JPH04145863A - 超電導回転電機 - 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） 本発明は例えば超電導発電機の少なくとも回転子に装着
される巻線を超電導導体で構成した超電導回転電機に関
する。

（従来の技術） 従来の超電導発電機の代表例としては、第１４図に示す
ような構造のものがある。第１４図において、１は超電
導導体で構成される界磁巻線が納めされた回転子で、こ
の回転子１の両端部軸は軸受５を介して回転自在に支持
されている。また、２は回転子１に所定の間隙を存して
設けられた電機子巻線２ａを有する固定子で、この固定
子２は軸受５に結合され且つ基礎台３に支持された固定
子枠４に取付けられている。回転子１の片側の軸端部に
駆動機を接続する継手６を有し、またこの継手６とは反
対側の軸端部には界磁巻線に界磁電流を供給する界磁電
源装置７および回転子内部に冷媒を供給する冷媒供給装
置８が設けられている。

第１５図は上記回転子１の内部構造の概略を示すもので
ある。本来超電導発電機の回転子は超電導導体を超電導
温度に保持するために複雑な構造と部品構成になってい
るが、ここでは以下の説明に直接関与しない部分は割愛
あるいは簡略化しである。

第１５図において、１０は内部に界磁巻線９を収納した
低温回転子で、この低温回転子１ｏは超電導導体を超電
導温度に保持するために外部から断熱されると同時に冷
媒により冷却可能な構造となっている。すなわち、本例
では低温回転子１０の外周に表面が鏡面状態の熱遮蔽筒
］１と電機子からの有害な磁気を遮蔽するための磁気遮
蔽筒１２が同心円状に配設され、これら低温回転子１０
、熱遮蔽筒１１および磁気遮蔽筒１２の相互間に形成さ
れる各部屋は真空に保持された真空室１３．１４となっ
ている。したがって、低温回転子１０に外周部から侵入
しようとする熱は真空室で熱伝導的に遮蔽され、さらに
熱遮蔽筒１１の鏡面により熱輻射的にも遮蔽される。ま
た、低温回転子１０の軸方向端部には中空薄肉円筒構成
のトルクチューブ１５ａ、１５ｂ、その開口端面を閉塞
する表面が鏡面状態に加工された遮蔽板１６ａ。

１６ｂが設けられ、これら低温回転子１０の軸端部側と
遮蔽板１６ａ、１６ｂとの間およびトルクチューブ１５
ｇ、１５ｂ内に形成される各部屋は）・ 真空に保持された真空室１７ａ、１７ｂとなっている。

したがって、低温回転子１０に軸方向から５侵入しよう
とする熱は真空室１７ａにより熱伝導的に遮蔽され、さ
らに遮蔽板１６ａ、］、６ｂの鏡面により熱輻射的にも
遮蔽される。さらに、低温回転子周辺の構造部材は冷媒
によって強制的に冷却することも可能であり、これによ
って低温回転子１０の低温回転子の保冷強化を図ること
ができる。

一方、低温回転子］０内、外に１１（給、１）１出され
る冷媒は回転子の反継手側の軸端部に設けられた中心孔
１８から供給管１８ａ、１９を通して低温回転子１０内
部に導かれる。この場合、冷媒には回転遠心力による外
径方向の力が加わるので、低温回転子］０内に導入され
た冷媒は低温回転子内の図示しない通路を通って界磁巻
線９が冷却できるようになっている。また、温度の上が
った冷媒は比重が低下するので、低温回転子１０内の低
温室１０ａにおいては供給管１８ａ、１９から供給され
た冷媒は外径側に集まり、冷却の用に供されて温度の上
がった冷媒は中心部分に集まるので、この特性を利用し
て中心部分に集まった冷媒を排出管２０ａを通して排出
孔２０から外部に導出可能にしである。本例では低温回
転子１０内部の供給管１８ａ、１９および排出管２０ａ
の外周の真空室を真空状態にするための排気管２１ａ。

２２ａを設けて供給冷媒、排出冷媒並びに回転子相互間
の断熱を図っている。この例では真空室を反継手側軸端
部に設けられた真空引き孔２１゜２２に通じており、後
述の対応する固定部分から真空引きが可能になっている
。

第１６図はこのような冷媒供給、排出構造の回転子軸端
部とこれに対応する固定部分の構成例を示すものである
。第１６図に示すように、固定部である冷媒供給装置８
は内部が回転子外周と間隙を介して軸方向の複数箇所に
配設されたフランジ部材２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４
ｄで仕切られ、これら各フランジ部材と回転子軸間の間
隙にはシール機構２５が設けられている。シール機構の
具体的な例は後述するが、これによって回転子軸の中心
孔１８、排出孔２０、真空引き孔２１．２２の各々は固
定部である冷媒供給装置内の相対する部屋とそれぞれ独
立して連通させることかできる。

本冷媒供給装置はさらに図示されていない冷媒送出、回
収装置と連通ずる移送管２６，２７、真空引き装置と連
通ずる真空引き管２’８．２９が装着可能であり、これ
らはそれぞれ回転子の中心孔１８、排出孔２０、真空引
き孔２１．２２とそれぞれ独立して連通させている。

第１７図は上記シール機構２５の代表的な例として磁性
流体シールの原理を示すものである。第１７図において
、フランジ部２４ａ〜２４ｄの内周には磁石３６、一対
の磁性材料製のポールピース３５ａ、３５ｂが配置され
、相対する回転子軸端部２３の外周部にはフランジ形ス
テージ部３４を有する磁性部３３が配置されている。磁
石３６の磁極の向きに基く磁力線の経路と方向は図中の
破線と矢印３８で示されている。このように配置された
ステージ部３４とポールピース３５ａ３５ｂ間に磁性流
体３７を注入することによって、磁性流体３７はステー
ジ部３４とポールピース３５ａ、３５ｂ間を完全に充満
し回転子の回転を阻害することのなく、且つ周囲の雰囲
気を汚染することのない密閉壁を形成することができる
。

（発明が解決しようとする課題） このような構成の従来の超電導発電機においては、以下
に述べるような問題があった。

（１）回転子１内の低温回転子１ｏには回転子構造部材
が機械的に結合されているので、外部の熱が伝熱的に侵
入する。

（２）界磁巻線９に界磁電流を供給する電流り一ド３１
ａ、３１ｂを通して外部の熱が伝熱的に低温回転子１０
に侵入する。

（３）電流リード３１ａ、３１ｂの一部は一般的に常電
導等体製であるため、界磁電流により発生するジュール
熱により低温回転子１ｏの温度上昇をもたらす。

（４）低温回転子１０の温度上昇を抑制して界磁巻線を
構成する超電導導体を超電導温度に保持するには、運転
中も絶えず冷媒を供給する必要があり、冷媒供給装置の
必要容量も大きくなる。

（５）冷媒が供給管１８ａ、１９を通して低温回転子］
０内の低温室１０ａに供給される際に冷媒の流れ損失を
発生すると共に供給管そのものが伝熱路となって外部の
熱か低温回転子１０に侵入する。

（６）前述したように冷媒供給のために回転子の一方の
軸端部か占有されるため、この軸端部に他の構造部品を
設置することは難しく、さらに前述のシール機構２５が
大口径、高周速になるにしたがってシール性能の保持が
困難になるため、特に高いトルクが作用する軸を直結す
ることは困難である。

本発明は低温回転子内に侵入する熱量を減少させて冷媒
の温度上昇を低減することができ、また回転子軸端部か
らの冷媒供給をなくしてこの部分からの熱侵入を防止で
きる超電導回転電機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、超電導巻線を納め
られた超電導回転子と、前記超電導回転子に所定の間隙
を存して固定子□粋に取付けられた巻線を有する固定子
とを備えた超電導回転電機において、前記超電導回転子
内のクライオスタット構成部材間結合の少なくとも一部
を磁気的拘束手により結合するようにしたものである。

なお、上記構成のうち、望ましい態様は次の通りである
。

（１）超電導回転子内に光−電気変換器とフォー・カプ
ラを有し、回転子内の電流リードの一部が光ケーブルに
よって構成した超電導回転電機である。

（２）クライオスタット内に光−電気変換器を有し、該
変換器と回転子内の巻線間の電流リードの少なくても一
部を超電導導体で構成した超電導回転電機である。

（３）超電導回転子と固定子との間隙にチャンバーを設
置し、回転子外周の少なくとも一部が真空に保持するよ
うにした超電導回転電機である。

（４）クライオスタット内に冷凍器、該冷凍器から回転
子内巻線に冷媒を供給する冷媒供給管および該冷凍器に
冷媒を回収する冷媒回収管を設ける構成とした超電導回
転電機である。

（作用） このような構成の超電導回転電機にあっては、超電導回
転子内のクライオスタット構成部材間の少なくとも一部
が磁気的拘束手段で結合されることにより、その部分に
機械的な結合がなくなり、外部の熱が伝熱的に侵入しな
いので、低温回転子内に侵入する熱量が減少し、冷媒の
温度上昇を低減することが可能となる。

（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全体の構成例を示
し、また第２図はその超電導回転子の内部構造の一例を
示すものである。第１図および第２図において、従来例
として述べた第１４図および第１５図と同一部位あるい
は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。

本実施例においては、第１図に示すように回転子４０と
固定子２との間隙に円筒状のチャンバ４１を設け、この
チャンバ４１の両端部側から回転軸方向に伸びるチャン
バ取付部を、軸受５に近接して設けられた軸密封機構４
２に結合して回転子４０との間に減圧または真空に保持
される部屋４４を形成する。この場合、軸密封機構４２
は回転子４０が存する部屋４４内とチャンバ４１外側の
圧力差を保持するためのものである。

なお、上記チャンバ４１を熱遮蔽構造にすれば、チャン
バ内に外部から侵入する輻射熱をさらに低減することが
できる。チャンバ４１の熱遮蔽構造の具体的な手段とし
てはチャンバ４１を多層構成とし、層間を真空化したり
冷却したりする方法があるが、一般的に良く知られてい
ることなので、ここではその説明を省略する。

本例においては、回転子４０内部に後述する小型冷凍器
を設ける構成とすることにより、運転中の回転子に冷媒
を供給する装置を設けないようにしている。これにより
、軸端部には他の構造部品を設置する装置することが可
能であり、本例では１］ 他の回転軸を直結するための継手４３が設けられる。

方、回転子４０は第２図に示すような構造となっている
。第２図に示すように回転子４０の軸方向両側に有する
接続軸４５．４６と低温回転子１０とは詳細を後述する
磁気継手４７ａ、４７ｂによって結合されている。低温
回転子１０の外周には熱遮蔽筒１］、軸方向両端側には
軸方向遮蔽板４８ａ、４８ｂか設けられると共に、これ
らの構造部祠により構成される部屋１．３，１．４４９
ａ、４９ｂ、４９ｃ、４９ｄは真空に保持されている。

また、低温回転子１０内に納められた界磁巻線９に電流
を供給するための機構としては、低温回転子１０の片端
側の軸方向遮蔽板４８ｂに取付けられた光−電気変換器
５１ａ、５１．ｂに界磁巻線９の口出部を電流リード５
０ａ、５０ｂを介して接続し、接続軸４６・の光−電気
変換器５］ａ。

５１ｂに対応する位置にフォトカプラ５２ａ。

５２ｂを取付け、これより光ケーブル５３ａ５３ｂを介
して軸外周部に取イ；１けられたフォトカプラ５４ａ、
５４ｂに接続して光伝送可能な構成にしである。この場
合、固定側から回転軸への界磁電流の供給は図示しない
送、受光装置により行われる。また、電流リード５０ａ
、５０ｂは超電導等体製で低温回転子内で超電導温度に
冷却される。

したかって、このような電流供給機構とすることにより
、電流リード５０ａ、５０ｂと、光ケーブル５３ａ、５
３ｂ間は真空室４９ｃ内でフォトカプラ５２ａ、５２ｂ
、５４ａ、５４ｂによって伝熱的に切離される。

さらに、低温回転子１０の低温室１０ａ内に小型冷凍器
５５を設け、この冷凍器５５に低温回転子内部の冷却に
供された温度の上がった冷媒を戻り管５６を通して流入
させ、ここで低温化された冷媒を供給管５７を通して再
び低温回転子に供給し、図示しない通路を通って所定の
各部を冷却したの後、戻り管５６を通して冷凍器５５に
入る冷媒循環系が構成されている。また、初期段階で低
温回転子１０内に冷媒を充填するための充填管５８を片
側の接続軸４６内を通して低温回転子１０内の低温室１
０ａに導くと共に、低温室１０ａ内から冷媒が充填管５
８を通って逆流しないように逆止弁５９が設けられてい
る。この場合、充填管５８の低温回転子近傍を断熱性祠
料によって構成することにより、外部の熱が充填管５８
を通って低温回転子内部に侵入することを防ＩＩ−する
ようにしである。

ここで、前述した磁気継手４７ａ、４７ｂの具体的な構
造例を以下に説明する。

第３図（ａ）はその基本的な原理を示すものである。第
３図（ａ）において、非支持部品６１は少なくともその
一部が磁性材料６２であり、支持部品６３の磁性４」料
６２と相対する部位には磁石６４が設けられている。

このような磁性材料６２と磁石６４との組合わせを非支
持部品６１と支持部品６３との間の所定の位置に配置す
れば、非支持部品６１は磁力の強い磁石に強く引かれる
ので、所定の位置に固定さ］４ れた複数の磁石の磁力を変化させることによって非支持
部品６１を任意の位置に固定することが可能である。

この原理は磁石の吸引力を利用したものであるか、他の
基本的な原理としては磁石の反発力を利用した方法があ
る。その１つの例としては第３図（ｂ）に示すように同
図（ａ）の非支持部品６１の磁性材料部品に代えて同位
置に反磁性材料６２ａを設ける構成とするものである。

反磁性材料としては例えば超電導祠料があり、これはマ
イスナー効果として良く知られている。また、他の例と
しては第４図に示すように支持部品６３、非支持部品６
１の両方に同極相対するように磁石６４．６５を配置す
る構成とするものである。

いずれの構成も非支持部品６１を任意の位置に固定する
作用原理は磁力の向きは反対になるが、基本的に第３図
（ａ）と同様であるので、説明は省略する。ただし、こ
れらの磁石の反発力を利用した方法は支持部品６３と非
支持部品６１との距離か小さい程反発力が強いので、位
置固定の制御には有利と言える。

以上の原理構成はいずれも支持部品と非支持部品か接す
ることなく相対位置か固定できるので、本発明の磁気継
手として有効であるが、本実施例ではこれらを代表して
第３図（ａ）に示す原理構成を採用した場合について説
明する。

第５図は非支持部品の位置を固定する場合の具体的な一
例を示す。ここで、磁石６４は電磁石であり、電流リー
ド６６ａ、６６ｂにより電流か供給され、磁力を発生す
る。非支持部品６１の位置は位置センサ６７によって検
出され、その検出信号は計測リード６８ａ、６８ｂによ
って取出される。

ここで、位置固定の制御手段の一例を第６図に示す回路
図を参照して説明する。第６図において、所定の位置セ
ンサ６７ａ、６７ｂの検出信号７１はエラーシグナル演
算素子７０でエラーシグナル信号７２として；・処理さ
れ、シグナルプロセッサ７３に入り、ここで基準シグナ
ルと比較処理された後、伝達関数演算素子７４によって
指定された出力信号７４ａ、７４ｂに基き各パワーアン
プ７５で増幅して電磁石７５ａ、７５ｂに電流７６を供
給することにより、制御動作が行なわれる。

第７図は非支持部品の位置固定手段の他の例を示すもの
である。

この位置固定手段は非支持部品６１と支持部品６３との
間の複数箇所に所定の剛性を有するスペサ６９を挿入し
、両者の位置を機械的に拘束するものである。この構成
は機械的な接触部を有することから非支持部品６１と支
持部品６３との間に伝熱経路が構成されるが、基本的に
は磁力により拘束されているものを補助する機能を有す
ることのみ満足すれば良いので、回路の伝熱抵抗を大き
くし、熱流量を小さくすることができる。この位置固定
手段は前述の理由により特に磁石の反発力を利用した磁
気継手との併用に有効と言える。

次に以上の動作原理を本実施例の磁気継手４７ａ、４７
ｂに適用した構造例について説明する。第２図において
、低温回転子１０とその両端側の接続軸４５，４・６と
は、軸方向力、軸直角力自力および回転力の３方向の力
に対して十分な強度で相互に接続する必要がある。

したがって、磁気継手４７ａ、４７ｂはこの３方向の力
に対して有効に配置される。

第８図の例では、低温回転子１０の軸方向両端とここに
は図示されていない接続軸の相対する部分を対に軸方向
継手部８１、軸直角方向継手部８２並びに回転磁気継手
部８３が設けられる。軸方向磁気継手部８］としては第
９図に示すような構成例のものが用いられる。この軸方
向磁気継手部８１の構成要素の説明はすてに述べたので
、ここでは該当記号に同一記号を付してその説明は省略
する。また、軸直角方向磁気継手部８２としては第１０
図および第１１図（第１０図のＡ−Ａ線に沿う矢視断面
図）に示すような構成例のものか用いられ、さらに回転
磁気継手部８３としては第１２図に示すような構成例の
ものか用いられ、いずれも構成要素の説明はすでに述べ
たので、ここでは該当記号に同一記号を付してその説明
は省略する。

本例では低温回転子側に電磁石を設置し、電磁石を構成
する巻線に超電導導体を使用する。この超電導導体を超
電導温度に冷却するため、低温回転子の冷媒を図示しな
い冷媒供給経路を通して導いている。一方、前述の超電
導材料のマイスナ効果を利用する場合には、接続軸側に
磁石を設置し、低温回転子側に超電導祠料を設置するこ
とにより、同様にして超電導４Ａ料を超電導温度に保持
することができる。

このような構成の本実施例によれば、低温回転子１０と
軸方向両側の接続軸４５．４６とは磁気継手４７ａ、４
７ｂにより所定の真空空隙を介して結合されるので、こ
の結合部分からの伝導的熱侵入を排除でき、低温回転子
１０の温度上昇を抑制することができる。また、低温回
転子１０内の電流リード５０ａ、５０ｂを超電導等体製
としたので、ジュール熱の発生を防止でき、低温回転子
１０の温度上昇を抑制することができる。しかも、電流
リード５０ａ、５０ｂへの電流供給はフォトカプラ５２
ａ、５２ｂ、５４ａ、５４ｂを通して光により行われる
ので、外部からの伝導的熱侵入を排除でき、低温回転子
１０の温度上昇を抑制することができる。

これらと併せて回転子の大部分が真空中で回転すること
によって回転子表面の風損による温度上昇かなくなり、
さらに低温回転子の温度上昇を抑制することができる。

したがって、運転中に回転子に冷媒を供給する必要量が
低減するので、冷媒供給装置の容量の小形化と経済運転
が可能となり、さらに回転子内に冷凍器５５を設けるこ
とにより、運転中に回転子に冷媒を供給するための冷媒
供給装置が不要となる。このことにより、回転子の両軸
端から駆動するような使用に対しても自由に対応させる
ことが可能である。

第１３図は本発明の他の実施例を示すもので、第２図と
同一部品および部位には同一記号をイ」シて示してその
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１３図に示すように界磁巻線９の極間
を光信号で作動する永久電流スイッチ８０を介して超電
導導体８１て接続し、この永久電流スイッチ８０と低温
回転子１０の片側の接続軸４６の外周部との間に配設さ
れた光ケーブル８２を通して外部に設けられた制御器８
４よりフォトカプラ８３を介して永久電流スイッチ８０
の作動信号を光信号として与える構成としたものである
。この場合、外部の制御器８４よりフォトカプラ８５を
介して界磁巻線９の電流制御のための光信号と連動する
ようにしである。

このように構成の超電導発電機においては、励磁電流を
一定にして運転する場合には所定の電流値が供給された
時点で永久電流スイッチ８０を入れて供給電流を切るこ
とにより、外部からの電流供給を必要としない経済的な
運転が可能となる。

尚、上記各実施例では代表的な超電導発電機について述
べたが、本発明では超電導回転機全般に適用実施できる
ことは勿論のことであり、また個々の構成要素は各種の
組合わせも可能である。その他、本発明はその要旨を変
更しない範囲内で種々変形して実施できるものである。

［発明の効果コ 以上述べたように本発明によれば、低温回転子内に侵入
する熱量を減少させて冷媒の温度上昇を低減することが
でき、また回転子軸端部からの冷媒供給をなくしてこの
部分からの熱侵入を防止できる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図は本発明の一実施例を示す縦断面図、第２図は同
実施例における回転子の内部構成を示す縦断面図、第３
図乃至第７図は同実施例における磁気継手の原理説明図
、第８図は同じく軸継手の配置例を示す斜視図、第９図
乃至第１２図は同実施例においてそれぞれ軸方向、軸直
角方向、回転方向の位置固定用磁気継手部の構成を示す
部分説明図、第１３図は本発明の他の実施例を示す回転
子の縦断面図、第１４図は従来の超電導回転電機の一例
を示す縦断面図、第１５図は第１４図の回転子の内部構
成を示す縦断面図、第１６図は従来の冷媒供給手段の一
例を説明するための冷媒供給系の部分図、第１７図は同
じく冷媒供給装置の軸封手段の一例を説明するだめの原
理図である。 ２・・・固定子、２ａ・・・電機子巻線、４・・固定子
枠、７・・・界磁電流供給源、９・・・界磁巻線、１０
・・・低温回転子、４０・・回転子、４１・・・真空チ
ャンバ、４７ａ、４７ｂ・・・磁気継手、１．３，１４
．４９ａ〜４９ｄ−真空室、４５．４６−・・接続軸、
５０ａ。 ５０ｂ・・・電流リード、５１ａ、５１ｂ・・・光−電
気変換器、５２ａ、５２ｂ、５４ａ、５４ｂ−・フォト
カプラ、５３ａ、５３ｂ−光ケーブル、５５小型冷凍器
。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 超電導巻線が納められた超電導回転子と、前記超電導回
   転子に所定の間隙を存して固定子枠に取付けられた巻線
   を有する固定子とを備えた超電導回転電機において、前
   記超電導回転子内のクライオスタット構成部材間結合の
   少なくとも一部を磁気的拘束手段により結合するように
   したことを特徴とする超電導回転電機。