JPS63213465A - 電磁フロ−カプラ - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は電磁フローカプラに関するものである。

〔従来の技術〕

従来の電磁フローカプラは特開昭５９−４０１６３号公
報に流路形状が矩形型、また、特開昭６１−３０９５４
号公報あるいは特開昭６１−２９６８８号公報に環状流
路型が記載されているように、基本的には電気的に隣接
する２系統の流路と、この両流路を挟むように磁界を与
える磁極とから堝成される電磁機器である。

電磁フローカプラの動作原理は次のようなものである。

２系絖の一方の流路内の導電性流体を外部から強制的に
流動すると、磁界内でフレミングの右手の法則に従って
誘起電流が発生する、所謂Ｍ　ＩＩ　Ｄ発電作用が鋤く
、この発電電流を直接隣接する他方の流路内の導電性流
体に導き給電すると。

同流体内にはフレミングの左手の法則に従って電磁力が
発生し、電磁ポンプが成立する。すなわち電磁フローカ
プラはＭ　ＩＩ　Ｄ　３ｇ、電機を直結した直流型電磁
ポンプである。

電磁ポンプには低電圧（１０”−’ボルトオーダ）およ
び大電流（１０３アンペア以上）の特性を持つ電源が必
要なので、変電の容易な交流電源を用いた交流型電磁ポ
ンプが一般的である。しかし、交流電源は直流電源に比
べ渦電流損失があるため、ポンプ効率の向上には限界が
あった。電磁フローカプラは直流電源の給電技術をＭ　
ＩＩ　Ｄ発電機で補ったもので、高効率の直流型電磁ポ
ンプが達成できる。

このような原理に基づく電磁フローカプラのうち、矩形
型電磁フローカプラでは流路の側壁を絶縁し、両流路の
端部を電極で接続したイ１が造である。

これに対して環状型では２系統の流路を交互に接続し環
状に配列したもので、駆動電流は環状を同芯状の円電流
となるため、特別な電極は不用になる。このため絶縁物
を流路の側壁に設けることも必須条件にはならないので
、環状型は矩形型に比べ高温ナトリウム流動用としては
実用的である。

電磁フローカプラは更に、この２系状の流体間に温度差
を与えることによって、両流路の隔４；１ｔを介して熱
交換作用も同時に発揮することができる。

それには隔壁部が電磁フローカプラとしての作用面積と
熱交換に必要な伝熱面積とか−・致しなければならない
が、環状型電磁フローカプラはこの要求に適している。

これは環状流路を細分割するほど駆動電流がスムーズな
円電流になり、伝熱面積が増加する方向と一致するから
である。このアイデアを取り入れて具体化したものに、
特開昭６１−２９６８８　号公報に記載されている電磁
フローカプラ型熱交換器がある。このアイデアでは更に
、フローカプラ作用面と伝熱面積増加のため軸方向にも
面積を拡大し、多段の磁極を持つ構造を提供している。

熱交換器一体型の電磁フローカプラを高速増殖炉の冷却
系に適用することによって、１次系のポンプと中間熱交
換器との一体化が可能になり、２次系ポンプによる強制
的駆動力で１次系を間接的に駆動することができ、かつ
１次系から２次系へ炉心の熱を交換することができる。

このため原子炉の小形軽量化による建設コスト低減およ
び可動部のない直流電磁ポンプによる機器の信頼性向上
等に貢献する。

第７図には電磁フローカプラ型熱交換器の磁気回路と電
流回路との関係が示されている。同図は軸方向３段の磁
石を設けたものである。同図に示されているように内側
磁Ｆｉ１を鉄心とし、外側磁極２，２ａ、２ｂを永久磁
石としたもので、永久磁石２．２ａ、２ｂの磁極の方向
は、永久磁石２゜２ａ、２ｂｔｉ−Ｎ　　Ｓｙ　Ｓ　　
Ｎ、Ｎ−５と配置したので、各磁石２．２ａ、２ｂから
発せられた磁力線が合成され、流路に対して直角成分の
磁界３が増加する。ところが軸方向の磁界３の方向は交
互に逆極性を呈しているため、誘起される駆動電流も交
互に逆向きの円電流４になり作動する。

これが従来の軸方向多段型の電磁フローカプラの特性で
ある。確かに軸方向多段型は伝熱面積の増加とフローカ
プラの作動領域拡大とには有効であるが、軸方向に正、
負の逆特性を有する磁界分布内を電磁流体が通過する際
、流れ方向に対して磁束密度の変化する部分で逆起電力
を発生する現象がある。これが電機子反作用と云われる
現象で、結果的には磁束密度分布の歪みおよび電磁ブレ
ーキ力の発生等性能低下の要因となる。

第８図（ａ）、（ｂ）にはこの電機子反作用の特徴を説
明する図が示されている。同図（ａ）に示されているよ
うに、均一な磁束密度Ｂが発生する磁場内に導電性流体
が流速Ｖで流動すると、同図（ｂ）に示されているよう
に、流体の流れ方向の長さＱでまず磁場の入口部で正の
勾配をもつ磁束密度変化（ｄ　Ｂ／ｄ　Ｑ＞Ｏ）　　を
受け、更に磁場の出口では負の勾配の磁束密度変化（ｄ
　Ｂ／ｄ　ｆｌ＜Ｏ）の領域を通過する。−この際、導
電性流体の内部には第８図（ｂ）にも示されているよう
に次式に示す起電力ｅが発生する。

ｅｃｃｄ　Ｂ／　ｄ　Ｑ−Ｖ　　　　　　　　　　−（
１）流速Ｖは時間的長さの変化すなわちｄ　Ｑ／ｄ　ｔ
なので、起電力ｅは ｅｃｃｄ　　Ｂ／　ｄ　　ｔ　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　＝（２）となる。このため
直流磁界であり乍ら結果的には磁極の端部では磁束密度
が時間的に変化する所謂交流磁界と同等になる。

装置した逆電流は電磁ブレーキとして働き、また、この
電流によって再誘起される新たな磁界はもとの磁界と合
成され、上流側から下流側へ磁界が歪む結果になる。更
に交流的磁界は導体内で渦電流となり、ジュール損失の
要因になる。

この外側磁極端部では駆動電流が稀薄になるため、この
部分に電流が漏洩し、駆動電流が減少することも考えら
れる。この漏洩電流の様子を解析によって求めた結果が
第９図（ａ）、（ｂ）に示されている。同図（ｂ）は磁
極の端部の磁束が減衰する磁束減衰特性を示したもので
あるが、このような磁束減衰特性を与えて漏洩電流の様
子を解析した結果を示したのが同図（ａ）である。同図
から明らかなように図中矢印表示の発電機側流路内の電
流がポンプ側流路に給電される際、磁極端部で磁極外に
漏洩する現象が見られる。この磁極外に漏洩する電流が
無効電流であるが、この無効電流はポンプ力として寄与
しない。

このように磁極端部の磁束減衰領域には性能を阻害する
種々の要因があるため、多段型磁極の場合、更に性能低
下の割合が加算されることになる。

従来の環状型電磁フローカプラについて電磁流体力学的
解析によってその性能を予副してみると、理論効率のう
ち約３０％の損失分が磁極端部で失われていることが判
った。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記従来技術の電磁フローカプラでは磁極端部の損失に
ついて配慮されておらず、駆動力の増大および伝熱面積
拡大の目的の軸方向多段型磁極構造の熱交換器型では、
多段にした効果は有効であるが、磁極端部の領域が増加
することによる損失要因も増加する欠一点があった。

本発明は以上の点に鑑みなされたものであり、無効電流
を抑制し、効率向上を可能とした電磁フローカプラを提
供することを目的とするものである。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的は、導電性流体の流動方向の外側磁極端部に対
応する一方の系統の流路内に、外側８１極端部に発生す
る無効電流を抑制する無効電流抑制板を設けることによ
り、達成される。

〔作用〕

無効電流抑制板を導電性流体の流動方向の外側磁極端部
に対応する一方の系統の流路内、すなわち磁極端部の磁
束密度減衰領域に設けて外側磁極端部に発生する無効電
流を抑制するようにしたので、導電性流体が磁極端部を
通過する際発生する逆起電圧および渦電流は抑制される
。そして駆動電流の漏洩電流分も減少され、電磁フロー
カプラに不必要な無効電流が抑制される。また、電機子
反作用効果が減少するため、磁束密度分布の歪みも少な
くなる。

〔実施例〕

以下、図示した実施例に基づいて本発明を説明する。第
１図から第３図には本発明の一実施例が示されている。

なお従来と同じ部品には同じ符号を付したので説明を省
略する。同図に示されているように、中心部の円柱状の
内側磁極１と外周に放射状に配置された櫛形の外側磁極
２とに挟まれた環状空間に、内管５と外管６とからなる
環状型の流路が形成されている。この流路は円周方向に
発電機側流路７とポンプ側流路８とを交互に配置するよ
うに隔壁９で仕切られている。櫛形の凹部にはリング状
の励磁コイル１０　（１０ａ、　１ｏｂ。

１０ｃ）が設けられている。すなわち軸方向３段の励磁
コイル１０ａ、１０ｂ、１０ｃが設けられている。この
ように構成された電磁フロー力プラで本実施例では導電
性流体の流動方向の外側磁極端部に対応する一方の系統
の流路であるポンプ側流路８内に、外側磁極端部に発生
する無効電流を抑制する無効電流抑制板１１を設けた。

このようにすることにより無効電流が抑制され、効率が
向上するようになって、無効電流を抑制し、効率向上を
可能どした？Ｊａフローカプラを得ることができる。

すなわち本実施例は３段の励磁コイル１０ａ。

ｆｏｂ、ｆｏｅを設けた場合で、無効電流抑制板１１の
押入する場所は各磁極端部の８箇所とした。

励磁コイルｌｏａ、１０ｂ、１０ｃを夫々同一巻方向に
設置するならば交互に＋、−を逆極性の直流電源を接続
する。あるいは励磁コイル１０ａ。

１０ｂ、１０ｃを交互に逆巻方向に設置１°゛Ｃするな
らば同一極性の直流電源を接続して、ｎ　＋　１段の放
射状磁界領域を得る（ｎは励磁コイルの数）。各段の磁
界方向は交互に逆向きの極性を示す。

複数筒に分割した発電機側流路７内の導電性流体（ここ
ではナトリウムを例に記述する）を外部から強制的に流
動すると、各段の放射状磁界領域で流動方向と磁界方向
に直角方向との起電流が発生する。この電流が駆動電流
となり、発電機側流路７に隣接するポンプ側流路８に給
電される。発電機側流路７とポンプ側流路８とは交互に
配置された環状流路になっているため、電気的には電池
と負荷とが直列に結線さ九たループになる。従って駆動
電流は環状流路を一周する円電流となる。

軸方同各磁極の部分では交互に逆磁極特性があるため、
円電流の方向も交互に逆特性を呈する。

、電気的回路の負荷に相当するポンプ側流路８内に存在
するナトリウムには、このｉｓ雷電流受けて上述の放射
状の磁界との相互作用によって電磁誘導力を誘起する、
磁界、電流、電磁力の３要素の関係は発電機側流路７で
はフレミングの右手の法則に、またポンプ側流路８では
フレミングの左手の法則に従うので、同一方向の電流お
よび磁界の特性をもつ電磁フローカプラでは発電機側の
導電性流体の流れ方向とポンプ側の導電性流体の流れ方
向とは互いに逆方向となるため、隔壁９を境にして対向
流となり、対向流型の熱交換器としても成立する。

このように作動する電磁フローカプラの性能は発電機側
の流速あるいは磁界の磁束密度に比例した流速がポンプ
側流路８内に誘起し、ポンプとしての推力が得られる。

電磁フローカプラの効率（η）はΔＰｐ　をポンプ側の
吐出圧力、Ｑｐ　をポンプ側の流量、ΔＰａを発電機側
の圧力損失、Ｑａを発電機側の流量とすれば、次式で表
わされる。

環状型電磁フローカプラの性能を電磁流体力学的に解析
すると、（１）式の理論効率のうち約３０％が磁極端部
の損失であることが判った。磁極端部の損失分に次の３
つの損失要因の現象がある。

（１）、磁束密度変化による逆起電圧発生。（２）、磁
束密度変化部に交流的渦電流が発生。（３）、駆動電流
が稀薄な磁束密度の領域で漏電発生。このうち、（１）
、　（２）は無効電流成分であり、ジュール損失の熱と
なって損失する。また（３）は有効な駆動電流を減少さ
せることになる。

無効電流抑制板１１はこれら（１）〜（３）の発生分あ
るいは漏洩電流を抑制する。第３図に記載されている無
効電流抑制板１１の長さＱは外側磁極２の端部から減衰
する漏洩磁界の存在する領域までとする。漏洩磁界領域
は磁極端部の幾何学的形状あるいは両磁極１，２間のギ
ャップの大きさ等で決まる。また無効電流抑制板１１の
板厚ｄは、ＣＩを磁束密度と周波数とで決まる定数、Ｖ
ｏ−を導電体の体積、Ｑｏを渦電流の生じる領域の代表
長さ、ρｅを導電体の比抵抗とした場合、次式で示す過
電流損失エネルギーＷ８が最小になるように決める。

Ｗｅ＝　ＣＩ　・Ｖｏｔ　　　　　　　　　　　□＝（
２）ρ　ｅ 無効電流抑制板１１はこの（２）式によると絶縁物（ρ
ｅ＝ｏ３）が理想的であるが、流体に高温ナトリウムを
用いるので耐ナトリウム性、耐高温性、更に溶接等の機
械加工性を考慮すると、薄肉のステレンス板を数枚組合
せて構成するとよい。

このように本実施例によれば流れ方向の磁極端部に発生
する逆起電圧、渦電流、更には駆動電流の漏洩を防止す
ることができ、また、磁極端部の電機子反作用による磁
束分布の歪みが防止でき、電磁フローカプラの効率が向
上する。

無効電流抑制板１１は上述のように配置するのみでなく
第４図に示されているように放射状に押入してもよく、
また第５図に示されているように各外側磁極２の端部個
々に押入してもよく、更に第６図に示されているように
隣接する外側磁極２の端部間に押入するようにしてもよ
い。

〔発明の効果〕

上述のように本発明は無効電流が抑制され、効率が向上
するようになって、無効電流を抑制し、効率向上を可能
とした電磁フローカプラを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の電磁フローカプラの一実施例の斜視図
、第２図は第１図の１−１線に沿う断面図、第３図は同
じく一実施例の磁極端部要部の縦断側面図、第４図は本
発明の電磁フローカプラの他の実施例の磁極端部要部の
上面図、第５図は本発明の電磁フローカプラの更に他の
実施例の磁極端部要部の縦断側面図、第６図は本発明の
電磁フローカプラの更に他の実施例の磁極端部要部の縦
断側面図、第７図は従来の電磁フローカプラの磁界、駆
動電流の関係を示す説明図、第８図（ａ）。 （ｂ）は電機子反作用を説明するもので（ａ）は磁極端
部の斜視図、（ｂ）は磁束、起電力分布図。 第９図（ａ）、（ｂ）は漏洩電流の発生を説明するもの
で（ａ）は漏洩分布図、（ｂ）は（ａ）を解析した際に
用いた磁極端部の磁束分布特性図である。 １・・・内側磁極、２・・・外側磁極、７・・・発電機
側流路、８・・・ポンプ側流路、９・・・隔壁、１０ａ
、１０ｂ。 第　ｊ　図 茶２０ ＄３１２］ 葛ろ口 第７図 第３７ ＜（１）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、円柱状の内側磁極および外側磁極と、これら内、外
   側磁極で形成される磁界内に設けられ、かつ隔壁で仕切
   られた２系統の流路とを備え、前記２系統の一方の系統
   の流路内の導電性流体を強制的に流動することによつて
   前記２系統の他方の系統の流路内の導電性流体に駆動力
   が発生する電磁フローカプラにおいて、前記導電性流体
   の流動方向の外側磁極端部に対応する一方の系統の流路
   内に、外側磁極端部に発生する無効電流を抑制する無効
   電流抑制板を設けたことを特徴とする電磁フローカプラ
   。 ２、前記無効電流抑制板の導電率が、前記導電性流体の
   導電率より小さいものである特許請求の範囲第１項記載
   の電磁フローカプラ。 ３、前記無効電流抑制板が、薄肉部材を複数枚前記導電
   性流体の流動方向に平行に積層して形成されたものであ
   る特許請求の範囲第１項記載の電磁フローカプラ。 ４、前記隔壁が、導電体壁あるいは伝熱壁である特許請
   求の範囲第１項記載の電磁フローカプラ。 ５、前記内側磁極および外側磁極で形成される磁気回路
   が、永久磁石または励磁型電磁石で形成されるものであ
   る特許請求の範囲第１項記載の電磁フローカプラ。 ６、前記外側磁極が、軸方向に多段に形成されたもので
   ある特許請求の範囲第１項記載の電磁フローカプラ。