JP5043898B2 - 超伝導回転機の固定子冷却構造 - Google Patents

Description

本発明は超伝導回転機、つまり超伝導モーターまたは発電機の固定子を冷却させるための冷却構造に係り、スロットに形成された空間部に固定子コイルを露出させて、冷却チューブを通じて固定子コイル及び固定子ヨークを同時に直接冷却させることができる超伝導回転機の固定子冷却構造に関するものである。

一般に、既存のモーターの固定子は、空気の自然対流（ｎａｔｕｒａｌ ｃｏｎｖｅｃｔｉｏｎ）または強制対流（ｆｏｒｃｅｄ ｃｏｎｖｅｃｔｉｏｎ）によって冷却され、水冷または油冷を用いるものもある。空冷の場合は、固定子コイルに流し得る電流の密度が相対的に水冷または油冷の方式より低いが、自然対流空冷式は別途の冷却装置が全く必要でなく、強制対流空冷式は冷却用ファン（ブロワー）のみを設置すれば良い。

水（油）冷式の場合は、１０００馬力以上の大容量で使用され、空冷式よりは固定 子コイルに流し得る電流の密度が高いが、冷却のための装置がずっと複雑になる。

一般に、既存モーターの水冷または油冷方式は、図１に示すように、一番多い熱が 発生する固定子コイル１を直接冷却する方式ではなく、コイルを取り囲む固定子鉄心 ２を冷却して、固定子コイルとの熱伝逹によって発生する熱を除去する方式である。 したがって、固定子の冷却のための水または油が流れる通路３が固定子ヨーク鉄心を 冷却する構造になっている。

既存のモーターは、このように、固定子コイルが伝熱性能に優れた鉄心で取り囲ま れているので、冷却通路を固定子ヨーク部にだけ設置しても、固定子コイルを充分に 冷却させることができる。

一方、超伝導モーター及び発電機のような超伝導回転機は、鉄心を使用しなくて強 磁場を発生させることができる超伝導コイルを用いる。既存の回転機は銅製のコイル を用いるので、鉄心を使用しなくては所望の出力を得ることが難しく、固定子コイル と回転子コイルの磁束鎖交量を最大化させるために固定子鉄心と回転子鉄心の間の空 隙が非常に小さい。したがって、固定子コイルが鉄心でなるスロット（ｓｌｏｔ）に 挿入されて回転子との空隙を最小化する構造を持つ。しかし、このような鉄心でなる スロットに磁場が集中して回転子によって発生する磁場が回転するとき、スロット部 での交流損失が他の部分でより大きく発生し、スロット部とコイル部の透磁率（ｐｅ ｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ）が違うので、発電電圧波形のひずみ率が増加する要因になる。

超伝導回転機は、このような既存の機器の問題点を解決するために、固定子スロットが鉄心でないＦＲＰ（Ｆｉｂｅｒ−ｇｌａｓｓ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃｓ）のような非磁性体で作製される。したがって、スロット部での損失がなくなり、発電電圧の波形が非常に正弦的（ｓｉｎｕｓｏｉｄａｌ）である利点ある一方、ＦＲＰの熱伝導率が鉄心より非常に低いため、固定子コイルで発生する熱がほとんど放出されない欠点がある。

船舶推進用モーターまたはタービン発電機のような既存の大型機器においては、図２に示すように、固定子コイルの間に冷却チューブ４を挿入するかコイル自体に冷却通路を持つ方式の水（油）冷却構造を持つ。

これまで開発された大部分の超伝導回転機の固定子の水（油）冷却構造は、図３及び図４に示すように、既存の回転機に使用される形態を持つ。このような構造は、ＦＲＰ６の内部の狭いスロットに冷却チューブ８を固定子コイル５とともに巻線しなければならなく、固定子コイル５の端部が曲がる形状によって冷却チューブ８が折り曲げられる部分１７があり、各部分の冷却チューブを多数箇所で熔接しなければならない。よって、冷却チューブが狭くなるか詰まりが発生しやすく、製作が大変難しい欠点がある。また、固定子スロットの内部に導体が占めるべき空間に冷却チューブが配置されるので、スロットの内部の固定子導体点積率が減少して機器のサイズが大きくなる要因になる。

既存の方式と違う固定子冷却構造として、図５のような形態の特許文献１が登録されている。ここでは、スロットがなくなり、固定子コイル９が単層（Ｓｉｎｇｌｅ ｌａｙｅｒ）に巻線方式でなっている。冷却チューブ１０は単層になる固定子コイルの上下部に螺旋状にコイルを取り囲む形態を取っている。このような方式は、固定子コイルが受ける電磁気力（トルク）を保持する構造物がないので、１８００ｒｐｍ以上で回転し、固定子コイルに比較的小さい電磁気力が作用する産業用モーターに適している。

しかし、一般的な産業用モーターに比べ、１／１０倍以下の回転速度を有するとともに高トルクが作用する船舶推進用モーターや風力発電機などの固定子コイルには非常に大きな電磁気力がかかるので、図５のように、固定子コイル９を保持するスロットを使用しなければ、機器の破損を生じさせてしまうことになる。

また、このような方式は、冷却チューブ１０がコイルをまったく取り囲む一体型であるので、固定子コイル９が焼損した場合、コイルのみを補修するのが大変難しく、各相のコイルが重なって製作されるので、電気的絶縁が脆弱になりやすい。よって、固定子コイルが受ける電磁気力が比較的小さい高速及び低トルクの産業用モーターなどには適用することができるが、固定子コイルが受ける電磁気力が非常に大きい低速及び高トルクの船舶推進用モーターまたは風力発電機などの分野には適しなく、高トルクを保持することができる構造が必要である。

そして、コイルを上下から覆っている冷却チューブ１０によって固定子コイル部の体積が増加して機器の大きさがもっと増加し、超伝導界磁コイルと固定子コイルの間の空隙（Ａｉｒ−ｇａｐ）が他の方法によるものより増加するので、目標出力を得るための磁束鎖交量を確保するために、高価な超伝導線材が界磁コイルにもっと多く必要になるので、機器の製造費用をさらに増加させる。

米国特許第６，４８９，７０１ Ｂ１号明細書

したがって、本発明は前記問題点を解決するためになされたもので、低速及び高トルクの超伝導回転機に、冷却効率が空冷式より高い水（油）冷却方法を採用するとともに、発生する高トルクを保持するスロットを除去せずに冷却チューブを通じて固定子コイル及び固定子ヨークを同時に直接冷却させることができる超伝導回転機の固定子冷却構造を提供することをその目的とする。

前記課題を達成するために、本発明は、固定子コイルがスロットに保持され、その外側部に固定子ヨークが形成された超伝導回転機の固定子を冷却させるための冷却構造であって、前記固定子コイルの一部が露出するように、前記スロットに軸方向に空間部が形成され、前記固定子コイルが露出した部位と前記固定子ヨークの間に冷却チューブが配設されることにより、前記固定子コイルと固定子ヨークを同時に冷却させる、超伝導回転機の固定子冷却構造を提供する。

前記スロットに形成された空間部は軸方向に多数形成されることができる。

前記冷却チューブは、前記固定子コイルが露出した部位に螺旋状に巻き付けられてなることができる。

前記冷却チューブは前記固定子コイルが露出した部位に螺旋状に巻き付けられ、隣接した冷却チューブとは前記固定子の外側で連結されることができる。

前記冷却チューブは前記固定子ヨークに形成された引込路及び引出路に収容されて前記固定子の外部で連結されることができる。

前記構成によって、本発明は、前記冷却チューブが固定子コイルと固定子ヨークに同時に接する構造であるので、固定子コイルだけではなく固定子ヨークも同時に冷却させることができる効果がある。

また、前記冷却チューブが固定子スロットの内部に配置される方式ではないので、冷却チューブが折り曲げられる部分で冷却チューブが詰まるおそれがなく、多数の冷却チューブを連結する必要がないので、冷却チューブの間の熔接の際に発生し得る詰まりも減らすことができ、固定子コイルの外面に螺旋状に冷却チューブを巻くことでよいので、製作が非常に簡単であり、機器が小型になるだけでなく、スロットの内部で固定子コイルが占める体積率を高めることができ、回転子の磁束と鎖交量も一層小さいので、冷却チューブで発生し得る渦電流も大幅に減らすことができる効果がある。

また、固定子にスロットが存在するので、固定子コイルに作用する電磁気力（トルク）を保持することができ、特に低速及び高トルクの船舶推進用モーターや風力発電機で発生する非常に大きな電磁気力を保持することができる効果がある。

既存の水（油）冷式モーターの固定子構造を示す部分破断斜視図である。 既存の水（油）冷式発電機の固定子スロットの内部構造を示す断面図である。 既存の水（油）冷式超伝導モーターまたは発電機の横断面形状を示す断面図である。 既存の水（油）冷式超伝導モーターまたは発電機の縦断面形状を示す断面図である。 従来技術による固定子コイル及び冷却チューブ形状を示す斜視図である。 本発明の超伝導モーターまたは発電機の横断面形状を示す断面図である。 本発明の超伝導モーターまたは発電機の縦断面形状を示す断面図である。

以下、本発明の好適な実施例を添付図面に基づいて詳細に説明する。図６及び図７は本発明による超伝導回転機の固定子冷却構造の横断面図及び縦断面図である。

本発明は、超伝導回転機、つまり超伝導モーターまたは発電機の固定子コイルで発生する熱を効果的に冷却させるための冷却構造に関するもので、スロットの内部に水（油）冷却配置する方法を避け、固定子コイルの外面と固定子ヨークの間に螺旋状に冷却チューブを配設することで、固定子コイルが受ける電磁気力を耐えるように、非磁性体のスロットを維持するとともに軸方向にスロットの間に空間部を設け、これに螺旋状の冷却チューブを配設することにより、固定子コイルだけではなく固定子ヨークの部分も冷却させることができる超伝導回転機の固定子冷却構造である。

図６に示す横断面を見れば、前記冷却チューブ４００は、固定子コイル１００と固定子ヨーク３００の間に円周方向に配置される。図７に示す縦断面を見れば、軸方向に積層された非磁性体のＦＲＰスロット２００の間に空間部２１０が形成され、前記空間部２１０によって外部に露出した固定子コイル１００の部分、前記固定子ヨーク３００及び前記ＦＲＰスロット２００によって形成される空間に冷却チューブ４００が配設されて、前記固定子コイル１００と固定子ヨーク３００に冷却チューブ４００が同時に接する構造であるので、前記固定子コイル１００と固定子ヨーク３００を同時に冷却させることができる。

このように、前記冷却チューブ４００がスロット２００の内部に配置される方式ではないので、冷却チューブ４００が折り曲げられる部分でチューブが詰まるおそれがなく、多数のチューブを連結する必要がないので、チューブ間の熔接の際に発生し得る詰まりも減らすことができる。

また、固定子にスロット２００が存在するので、固定子コイル１００に作用する電磁気力（トルク）を保持することができ、特に低速及び高トルクの船舶推進用モーターや風力発電機で発生する非常に大きな電磁気力を保持することができる。そして、冷却チューブ４００を固定子スロット２００の内部に配設しないので、スロット２００のサイズを減らすことができ、ロット２００の内部で固定子コイルが占める点積率を高めることができる。よって、既存の方式に比べて高電力密度に設計することができ、コイルの端部に冷却水（油）を供給するための別途の連結部などが不要であるので、機器の軸方向長さも減らすことができる。

ここで、固定子コイル１００が受ける電磁気力の強度または固定子コイル１００のサイズによって、前記スロット２００に形成された空間部２１０が軸方向に多数形成され、各空間部２１０には冷却チューブ４００が巻き付けられる。

また、前記冷却チューブ４００は前記固定子コイル１００が露出した部位に円周方向に螺旋状に巻き付けられ、前記それぞれの固定子コイル１００の露出した部位に螺旋状に巻き付けられた冷却チューブ４００は隣接した冷却チューブ４００と前記固定子の外部で連結される。

したがって、従来のスロット２００の内部に冷却チューブ４００が配置される方式は固定子コイル１００の巻線の際に冷却チューブ４００を挿入するため、その構造も複雑になり製作が難しいが、本発明は、固定子コイル１００の外面に螺旋状に冷却チューブ４００を巻き付けることでよいので、製作が非常に簡単であり、前記冷却チューブ４００が円周方向に巻き付けられるので、折曲部がなく、冷却チューブ４００間の連結（熔接）部を大幅に減らすことができるので、チューブが詰まるおそれが一層小さい。そして、回転子の磁束と鎖交量も遥かに小さいので、冷却チューブ４００で発生し得る渦電流も大幅に減らすことができる。

また、前記冷却チューブ４００は、前記固定子の外面で互いに連結されるとき、一般的に珪素鋼板が積層されてなる固定子ヨーク３００に形成された引込路及び引出路３１０に収容されて連結されることにより、前記冷却チューブ４００は固定子コイル１００に引き込まれるか引き出されるように形成される。

ここで、それぞれの引込路及び引出路３１０に対して引き込まれるか引き出される冷却チューブ４００の末端は隣接した冷却チューブ４００の末端と熔接４１０で直列に連結されることにより、単一の水（油）路を構成するようになる。

このように、本発明は、冷却チューブの折曲部をなくし、既存の冷却チューブの配置における難点を解決する超伝導回転機のための新規の固定子水（油）冷却配置方法を提案する。また、これは、船舶推進または風力発電などの低速及び高トルクの分野に適用することができるように、固定子コイルが受ける電磁気力を保持するスロットの構造を維持するようにしたものである。

１００ 固定子コイル
２００ スロット
２１０ 空間部
３００ 固定子ヨーク
３１０ 引込路及び引出路
４００ 冷却チューブ

Claims (5)

1. 固定子コイル１００がスロット２００に保持され、その外側部に固定子ヨーク３００が形成された超伝導回転機の固定子を冷却させるための冷却構造であって、
   前記固定子コイル１００の一部が露出するように、前記スロット２００に軸方向に空間部２１０が形成され、前記固定子コイル１００が露出した部位と前記固定子ヨーク３００の間に冷却チューブ４００が配設され、
   前記冷却チューブ４００は前記固定子コイル１００が露出した部位に螺旋状に巻き付けられ、隣接した冷却チューブ４００の末端は、前記固定子ヨーク３００の外側で連結されることにより、前記固定子コイル１００と固定子ヨーク３００を同時に冷却させることを特徴とする、超伝導回転機の固定子冷却構造。
2. 前記スロット２００に形成された空間部２１０は軸方向に多数形成されたことを特徴とする、請求項１に記載の超伝導回転機の固定子冷却構造。
3. 隣接した冷却チューブ４００は、前記固定子の外側で連結されることを特徴とする、請求項１又は２に記載の超伝導回転機の固定子冷却構造。
4. 隣接した冷却チューブ４００の末端は、前記固定子ヨーク３００の外側で熔接４１０により直列に連結されることを特徴とする、請求項１乃至３の何れかに記載の超伝導回転機の固定子冷却構造。
5. 前記冷却チューブ４００は前記固定子ヨーク３００に形成された引込路及び引出路３１０に収容されて前記固定子の外部で連結されることを特徴とする、請求項１乃至４の何れかに記載の超伝導回転機の固定子冷却構造。