JPS6114749B2

JPS6114749B2 -

Info

Publication number: JPS6114749B2
Application number: JP54077905A
Authority: JP
Inventors: Takao Okada; Akizo Nitsuta; Mitsuhiro Kawamura; Susumu Matsumura
Original assignee: Kansai Denryoku KK
Current assignee: Kansai Electric Power Co Inc
Priority date: 1979-06-19
Filing date: 1979-06-19
Publication date: 1986-04-21
Also published as: JPS561764A

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同期機に関し、特に、界磁巻
線から生じた磁束が電機子巻線に鎖交するときの
磁束密度を増加するようにしたような超電導同期
機に関する。

従来の技術一般に、同期機としては、同期発電機や同期電
動機や同期調相機などが知られている。このよう
な同期機の一例の同期発電機であつて、界磁巻線
を超電導化した同期発電機は、高出力、軽量など
の特徴を有するため、国内外で試験機が製作さ
れ、実用化への研究が進められている。

ところで、周知のように同期発電機には、回転
子を電機子とする回転電機子型と、回転子を界磁
とする回転界磁型の２種類があるが、高出力高電
圧を得られる点で、回転界磁型のものが実用的に
優れている。

第１図はこの発明の背景となりかつこの発明が
適用される超電導同期発電機の断面図であり、特
に回転界磁型の回転子の詳細な構造断面図を示
す。第１図において、この発明の背景となる超電
導同期発電機１００は固定子１１０と回転子１２
０とを含んで構成される。具体的には、固定子１
１０には、電機子巻線１１２が巻回される。そし
て、電機子巻線１１２を覆うように、磁束の漏れ
を防止するための外部シールド１１１が設けられ
る。回転子１２０は、断熱真空の中空部１２２を
含むようにドラム状に形成され、その両側軸部１
２３が軸受部１２４で軸支される。この回転子１
２０のドラム状長手方向中央部には、複数極の電
機子巻線１２１が巻回され、この電機子巻線１２
１は好ましくは含浸して強個に固められる。

回転子１２０の中空部１２２には、冷却ガス注
入管１２５が形成される。この注入管１２５の注
入口１２６から冷却媒体の一例の液体ヘリウムが
注入される。注入口１２６および注入管１２５を
通つて注入された液体ヘリウムが熱交換器１２７
および低温ダンパ１２８を通つて排出管１２９へ
導かれ、該排出管１２９を通つて排出口１３１か
ら排出される。このヘリウム注入口１２６および
排出口１３１と中空部１２２の真空部とを離隔す
るために、磁性流体シール１３２が注入口１２
６、排出口１３１に関連して形成される。回転子
１２０の一方側端には、励磁用スリツプリング１
３３が形成され、該励磁用スリツプリング１３３
と電機子巻線１２１とがリード線１３４を介して
接続されるが、このリード線１３４は好ましくは
冷却ガス排出管１２９内に挿通される。

前述のような電機子巻線１２１を超電導化した
超電導同期発電機は、界磁抵抗損が少なくなり、
起磁力は飛躍的に増大できるという特徴を有して
いる。したがつて、界磁付近の磁束密度は従来の
同期発電機と比べて非常に高いが、電機子付近の
磁束密度はそれほど高くなく、従来機あるいは
Airgap windingと称される同期発電機と同じく
らいである。

ところで、同期発電機は、電機子付近の磁束密
度によつて高圧の出力電圧が得られるため、通常
の同期発電機の場合は、たとえば磁性材料からな
る鉄心の形状を変形したものを用いて、磁気回路
を工夫することにより、電機子の磁束密度を高め
ている。

発明が解決しようとする問題点ところが、同期発電機において、鉄心の中に電
機子巻線を巻回すると、鉄心が飽和してしまい、
磁束密度を上げるにも限界がある。そこで、超電
導同期発電機では、電機子巻線１１２を鉄心に巻
回することなく、第１図に示すように、電機子巻
線１１２を外部シールド１１１と低温ダンパ１２
８との間に配置し、磁束を空気中にして磁束密度
を高めている。しかし、このようにしても磁束密
度を上げるにも限界がある。これは、界磁巻線１
２１から生じる磁束は、そのすべてが電機子巻線
１１２と鎖交することはなく、電機子巻線１１２
に鎖交する有効磁束のほかに、電機子巻線１１２
と鎖交しない無効磁束が存在するからである。こ
の無効磁束を電機子巻線１１２に有効に鎖交させ
ることができるならば、電機子巻線１１２の磁束
密度を高めることができるであろう。

それゆえに、この発明の主たる目的は、電機子
巻線に鎖交する磁束の磁束密度を高めることので
きるような超電導同期機を提供することである。

問題点を解決するための手段この発明のかかる同期機は、界磁巻線の電機子
に対面する部分を覆うように超電導部材を形成す
ることにより、電機子付近の磁束密度を高めるよ
うにしたものである。

作用この発明にかかる超電導同期機は、界磁巻線か
ら生じた漏れ磁束が超電導部材による完全反磁性
効果により、超電導部材を避けて外側を通るよう
になり、界磁巻線間の磁束分布が密になる。それ
によつて、電機子巻線と鎖交する磁束が増加し、
電機子巻線の磁束密度を高めることができる。

実施例第２図はこの発明の一実施例の超電導同期発電
機の断面を図解的に示した図であり、特に、第２
図ａは超電導同期発電機の軸方向に直交して切断
した状態を示す図であり、第２図ｂは軸方向に沿
つて切断した状態を簡略的に示した図である。第
３図はこの発明の特徴となる界磁部分を図解的に
示した図であり、特に回転界磁型の場合を示す。

次に、第２図および第３図を参照して、この発
明の具体的な構成を説明する。回転子（図示せ
ず）には、界磁巻線２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２
２ｄが巻回される。これらの界磁巻線２２ａない
し２２ｄの巻回方法は、周知のレーストラツク型
あるいはくら型に巻回され、たとえば磁極が４極
であれば、第２図ａに示す向きに電流が流れるよ
うに巻回される。それによつて、各界磁巻線２２
ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄに、第２図ａに示す
向きに電流が流れると、点線で示す向きに磁束が
生じる。

このようにして界磁巻線２２ａないし２２ｄが
設けられた回転子２２０は、第２図ｂに示した固
定子２１０の内周に回転自在に設けられる。固定
子２１０は、磁性材料（たとえば鉄）からなる外
部シールド２１１の内周の中心方向に突出して設
けられた電機子巻線２１２を含み、この電機子巻
線２１２の回転子側の内周面に電磁シールド層２
１３が設けられる。この電磁シールド層２１３
は、短絡故障時などにおける交流磁界をしやへい
する作用を有する。

超電導同期発電機の界磁巻線２２ａないし２２
ｄの電機子巻線に対面する部分には、この発明の
特徴となる超電導部材２２２が形成される。すな
わち、たとえば超電導材料を粉状体にしたものを
蒸着することにより、界磁巻線２２ａないし２２
ｄの外周表面に超電導層を形成する。ここで、超
電導材料とは、従来周知のものであつて、たとえ
ばNb，Nb−Tiなどである。なお、超電導材料の
粉状体を蒸着することによつて、板状にしたとき
に十分な強度が得らない場合は、補強材の一例と
して、エポキシ樹脂あるいはグラスフアイバなど
を界磁巻線２２ａないし２２ｄに形成しておき、
その上に超電導材料の粉状体を蒸着すればよい。

また、他の方法として、界磁巻線２２ａないし
２２ｄの外周表面上に、粉状の超電導材料を吹付
けなどによつて付着し、所望の厚さとなるまで付
層を形成する。また、さらに他の方法として、界
磁巻線２２ａないし２２ｄの外周面に対応する形
状の超電導板を接着などによつて固着して形成し
てもよい。

なお、界磁巻線２２ａないし２２ｄの電機子巻
線２１２側に対向する面の全面ではなく、面の一
部にのみ超電導部材２２２を形成してよい。

ところで、超電導材料を超電導化すると、電気
抵抗がＯになると性質および反磁性となる性質が
ある。この発明では、反磁性の性質を利用しした
ものである。すなわち、超電導材料のように超電
導状態にある物質に外部から磁界を加えても、そ
の磁力線は超電導材料を避けて通り、超電導材料
を避けた磁力線が密になるとともに、超電導材料
の内部の磁束が０となる。このことは、超電導の
完全反磁性効果と呼ばれる。

上述のごとく、超電導の完全反磁性効果によ
り、界磁巻線２２ａないし２２ｄの電機子巻線２
１２に対面する側に超電導部材２２２を配置する
と、超電導部材２２２を避けて通る磁力線の多く
は、界磁巻線２２ａないし２２ｄのうち隣接する
ものの間を通過する。すなわち、各界磁巻線２２
ａないし２２ｄのそれぞれの間は空気であり、透
磁率が１であるため、磁束が集中し、磁束分布が
密となる。これに対して、界磁巻線２２ａないし
２２ｄの電機子巻線２１２に対向する面では、超
電導部材２２２を配置しているるため、完全反磁
性効果により透磁率μがほぼ０となり、磁束分布
が粗になる。このように、超電導部材２２２に配
置したことによつて、各界磁巻線２２ａないし２
２ｄのそれぞれの間における磁束分布が密になる
ため、磁束分布が密になつた部分と対向するよう
に電機子巻線２１２を配置すれば、電機子巻線２
１２に鎖交する磁束密度が増加することになる。

次に、前述のごとく構成された超電導期発電機
の特徴について検討する。

第４図はこの発明の超電導同期発電機の特性を
説明するための図であり、特に、第４図ａはこの
発明の超電導同期発電機の断面図（軸方向に直交
して切断した部分の1/4の断面図）であり、第４
図ｂは電機子上の磁束密度と角度をの関係を示す
特性図である。

第４図ａにおいて、Ｘ方向軸を０度とし、かつ
たとえば１つの界磁巻線２２ａの中心が45度の位
置にあると仮定すれば、０度から45度までの磁束
密度を変位角θの変化とともに示すと、第４図ｂ
に示すようになる。第４図ｂにおいて、界磁巻線
２２ｄの電機子巻線２１２側の全面に超電導部材
２２２を形成した状態の磁束密度を実線で示し、
界磁巻線２２ａの電機子巻線２１２側の面の一部
に超電導部材２２２を形成した状態の磁束密度を
１点鎖線で示し、超電導部材２２２を形成しない
場合の磁束密度を点線で示した第４図ａ，ｂから
明らかなように、０度から22.5度、すなわち界磁
巻線２２ａないし空間部分においては、前述のご
とく磁束分布が密になるため、界磁巻線２２ａか
ら電機子巻線２１２へ鎖交して与えらる磁束密度
が、超電導部材２２２を形成しない場合に比べ
て、大幅に増大する。

一方、θ＝45゜の場合、すなわち界磁巻線２２
ａの中心と電機子巻線２１２の中心とが対向する
場合には、超電導部材２２２を設けた場合と設け
ない場合とで、磁束密度はほとんど差がない。こ
れは、超電導部材２２２を界磁巻線２２ａに対向
して設けても、θ＝45゜の部分では磁束分布が粗
になり、超電導部材２２２を設けない場合と同様
に、電機子巻線２１２に鎖交する磁束密度が小さ
くなるからである。

第５Ａ図ないし第５Ｄ図は、この発明によつて
電機子上の磁束密度が増加されたことを明確にす
るために、計算によつて磁束密度分布状態を算出
して作図した特性図であり、特に第５Ａ図は界磁
巻線の外周面に超電導部材を形成しない場合の磁
束密度分布状態を示し、第５Ｂ図は界磁巻線の外
周面上における面の一部（図示では中央部分であ
つて、少なくとも界磁巻線の電機子巻線に対向す
る面の半分以上を覆つている）に超電導部材を形
成した場合の磁束密度変化（この場合の特性は第
４図ｂの一点鎖線に相当する）を示し、第５Ｃ図
は界磁巻線の外周全面に超電導部材を作成した場
合の磁束分布状態を示し、第５Ｄ図は超電導部材
の形状を界磁巻線の円弧部分中央部に沿つて形成
しかつ側面部分の超電導部材を電機子側に曲って
形成した場合を示す。

第５Ａ図に示すように、超電導部材２２２を設
けることなく、界磁巻線２２ａに電流を流し、界
磁電流密度を0.716A／cm²に選び、界磁巻線２２
ａと隣接する界磁巻線との間の空間に対面するよ
うに電機子巻線２１２を配置すると、電機子巻線
２１２の中央部分における磁束密度は0.533×
10^-4（Ｔ）となつた。

一方、第５Ｂ図に示すように、超電導部材２２
２の幅を103mmに選んで、界磁巻線２２１の外周
上における一部分に超電導部材２２２を形成した
場合には、電機子巻線２１２の中央部分における
磁束密度は0.651×10^-4（Ｔ）になつた。この磁
束密度は第５Ａ図で説明した磁束密度を１とすれ
ば、その比は1.22となつた。

さらに、第５Ｃ図に示すように、界磁巻線２２
１の外周全面に超電導部材２２２を作成した場合
には、電機子巻線２１２の中央部分における磁束
密度は0.779×10^-4（Ｔ）となり、第５Ａ図に比
べてその比は1.46となつた。

さらに、第５Ｄ図に示すように、超電導部材２
２２の形状を、界磁巻線２２１の円弧部分の両側
端部を外側に約45度曲げれば、電機子巻線２１２
の中央部分における磁束密度は0.918×10^-4
（Ｔ）となり、第５Ａ図に比べてその比は1.72と
なつた。

この対比から明らかなように、第５Ａ図に示す
ように、超電導部材２２２を設けない場合には、
界磁巻線２２ａから生じる磁力線はほぼ一様に分
布し、電機子巻線２１２に鎖交しない磁束も生じ
るため、超電導部材２２２を設けた場合に比べて
電機子巻線２１２に鎖交する磁束密度が小さくな
る。

これに対して、第５Ｂ図ないし第５Ｄ図に示す
ように、超電導部材２２２を設けると、この超電
導部材２２２によつて、第５Ａ図における電機子
巻線２１２に鎖交しない磁束も界磁巻線２２ａと
隣接する界磁巻線との間の空間部に押しやられて
しまい、空間部における磁束分布が密になるた
め、電機子巻線２１２に鎖交する磁束密度を高め
ることができる。しかも、第５Ｂ図に示すよう
に、界磁巻線２２ａの一部分に超電導部材２２２
を形成した場合に比べて、第５Ｃ図に示すように
界磁巻線２２ａの外周全面に超電導部材２２２を
形成すると、界磁巻線２２ａと隣接する界磁巻線
間の空間部における磁束分布がさらに密になり、
超電導部材２２２を第５Ｄ図に示すような形状に
形成すれば、さらに磁束分布を密にでき、電機子
巻線２１２に鎖交する磁束密度を高めることがで
きる。

なお、上述の説明では、界磁巻線２２ａないし
２２ｄが回転子に設けられた、いわゆる回転界磁
型の同期発電機について説明したが、界磁巻線２
２ａないし２２ｄを固定子側に形成したいわゆる
回転電機子型であつてもこの発明を適用できるこ
とは言うまでもない。

また、上述の説明では、超電導同期機の一例と
して、同期発電機にこの発明を適用した場合につ
いて説明したが、これに限ることなく、同期電動
機や同期機にもその発明を適用できることはもち
ろんである。

発明の効果以上のようにこの発明によれば、超電導同期機
の界磁巻線の電機子に対向する面に超電導部材を
形成することによつて、従来の超電導同期機にお
いて界磁巻線から生じていた漏れ磁束を有効に電
機子巻線に鎖交できるので電機子巻線における磁
束密度を大幅に増加できる。このように、磁束密
度を増加できれば、界磁巻線を最小にして同等の
磁束密度を得ることができる。また、同じ形状お
よび構造の同期発電機の界磁巻線に超電導部材を
形成すれば、電機子巻線に鎖交する有効な界磁磁
束を増加できるため、高電圧出力が得られる。ま
た、同じ磁束を得るためには、第１図に示したも
のに比べて、界磁巻線数を少なくすることができ
るため、界磁を小形化でき、したがつて発電機の
外形を小形化できる利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の背景となりかつこの発明が
適用される超電導同期発電機の断面図を示す。第
２図および第３図はこの発明の一実施例を超電導
同期発電機の図解図である。第４図はこの発明の
一実施例の超電導同期発電機の特性を説明するた
めの図解図である。第５Ａ図ないし第５Ｄ図はこ
の発明の効果を説明するために、シミユレーシヨ
ン計算に基づいて、磁束密度の関係を作図した図
である。図において、２１０は固定子、２１１は外部シ
ールド、２１２は電機子巻線、２２０は回転子、
２２ａないし２２ｄは界磁巻線、２２２は超電導
部材を示す。

Claims

【特許請求の範囲】１電機子巻線を巻回してなる電機子と、界磁巻
線を巻回してなる界磁とを含む超電導同期機にお
いて、前記界磁巻線の前記電機子に対面する部分を覆
うように超電導部材を形成し、前記界磁巻線間における磁束分布を密にして、
電機子に鎖交する磁束密度を増加するようにした
ことを特徴とする、超電導同期機。２前記超電導部材は、粉末状の超電導部材料を
前記界磁巻線の面に付着して形成される、特許請
求の範囲第１項記載の超電導同期機。３前記超電導部材は、超電導材料からなる超電
導板を前記界磁巻線の面に固着して形成される、
特許請求の範囲第１項記載の超電導同期機。