JPH03128662A - 超電導回転電機の回転子 - Google Patents

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） 本発明は例えば液体ヘリウムからなる冷却媒体により冷
却される超電導回転電機の回転子において、特に内部構
成として設けられる回転子内筒および輻射シールドの熱
収縮特性を改良した超電導回転電機の回転子に関する。

（従来の技術） 従来、この種の代表的な例えば超電導発電機の回転子と
して第６図および第７図に示すような構成のものがある
。即ち、第６図および第７図に示すように回転子は両端
部に回転軸２が取付けられた回転子外筒１とこの回転子
外筒１の内部に同軸的に設けられ、且つ内部に冷却媒体
として液体ヘリウム３が収容される回転子内筒４から構
成されている。回転子内筒４の両端部には軸方向に伸び
るトルクチューブ５が取付けられ、その一方のトルクチ
ューブ５の端部は回転軸２の取付基端部に対応する部分
の回転子外筒１にボルト等により強固に固定され、また
他方のトルクチューブ５の端部は回転子外、内筒１．４
の熱収縮を吸収する例えばダイアフラム状の熱収縮吸収
体６を介して回転子外筒１と回転軸２の取付基端部との
間に連結されている。

一方、回転子内筒４の外周面部に形成されたコイル溝７
には超電導コイル８が収納されており、この超電導コイ
ル８はくさび９、絶縁物１０を用いて固定されている。

また、回転子内筒４から出た超電導コイルエンド部１１
については保持筒１２を用いて遠心力、電磁力に十分耐
え得るように強固に固定されている。また、回転子内筒
４内には一方の回転軸２内を通して回転二重管１３が挿
入され、この回転二重管１３より供給される液体ヘリウ
ム３により超電導コイル８が冷却されている。

さらに、液体ヘリウムの温度とほぼ同温状態の回転子内
筒４と常温状態にある回転子外筒１の間には常温領域か
ら内部への熱侵入を防止するため、約１００〜１５０°
に程度の温度に保持された輻射シールド１４が回転子内
筒４両側のトルクチューブ５に形成された取付座１５間
に跨がって同軸的に配設され、その端部１６．１７を取
付座１５上に固定している。

いま、ここで輻射シールド１４の取付は方法を考えるに
際して、輻射シールドの温度と回転子内筒４の温度差を
考慮する必要がある。即ち、第８図に示す温度分布図に
おいて、輻射シールド１４の取付座１５間の長さをＬと
すると、この区間で輻射シールド１４の運転温度はほぼ
一様で概略１００〜１５０’にである。一方、回転子内
筒４はり２区間で運転温度は４°にで、トルクチューブ
５の輻射シールドの取付座１５までの区間Ｌ２は第８図
に示すように４’により少し上昇するものの、回転子内
筒４の温度範囲（４°に、Ｌ、区間）部の方が遥かに長
い。したがって、このＬ区間で回転子内筒４、輻射シー
ルド１４の熱収縮差が生じるため、輻射シールドの取付
座１５に対する固定方法としては通常一端部１６を溶接
等で固定し、他端部は熱収縮に対して自由にスライド可
能な構造としている。

（発明の解決しようとする課題） しかしながら、このような構成の超電導発電機の回転子
において、常温部の回転子外筒１の内側は低温部に対す
る熱侵入を低減させるため、真空状態にしていることか
ら、輻射シールド１４の他端部が取付座１５上をスライ
ドする際、そのスライド部の真空中での相対運動により
かじり等が発生する欠点があった。さらに、かじり等が
進み、固着等が発生すると輻射シールド１４に塑性変形
を引起こす虞があり、しかも固着状態が一様でない場合
にはアンバランスを生じ、振動が発生する等の欠点があ
った。

本発明は回転子外筒からの熱侵入を防止するための輻射
シールドを堅労、且つ高信頼性をもって回転子内筒の外
周部に配設することが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。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 本発明は上記の目的を達成するため、常温ダンパからな
る回転子外筒内に冷却媒体を収容する回転子内筒を設け
、この回転子内筒の両端部に設けられたトルクチューブ
を前記回転子外筒に取付けると共に前記回転子内、外筒
間に常温領域からの熱侵入を低減させる輻射シールドを
配設してなる超電導回転電機の回転子において、前記回
転子内筒と前記輻射シールドを両者の熱収縮量が同一と
なるように前者の線膨脹係数が後者のそれに対して小さ
い材料で構成したものである。

（作用） 従って、このような構成の超電導回転電機の回転子にあ
っては、回転子内、外筒間に配設される輻射シールドの
両端部を回転子内筒両端側のトルクチューブに取付座を
介して完全に固定することが可能となるので、その時の
発生応力は十分小さくなり、従来のようにスライド部の
かじりや固着の発生等に起因する振動の発生がなく、信
頼性の高いものになし得る。

（実施例） 以下本発明の一実施例を図面を参照して説明する。

第１図は本発明による超電導回転電機、ここでは超電導
発電機の回転子における回転子内筒側の構成例を示すも
ので、第６図と同一部品には同一記号を付してその説明
を省略し、ここでは異なる点についてのみ述べる。

本実施例では、第１図に示すように回転子内筒４をイン
コネル７１８，７０６などのＮｉ基合金からなる材料で
、また輻射シールド１４をＡ２８６，５ＵＳ３１６など
のオーステナイト系ステンレス鋼からなる材料でそれぞ
れ構成し、この輻射シールド１４を回転子内筒４の外周
に同軸的に配設すると共にその両端部１６．１７を回転
子内筒４両側のトルクチューブ５に形成された取付座１
５に溶接により完全に固定するようにしたものである。

この場合、輻射シールド１４の両端部１６．１７を取付
座１５にボルトにより固定するようにしてもよい。

ここで、回転子内ｒ４４の材料として用いられたインコ
ネル７１８，７０６などのＮｉ基合金および輻射シール
ド１４の材料として用いられたＡ２８６，５ＵＳ３１６
などのオーステナイト系ステンレス鋼の常温から冷却時
の熱収縮率の特性を第２図に示す。この第２図から分か
るように、Ｎｉ基合金では常温から４°Ｋまで冷却され
ると、約０．２２％の収縮となる。一方、オーステナイ
ト系ステンレス鋼では、熱収縮率がＮｉ基合金より大き
く、このＮｉ基合金の熱収縮率と同一の値となる温度は
Ｎｉ基合金の特性曲線の４°にのポイントから横軸と平
行に線を引き、オーステナイト系ステンレス鋼の特性曲
線と交わる点となる。

従って、第２図において、この交点の温度は１０６’に
となり、輻射シールド１４の運転温度と一致している。

即ち、輻射シールド１４の設定温度を１０６°にとすれ
ば、Ｌ区間の回転子内筒４、トルクチューブ５との熱収
縮差は０となり、輻射シールドの取付座１５に輻射シー
ルド１４の両端部１６．１７を溶接、ボルトなどで完全
に固定することが可能となる。

次にこのように構成された超電導発電機の回転子の作用
について述べるに、いま輻射シールド１４の両端部１６
．１７をトルクチューブ５の取付座１５に溶接、ボルト
などで完全に固定した場合の発生応力について考察する
と次の通りである。

輻射シールド１４の常温組立時から運転温度（１００〜
１５０’　Ｋ）まテノ収縮率をα１、そのヤング率をＥ
１回転子内筒４の常温組立時から運転温度（４”　Ｋ）
までの収縮率をα２とする。

回転子内筒４の軸方向の剛性は輻射シールド１４の軸方
向の剛性に比べて遥かに大きいことから、輻射シールド
１４には下式で与えられる圧縮応力が発生する。

σ−Ｅ＊（α２−αＩ） そこで、例えばこれらの材料を両者ともオーステナイト
系ステンレス鋼とすれば、 Ｅ　＝　２　Ｘ　１０’　ｋｇ／ｍｍ２　　α、−０．
２０％、α、−０，２７％程度の値となり、発生応力は
材料の耐力に対し４て７割程度の値にもなる。

いま、上記実施例に示した材料の組み合わせで、輻射シ
ールド１４の設定温度を変化させた場合の発生応力を第
３図に示す。第３図からも明らかなように、発生応力は
輻射シールド１４の設定温度を１０６”Ｋとした場合は
Ｏとなることは前述した通りであるが、設定温度をこれ
より低くとれば引張り、高くとれば圧縮の応力が発生す
ることが分かる。いずれにしても、輻射シールド１４の
設定温度を１００’に前後とすれば、従来の構造に比べ
発生応力は数分の一以下に低減することが可能となるも
のである。

このように回転子内筒４をＮｉ基合金からなる材料で、
また輻射シールド１４をオーステナイト系ステンレス鋼
からなる材料でそれぞれ構成することにより、輻射シー
ルド１４の健全性を損なうことなく、回転子内筒４の外
周に同軸的に配設された輻射シールド１４の両端部１６
．１７をトルクチューブ５に形成された取付座１５に溶
接、またはボルトなどを用いて完全に固定することが可
能となる。従って、従来の横這のように輻射シールド１
４の一端部１７を取付座１５に対してスライド支持させ
る必要がないので、真空中でのかじり、固着等の発生の
虞を皆無になし得る。

上記実施例では回転子内筒４をインコネル７１８．７０
６などのＮｉ基合金からなる材料で、また輻射シールド
１４をＡ２８６，５ＵＳ３１６などのオーステナイト系
ステンレス鋼からなる材料を用いた場合について述べた
が、本発明はこれらの材料に特定されるものではなく、
次のような材料の組合わせとしてもよい。

■回転子内筒４の材料としてＡ２８６．５ＵＳ３１６な
どのオーステナイト系ステンレス鋼、輻射シールド１４
の材料としてＡ３０８３などのアルミ合金を用いる。

■回転子内筒４の材料としてＴｉ−６Ａ１−４Ｖ、Ｔｉ
−５Ａ１−２．５８ｎなどのチタン合金、輻射シールド
１４の材料としてインコネル７１８．７０６などのＮｉ
基合金を用いる。

第４園は■の場合の常温から冷却時の熱収縮率の特性を
示すものであり、また第５図は■の場合の常温から冷却
時の熱収縮率の特性を示すものである。これらの特性か
らも分かるように、いずれの場合も輻射シールド１４の
設定温度を１３８’にとすることにより、輻射シールド
に発生する応力を０とすることが可能となるので、こ、
の前後の設定温度において、前述と同様の効果が得られ
ることは明らかである。

［発明の効果］ 以上述べたように本発明によれば、回転子外筒からの熱
侵入を防止するための輻射シールドを堅労、且つ高信頼
性をもって回転子内筒の外周部に配設することができる
超電導回転電機の回転子を提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による超電導回転電機の回転子の一実施
例の要部を示す断面図、第２図および第３図は同実施例
の作用効果を説明するための特性曲線図、第４図および
第５図は本発明の他の実施例の作用効果をそれぞれ説明
するための特性曲線図、第６図は従来の代表的な超電導
回転電機の回転子を示す断面図、第７図は第６図のＡ−
Ａ線に沿う矢視断面図、第８図は、同超電導回転電機の
回転子において温度分布の一例を説明するための図であ
る。 １・・・・・・回転子外筒、２・・・・・・回転軸、３
・・・・・・液体ヘリウム、４・・・・・・回転子内筒
、５・・・・・・トルクチューブ、６・・・・・・熱収
縮吸収体、７・・・・・・コイル満、８・・・・・・超
電導コイル、９・・・・・・くさび、１０・・・・・・
絶縁物、１１・・・・・・超電導コイルエンド部、１２
・・・・・・保持筒、１３・・・・・・回転二重管、１
４・・・・・・輻射シールド、１５・・・・・・取付座
、１６．１７・・・・・・輻射シールドの端部。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 常温ダンパからなる回転子外筒内に冷却媒体を収容する
   回転子内筒を設け、この回転子内筒の両端部に設けられ
   たトルクチューブを前記回転子外筒に取付けると共に前
   記回転子内、外筒間に常温領域からの熱侵入を低減させ
   る輻射シールドを配設してなる超電導回転電機の回転子
   において、前記回転子内筒と前記輻射シールドを両者の
   熱収縮量が同一となるように前者の線膨脹係数が後者の
   それに対して小さい材料で構成したことを特徴とする超
   電導回転電機の回転子。