JPH05244761A - 超電導回転電機の回転子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】ヘリウム貯液部を構成する中心管およびその溶
接部の信頼性を向上し、製造コストを低減できる超電導
回転電機の回転子を得る。 【構成】コイル取付軸４はトルクチューブの中央部を形
成し、超電導界磁コイルが巻回されている。コイル取付
軸４の外周および両端側面にはヘリウム外筒および円環
状のヘリウム端板７ａ、７ｂが配設されている。このヘ
リウム端板７ａの内周端面には、中心管１９との固着部
３０ａがヘリウム貯液部８側に突き出るように継手３０
が溶接されている。また、ヘリウム端板７ｂの内周端面
には、中心管１９との固着部３１ａがヘリウム貯液部８
の反対側に突き出るように継手３１が溶接されている。
中心管１９は継手３０、３１の固着部３０ａ、３１ａに
溶接されて、ヘリウム端板７ａ、７ｂに取付けられてい
る。コイル取付軸４、ヘリウム外筒、ヘリウム端板７
ａ、７ｂ、継手３０、３１および中心管１９によりヘリ
ウム貯液部８が構成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、超電導回転電機の回
転子に関し、特に回転子の超電導界磁コイルを冷却する
液体ヘリウム等の冷媒貯液部の構造に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】図４は例えば特開昭５７ー２０１６７号
公報に記載された従来の超電導回転電機の回転子の構造
を示す断面図である。図において、１は両端を駆動側端
部軸２のフランジ部２ａおよび反駆動側端部軸３のフラ
ンジ部３ａに固定された中空のトルクチューブ、４はト
ルクチューブ１の中央部に形成された中空のコイル取付
軸、５はコイル取付軸４に巻回固定された超電導界磁コ
イルである。このコイル取付軸４の外周部には冷媒外筒
としてのヘリウム外筒６が配設され、コイル取付軸４の
両側面部のそれぞれには冷媒端板としてのヘリウム端板
７ａ、７ｂが配設され、冷媒貯液部としてのヘリウム貯
液部８を形成している。９は一端を駆動側端部軸２のフ
ランジ部２ａに、他端を反駆動側端軸３のフランジ部３
ａに固着して、トルクチューブ１とコイル取付軸４とを
包囲して配設された常温ダンパ、１０はコイル取付軸４
と常温ダンパ９との間に配設された低温ダンパ、１１は
駆動側端部軸２および反駆動側端部軸３を軸支する軸
受、１２はトルクチューブ１に形成あるいは配置された
熱交換器、１３はコイル取付軸４の両側面部の外側のト
ルクチューブ１内に設けられた側部輻射シールド、１４
は真空部である。１５は反駆動側端部軸３に設けられた
界磁電流供給用のスリップリングであり、このスリップ
リング１５は電流リード（図示せず）により超電導界磁
コイル５に電気的に接続されている。１６はヘリウム貯
液部８に冷媒としての液体ヘリウムを供給する液体ヘリ
ウム供給管、１７はヘリウム貯液部８から熱交換器１２
に液体ヘリウムもしくはガスヘリウムを供給するヘリウ
ム配管、１８は熱交換器１２からのガスヘリウムを排出
するヘリウム排出管である。

【０００３】ここで、図４で示す従来の超電導回転電機
の回転子のヘリウム貯液部８の構造について図５に基づ
いて説明する。ヘリウム端板７ａ、７ｂは円環状の平板
で形成され、その外周端面をコイル取付軸４に溶接され
ている。１９は円筒状の中心管であり、この中心管１９
の外周面には円筒状の継手２０、２１の固着部２０ａ、
２１ａの端面が溶接されている。さらに、ヘリウム端板
７ａ、７ｂの内周端面と継手２０、２１の端面とが溶接
される。このようにしてコイル取付軸４、ヘリウム外筒
６、ヘリウム端板７ａ、７ｂおよび中心管１９によりヘ
リウム貯液部８が形成される。このヘリウム貯液部８に
は、液体ヘリウム供給管１６およびヘリウム配管１７が
接続され、中心管１９の軸中心にヘリウム排出管１８が
配管され、継手２０、２１の中心管１９との固着部２０
ａ、２１ａがヘリウム貯液部８側に突き出て構成されて
いる。この中心管１９は、ヘリウム貯液部８の容積を確
保するために外径が制限され、また熱交換器１２からの
ヘリウム排出管１８を軸中心に設けるために内径が制限
されることから、薄肉円筒とする必要がある。このよう
な薄肉円筒の中心管１９を直接ヘリウム端板７ａ、７ｂ
に溶接した場合には、中心管１９に大きな溶接歪が発生
することから、継手２０、２１を介して中心管１９をヘ
リウム端板７ａ、７ｂに接続して溶接歪の発生を防止し
ている。

【０００４】つぎに、図４に示す従来の超電導回転電機
の回転子の動作について説明する。まづ、液体ヘリウム
が液体ヘリウム供給管１６を通じてヘリウム貯液部８に
供給される。超電導界磁コイル５は、ヘリウム貯液部８
内の液体ヘリウムにより極低温に冷却され、電気抵抗が
零の状態となる。さらに、ヘリウム貯液部８内に供給さ
れた液体ヘリウムは、トルクチューブ１からの熱伝導に
よる侵入熱、低温ダンパ１０および側部輻射シールド１
３からの輻射による侵入熱等により蒸発する。蒸発した
ガスヘリウムはヘリウム配管１７を介して一旦熱交換器
１２に導かれ、駆動側端部軸２および反駆動側端部軸３
からトルクチューブ１に侵入する熱の大部分を吸収した
後、ヘリウム排出管１８を介して機外に排出される。つ
ぎに、スリップリング１５から電流リードを介して超電
導界磁コイル５に界磁電流を供給し、超電導界磁コイル
５を励磁する。超電導界磁コイル５は、電気抵抗が零の
状態となっているので、励磁損失がなく、強力な磁界を
発生し、固定子（図示せず）に交流電力を発生させる。

【０００５】ここで、この超電導界磁コイル５を極低温
に冷却、保持するために、ヘリウム貯液部８に液体ヘリ
ウムを供給する一方、回転子内部を真空部１４により高
真空に保つとともに、極低温の超電導界磁コイル５とコ
イル取付軸４に回転トルクを伝えるトルクチューブ１を
薄肉円筒とし、かつ熱交換器１２を設け、トルクチュー
ブ１を通じて極低温部に侵入する熱を極力減らしてい
る。さらに、側部輻射シールド１３が、側面からの輻射
により侵入する熱を低減している。一方、常温ダンパ９
および低温ダンパ１０は、固定子からの高調波磁界をシ
ールドし、超電導界磁コイル５を保護するとともに、電
力系統の擾乱による回転子振動を減衰させる機能を有
し、さらに常温ダンパ９は真空外筒としての機能、低温
ダンパ１０はヘリウム貯液部８への輻射シールドとして
の機能をも兼ね備えている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】従来の超電導回転電機
の回転子は以上のように構成されているので、中心管１
９の取り付けは中心管１９の外周面に継手２０、２１の
固着部２０ａ、２１ａを溶接した後継手２０、２１をヘ
リウム端板７ａ、７ｂに溶接しなければならず、ヘリウ
ム端板７ａ、７ｂと継手２０、２１との溶接面を合わせ
るために、中心管１９および継手２０、２１の部品作製
段階および組み合わせ溶接段階での寸法公差を小さくす
る必要があり、機械加工および溶接作業に多大の労力と
時間を要するという課題があった。さらに、中心管１９
の外周面に継手２０、２１の固着部２０ａ、２１ａを溶
接した後ヘリウム端板７ａ、７ｂと継手２０、２１とを
溶接することによる熱歪のため中心管１９およびその溶
接部に歪が生じ、そこに常温から極低温への冷却時の熱
歪および回転子の回転による遠心力が加わり、中心管１
９に生じる歪が過大となり、最悪の場合には中心管１９
に亀裂が発生し、ヘリウム貯液部８と真空部１４とが連
通して液体ヘリウムの貯液ができなくなり、超電導界磁
コイル５を極低温に保持できず、発電機の運転を停止す
るに至るという課題もあった。

【０００７】この発明は、上記のような課題を解決する
ためになされたもので、中心管およびその溶接部の信頼
性を向上できるとともに、製造コストを低減できる超電
導回転電機の回転子を得ることを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】この発明に係る超電導回
転電機の回転子は、一方の継手は、固着部を冷媒貯液部
側に突き出させ、他方の継手は固着部を駈動側端部軸側
もしくは反駆動側端部軸側に突き出させたものである。

【０００９】

【作用】この発明における超電導回転電機の回転子は、
一方の継手の冷媒貯液部側に突き出ている固着部を中心
管の外周面に溶接して中心管と継手とを一体化するとと
もに、他方の継手を冷媒端板の内周端面に溶接し、つぎ
に中心管と一体化した継手を冷媒端板の内周端面に溶接
した後、他方の継手の駆動側端部軸側もしくは反駆動側
端部軸側に突き出ている固着部を中心管の外周面に溶接
できる。

【００１０】

【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１はこの発明の超電導回転電機の回転子の第１
実施例を示す要部拡大断面図であり、図において図５に
示した従来の超電導回転電機の回転子の要部拡大断面図
と同一または相当部分には同一符号を付し、その説明を
省略する。３０は中心管１９との固着部３０ａがヘリウ
ム端板７ａのヘリウム貯液部８側に突き出ている継手、
３１は中心管１９との固着部３１ａがヘリルム端板７ｂ
の駆動側端部軸２側に突き出ている継手である。ここ
で、中心管１９の溶接手順について説明する。まづ、中
心管１９の外周面に継手３０の固着部３０ａの端部を溶
接する。また、ヘリウム端板７ｂの内周端面に継手３１
を溶接する。つぎに、継手３０と一体となった中心管１
９をコイル取付軸４の中心に挿入し、ヘリウム端板７ａ
の内周端面に継手３０を溶接し、最後に継手３１の固着
部３１ａの端部と中心管１９の外周面とを溶接する。上
記この発明における第１実施例では、最後に中心管１９
と継手３１の固着部３１ａとを溶接しているので、構成
部品の寸法公差や溶接歪等により継手３１と中心管１９
との位置が図２の（ａ）、（ｂ）のように軸方向にずれ
ても、中心管１９の加工を行わずに、溶接が可能でる。
また、ヘリウム端板７ａ、７ｂと継手３０、３１との溶
接は完了しているため、中心管１９およびその溶接部分
には溶接による熱歪が加わることがない。また、上記第
１実施例による超電導回転電機の回転子は、図４に示し
従来の超電導回転電機の回転子と同様に動作するもので
ある。

【００１１】図３はこの発明の超電導回転電機の回転子
の第２実施例を示す要部拡大断面図であり、図におい
て、３２は中心管１９との固着部３２ａがヘリウム端板
７ａのヘリウム貯液部８側に突き出ている継手、３３は
中心管１９との固着部３３ａがヘリルム端板７ｂの駆動
側端部軸２側に突き出ている継手であり、これらの継手
３２、３３はヘリウム端板７ａ、７ｂと溶接する部分の
肉厚を厚くし、中心管１９と溶接する部分の肉厚を中心
管１９の肉厚と同等に構成している。上記第２実施例で
は、中心管１９と溶接する継手３２、３３の部分の肉厚
が、中心管１９の肉厚と同等であるので、溶接時の熱の
伝導や溶け込みが同等になり、熱歪が少なくなり、リー
クの可能性もない。したがって、高品質の溶接を比較的
に容易に実施することができる。

【００１２】なお、上記各実施例では、継手３０、３２
の中心管１９との固着部３０ａ、３２ａがヘリウム貯液
部８側に突き出され、さらに継手３１、３３の中心管１
９との固着部３１ａ、３３ａが駆動側端部軸２側に突き
出されて説明しているが、継手３１、３３の中心管１９
との固着部３１ａ、３３ａがヘリウム貯液部８側に突き
出され、さらに継手３０、３２の中心管１９との固着部
３０ａ、３２ａが反駆動側端部軸２側に突き出されても
同様の効果が得られる。また、上記各実施例では、冷媒
として液体ヘリウムを用いて説明しているが、この発明
はこれに限定されるものではない。

【００１３】

【発明の効果】以上のようにこの発明によれば、一方の
継手は、中心管との固着部を冷媒貯液部側に突き出さ
せ、他方の継手は中心管との固着部を駈動側端部軸側も
しくは反駆動側端部軸側に突き出させたので、冷媒端板
と継手との溶接面を合わせる必要がなく、冷媒端板と継
手との溶接により中心管およびその溶接部に歪みが生じ
ることもなく、熱歪中心管およびその溶接部の信頼性を
向上できるとともに、製造コストを低減できる超電導回
転電機の回転子が得られる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明による超電導回転電機の回転子の第１
実施例を示す要部拡大断面図である。

【図２】（ａ）および（ｂ）は図１に示すこの発明によ
る超電導回転電機の回転子における中心管と継手との溶
接状態を説明する要部拡大断面図である。

【図３】この発明による超電導回転電機の回転子の第２
実施例を示す要部拡大断面図である。

【図４】従来の超電導回転電機の回転子の一例を示す断
面図である。

【図５】図４に示す従来の超電導回転電機の回転子の要
部拡大断面図である。

【符号の説明】

１ トルクチューブ ２ 駆動側端部軸 ３ 反駆動側端部軸 ４ コイル取付軸 ５ 超電導界磁コイル ６ ヘリウム外筒 ７ａ ヘリウム端板 ７ｂ ヘリウム端板 ８ ヘリウム貯液部 １９ 中心管 ３０ 継手 ３０ａ固着部 ３１ 継手 ３１ａ固着部 ３２ 継手 ３２ａ固着部 ３３ 継手 ３３ａ固着部

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 駆動側端部軸と、 前記駆動側端部軸に対向して設けられた反駆動側端部軸
   と、 前記駆動側端部軸と前記反駆動側端部軸とにそれぞれ固
   定されたトルクチューブと、 超電導界磁コイルが巻回固定され、前記トルクチューブ
   間に連設されたコイル取付軸と、 前記コイル取付軸の外周に固着された冷媒外筒と、前記
   コイル取付軸の両端に固着された２つの円環状の冷媒端
   板と、前記冷媒端板のそれぞれの内周端面に固着された
   ２つの円筒状の継手と、２つの前記継手の固着部に固着
   された中心管とから構成された冷媒貯液部とを備えた超
   電導回転電機の回転子において、 一方の前記継手は、前記固着部を前記冷媒貯液部側に突
   き出させ、他方の前記継手は前記固着部を前記駆動側端
   部軸側もしくは前記反駆動側端部軸側に突き出させたこ
   とを特徴とする超電導回転電機の回転子。