JPS6135787B2

JPS6135787B2 -

Info

Publication number: JPS6135787B2
Application number: JP52104846A
Authority: JP
Inventors: Shigenobu Mori; Isao Masaoka
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1977-09-02
Filing date: 1977-09-02
Publication date: 1986-08-14
Also published as: JPS5438792A

Description

【発明の詳細な説明】

〔発明の利用分野〕本発明は超電導発電機のダンパシールド及びそ
の製造方法に係り、特に、回転界磁型大容量超電
導発電機のダンパシールドとして用いるに好適
な、高強度の超電導発電機のダンパシールド及び
その製造方法に関する。〔発明の背景〕ダンパシールドが用いられている回転界磁型超
電導発電機の構成を第１図及び第２図に示す。図
において、１０は両端において駆動軸１２及び給
排軸１４に支えられた同芯状の多重中空円筒構造
を有する超電導回転子、１６は、該超電導回転子
１０の外周を包囲するように前記超電導回転子１
０と同芯状に配設された電機子巻線（第１図では
図示せず）、１８は、該電機子巻線１６の外周を
包囲する外部シールド（第１図では図示せず）で
ある。前記超電導回転子１０は、駆動軸１２及び給排
軸１４に支えられた同芯状の中空円筒、即ち外側
から、ダンパシールド２０、輻射熱及び低周波電
磁波をシールドする電熱シールド２２、液体ヘリ
ウム導入管２４により内側に導入される液体ヘリ
ウムにより冷却される超電導界磁巻線容器２６、
該超電導界磁巻線容器２６内に埋込まれた超電導
界磁巻線２８、前記駆動軸１２により伝達される
回転力を前記超電導界磁巻線容器２６に伝達する
トルクチユーブ３０、液体ヘリウム導入管２４よ
り導入されたヘリウムガスが通過する冷却ダクト
３２、冷却用済み後のヘリウムガスを回転子外部
へ導出する気体ヘリウム導出管３４とから構成さ
れる。前記ダンパシールド２０と電熱シールド２
２との間及び電熱シールド２２と超電導界磁巻線
容器２６との間は真空とされている。前記ダンパシールド２０の役割は、超電導界磁
巻線２８とその支持構造物を電磁シールドすると
共に、回転子１０の振動をダンピングすることで
ある。又このダンパシールド２０は、回転子１０
の内部極低温部を熱絶縁する目的を有する。従つて、このダンパシールド２０は交流磁界の
浸透をくい止めることができる厚さを必要とする
ことはいうまでもないが、一方、機械的な面では
高速回転による遠心力と、三相短絡等の事故時に
おけるダンパシールド２０への径方向電磁力とね
じりトルクに耐え得る機械的強度を備えなければ
ならない。これらの要求を満たすためには、高導
電性を有しかつ高強度の非磁性金属で中空円筒形
状のダンパシールド２０を一体製作することが好
ましい。しかし、一般には高導電性を有する銅合金には
引張耐力の十分なものがないので、高強度の非磁
性金属よりなる中空円筒によつて、前記銅合金の
中空円筒を補強する方法が一般にとられている。
即ち、電磁シールドに必要な厚み及び機械的な電
磁力による曲げ変形量を許容寸法以内におさえる
十分な厚みを有するダンパシールド２０が必要で
あり、具体的には、ダンパシールド２０を、銅合
金円筒の内部又は外部に高強度非磁性金属円筒を
張合わせた２層構造、もしくは銅合金円筒の外部
と内部の両側に高強度非磁性金属円筒を張合せた
３層構造がとられている。従来は、このようなダンパシールド２０の構造
として、純銅製の円筒をSUS304等のオーステナ
イト系ステンレス鋼の円筒により補強する方法が
とられている。このような純銅及びステンレス鋼
からなるダンパシールドにおいては純銅とステン
レス鋼（SUS304）の常温の引張耐力が、それぞ
れ約10Kg/mm²及び約20Kg/mm²程度である。ところが
超電導発電機を大容量化するにはダンパシールド
を大型化せねばならず、ダンパシールドに加わる
遠心力及び電磁力が大になるので高強度材で作ら
ないと応力により変形し壊れてしまう。このた
め、従来の材料は強度が低いので大容量の超電導
発電機のダンパシールド材には適さない。例え
ば、容量が50MVAの超電導発電機に用いるダン
パシールドの構造を外径600mm、厚み10mmの銅合
金円筒の内部に、厚み43mmの非磁性鋼円筒を接合
した２層構造とし、ダンパシールドに作用する応
力を考えると、その応力は三相短絡事故の時に最
も厳しい。この時にはうず電流による電磁力、遠
心力、熱応力などが重複して作用する。このう
ち、電磁力による応力が大きな割合を占める。電
磁力による応力は中空円筒の断面形状を楕円状に
おしつぶすような分布をなし、その大きさは発電
機容量、ダンパシールドの直径および厚み、材料
のヤング率などの関数である。上記寸法のダンパ
シールドの場合、電磁力による応力は銅合金円筒
外周に14Kg/mm²、非磁性鋼円筒内周に24Kg/mm²作用
する。その他の遠心力および熱応力などの応力を
電磁力による応力に加えた時の合成応力は銅合金
円筒外周に21Kg/mm²、非磁性鋼円筒内周に38Kg/mm²
作用する。上記の合成応力に対して、使用される材料の
0.2％耐力は当然ながら大きな値をもつものでな
ければならない。安全率の値を1.7とすると、導
電性部材における0.2％耐力が35Kg/mm²以上、非磁
性材料における0.2％耐力が65Kg/mm²以上要求され
る。ところが従来のダンパシールドが材料でこの
ような条件を満たしたものは存在しなかつた。〔発明の目的〕本発明の目的は、大容量超電導発電機のダンパ
シールドとして用いることのできる超電導発電機
のダンパシールドおよびその製造方法を提供する
ことにある。〔発明の概要〕本願第１の発明は、超電導発電機の回転子最外
円筒を形成するダンパシールドを高導電性の析出
硬化型銅合金と、高強度の析出硬化型非磁性鋼と
を圧接して層状に複合することにより大容量超電
導発電機のダンパシールドとして用いることがで
きるようにしようというものである。本願第２の発明は、前記高強度ダンパシールド
をいずれも溶体化処理状態にある高導電性の析出
硬化型鋼合金と高強度の析出硬化型非磁性鋼を、
まず圧接して層状に複合し、次いで、非磁性鋼硬
化のための時効熱処理と銅合金硬化のための時効
熱処理を２段階に分けて順次行なうことにより、
製造したものである。析出硬化型銅合金に要求される導電率は過渡時
にダンパシールドの銅合金円筒に浸入する周波数
100ないし120Hzの交流磁束を十分シールドでき
るだけの値を有することが必要である。たとえば
銅合金円筒の厚みが10mmの場合、必要ととされる
導電率は磁束の浸透深さを材料の厚み以下に抑え
るのに十分なだけ必要である。磁束の浸透深さの
計算式はここに、δ：磁束浸透深さ、μ_０：材料の透磁
率、ρ：比抵抗、ｆ：磁束の周波数である。した
がつて磁束の浸透深さδを材料の厚みｔ以下に抑
えるのに必要な比抵抗は ρπμ₀ft² ……(2) で求められる。(2)式にμ_０＝４π×10^-7，ｆ＝
120，ｔ＝10mmの値を代入すると比抵抗ρは4.74
×10^-8Ωｍ以下となる。導電率IACS（％）に換
算すると35.9％以上である。また磁束の周波数ｆ
が100Hzの場合、導電率は43.1％以上となる。以
上の計算からダンパシールドの銅合金円筒に要求
される導電率IACS（％）は約40％以上である。したがつて析出硬化型銅合金は導電率IACS
（％）が40％以上で、強度は0.2％耐力で35Kg/mm²
以上が好ましい。また析出硬化型非磁性鋼の強度
は0.2％耐力で65Kg/mm²以上が好ましい。前記高導電性の析出硬化型銅合金に含有される
各元素の組成はダンパシールドとして用いる場合
には、下記のような範囲であることが望ましい。即ちニツケル及びコバルトのいずれか一方或る
いは両者をその和が2.0〜6.0重量％の範囲で含有
することが望ましい。ニツケルとコバルトはどち
らも、シリコンと結合してNi₅Si₂及びCo₂Siなる
金属間化合物を作る。本合金は、熱間鍛造後、
700〜1000℃で溶体化して急冷し、その後450〜
550℃で時効したとき、結晶粒内にNi₅Si₂及び
Co₂Siの粒子を析出して合金の強度を増すと共に
導電率が高められる。ニツケルとコバルトはどち
らか単独で添加しても、或るいはニツケルとコバ
ルトを共に添加しても同様の効果を得られるの
で、ニツケルとコバルトの添加量は両者の総和で
制限される。即ち、ニツケルとコバルトの和が
2.0重量％未満では導電率は高いものの低い強度
しか得られず、ダンパシールドとしての遠心力と
電磁力に耐えるためには不十分である。又、ニツ
ケルとコバルトの和が6.0重量％を越えると、強
度は高くなるが、導電率が低くなるため、交流磁
界の浸透を十分シールドできず、超電導状態が破
壊される。従つて、ニツケルとコバルトの和の範
囲としては、2.0〜6.0重量％の範囲が適切であ
る。シリコンは0.5〜2.5重量％の範囲内にあること
が望ましい。即ち、シリコンは本合金を大気溶解
する時1.0重量％未満必要である。又、前記した
ようにNi₅Si₂及びCo₂Siを形成するためには重量
％でニツケルとコバルトの総和の約1/4の量が必
要であり、この割合において最高の強度と導電率
を同時に得られる。上記元素の他に、すず、マンガン、ジルコニウ
ムの１種又は２種以上を各々0.5重量％以下添加
した場合には、本合金の熱間加工性及び溶接性を
更に改善できる。しかし、0.5重量％以上添加す
ることは導電率を低下させるので好ましくない。一方、高強度非磁性鋼については、ダンパシー
ルドに用いる場合には下記のような範囲であるこ
とが望ましい。炭素は0.1重量％以下であることが望ましい。
即ち、炭素はオーステナイト中に固溶すると共
に、炭化物を形成して硬化に寄与するが、炭素が
多過ぎると靭性を低下させるので、0.1重量％以
下が適切である。マンガンは2.0重量％以下が望ましい。即ち、
マンガンは脱酸剤として添加されるが、多過ぎて
も効果がないので、2.0重量％以下が適切であ
る。シリコンは0.5重量％以下が望ましい。シリコ
ンもやはり脱酸剤として添加されるが、多過ぎる
と溶接性を著しく害するので、0.5重量％以下が
適切である。クロムは10.0〜20.0重量％の範囲内であること
が望ましい。即ち、クロムはオーステナイトの耐
食性及び強度を高めると共に、オーステナイトを
安定にし、ダンパシールドに対して要求される常
磁性体としての特性を得るために必要なので、10
％以上添加する必要がある。しかし、20％以上添
加しても効果が少なく、又、靭性を低下させるの
で前記範囲が望ましい。ニツケルは20.0〜30.0重量％の範囲内であるこ
とが望ましい。即ち、ニツケルはクロムと同様、
オーステナイトを安定にすると共に、Ni₃Tiなる
金属間化合物を形成することにより、時効後の強
度を著しく高めるため、20.0重量％以上添加され
ることが望ましい。しかし、30.0重量％を超えて
も効果が少ないため、前記範囲が適切である。チタンは1.5〜3.0重量％の範囲内であることが
望ましい。即ち、チタンはニツケルを結合して
Ni₃Tiなる金属間化合物を形成するので重要な元
素であり、本合金を熱間鍛造後、850〜1050℃で
溶体化処理して急冷し、その後720〜780℃におい
て時効したときNi₃Tiの粒子を析出して高い効果
を示す。ダンパシールドとして要求される引張耐
力を得るためには、チタンを1.5重量％以上添加
する必要があるが、3.0重量％を越えてチタンを
添加したときには合金の鍛造性及び靭性を著しく
害し、又、ダンパシールドに対して要求される必
要な破壊靭性が満足されなくなるため、前記範囲
であることが適切である。更に、前記元素の他に、モリブデン、パナジウ
ム、アルミニウムの１種又は２種以上を各々2.0
重量％以下添加した場合は、これらの元素が炭
素、ニツケル等と化合物を形成し、オーステナイ
ト地中に析出するので、強度が高められる。しか
し、2.0重量％以上添加した場合には、靭性を低
下させる恐れがあるため前記の範囲が適切であ
る。〔発明の実施例〕以下、本発明の実施例について説明する。実施例１ニツケルを3.11重量％、シリコンを0.81重量％
含有し残部が実質的に銅である銅合金及び、ニツ
ケルを26.20重量％、シリコンを0.20重量％、マ
ンガンを1.57重量％、クロムを14.78重量％、炭
素を0.03重量％、モリブデンを1.32重量％、パナ
ジウムを0.42重量％、アルミニウムを0.35重量
％、チタンを2.31重量％含有し、残部が実質的に
鉄である非磁性鋼をそれぞれ熱間鍛造後、900℃
で溶体化処理し、その後760℃で８時間の時効
と、500℃で３時間の時効を与えたときの各構成
材の常温における0.2％耐力、引張強さ、２mmＶ
ノツチシヤルピー衝撃値、導電率、最大透磁率等
の測定値を第１表に示す。表はそれぞれの各構成材に関する特性を示すも
のであるが、これらを複合した電磁遮蔽材を、同
じく表に参考のため示した従来の純銅とSUS304

【表】を構成材とする複合材と比較すると、本発明の複
合材は、従来の複合材に比べ特に優れた機械的強
度を有し、大容量超電導発電機のダンパシールド
に要求される、電磁シールド性能、短絡事故等に
よる電磁力に対する耐力を共に十分満足すること
がわかる。実施例２本実施例の応用例として、高導電性銅合金の中
空円筒が中間にはさまれ、両側に高強度非磁性鋼
の中空円筒が配設された３層構造のダンパシール
ドを得ることも可能である。このダンパシールド
を製作する工程は、前記２層構造のダンパシール
ドを製造する工程と次の点で異なるのみであつ
て、その他の工程は同様である。即ち、第４図に
示すごとく、爆発圧着の工程において、高導電性
銅合金板材４０を高強度非磁性鋼板材４２に爆発
圧着した後、高導電性銅合金の表面加工を行な
い、該高導電性銅合金の層の上に、更に他の高強
度非磁性鋼板材４２の爆発圧着して、圧着３層金
層板５２を得るようにしたものである。圧着３層
金属板５２は次いで機械的加工によつて円筒状に
形成される。他の点については前記２層構造のダ
ンパシールドの製造工程と同様であるので説明は
省略する。銅合金の厚さと非磁性鋼の厚さとの比
率は１対２である。本実施例によれば、第５図に示すように、銅合
金の中空円筒５３が２組の非磁性鋼の中空円筒５
４および５４′によつて内外からサンドイツチ状
にはさまれるのでダンパシールドは３層構造とな
る。電磁力の作用により、ダンパシールドに生ずる
曲げ応力の大きさは、前実施例で示した２層構造
のダンパシールドの場合、第６図に示すような分
布となり、銅合金中空円筒５３にも大きな曲げ応
力が作用する。しかし本実施例のように３層構造
とすると、電磁力の作用により、ダンパシールド
に生ずる曲げ応力の大きさは第７図に示すような
分布となり銅合金中空円筒５３に作用する曲げ応
力の大きさは２層構造のダンパシールドの場合よ
りも小さくなるという効果を生じる。実施例３超電導発電機用ダンパシールドに用いる析出硬
化型銅合金を得るために以下の実験を実施した。
すなわち、第２表に示す銅合金を真空溶解によつ
て各15Kg溶製後、1000℃で熱間鍛造および熱間圧
延して厚さ15mmの板とした。次に板材から採取し
た試料に対し、900℃で２時間保持後、水冷と、
760℃で８時間保持後、空冷と、500℃で３時間保
持後、空冷の各熱処理を連続して施した。熱処理
後第２表に示した銅合金と市販純銅（無酸素銅）
について、0.2％耐力、導電率、熱間加工性、お
よび溶接性を評価した。なお、熱間加工性と溶接性は材料の高温延性と
密接な関係にあるため、500℃での引張試験によ
る絞り（断面減少率）で評価した。第３表に0.2
％耐力、導電率および500℃での引張絞りを示
す。第３表の結果から、本発明の銅合金は純銅より
優れた0.2％耐力を示し、またダンパシールドの
銅合金に要求される35Kg/mm²よりも高い値を示し
ている。導電率は純銅より低いが、ダンパシール
ドに要求される40IACS％よりも高い値を示して
いる。更にSn，MnおよびZrの添加により500℃
の引張絞りが改善されるため、熱間加工性及び溶
接性も良好である。実施例４超電導発電機用ダンパシールドに用いる析出硬
化型非磁性鋼を得るために以下の実験を実施し
た。すなわち、第４表に示す非磁性鋼を真空溶解
により各30Kg溶製後、1100℃で熱間鍛造および熱
間圧延して厚さ30mmの板とした。次に板材から採
取した試料に対して900℃で２時間保持後、水冷
と、760℃で８時間保持後、空冷と、500℃で３時
間保持後、空冷の各熱処理を連続して施した。熱
処理後、第４表に示した非磁性鋼と市販の
SUS304について、0.2％耐力、シヤルピー衝撃値
および比透磁率を測定した。第５表に測定結果を
示す。第５表の結果から、本発明の非磁性鋼は
SUS304より優れた0.2％耐力を示し、またダンパ
シールドの非磁性鋼に要求される65Kg/mm²より

【表】

【表】も高い値を示している。更に比透磁率はSUS304
よりも低く、1.01未満の値を示しているので、実
質的に非磁性である。シヤルピー衝撃値は
SUS304より低いが、ダンパーシールドの非磁性
鋼として十分な値である。実施例５以下、第３図を参照して、本発明に係る高強度
電磁遮蔽材の製造方法の実施例を説明する。本実
施例は中空円筒状のダンパシールドの製造に本発
明を適用したものである。まず、溶体化処理状態
にある高導電性銅合金の板材４０と、同じく溶体
化処理状態にある高強度非磁性鋼の板材４２とを
準備する。次に、各板材を爆発圧着に供して、圧
着曲げにより中空半円筒４６を得る。この場合高
導電性銅合金の層を半円筒の外部にする場合と内
部にする場合とが考えられるが、いずれであつて
もかまわない。次いで、中空半円筒４６に対し軸
方向の溶接を行なつて中空円筒４８を得る。この
とき、溶接線は中空半円筒４６の分割の仕方に応
じて変化するが、１本又は２本以上必要である。
なお、軸長が不足する場合には２個以上の中空円
筒４８に対し周方向の溶接を行なつてダンパシー
ルド素管５０を得る。この後、溶接部の残留応力
を除去するため900℃で２時間保持後、水冷の溶
体化処理を行ない、次いで高強度非磁性銅の硬化
のための時効熱処理を760℃で８時間行ない、更
に高導電性銅合金の硬化のための時効熱処理を
500℃で３時間行なつた後、回転バランス調整を
含めた機械加工を行なえば、ダンパシールド２０
が完成する。銅合金の厚さと非磁性銅の厚さとの
比率は１対４である。本実施例においては、電磁遮蔽材が２層構造で
あるため、構造が比較的容易である。第６表は第２表の試番１と第４表の試番７に示
す各材料を用いて、本発明および従来材の複合材
を爆発圧着により製造したものの各種性質を示
す。析出硬化型銅合金と析出硬化型非磁性鋼およ
び純銅とSUS304との厚さの比率はいずれも１対
４である。第６表に示す如く、本発明材は著るし
く高強度を示し、優れていることが認められる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、遠心力及び電磁力に対する設
計応力を高く設定することが可能となるため、従
来の電磁遮蔽材では不可能であつた直径の大きな
大容量の超電導発電機用ダンパシールドを提供す
ることが可能となるという優れた効果を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は、回転界磁型超電導発電機の回転子構
造を示す縦断面図、第２図は、同じく超電導発電
機の構造を示す横断面図、第３図は、本発明に係
る高強度電磁遮蔽材の製造方法の第１実施例を工
程順に示した斜視図、第４図は、同じく第２実施
例を工程順に示した斜視図、第５図はダンパシー
ルドの構造図、第６，７図は銅合金中空円筒に作
用する曲げ応力を示す図である。１０…超電導回転子、２０…ダンパシールド、
４０…高導電性銅合金板材、４２…高強度非磁性
鋼板材、４４…圧着２層金属板、５０…ダンパシ
ールド素管、５２…圧着３層金属板。

Claims

【特許請求の範囲】１超電導発電機の回転子最外円筒を形成するダ
ンパシールドが高導電性銅合金と高強度非磁性鋼
とを圧接してなる層状の複合体よりなり、前記高
導電性銅合金がニツケル及びコバルトの少なくと
も１つを合計で2.0〜6.0重量％、シリコンを0.5〜
2.5重量％含有し、かつ析出硬化された析出硬化
型銅合金よりなり、前記高強度非磁性鋼が炭素を
0.1重量％以下、マンガンを20重量％以下、シリ
コンを0.5重量％以下の量含み、クロムを10.0〜
20.0重量％、ニツケルを20.0〜30.0重量％、チタ
ンを1.5〜3.0重量％含有し、かつ析出硬化された
高強度の析出硬化型非磁性鋼よりなることを特徴
とする超電導発電機のダンパシールド。２前記層状の複合体が二層構造を有する特許請
求の範囲第１項記載の超電導発電機のダンパシー
ルド。３前記析出硬化型銅合金が中心部に配設され、
前記析出硬化型非磁性鋼が両側部に配設された三
層状構造の複合体よりなる特許請求の範囲第１項
記載の超電導発電機のダンパシールド。４超電導発電機の回転子最外円筒を形成するダ
ンパシールドが高導電性銅合金と高強度非磁性鋼
とを圧接してなる層状の複合体よりなり、前記高
導電性銅合金がニツケル及びコバルトの少なくと
も１つを合計で2.0〜6.0重量％、シリコンを0.5〜
2.5重量％、すずとマンガンとジルコニウムの少
なくとも１つを各々0.5重量％以下の量含有し、
かつ析出硬化された析出硬化型銅合金よりなり、
前記高強度非磁性鋼が炭素を0.1重量％以下、マ
ンガンを2.0重量％以下、シリコンを0.5重量％以
下の量含み、クロムを10.0〜20.0重量％、ニツケ
ルを20.0〜30.0重量％、チタンを1.5〜3.0重量
％、モリブデンとアルミニウムとパナジウムの少
なくとも１つを各々2.0重量％以下の量含有し、
かつ析出硬化された高強度の析出硬化型非磁性鋼
よりなることを特徴とする超電導発電機のダンパ
シールド。５前記析出硬化型銅合金が中心部に配設され、
前記析出硬化型非磁性鋼が両側部に配設された三
層状構造の複合体よりなる特許請求の範囲第４項
記載の超電導発電機のダンパシールド。６ニツケル及びコバルトの少なくとも１つを合
計で2.0〜6.0重量％、シリコンを0.5〜2.5重量％
含有する析出硬化型銅合金と、炭素を0.1重量％
以下、マンガンを2.0重量％以下、シリコンを0.5
重量％の量含み、クロムを10.0〜20.0重量％、ニ
ツケルを20.0〜30.0重量％、チタンを1.5〜3.0重
量％含有する析出硬化型非磁性鋼とを、いずれも
溶体化処理状態で圧着して層状の複合体とし、次
いで、前記非磁性鋼硬化のための時効熱処理と前
記銅合金硬化のための時効熱処理を順次行なうこ
とを特徴とする超電導発電機のダンパシールドの
製造方法。７前記溶体化処理が850〜950℃で行なわれ、非
磁性鋼硬化のための時効熱処理が720〜780℃で行
なわれ、銅合金硬化のための時効熱処理が450〜
550℃で行なわれることを特徴とする特許請求の
範囲第６項記載の超電導発電機のダンパシールド
の製造方法。