JPH06303758A - 超電導回転電機の回転子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】超電導界磁巻線に電流を通電する電流リードを
冷媒ガスで冷却する場合、電流リードから排出されるガ
ス冷媒の温度にかかわらず、高電圧印加による絶縁破壊
をなくして、安全性を高めることにある。 【構成】液体ヘリウムにより冷却される超電導界磁巻線
に冷却パスを有する電流リードを接続すると共に、この
電流リードの冷却パスに低温のヘリウムガスを流通させ
て電流リードを冷却する超電導回転電機の回転子におい
て、電流リードの端部に接続された冷媒ガス排出管５と
冷媒回収管につながる連結管１８との間をＧＦＲＰ製管
３１ａの両端部の外面側または内面側に金属管３１ｂ，
３１ｃを挿入して接着する構成の絶縁継手３１により接
続したものである。

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の回転子
に関する。

【０００２】

【従来の技術】最近、超電導線を回転界磁巻線として利
用した所謂超電導回転子を備えた回転電機、例えば発電
機が開発されている。超電導線を用いた界磁巻線は、そ
の超電導性を維持するために、４ｋ程度の極低温に冷却
しなければならず、そのため冷却媒体として液体ヘリウ
ムを用いる場合が多い。また、界磁巻線に通電する電流
リードも、界磁巻線への侵入熱を少なくするために冷却
する必要がある。

【０００３】一方、界磁巻線を含む回転子を冷却した液
体ヘリウムは、熱伝導や輻射熱等の侵入熱によって気化
し、ヘリウムガスとなる。従って、このヘリウムガスを
回収するにあたっては、トルクチューブや電流リード等
の熱伝導による回転子への侵入熱を抑制するため、ヘリ
ウムガスによりこれらの部材を冷却する媒体として有効
に利用した後、回収するようにしている。

【０００４】ところで、超電導回転電機は界磁巻線のリ
アクタンスが小さいため、励磁制御を行わなくても高い
安定度が得られる。従って、特に高い界磁電圧を加える
ことなく、通常の静止超電導マグネットと同等の印加電
圧で運転でき、ヘリウムガス雰囲気での界磁電圧による
絶縁破壊を生じることはなかった。

【０００５】図７は従来の超電導回転電機の回転子にお
ける電流リードの接続導体付近の構成例を示す縦断面図
である。同図に示すように、回転軸１内の冷媒供給管２
ａを通して回転子内に供給された液体ヘリウムは界磁巻
線を冷却した後、冷媒回収管２ｂを通して回収される
が、回転子内で気化したヘリウムガスは図示矢印で示す
ように界磁巻線に電気的に接続され、且つ絶縁物３ａで
覆われた電流リード３内の冷却パス４を通して回転軸１
の端部側に流れて電流リード３を冷却した後、電流リー
ド３の端部側のヘリウムガス排出管５より常温ダンパ６
の回転軸端側に形成された空間部７に排出され、さらに
回転軸１の端部に設けられた図示しないヘリウムトラン
スファカップリングに連通する流路８へと導かれて回収
される構造になっている。

【０００６】この場合、電流リード３の端部は常温ダン
パ６の内周面に絶縁物９を介して取付られた接続導体１
０に電気的に接続された状態で保持されており、この接
続導体１０はヘリウムガス排出管５より出たヘリウムガ
スにより冷却される。

【０００７】また、接続導体１０には常温ダンパ６の外
周面側から絶縁物１１および接続バー１２を介して空間
７側へ挿通された接続スタッド１３に電気的に接続さ
れ、さらに常温ダンパ６の外周面には接続バー１２に電
気的に接続させてスリップリング１４が取付られてい
る。

【０００８】このような従来の超電導発電機の回転子に
おいては、界磁電圧が高々１０ｋＶ程度であれば、絶縁
の施されていない接続導体１０の周囲の空間７に冷媒で
あるヘリウムガスが流れても絶縁破壊は生じることはな
い。

【０００９】ところで、、近年励磁制御を行うことによ
り、超電導回転電機の安定性の利点をさらに拡大しよう
とする試みがなされている。この場合、界磁電流を急激
に変化させる必要があるため、スリップリング１４での
端子電圧は数ｋＶ〜数１０ｋＶのオーダに達する。しか
し、回収されるヘリウムガス雰囲気（２００ｋ〜３００
ｋ）での絶縁破壊電圧は低いので、数ｋＶ〜数１０ｋＶ
の印加電圧が電流リード３に加わった場合、絶縁破壊を
起こさない構造にする必要がある。

【００１０】従って、電流リード端部の外周囲や電流リ
ードとスリップリングをつなぐ接続導体の周囲に雰囲気
ガスとして、低温又は常温ガスのヘリウムが流動又は滞
留することがないように、その電流リードのヘリウムガ
ス排出孔とヘリウムトランスファカップリングを絶縁物
により連通させれば良い。

【００１１】図８はこのような構造を有する超電導回転
電機の回転子の縦断面図を示すものであり、また図９は
図８の“Ａ”部を拡大して示す図である。なお、図７と
同一部分には同一符号を付してその説明を省略する。

【００１２】図８に示すように、電流リード３端部のヘ
リウムガス排出管５にはフランジを有し、このフランジ
には電気的絶縁性が高く、２００ｋ以下の低温にも耐え
るガラスファイバ強化プラスチック（以下ＧＦＲＰと称
す）製の絶縁継手１５のフランジが図９に示すようにゴ
ムパッキン１６を介してボルト１７により結合されてい
る。

【００１３】また、この絶縁継手１５のヘリウムガス下
流側のフランジにはヘリウムガス排出管５と同材あるい
は異材の金属製連結管１８のフランジがシリコン系、ニ
トリル系等のゴムパッキン１９を介してボルト２０にて
結合されている。この金属製連結管１８のヘリウムガス
下流側は冷媒回収管２１に連通している。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】このような構成の超電
導発電機の回転子において、回転子内で気化した低温の
ヘリウムガスは電流リード３を冷却した後、絶縁継手１
５と金属製連結管１８内を経由して回転軸１の端部側に
形成された空間７と隔離されて回収される。

【００１５】そして、空間７は通常大気圧下の空気で満
たされているので、高電圧印加による絶縁破壊により電
流リード３あるいは接続導体１０から回転軸１に放電す
ることはない。

【００１６】しかしながら、ヘリウムガス排出管５と絶
縁継手１５およびこの絶縁継手１５と金属製連結管１８
とのフランジ接続部に設けられているシール用のゴムパ
ッキン１６，１８は、一般に２３３ｋ（−４０℃）〜２
４３ｋ（−３０℃）以下の低温環境下に置かれると劣化
によりシール性が失われる。

【００１７】このため、ヘリウムガス排出管５を通過す
るヘリウムガスの温度が前記温度以下の場合、漏れたヘ
リウムガスが空間７内に流れ込んで滞留すると、高印加
電圧により絶縁破壊を生じてしまう。また、２００ｋ以
下の低温でも劣化のない金属製パッキンは、ＧＦＲＰ製
の絶縁継手１５のフランジとして用いることはできな
い。

【００１８】本発明は上記の事情に鑑みてなされたもの
で、その目的は超電導界磁巻線に電流を通電する電流リ
ードを冷媒ガスで冷却する場合、電流リードから排出さ
れる冷媒ガスの温度にかかわらず高電圧印加により破壊
電圧が生じることのない安全性の高い超電導回転電機の
回転子を提供することにある。

【００１９】

【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、冷媒液により冷却される超電導界磁巻線に
冷媒ガス流通路を有する電流リードを接続すると共に、
この電流リードの冷媒ガス流通路に低温の冷媒ガスを流
通させて電流リードを冷却する超電導回転電機の回転子
において、前記電流リードの端部に接続された冷媒ガス
排出管と冷媒回収管との間をガラスファィバ強化プラス
チック製管の両端部に金属管を接合した構成の絶縁継手
により接続したものである。

【００２０】

【作用】このような構成の超電導回転電機の回転子にあ
っては、電流リードから排出される冷媒ガスの温度にか
かわらず従来の数１００〜数１０００倍の印加電圧に耐
えるので、例えば系統安定度の高い超電導発電機の速応
励磁制御が可能となり、絶縁破壊が発生することなく、
安全性の高いものとなし得る。

【００２１】

【実施例】以下本発明の実施例を図面を参照して説明す
る。図１は本発明の第１の実施例の要部である電流リー
ド端部側の構成を示す断面図である。なお、電流リード
端部側の構成以外は図８と同一構成なので、ここではそ
の説明を省略する。

【００２２】第１の実施例では、図１に示すように電流
リード端部側のヘリウムガス排出管５と連結管１８との
間を絶縁管と金属管の接合構成による絶縁継手３１によ
り接続するようにしたものである。この絶縁継手３１
は、電気的絶縁性が高く、２００ｋ以下の低温にも絶え
られるＧＦＲＰ製管３１ａの両端部の外周面に金属管３
１ｂ，３１ｃの一端部をそれぞれの先端が絶縁距離を保
つように挿入し、２００ｋ以下の低温にも耐えられるエ
ポキシ系の接着剤にてＧＦＲＰ製管３１ａに接着する構
成としたものである。

【００２３】また、絶縁継手３１をヘリウムガス排出管
５と連結管１８とに接続するに際しては、金属管３１ｂ
の他端部に有するフランジとヘリウムガス排出管５およ
び連結管１８の端部に有するフランジとを２００ｋ以下
の低温では劣化しない金属製パッキン３２を介してボル
ト３３により結合する。

【００２４】ところで、本発明者らの調査によれば、Ｇ
ＦＲＰ製管３１ａの径の熱収縮率はガラス繊維の沿層方
向と貫層方向での熱収縮率の異方性により、図２に示す
ように外径と内径で異なり、しかも形状異存性を有す
る。即ち、外径／内径の比が増加すると、外径の収縮率
は漸増する一方、内径の収縮率は漸減する。また、ガラ
ス含有率等、ＧＦＲＰの組成を変えることにより、図２
に示すように外径あるいは内径の収縮率が銅やステンレ
ス等の金属の収縮率と同等のＧＦＲＰ製管を得ることが
できる。

【００２５】よって、第１の実施例では金属管３１ｂ，
３１ｃの材質をステンレスあるいは銅とし、ＧＦＲＰ製
管３１ａの内、外径は長手方向に均一で（Ｄ₂ ／Ｄ₁ ＝
Ｄ₂／Ｄ₃ ）、これら外径／内径の比は図２において、
外径の収縮率がステンレスあるいは銅の収縮率に一致す
る（同図中（イ）のケース）ようにしてある。

【００２６】上記のような構成の絶縁継手３１をヘリウ
ムガス排出管５と連結管１８との間に接続する構成とす
れば、ＧＦＲＰ製管３１ａと金属管３１ｂ，３１ｃとの
接着面に両者の熱収縮差によりクラック等が発生せず、
また金属管３１ｂ，３１ｃとヘリウムガス排出管５およ
び連結管１８との接合部にも金属製パッキン３２を用い
ているので、２００ｋ以下の低温でも良好なシール性を
発揮させ得るものとなる。

【００２７】従って、回転子内で気化した低温のヘリウ
ムガスは電流リードを冷却した後、その温度（２００ｋ
〜３００ｋ）にかかわらず、絶縁継手３１と連結管１８
内を経由し、図８に示した回転軸１の端部側に形成され
た通常大気圧の空気で満たさる空間７にリークすること
なく、冷媒回収管２１に流れるので、高印加電圧により
電流リード３あるいは接続導体１０が放電して絶縁破壊
することはない。

【００２８】図３は本発明の第２の実施例の要部である
電流リード端部側の構成を示す断面図であり、図１と同
一部分には同一符号を付して説明する。第２の実施例で
は、図３に示すように絶縁継手３１を構成する一方の金
属管３１ｃをヘリウムガス排気管５と同じ銅製とし、他
方の金属管３１ｂを連結管１８と同じステンレス製とし
てそれぞれＧＦＲＰ製管３１ａの両端部の外面側に挿入
し、それぞれ接着する構成としたものである。

【００２９】この場合、ＧＦＲＰ製管３１ａの外径は長
手方向に均一であるが、内径は両端で異なっており（Ｄ
₂ ／Ｄ₁ ＞Ｄ₂ ／Ｄ₃ ）、これら外径／内径の比は両端
の外径の収縮率が各々銅、ステンレスに一致する（図２
中の（イ）のケース）ようになっている。

【００３０】このような構成としても、前述同様の作用
効果を得ることができる。図４は本発明の第３の実施例
の要部である電流リード端部側の構成を示す断面図であ
り、図１と同一部分には同一符号を付して説明する。

【００３１】第３の実施例では、図４に示すように絶縁
継手３１を構成する一方の金属管３１ｃをヘリウムガス
排気管５と同じ銅製とし、ＧＦＲＰ製管３１ａの一端部
の外面側に挿入して接着し、他方の金属管３１ｂを連結
管１８と同じステンレス製とし、ＧＦＲＰ製管３１ａの
他端部の内面側に挿入して接着する構成としたものであ
る。

【００３２】この場合、ＧＦＲＰ製管３１ａの内、外径
は長手方向に均一で（Ｄ₂ ／Ｄ₁ ＝Ｄ₃ ／Ｄ₂ ）、この
ＧＦＲＰ製管３１ａの組成および外径／内径の比は、外
径の熱収縮率が銅に、内径の熱収縮率がステンレスに一
致する（図２中の（イ）のケース）ようになっている。

【００３３】このような構成としても、前述同様の作用
効果を得ることができる。図５は本発明の第４の実施例
の要部である電流リード端部側の構成を示す断面図であ
り、図１と同一部分には同一符号を付して説明する。

【００３４】第４の実施例では、図５に示すように絶縁
継手３１を構成する一方の金属管３１ｃをヘリウムガス
排気管５と同じ銅製とし、他方の金属管３１ｂを連結管
１８と同じステンレス製とし、何ずれもＧＦＲＰ製管３
１ａの両端部の内面側に挿入して接着する構成としたも
のである。

【００３５】この場合、ＧＦＲＰ製管３１ａの内径は長
手方向に均一であるが、外径は両端部で異なっており
（Ｄ₁ ／Ｄ₂ ＜Ｄ₃ ／Ｄ₂ ）、このＧＦＲＰ製管３１ａ
の組成および外径／内径の比は、両端の内径の熱収縮率
が銅、ステンレスに一致する（図２中の（ハ）のケー
ス）ようになっている。

【００３６】このような構成としても、前述同様の作用
効果を得ることができる。図６は本発明の第５の実施例
の要部である電流リード端部側の構成を示す断面図であ
り、図１と同一部分には同一符号を付して説明する。

【００３７】第５の実施例では、図６に示すようにヘリ
ウムガス排気管５と絶縁継手３１を構成する一方の金属
管３１ｃ、連結管１８と他方の金属管３１ｂとを直接溶
接や拡散接合等で接合するようにしたものである。図中
３４は接合部である。ここでは、絶縁継手３１の構成と
して図５の場合を示しているが、図１、図３、図４に示
す絶縁継手３１の場合にも同様に適用できる。

【００３８】なお、図１乃至図６に示す各実施例では、
絶縁継手３１を構成する金属管３１ｂ，３１ｃの材質と
してステンレスおよび銅を例に挙げたが、アルミやチタ
ン等の他の金属に代えてもよい。また、金属管３１ｂ，
３１ｃが挿入されないＧＦＲＰ製管３１ａの中央近傍の
外径／内径の比は両端あるいは一端部の外径／内径の比
に必ずしも一致させる必要はない。この他、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。

【００３９】

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、超電
導界磁巻線に電流を通電する電流リードを冷却した後の
冷媒ガスが接続導体等に直接接触しないようにしたの
で、電流リードに対して高電圧が印加されても絶縁破壊
することがなく、安全性の高い超電導回転電機の回転子
を提供することができる。また、本発明を例えば超電導
発電機に適用した場合には従来の比べてさらに系統安定
度を高くするための励磁制御を行うことが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例の要部である電流リード
端部側の構成を示す断面図。

【図２】ＧＦＲＰ管の内、外径の収縮率と代用的な金属
との相関を示す図。

【図３】本発明の第２の実施例の要部である電流リード
端部側の構成を示す断面図。

【図４】本発明の第３の実施例の要部である電流リード
端部側の構成を示す断面図。

【図５】本発明の第４の実施例の要部である電流リード
端部側の構成を示す断面図。

【図６】本発明の第５の実施例の要部である電流リード
端部側の構成を示す断面図。

【図７】従来の超電導回転電機の回転子における電流リ
ードの接続導体付近の概略的な構成例を示す縦断面図。

【図８】従来の超電導回転電機の回転子における電流リ
ードの接続導体付近の他の構成例を示す縦断面図。

【図９】図８の“Ａ”部を拡大して示す断面図。

【符号の説明】

１……回転軸、２ａ……冷媒供給管、２ｂ……冷媒回収
管、３……電流リード、４……冷却パス、５……ヘリウ
ムガス排出管、６……常温ダンパ、７……空間、８……
流路、９，１１……絶縁物、１０……接続導体、１２…
…接続バー、１３……接続スタッド、１４……スリップ
リング、１８……連結管、２１……冷媒回収管、３１…
…絶縁継手、３１ａ……ＧＦＲＰ製管、３１ｂ，３１ｃ
……金属管、３２……金属製パッキン、３３……ボル
ト。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 冷媒液により冷却される超電導界磁巻線
   に冷媒ガス流通路を有する電流リードを接続すると共
   に、この電流リードの冷媒ガス流通路に低温の冷媒ガス
   を流通させて電流リードを冷却する超電導回転電機の回
   転子において、前記電流リードの端部に接続された冷媒
   ガス排出管と冷媒回収管との間をガラスファィバ強化プ
   ラスチック製管の両端部に金属管を接合した構成の絶縁
   継手により接続したことを特徴とする超電導回転電機の
   回転子。
2. 【請求項２】 絶縁継手は、ガラスファィバ強化プラス
   チック製管の両端部の外面側または内面側に金属管を挿
   入して接着する構成とした請求項１に記載の超電導回転
   電機の回転子。
3. 【請求項３】 絶縁継手は、金属管を挿入する両端の外
   径／内径の比が同一のガラスファィバ強化プラスチック
   製管を用いた請求項２に記載の超電導回転電機の回転
   子。
4. 【請求項４】 絶縁継手は、金属管を挿入する両端の外
   径／内径の比が相異なるガラスファィバ強化プラスチッ
   ク製管を用いた請求項２に記載の超電導回転電機の回転
   子。