JPH0564541B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は直流電力を交流電力に、あるいは交流
電力を直流電力に変換する回転変流機に係り、特
に界磁巻線に超電導巻線を用いた回転変流機に関
する。

〔発明の背景〕

直流電力を交流電力に、あるいは交流電力を直
流電力に変換する回転変流機としては、第７図に
示すように、同期発電機（または同期電動機）と
直流電動機（または直流発電機）を一体にしたも
のが知られている。

すなわち、固定磁極１とその中で回転する整流
子２付き直流電機子３とで主要部が構成され、そ
の電機子巻線は多相に分けられて集電環４に導か
れている。例えば三相の場合は、３つの集電環４
があり、これらに三相電源を接続すれば、この回
転変流機は、同期電動機として回転し、整流子２
上を相対的に摺動するブラシ５によつて直流電流
Idを取り出すことができる。また、ブラシ５より
整流子２を介して電機子巻線に直流電流Iaを流せ
ば、直流電動機として回転し、集電環４より三相
交流電流Iaを取り出すことができる。なお図中、
６は回転子を支障する軸受、７は磁極１の継鉄で
ある。

このように従来の回転変流機は共通の回転電機
子巻線に整流子および集電環を接続したものであ
り、過去には電気鉄道や電気化学工業など直流電
力が必要な分野では一時盛んに用いられたが、最
近ではシリコン整流器やサイリスタなどの静止形
変換器の出現によりほとんど製作されなくなつて
来ている。

しかし、近年の原子力、プラズマ、MHD、核
融合などの分野では、数万Ａ級の低圧大電流が必
要となるため、静止形変換器よりも過負荷耐量の
大きな回転変流機の方がむしろ望ましいとの見方
もある。ところが、従来の回転変流機には次のよ
うな欠点があり、その改善が望まれている。

すなわち、回転変流機では同期機と直流機の電
機子巻線が共用されているため、交流側の擾乱が
直接直流側に影響を及ぼし、整流子部でのフラツ
シユオーバの原因となること、同じ電機子巻線が
同じ磁束を切つて交直両方の起電力を誘導するも
のであるため、直流側電圧を交流側電圧に無関係
に制御できないこと、および周波数の高いもので
は性能が不安定となること等の欠点があつた。ま
た、交流出力を集電環で取り出しているため、集
電環の絶縁が問題となり、高電圧大容量化が困難
であること、および回転子巻線とその結線部の機
械的強度の点から回転子を高速化して高周波交流
を得ることが困難であること等の問題があつた。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、直流側と交流側の相互干渉を
少なくし得る回転変流機を提供することにある。

〔発明の概要〕

この目的を達成するため、本発明は、直流電力
を交流電力に変換する回転変流機において、単極
磁界を形成する固定超電導界磁巻線、固定磁路お
よび回転磁路と、この単極磁界の往路または帰路
のいずれか一方を形成する前記固定磁路と前記回
転磁路との間の間隙に単極磁界と鎖交するように
配設された固定多相交流電機子巻線と、前記回転
磁路の前記固定多相交流電機子巻線と対向する部
分の磁束分布を周方向において交互に粗密にする
手段と、前記単極磁界の往路または復路のいずれ
か一方を形成する前記回転磁路に単極磁界と鎖交
するように配設された回転導体と、この回転導体
に直流電流を流すための集電装置とを備え、前記
固定超電導界磁巻線を直流励磁し、かつ前記回転
導体に直流電流を流して、直流電動機として駆動
させるとともに前記固定多相交流電機子巻線に多
相交流電圧を発生させるようにしたことを特徴と
し、また、交流電力を直流電力に変換する回転変
流機において、単極磁界を形成する固定超電導界
磁巻線、固定磁路および回転磁路と、この単極磁
界の往路また帰路のいずれか一方を形成する前記
固定磁路と回転磁路との間の間隙に単極磁界と鎖
交するように配設された固定多相交流電機子巻線
と、前記回転磁路の前記固定多相交流電機子巻線
と対向する部分に配設された第１の回転導体と、
前記単極磁界の往路または復路のいずれか一方を
形成する前記回転磁路に単極磁界と鎖交するよう
に配設された第２の回転導体と、この第２の回転
導体から直流電力を取出すための集電装置とを備
え、前記固定超電導界磁巻線を直流励磁し、かつ
前記固定多相交流電機子巻線を交流励磁して、誘
導電動機として駆動させるとともに前記第２の回
転導体に直流電圧を発生させるようにしたことを
特徴とする。

〔発明の実施例〕

以下、本発明を図示の実施例に基づいて詳細に
説明する。

第１図は本発明の一実施例に係る回転変流機の
一部破断斜視図、第２図は右半分が第１図のＡ−
Ａ線、左半部が第１図のＢ−Ｂ線に沿う断面図で
ある。

この実施例の回転変流機は、回転子８とその外
周に所定間隔をあけて設けられた固定子９からな
つている。回転子８は磁性回転子胴体１０とその
外周に嵌合固着された例えば銅などの非磁性導電
材料からなる導電円筒１１で構成されている。一
方、固定子９はリング状に巻回された超電導界磁
巻線１２と、この巻線１２を支持、冷却するため
の容器１３と、継鉄１４と、ブラシ保持器１５内
にブラシ１６を収納してなる集電装置と、ブラシ
１６に接続された出力端子１７と、界磁巻線１２
に接続された外部の直流励磁電源１８と、回転子
８と固定子９の継鉄１４との間の空隙に配置され
て継鉄１４の内周面に固着された多相交流電機子
巻線１９と、この電機子巻線１９による交流磁界
から超電導界磁巻線１２を保護する電磁シールド
板２０と、回転子を支承する軸受２１とから構成
されている。なお、磁性回転子胴体１０の回転軸
方向において電機子巻線１９と対向する部分に
は、その周方向に所定の数だけ凹部１０ａと凸部
１０ｂが交互に形成されており、かつ回転軸方向
において電機子巻線１９と対応しない部分は平滑
円柱状になつている。また、電機子巻線１９は各
コイルが電気角で180度スキユーされた、いわゆ
るヘリカル構造となつている。

このように構成された回転変流機において、電
機子巻線１９より交流出力を得る場合には、まず
外部直流励磁電源１８により超電導界磁巻線１２
を直流励磁して単極磁束φを発生し、継鉄１４、
回転子８および電機子巻線１９を経由する単極磁
界を形成する。前記磁束φは、継鉄１４よりまず
回転子８の反電機子巻線側の平滑状になつている
導電円筒１１および磁性回転子胴体１０に空間的
に均一に入射する。次に磁性回転子胴体１０内を
回転軸方向に通過した磁束φは、電機子巻線１９
と対向する回転軸方向部分において、磁性回転子
胴体１０が周方向に交互に凹部１０ａ、凸部１０
ｂに形成されているため、磁気抵抗の小さい凸部
１０ｂに集中し、空間的に周方向にみて交互に粗
密状に分布することになる。

この状況を展開図で示すと第３図のようにな
る。すなわち、回転子８の磁性回転子胴体１０に
おける凹部１０ａでは、固定子９の継鉄１４との
間の空隙長が凸部１０ｂと継鉄１４との間の空隙
長よりも長いので、この凹部１０ａに対応する空
隙部の磁束密度Bγの分布は凹状となり、逆に凸
部１０，１０ｂに対応する空隙部の磁束密度Bγ
の分布は凸状となる。

このように空間的に周方向にみて交互に粗密状
に分布する磁束φは、電機子巻線１９を切り、つ
いで継鉄１４に入射するが、この継鉄１４内を通
過しているうちに、やがて平滑な分布となる。

一方、これと同時に、ブラシ１６を介して外部
から回転子８に直流電流Idを供給すると、この直
流電流Idは導体円筒１１を回転軸方向に流れて、
回転子８の電機子巻線１９と対向する回転軸方向
部分の表面で単極磁束φと鎖交し、その相互作用
により回転トルクが発生するため、回転子８が回
転する。この回転子８の回転数Ｎは界磁巻線１２
の電流や前記直流電流Idを増減することにより所
定の値に制御することができる。

回転子８が回転すると、電機子巻線１９の部分
を前記した空間的に凹凸状に分布している単極磁
束φが時間的に順次移動していくので、この電機
子巻線１９には、磁性回転子胴体１０の凹凸部１
０ａ，１０ｂの数ｎと回転子８の回転数Ｎに比例
した周波数の多相交流電圧が誘起され、これが図
示しない出力端子から出力されることになる。

なお、磁性回転子胴体１０の凹凸部１０ａ，１
０ｂから離れるに従つて単極磁束φの凹凸状分布
は次第に平坦化してくるので、交流出力を有効に
発生させるためには、電機子巻線１９を出来るだ
け回転子８に近付けて配置するのが望ましい。

以上は直流電力を交流電力に変換する場合につ
いて述べたが、これとは逆に交流電力を直流電力
に変換することもできる。この場合には、前記の
場合と同様に超電導界磁巻線１２を直流励磁して
単極磁界を形成するとともに、電機子巻線１９を
図示しない外部交流電源により交流励磁して、多
相の回転磁界を形成する。この回転磁界により回
転子８の導電円筒１１に二次誘導電流が発生し、
導電円筒１１が誘導電動機の回転子ダンパーとし
て作用して始動トルクを生じ、回転子８が始動す
る。回転子８の回転数が上昇して同期速度に達す
ると、電機子巻線１９による回転磁界と磁性回転
子胴体１０の凸部１０ｂとの間の電磁石作用によ
り同期電動機として回転する。

このようにして回転子８が回転すると、導電円
筒１１の電機子巻線１９と対向する回転軸方向部
分が単極磁界の帰路において単極磁束φを切るこ
とになるため、この部分に直流電圧が誘起され、
両端に配置されたブラシ１６より直流電力を取り
出すことができる。

この実施例によれば、次のような種々の効果が
得られる。

(1) 従来の回転変流機のように交流側と直流側の
電機子巻線が共用されず、それぞれ固定子側と
回転子側に分けて配置されており、交流側の擾
乱は一旦回転子表面に被せた導電円筒１１のダ
ンパー効果により吸収されるので、直接直流側
に影響を及ぼすことが少なく、安定した運転特
性が得られる。

(2) 電機子巻線１９を電気角で180度空間的に傾
斜させて配置した、いわゆるヘリカル構造を採
用したので、凹凸状に分布する磁束φの高調波
成分に起因する交流出力電圧の歪みが打消さ
れ、正弦波状のきれいな波形の交流電力が得ら
れる。

(3) 交流出力の周波数を高くするためには、前述
のように、回転数Ｎを増すか、あるいは磁性回
転子胴体１０の凹凸部１０ａ，１０ｂの数ｎを
増せばよいが、本実施例の回転子８は何ら巻線
を持たず、回転軸方向の一部に凹凸部１０ａ，
１０ｂを有する塊状の磁性回転子胴体１０と、
その外周に嵌合固着されて一体となつた導電円
筒１１とからなる単純構造であるため、遠心力
に対する機械的強度が大きく、容易に高速回転
することが可能で、周波数の高い交流出力を得
ることができる。

(4) 回転子８の外周面が平滑構造となつているた
め、高速回転による風損の増大を抑制すること
ができる。

(5) 従来の鉄心スロツト巻線方式では、出力周波
数が高くなる程、電機子巻線自体のリアクタン
スが増大し、電圧降下して出力を有効に取り出
せないという問題があつたが、本実施例では、
空隙巻線方式を採用しているため、リアクタン
スを大幅に低減することができ、前記の問題も
なくなる。

(6) 電機子巻線１９はヘリカル構造で、径方向外
側に延びるコイルエンド部分がなく、全体とし
て円筒状をなしているため、回転変流機をコン
パクトにすることができる。

(7) 超電導界磁巻線１２と電機子巻線１９がいず
れも固定子側に配置されているため、前者に対
しては真空断熱やヘリウムの給排などの保守が
容易となつて機械の信頼性を向上することがで
き、また、後者に対しては集電環などの集電装
置を介することなく交流出力を取り出し得るた
め、高電圧大電力を容易に取り出すことができ
る。

なお、前記実施例では、直流電力を交流電力
に、また交流電力を直流電力に変換し得るように
構成しているが、単に直流電力を交流電力に変換
するように構成したり、あるいは単に交流電力を
直流電力に変換するように構成することもでき
る。

すなわち、単に直流電力を交流電力に変換する
場合には、導電円筒１１に前記回転磁界による二
次誘導電流を発生させる機能を持たせる必要はな
く、例えば導電円筒１１の電機子巻線１９と対向
する回転軸方向部分を省略し、それとは反対側の
回転軸方向部分の両端にブラシを設けてこの部分
に直流を流すように構成することができる。ま
た、単に交流電力を直流電力に変換する場合に
は、電機子巻線１９と対向する回転子部分の磁束
分布を周方向において交互に粗密にする手段、つ
まり磁性回転子胴体１０の凹凸部１０ａ，１０ｂ
を省略してこの部分を平滑にすることもできる。
ただ、この場合には、常に電機子巻線１９と導電
円筒１１による誘導電動機としてのみ回転駆動さ
れ、同期電動機としては回転駆動されない。

第４図は本発明の他の実施例に係る回転変流機
の一部破断斜視図、第５図は第４図のＣ−Ｃ線に
沿う側面図である。

この実施例では、前記実施例の導電円筒１１の
代りに、銅などの銅電材料からなる断面ダブテイ
ル状の複数本の導電バー２２が周方向に等しい間
隔をあけて磁性回転子胴体１０中に遠心力で飛び
出さないように埋設されるとともに、磁性回転子
胴体１０の凹部１０ａ中にステンレス鋼などの非
磁性体からなる充填部材２３が同じく遠心力で飛
び出さないように埋め込まれて回転子８の外周面
が平滑に形成されており、さらに各ブラシ１６が
短絡片２４により互に電気的に接続されている。

したがつて、この実施例によれば、前記実施例
と同様な作用効果が得られるほか、さらに各導電
バー２２はブラシ１６および短絡片２４により短
絡されるので、過渡的なダンパ電流が整然と流れ
易くなつて、単相や不平衡負荷運転時の電機子巻
線１９からの逆相分による電機子反作用を吸収す
ることができ、このような異常運転時においても
電機子誘起電圧の波形歪みや機械の振動を低減す
ることができるとともに、交流側から回転子８を
駆動する場合には、ダンパー電流が流れ易いの
で、起動時をも含めて回転トルクを増大すること
ができる。

また、第６図は本発明のさらに他の実施例に係
る回転変流機の一部破断斜視図である。

この実施例が第１図の実施例と異なる点は、電
機子巻線１９側の軸端に配置されていたブラシ１
６などの集電装置を反電機子巻線側の軸端部に配
置することにより、回転子８上における電流回路
を直流側と交流側に分離したことと、継鉄１４の
電機子巻線１９と対向する内周部分を回転軸方向
に積み重ねた積層鉄心２５としたことである。

したがつて、第１図の実施例と同様な作用効果
が得られるほか、さらに交流側と直流側の相互干
渉をなくして、交流機の負荷特性を向上できると
ともに、単極磁束φの前記凹凸状分布によつて継
鉄１４に発生する鉄損や電機子反作用磁束によつ
て継鉄１４に発生する鉄損を低減することもでき
る。

前記各実施例では、電機子巻線および超電導界
磁巻線を回転軸方向にそれぞれ１個ずつ設けてい
るが、本発明はこれに限らず、前記各巻線を回転
軸方向にそれぞれ複数個設けて縦続接続すること
もでき、このようにすればさらに大容量の回転変
流機を得ることが可能となる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、交流側
と直流側の電機子巻線を共用せず、それぞれ固定
子側と回転子側に分けて配置したので、交流側と
直流側の相互干渉を少なくして安定した運転特性
が得られるとともに、固定子側の超電導界磁巻線
による単極磁束と回転子の一部に形成した磁束分
布を粗密にする手段との相互作用により空隙巻線
式電機子巻線に交流出力を発生するようにしたの
で、信頼性を向上しかつ低リアクタンス化により
高周波出力に対しても大容量、高効率の発電を行
なうことができる。また、回転子の高速回転が容
易であるため、周波数の高い交流出力を得ること
が可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係る回転変流機の
一部破断斜視図、第２図は右半部が第１図のＡ−
Ａ線、左半部が第１図のＢ−Ｂ線に沿う断面図、
第３図は同回転変流機の動作説明図、第４図は本
発明の他の実施例に係る回転変流機の一部破断斜
視図、第５図は第４図のＣ−Ｃ線から見た側面
図、第６図は本発明のさらに他の実施例に係る回
転変流機の一部破断斜視図、第７図は従来の回転
変流機の概略構成図である。 ８……回転子、９……固定子、１０……磁性回
転子胴体、１０ａ……凹部、１０ｂ……凸部、１
１……導電円筒、１２……超電導界磁巻線、１４
……継鉄、１６……ブラシ、１９……多相交流電
機子巻線、２２……導電バー。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 直流電力を交流電力に変換する回転変流機に
   おいて、単極磁界を形成する固定超電導界磁巻
   線、固定磁路および回転磁路と、この単極磁界の
   往路または帰路のいずれか一方を形成する前記固
   定磁路と前記回転磁路との間の間隙に単極磁界と
   鎖交するように配設された固定多相交流電機子巻
   線と、前記回転磁路の前記固定多相交流電機子巻
   線と対向する部分の磁束分布を周方向において交
   互に粗密にする手段と、前記単極磁界の往路また
   は復路のいずれか一方を形成する前記回転磁路に
   単極磁界と鎖交するように配設された回転導体
   と、この回転導体に直流電流を流すための集電装
   置とを備え、前記固定超電導界磁巻線を直流励磁
   し、かつ前記回転導体に直流電流を流して、直流
   電動機として駆動させるとともに前記固定多相交
   流電機子巻線に多相交流電圧を発生させるように
   したことを特徴とする回転変流機。 ２ 特許請求の範囲第１項において、前記固定多
   相交流電機子巻線をヘリカル構造としたことを特
   徴とする回転変流機。 ３ 特許請求の範囲第１項において、前記回転導
   体は導電円筒体からなることを特徴とする回転変
   流機。 ４ 特許請求の範囲第１項において、前記回転導
   体は周方向に互に間隔をあけて配設された複数個
   の導電バーからなることを特徴とする回転変流
   機。 ５ 特許請求の範囲第１項において、前記単極磁
   界の往路または帰路のいずれか一方に前記固定多
   相交流電機子巻線を、他方に前記回転導体をそれ
   ぞれ配設したことを特徴とする回転変流機。 ６ 交流電力を直流電力に変換する回転変流機に
   おいて、単極磁界を形成する固定超電導界磁巻
   線、固定磁路および回転磁路と、この単極磁界の
   往路また帰路のいずれか一方を形成する前記固定
   磁路と回転磁路との間の間隙に単極磁界と鎖交す
   るように配設された固定多相交流電機子巻線と、
   前記回転磁路の前記固定多相交流電機子巻線と対
   向する部分に配設された第１の回転導体と、前記
   単極磁界の往路または復路のいずれか一方を形成
   する前記回転磁路に単極磁界と鎖交するように配
   設された第２の回転導体と、この第２の回転導体
   から直流電力を取出すための集電装置とを備え、
   前記固定超電導界磁巻線を直流励磁し、かつ前記
   固定多相交流電機子巻線を交流励磁して、誘導電
   動機として駆動させるとともに前記第２の回転導
   体に直流電圧を発生させるようにしたことを特徴
   とする回転変流機。 ７ 特許請求の範囲第６項において、前記第１の
   回転導体を前記第２の回転導体として兼用したこ
   とを特徴とする回転変流機。 ８ 特許請求の範囲第６項において、前記固定多
   相交流電機子巻線をヘリカル構造としたことを特
   徴とする回転変流機。 ９ 特許請求の範囲第６項において、前記第１お
   よび第２の回転導体は導電円筒体からなることを
   特徴とする回転変流機。 １０ 特許請求の範囲第６項において、前記第１
   および第２の回転導体は周方向に互に間隔をあけ
   て配設された複数個の導電バーからなることを特
   徴とする回転変流機。 １１ 特許請求の範囲第６項において、前記単極
   磁界の往路または復路のいずれか一方に前記固定
   多相交流電機子巻線を、他方に前記第２の回転導
   体をそれぞれ配設したことを特徴とする回転変流
   機。 １２ 特許請求の範囲第６項において、さらに前
   記回転磁路の前記固定多相交流電機子巻線と対向
   する部分の磁速分布を周方向において交互に粗密
   にする手段を備え、前記固定超電導界磁巻線を直
   流励磁し、かつ前記固定多相交流電機子巻線を交
   流励磁して、誘導同期電動機として駆動させると
   ともに第２の回転導体に直流電圧を発生させるよ
   うにしたことを特徴とする回転変流機。