JPH05153749A - 耐熱耐圧形永久磁石同期電動機 - Google Patents

耐熱耐圧形永久磁石同期電動機

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JPH05153749A
JPH05153749A JP3169516A JP16951691A JPH05153749A JP H05153749 A JPH05153749 A JP H05153749A JP 3169516 A JP3169516 A JP 3169516A JP 16951691 A JP16951691 A JP 16951691A JP H05153749 A JPH05153749 A JP H05153749A
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亘 美藤
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 高温高圧の環境に設置できる永久磁石式同期
電動機を提供することを目的とする。 【構成】 無機絶縁の施こされた各項西部材を耐圧ケー
ス内に密封して一体構造として固定子構成し、この耐圧
ケースを貫通し回転自在に支持された駆動軸に磁気ヨー
クを取付け、この磁気ヨークの外周面に配設した永久磁
石の外周面を非磁石性同期電動機を良好な電気特性を伴
った状態で実現できる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、例えば摂氏約３３０
度、圧力約１００気圧等の環境の原子力圧力容器内に設
置し、制御棒を駆動する耐熱耐圧形永久磁石同期電動機
に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来のこの種の電動機は、原子炉圧力容
器の外に設けられるので、摂氏約３３０度、圧力約１０
０気圧もの苛酷な環境に耐える電動機の必要がなかっ
た。
【０００３】また、従来の技術で製作できる特殊環境用
の電動機は、例えば実公昭５９ー８４３０号公報、実開
昭５９ー１４９４５１号等に示されるように、高温また
は高圧のどちらか一方に耐えるキャンドタイプの誘導電
動機しかなかった。従って、高温高圧の両方に耐える耐
熱耐圧形永久磁石同期電動機は見当たらない。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】従来の電動機は以上の
ように、原子炉圧力容器の外に設置しているので、この
部分が圧力容器内の高い圧力と外部の低い圧力の境界に
なる。したがって、この電動機による制御棒駆動装置に
小さな事故があった場合には、圧力容器の内外の差圧に
よって、圧力容器の外に制御棒が飛び出すという重大事
故を引き起こす原因になることも想定される。そのた
め、圧力容器の上部には制御棒駆動装置を支えるための
支持構造物を設ける必要があり、圧力容器の外に制御棒
が飛び出すという重大事故を想定しての種々の検証試験
を実施して、その安全性を確認する必要がある。
【０００５】そこで、圧力容器の内部に制御棒駆動装置
を設けることができれば、圧力容器の外部に支持構造物
を設ける必要が無くなり、原子炉を小型・軽量化するこ
とができ、制御棒の飛び出し事故のおそれも無くなる。
従来の特殊環境用キャンドタイプの誘導電動機を改良す
ることによって、圧力容器内に設置することが試みられ
ている。
【０００６】この場合、誘導電動機の特性では、制御棒
を保持するために必要な停止状態を維持したり極めて低
い回転数で制御棒を駆動することは困難となる。なぜな
らば、誘導電動機においてはトルクを発生するために回
転子に必要となる二次電流が、速度起電力により誘導さ
れる電流であるため、停止状態や極めて低い回転数にお
いて回転子に充分な二次電流が流れないためであるとい
う問題点があった。
【０００７】この発明は上記のような問題点を解消する
ためになされたもので、摂氏約３３０度、圧力約１００
気圧等の環境の原子炉圧力容器内に設置することができ
る耐熱耐圧形永久磁石同期電動機を提供することを目的
とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明に係
る耐熱耐圧形永久磁石同期電動機は、表面に無機絶縁材
が施された鉄板を積層して耐圧ケースの内周面に配設し
た電機子鉄心のスロットに表面に無機絶縁材が施された
電機子コイルを巻装し、上記電機子鉄心を密封するキャ
ンを電機子鉄心の設けない部分で支えるバックアップス
リーブを上記スロットの開口部で支える無機絶縁材のス
ロットピースとで固定子を構成し、上記耐圧ケースを貫
通して回転可能に支持された駆動軸の外周面に結合させ
た磁気ヨークの外周面に回転子磁極を複数個配設し、こ
の回転子磁極の外周面を非磁性金属ケースで覆って回転
子を構成したものである。
【０００９】請求項２記載の発明に係る耐熱耐圧形永久
磁石同期電動機は回転子磁極を軸方向に複数個に分割
し、この分割した複数個の回転子磁極を互いに周方向に
ずらせて磁極ヨークの外周面に配設して回転子を構成し
たものである。
【００１０】請求項３記載の発明に係る耐熱耐圧形永久
磁石同期電動機は、表面にセラミックスを溶射した純鉄
板で電機子鉄心を構成したものである。
【００１１】請求項４記載の発明に係る耐熱耐圧形永久
磁石同期電機子は、同一形状の複数個の回転子磁極を軸
方向に複数列並べて磁気ヨークの外周面に配置し、この
複数列の各中間部分に対応する電機子鉄心の部分にセン
ターリングを介在させた構成である。
【００１２】請求項５記載の発明に係る耐熱耐圧形永久
磁石同期電動機は、電機子鉄心とこれを耐圧ケース内に
保持する構成部材とを、線膨張係数がほぼ等しい材料で
構成したものである。
【００１３】
【作用】請求項１記載の発明における耐熱耐圧形永久磁
石同期電動機は、構成材料を全てセラミックスと金属に
よる無機材料とし、各構成部材を耐圧ケース内に密閉し
て一体構造としたことにより、高温高圧の環境に耐える
ように、かつ、良好な電気特性を伴った状態で実現する
ことができる。
【００１４】請求項２記載の発明は、軸方向に分割した
複数個の回転子磁極を互いに周方向にずらせたもので、
脈動の無いトルクの発生を長期間維持することができ
る。
【００１５】請求項３記載の発明は、表面にセラミック
スを溶射した純鉄板で電機子鉄心を構成したもので、高
温環境でも長期間安定状態を保つことができる。
【００１６】請求項４記載の発明は、軸方向に複数列並
べて配置した回転子磁極の中間部分に対応する電機子鉄
心の部分にセンターリングを介在させたもので、強固な
固定子が得られる。
【００１７】請求項５記載の発明は、電機子鉄心とこれ
を保持する構成部材とを、線膨張係数がほぼ等しい材料
で構成したので、高温環境下で生じる固定子内部の熱応
力は微少であり、長期間使用しても破損のおそれがない
ものである。
【００１８】
【実施例】以下、この発明の一実施例を図について説明
する。図示の電動機は立て形であって、図１は縦断面
図、図２は図１のＡ−Ａ線に沿う横断面図、図３は図１
のＢ−Ｂ線に沿う横断面図、図４は回転子の一部を示す
斜視図、図５は回転子の展開図、図６はスペーサの斜視
図である。
【００１９】図１乃至図６において、１はフレーム１ａ
と側板１ｂとからなる固定子の耐圧ケース、２は電機子
鉄心、２ａは電機子鉄心となるスロットが設けられてい
る積層鉄心、２ｂは積層鉄心の間に強度部材として挿入
する高ニッケル合金等で作られたセンターリング、２
ｃ，２ｄは積層鉄心の端に強度部材として設けるクラン
パ、３は電機子コイル、４は電機子鉄心２のスロットの
空隙側開口部を覆うスロットピース、５は電機子鉄心２
の端のクランハ゜２ｃ，２ｄと耐圧ケース１の側板１ｂ
に支えられた円筒状のバックアップスリーブ、６は固定
子の内径側、つまり、耐圧ケース１の内周面に配設さた
電機子鉄心２を密封する円筒状のキャン、１３は中空の
駆動軸としての回転軸にして、この回転軸１３は耐圧ケ
ース１を貫通して回転可能に支持されている。１４ａは
上部軸受け、１４ｂは下部軸受け、１５ａ，１５ｂは軸
受けを支持するブラケット、９は回転子の磁気ヨーク、
８ａは永久磁石よりなる上部の磁極、８ｂは永久磁石よ
りなる下部の磁極、１０は磁極８ａと８ｂの間の側板、
１１は回転子磁極の上下端の側板、１２は回転子磁極の
間を埋める非磁性材のスペーサ、７は回転子磁極の表面
を水から保護する円筒状の耐水ケースである。
【００２０】磁気ヨーク９の外周面の磁極８ａ（８ｂ）
を取付ける部分は８角柱状に加工され、その両端は円筒
状に形成され、内周に回転軸１３と嵌着される穴があけ
らている。磁極８ａ，８ｂは同一形状に永久磁石で作ら
れ、ヨーク９に固着される面は平面で、外周面は耐水ケ
ース７で固定される円形状に形成される。
【００２１】回転子はヨーク９と磁極８ａを含む回転子
と、ヨーク９と磁極８ｂを含む回転子とをそれぞれ図４
のように構成し、各回転子の軸方向の向きを逆にして
（アを外、イを内側にして）、更に周方向の角度を若干
ずらして回転軸に嵌めこみ、更に他の部品を組合せ、最
終的に磁極８ａ，８ｂを含めて外周面を耐水ケース７で
固定密封する。このようにして構成された回転子（但
し、耐水ケース７がない状態）を外周から展開して見た
図が図５である。
【００２２】２１は電機子コイル３に外部から通電する
ためのケーブル２２を耐圧ケース１に引き込むための口
出し部である。２３は固定子の耐圧ケース１内の空間に
封入された比較的熱伝導が良く絶縁性を有する多孔質の
無機物の詰物であり、この封入によってコイル端部が固
定される。なお、この詰物は、コイル端部の固定に必要
な量だけにして、残りの空間にアルゴンなどの気体を封
入してもよい。２４は固定子のキャン６と回転子の耐水
ケース７との僅かの隙間の空隙である。なお、固定子の
センターリング２ｂ及びクランパ２ｃは共にスロットが
設けられ、かつ、スロット開口部はスロットピース４で
覆われている。
【００２３】はじめに、固定子の構成を説明する。固定
子は、符号１〜６、２３を付した部材で構成される。電
機子鉄心は、高温環境で安定した磁気特性を示す純鉄の
薄板（厚さ１〜２ｍｍ、好ましくは１．５ｍｍ）で製作
される。鉄心にはスロットが加工され、表面には高温環
境で安定した絶縁特性を示すアルミナセラミックス（厚
さ１０〜５０μｍ、好ましくは２５μｍ）を両面に溶射
して表面を絶縁する。スロットには、電機子コイル３が
挿入される。電機子コイル３は高温環境で安定した絶縁
特性を示す無機絶縁が施される。スロットの開口部は、
キャン６と接する状態で機械強度の高いセラミックのス
ロットピース４により閉じられる。すなわち、スロット
ピース４を介して、キャン６に加わった水圧は鉄心に伝
えられ、キャン６と鉄心とが一体となって水圧に耐え
る。
【００２４】センターリング２ｂ、クランパ２ｃ、バッ
クアップスリーブ５、キャン６、および耐圧ケース１等
の電機子鉄心２を保持する構成部材は、積層鉄心の純鉄
と線膨張係数がほぼ等しい高ニッケル合金（例えば、イ
ンコ社のインコネル６２５合金）で製作される。積層
し、その間に適当数のセンターリング２ｂが挿入された
電機子鉄心２は、クランパ２ｃではさんだ状態で、外周
を線熔接で固定される。バックアップスリーブ５は、高
温下で外圧に耐える十分な厚さを持つものとする。この
バックアップスリーブ５は、固定子内周の両端にクラン
パ２ｃと耐圧ケース１の側板１ｂに支えられる構造にて
取付けられる。
【００２５】以上の固定子構造の内周にはキャン６が挿
入され、耐圧ケース１に端を熔接固定され耐圧容器を構
成する。すべての構造材料の線膨張係数をほぼ等しくす
ることにより、高温環境下で生じる固定子構造内部の熱
応力は微小となる。
【００２６】次に、表面に無機絶縁材が施こされた電機
子コイル３の構成を説明する。導体材料は、導電性およ
び耐酸化劣化性に優れた銀またはニッケルメッキ銅を用
いる。絶縁層は、シリコーン樹脂とシリカとアルミナ微
粉末からなる絶縁塗料を下層に、無機繊維（アルミナ長
繊維またはＥガラス長繊維）を横巻きにした層を上層に
有する電線を電機子コイル３に巻装する。この時、電機
子コイル３と電機子鉄心２の間、電機子コイル３とスロ
ットピース４間には、アルミナ長繊維またはＥガラス長
繊維よりなる無機絶縁シートを、巻き込む。なお、この
無機絶縁シートは、あらかじめシリコーン樹脂とシリカ
とアルミナ微粉末からなる無機絶縁塗料（導体の下層絶
縁体と同様組成）を処理したものであってもよい。この
電機子コイルを鉄心のスロットに挿入して固定子を組み
立てる。
【００２７】次に、予備焼成の処理について説明する。
予備焼成の目的は、組み立てた固定子の電機子コイル３
をセラミック化することと、残留有機分と水分を除去す
ることである。その結果、後の含浸の作業が行ない易く
なる。電気式高温炉での予備焼成は次のように実施す
る。温度は摂氏８０度から４００度まで、２０〜４０度
毎に各部の温度バランスを取りながら段階的に昇温し、
摂氏４００度で一定時間保持の後、炉中で自然放冷す
る。
【００２８】組み立てた固定子は、予備焼成を終えた
後、シリコーン樹脂とシリカとアルミナの微粉末からな
る無機絶縁塗料を含浸する。無機絶縁塗料を含浸した固
定子は、防爆型高温炉を用いて、予備焼成と同様の方法
による摂氏４００度までの本焼成を行ない、炉中で自然
放冷される。この本焼成により、固定子の隅々まで含浸
された無機絶縁塗料は完全セラミック化がはかられ、電
動機の耐熱絶縁システムが完成する。この、耐熱絶縁シ
ステムは、電動機の周囲温度の摂氏約３３０度の高温環
境に加えて電機子コイル３に通電することによる発熱を
考慮した摂氏約４００度の環境において、長期間安定し
た電気絶縁特性を発揮する。
【００２９】最後に、回転子の構成を説明する。回転子
の磁極は、摂氏約３３０度の高温環境に長期間設置され
るので、キュリー温度が高く、かつ保磁力が大きいサマ
リウムコバルト磁石で製作される。高温環境における長
期間の使用により、永久磁石８の保磁力がしだいに弱ま
る高温不可逆減磁は避け得ない。
【００３０】そこで、図１に示す電動機では、永久磁石
８を磁化方向に長い形状として永久磁石内部の磁界が低
くなるような電磁気設計を行なうことにより、この高温
不可逆減磁の進行を緩和する配慮がなされている。それ
でもなお永久磁石は長期間にわたり少しづつ減磁が進む
ので、６０％程度の磁束密度の状態になった場合にも、
電動機の機能が発揮できるような余裕のある電磁気設計
としている。
【００３１】そして、長期間にわたって高温不可逆減磁
が進む間には、最初は円周方向に対称的であった磁化分
布も、非対称に高温不可逆減磁が進むことによって非対
称な磁化分布になる場合も想定される。非対称な磁化分
布は、コギングトルクと呼ばれる電動機トルク脈動の原
因となる。
【００３２】そこで、図１に示す電動機では、軸方向へ
２つに分けて回転子磁極を構成し、それぞれの回転子磁
極を固定子の半スロットピッチ周方向にねじって配置す
ることにより、非対称な磁化分布が顕在することにより
生じる脈動トルクを打ち消すようにした。なお、永久磁
石８は水に直接触れると劣化のおそれがあるため、耐水
ケース７などで密封保護される。耐水ケース７は磁石の
磁気ヨークへの固定用としても作用する。
【００３３】この電動機の固定子および回転子は、とも
に原子炉圧力容器の中の高温高圧水に周囲を浸される。
また、電機子コイル３の抵抗と電機子電流によるジュー
ル損による発熱、電機子鉄心２の磁束による鉄損による
発熱、回転子の永久磁石の磁束が固定子のキャン６を貫
通する際にキャン６に発生する渦電流損による発熱など
があり、固定子の温度は周囲の高温高圧水より高温にな
る。
【００３４】そこで最大電流通電時の電機子コイルの部
分の温度としては、周囲の高温高圧水の摂氏３３０度よ
り最大８０度程度上昇した摂氏４１０度に達すると見込
んだ設計を行なっている。そして、この電機子コイル３
は電機子鉄心２に接し、電機子鉄心２は耐圧ケース１に
接し、耐圧ケース１は周囲の高温高圧水に浸されている
ので、これらの間の温度勾配によって、固定子の発熱は
周囲を囲む高温高圧水に自然に放熱される。一方回転子
は、通電を行なわないためほどんど発熱しないが、同様
に周囲を高温高圧水に浸されているので、周囲の高温高
圧水の温度と同じ摂氏約３３０度に保たれる。
【００３５】なお、キャン内の空間２５には軸受１４
ａ，１４ｂを介して電動機外の高温水が流動しうるの
で、空間２５の圧力は外部圧力と均等になっている。
【００３６】なお、上記実施例では原子炉圧力容器内に
設置する制御棒駆動用の電動機について示したが、他の
高温高圧環境に設置する電動機、たとえば、噴火してい
る火山のふもとで作業する防災用ロボットの動力源、高
温の地底や海底で作業するロボットの動力源などにも本
発明の構成に基づいた電動機を応用することができる。
この場合には、上記実施例では立形の電動機としたが、
横置きの電動機であってもよい。
【００３７】
【発明の効果】以上のように、請求項１記載の発明によ
れば、高温高圧の環境に設置できる永久磁石式同期電動
機を提供できる。たとえば、加圧水型原子炉の制御棒を
駆動する目的で摂氏約３３０度、圧力約１００気圧の原
子炉圧力容器内に設置できる同期電動機を提供すること
ができ、このため、原子炉圧力容器の中に制御棒駆動装
置を設けることができるようになる。すなわち、圧力容
器の外に制御棒駆動装置を設けなくてよくなる。その結
果、圧力容器の外の制御棒駆動装置を支える複雑な構造
物が不要となるので、原子炉を小型・軽量化することが
でき、また、制御棒の飛び出し事故のおそれが無くなる
などの効果がある。
【００３８】また、請求項２記載の発明では、回転子磁
極を軸方向に複数個に分割し、分割された複数個の回転
子磁極を互いに周方向にねじって配置することにより、
永久磁石特性の高温不可逆減磁磁が非対称に進行した場
合にも脈動の無いトルクの発生を長期間維持することが
できる効果がある。
【００３９】請求項３記載の発明によれば、電機子鉄心
は純鉄板で形成されているので、高温の磁気特性が良
い。即ち、常温に比べて高温でも透磁率が安定して良好
であり、ヒステリシス損も小さい。純鉄は常温では電気
抵抗値が比較的低く、うず電流損が大きくなるが、高温
では抵抗値が高くなるので、損失は少なくなってくる。
又、純鉄板の表面に電気絶縁として、耐熱性のあるセラ
ミックスを溶射して固着させているので、長期間して固
着し、高温でも絶縁抵抗値が安定して高い。
【００４０】請求項４記載の発明によれば、回転子磁極
は同一形状のものを複数個形成し、それらを軸方向に複
数列並べて配置し、複数列の各中間部分に対応した電機
子鉄心の部分に、強度の大きいセンタリングを介在して
いるので、電機子鉄心を軸方向に長く積層することによ
る強度（剛性）の低下を防ぎ、強固な固定子が得られ
る。
【００４１】請求項５記載の発明によれば、電機子鉄心
を保持する構成部材は、鉄心の純鉄と線膨張係数がほぼ
等しい材料（例えば高ニッケル合金）で構成されている
から、高温環境下で生じる固定子構造内部の熱応力は微
少であり、長期間使っても破損のおそれはない。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施例による耐熱耐圧形永久磁石同
期電動機の縦断面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線に沿う横断面図である。
【図３】図１のＢ−Ｂ線に沿う横断面図である。
【図４】この発明の一実施例による回転子磁気ヨークお
よび磁極の一部を示す斜視図である。
【図５】この発明の一実施例による回転子磁極を外周か
ら見た展開図である。
【図６】この発明の一実施例による回転子磁極間のスペ
ーサの斜視図である。
【符号の説明】
１ 耐圧ケース ２ 電機子鉄心 ２ｂ センターリング ３ 電機子コイル ４ スロットピース ５ バックアップスリーブ ６ キャン ８ 回転子磁極 ９ 磁気ヨーク
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 川村 光弘 東京都千代田区丸の内二丁目２番３号 三 菱電機株式会社内 (72)発明者 美藤 亘 尼崎市塚口本町８丁目１番１号 三菱電機 株式会社生産技術研究所内 (72)発明者 山田 晃 長崎市丸尾町６番14号 三菱電機株式会社 長崎製作所内

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 表面に無機絶縁材が施こされた鉄板を積
    層して耐圧ケースの内周面に配設した電機子鉄心と、こ
    の電機子鉄心のスロットに巻装した表面に無機絶縁材が
    施こされた電機子コイルと、前記電機子鉄心を密封する
    キャンと、前記電機子鉄心を設けない部分で前記キャン
    を支えるバックアップスリーブと、前記スロットの開口
    部で前記キャンを支える無機絶縁材のスロットピースと
    を有する固定子と、前記耐圧ケースを貫通し回転可能に
    支持された駆動軸の外周面に結合させた磁気ヨークと、
    この磁気ヨークの外周面に複数個配置された永久磁石か
    らなる磁極と、この磁極の外周面を覆う非磁性金属ケー
    スとを有する回転子を備えた耐熱耐圧形永久磁石同期電
    動機。
  2. 【請求項２】 磁気ヨークの外周面に配設される回転子
    磁極を軸方向に複数個に分割し、この分割した複数個の
    回転子磁極を互いに周方向にずらせて配置した回転子を
    備えたことを特徴とする請求項１記載の耐熱耐圧形永久
    磁石同期電動機。
  3. 【請求項３】 電機子鉄心は表面にセラミックスを溶射
    した純鉄板で構成されていることを特徴とする請求項１
    記載の耐熱耐圧形永久磁石同期電動機。
  4. 【請求項４】 磁気ヨークの外周面に同一形状の複数個
    の回転磁極を軸方向に複数列並べて配置し、この複数列
    の各中間部分に対応する電機子鉄心の部分にセンターリ
    ングを介在させたことを特徴とする請求項１記載の耐熱
    耐圧形永久磁石同期電動機。
  5. 【請求項５】 耐圧ケース内に電機子鉄心を保持する構
    成部分は前記電機子鉄心と線膨張係数がほぼ等しい材料
    で構成されていることを特徴とする請求項１記載の耐熱
    耐圧形永久磁石同期電動機。
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