JP5016393B2 - 超電導回転電機の回転子 - Google Patents

Description

本発明は、超電導回転電機の回転子に係り、特に回転子内部への変動磁界の侵入を防ぐために設けられる磁気シールドの支持構造を改良した超電導回転電機の回転子に関するものである。

超電導回転電機の回転子は、巻線取付軸に設けられた超電導界磁巻線を極低温に冷却して電気抵抗をゼロの状態にし、励磁損失をなくして強力な磁界を発生させながら回転させることにより、固定子側に交流電力を発生させるようになっている。

この種の超電導回転電機の回転子において、巻線取付軸の外側には、超電導界磁巻線を囲むように円筒状の常温ダンパーシールドが設けられ、この常温ダンパーシールドの軸方向両側にそれぞれ回転軸が連結されている。

巻線取付軸の軸方向両側には、それぞれこの巻線取付軸に連結され、回転トルクを外部へ伝達するトルクチューブが設けられており、一方のトルクチューブの他端部は、巻線取付軸の熱変形を許容するための熱延び吸収機構部が設けられて常温ダンパーシールドに連結され、他方のトルクチューブの他端部は他方の回転軸に連結されている。そして常温ダンパーシールドおよびトルクチューブの内部は、断熱のため真空に維持される構成になっている。

ここで、常温ダンパーシールドは、回転子内部への変動磁界の侵入を防ぐために磁気シールド機能を持たせるのが一般的である（特許文献１ないし４参照）。

この磁気シールド機能を有する常温ダンパーシールドは、機械的な応力に耐えられるように高強度のステンレス等で作られた真空容器壁と、磁気を遮蔽するために高導電率の銅やアルミニウム等を使用した磁気シールドにより構成される。
特許第３４６１９５２号公報 特開２００７−３７２８１号公報 特開平１０−２８５９０５号公報 特開平１１−２７９２９号公報

ところで、この磁気シールド機能を有する常温ダンパーシールドは、回転電機の始動時や一時的に誘導機の二次側として使用される場合、またインバータの高調波により渦電流が発生する場合等においては、磁気シールドが加熱されて温度上昇が生じるため、極低温下にある回転子内部の冷却特性に影響を及ぼすおそれがあった。

また材質の異なる磁気シールドと真空容器壁との接合を、溶接により行なった場合には、溶接時の温度上昇により熱応力が発生したり、また回転電機の運転時に短絡事故が発生した際には、その溶接部に大きな応力が作用して破損したりするおそれがあるので、溶接に代えて焼き嵌めや爆着による嵌合で接合される場合が多い。

この場合、何らかの応力を受けた際に磁気シールドと真空容器壁が剥離を起こさないよう結合力を高めるために十分な締め代を持って接合する必要があり、真空容器壁や磁気シールドを十分厚く形成する必要があった。

本発明は、上述のような従来技術の問題を解決するためになされたものであり、磁気シールドが温度上昇しても極低温下にある回転子内部に及ぼす影響を低減することができ、しかも磁気シールドと真空容器壁の厚みを低減することのできる超電導回転電機の回転子を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明による超電導回転電機の回転子は、円筒状の巻線取付軸と、この巻線取付軸の外周部に設けられた超電導界磁巻線と、前記巻線取付軸の軸方向両側にそれぞれ連結された第１および第２のトルクチューブと、前記第１および第２のトルクチューブそれぞれを介してトルクが伝達される第１および第２の回転軸と、これら第１および第２の一対の回転軸に取り付けられ、前記超電導界磁巻線を囲うように配設された円筒状の真空容器壁と、この真空容器壁の径方向外側に配設された円筒状の磁気シールドと、前記第１のトルクチューブと前記真空容器壁とを連結する熱延び吸収機構部と、を備え、前記磁気シールドは、前記真空容器壁との間に隙間を存して配設されるとともに、軸方向の一端部が前記第１および第２の回転軸の一方のみに固定され、他端部が少なくとも軸方向に対して非拘束の状態で配設されていることを特徴とする。

本発明によれば、磁気シールドを真空容器壁と分離し、その間に隙間を設けているので、磁気シールドの発熱が極低温下にある回転子内部の超電導界磁巻線へ侵入するのを低減することができる。

また磁気シールドの一端部を回転軸に強固に固定しており、磁気シールドに作用する応力は、この一端部の固定部で受けるようにしているので、応力に対処する目的で磁気シールドや真空容器壁を厚く形成して接合する必要がない。このため回転電機の外形寸法が小さくなるとともに回転子と固定子の間の磁気ギャップも狭くなるので、出力密度を高めることができる。

以下、本発明に係る超電導回転電機の回転子の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は本発明による第１の実施の形態に係る超電導回転電機の回転子を示す正面断面図である。図２は図１のII−II線に沿って切断し、矢印の方向にみた側面断面図である。図３は図１のIII−III線に沿って切断し、矢印の方向にみた側面断面図である。

図１ないし図３において、本実施の形態における超電導回転電機の回転子は、常温ダンパーシールドが、高強度のステンレス鋼等により形成された円筒状の真空容器壁１と、この真空容器壁１の径方向外側に配設され、高導電率の銅やアルミニウム等で形成されて回転子内部への変動磁界の侵入を防ぐ磁気シールド２により構成されている。

真空容器壁１は、その軸方向両端部に回転軸３ａ，３ｂが連結されている。この回転軸３ａ，３ｂは、それぞれ軸受４ａ，４ｂにより回転自在に支持され、一方が駆動側回転軸３ａを構成し、他方が反駆動側回転軸３ｂを構成している。反駆動側回転軸３ｂ内には、冷媒給排用の配管５が配設され、また外周に界磁電流供給用のスリップリング６が設けられている。

真空容器壁１の内側には、真空容器壁１と同軸上に円筒状の巻線取付軸７が設けられている。この巻線取付軸７の軸中心部には冷媒を収納する空間部８が形成されており、この空間部８には、冷媒給排用の配管５を介して液体ヘリウムなどの冷媒が供給され、かつ気化ガスが排気されるようになっている。

また巻線取付軸７の外周部には、複数個のスロットに収納した超電導界磁巻線９が設けられ、冷媒により極低温に冷却されるようになっている。この超電導界磁巻線９へは、スリップリング６から電線１０を介して界磁電流が供給されるようになっている。

巻線取付軸７の軸方向両側には、それぞれこの巻線取付軸７に連結され、回転トルクを外部へ伝達するトルクチューブ１１ａ，１１ｂが設けられている。一方のトルクチューブ１１ａの他端部には、巻線取付軸７の熱変形を許容するための熱延び吸収機構部１２が設けられて真空容器壁１に連結され、他方のトルクチューブ１１ｂの他端部は、回転軸３ｂに連結されている。真空容器壁１およびトルクチューブ１１ａ，１１ｂの内部は、断熱のため真空に維持されている。

このような構成により超電導回転電機の回転子においては、巻線取付軸７に設けられた超電導界磁巻線９を極低温に冷却して電気抵抗をゼロの状態にし、励磁損失をなくして強力な磁界を発生させながら回転させることにより、図示しない固定子側に交流電力を発生させる。

ここで、常温ダンパーシールドを構成する磁気シールド２と真空容器壁１とは、径方向の間に隙間が設けられている。また磁気シールド２は、軸方向の一端部（図示右端部）に径方向内向きに延びるフランジ２ａが形成されており、このフランジ２ａを介してボルト１３等の固定手段により回転軸３ｂに固定されている。一方、磁気シールド２の軸方向の他端部２ｂ（図示左端部）は、回転軸３ａの外形寸法に比してわずかに大きい外径寸法を有して自由端となっている。

したがって磁気シールド２は、径方向に沿う真空容器壁１との間に隙間を存して配設されるとともに、図示右端部が回転軸３ｂに強固に固定され、他端部が真空容器壁１および回転軸３ａとの間で軸方向および回転方向に対して非拘束の状態で配設されていることになる。

これにより、磁気シールド２が発熱した場合には、磁気シールド２と真空容器壁１との間に存する隙間により熱伝導が低減されて真空容器壁１の温度上昇を抑えることができ、回転子内部の極低温下にある超電導界磁巻線９への熱侵入を低減することができる。

また磁気シールド２の発熱に伴う熱延びが生じた場合でも、磁気シールド２の図示右端部は回転軸３ｂに固定されているが、図示左端部は自由端となっていて軸方向に沿う運動が許容されているので、磁気シールド２は軸方向に延びることができ、真空容器壁１との間に応力が発生しない。したがって磁気シールド２と真空容器壁１との接合を強化するために磁気シールド２および真空容器壁１の肉厚を厚く形成する必要がない。

しかも磁気シールド２は、図示右端部の固定部のみで、その自重と過渡運転時に生じるトルクを抑える構造となっているため、真空容器壁１とともに超電導界磁巻線９と相対する部分の肉厚を薄くすることができる。これにより超電導回転電機の外形寸法が小さくなるとともに回転子と固定子の間の磁気ギャップも狭くなるので、超電導回転電機の出力密度を高めることができる。

図４および図５は、本発明による第２の実施の形態を示し、図４は超電導回転電機の回転子の側面断面図、図５は図４の主要部を拡大して示す斜視図である。図４および図５において、本実施の形態が第１の実施の形態と異なる点は、磁気シールド２の軸方向の他端部が軸方向に対しては非拘束の状態で、回転方向に対しては拘束される状態で配設されているところにある。

磁気シールド２の軸方向の他端部２ｂには、周方向に沿う第１の凹凸部２ｃが形成されており、一方、回転軸３ａの外周部には周方向に沿う第２の凹凸部３ｃが形成されている。そしてこの第１および第２の凹凸部２ｃ、３ｃが軸方向の熱延びを許容するための隙間ｇを介して嵌合されて磁気シールド２の軸方向の他端部２ｂが構成されている。

これにより磁気シールド２の軸方向の左側端部２ｂでは、軸方向に沿う運動は許容されるが、回転方向の運動は凹凸部２ｃ，３ｃの嵌合によって制限を受けることになるので、磁気シールド２に特に強い回転力が加わる機種において大きな効果を発揮することになる。

なお上記実施の形態においては、回転軸３ａの外周部に第２の凹凸部３ｃを形成した場合について説明したが、真空容器壁１の左側端部の外周部に第２の凹凸部を形成して第１の凹凸部２ｃと嵌合させるように構成することもできる。

本発明による第１の実施の形態に係る超電導回転電機の回転子を示す正面断面図である。 図１のII−II線に沿って切断し、矢印の方向にみた側面断面図である。 図１のIII−III線に沿って切断し、矢印の方向にみた側面断面図である。 本発明による第２の実施の形態に係る超電導回転電機の回転子を示す側面断面図である。 図４の主要部を示す斜視図である。

符号の説明

１…真空容器壁
２…磁気シールド
２ａ…フランジ
２ｃ…第１の凹凸部
３ａ，３ｂ…回転軸
３ｃ…第２の凹凸部
４ａ，４ｂ…軸受
５…冷媒給排用の配管
６…スリップリング
７…巻線取付軸
８…空間部
９…超電導界磁巻線
１０…電線
１１ａ，１１ｂ…トルクチューブ
１２…熱延び吸収機構部
１３…ボルト

Claims (4)

1. 円筒状の巻線取付軸と、
   この巻線取付軸の外周部に設けられた超電導界磁巻線と、
   前記巻線取付軸の軸方向両側にそれぞれ連結された第１および第２のトルクチューブと、
   前記第１および第２のトルクチューブそれぞれを介してトルクが伝達される第１および第２の回転軸と、
   これら第１および第２の一対の回転軸に取り付けられ、前記超電導界磁巻線を囲うように配設された円筒状の真空容器壁と、
   この真空容器壁の径方向外側に配設された円筒状の磁気シールドと、
   前記第１のトルクチューブと前記真空容器壁とを連結する熱延び吸収機構部と、
   を備え、
   前記磁気シールドは、前記真空容器壁との間に隙間を存して配設されるとともに、軸方向の一端部が前記第１および第２の回転軸の一方のみに固定され、他端部が少なくとも軸方向に対して非拘束の状態で配設されていること、
   を特徴とする超電導回転電機の回転子。
2. 前記磁気シールドの軸方向の他端部が自由端に構成されていることを特徴とする請求項１に記載の超電導回転電機の回転子。
3. 前記磁気シールドの軸方向の他端部が軸方向に対しては非拘束の状態で、回転方向に対しては拘束される状態で配設されていることを特徴とする請求項１に記載の超電導回転電機の回転子。
4. 前記磁気シールドの軸方向の他端部に周方向に沿う第１の凹凸部を形成し、前記回転軸または真空容器壁に周方向に沿う第２の凹凸部を形成し、この第１および第２の凹凸部を互いに嵌合させて前記磁気シールドの軸方向の他端部が構成されていることを特徴とする請求項３に記載の超電導回転電機の回転子。

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