JP3930277B2

JP3930277B2 - 超電導発電機

Info

Publication number: JP3930277B2
Application number: JP2001277773A
Authority: JP
Inventors: 潔山口; 一正井出; 誉延森
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2001-09-13
Filing date: 2001-09-13
Publication date: 2007-06-13
Anticipated expiration: 2021-09-13
Also published as: JP2003088092A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超電導発電機に係り、特に超電導の界磁巻線が取り付けられる巻線軸の材質を磁性体とした超電導発電機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
これまでの超電導発電機の超電導界磁巻線は、例えば特開平１０−１２７０４３号公報等に記載のように非磁性高強度材からなる巻線軸に取り付けられていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
極低温で十分な強度と靭性を持ち、超電導発電機の超電導界磁巻線の巻線軸に適する高強度材としては非磁性のＡ２８６合金や極低温で弱い磁性を持つインコネル材が知られている。超電導発電機の回転子は巻線軸以外の部分も非磁性の材料で作られており、空隙巻線となっている電機子巻線と合わせて磁気シールド内径部が全て磁気的な空隙となる構成である。低リアクタンスの発電機となって系統安定度が向上するなどの利点があるが、空隙磁束を増加させることによる更なる小型化の面では限界に達していた。
【０００４】
本発明の目的とするところは、上記の問題点に鑑み、極低温で巻線軸の靭性が保たれ、かつ界磁巻線の起磁力を上げずに空隙磁束を増加できる超電導発電機を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、界磁巻線が備わる巻線軸を超伝導状態の温度で十分な靭性と磁性を有する磁性金属で形成したことを特徴とする。
【０００６】
こうすることにより、超電導界磁巻線の起磁力を上げずに空隙の磁束密度を上げることが出来る。また極低温で靭性が低下しないので、丈夫でコンパクトな超電導発電機が実現できる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る回転電機の実施の形態を実施例の図面に基づいて説明する。
【０００８】
なお、従来例を挙げて比較しながら説明する。
【０００９】
図１は第１の実施例である超電導発電機を示す。超電導発電機は超電導の界磁巻線５を回転子部分に持ち、該超電導の界磁巻線の非常に大きな起磁力により電機子巻線２の部分に大きな磁束密度を生じることができる。そのため、電機子巻線２は空隙巻線なっている。回転子において超電導の界磁巻線５は巻線軸６に取り付けられている。この他、回転子はダンパ巻線機能を有し、電機子巻線からの高周波磁束をシールドする常温ダンパ３とラジエーションシールド機能を有し、電機子巻線からの低周波磁束をシールドできる低温ダンパ４ならびに超電導の界磁巻線の冷却に用いる液体ヘリウム（冷媒）を有する液体ヘリウム貯槽７を有する。固定子は界磁磁束のヨークとなり、外部への磁束のシールド機能を有する磁気シールド１がある。このような構成において、超電導発電機回転子の巻線軸に磁性体を使用した発電機である。
【００１０】
更に詳しく説明する。回転子は、回転軸、円盤状の支持円板、円筒状の常温ダンパ３を有しする。常温ダンパ３の内部空間に収まるように巻線軸６は置かれる。常温ダンパ３は回転子の回転軸に設けられた円盤状の支持円板に取り付けられる。巻線軸６の外周と常温ダンパ３の内周との間には、低温ダンパ４が配置される。
【００１１】
低温ダンパ４の内周と巻線軸６の外周との間には、冷媒用カバーが備わる。巻線軸６の外周側には、界磁巻線５が埋め込むように備えられ、内側には液体ヘリウム貯槽７（ボア）が設けられる。巻線軸６の外周側両端側には円筒部が設けられ、先端は前記支持円板に接合している。支持円板側は常温、ボア側は極低温であるので、円筒部は先端側と付け根側では極めて大きな温度勾配になる。
【００１２】
液体ヘリウム貯槽７（ボア）に溜まるように回転軸の供給孔から供給された冷媒は、ボアから界磁巻線５の埋め込み部分に通ずる連通孔より界磁巻線５に供給され、界磁巻線５を冷却する。界磁巻線５を冷却した冷媒が外部に漏れないように冷媒用カバーが備わっているのである。冷媒用カバー内の冷媒は、冷媒回収用流路を経由して回収される。
【００１３】
図２は従来の界磁巻線の巻線軸に非磁性体を用いた超電導発電機を示す。
【００１４】
この従来の超電導発電機は、巻線軸８が非磁性体で形成されているところ以外は、図１に示す実施例とほぼ同じ構成を有している。
【００１５】
これらの発電機（本実施例と従来例）の磁束密度分について、２００ＭＷの出力容量を持つ非磁性巻線軸の超電導発電機を基にした検討結果を以下に示す。
【００１６】
非磁性巻線軸を持つ発電機と同じ体格の磁性巻線軸超電導発電機は表１に示すように起磁力を非磁性巻線軸の場合の７５％にすることができる。起磁力は、定格電流で決まる。７５％の数値は定格電流より求めたものである。磁性巻線軸超電導発電機の起磁力を非磁性巻線軸超電導発電機と同じにすると表１に示すように２００ＭＷ発電機出力を１３０％の２６０ＭＷにすることができる。
【００１７】
【表１】

図３（従来例）は非磁性巻線軸を用いた２００ＭＷ超電導発電機の定格出力時の磁束密度分布を示す。図４（本発明の実施例）は同じ体格の超電導発電機で磁性巻線軸を用いて２００ＭＷを出力した場合である。図５（本発明の実施例）は同じ体格の超電導発電機で磁性巻線軸を用い、非磁性巻線軸２００ＭＷ超電導発電機と同じ起磁力を与えた場合の磁束密度分布を示す。図３、４、５は有限要素法による計算結果であり、表１に示す結果をこれら計算によって得た。
【００１８】
２００ＭＷ級の超電導発電機の超電導界磁巻線を取り付ける巻線軸のボア径は強度の面から通常３００ｍｍ以上にする。６００ＭＷ機では通常３５０ｍｍ以上にする。したがって、ボア径を２５０ｍｍ〜３００ｍｍとすれば磁性巻線軸の磁路の断面積が増えて空隙磁束を更に増加できる。ボア内部は超電導界磁巻線の冷却に使われる液体冷媒である液体ヘリウムの貯槽として使われる。図６に第２の実施例である超電導発電機を示す。界磁巻線端部は、巻線軸の軸線方向に沿うように配置されている界磁巻線の直線部分とは違って界磁磁束の磁路を確保する必要が無いので、この部分のボア径を強度的に許容できる範囲で大きくとり、液体ヘリウム貯槽としての機能を充実させることができる。言い換えると、ボアは界磁巻線の直線部分が配置されるボアの中央部が小径で、両端側が大径になっているのである。
【００１９】
通常発電機の回転子に用いる磁性材料は極低温で靭性が著しく低下するので超電導発電機の超電導界磁巻線の巻線軸として用いることができない。磁性の巻線軸材として１３ｍａｓｓ％Ｎｉと３ｍａｓｓ％Ｍｏ系の鉄基合金を用いると十分な靭性と強度があり磁性巻線軸を持つ超電導界磁巻線が可能になる。この金属材料は、常温でも靭性と強度に優れ、強磁性も保持される。
【００２０】
１３ｍａｓｓ％Ｎｉと３ｍａｓｓ％Ｍｏ系の鉄基合金の実施例について更に詳しく以下に説明する。小規模インゴットによる基礎的な検討を実施した。
【００２１】
既存材料で一般のロータシャフト材に使用されているＮｉＣｒＭｏＶ系の低合金鋼は強磁性材料であるが、極低温では脆性が顕著となるため超電導発電機の巻線軸材には適してない。しかしＮｉ量の多いマルテンサイト系のＦｅ−Ｎｉ基合金は強磁性と低温靭性を共に満足する可能性がある。このため１３ｍａｓｓ％Ｎｉと３ｍａｓｓ％Ｍｏ系鉄基合金を製作し、室温から極低温の温度範囲で引張特性および磁気特性を測定した。
【００２２】
本発明の実施例に係る１３ｍａｓｓ％Ｎｉと３ｍａｓｓ％Ｍｏ系鉄基合金はＡｌ（アルミニューム）の含有量が少ないことと、微量のＺｒとＭｇを含むことを特徴としている。Ａｌは低温靭性を損なうため０．０２０ｍａｓｓ％以下としている。ＺｒとＭｇは脱酸、脱硫元素であり、合金の鍛造性と溶接性の向上に効果が大きいため各々最大０．０５ｍａｓｓ％まで添加している。超電導発電機の巻線軸のような大型鍛造品は鍛造割れを生じやすいが、ＺｒとＭｇを添加した１３ｍａｓｓ％Ｎｉと３ｍａｓｓ％Ｍｏ系鉄基合金は鍛造割れを生じにくい。また巻線軸は低温ダンパなど他の部品との溶接個所が多数あるが、ＺｒとＭｇを添加した１３ｍａｓｓ％Ｎｉと３ｍａｓｓ％Ｍｏ系鉄基合金は溶接割れを生じにくい。また本発明の１３ｍａｓｓ％Ｎｉと３ｍａｓｓ％Ｍｏ系鉄基合金はＣを最大０．１０ｍａｓｓ％まで許容できるため溶製時にカーボンが残留してもよいことが特徴である。
【００２３】
表２は本発明の実施例に係る１３ｍａｓｓ％Ｎｉと３ｍａｓｓ％Ｍｏ系鉄基合金と、比較材に挙げた従来例に係るインコネルの化学成分を示す。３０ｋｇ真空溶解後で作製したインゴットを平角形状に熱間鍛造し、熱処理を与えてから試験片を採取して特性を測定した。本発明の実施例に係る材料には９００℃焼入れの熱処理を与え、比較材には９８０℃×１ｈ溶体化および８４５℃×３ｈ＋７２０℃×８ｈ＋６２０℃×８ｈ時効の熱処理を与えた。
【００２４】
【表２】

図７は本発明の実施例に係る材料Ｎ１、図８は本発明の実施例に係る材料Ｎ２の引張特性を示す。図９は本発明の実施例に係る材料Ｎ１、図１０は本発明の実施例に係る材料Ｎ２、図１１は比較材に挙げた従来例に係るインコネルの磁気特性を示す。１３ｍａｓｓ％Ｎｉと３ｍａｓｓ％Ｍｏ系鉄基合金は室温で引張０．２％耐力６００ＭＰａと４Ｋで伸び２０％を示し、室温から５Ｋの温度範囲でインコネルよりも強い強磁性を示している。この結果から１３ｍａｓｓ％Ｎｉと３ｍａｓｓ％Ｍｏ系鉄基合金は巻線軸に適した強磁性・高強度・高靭性材料にあることが明らかである。この１３ｍａｓｓ％Ｎｉと３ｍａｓｓ％Ｍｏ系鉄基合金は従来界磁巻線取付軸に用いられているＡ２８６合金やインコネルよりもＮｉ量が少ないことから材料費が安いという特長がある。
【００２５】
【発明の効果】
以上説明した本発明に係る超電導発電機によれば、超電導界磁巻線に性能上の負担を掛けることなく空隙磁束を増加させて、超電導発電機の小型化が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態を示す第１の実施例に係るもので、超電導発電機の構成を示す図。
【図２】従来例に係る超電導発電機の構成を示す図。
【図３】従来例に係る非磁性巻線軸を用いた２００ＭＷ超電導発電機の定格出力時の磁束密度分布を示す図である。
【図４】本発明の実施例に係るもので、図３と同じ体格の超電導発電機で磁性巻線軸を用いて２００ＭＷを出力した場合の磁束密度分布を示す図である。
【図５】本発明の実施例に係るもので、図３と同じ体格の超電導発電機で磁性巻線軸を用い、非磁性巻線軸２００ＭＷ超電導発電機と同じ起磁力を与えた場合の磁束密度分布を示す図である。
【図６】本発明の実施形態を示す第２の実施例に係るもので、超電導発電機の構成を示す図である。
【図７】本発明の実施例に係るもので、材料Ｎ１の引張特性を示す。
【図８】本発明の実施例に係るもので、材料Ｎ２の引張特性を示す図である。
【図９】本発明の実施例に係るもので、材料Ｎ１の磁気特性を示す図である。
【図１０】本発明の実施例に係るもので、材料Ｎ２の磁気特性を示す図である。
【図１１】比較材として挙げた従来例に係るインコネルの磁気特性を示す図である。
【符号の説明】
１…磁気シールド、２…空隙電機子巻線、３…常温ダンパ、４…低温ダンパ、５…超電導界磁巻線、６…磁性巻線軸、７…液体ヘリウム貯槽、８…非磁性巻線軸。

Claims

巻線軸に取り付けられる界磁巻線を冷媒で冷やして超伝導状態を保つ超電導発電機にあって、
巻線軸は１３ｍａｓｓ％Ｎｉと３ｍａｓｓ％Ｍｏ系の鉄基合金を含む金属材料を用いることを特徴とする超電導発電機。
請求項１に記載された超電導発電機において、
前記巻線軸の内側に前記冷媒が溜まるボアを設け、前記巻線軸の軸線方向に沿うように配置されている前記界磁巻線の直線部分に対応するところのボア中央部の径を２５０ｍｍ〜３００ｍｍにしたことを特徴とする超電導発電機。
請求項２に記載された超電導発電機において、
前記ボアの両端側径を前記ボア中央部の径よりも大きくしたことを特徴とする超電導発電機。