JPH0318426B2

JPH0318426B2 -

Info

Publication number: JPH0318426B2
Application number: JP57024488A
Authority: JP
Inventors: Shigenobu Mori; Hiroshi Fukui; Tetsuo Kashimura; Yoshimi Yanai
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1982-02-19
Filing date: 1982-02-19
Publication date: 1991-03-12
Also published as: DE3378395D1; EP0087287B1; USRE33186E; EP0087287A3; US4642495A; JPS58144569A; EP0087287A2

Description

【発明の詳細な説明】

〔産業上の利用分野〕本発明は超電導回転子に係り、特に電機子磁束
遮蔽用の常温電磁遮蔽体を改良した超電導回転子
に関する。〔従来の技術〕第１図は超電導発電機の回転子の構成を示す断
面図である。これは回転界磁型超電導発電機にお
けるものである。回転子は多重同心中空円筒構造
を有し、外側より、常温電磁遮蔽体１１、低温電
磁遮蔽９（液体ヘリウムの液体温度より約50℃高
くなつている。）、超電導コイルカバー８、超電導
コイルバインド７、超電導コイル２、超電導コイ
ル２を収納するトルクチユーブ６、冷却用ヘリウ
ム流路５、シヤフト１０、電流リード線１、液体
ヘリウム４、液体ヘリウム導入管３によつて構成
されている。液体ヘリウムは回転の遠心力によつ
てトルクチユーブ６の壁に押しつけられ、図のよ
うに円筒状になる。低温電磁遮蔽体９および常温
電磁遮蔽体１１内はいずれも真空になつている。大容量発電機においては電力系統事故時に電機
子巻線の電流が変動する。このときもし電磁遮蔽
体９，１１がないと、電機子巻線の発生する磁束
と界磁電流との相互作用により制動力が働く為、
回転子が減速し、同期をはずれる。同期をはずれ
ると電機子電流が尚一層著しく変動し、かつ回転
子に過大なる推力と制動力が交互に発生するため
電力系統にとつても発電機にとつても致命的な損
傷となる。このように電磁遮蔽体９，１１は回転子が同期
からはずれるのを防止するために設けるものであ
る。換言すれば、電磁遮蔽体９，１１は、電機子
磁束の変動分が界磁巻線に鎖交するのを防止する
ためのものであり、導体内にうず電流を流して磁
束密度を減衰させるのである。電機子磁束には
120Hz成分と、回転子の動揺に伴なう0.5〜２Hzの
低周波成分があり、前者は常温電磁遮蔽体によ
り、後者は低温電磁遮蔽体により、それぞれ遮蔽
される。この時、電機子磁束と電磁遮蔽体のうず
電流との相互作用により、常温電磁遮蔽体１１に
は回転動揺制動力と強大な電磁力が発生する。したがつて常温電磁遮蔽体は導電性が良好でか
つ強度の高いことが必要である。また、次の理由
から非磁性であることが要求される。すなわち、
超電導コイルの磁束密度は極めて高いが、電機子
巻線との間に強磁性体が存在すると、磁性体の磁
気飽和現象によつて、有効利用できる磁束が減少
してしまうためである。このような常温電磁遮蔽体として、非磁性で導
電率の高い銅合金と機械強度の高い非磁性鋼とを
爆発圧着で張り合わせた二層複合材とすることが
既に提案されている（特開昭54−38792）。しかし
二層複合材を用いた電磁遮蔽体は、その製作過程
での溶接によつて、二層複合材の剥離や溶接部で
溶接割れを発生し、これらの欠陥が回転中に進展
して電磁遮蔽体の破壊をもたらす恐れがある。す
なわち、常温電磁遮蔽体の製作に複合材や溶接構
造を採用することは実際上問題があつた。このため、常温電磁遮蔽体は単一材料でしかも
一体品として製作されたものが望まれていた。また従来、常温で非磁性かつ導電性の高い材料
として析出硬化型のアルミニウム合金や銅合金が
知られているが、これらの材料はいずれも常温
0.2％耐力が５Kgｆ／mm²以下である。ところが、
回転中の電磁遮蔽体には、電磁力、遠心力および
熱応力等が複合して作用するため、例えば容量
50MVA以上の超電導発電機では、常温電磁遮蔽
体の材料として常温0.2耐力が60Kg／mm²以上のも
のが要求されている。このような理由から、アル
ミニウム合金や銅合金のみの単一材料で電磁遮蔽
体を構成することはこれらの合金が強度が低いの
で、できない。本発明の目的は、電磁遮蔽体としての諸特性を
満足するとともに、その電磁遮蔽体を単一材料で
一体品として製作できる超電導回転子を提供する
ことである。上記目的を達成するために、本発明は、円筒状
の常温電磁遮蔽体の内部に超電導コイルが配設さ
れ、前記常温電磁遮蔽体が前記超電導コイルと共
に中心軸回りに回転する超電導回転子において、
前記常温電磁遮蔽体を、炭素0.25wt％以下、シリ
コン0.5wt％以下、マンガン1.5wt％以下、チタン
0.1〜0.5wt％、アルミニウム2.5〜5wt％、銅15〜
33wt％、残部ニツケルからなる組成を有し、ガ
ンマプライム相が析出した組織の合金で構成した
ことを特徴とする。上記構成によれば、交流磁界を電磁シールド
し、強力な電磁力に耐え、かつ熱応力にも耐え、
更に適当な比抵抗を有することから同期はずれを
防止することができる。また、上記の電磁遮蔽体を単層構造で製作すれ
ば、二層複合材の場合と異なり張り合わせたとき
の溶接部が存在しないので、剥離や溶接割れとい
つた不具合が発生することも全くない。発明者らは、強度と導電性が高く、非磁性を得
られるニツケル基合金について種々検討した結
果、ニツケル・銅合金が実用的見地から最も好適
な合金であることを見出した。ニツケル・銅合金では銅含有量の増加とともに
キユリー点が低下し、銅含有量が15％を越えると
常温で非磁性が得られる。また銅含有量の増加と
ともに比抵抗が増し導電性が低下する。常温電磁
遮蔽体で必要とされる比抵抗は70μΩ・cm以下で
あるが、銅含有量が33％以下のニツケル・銅誤金
は70μΩ・cm以下の比抵抗を示す。ニツケル・銅合金における問題は機械的強度で
ある。このためニツケル・銅合金の比抵抗に大き
な影響を与えることなく析出強化させることが可
能な元素を検討した結果、アルミニウムが最も優
れていることがわかつた。アルミニウムを適量添
加したニツケル・銅合金を450℃〜650℃の温度範
囲で時効処理するとガンマ・プライム相
（Ni₃Al）を有するオーステナイト組織となり、
合金の機械的強度は著しく高くなる。アルミニウ
ムはまたニツケル．銅合金のキユリー点を低下さ
せる元素として有効である。本発明の常温電磁遮蔽体に適した前記ニツケル
基合金の成分は重量％で、下記の範囲とするのが
好ましい。すなわち、炭素を0.25％以下、シリコンを0.1
〜0.5％、マンガンを0.1〜1.5％、チタンを0.1〜
0.5％、アルミニウムを2.5〜５％、銅を15〜33％
含み残部ニツケルから成るものである。このように組成範囲を限定するのは以下の理由
による。炭素は合金の固溶強化元素であるが、多
過すぎると電気抵抗を増加させるとともに、TiC
が析出して切削加工性が悪くなるので0.25％以下
が好ましい。シリコンは合金溶解時に脱酸剤として0.1％以
上含むのが好ましいが、0.5％を越えると合金の
鍛造性、靭性、導電性を低下させるところから
0.1〜0.5％が好適である。マンガンは合金溶解時に脱酸剤および脱硫剤と
して0.1％以上含むのが好ましいが、1.5％を越え
ると導電性を著しく低下させるところから0.1〜
1.5％が好適である。アルミニウムはガンマ・プライム相（Ni₃Al）
の生成によつて合金を強化し、合金のキユリー点
を低下させる元素として2.5％以上含むのが好ま
しいが、５％を越えると合金の鍛造性、靭性、導
電性を低下させるところから、2.5％〜５％が好
適である。銅は合金のキユリー点を０℃以下に低下させる
元素として15％以上含有するのが好ましい。また
33％を越えると合金の導電性および強度が低下す
ることがあるので15〜33％が好適である。なお、本発明の電磁遮蔽体は、例えば、溶製後
熱間鍛造し、次いで必要に応じ溶体化処理し、さ
らに時効処理して製造される。次に本発明の実施例について説明する。実施例１第１表に示す成分から成るニツケル基合金を真
空溶解後、700℃で熱間圧延して板厚15mmとし、
これを750℃に0.5時間保持し、その直後に水冷
し、溶体化処理するとともに、さらに、620℃に
２時間保持後炉冷し、次いで565℃に４時間保持
後炉冷し、更に510℃に４時間保持後空中冷却し、
時効処理を与えた後、キユリー点、常温比抵抗、
常温0.2％耐力を測定した。その結果を第１表に
示した。また第２図〜第４図にグラフとして示し
た。第２図は本発明合金のキユリー点とCu量との
関係、第３図は本発明合金の比抵抗とCu量との
関係、第４図は本発明合金の0.2％耐力とCu量と
の関係を示す。第１表より本発明合金はいずれもキユリー点が
０℃以下であり、したがつて常温で非磁性である
ことが認められる。また常温で70μΩ・cm以下の
比抵抗と60Kgｆ／mm²以上の0.2％耐力を有し超電
導発電機用電磁遮蔽体の材料に好適である。実施例２第２表に示す成分のニツケル基合金を真空溶解
によつて10Kg溶製後、熱間鍛造して直径30mmの棒
とし、次にこれを電極としてエレクトロスラグ再
溶解し、直径60mm、長さ230mmのインゴツトを得
た。この時、フラツクスには（40％CaF₂−30％
CaO−30％Al₂O₃）＋２％TiO₂を用い、電流850〜
925A、電圧30〜34V、溶解速度439（ｇ／min）の
条件で再溶解した。この後、インゴツトを750℃
で熱間鍛造して直径30mmの棒とし、750℃に0.5時
間保持し、この直後水冷する溶体化処理後、620
℃に２時間保持後炉冷し、さらに565℃に４時間
保持後炉冷し、次いで510℃に４時間保持後空中
冷却して時効処理を与えた。このようにして製作したニツケル基合金のキユ
リー点は−52℃、比抵抗は53μΩ・cm、0.2％耐力
は78Kgｆ／mm²を示し、超電導発電機用電磁遮蔽体
に要求される特性を全て満足した。また本実施例
においては、エレクトロスラグ再溶解を採用する
ことによつて、清浄度の高い合金を得られる他、
中空インゴツトの大型化が可能となるため、
500MVA以上の大容量超電導発電機の常温電磁
遮蔽体を一体鍛造品として製作することも可能で
ある。第５図は本発明による電磁遮蔽体が有する電気
比抵抗と回転動揺制動効果との関係を示してい
る。この図は、電磁遮蔽体の材料の比抵抗（抵抗
率）を20〜100μΩ・cmの範囲で変化させた場合
の回転動揺制動効果を計算で解析することにより
得た。超電導発電機においては回転動揺制動効果
が要求され、その効果が優れていることが重要で
ある。第５図に示すように、回動動揺制動効果は
材料の比抵抗を高くすることによつて得られる
が、逆に比抵抗が高すぎてもその効果が低下す
る。本発明による電磁遮蔽体では比抵抗が30〜
70μ・cmとなる。そして、本実施例のNo.５のAlお
よびCuの下限値を有するものの比抵抗が47μΩ・
cmであり、本発明による電磁遮蔽体での比抵抗の
下限はこの付近にある考えられる（Si，Mn，Ti
量を考慮するとそれより若干ひくいかもしれない
が）。以上の結果より、本発明による電磁遮蔽体
は、従来の純銅のものに比較して、格段に優れて
いるといえる。

【表】

【表】以上説明したように、本発明によれば、常温で
非磁性であるとともに、導電性に優れ強度が高い
電磁遮蔽体を得ることができ、実用的で信頼性の
高い超電導回転子を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は超電導発電機用回転子の構成を示す断
面図、第２図は本発明による電磁遮蔽体のキユリ
ー点とCu量との関係を示す図、第３図は本発明
による電磁遮蔽体の比抵抗とCu量との関係を示
す図、第４図は本発明による電磁遮蔽体の0.2％
耐力とCu量との関係を示す図、第５図は本発明
による電磁遮蔽体の電気比抵抗と回転動揺制動効
果との関係を示す図である。２……超電導コイル、１１……常温電磁遮蔽
体。

Claims

【特許請求の範囲】１円筒状の常温電磁遮蔽体の内部に超低温に冷
却された超電導コイルが配設され、前記常温電磁
遮蔽体が前記超電導コイルと共に中心軸回りに回
転する超電導回転子において、前記常温電磁遮蔽体を、炭素0.25wt％以下、シ
リコン0.5wt％以下、マンガン1.5wt％以下、チタ
ン0.1〜0.5wt％、アルミニウム2.5〜5wt％、銅15
〜33wt％、残部ニツケルからなる組成を有し、
ガンマプライム相が析出した組織の合金で構成し
たことを特徴とする超電導回転子。