JP5575125B2 - 超電導回転子巻線を備えた回転子および回転子巻線を囲む単一スリーブ - Google Patents

Description

本発明は、電気機械、特に同期機のための回転子において、
回転子が回転子軸線を規定する回転子軸を有し、
回転子が回転子軸に回転不能に配置されている巻線担体を有し、この担体が回転子軸線に関して中心部分で回転子軸を囲み、
巻線担体が超電導回転子巻線を担持し、
回転子が回転子軸線に関して巻線担体と回転子巻線を少なくとも半径方向に囲むスリーブを有する
回転子に関する。

更に本発明は、電気機械、特に同期機において、
電気機械が機械ハウジングを有し、
機械ハウジング内に上記の回転子が回転可能に支承され、
機械ハウジング内に回転子軸線に関して回転子を半径方向に囲む固定子が回転不能に配置され、
固定子が電圧供給源に接続可能な固定子巻線を担持する
ものに関する。

この種の回転子および電気機械は例えば特許文献１により知られている。

スリーブは、従来技術においても本発明においても、超電導回転子巻線を十分に冷却でき環境に対して熱的に遮蔽するために必要である。スリーブは、運転中に発生する機械的負荷を吸収できるようにするために、高い機械的強度を持たなければならない。スリーブは更に不可避な電磁高調波を吸収するために高い電気伝導率を持たなければならない。

特許文献１ではスリーブは２層で作られている。スリーブは、少なくとも巻線担体および超電導回転子巻線を半径方向に囲む範囲内では、鋼から成る半径方向内側の層と銅から成る半径方向外側の層から成る。

特許文献１では、回転子の構造的形態に経費がかかる。鋼筒および銅筒は高い整合精度で作られねばならないか又は銅および鋼からなる２枚の板が互いに接合されて１つの筒に曲げられ、突合せエッジが溶接される。上記の両方法は労力を要し価格的に高くなる。さらに溶接継ぎ手は構造上の弱点となる。

特許文献２からは同様に電気機械のための回転子が知られており、ここでは巻線担体が多層スリーブにより囲まれている。多層スリーブは銅−クロム又は銅−ジルコニウム合金から成る中心層を有する。中心層は半径方向両側に鉄含有層により囲まれている。

特許文献３からは、比較的高い材料強度を有する銅−クロム−ジルコニウム合金が知られている。この合金は０．６〜０．９質量％のクロムと、０．４〜０．６質量％のジルコニウム、残り銅から成る。

独国特許出願公開第１０３００２６９号明細書 米国特許第４４６５１０６号明細書 米国特許第３１９４６５５号明細書

本発明の課題は、上記の種類の回転子を改良し、スリーブが少なくとも巻線担体および巻線を半径方向に囲む範囲において製造技術的に簡単に製造可能とすることにある。

この課題は請求項１の特徴を備えた回転子により解決される。本発明によれば、スリーブは少なくとも巻線担体および超電導回転子巻線を半径方向に囲む範囲において、（スリーブの外套面）単一的に銅合金から成り、この合金は、当初明細書の請求項１に記載のとおり、銅に若干量のクロム（２質量％迄）およびジルコニウム（０．１〜０．５質量％）を混合したものである。

この課題は更に、回転子が上述の形態を備えている電気機械、特に同期機により解決される。

特に良好な結果は、クロム成分が少なくとも０．５質量％であるときに得られる。クロムが０．８質量％〜１．２質量％、ジルコニウムが０．２質量％〜０．３質量％の範囲であると最適である。

上述の銅合金を使用することに付加して、銅合金を硬化された銅合金とすることも可能である。この場合硬化銅合金としては、特に析出で硬化された銅合金および酸化−分散で硬化された銅合金が挙げられる。これとは異なり又は付加して銅合金を冷硬化および／又は混晶硬化することもできる。

スリーブの外套面が単一に形成されていることにより、特に外套面が継ぎ目のない筒として形成可能となる。従って軸方向に延びる溶接継ぎ目は存在しなくなる。

その他の利点および詳細を、以下に図面に関連して実施例の記載から明らかにする。

図１は電気機械の断面図である。 図２は本発明によるスリーブの外套面の断面図である。 図３は従来技術のスリーブの外套面の断面図である。

図１によれば、電気機械１は機械ハウジング２を有する。機械ハウジング２内には回転子３が支承されている。回転子３は電気機械１の軸受５に支承されている回転子軸４を有する。軸受５はこの場合一般にころ軸受として形成されている。図１はころ軸受の特殊形態として球軸受を示している。しかし軸受５はその代わりに他の形状のころ軸受として、例えばシリンダ軸受として形成することもできる。さらにまたすべり軸受又は無接触軸受（磁気軸受など）を設けることも可能である。

回転子軸４は回転子軸線６を規定する。回転子軸線６を中心に回転子３は回転可能である。

以下に用語「軸方向」、「半径方向」および「接線方向」を使用するが、これらは常に回転子軸線６に関して使用するものである。用語「軸方向」はこの場合回転子軸線６に平行する方向を意味する。「半径」および「接線」方向は回転子軸線６に直交する平面内に延びる。「半径方向」はこの場合回転子軸線６に向かう又は離れる方向である。「接線方向」は回転子軸線６の周囲の方向である。

回転子３は巻線担体７を有する。巻線担体７は回転子軸６に回転不能に配置される。巻線担体７は中心部分８内で回転子軸４を囲んでいる。従って巻線担体７は半径方向に間隔を置いて回転子軸４の周りを接線方向に回転する。

巻線担体７は回転子巻線９を担持する。回転子巻線９はここでは超伝導体である。

回転子３は更にスリーブ１０を有する。スリーブ１０は図１によれば巻線担体７と超電導回転子巻線９を半径方向並びに軸方向にも囲んでいる。スリーブ１０が巻線担体７と超電導回転子巻線９を半径方向に囲んでいる範囲１０'は、以下にスリーブ１０の外套面１０'と呼ぶ。スリーブ１０が巻線担体７と回転子巻線９を軸方向に囲む範囲１０"は以下にスリーブ１０の端面１０"と呼ぶこととする。

図１の実施形態によれば外套面１０'並びに端面１０"が存在する。しかし他の実施形態も可能である。少なくとも外套面１０'は常に存在する。

機械ハウジング２内には固定子１１が回転不能に配置されている。固定子１１は回転子３を半径方向に囲む。固定子１１は固定子巻線１２を担持する。固定子巻線１２は電圧供給源１３に接続可能である。電圧供給源１３は図１に示すように一般に三相交流電圧源として形成される。これに相応して、電気機械１はそれ故一般に三相回転機である。例えば電気機械は同期機として形成できる。

外套面１０'は図１に示すように一方では固定子１１、他方では巻線担体７と回転子巻線９との間に半径方向に配置される。特に外套面１０'は一方では機械的に安定であり、他方では高い電気伝導率を有するものでなければならない。本発明によれば外套面１０'は、図２にも示すように、１つの金属合金から単一に成っている。この実施形態は、図３に示すように、外套面１０'が少なくとも２層に形成され、例えば特許文献１の発明のように鋼から成る内側層１４と銅から成る外側層１５を有するような従来技術とは異なっている。外套面１０'の単一的な形態により更に外套面１０'は、図２に示すように、特に継ぎ目のない筒として形成できる。この形態も、一般に継ぎ目１６が存在する従来技術とは異なっている。

外套面１０'を形成する（好適には端面１０"も形成する）金属合金は、以下の材料特性を持つものが選ばれる。
金属合金は非磁性、即ち反磁性であるか又は常磁性であり、強磁性ではない。
金属合金は（２０℃で）、銅の電気伝導率（同様に２０℃で）の少なくとも６０％である電気伝導率を有する。この場合電気伝導率は銅の伝導率の７０〜９０％であると有利である。一般に金属合金は銅合金である。
金属合金は（２００℃で)少なくとも２５０Ｎ／ｍｍ²に達する機械的引張強さを示す。好適には機械的引張強さは少なくとも２８０Ｎ／ｍｍ²に達する。
金属合金は同様に２００℃で、少なくとも２００Ｎ／ｍｍ²の引張強さにおいて、０．２％伸び限界を示す。好適には少なくとも２２０Ｎ／ｍｍ²で、０．２％の伸び限界を示す。

機械的強度、従って必要な引張強さおよび必要な伸び限界を得るには、適当な金属合金が選ばれなければならない。特に銅にクロムとジルコニウムを混合した銅合金が挙げられる。銅合金は、この場合、２．０質量％迄のクロムと、０．５質量％迄のジルコニウム、さらに望ましくは０．３質量％迄のジルコニウムを含むことができる。下限はクロムが０．０質量％、ジルコニウムが０．１質量％である。

更に金属合金は硬化された金属合金とすることができる。金属合金の硬化には、特に析出硬化や酸化−分散硬化が挙げられる。両手段は互いに組み合わせることもできる。付加的に、個々の事例では二者択一的に冷間硬化および混晶硬化が挙げられる。

銅合金がクロムを含む場合は、銅合金は少なくとも０．５質量％のクロム、特に０．８質量％〜１．２質量％のクロムを含むと好適である。ジルコニウムについては、銅合金が０．２質量％〜０．３質量％を含むと好適である。特に有利なのは、銅合金がクロムおよびジルコニウムをともに上記の有利な量で含むことである。このような銅合金により２００℃以上の温度で少なくとも３００Ｎ／ｍｍ²の機械的引張強さと少なくとも２３０Ｎ／ｍｍ²の０．２％の伸び限界を達成することができる。この合金の電気伝導率は銅の電気伝導率の８５％に迄達する。

上述の記載は専ら本発明の説明に供するものである。本発明の保護範囲はこれに対して専ら添付の請求項により定められるべきである。

１ 電気機械、２ 機械ハウジング、３ 回転子、４ 回転子軸、５ 軸受、６ 回転子軸線、７ 巻線担体、８ 中心部分、９ 超電導回転子巻線、１０ スリーブ、１１ 固定子、１２ 固定子巻線、１３ 電圧供給源

Claims (8)

1. 電気機械（１）における同期機（１）のための回転子（３）において、
   前記回転子（３）が、回転子軸線（６）を規定する回転子軸（４）を有し、
   前記回転子（３）が、前記回転子軸（４）上に回転不能に配置された巻線担体（７）を有し、前記回転子軸（４）を前記回転子軸線(６)に関して中心範囲（８）において囲み、
   巻線担体（７）が、超電導回転子巻線（９）を担持し、
   前記回転子（３）が、スリーブ（１０）を有し、
   前記スリーブ（１０）が、前記回転子軸線（６）に関して前記巻線担体（７）と前記超電導回転子巻線（９）を少なくとも半径方向に囲み、かつ
   前記スリーブ（１０）が、少なくとも前記巻線担体（７）と前記超電導回転子巻線（９）を半径方向に囲む範囲（スリーブ１０の外套面１０'）において単一的に、０．０〜２．０質量％のクロムと、０．１〜０．５質量％のジルコニウムと、残余の銅とのみを含む銅合金であって、２０℃での電気伝導率が純銅の６０〜９０％、機械的引張強度が２００℃で少なくとも２５０［Ｎ／mm ² ］、伸び限界が２００℃における少なくとも２００［Ｎ／ｍｍ ² ］の機械的引張強さ（引張荷重）に対して０．２％の銅合金から成る、単層のスリーブ（１０）である
   ことを特徴とする回転子。
2. 前記銅合金が、０．８〜１．２質量％のクロムと、０．２〜０．３質量％のジルコニウムと、残余の銅とのみを含む銅合金であって、２０℃での電気伝導率が純銅の少なくとも８５％、機械的引張強度が２００℃で少なくとも３００［Ｎ／mm ² ］、伸び限界が２００℃で少なくとも２３０［Ｎ／ｍｍ ² ］の機械的引張強さ（引張荷重）に対して０．２％である
   ことを特徴とする請求項１記載の回転子。
3. 前記銅合金が、少なくとも０．５質量％のクロムを含む
   ことを特徴とする請求項１記載の回転子。
4. 前記銅合金が、硬化された金属合金である
   ことを特徴とする請求項１から３の１つに記載の回転子。
5. 前記硬化された金属合金が、析出硬化された銅合金である
   ことを特徴とする請求項４記載の回転子。
6. 前記硬化された金属合金が、酸化−分散硬化された銅合金である
   ことを特徴とする請求項４又は５記載の回転子。
7. 前記外套面（１０'）が、継ぎ目のない筒として形成されたものである
   ことを特徴とする請求項１から６の１つに記載の回転子。
8. 請求項１から７の１つに記載の回転子（３）を備えた電気機械であって、
   機械ハウジング（２）を有し、
   前記機械ハウジング(２)内に、前記回転子（３）が回転可能に支承され、
   前記機械ハウジング(２)内に、回転不能に固定子（１１）が配置され、当該固定子（１１）が、前記回転子軸線(６)に関して前記回転子（３）を半径方向に囲み、
   前記固定子（１１）が、電圧供給源（１３）に接続可能な固定子巻線（１２）を担持する
   ことを特徴とする電気機械。

Images