として使用する場合、図９に示すように、配管１０の貯液槽９内への開口部を、冷媒の液面よりも径方向外側に設け、冷媒液を配管１０の一部に流入させる。この場合、電流リード（図示せず）は、超電導界磁巻線６から回転子外部まで配線されており、電流リードからの侵入熱により連結部１０ｃ付近の冷媒液が蒸発する。そして、蒸発した気体により電流リードが冷却される。
【０００６】
【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超電導回転電機の回転子においては、回転時の遠心力により、図８に示すように、配管１０内に２次流れが発生し、極低温の貯液槽９内と室温の回転子外部とで熱交換が行われ、冷媒の蒸発量が過大になるという問題点があった。
【０００７】
また、図９に示すように、液面半径Ｒ_Lが外部連通部１０ｂの回転軸中心からの距離（半径位置）Ｒ_Oよりも小さくなると、冷媒液が外部に流出するため、配管１０が液面半径を小さくする上での制約となる。図１０は貯液槽の温度分布を示す関係図であり、液面半径が１００ｍｍから１５０ｍｍに増大すると、冷媒温度が約０．２Ｋ上昇する。これにより、超電導界磁巻線６の温度が０．２Ｋ上昇すると、臨界電流が約１０％低下してしまう。以上のように、冷媒蒸発量の過大、冷媒温度の上昇が生じると、超電導回転電機の運転を維持できなくなることがあり、例えば発電機の場合には電力供給停止に至る恐れがあった。
【０００８】
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、配管からの侵入熱を抑制することができ、液面半径を小さくして冷媒温度を低くすることができる超電導回転電機の回転子を得ることを目的とする。
【０００９】
【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は、軸方向端部に設けられている端板を有し、超電導巻線を冷却するための冷媒を貯液する貯液槽と、端板に接続され貯液槽内に開口しているとともに回転軸中心に平行に延びる端板接続部、回転軸中心に平行に延び回転子外部に連通する外部連通部、及び回転時に内部の流体に作用する遠心力が両端部で反対向きになるように配置され端板接続部と外部連通部とを連結する連結部を有し、電流リード管、計測リード管、放圧管及び導圧管のいずれか１つとして用いられる配管と、回転子外部から貯液槽への冷媒の供給路である冷媒供給管とを備えたものである。
【００１０】
請求項２の発明に係る超電導回転電機の回転子は、回転軸中心を通るように連結部を配置したものである。
【００１１】
請求項３の発明に係る超電導回転電機の回転子は、複数本の配管のそれぞれの連結部を、回転軸の軸方向に互いにずらして配置したものである。
【００１２】
請求項４の発明に係る超電導回転電機の回転子は、端板接続部と外部連通部とを、回転軸に対して円周方向に互いに９０゜以上の間隔をおいて配置し、連結部は、回転軸を中心、端板接続部及び外部連通部を半径とする円内に配置したものである。
【００１３】
請求項５の発明に係る超電導回転電機の回転子は、端板接続部の貯液槽内への開口部を、貯液槽の液面半径よりも径方向外側に配置したものである。
【００１４】
【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の断面図である。図において、１は駆動側端部軸、２はこの駆動側端部軸１に対向する反駆動側端部軸、３は端部軸１，２間に設けられている常温ダンパ、４は常温ダンパ３の内側でトルクチューブ５を介して端部軸１，２間に固定されている円筒状の巻線取付軸、６は巻線取付軸４に支持されている超電導界磁巻線、７は巻線取付軸４の外周部に設けられている冷媒外筒、８は巻線取付軸４の軸方向両端部に固定されている一対の端板、９は巻線取付軸４，冷媒外筒７及び端板８により構成され、例えばヘリウムなどの冷媒を貯液する貯液槽であり、図示はしないが、巻線取付軸４には冷媒の流通路が確保されている。１１は貯液槽９内と回転子外部とを連通する配管である。
【００１５】
図２は図１の配管１１を示す説明図である。図において、配管１１は、端板８に接続され貯液槽９内に開口しているとともに回転軸中心に平行に延びる端板接続部１１ａ、回転軸中心に平行に延び回転子外部に連通する外部連通部１１ｂ、及び端板接続部１１ａと外部連通部１１ｂとを連結する連結部１１ｃを有している。また、連結部１１ｃは、回転子の径方向に延び、回転軸中心を通るように配置されている。
【００１６】
このような配管１１では、連結部１１ｃが回転軸中心を横切って配置されているため、連結部１１ｃ内の流体に作用する遠心力の方向が回転軸中心を境界として両端部で反対向きになる。即ち、端板接続部１１ａに近い側では図の下向き、外部連通部１１ｂに近い側では図の上向きに遠心力が作用し、回転軸中心付近では遠心力が発生しない。このため、配管１１内の２次流れも、回転軸中心付近では発生しなくなる。これにより、極低温の貯液槽９と室温の回転子外部とが２次流れによって直接結ばれることがなくなり、熱交換が大幅に減少し、冷媒の蒸発量を低減することができる。
【００１７】
実施の形態２．
なお、上記の例では１本の配管１１のみ示したが、超電導回転電機の回転子では、用途に応じて複数本の配管１１を設けることがある。しかも、回転バランスを考慮して軸対称の位置に配管１１を配置する場合が多い。このような場合、図３に示すように、それぞれの連結部１１ｃを回転軸の軸方向に互いにずらすようにして配管１１を配置すればよい。これにより、連結部１１ｃ相互の干渉を避け、全ての配置１１の連結部１１ｃが回転軸中心を通るように配置することができ、侵入熱を大幅に低減することができる。
【００１８】
実施の形態３．
図４はこの発明の実施の形態３による配管の配置状態を示す構成図、図５は図４の矢印Ａ方向から見た配管の配置状態を示す構成図である。この例では、回転子の回転軸中心上に冷媒供給管１２が配置されている。このため、配管１１は、冷媒供給管１２を避けて配置されている。即ち、端板接続部１１ａと外部連通部１１ｂとは、回転軸に対して円周方向に互いに９０゜以上の間隔をおいて配置され（θ≧９０゜）、連結部１１ｃは、回転軸を中心、端板接続部１１ａ及び外部連通部１１ｂを半径とする円内に配置されている。
【００１９】
このような構成により、回転軸中心上に冷媒供給管１２等の構造物が配置されている場合にも、回転時に内部の流体に作用する遠心力が両端部で反対向きになるように連結部１１ｃを配置することができる。即ち、遠心力の方向は正確には正反対ではないが、遠心力を受けた流体の流れる方向が両端部で逆向きになるため、配管１１内の２次流れは、回転軸中心付近では発生しなくなり、冷媒の蒸発量を低減することができる。
【００２０】
実施の形態４．
次に、図６はこの発明の実施の形態４による配管の配置状態を示す構成図である。上記実施の形態１〜３では、配管１１の貯液槽９内への開口部を、冷媒の液面よりも径方向内側に設けた例を示したが、この例では、開口部が液面よりも径方向外側に位置しており、冷媒液が配管１１の一部に流入している。また、連結部１１ｃは、回転軸中心を通るように配置されている。
【００２１】
この例では、連結部１１ｃ内の冷媒液が受ける遠心力が回転軸中心を境に逆向きであるため、冷媒液が外部連通部１１ｂ側へ流れるのが防止される。従って、配管１１を電流リード配管等として用いる場合でも、冷媒の液面半径を小さくすることが可能となり、冷媒温度を低く保つことができる。このため、超電導安定性の高い回転子が得られる。
【００２２】
【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は、配管の連結部を、回転時に内部の流体に作用する遠心力が両端部で反対向きになるように配置したので、２次流れによる侵入熱を低減することができ、冷媒温度を低くすることができる。
【００２３】
請求項２の発明の超電導回転電機の回転子は、回転軸中心を通るように連結部を配置したので、回転バランスが良好に保ち、より確実に２次流れによる侵入熱を低減することができる。
【００２４】
請求項３の発明の超電導回転電機の回転子は、複数本の配管のそれぞれの連結部を、回転軸の軸方向に互いにずらして配置したので、配管相互の干渉を避けてそれぞれからの侵入熱を低減することができる。
【００２５】
請求項４の発明の超電導回転電機の回転子は、端板接続部と外部連通部とを、回転軸に対して円周方向に互いに９０゜以上の間隔をおいて配置し、連結部は、回転軸を中心、端板接続部及び外部連通部を半径とする円内に配置したので、冷媒供給管等の構造物が回転軸中心上に配置されている場合にも、２次流れによる侵入熱を低減することができ、冷媒温度を低くすることができる。
【００２６】
請求項５の発明の超電導回転電機の回転子は、端板接続部の貯液槽内への開口部を、貯液槽の液面半径よりも径方向外側に配置したので、液面半径を小さくして冷媒温度を低くすることができる。
【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の断面図である。
【図２】図１の配管を示す説明図である。
【図３】この発明の実施の形態２による配管の配置状態を示す構成図である。
【図４】この発明の実施の形態３による配管の配置状態を示す構成図である。
【図５】図４の矢印Ａ方向から見た配管の配置状態を示す構成図である。
【図６】この発明の実施の形態４による配管の配置状態を示す構成図である。
【図７】従来の超電導回転電機の回転子の一例を示す断面図である。
【図８】図７の配管を示す説明図である。
【図９】図８の配管の一部に冷媒液が流入する場合の説明図である。
【図１０】貯液槽の温度分布を示す関係図である。
【符号の説明】
６超電導界磁巻線、８端板、９貯液槽、１１配管、１１ａ端板接続部、１１ｂ外部連通部、１１ｃ連結部。

Claims

軸方向端部に設けられている端板を有し、超電導巻線を冷却するための冷媒を貯液する貯液槽と、
上記端板に接続され上記貯液槽内に開口しているとともに回転軸中心に平行に延びる端板接続部、上記回転軸中心に平行に延び回転子外部に連通する外部連通部、及び回転時に内部の流体に作用する遠心力が両端部で反対向きになるように配置され上記端板接続部と上記外部連通部とを連結する連結部を有し、電流リード管、計測リード管、放圧管及び導圧管のいずれか１つとして用いられる配管と、
回転子外部から上記貯液槽への上記冷媒の供給路である冷媒供給管と
を備えていることを特徴とする超電導回転電機の回転子。
連結部は、回転軸中心を通るように配置されていることを特徴とする請求項１記載の超電導回転電機の回転子。
配管が複数本設けられており、それぞれの連結部が回転軸の軸方向に互いにずらして配置されていることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の超電導回転電機の回転子。
端板接続部と外部連通部とは、回転軸に対して円周方向に互いに９０゜以上の間隔をおいて配置され、連結部は、上記回転軸を中心、上記端板接続部及び上記外部連通部を半径とする円内に配置されていることを特徴とする請求項１記載の超電導回転電機の回転子。
端板接続部の貯液槽内への開口部が、上記貯液槽の液面半径よりも径方向外側に位置していることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の超電導回転電機の回転子。