JPS6056060B2 - 超電導回転電機 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、超電導回転電機、特に、超電導同期電動機
又は発電機に用いられるダンパーシールドに関するもの
てある。

［従来の技術］ 従来の超電導回転電機の超電導直流界磁巻線は、回転子
に固定され同心状に配置された放熱シールド及びダンパ
ーシールドの双方に包囲されている。

これらの回転シールド部材は、真空中で４．２’に（−
２６８．８０Ｃ）の極低温に界磁巻線を維持する断熱装
置の一部を成すように結合されており、回転電機の効率
及ひ性能を著しく高くするものである。半径方向部材及
ひ軸方向部材を含む放熱シールドは、超電導回転電機の
温熱部と冷熱部との間に位置していて、周囲温度て動作
する固定子及び他の支持構造から回転子内の低温部材へ
の直接の熱輻射を吸収するものである。ダンパーシール
’ドは放熱シールドと同心状で且つその外側に取り付け
られ、通常、室温、あるいは、それに近い温度に保たれ
る。このダンパーシールドは、回転電機の定常状態およ
び故障状態において望ましくない損失を最小にするため
、１固定子て発生し４．２゜Ｋの低温領域を貫通してい
る交番磁界から界磁巻線を遮蔽すること、及ひ２回転子
を加減速するときに回転電機の負荷が変動した場合、回
転子が揺動するときに回転子に復原トルクを与えること
と、の二つの機能を果たす。この超電導回転電機中に液
体ヘリウムを循環させることによつて上記の損失を除去
する費用は比較的高くつくのて、タンパーシールドは保
護遮蔽機能を備えるために高導電率の材料からできてい
る。［発明が解決しようとする問題点］ 超電導三相機器の端子間が短絡した場合には、ダンパー
シールドは、電機子磁束とこれによつてダンパーシール
ドに誘導される電流によつて発生するシールド磁吏との
相互作用から生する半径方向の破砕（圧縮）力を受ける
ことがある。

タンパーシールドに作用するこの破砕力は第１図に示さ
れており、これは、完全な三相短絡によつて生ずる力を
示すものである。これらの力Ｐ１及びＰ２は、回転子の
周囲に分布した力てあることがわかるが、簡略化のため
集中した力として示されている。第１図に示すように、
力Ｐ１は回転子表面に対して一定位置のままであるが、
力Ｐ２は回転子の周囲を同期速度の二倍の速さで移動す
る。破砕力Ｐ１及ひＰ２が合成されると約３５１ｋ９ｋ
ｄ（５０００ｐＳ１）にまで達する半径方向の力となり
、グンパーシールド及びその支持構造を変形させ、支持
構造及び円筒構造双方に曲げ応力を生じさせる。構造的
な変形によつてもたらされる最も大きな欠点は、そのゆ
がみによつて放熱シールドと界磁巻線とが接触してしま
うことであり、このことにより熱損を招．き、ひいては
超電導の損失に至る。このような超電導の損失は発電機
を、効率及ひ性能の両面から役に立たなくさせる。また
、支持構造におけるこの大きな応力は、塑性変形を引き
起こし、完全な構造的破損を招き、その結果、超電導回
転電機を．破壊してしまうことがある。上述した半径方
向の力Ｐ１及びＰ２に加えて、短絡故障による大きな減
磁束によりトルクＴもダンパーシールドにおいてその回
転方向εと反対に反作用トルクとして発生する。

超電導回転電機の安定・性によつては、発生するそのよ
うなトルクのピーク値は回転電機の定格トルクの１０倍
にもなり得る。ダンパーシールドに加わるこれらの復原
トルク値は大きなものとなるので、より強くて、より重
い回転電機駆動軸が故障状態における損傷を防ぐために
必要となる。従つて、この発明の目的は、超電導回転電
機に発生した破砕力に対して均等な圧力配分を与えるダ
ンパーシールドを得ることである。

この発明の更に別の目的は、超電導回転電機がその端子
て短絡事故を起こしたとき、その回転電機の駆動軸に掛
かる反作用トルクを除去てきるタンパーシールドを得る
ことである。

Ｊ［問題点を解決するための手段］ 上記の目的を達成するため、この発明にかかる超電導回
転電機は、回転子２４が、超電導直流界磁巻線３８を完
全に囲む円筒部材５０、この円筒部材５０の外側にあつ
て軸方向部材及ひ半径方向部材から成り超電導直流界磁
巻線３８の外部からの熱輻射を吸収する円筒状の放熱シ
ールド部材５６，５８、及びこの放熱シールド部材５６
，５８の外側にあつて導電性液体を内部に移動自在に封
入した円筒状のダンパーシールド部材４８、で構成され
ていることを特徴としている。

このダンパーシールドは、好ましくは一対の同心状円筒
部材６４，６６から成り、該一対の円筒部材間の距離を
定める間隔支持体６８によつて、互いに間隔を置いて保
たれ、その一対の円筒部材６４，６６間に形成される環
状空間７０内には液体金属が充填されている。

［作用］ 導電性液体金属を内部に移動自在に封入したこのダンパ
ーシールド部材では、その液体金属は界磁巻線とともに
回転し同期速度に達する。

この速度で、回転シールド機能が導電性液体金属によつ
て果たされ、この液体金属においては定常状態及び故障
状態の双方において電流が発生する。この電流の界磁束
に対する反作用により、液体金属に圧力勾配が生じ、こ
の圧力勾配は液体金属を円周方向に移動させ、その圧力
を均等にさせる。また、この圧力は円周方向体積力を発
生させ、この円周方向体積力は液体金属に円周方向の揺
動を生じさせる。［実施例］ この発明に係る超電導回転電機の実施例を第２図乃至第
４図について説明する。

第２図にこの発明の一実施例に係る超電導同期発電機が
示されている。

この超電導同期発電機は、固定子２２及びその中に軸方
向に配置された回転子２４を支持する枠体２０を備えて
いる。固定子２２は端環３０によつて押圧されて支持さ
れた積層鉄心２８を封入する環状支持体２６を備えてい
る。固定子２２のスロットに公知の如く配置した電機子
巻線３２が、端子（図示せず）に接続できるようにして
ある。固定子２２と同心状に配置された回転子２４は、
駆動軸３４と、機械力を回転子２４に伝達する入力結合
器３５とを備えている。

駆動軸３４は枠体２０の材向両端の軸受３６に取り付け
られている。軸の周囲表面に配置した超電導直流界磁巻
線（以下、単に界磁巻線という）３８は回転子表面に直
接固定されている。第３図において、回転子２４の対向
両側に配置された軸部分４０は、基板に支持された軸受
３６内て回転し、その終端はこの軸部分４０と一体のフ
ランジ４２である。

これらのフランジ４２は回転子２４の本体の端部４４に
ボルト４６によつてねじ締め、あるいは他の適当な方法
により固定されている。固定子端４４が、円筒状のダン
パーシールド４８に固定されて断熱容器の壁を構成し、
固定子２２内で回転する外周面を形成している。このよ
うに構成された円筒部材、即ち回転子構造内の全領域は
約１０−５トルの真空中て動作するように設計されてい
る。ダンパーシールド４８から内側半径方向に離れたト
ルクチューブ５０は、回転子２４の左側の壁４４から内
部に向かつて軸方向に延びて空間５１を形成している。
このトルクチューブ５０は、その他方の端に支持部材５
２を有しており、この支持部材５２は界磁支持構造板５
４によつて回転子２４の内側部分に固定されている。ト
ルクチューブ５０により形成された別の空間５５には、
界磁巻線３８が封入されている。上述したように、半径
方向及び軸方向の放熱シールド５６及び５８が界磁巻線
３８の周囲に配置され、この遮蔽構造は回転子の半径方
向に間隔を置いて配置された放熱シールド支持スポーク
５９によつて支持されている。軸表面に公知の如く取り
付けられたスリップリング６０は、導線６２を介して界
磁巻線３８に電力を供給して超電導同期発電機の運転に
必要な励磁を与える。第４図は、放熱シールド５８から
半径方向外側に位置したダンパーシールド４８であつて
、互いに同心状に配置され、多数の埋め柱即ち間隔支持
体６８によつて分離された一対の内側及び外側円筒殼６
４及び６６を備えたダンパーシールド４８を示している
。

これらの円筒殻６４及び６６によつて作られる環状空間
７０には、超電導発電機の運転中、液体金属に作用する
遠心力及び電磁力の両方に応答して循環する液体金属が
封入されている。液体金属が完全に自由に循環できるこ
とが重要なので、埋め柱６８はブロックのような形状で
あつて、内側円筒殼６４及び外側円筒殼６６の軸方向あ
るいは円周方向のいずれの方向にも長くのびるものでは
ない。第２図に示す如く、界磁巻線３８は第２図の右側
に概括的に示されているヘリウム移送系統によつて冷却
される。

回転子内の冷却剤の流路については多くの様々な構成を
用いることができるが公知の一例を挙げれば、ヘリウム
を、入口７２及び、ポンプ、弁等（図示せず）を含む付
属のヘリウム移送装置を通して、回転子２４上に位置し
た界磁巻線３８に供給するものがある。超電導発電機に
発生した熱をヘリウムが吸収した後、ヘリウムは周知の
如く系統内を再循環させるために移送装置に戻される。
超電導界磁巻線として適した導体の一つは、銅母材中に
より合わせた細い、繊維状のニオブチタン導体である。

この種の導体は、超電導発電機に発生する変化の急激な
交番磁界を受けたときにも、低渦電流損及び低ヒステリ
シス損を示す。界磁巻線を含むこれらの導体は、ヘリウ
ム放出口（図示せず）を介して供給源に戻るまではヘリ
ウムが軸方向に流れるように回転子に取り付けられてい
る。または、界磁巻線表面で沸騰が生じるとき、その熱
が蒸発の潜熱によつて放散されるように、大気圧付近で
動作する液体ヘリウムの浴槽に界磁巻線を浸してもよい
。特殊な冷却装置を用いるにも拘わらず、界磁巻線には
、固定部材及び回転部材から成る移送系統を介して、液
体冷却剤を供給しなければならない。また、スリップリ
ング６０及び界磁巻線３８を相互接続する導線６２は、
支持管から絶縁され、かつヘリウム排出気体によつて冷
却される多繊維状導体から成つている。上述したように
、軸方向および半径方向の放熱シールド５６および５８
は、その周囲の構造から被冷却部材及び低温系統への直
接の熱輻射を吸収するものである。

これらの放熱シールド５６及び５８は、排出ヘリウムに
よつてある最適な温度、通常、２０′Ｋと１００′Ｋと
の間に冷却される。ダンパーシールド４８は、定常状態
及び故障状態において、１固定子巻線からの高調波及び
逆相磁界により発生した交番磁界から界磁巻線３８を遮
蔽すること、及び２負荷系統の変動により回転子２４が
揺動するときに回転子２４に復原トルクを与えること、
の両機能を果たす。銅及びアルミニウムは低温で高導電
性を示すから、これらをダンパーシールド４８に用いれ
ば、非常に薄いシールドが得られ、損失は僅かなものと
なる。回転子２４は同期速度あるいはそれ以上の速度に
加速されるにつれ、環状空間７０を形成する円筒殼６４
及び６６に粘着している液体金属が同期速度に達する。

この速度は定常状態速度を意味するので、液体金属に発
生した電流は、位相不平衡及ひ高調波に由来して固定子
２２に発生する交番磁束から界磁巻線３８を遮蔽する。
端子の短絡等、更に重大な故障が生じた場合には、ダン
パーシールド４８は、電機子磁束とダンパーシールド４
８に誘起された電流によつて発生するシールド磁束との
相互作用による半径方向の破砕力を受けるのが普通であ
る。

しかしながら、液体金属のダンパーシールド４８におけ
る相当する半径方向破砕力は液体金属の流体粒子を移動
させることになる。従つて、電機子磁束と、これによつ
て液体金属に誘導される電流によつて発生されるシール
ド磁束とが相互作用を呈するとき、その電流は界磁巻線
３８から電機子の大きな減磁磁束を遮蔽する作用を果た
す。液体金属における電流は界磁束に反発し、液体金属
に圧力勾配を発生させ、液体金属を環状空間７０の円周
方向に実際に移動させることになる。電磁力が半径方向
に加わると、普通なら液体金属の圧力が増加するのであ
るが、液体金属は自由に動けるので、圧力勾配は維持さ
れす、液体金属を入れた環状空間７０内の圧力を均等に
する流れが生じる。従来から用いられている種類の金属
性のダンパーシールドに復原トルクを印加した円周方向
体積力により、液体金属は環状空間７０内を円周方向に
揺動して流される。内側円筒殻６４と外側円筒殼６６と
の間に設けた埋め柱６８は環状空間７０を一体に保つた
めの十分な支持構造をもたらしている。

環状空間７０内に圧力が生じ、あるいは発達するにつれ
、その圧力は内側円筒殻６４を押圧し、外側円筒殻６６
を広けようとする。この半径方向支持構造板５４は、内
側円筒殻６４と外側円筒殼６６が分離しようとするとき
引張応力を発生することにより、環状空間７０内の圧力
上昇を相殺する。液体金属は、一般に、圧力及ひ剪断力
によつて力を伝達できるたけであり、また、大きな圧力
勾配を環状空間７０内に保つことはできないから、内側
円筒６４及ひ外側円筒６６に掛かる力はそれぞれ外圧及
び内圧となり、従つて従来の金属性ダンパーシールドに
付随した曲げ応力を除去することができる。

また、円周方向体積力は粘性力によつてのみ剪断力を伝
達することができるのて、反作用トルクは大きく減少さ
れる。環状空間７０内の液体金属としては、水銀、カリ
ウム、インジウム、ウッド合金、ナトリウム、カリウム
、若しくはこれらの金属の合金等を用いることができる
。

もし導電性が充分に高くない場合には、金属粒子を添加
してもよい。［発明の効果］ 以上のように、この発明によれば、超電導回転電機にお
いて導電性液体金属を内部に移動自在に封入したこのダ
ンパーシールド部材を用いたので、定常状態及び故障状
態の双方において電流が発生し、この電流の界磁束に対
する反作用により、液体金属に圧力勾配が生じ、この圧
力勾配は液体金属を円周方向に移動させ、その圧力を均
等にさせる。

また、この圧力は円周方向体積力を発生させ、この円周
方向体積力は液体金属に円周方向の揺動を生じさせる。
この結果、ダンパーシールドに均等な圧力分配を与える
ことができ、短絡事故時においても反作用トルクを除去
てきる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は力の分布を示す超電導回転電機のダンパーシー
ルドの概略断面図、第２図はこの発明に係る超電導回転
電機の部分断面図、第３図は第２図の超電導回転電機に
用いられる回転子の部分断面図、第４図は第３図の線■
−■て切つた断面図である。 ２０は枠体、２２は固定子、２４は回転子、３８は超電
導直流界磁巻線、４８はダンパーシールド、５０はトル
クチューブ、５６及び５８は放熱シールド、６４は内側
円筒殻、６６は外側円筒殼、６８は埋め柱、及び７０は
環状空間、てある。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 巻線３２を有する固定子２２と、該固定子２２内で
   回転するように配置され超電導直流界磁巻線３８を保持
   する回転子２４と、を含む超電導回転電機であつて、前
   記回転子２４が、前記超電導直流界磁巻線３８を完全に
   囲む円筒部材５０、前記円筒部材５０の外側にあつて軸
   方向部材及び半径方向部材から成り前記超電導直流界磁
   巻線３８の外部からの熱輻射を吸収する円筒状の放熱シ
   ールド部材５６，５８、及び前記放熱シールド部材５６
   ，５８の外側にあつて導電性液体を内部に移動自在に封
   入した円筒状のダンパーシールド部材４８、を備えてい
   ることを特徴とした超電導回転電機。 ２ 前記ダンパーシールドは、一対の同心状円筒部材６
   ４，６６から成り、該一対の円筒部材間の距離を定める
   間隔支持体６８によつて、互いに間隔を置いて保たれ、
   前記一対の円筒部材６４，６６間に形成される環状空間
   ７０内には前記導電性液体が充填されている特許請求の
   範囲第１項に記載の超電導回転電機。 ３ 前記導電性液体が、液体金属である特許請求の範囲
   第１項又は第２項に記載の超電導回転電機。