JPS60176463A

JPS60176463A - 回転電機子形超電導回転電機

Info

Publication number: JPS60176463A
Application number: JP59031412A
Authority: JP
Inventors: Yutaka Watanabe; 裕渡辺
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1984-02-23
Filing date: 1984-02-23
Publication date: 1985-09-10

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】〔発明の技術分野〕本発明は中心軸側に超電導電磁石を固定し、その外周側
に回転する電機子巻線を備えた回転電機手形超電導回転
電機に関する。。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

従来の超電導回転電機（例えば発電機、調相機。

電動機など）は回転界磁形が主流でｓｂ、超電導。

電磁石の界磁巻線は回転するり２イオスタツト内に設置
され、コレクタリングを介して励磁電流を供給している
。冷媒である液体ヘリウムは静止クライオスタットから
回転クライオスタットへ、ヘリウムトランスファーカッ
ブリ、ングと称する特別な装置で供給され、界磁巻線を
冷却して気化したヘリウムガスは、前記の特別な装置か
ら逆に排出されている。

この為、極低温となる超電導電磁石の界磁巻線設置部を
回転状態において熱的に保護し、更に外部変動磁界から
保護する必要があり、回転クライオスタットを有する回
転子は、外周部に超電導電磁石保護の為にダンパーシー
ルド及び真空断熱層を持つ。回転予肉低温部は外部に対
して断熱を考鳳した薄肉円筒状のトルクチューブを介し
て支持され、周囲は真空層により囲まれる。また超電導
電磁石が回転する為、外部にその磁界の影響が及ばない
ようにする目的で、固定子の外周部には積層磁性鋼板か
らなる磁気シールドを設置するうこのような構成の従来
の回転界磁形超電導回転電機には次に示すような問題点
がある。

（１）クライオスタットが回転する為、発生熱。

侵入熱を冷媒の蒸発にょシ吸収、排出し、界磁巻線部の
極低温を維持するのであるが、この際、蒸発したガスは
低密度のため回転子中央部に集結する。このため、回転
子内部を少なくとも大気圧程度の圧力に維持する為には
、蒸発したガスを外部から排気ポンプで引いてやるか、
あるいは、蒸発したガスが回転による自己ポンプ作用を
持って排出されるように、その流路を設計する必要があ
る。

（２）回転遠心力により液体冷媒は外集部に集まるが、
この時、遠心力にょシ最外周部の液体冷媒圧力は数十気
圧にも達し、冷媒の循環は強い圧力を伴う流れとなる。

このため、断熱的流れが発生すると冷媒はｄＫ（Ｋ：ケ
ルビン−絶対温度）ノ温度上昇を起こし、超電導電磁石
の常電導化の訪因となる。

（３）何らかの理由で急速に回転を停止あるいは低速回
転に変更せざるを得ない状況においては、外周部に分配
されていた液体冷媒が、回転子底部に重力で移動集結す
る。この状態が継続すると、回転子に侵入熱による温度
差が生じ、回転子構造物各部の熱膨張差のため、回転子
は強い歪を正し、場合によっては破壊あるいは永久変形
を発生し、再使用不可能という事態を起こす。

（４）　クライオスタットが回転する構造である為、外
部からの輻射侵入熱を制限するための、従来の静止クラ
イオスタットに用いられていた真空層中に多層のアルミ
ニウム箔を設けるスーパーインシュレイジョン技術は使
用できない。従って、十分な強度を持ち、低温に保持さ
れたラジエイションシールドを使用する。しかし、真空
層部に設置されるラジエイションシールドは、強い遠心
力が作用する為、その支持は極めて困難であシ、回転時
の不平衡により振動発生の原因となシ易い。

（５）外部変動磁界から超電導電磁石を保護する為に、
回転子外周部に複数の良電導性のダンパーシールドを設
け、更に回転子の微細な揺動を吸収する為に特別なダン
パを設置することが多いが、これらは機械的強度が低く
、これを保持する為の構造物を配置しなければならない
。この保持構造物は回転に伴う高遠心カに耐えなければ
ならないと共に、外部変動磁界による変形力にも耐える
必要があるため、極めて厚肉にしなければならず、従っ
て、界磁巻線と電機子巻線間の距離が大になシ、漏れ磁
束が大になることから効率を低下し、かつ、機械寸法が
大になる。また材料強度も大でなければならないので高
価にもなる。。

（６）断熱性能を維持するため、回転子内部は真空層を
有するが、磁性流体シール等の技術を用いても、経時変
化によシ真空度の低下はまぬがれず、また回転体の真空
引き作業は極めて困難であジ、満足な真空度を長期的に
維持することができず、定期的に回転を中断し、真空引
きの作業を行なう必要がある。

また、超電導電磁石を外周側に持ち、中心軸側に回転す
る電機子巻線を保有する回転子を配設した回転電機手形
超電導回転電機もあるが、超電導電磁石用の界磁巻線を
、よシ径の大なる外周部に置く為、各ターンの導体長が
長くな夕、所定の磁場強度及び磁場面積を得るためには
、多量の超電導線材を必要とする。従ってその冷媒量も
増大する。更には界磁巻線を収納するクライオスタット
が円筒形状となり、結果として外部常温部と相対向する
面積も激増してしまう。このことは超電導機器として致
命的な真空断熱層の破壊（真空リークの発生）の危険性
が増大することと、外部からの侵入熱量の絶対的増加を
意味してしまう。そして外部への磁束の漏れを防ぐ磁気
シールドが超電導電磁石のすぐ外側に設置されることに
なるため、磁気シールドの磁気飽和による磁束通過の制
限を受けることになる。従って、超電導電磁石の発生磁
束密度を制限するか、磁気シールドを超電導電磁石の外
周側から遠く離して設置するか、または、磁気シールド
の厚さを大にするか等の対策が心安で、結果として磁気
シールド重置が増大する。磁気シールド重量は超電導回
転電機の大きな部分を占める為、超電導回転電機の主目
的である小形。

軽量の作用効果が損なわれてしまう。

〔発明の目的〕

本発明は、小形軽量高効率で、信頼性の高い回転電機小
形超電導回転電機を提供することを目的とする。

〔発明の概要〕

本発明においては、中心軸側に固定した超電導電磁石と
、その超電導電磁石の外周側に回転する′１電機子巻線
と、その電機子巻線の外周側（二静止したダンパーシー
ルド及び磁気シールドとを備え、超電導電磁石を収納す
る円筒形クライオスタットの外筒の外周の常温部と、内
筒の外周の極低温部に、それぞれ良電導性体から成る円
筒状あるいはかご形状の電磁シールドを設けることによ
り、技術的背景で述べた問題点を解決するものである。

〔発明の実施例〕

以Ｆ、本発明の一実施例について、第１図および第２図
を参照して説明する。

基礎（１）に固定装置（２）で固定された中心軸（３）
側に固定した超電導電磁石（４）は、クライオスタット
（５）の内部に超電導線からなる界磁巻線（６）を有し
、その一つの磁極中心部（７）を重力方向に対して最上
部に配し、この部分に気化冷媒溜め（８）を設置する。

界磁巻線（６）のリード線（６ａ）は中心軸（３）内か
ら外部に引出す。クライオスタット（５）内には、片方
の中心軸（３）側から冷媒供給管（９）を介して液体ヘ
リウムを供給し、界磁巻線（６）を超電導状態になるよ
う（二冷却し、気化した冷媒であるガスヘリウムを気化
冷媒溜め（８）に集め、気化冷媒排出管（１１を介して
外部へガスヘリウムを排出するように構成する。超電導
電磁石（４）の外周側には内側ギャップＩを介して回転
電機子Ｕを設ける。この回転電機子（１りは電機子巻線
−を納めた非磁性材（例えばガラスファイバ系の強化プ
ラスチックやステンレス鋼）から成る両端を細くした円
筒状に形成され、中心軸（３）に対して内側軸受Ｉを介
して回転自在に支持され、更に、冷媒供給管（９）や気
化冷媒排出管（１１を備えない中心軸（３）（第１図の
右側）側の回転電機子俣り外周細径部を外側軸受（ｌ［
有］で回転自在に支承する。外側軸受ａ！９の無い側の
回転電機子細径部にはコレクタリングμＱを設けて、こ
れを電機子巻線（２）に接続し、図示しないブラシを介
して外部と電力の授受を行なわせる。回転電機子ａ２の
外周側には外側ギャップＶＤを介して、超電導電磁石（
４）の発生する磁束の外部への漏れを防ぐ為の磁性体ブ
ロック状の磁気シールドｔ１８を設置し、その内周面に
は、回転電機子←４の電気的揺動を減衰させる為の良電
導性拐のダンパーシールドα１を固着する。クライオス
タット（５）は外周を常温の外気に接する外筒（５ａ）
と、液体ヘリウムで極低温に冷却される界磁巻線（６）
を保持する内筒（５ｂ）から成る２重円筒状とし、外筒
（５ａ）の外周の常温部と、内筒（５ｂ）の外周の極低
温部に、それぞれ銅やアルミニウムなどの良導電性体か
ら成る円筒状あるいはかご形状の電磁シールド（至）、
（２υを固層する。内筒（５ｂ）の周囲の外筒（５ａ）
内部分ハ真空及ヒスーバーインシュレイジョン層による
断熱部（２壜を形成させる。また、界磁巻線（６）は運
転の際にトルクを受けるが、そのトルクを固定部へ伝達
するトルクチューブ（至）には伝導侵入熱を制限する目
的で、内部で発生したガスヘリウムの通路（図示せず）
を設ける。界磁巻線（６）を励磁する為に、電流リード
（財）が設置される。電流リード（至）は超電導線に石
形成されて図示しない外部の常電導線によるリード線に
接続され外部から直流を供給される。

次に作用について説明する。

界磁巻線（６）を励磁して出た磁束は回転電機子（１３
内の電機子巻線α罎と鎖交し、磁気シールド［１の内側
を経由して戻る。ダンパーシールドｕｌは界磁巻線（６
）と同様に静止している為、電機子巻線−から発生する
変動磁界成分に対してのみ有効である。

超電導電磁石用の界磁巻線（６）は固定クライオスタッ
ト（５）内部に設置されるから、冷媒でるる液体ヘリウ
ムの供給及びガスヘリウムの排出は、従来からの固定超
電導電磁石の技術と何ら変ることのない手法の応用が可
能である。そして、クライオスタットの上部の気化冷媒
溜め（８）からガスヘリウムを排出するから、冷媒の給
排に無理を生ずることがなく、自然的である。従って、
従来の回転界磁形超電導回転電機に見られた回転に伴う
種々の問題点が消滅する。

また従来の回転電機子形超電導回転電機と比較しても、
中心軸部に超電導電磁石（４）を設置したことにより、
磁気シールド（１８１は回転電機子（Ｉ２を介して超電
導電磁石（４）から遠く隔てて設置することにな９、磁
気シールド（１８部の磁束密度が緩和される為に、磁気
シールドα尋を小形軽量化することが可能となる。更に
、中心軸部に超電導電磁石（４）を設置したことによシ
、界磁巻線（６）の各ターンの導体長が短くな夛、使用
超電導線量も少なくてすみ、それによる超電導線の支持
構造も簡単かつ堅固とすることができる。このことはク
エンチ発生の原因である超電導線の動きを抑制する上で
、優れた効果を発揮し、小形軽量化に有効である。また
磁気シールドｕａｌは超電導電磁石（４）に対して静止
している為、積層構造とする必要はなく、単一のブロッ
ク状、あるいは軸方向に複数個に分割されたブロック状
、または磁束の分布に従って周方向に分割されたブロッ
ク状等の構成とすることが可能で、安価になる。そして
、クライオスタット（５）の外筒（５ａ）の外周と、内
筒（５ｂ）の外周と゛にそれぞれ′電磁シールド（イ）
、（２υを設けたから、界磁巻線（６）を外部磁界の変
動に対して二重に保護したことにな９、しかも二重にし
たから、両電磁シールド（至）、　（２ｎは薄肉で済み
、超電導電磁石（４）を小形のまま信頼性を格段に向上
する。

尚中心軸部に静止した超電導電磁石（４）を用いている
為、供給冷媒に超流動ヘリウムを利用することが可能で
あシ、そのようにすれば冷媒の使用量を少なくすること
ができる。又、液体ヘリウムの減圧沸騰による低温化も
可能である。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば静止した超電導電
磁石を中心軸部に置き、強力な磁場を発生させ、その外
周側に設けた電機子から一切の磁性体を排除しても、十
分な鎖交磁場を確保出来るようにしたので、回転電機子
の電機子巻線は空隙巻線となり、軽量化される　また超
電導電磁石用界磁巻線は中心部にて静止している為、冷
媒である液体ヘリウムの供給、ガスヘリウムの排出が容
易となり、従来の回転超電導電磁石に見られた欠点を克
服できる。同時に、超電導電磁石を回転の中心部へ静止
して固定配置した為に、クライオスタットが小形化され
、侵入熱が大幅に低減されると共に、使用冷媒量、使用
超電導線量が節約できる。また、磁気シールドは最外周
部に設置され、超電導電磁石から遠く離される為、従来
の回転電機小形構成を採る方式に比して磁気シールド内
の磁束を低く設計でき、磁気シールドの厚さ低減、重量
低減に効果が犬である１、そしてクライオスタットの外
筒の外周と内筒の外周にそれぞれ′電磁シールドを設け
たから、それらの電磁シールドは薄肉であっても界磁巻
線を外部磁界の変動に対して二重に保護したことになり
、小形化を達成しながら信頼性を格段に向上する。また
磁気シールドと超電導電磁石とは互いに静止しているた
め、磁気シールドを設ける場合、ブロック構造で安価に
することが出来る。従って、小形軽量高効率で信頼性の
旨い回転電機子形超電導回転電機を提供することができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の回転電機子形超電導回転電機の一実施
例を示す縦断面図、第２図は第１図の超電導電磁石部を
示す拡大縦断面図である。１・・・基礎　２・・・固定装置８・・・中心軸　４・・・超電導電磁石５・・・フライ
オスタラ）　５ａ・・・外筒５ｂ・・・内筒　６・・・
界磁巻線１２・・・回転電機子　１３・・・電機子巻線１４・・
・内側軸受　１５・・・外側軸受１８・・・磁気シール
ド　１９・・・ダンパーシールド２０　、２１・・・電
磁シールド代理人　弁理士　井　上　−男第　１　図

Claims

【特許請求の範囲】

中心軸側に固定した超電導電磁石と、その超電導電磁石
の外周側に回転する電機４巻線と、その電機子巻線の外
周側に静止したダンパーシールド及び磁気シールドとを
備え、超電導電磁石を収納する円筒形クライオスタット
の外筒の外周の常温部と、内筒の外周の極低１Ｍ部に、
それぞれ良電導性体から成る円筒状あるいはかご形状の
電磁シールドを設けたことを特許とする回転電機手形超
電導回転電機。