JPS62178149A - 流体冷却式単極発電機回転子とその製造方法 - Google Patents

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】 本発明は電磁機械、特に単極発電機用の液体冷却式回転
子に関する。

従来、単極発電機は、一般的に低電力の一層デューティ
の直流発電機又はデユーティ曇サイクルの短いパルス発
生器として設計されていた。こういう設計では、回転子
の損失は比較的小さく、発電機の性能を著しく制限する
ことはない。その物理的な寸法を目立って大きくせずに
、この様な直流発電機の電力能力及びデユーティ・サイ
クルを高めるには、その中の電力密度を増加しなければ
ならない。これは、回転子を一層高い回転速度に駆動し
、こうして円周方向の速度を一層高くすることによって
達成し得る。速度が一層高いことにより、所定の電圧を
発生するのに必要な磁束の大きさが減少し、この為、主
磁束を通すのに必要な材料の容積も減少する。単極発電
機は、その性質から、大電流の直流機であり、その回転
子は磁束と共に電流を通さなければならないから、電力
発生能力を高めるにつれて、回転子の電流密度が非常に
高くなる。

典型的な鉄心単極発電機の回転子は、主磁束を通す強磁
性鋼の鉄心を持ち、１つ又は更に多くの銅の導体が鉄心
の周縁に固定され、大電流を通す。

こういう導体は、鉄心の周縁に締りばめ又は接着によっ
て結合した銅の円筒又はスリーブの形にすることが出来
る。主要な電流担体が鋼の鉄心ではなく銅の導体であれ
ば、当然ながら大電流密度に伴う損失が減少する。更に
、鋼の導体材料が存在することにより、回転子の実効イ
ンダクタンスが小さくなり、こうして鋼の鉄心内の円周
方向の磁束の大きさを減少する。こういう因子が界磁コ
イルの起磁力を最小限にし、回転子の過渡電流応答を改
善する。

回転子の電流密度が増加するにつれて、回転子の電流導
体内で発生された熱を散逸することが、大きな制限因子
になる。回転子を適切に冷却しないと、遠心力並びに熱
膨張の差による機械的な応力が、回転子の導体の構造的
な完全さを破壊することがある。これは、温度上昇と共
に、鋼及び銅合金の引張り強さが低下するからである。

従って、本発明の目的は単極発電機用の改良された回転
子を提供することである。

別の目的は、上に述べた性格であって、極めて高い発電
機の電力密度に対処し得る単極発電機用の回転子を提供
することである。

本発明の別の目的は、上に述べた性格であって、電流導
体を内部冷却する様にした単極発電機用の回転子を提供
することである。

別の目的は、電流導体から熱を運び去る様に作用する流
体冷却材の流れを通す内部通路を設けた単極発電機用の
回転子を提供することである。

本発明の別の目的は、上に述べた性格の内部冷却式の単
極発電機用の回転子を製造する方法を提供することであ
る。

本発明のその他の目的は、一部分は明らかであろうし、
一部分は以下の説明から明らかになろう。

発明の要約 本発明では、主磁束を通す強磁性鋼の一体の鉄心と、主
電流を通す好ましくは銅製の導電度の高い円筒とを持つ
、電力密度の高い単極発電機用の回転子を提供する。円
筒は鉄心の周縁に拡散結合される。鉄心には軸方向に伸
びる通路が設けられ、この通路は半径方向に伸びる通路
及び銅の円筒に埋設された軸方向に伸びる導管と連通し
、高い電流密度で低い温度に回転中の回転子を維持する
様に作用する冷却材を循環させる。更に本発明では、熱
間等静圧処理（ＨＩ　Ｐ）を利用して、導体金属の中に
冷却材導管を全部埋設すると共に、円筒形導体を形成し
て回転子鉄心に拡散結合する。

本発明は、以下説明する様な構成と方法の工程で例示さ
れる様な構造、要素の組合せ、部分の配置及び製造方法
の特徴を持つものであるが、本発明の範囲は特許請求の
範囲によって限定されることを承知されたい。

本発明の性質並びに目的が十分に理解される様に、次に
図面を参照して詳しく説明する。

最初に第１図について説明すると、単極発電機の回転子
１０は、鍛造による強磁性鋼の鉄心１２を持ち、これと
一体に軸方向の軸延長部１４，１６が形成されていて、
これらの延長部によって回転子が軸支され、高い周速ま
で駆動される。鉄心の周面１２ａには、銅の様な導電度
の高い金属の円筒１８の形をした電流導体が結合されて
いる。

この円筒は、軸方向に相隔たる１対の集電リング面２０
を持つ様に適当に加工され、こういう面がこれと接近し
て隔たった対応する形状の固定子集電リング面及び液体
金属の様な中間の集電媒質と協働して、回転子内で発生
された大きな直流電流を固定子に運び、最終的にｂ発電
機の出力端子（図に示してない）に運ぶ。更に円筒の周
面には、これらの回転子集電面の側腹に適当な肩、溝及
びランドが加工され、それらが相補形の固定子に形成さ
れた面と協働して、集電装置のギャップ内に循環させら
れる液体金属を収容する。液体金属集電装置を利用した
単極発電機について詳しいことは、米国特許第３，２１
１，９３６号を参照されたい。

本発明では、同心のめくら孔２２が軸延長部１６から鉄
心１２の中に同軸にあけられて、軸延長部１４の手前で
終端している。この孔は２４に示す様に、導体円筒１８
の右側の端を越える軸方向の深さまで、深床ぐりしであ
る。ステンレス鋼の管２６の内側端にカラー２８が溶接
されていて、この管を深床ぐり孔２４の中にその底まで
はめることが出来る様になっている。妥当に流密なはめ
合せを保証する為に、カラー２８に溝を設けて、Ｏリン
グ封じ３０を収容することが出来る。後で判るが、孔２
２が管２６と共に、液体冷却材の入って来る流れを収容
する軸方向通路３２を構成し、この管と深床ぐり孔２４
の間の環状空間が、矢印３６で示す戻りの流れを収容す
る通路３４となる。

管２６及び深床ぐり孔２４の外部終端部には、これらの
通路を適当な熱交換器及びポンプと閉ループ式に流体接
続する為の適当な回転ユニオン（図に示してない）が設
けられている。

更に第１図について説明すると、孔２２の内側終端部の
直ぐ手前で、鉄心１２の中に角度方向に相隔たる半径方
向向きの複数個の通路３８があれられていて、それが軸
方向通路３２と連通ずる。

同様に、鉄心には、角度方向に相隔たる、半径方向向き
の複数個の通路４０があけられていて、カラー２８の所
の内側終端部より手前の点で、通路３４と連通ずる。導
体円筒１８にはステンレス鋼の管４２の様な複数個の導
管が埋設されていてこれらの管が円筒の軸方向の長さの
略全体にわたって伸びる。各々の管の１端を半径方向内
向きに曲げて、相異なる１つの通路３８の外側終端部に
挿入すると共に、所定位置に溶接又はろう付けする。

同様に、これらの管の他端も半径方向内向きに曲げ、通
路４０の外側端に挿入し、所定位置に固定する。従って
、冷却材が通路３２から流込み、通路３８を半径方向外
向きに流れ、管４２を軸方向に通り、通路４０を半径方
向内向きに流れ、通路３４から軸方向に出て行くことが
出来ることが判る。勿論、上に述べた冷却材の循環方向
は任意であり、逆にしてもよい。第１図及び第２図に見
られる様に、通路３８は、鉄心１２の円周に沿って軸方
向にずれた位置の間で交互に配置され、通路４０も同じ
であり、こうして回転子１０の構造的な完全さに著しい
片寄りが加わらない様にする。

更に第２図に見られる様に、管４２は奇数回、図面では
３回、軸方向に蛇行して、冷却材を通路３８．４０の間
で運ぶことが好ましい。適当な冷却材は、ダウ・ケミカ
ル・カンパニから入手し得るダウサーム・Ｊ　（ＤＯＷ
ＴＨＥＲＭ　Ｊ）及びモンサンド・ケミカル・カンパニ
から販売されるクーラノール（Ｃ００ＬＡＮＯＬ）であ
る。

本発明では、導体円筒１８は、熱間等静圧処理（ＨＩ　
Ｐ）方法によって、鉄心１２の周面１２ａに拡散結合さ
れ、少なくとも一部分は同じ方法によって作られる。第
１図の回転子１０を製造する１形式の方法では、鉄心の
周面１２ａをニッケルめっきし、その後例えば酸素分散
強化（ＯＤＳ）銅のシート１８ａを所定寸法に切断し、
軸方向に配置された切断端を第２図に見られる様に継目
４４に沿って突合せて、鉄心の周囲に巻付ける。シート
１８ａを４６に示す様な多数の点で鉄心に点溶接し、そ
の後加工して、管４２の円形の輪郭と同形になる様に、
断面が半円形の、シートの全長にわたって軸方向に伸び
る複数個の溝４８を作る。

これらの冷却用の管の真直ぐな部分を溝に坐着させ、溶
接、ろう付は又は円周方向の銅帯（図に示してない）の
様な適当な手段によって所定位置に保持し、管の湾曲し
た端部分がシート１８ａの軸方向の両端から張出して、
半径方向の通路３８゜４０と接続し易いようにする。こ
れらの接続部の完全さは質量分光計を用いて検査する。

回転子の場合と同じく、管４２は取付ける前にニッケル
めっきして、銅との拡散結合を促進することが好ましい
。

第３図について説明すると、軟鋼はインコネル６００の
様な合金で形成された金属容器５０を製造して、鉄心に
組付けた冷却用の管４２（第２図）を包み込むと共に、
連続的な円周方向の溶着部５２により、鉄心の周面１２
ａに密封して固定する。

この後この容器に例えば０．０５％のマグネシウム、０
．１９５％のジルコニウム、０．３５％のクロム及び残
量の銅で構成されたＭＺＣ銅粉末の様な適当な金属粉末
５４を充填管５６を介して装入する。装入する間、この
集成体を振動させて、容器５０内で粉末を突き固め、そ
の後粉末５４の脱ガスの為に粗い真空を保ちながら約１
０００下で炉内で加熱する。その後、第３図に示す様に
、充填管５６を密封する。

次にこの集成体を熱間等静圧ブレス又はオートクレーブ
５８内に配置し、それを約１　ｉｌｌ　２５”Ｆの温度
及び約１５０００ｐｓｌの圧力に高める。こういう温度
及び圧力状態を２時間という様な適当な期間の間保つ。

この方法のこういうパラメータが、容器５０に装入され
た銅粉末の性質によって左右されることが理解されよう
。この圧力の下で容器を潰し、その銅粉末の中味を稠密
化して非多孔質の塊とし、これを容器の中で露出してい
る鉄心１２）シート１８ａ及び管４２の面に拡散結合す
る。

更にシート１８ａが同時にその界面で鉄心の周面１２ａ
と拡散結合される。通路３２．３４はオートクレーブ内
の周囲に対して通気し、この為、管４２がオートクレー
ブの圧力にまで加圧されて、ＨＩＰ方法の間、それが潰
れない様にすることに注意されたい。潰れた容器５０を
機械加工によって除き、露出した銅円筒を粗加工して対
称的な形にする。その後、回転子集成体を例えば１８２
５丁で１時間の間、アルゴンの様な不活性ガスの雰囲気
内で熱処理して、応力を除去する。その後、回転子集成
体を８５０”Ｆまで急速に冷却し、４時間という様な適
当な期間の間、空気中でエージングにかけて、鉄心１２
及び導体１８に最大の引張り特性を持たせる。その後、
最終的な機械加工を行なって、冷却用の管４２がその中
に完全に埋込まれていて、銅と鋼の界面で拡散結合され
た第１図に見られる円筒形導体１８の面の形を作る。

銅のシート１８ａの代りとして、中間のＨＩＰ方法によ
ってその均等物を作ることが出来る。即ち、鉄心１２を
ニッケルめっきし、容器５０と同様であるが、それより
適宜に一層小さい容器を所定位置に溶接する。この容器
をＭＺＣ銅粉末で充填し、振動させて充填物を突き固め
、真空の下に加熱して粉末の脱ガスを行なう。鉄心及び
充填した容器をＨＩＰ方法にかけて、鉄心の面に拡散結
合されたスリーブ又は層の形をした稠密化された非多孔
質の銅の塊を作る。この後、この容器を機械加工により
除き、スリーブを円筒形に機械加工し、第２図に示す様
に、その周面に軸方向の溝の配列を切込む。半径方向の
通路３８．４０を中ぐりし、ニッケルめっきした冷却用
の管４２を前に述べた様に取付けて、第２図に見られる
集成体を作る。その後、第３図について前に説明したＨ
ＩＰ方法を実施する。いずれも前に述べた様に、集成体
を粗加工し、熱処理し、最終的に機械加工して、第１図
の回転子を作る。

以上説明した所から、本発明が、単極発電機用の内部冷
却式回転子として、電気密度及びデユーティ・サイクル
の長さを１桁増加することが出来ると共に、デユーティ
・サイクルの合間の期間をかなり短縮することが出来る
様な回転子を提供したことが理解されよう。更に、多数
の冷却用の管を回転子導体のバルクと共に実効的に植込
む為にＨＩＰ方法を用いることにより、この様な高くし
た電力密度で、低温で運転される回転子が得られる。更
に、本発明により、この様に埋設した冷却管が存在して
も、回転子導体内の温度上昇を制限することにより、高
い周速に於ける回転子の導体の構造的な完全さをそこな
わず、実際にそれを維持する。本発明を単極発電機の場
合について説明したが、本発明が単極電動機にも同じ様
に用いることが出来ることが理解されよう。

従って、以上の説明から判る様な前述の目的が効率よく
達成されたことが理解されよう。また本発明の範囲内で
、上に述べた構造又は方法の工程に変更を加えることが
出来、したがって、以上説明し又は図面に示した実施例
に本発明が制限されるものではないことを承知されたい
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に従って構成された単極発電機の回転子
の一部分を断面で示す側面図、第２図は中間の製造段階
に於ける第１図の回転子の部分的な斜視図、第３図は一
部分を破断した側面図で、熱間等静圧プレス装置を用い
て回転子の導体を形成する様子を示す図である。 （主な符号の説明） １２：鉄心 １２ａ：周面 １８：導体円筒 ３８．４０：通路 ４２；冷却用の管

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）単極電磁機械用の回転子に於て、強磁性鋼で形成さ
   れていて、周面を持つと共に冷却材を循環させるために
   該周面に開口する複数個の内部通路を持っている鉄心と
   、前記鉄心の周面に拡散結合した電流導体と、該導体の
   中に全部埋設されていて、前記通路と冷却材の流れが連
   通する様に固定されている複数個の冷却管とを有する回
   転子。 ２）特許請求の範囲１）に記載した回転子に於て、前記
   導体が円筒の形に形成されており、該円筒と前記周面の
   界面全体にわたって、該円筒が前記鉄心に一様に拡散結
   合されている回転子。 ３）特許請求の範囲２）に記載した回転子に於て、前記
   円筒が銅で形成されている回転子。 ４）特許請求の範囲３）に記載した回転子に於て、前記
   円筒の少なくとも一部分が銅の粉末から熱間等静圧処理
   によって稠密化された非多孔質の塊として形成されてい
   る回転子。 ５）特許請求の範囲２）に記載した回転子に於て、前記
   通路が、入って来る冷却材を運ぶ軸方向の向きの第１の
   通路、出て行く冷却材を運ぶ軸方向の向きの第２の通路
   、前記第１の通路を前記管の入口側の端と冷却材の流れ
   が連通する様に接続する半径方向の向きの複数個の孔、
   及び前記第２の通路を前記管の出口側の端と冷却材の流
   れが連通する様に接続する半径方向の向きの第２の複数
   個の孔を含んでいる回転子。 ６）特許請求の範囲５）に記載した回転子に於て、前記
   円筒の少なくとも一部分が、銅の粉末から熱間等静圧処
   理によって稠密化された非多孔質の塊として形成されて
   いる回転子。 ７）単極電磁機械用の液体冷却式回転子を製造する方法
   に於て、（ａ）周面を持つ強磁性鋼の回転子鉄心を用意
   し、（ｂ）冷却材の循環が出来る様に、前記鉄心の周面
   に開口する内部通路を前記鉄心中に形成し、（ｃ）複数
   個の冷却管を設け、（ｄ）前記冷却管を前記周面に対し
   て隔てゝ固定支持し、前記管は前記鉄心の周囲にわたっ
   て分布しており、（ｅ）前記管の入口及び出口側の端を
   前記周面で前記通路と冷却材の流れが接続される様に結
   合し、（ｆ）金属粉末から熱間等静圧処理により、前記
   管を包み込み且つ前記鉄心の周面に拡散結合された電流
   導体を形成し、前記通路を等静圧に通じさせて、前記管
   が潰れない様にする工程を含む方法。 ８）特許請求の範囲７）に記載した方法に於て、前記金
   属粉末が主に銅で構成されている方法。 ９）特許請求の範囲７）に記載した方法に於て、前記熱
   間等静圧処理を適用する際に、前記鉄心の周面の周りに
   、前記金属粉末を収容する容器を密封して固定する工程
   を含む方法。 １０）特許請求の範囲９）に記載した方法に於て、前記
   容器を取除き、形成された電流導体を所望の面の形に加
   工する工程を含む方法。 １１）特許請求の範囲７）に記載した方法に於て、前記
   冷却管を支持する工程が、前記鉄心の周囲に、前記周面
   に固着した電流導体材料の層を設け、該層の周囲に細長
   い表面溝を加工し、前記管を前記溝の中に坐着させ、前
   記管を所定位置に固定することによって行なわれ、この
   為、前記電流導体が、熱間等静圧処理により、前記層の
   周面並びに前記層を越えた前記鉄心の周面の限られた部
   分に拡散結合された稠密化された前記金属粉末の非多孔
   質の塊と、前記鉄心の周面に拡散結合された前記層との
   一体の複合体として形成され、これにより前記冷却管が
   完全に前記電流導体の中に埋設される方法。 １２）特許請求の範囲１１）に記載した方法に於て、前
   記層が前記鉄心の周囲に巻き付けられたシートとして設
   けられる方法。 １３）特許請求の範囲１１）に記載した方法に於て、前
   記層が、金属粉末から熱間等静圧処理により、稠密化さ
   れた非多孔質の塊として作られる方法。 １４）特許請求の範囲１１）に記載した方法に於て、前
   記層及び前記塊が主に銅で構成されている方法。 １５）特許請求の範囲１１）に記載した方法に於て、更
   に、前記熱間等静圧処理の間、前記金属粉末を収容する
   容器を前記鉄心の周囲に密封して固定する工程を含む方
   法。 １６）特許請求の範囲１５）に記載した方法に於て、前
   記容器を取除き、前記鉄心と電流導体との集成体を熱処
   理し、形成された前記電流導体を所望の面の形に加工す
   る工程を含む方法。 １７）特許請求の範囲１６）に記載した方法に於て、前
   記層及び前記塊が主に銅で構成されている方法。 １８）特許請求の範囲１７）に記載した方法に於て、前
   記鉄心の周面をニッケルめっきして、この周面に対する
   前記層及び前記塊の拡散結合を促進する工程を含む方法
   。 １９）特許請求の範囲１８）に記載した方法に於て、前
   記熱間等静圧処理が約１８２５°Ｆの温度及び約１５０
   ００ｐｓｉの圧力で約２時間行われる方法。 ２０）特許請求の範囲１９）に記載した方法に於て、真
   空の下に前記容器を加熱して、その中の金属粉末の脱ガ
   スを行なう工程を含む方法。