JP5076101B2 - 誘導子型同期機 - Google Patents

Description

本発明は、電機子の極性変化と回転軸の回転とが同期して回転する誘導子型同期機に関する。

従来から、界磁コイルが配された回転子と、この界磁コイルに対向するように電機子コイルが配された固定子と、回転子に固定接続された回転軸とを備えた発電機又は電動機が使用されている。このような同期機の場合、回転軸の一端に接続されたスリップリング等によって、回転する界磁コイルに給電している。例えば、特許文献１，２参照。）。
特開昭５４−１１６６１０号公報 特開平６−８６５１７号公報

しかしながら、上記従来の誘導子型同期機にて大きな回転力を得る場合、コイルに大量の電流を流す必要があることから、コイルを含めた同期機全体が大型化してしまう。また、回転子には常電導コイルが配されているので、回転軸の出力を増大させる場合には、コイルに大量の電流を流す必要がある。そのため、多容量化を図るためには、回転運動を伴うコイルに給電するための構造がますます複雑、かつ、大型になってしまう。また、多容量化しても誘導子型同期機が停止しないように信頼性を維持する必要がある。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、小型化、かつ多容量化が可能であり、冗長化を図ることができる誘導子型同期機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、本発明では、誘導子型同期機に係る第１の解決手段として、Ｎ極及びＳ極を形成する第一界磁体が配された第一界磁側固定子と、回転軸が固定され、前記第一界磁体によって形成されるＮ極に対向するように配された第一Ｎ極誘導子、及び、前記第一界磁体によって形成されるＳ極に対向するように配された第一Ｓ極誘導子を有する第一回転子と、前記第一Ｎ極誘導子及び前記第一Ｓ極誘導子に対向して第一電機子コイルが配された第一電機子側固定子と、Ｎ極及びＳ極を形成する第二界磁体が配された第二界磁側固定子と、前記回転軸が固定され、前記第二界磁体によって形成されるＮ極に対向するように配された第二Ｎ極誘導子、及び、前記第二界磁体によって形成されるＳ極に対向するように配された第二Ｓ極誘導子を有する第二回転子と、前記第二Ｎ極誘導子及び前記第二Ｓ極誘導子に対向して第二電機子コイルが配された第二電機子側固定子とを備えていることを特徴とする手段を採用する。

この手段は、第一界磁側固定子の第一界磁体と第一電機子側固定子の第一電機子コイルとを励磁することによって、第一回転子を介して回転軸を回転させることができる。同様に、第二界磁側固定子の第二界磁体と第二電機子側固定子の第二電機子コイルとを励磁することによって、第二回転子を介して回転軸を回転して回転力を供給することができる。

また、各回転子には電源供給が必要な部材が配されていないので、固定子のみに電源供給及び固定子のみを冷却すればよく、電気系及び冷却系を簡単な構成にすることができる。さらに、同一の回転軸が第一回転子と第二回転子とに接続されているので、双方の回転力を合わせて一つの回転軸に出力することができ、多容量化を図ることができる。また、第一回転子又は第二回転子の何れか一方を回転させることができない場合でも、他方の回転子が回転可能であれば、回転軸を回転させることができ、誘導子型同期機の冗長化を図ることができる。

誘導子型同期機に係る第２の解決手段として、上記第１の手段において、前記第一界磁体、前記第一電機子コイル、前記第二界磁体、及び前記第二電機子コイルがそれぞれ超電導材で形成されていることを特徴とする手段を採用する。

この手段は、各界磁体及び各電機子コイルが超電導材で形成されているので、従来と同じ電流量であっても各界磁体や各電機子コイルの大きさを従来よりも小さくすることができ、誘導子型同期機をさらに小型化することができる。

誘導子型同期機に係る第３の解決手段として、上記第１又は第２の手段において、前記第一界磁側固定子、前記第一回転子、及び前記第一電機子側固定子を収納する第一筐体と、前記第二界磁側固定子、前記第二回転子、及び前記第二電機子側固定子を収納する第二筐体とを備えていることを特徴とする手段を採用する。

この手段は、一つの回転軸を介して、内部に同様の構成を有する筐体同士を連結することができ、誘導子同期機の多容量化を容易に図ることができる。また、何れかの筐体内で不具合が発生しても、当該筐体を中味ごと取り外して修理することができ、メンテナンス性を向上させることができる。

誘導子型同期機に係る第４の解決手段として、上記第１又は第２の手段において、前記第一界磁側固定子、前記第一回転子、及び前記第一電機子側固定子と、前記第二界磁側固定子、前記第二回転子、及び前記第二電機子側固定子とをまとめて収納する一つの筐体を備えていることを特徴とする手段を採用する。

この手段は、一つの回転軸を介して、内部に同様の構成を有する筐体同士を連結することができ、誘導子同期機の多容量化を容易に図ることができる。また、第一界磁側固定子、第一回転子、及び第一電機子側固定子と、第二界磁側固定子、第二回転子、及び第二電機子側固定子とを一つの筐体内に収納することによって、回転軸線方向の長さを短くしてより小型化することができる。

本発明によれば、各界磁体及び各電機子コイルのすべてに電流を給電することによって回転軸の回転力を向上して多容量化を図ることができる。さらに、第一界磁側固定子の第一界磁体及び第一電機子側固定子の第一電機子コイル、又は第二界磁側固定子の第二界磁体及び第二電機子側固定子の第二電機子コイルの何れか一方のみの給電であっても、回転軸を回転させることができ、誘導子型同期機の冗長化を図ることができる。また、各界磁体及び各電機子コイルのすべてが超電導材で形成されている場合には、誘導子型同期機をさらに小型化することができる。

本発明の第１の実施形態について、図１から図３を参照して説明する。
第１の実施形態に係る超電導電動機（誘導子型同期機）１は、図１及び図２に示すように、回転軸２に沿って連結された、アキシャルギャップ型の第一電動機１Ａと第二電動機１Ｂとを備えている。

第一電動機１Ａは、互いに対向するように左右対称に配されて、Ｎ極及びＳ極が同心円上に形成されるように第一界磁コイル（第一界磁体）３Ａが配され、回転軸２を回転自在、かつ、貫通可能に支持した一対の第一界磁側固定子５Ａ、５Ｂと、磁性体からなり第一界磁コイル３Ａによって形成されるＮ極に対向して磁化される第一Ｎ極誘導子６Ａ、及び、磁性体からなり第一界磁コイル３Ａによって形成されるＳ極に対向して磁化される第一Ｓ極誘導子７Ａを有し、一対の第一界磁側固定子５Ａ、５Ｂに挟まれて配された一対の第一回転子８Ａ、８Ｂと、第一Ｎ極誘導子６Ａ及び第一Ｓ極誘導子７Ａに対向して第一電機子コイル１０Ａが配されて、回転軸２を回転自在、かつ、貫通可能に支持し、一対の第一回転子８Ａ、８Ｂに挟まれて配された第一電機子側固定子１１と、これらを収納する第一筐体１２とを備えている。

第二電動機１Ｂは、互いに対向するように左右対称に配されて、Ｎ極及びＳ極が同心円上に形成されるように第二界磁コイル（第二界磁体）３Ｂが配され、回転軸２を回転自在、かつ、貫通可能に支持した一対の第二界磁側固定子１３Ａ、１３Ｂと、磁性体からなり第二界磁コイル３Ｂによって形成されるＮ極に対向して磁化される第二Ｎ極誘導子６Ｂ、及び、磁性体からなり第二界磁コイル３Ｂによって形成されるＳ極に対向して磁化される第二Ｓ極誘導子７Ｂを有し、一対の第二界磁側固定子１３Ａ、１３Ｂに挟まれて配された一対の第二回転子１５Ａ、１５Ｂと、第二Ｎ極誘導子６Ｂ及び第二Ｓ極誘導子７Ｂに対向して第二電機子コイル１０Ｂが配されて、回転軸２を回転自在、かつ、貫通可能に支持し、一対の第二回転子１５Ａ、１５Ｂに挟まれて配された第二電機子側固定子１６と、これらを収納する第二筐体１７とを備えている。

回転軸２は、一対の第一回転子８Ａ，８Ｂに固定された第一回転軸２Ａと、一対の第二回転子１５Ａ，１５Ｂに固定された第二回転軸２Ｂとを備えている。第一回転軸２Ａと第二回転軸２Ｂとは、軸接続部２Ｃにて一体に接続されている。
なお、第一電動機１Ａと第二電動機１Ｂとは同様の構成とされているので、以下、図３に示す第一電動機１Ａを中心に説明する。

一対の第一界磁側固定子５Ａ、５Ｂは、パーメンダー、珪素鋼板、鉄、パーマロイ等の磁性体からなり、設置面に固定されるヨーク１８と、ヨーク１８に埋設されて互いに対向して配された断熱冷媒容器２０とを備えている。ヨーク１８には、第一回転軸２Ａよりも大径の貫通孔１８ａが配されている。貫通孔１８ａには、第一回転軸２Ａを回転支持するための軸受２１が配されている。

断熱冷媒容器２０は、第一回転軸２Ａとの接続位置を中心としてヨーク１８に凹状に形成された円周溝１８ｂに沿って配されている。第一界磁コイル３Ａは、ビスマス系、イットリウム系といった超電導材から構成されており、円周溝１８ｂに沿って巻回されて断熱冷媒容器２０内に収納されている。このため、第一界磁コイル３Ａを励磁した際には、径方向に分かれて磁極が発生する。

一対の第一回転子８Ａ、８Ｂは、円盤形状とされてＦＲＰやステンレス等の非磁性体からなり、中心部にて第一回転軸２Ａを固定支持する回転子本体２２を備えている。第一Ｎ極誘導子６Ａは、回転子本体２２の中心に対して点対称となる位置にて回転子本体２２の板幅方向に貫通して形成されている。この際、第一Ｎ極誘導子６Ａの一端面６ａが、第一界磁コイル３ＡのＮ極発生位置と対向するように、かつ、他端面６ｂが、第一電機子コイル１０Ａと対向するように配されている。

第一Ｓ極誘導子７Ａは、回転子本体２２の中心に対して点対称となる位置、かつ、第一Ｎ極誘導子６Ａとは９０度の位相差を有する位置にて回転子本体２２の板幅方向に貫通して形成されている。この際、第一Ｓ極誘導子７Ａの一端面７ａが、第一界磁コイル３ＡのＳ極発生位置と対向するように、かつ、他端面７ｂが、第一電機子コイル１０Ａと対向するように配されている。なお、第一Ｎ極誘導子６Ａ及び第一Ｓ極誘導子７Ａは、パーメンダー、珪素鋼板、鉄、パーマロイ等の磁性体から構成されている。

第一電機子側固定子１１は、ＦＲＰやステンレス等の非磁性体からなる固定子本体２３を備えている。固定子本体２３の中心部には、第一回転軸２Ａが貫通する貫通孔２３ａが配されている。貫通孔２３ａの径方向外方周辺には、中心位置に対して同一円周上に断熱冷媒容器２０が埋設されている。この断熱冷媒容器２０内には、ビスマス系、イットリウム系といった超電導材からなる第一電機子コイル１０Ａが配されている。第一電機子コイル１０Ａの中空部には、大きな界磁磁束密度を得るために、パーメンダー、珪素鋼板、鉄、パーマロイ等の高透磁性材料からなる円柱状磁性体２５が配されている。

第一界磁コイル３Ａ及び第二界磁コイル３Ｂには、直流電気配線２６を介して直流電源２７が接続されている。また、第一電機子コイル１０Ａ及び第二電機子コイル１０Ｂには、交流電気配線２８を介して交流電源３０が接続されている。
断熱冷媒容器２０には、冷却配管３１を介して液体窒素を冷媒とする冷却器３２が接続されている。この冷却器３２は、不図示の駆動電源と接続されている。

次に、本実施形態に係る超電導電動機１の作用・効果について説明する。
まず、冷却器３２を駆動して、第一界磁コイル３Ａ、第二界磁コイル３Ｂ、第一電機子コイル１０Ａ、及び第二電機子コイル１０Ｂをそれぞれ液体窒素によって冷却して超電導状態とする。

次に、直流電源２７から直流電流を第一界磁コイル３Ａ、第二界磁コイル３Ｂにそれぞれ給電する。このとき、各界磁コイルの径方向外側にＮ極及び径方向内側にＳ極がそれぞれ形成される。この際、第一界磁側固定子５Ａ及び第二界磁側固定子１３Ａと、第一界磁側固定子５Ｂ及び第二界磁側固定子１３Ｂとの間で、直流電流の向きに応じてそれぞれ異なる磁極の向きとなる。これによって、各Ｎ極誘導子６Ａ、６Ｂの第一電機子側固定子１１及び第二電機子側固定子１６のそれぞれと対向する他端面６ｂにＮ極が導出される。一方、各Ｓ極誘導子７Ａ、７Ｂの第一電機子側固定子１１及び第二電機子側固定子１６のそれぞれと対向する他端面７ｂにＳ極が導出される。

この状態で、交流電源３０から三相交流を第一電機子コイル１０Ａ及び第二電機子コイル１０Ｂに給電する。このとき、三相間の位相差によって、各電機子コイル１０Ａ、１０Ｂには第一回転軸２Ａ及び第二回転軸２Ｂまわりに回転する回転磁界が発生する。この回転磁界が各Ｎ極誘導子６Ａ、６Ｂ及び各Ｓ極誘導子７Ａ、７Ｂに対して、一対の第一回転子８Ａ、８Ｂ間及び一対の第二回転子１５Ａ、１５Ｂ間で同一方向の回転軸線回りの回転力を発生させ、第一回転軸２Ａ及び第二回転軸２Ｂが一つの回転軸２として一体になって回転する。

この超電導電動機１によれば、各界磁コイル３Ａ、３Ｂと各電機子コイル１０Ａ、１０Ｂとにそれぞれ電流を流して励磁することによって、一対の第一回転子８Ａ、８Ｂ及び一対の第二回転子１５Ａ、１５Ｂを介して回転軸２を回転して回転力を供給することができる。この際、各界磁コイル３Ａ、３Ｂ及び各電機子コイル１０Ａ、１０Ｂが超電導材で形成されているので、従来と同じ電流量であっても界磁コイルや電機子コイルの大きさを従来よりも小さくすることができ、超電導電動機を小型化することができる。

また、各回転子にはコイルが配されていないので、固定子のみに電源供給及び固定子のみを冷却すればよく、電気系及び冷却系を簡単な構成にすることができる。
従って、超電導電動機を小型化した状態で、各界磁コイル３Ａ、３Ｂ及び各電機子コイル１０Ａ、１０Ｂのすべてに電流を給電することによって、回転軸２の回転力を向上して多容量化を図ることができる。

さらに、何らかの故障によって、一対の第一界磁側固定子５Ａ、５Ｂの第一界磁コイル３Ａ及び第一電機子側固定子１１の第一電機子コイル１０Ａ、又は一対の第二界磁側固定子の第二界磁コイル３Ｂ及び第二電機子側固定子１６の第二電機子コイル１０Ｂの何れか一方のみの給電となっても、回転軸２を回転させることができ、電動機の冗長化を図ることができる。

また、第一回転軸２Ａの端部２Ａａ及び第二回転軸２Ｂの端部２Ｂａとなる回転軸２の両端から回転力を出力することができる。
また、第一回転軸２Ａの端部２Ａａ又は第二回転軸２Ｂの端部２Ｂａにさらに別の超電導電動機を接続することによって、さらなる多容量化を実現することができる。

次に、第２の実施形態について図４及び図５を参照して説明する。
なお、第１の実施形態と同様の構成要素には同一符号を付すとともに説明を省略する。
第２の実施形態と第１の実施形態との異なる点は、本実施形態に係る超電導電動機４０が、一対の第一界磁側固定子５Ａ、４１、一対の第一回転子８Ａ、８Ｂ、及び第一電機子側固定子１１と、一対の第二界磁側固定子４２、１３Ｂ、一対の第二回転子１５Ａ、１５Ｂ、及び第二電機子側固定子１６とをまとめて収納する一つの筐体４３を備えているとした点である。

即ち、第一界磁側固定子４１と第二界磁側固定子４２とが一つの共通するヨーク４５を備えることによって、第１の実施形態に係る第一電動機１Ａと第二電動機１Ｂとが一体となって構成されている。
ここで、界磁コイル３Ａ、３Ｂは、互いの磁界の影響を受けないようにヨーク４５内に配されている。なお、回転軸４６は、予め一体に形成されている。

本実施形態に係る超電導電動機４０は、第１の実施形態に係る超電導電動機１と同様の方法によって駆動される。
従って、この超電導電動機４０によれば、第１の実施形態と同様の作用・効果を奏することができる。特に、第一界磁側固定子４１と第二界磁側固定子４２とが共通のヨーク４５を備えているので、回転軸方向の長さをより短くすることができ、超電導電動機の大きさをより小型にすることができる。

なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記実施形態では、誘導子型同期機として電動機について説明しているが、これと同じ構造の発電機としても構わない。

また、超電導電動機に係る断熱冷媒容器２０を冷却する冷却器３２はすべて共通のものとしているが、冷却手段として、一対の第一界磁側固定子及び第一電機子側固定子に係る断熱冷却容器を冷却する第一冷却手段と、一対の第二界磁側固定子及び第二電機子側固定子に係る断熱冷却容器を冷却する第二冷却手段と二系統のものを備えても構わない。

この場合、一方の冷却手段が故障した場合でも、他方の冷却手段によって超電導状態を維持することができ、冷却可能な界磁コイル及び電機子コイルによって回転軸２を回転駆動することができる。
同様に、一対の第一界磁側固定子及び第一電機子側固定子に係る電源と、一対の第二界磁側固定子及び第二電機子側固定子に係る電源とをさらに二系統に分けても構わない。この場合も何れか一方の電気系統を冗長系統として使用することができる。

また、上記第１の実施形態では、超電導電動機をアキシャルギャップ型としているが、ラジアルギャップ型の構成であっても、同様の作用・効果を奏することができる。
例えば、超電導電動機５０の第一電動機５０Ａは、図６に示すような、円筒状に形成された第一電機子側固定子５１を備えている。第一電機子側固定子５１は、径方向内方に突出した四つの突起部５２Ａが内周面の周方向に等間隔に配されたヨーク５２を備え、突起部５２Ａに第一電機子コイル１０Ａが巻回されて断熱冷媒容器２０にて冷却されている。第一界磁側固定子５３は、第一電機子側固定子５１の内周面に嵌合されており、第一回転子５５が第一電機子側固定子５１及び第一界磁側固定子５３の双方に対向するように囲まれて配されている。

この場合、第一Ｎ極誘導子５６Ａは、図７に示すように、帯状、かつ、段差状とされて一端５６ａが第一界磁コイル３ＡのＮ極発生位置に対向するように配され、他端５６ｂ側が第一電機子コイル１０Ａと対向するように配されている。また、第一Ｓ極誘導子５７Ａは、図８に示すように、帯状に形成され、一端５７ａが第一界磁コイル３ＡのＳ極発生位置に対向するように配され、第一回転子５５の側面に対して折り返されるように形成されて他端５７ｂ側が第一電機子コイル１０Ａと対向するように配されている。なお、図示しないが第二電動機も同様の構成とする。

この超電導電動機５０を駆動する場合、第一界磁コイル３Ａに直流電源２７から直流電流を給電し、第一電機子コイル１０Ａに交流電源３０から三相交流を給電することによって、第一電機子側固定子５１の内周面に、第一回転軸２Ａの軸線回りに回転磁界が発生する。従って、上述のように第一回転子５５が回転し、これにともなって第一回転軸２Ａが回転する。

また、一対の第一界磁側固定子及び一対の第二界磁側固定子に係る界磁コイルの代わりに界磁体として永久磁石を配しても構わない。この場合、永久磁石を冷却して通電させる必要がないので、超電導電動機をさらに小型化することができる。

また、超電導電動機の第一電動機と第二電動機との形状や出力が同一であっても、互いに異なるものであっても構わない。

本発明の第１の実施形態に係る超電導電動機を示す斜視図である。 本発明の第１の実施形態に係る超電導電動機の内部構造を示す断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る超電導電動機の要部を示す一部断面斜視図である。 本発明の第２の実施形態に係る超電導電動機を示す一部断面斜視図である。 本発明の第２の実施形態に係る超電導電動機の内部構造を示す断面図である。 本発明の他の実施形態に係る超電導電動機の内部構造を示す断面図である。 図６のI-I線断面図である。 図６のII-II線断面図である。

符号の説明

１，４０，５０ 超電導電動機（誘導子型同期機）、２，４６ 回転軸、３Ａ 第一界磁コイル（第一界磁体）、３Ｂ 第二界磁コイル（第二界磁体）、５Ａ，５Ｂ，４１，５３ 第一界磁側固定子、６Ａ，５６Ａ 第一Ｎ極誘導子、６Ｂ 第二Ｎ極誘導子、７Ａ，５７Ａ 第一Ｓ極誘導子、７Ｂ 第二Ｓ極誘導子、８Ａ，８Ｂ，５５ 第一回転子、１０Ａ 第一電機子コイル、１０Ｂ 第二電機子コイル、１１，５１ 第一電機子側固定子、１２ 第一筐体、１３Ａ，１３Ｂ，４２ 第二界磁側固定子、１５Ａ，１５Ｂ 第二回転子，１６ 第二電機子側固定子、１７ 第二筐体、４３ 筐体

Claims (4)

1. Ｎ極及びＳ極を形成する第一界磁体が配された第一界磁側固定子と、
   回転軸が固定され、前記第一界磁体によって形成されるＮ極に対向するように配された第一Ｎ極誘導子、及び、前記第一界磁体によって形成されるＳ極に対向するように配された第一Ｓ極誘導子を有する第一回転子と、
   前記第一Ｎ極誘導子及び前記第一Ｓ極誘導子に対向して第一電機子コイルが配された第一電機子側固定子と、
   Ｎ極及びＳ極を形成する第二界磁体が配された第二界磁側固定子と、
   前記回転軸が固定され、前記第二界磁体によって形成されるＮ極に対向するように配された第二Ｎ極誘導子、及び、前記第二界磁体によって形成されるＳ極に対向するように配された第二Ｓ極誘導子を有する第二回転子と、
   前記第二Ｎ極誘導子及び前記第二Ｓ極誘導子に対向して第二電機子コイルが配された第二電機子側固定子とを備え、
   前記第一電機子側固定子では、前記第一回転子が、前記第一界磁側固定子と前記第一電機子側固定子との間に挟まれて配され、かつ、前記第一界磁側固定子と前記第一電機子側固定子とが、それぞれ前記回転軸に沿って配されており、
   前記第二電機子側固定子では、前記第二回転子が、前記第二界磁側固定子と前記第二電機子側固定子との間に挟まれて配され、かつ、前記第二界磁側固定子と前記第二電機子側固定子とが、それぞれ前記回転軸に沿って配されていることを特徴とする誘導子型同期機。
2. 前記第一界磁体、前記第一電機子コイル、前記第二界磁体、及び前記第二電機子コイルがそれぞれ超電導材で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の誘導子型同期機。
3. 前記第一界磁側固定子、前記第一回転子、及び前記第一電機子側固定子を収納する第一筐体と、前記第二界磁側固定子、前記第二回転子、及び前記第二電機子側固定子を収納する第二筐体とを備えていることを特徴とする請求項１又は２に記載の誘導子型同期機。
4. 前記第一界磁側固定子、前記第一回転子、及び前記第一電機子側固定子と、前記第二界磁側固定子、前記第二回転子、及び前記第二電機子側固定子とをまとめて収納する一つの筐体を備えていることを特徴とする請求項１又は２に記載の誘導子型同期機。
   

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