JPH01144356A

JPH01144356A - 超電導回転電機

Info

Publication number: JPH01144356A
Application number: JP62299668A
Authority: JP
Inventors: Kazuo Sato; 和雄佐藤
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1987-11-30
Filing date: 1987-11-30
Publication date: 1989-06-06

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の目的〕（産業上の利用分野）本発明は超電導回転子及び常電導固定子を備えた超電導
回転電機に関する。

（従来の技術）超電導導体を界磁巻線として回転子に搭載した超電導回
転電機は小形で、強力な磁場を発生することができ、機
械の小形・軽斌化、効率向上、固定子の磁気的結合の増
大による系統安定度の向上等の大きな利点を有するので
発電機への応用が急速に検討されつつある。

第４図は従来の超電導発電機の縦断面図である。

従来はＮｂＴｉ、　Ｎｂ、Ｓｎ等の超電導導体を回転界
磁巻線として用いており、その場合冷媒は４に程度の温
度の液体ヘリウム（１）により超電導界磁巻線（２）を
冷却し、超電導状態を維持している。

冷媒は回転子軸端に設けられた冷媒搬送装置であるとこ
ろのヘリウムトランスファーカップリング（略称ＨＴＣ
）　（３）を介して冷凍機系から狸転子内に中心管（４
）を通して送液され、超電導界磁巻線（２）を備えた低
温回転子（５）を冷却し、常温シールド（６）側からの
伝導、輻射伝熱により気化する。その気体冷媒はトルク
チューブ（７）、電流リード（８）等の回転子構成部材
を冷却した後、前述のｌ＋Ｔｃ（３）により排気ガスと
して回収し、精製した後、冷凍系へもどし液化し、回転
子冷媒として再利用する。

冷却の流れを図中に実線矢印で示しである。

一方、常電導電機子巻線と、磁気シールドから構成され
る固定子のジュール損失１回転子の攪拌損失、通風損失
等の冷却は空気や水素を冷媒として、固定子内を循環さ
せている。尚図示していないが、発電機にはクーラーが
配置され、循環冷媒を室温程度に維持している。又、電
機子巻線は、機械が大形化するに伴い、水冷却や油冷却
も行うことができる。（Ｍ、　Ｋｕｍａｇａｉ　ｅｔ、
ａｌ“Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆ　Ｓｕｐｅｒｃｏｎ
ｄｕｃｔｉｎｇ　ＡＣＧｅｎｅｒａｔｏｒ”ＩＥＥＥ　
Ｔｒａ＋ｕ＋。

ｏｎ　Ｅｎｅｒｇｙ　Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ、　Ｖｏｌ
、　ＥＣ−１，Ｎａ３　＋　　Ｐ、ｐ。

１２２〜１２９．１９８６参照）（発明が解決しようとする問題点）回転子の冷却を行った前述の冷媒はＨＴＣを介して回収
する際に室温程度に昇温しでいるように機械の熱設計が
行われているが、これはその冷媒を冷凍機系にもどす時
に低温状態では圧縮機が正常に作動しなくなるからであ
り、退社の冷媒を搬送する場合など過冷却（低温）冷媒
が冷凍機系に流入する状況もあるので圧縮機の手前に加
温器を設置している。

また回転子の冷媒は従来、超電導導体の臨界温度が極め
て低いために、液体ヘリウム（１気圧の沸点４．２ｋ）
を選定していたが、この冷媒の絶縁性は極低温では良好
なるものの室温では極めて悪く、放電しやすい媒体であ
る。

従って、回転子に用いているヘリウムは固定子には利用
不可能で、固定子冷却には絶縁性の高い空気、水素ある
いは純水、絶縁油等のヘリウム以外の冷媒を選択せざる
を得す、これに伴うクーラーやファンを含む固定子冷媒
循環系の配設が必要となる。そして、発電機冷却系は少
くとも２種類以上となり補機の冗長性故の信頼性低下を
招いていた。さらに、）ＩＴＣは冷媒の供給機能と回収
機能を同時にもたなければならないためその機構は軸シ
ールを多用する複雑な要素となっていた。

一方、近年においてはＹ−Ｂａ−Ｃｕ−０セラミツク系
、Ｌａ−Ｂａ−Ｃｕ−０セラミツク系等の液体窒素温度
以上の温度で超電導状態になる所謂高温超電導導体が発
明され、更に常温でも超電導状態になる導体も発明され
るに及んで超電導回転子の応用が急速に検討されつつあ
る。そして、回転子を冷却した後、気化した冷媒で固定
子を冷却するもののとして、例えば第５図に示す常温固
定子の冷却に回転子から出た気体冷媒を用いる構造が発
明（特開昭５８−９９２６１号公報参照）されているが
、これはクエンチ状態からの回復促進と、常温シールド
（６）の冷却を良好にすることを目的としたものであり
、固定子の冷却観点からみれば未だ不十分であった。

本発明の目的は、この所謂、高温超電導導体を界磁巻線
に応用し、その時の冷媒として窒素、水素（１気圧下の
沸点は各々約７７ｋ、約２０ｋ）等の室温状態下でも充
分絶縁性の高い流体を選定すると共に、固定子と回転子
の冷媒系路を共用する冷却構造にすることにより、冷媒
の低熱源を最大限に利用することが可能となり、しかも
加温器を省略し、冷媒給排装置（供給・回収用）を供給
専用にＷＩ素化できる等冷却的に極めて効率の良い超電
導回転電機を提供することにある。

〔発明の構成〕

（問題点を解決するための手段）本発明は上記目的を達成するために、高温超電導導体を
界磁巻線として搭載した超電導回転子を備えた超電導回
転電機において、冷媒には常温状態でもガスヘリウムよ
り絶縁性の高い種類のものを用い、回転子のトルクチュ
ーブや輻射シールドを冷却した後の気体冷媒を固定子側
へ排気する構造とし、さらに固定子側を冷却し加温され
た気体冷媒を固定子フレームの一部から回収する回収孔
を設ける。

（作　用）このように構成し、冷媒に高絶縁性のものを用いたもの
においては、冷媒の低熱源を有効に利用でき、加温器が
不要となり、さらに軸端部の冷媒搬送装置を簡素化し、
小形軽量化できるので、著しく信頼性が高く、冷却効率
の高い超電厚回転電機を提供することができる。

（実施例）実施例１以下、本発明の第１の実施例について第１図および第２
図を参照して説明する。尚第３図、第４図にも第１図と
同一部分には同一符号を付したから、従来技術の理解の
参考にされたい。

第１図において、（１ａ）は窒素又は水素等のような液
体冷媒である。　（２）はＹ−Ｂａ−Ｃｕ−０セラミツ
ク系又はＬａ−Ｂａ−Ｃｕ−０セラミツク系等の液体窒
素温度以上の温度で超電導状態になる超電導導体にて形
成された界磁巻線である。（３ａ）は液体冷媒（１ａ）
を界磁巻線（２）に供給する搬送装置である。（４）は
中心管であって搬送装置（３ａ）からの冷媒を通す中心
管である。（５）は低温回転子、（６）は常温シールド
、（６ａ）は常温ダンパ、（７）はトルクチューブ、（
８）は電流リード、（９）および（９ｂ）は連結側およ
び反連結側の熱交換器であってトルクチューブ（７）を
冷却するものである。（１０）は輻射シールドであって
内部を真空に保つものである。（１１）は真空空間、（
１２）はコレクタリング、（１３）は連結側回転軸、（
１３ａ）は反連結側回転軸である。（１７）は常温ダン
パ（６ａ）に設けられた冷媒排出孔、（１７ａ）　、　
（１７ｂ）は反連結側回転軸（１３ａ）に設けられた冷
媒排出孔であって、（１７ａ）は熱交換器（９）からの
冷媒排出孔、（１７ｂ）は電流リード（８）からの冷媒
排出孔である。

連結側の熱交換器（９ａ）の端部はパイプ（９ｂ）によ
り、輻射シールド（１０）と常温シールド（６）を通し
て常温ダンパ（６ａ）の冷媒排出孔（１７）に連通させ
る。

（２０）はベアリング、（２１）は電機子巻線、（２２
）は積層鉄板から成る磁気シールド、（２３）は空隙、
　（２４）は固定子フレーム、（２５ａ）は円筒状の仕
切板である。（３０）は常温ダンパ（６ａ）に設けられ
た冷媒排出孔、（３１）は磁気シールド（２２）を冷却
するための半径方向ダクトであり冷媒排出孔（１７）と
対向させである。（３２）は気相冷媒を回収する回収孔
であって。

冷凍機系（３３）に連通しており、液化した冷媒を搬送
装置（３ａ）に循環させるものである。　（３４）はフ
レキシブルサポートである。冷媒の通路は矢印で示す。

次に上記構成における実施例１の作用を説明する。

液体窒素、液体水素等の液体冷媒（１ａ）は、従来の冷
媒の供給ならびに回収の両機能をもった装置を軸端に配
設していたものに代わり、冷媒の供給専用の搬送装置（
３ａ）を介して冷凍機系（３３）から回転子内へ移送さ
せる。

回転子内部へ入った液体冷媒（ｌａ）は低温容器として
構成される低温回転子（５）の内周両側に遠心力により
はりついていて、自然対流により界磁巻線（２）の間を
循環して、その界磁巻線（２）を冷却する。温度の上昇
した液体冷媒（１）の一部は、液面から気化し１発生し
た気体冷媒は、−旦中心部に溜り、そこから熱交換器（
９）を通り、トルクチューブ（７）を冷却したり、輻射
シールド（１０）、電流リード（８）を冷却する。連結
側の熱交換器（９ａ）を通り、パイプ（９ｂ）を通って
輻射シールド（１０）を冷却した冷媒は１００数十〜２
００数十にの低温であるため、これを常温ダンパ（６ａ
）に導き、複数の冷媒排出孔（７）から固定子側へ排出
される。この冷媒排出孔（１７）は磁気シールド（２２
）の半径方向ダクト（３１）と対向して配置され、その
通風抵抗を小さくするように考慮されているので冷却効
率が良い。

又、反連結側においてはトルクチューブ（７）を冷却し
た冷媒と、電流リード（８）を冷却した冷媒をそれぞれ
冷媒排出孔（１７ａ）、　（１７ｂ）から固定子フレー
ム（２４）内に放出するので搬送装置（３ａ）の構造が
簡単で信頼性を高める。そして、固定子フレーム（２４
）内に放出された気体冷媒は矢印のように流れて固定子
側の電機子巻線（２１）や磁気シールド（２２）等を冷
却して回収孔（３２）を通り、冷凍機系（３３）にて液
化され、搬送装置（３ａ）へ戻され、循環系統を形成す
るので冷媒の無駄がない。

以上説明したように、実施例１によれば、回転子界磁巻
線として高温超′屯導導体を用いたものを搭載した回転
電機において、冷媒を例えば、液体窒素、液体水素等の
常温における高絶縁性気体の特性を活用し、従来は回転
子の巻線冷却のみに用いていた冷媒を固定子冷却にも利
用できる。

その結果、従来は２種類以上の冷媒を用いて回転電機本
体の冷却を行っていたシステムが冷媒種の共用化に伴い
簡素化されるばかりでなく、回転子冷却後の気体冷媒の
低熱源を従来の加温し再循環系へ回収するという無駄を
根本から解決し、低温気体冷媒を固定子冷却に十分に利
用でき、冷媒の効率的運用が図れる。

これにより、ガスクーラーを省略し、従来の冷媒給徘装
置（３）を冷媒供給専用の搬送装置（３ａ）のみとし１
回収機能を固定子側へ配設したので機械構造が簡素化し
、信頼性が著しく高まる。

さらに、気体冷媒は回転子の回転エネルギを有しており
、固定子内の冷媒流動の為の圧力発生装置、例えば軸流
ファン等は最小限の大きさにすることが可能で、これに
伴い、流体の損失は大幅に低減でき、機械の効率を向上
させることができる。

実施例２第３図に示す第２の実施例の構成はほぼ第１図の通りで
あるが、回転子の冷却に用いられた低温気体冷媒の固定
子側への排出孔が第１の実施例と異なる。

すなわち、第１の実施例では常温ダンパ（６ａ）の半径
方向に複数個設けられていた冷媒排出孔（１７）の代り
に常温シールド（６）の端部にて半径方向又は軸方向（
第３図には軸方向の排出孔を例として示した）の排出孔
（１７ｃ）を配設したものである。

このようにすると、回転子表面の孔による回転攪拌損失
を低減しているが、低温気体冷媒の低熱源利用の観点か
ら得られる作用の効果は実施例１と同様である。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、高温超電導導体
にて界磁巻線を形成し、冷媒を例えば液体の窒素又は水
素等の気化しても絶縁性のよいものにして、気体となっ
た冷媒で固定子を冷却したので、冷媒の低熱源を有効に
利用でき、加温器が不要となり、さらに軸端部の冷媒搬
送装置を小形軽量化できるので、著しく信頼性が高く、
冷却効率の高い超電導回転電機を提供することができる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例を示す縦断面図、第２図
は第１図の要部を示す拡大断面図、第３図は第２の実施
例を示す要部縦断面図、第４図および第５図はそれぞれ
異なる従来例を示す縦断面図である。１・・・液体ヘリウム、　　　１ａ・・・液体冷媒、２
・・・界磁巻線、　　　　　２１・・・電機子巻線、２
２・・・磁気シールド、　　　２４・・・固定子フレー
ム、３２・・・回収孔、　　　　　　３３・・・冷凍機
系。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）高温超電導導体を界磁巻線として搭載した超電導
回転子を備えた超電導回転電機において、冷媒には常温
状態でもガスヘリウムより絶縁性の高い種類のものを用
い、回転子のトルクチューブや輻射シールドを冷却した
後の気体冷媒を固定子側へ排気し、固定子側を冷却し加
温された気体冷媒を固定子フレームの一部から回収する
回収孔を設けたことを特徴とする超電導回転電機。
（２）固定子フレームから回収した気体冷媒を回転電機
外に配設した冷凍機系に導き、再度冷媒を液化して、回
転子へ送液する循環系を構成したことを特徴とする特許
請求の範囲第１項記載の超電導回転電機。