JPH04265660A - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は超電導回転電機において
、特に回転子内の真空室およびヘリウム室を形成する接
合部の構造を改良した超電導回転電機に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の代表的な超電導回転電機
としては図１３に示すようなものがある。図１３に示す
ように、この超電導回転電機の回転子は、内部に液体ヘ
リウム１によって冷却される超電導界磁巻線２を有する
低温ロータ３、この低温ロータ３の外径側に同心円状に
設けられたラジエーションシールド４および常温ロータ
５、低温ロータ３の両端に設けられたトルクチューブ６
、常温ロータ５およびトルクチューブ６の両端に取付け
られた継ぎシャフト７で構成されている。

【０００３】この場合、低温ロータ３の内部の液体ヘリ
ウム１は軸端から回転管８を通じて供給される。また、
常温ロータ５の内部には真空室が形成されており、低温
ロータ３に対する断熱層になっている。

【０００４】一方、図示するようにこの超電導回転電機
の固定子は電機子巻線９と、その外径側に設けられた磁
気シールド１０と、固定子カバー１１から構成される。 この場合、固定子カバー１１の内部の空間には冷却用の
空気あるいはガスが流れている。

【０００５】ところで、このような超電導回転電機にお
いて、回転子を構成する主要部分の接合構造は次のよう
になっている。以下その接合構造について図１４乃至図
１８を参照して説明する。図１４および図１５は、図１
３の“Ａ”部のそれぞれ異なる構成を示す拡大断面図で
あり、図１６乃至図１８は図１３の“Ｂ”部のそれぞれ
異なる構成を示す拡大断面図である。

【０００６】まず、常温ロータ５は継ぎシャフト７とボ
ルト１２によって堅固に接合された上、回転子内側に真
空室を形成するため、接合面１３およびボルト１２を覆
う気密シール１４が常温ロータ５と継ぎシャフト７にシ
ール溶接部１５で結合したり、また図１５に示すように
、回転子内側に真空室を形成するため、接合面１３を覆
う気密シール１４´を常温ロータ５と継ぎシャフト７に
シール溶接部１５で結合し、接合面１３を貫通するボル
ト１２の頭部を覆う気密シート１４´を継ぎシャフト７
にシール溶接部１５で結合している。

【０００７】一方、低温ロータ３は図１６に示すように
、ボルト１６によってトルクチューブ６と堅固に接合さ
れた上、低温ロータ３の内側にヘリウム室を形成するた
め、接合面１７を覆う気密シート１８が低温ロータ３と
トルクチューブ６にシール溶接部１９で結合され、接合
面１７を貫通するボルト１６の頭部を覆う気密シート１
８´がトルクチューブ６にシール溶接部１９で結合した
り、また図１７に示すように、低温ロータ３の内側にヘ
リウム室を形成するため、仕切板２０をトルクチューブ
６から分離し、低温ロータ３はトルクチューブ６とボル
ト１６によって堅固に接合し、仕切板２０を低温ロータ
３にシール溶接部２１で結合している。さらに、上記接
合構造に代えて図１８に示すように、低温ロータ３とト
ルクチューブ６が一体物として製作されている場合には
、仕切板２０を低温ロータ３にシール溶接部２１で結合
して低温ロータ３内部にヘリウム室が形成されている。 なお、図１６乃至図１８に示すように、内側にヘリウム
室を有する低温ロータ３の外側は真空室になっている。

【０００８】前述したように常温ロータ５の内部には回
転子外部からの熱侵入に対する断熱層としての真空室が
形成されているが、その維持方法としては真空封じ切り
と連続排気の二通りの方法が考えられている。真空封じ
切りは予め回転子の常温ロータ５の内部の真空室を約１
０−３ｍｍＨｇ以上に真空引きした後に封じ切る方法で
あるが、回転子内部の金属や絶縁物などからのアウトガ
スによって時間経過と共に真空度が低下する場合がある
。

【０００９】そのため、図１９に示すようにヘリウム給
排装置２２内の真空引き用のポート２３に真空ポンプ２
４を接続して常温ロータ５の内部の真空室を約１０−３
ｍｍＨｇ以上に連続排気する方法が考えられている。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】以上の従来の超電導回
転電機では、次にような問題点がある。 （１）第１は分解性の問題である。即ち、図１３に示す
ように回転子を構成する常温ロータ５の内部の真空室や
低温ロータ３の内部のヘリウム室を形成するため、図１
４乃至図１８に示すように継ぎシャフト７と常温ロータ
５の接合面１３やトルクチューブ６あるいは端板２０と
低温ロータ３の接合面１７，１７´等にシール溶接部１
５，１９，２１を設けている。したがって、超電導回転
電機の回転子の性能面や強度面での信頼性確認のために
、一定期間運転した後に回転子を分解して内部を点検す
る場合、グライダー等によってシール溶接部１５，１９
，２１を削除しなければならない。

【００１１】しかるに、点検を終了して回転子を再組立
する場合には分解前と同一位置に再びシール溶接部１５
，１９，２１を設けることは、溶接時の熱影響による材
質劣化や不適切な開先形状による溶接欠陥発生の原因に
なるので、予めシール溶接部１５，１９，２１の近傍に
余肉を設けて、再組立後は分解前と異なる位置にシール
溶接部１５，１９，２１を設けざるを得ず、しかも分解
点検の回数が増える程余肉量は多くなるので、単に分解
性の低下のみならず、コスト増、重量増をもたらすこと
になる。 （２）第２は真空度の監視の問題である。即ち、図１３
に示すように常温ダンパ５の内部の真空室を長期間封じ
切ったままにしておくと、回転子内部の金属、絶縁物な
どからのアウトガスや真空リークの発生によって時間の
経過と共に、真空度が約１０−３ｍｍＨｇ以下に低下し
、回転子外部からの熱侵入に対する断熱層としての機能
を果たさなくなる恐れがあるが、真空室を封じ切った後
では、真空度の監視ができないので、熱侵入の増加に伴
う液体ヘリウム蒸発量の増加や超電導界磁巻線２のクエ
ンチなど、異常事態が起こった後に真空度の変化を知る
ことになる。

【００１２】一方、真空室を連続排気する場合、図１９
に示したように、ヘリウム給排装置２２内の真空引き用
のポート２３に真空計２５を配設することにより、ポー
ト２３における真空度を監視することができる。しかし
、一般に常温ロータ５の内部の真空室とポート２３では
真空度が異なるので、真空室での真空度が約１０−３ｍ
ｍＨｇ以下に低下する事態をポート２３での真空度監視
によって精度良く検知することができない。 （３）第３は真空保護の問題である。即ち、図１３に示
すように固定子カバー１１の内部の空間には冷却用の空
気あるいはガスが流れており、真空の断熱層にはなって
いないので、回転子内部のアウトガスや真空リークの発
生によって常温ダンパ５の内部のアウトガスや真空リー
クの発生によって、常温ダンパ５の内部の真空室の真空
度が約１０−３ｍｍＨｇ以下に低下すると、回転子外部
からの熱侵入の増加によって液体ヘリウム蒸発量の増加
や超電導界磁巻線２のクエンチ、また最悪時には蒸発し
たヘリウムガスの圧力で機器破損等の異常事態が起こる
。

【００１３】つまり、常温ロータ５の内部の真空室の真
空度低下が発生した場合、真空度低下の速度を緩和させ
たり、熱侵入増加を緩和するような真空保護の機能を持
っていない。

【００１４】本発明は回転子内の点検を容易に行うこと
ができ、しかも回転子内に形成された真空室の真空度を
直接監視することができると共に、真空室の真空度が低
下した場合には保護機能により超電導界磁巻線のクエン
チ等の異常事態が起こる前に適切な処置をとることがで
きる超電導回転電機を提供することを目的とする。

【００１５】

【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、冷却媒体により冷却される超電導界磁巻
線を有する低温ロータの外径側に常温ロータを設けて該
常温ロータ内部に真空室を形成すると共に、これら低温
ロータおよび常温ロータを継ぎシャフトに接合してなる
回転子と、この回転子に対しギャップを存して設けられ
た電機子巻線を有する固定子からなる超電導回転電機に
おいて、前記回転子内の接合部をシール用パッキンを介
してボルト締めする構造とし、且つ前記回転子と前記固
定子との間隙に回転子を覆う静止形真空室を設け、前記
回転子内の真空室には真空度を監視するための真空セン
サを設けたものである。

【００１６】

【作用】このような構成の超電導回転電機にあっては、
回転子内の接合部をシール用パッキンを介してボルト締
めする構造としているので、シール溶接部を設ける場合
のように材質劣化や溶接欠陥の心配がなくなり、容易に
接合部の分解および組立ができる。また、回転子内の真
空室には真空センサが設けられているので、この真空セ
ンサの検出信号を取出すことにより、回転子内の真空室
の真空度の変化を直接監視することができ、さらに回転
子と固定子との間隙に回転子を覆う静止形真空室が形成
されているので、万一回転子内の真空度が低下したとし
ても回転子外部からの熱侵入の増加を抑制することがで
きる。

【００１７】

【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。

【００１８】図１は本発明による超電導回転電機の一例
を示す縦断面図であり、図１３と同一部分には同一記号
を付してその説明を省略する。本実施例においては、回
転子と固定子との間隙に回転子を覆うように配設された
筒体２６ａとその両端開口部を閉塞する側板２６ｂとで
回転子内の真空室とは独立した静止真空室２６を形成し
、常温ダンパ５の外側は約１０−３ｍｍＨｇ以上の真空
度になっている。特に回転子と固定子の間隙に配設され
た筒体２６ａは非導電性の材料、例えばＧＦＲＰ又はセ
ラミックの単体、或いはそれらの複合体で製作されてい
る。

【００１９】また、回転子の常温ダンパ５と継ぎシャフ
ト２との接合は、図１の“Ｃ”部を拡大断面して示す図
２のように継ぎシャフト７の接合部に段差部を形成する
と共に、その軸方向接合面２７に設けられたリング状溝
にシール用パッキン２８を挿入して常温ダンパ５を突合
わせ、継ぎシャフト７の外端面側からボルト１２によっ
て堅固に接合するものである。

【００２０】この常温ダンパ５と継ぎシャフト２との接
合手段としては上記の構成に代えて図３に示すような接
合としても良い。即ち、図３に示すように継ぎシャフト
７の半径方向接合面２７´に設けられたリング状の凹部
にシール用パッキン２８´を挿入して常温ロータ５と突
合わせ、図２と同様にボルト１２によって継ぎシャフト
７の外端面側からボルト１２によって堅固に接合するも
のである。

【００２１】さらに、低温ロータ３とトルクチューブ６
との接合は、図１の“Ｄ”部を拡大断面して示す図４の
ように低温ロータ３の半径方向接合面２９に設けられた
リング状の溝にゴム製或いは金属製からなる端面シール
用パッキン３０を挿入してトルクチューブ６を突合わせ
、このトルクチューブ６の外端面側からボルト１６によ
って堅固に接合するものである。この場合、端面シール
用パッキン３０は低温ロータ３の内部のヘリウム室と外
部の真空室の境界を形成している。

【００２２】この低温ロータ３とトルクチューブ６との
接合手段としては上記の構成に代えて図５に示すような
接合としても良い。即ち、図５に示すように低温ロータ
３とトルクチューブ６とが一体物として製作されている
場合には、低温ロータ３の半径方向接合面に設けられた
リング状の溝にシール用パッキン３０を挿入して仕切板
２０´と突合わせ、この仕切板２０´の外端面側からボ
ルト１６´によって堅固に接合するものである。この場
合も、端面シール用パッキン３０は低温ロータ３の内部
のヘリウム室と外部の真空室の境界を形成している。

【００２３】一方、回転子の一端部側の継ぎシャフト７
には図１の“Ｈ”部を拡大断面して示す図６のようにそ
の半径方向端面の軸中心部に設けられた凹部に常温ダン
パ５の内部の真空室の真空度を監視する冷陰極電離型の
真空センサ３１を挿入するか、又は図１の“Ｉ”部を拡
大断面して示す図７のようにトルクチューブ６あるいは
仕切板２０´に真空センサ３１を取付け、その検出信号
は図８に示すように継ぎシャフト７内部を軸方向に挿通
させたリード線３２を介して回転子外の軸部に設けられ
たスリップリングまたはＦＭ或いは光伝送を応用した信
号取出装置３３に送られ、さらに外部の真空度表示装置
３４に伝送可能になっている。

【００２４】このように本実施例では、超電導回転電機
の回転子内の常温ダンパ５と、継ぎシャフト７の接合部
（図２又は図３）、および低温ロータ３とトルクチュー
ブ６の接合部（図４）あるいは低温ロータ３と仕切板２
０´の接合部（図５）はボルト１２，１６，１６´とシ
ール用パッキン２８，２８´，３０の着脱によって容易
に分解および組立ができる。

【００２５】他方、超電導回転電機の回転子の各部には
回転に伴う遠心力が作用するので、常温ロータ５の内部
の真空室あるいは低温ロータ３の内部のヘリウム室を構
成する上記接合部は遠心力に耐える確実なシール性を持
たなければならない。しかし、特に回転子中心軸からの
距離が大きく、あるいは回転速度が速くて大きな遠心力
が作用する場合には、図２に示すような軸方向の接合面
２７に配した同軸シール用パッキン２８よりは、図３に
示したように遠心力方向と同じ半径方向の接合面２７´
との剥離の可能性の少ない端面シール用パッキング２８
´の方が良い。

【００２６】また、同軸シール用パッキン２８および端
面シール用パッキン２８´として、ゴム製よりは剛性が
大きく、遠心力に対する変形の少ないメタル製を使用す
れば良い。メタル製を使用すれば、図４および図５に示
したような温度が液体ヘリウム温度に近い極低温になる
接合部においても堅固なシール性が得られる。

【００２７】さらに、前述した実施例では、回転子内の
真空室に配した真空センサ３１が検知したアウトガスあ
るいは真空リークによる真空度の変化を回転子外に配し
た真空度表示装置３４を通して直接監視することができ
る。通常、回転子内の真空室は約１０−３ｍｍＨｇ以上
の真空度に維持されているので、真空センサとして約１
０−２ｍｍＨｇ以上の真空測定に適した冷陰極電極型を
用いれば正常状態確認と、アウトガスや真空リークによ
る約１０−３ｍｍＨｇ以下の真空度低下、即ち異常状態
発生を検知することができる。

【００２８】なお、冷陰極電極型の真空センサ３１は、
フィラメントのような脆弱構造部分を持つ冷陰極電極型
と異なり、比較的堅固な構造を有するが、耐遠心力の観
点からは回転子中心軸に近い部位に取付ける方が良い。

【００２９】さらにまた、本実施例では回転子単体とし
て常温ロータ５の内部に真空室を形成し、真空封じ切り
、あるいは連続排気した上に常温ロータ５の外部にも、
静止真空室があるので、アウトガスや真空リークによっ
て回転子内の真空室の真空度が低下しても、回転子外部
からの熱侵入の増加が抑制される真空保護機能を有する
。また、回転子は真空中で回転するので従来の超電導回
転電機に比較して風損や騒音が低減される。

【００３０】なお、回転子と固定子の間隙に静止真空室
２６には種々の磁束変化が作用するが、非導電性の材料
で製作されているので、循環電流発生によるロスはない
。

【００３１】以上説明したように本実施例においては、
回転子の接合部にシール溶接部を設ける場合のような材
質劣化や溶接欠陥を心配することなく、容易に接合部の
分解および組立ができるので、超電導回転電機の回転子
の性能面や強度面での信頼性確認のための回転子内部の
点検を効率よく行うことができる。

【００３２】また、回転子内の真空室の真空度を直接監
視するので、真空度低下を早期に検知して超電導界磁巻
線のクエンチなど異常事態が起こる前に通電停止やヘリ
ウムの送液停止あるいは緊急放出をすることができる。

【００３３】さらに、回転子内の真空度が低下したとし
ても回転子外部に静止真空室があるので、回転子外部か
らの熱侵入が抑制され、超電導界磁巻線のクエンチなど
の異常事態が起きる前に通電停止など一連の処置をとる
時間を確保することが可能である。

【００３４】次に本発明の他の実施例について述べる。 図９乃至図１０は図１の“Ｃ”部に相当する常温ダンパ
５と継ぎシャフト７のそれぞれ異なる接合部を示す拡大
断面図で、継ぎシャフト７の半径方向接合面２７´の溝
３５に収納されたシール用パッキン２８´が遠心力によ
って動いて接合面２７´との剥離が生じないようにする
ため、図９のように溝３５の一部をテーパ面３５ａとし
たり、あるいは図１０のように溝３５とパッキン２８´
の間隙に詰め物３６を配設したものである。

【００３５】また、図１１および図１２は図１の“Ｈ”
部および“Ｉ”部に相当する継ぎシャフト７又はトルク
チューブ６、あるいは仕切板２０´に設けられる真空セ
ンサ３１のそれぞれ異なる取付け構造を示す拡大断面図
で、図示しない超電導界磁巻線からの磁束の変化によっ
て真空センサ３１が動作しないように導電性材料からな
るケース３７で覆って磁気シールド効果を持たせてある
。

【００３６】このようにすると、遠心力下でもより確実
なシール性を有し、且つ分解組立性に優れ、真空室内の
真空度をより確実に監視でき、且つ静止真空室による回
転子内の真空室の保護機能を有する回転子が得られる。

【００３７】なお、本発明は以上説明した実施例の他に
前記主要な手段、即ち接合部はシール用パッキンを介し
たボルト締め構造とすること、回転子内の真空室内に真
空センサを配設し、且つ回転子外の静止側にその真空度
表示装置を配設すること、回転子と固定子の間隙に回転
子を覆う静止真空室を設けることを各々独立して、ある
いは種々組合せ、あるいは変形して実施できることは言
うまでもない。

【００３８】

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、超電
導回転電機の回転子を容易に分解、組立ができるので、
回転子の信頼性確認のための内部点検を効率良く行うこ
とができ、また回転子内の真空度を直接監視可能なので
、マウントガスやリークなどによる真空度低下を早期に
検知して超電導界磁巻線のクエンチなど異常事態が起こ
る前に通電停止あるいはヘリウムの送液停止あるいは緊
急放出を実施することができ、さらに真空度が低下して
も回転子の外部に静止真空室があるので、回転子外部か
らの熱侵入が抑制され、超電導界磁巻線のクエンチなど
の異常事態が起こる前に通電停止など一連の処置をとる
時間を確保できるという効果を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の超電導回転電機の一実施例を示す縦断
面図。

【図２】図１の“Ｃ”部を示す拡大断面図。

【図３】図２とは異なる構成を示す図１の“Ｃ”部の拡
大断面図。

【図４】図１の“Ｄ”部の構成を示す拡大断面図。

【図５】図４とは異なる構成を示す図１の“Ｄ”部の拡
大断面図。

【図６】図１の“Ｈ”部の構成を示す拡大断面図。

【図７】図６とは異なる構成を示す図１の“Ｉ”部の拡
大断面図。

【図８】同実施例において、真空センサからの信号監視
システムの説明図。

【図９】本発明の他の実施例を示す図１の“Ｃ”部に相
当する拡大断面図。

【図１０】図９とは異なる構成を示す図１の“Ｃ”部に
相当する拡大断面図。

【図１１】本発明の他の実施例を示す図１の“Ｈ”部に
相当する拡大断面図。

【図１２】図１１とは異なる構成を示す図１の“Ｉ”部
に相当する拡大断面図。

【図１３】従来の一般的な超電導回転電機を示す縦断面
図。

【図１４】図１３の“Ａ”部を示す拡大断面図。

【図１５】図１４とは異なる構成を示す図１３の“Ａ”
部に相当する拡大断面図。

【図１６】図１３の“Ｂ”部を示す拡大断面図。

【図１７】図１６とは異なる構成を示す図１３の“Ｂ”
部に相当する拡大断面図。

【図１８】図１６とはさらに異なる構成を示す図１３の
“Ｂ”部に相当する拡大断面図。

【図１９】従来の超電導回転電機において、回転子内部
の真空室を真空引きするためのシステムの説明図。

【符号の説明】

１……液体ヘリウム、２……長電導界磁巻線、３……低
温ロータ、５……常温ロータ、６……トルクチューブ、
７……継ぎシャフト、１５，１９，２１……溶接部、２
０，２０´……仕切板、２６……静止真空室、３１……
真空センサ、２８，２８´，３０……シール用パッキン
、３３……信号取出装置、３５……溝、３２，３２´…
…リード線、３４……真空度表示装置、３５ａ……テー
パ面、３６……詰め物、３７……ケース。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　冷却媒体により冷却される超電導界磁
   巻線を有する低温ロータの外径側に常温ロータを設けて
   該常温ロータ内部に真空室を形成すると共に、これら低
   温ロータおよび常温ロータを継ぎシャフトに接合してな
   る回転子と、この回転子に対しギャップを存して設けら
   れた電機子巻線を有する固定子からなる超電導回転電機
   において、前記回転子内の接合部をシール用パッキンを
   介してボルト締めする構造とし、且つ前記回転子と前記
   固定子との間隙に回転子を覆う静止形真空室を設け、前
   記回転子内の真空室には真空度を監視するための真空セ
   ンサを設けたことを特徴とする超電導回転電機。