JPS63228964A - 超電導回転電機の回転子 - 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〕 この発明は、超電導回転電機の回転子に関し、さらに詳
しくいうと、コイル取付軸の表面に形成されたスロット
に収納された超電導界磁コイルをウェッジで保持し、コ
イル取付軸の外周側にヘリウム外筒を有する超電導回転
電機の回転子に関するものである。

〔従来の技術〕

従来この種の回転子として第６図〜第１θ図に示す特開
昭５７−２０２８５２号公報に記載されたものがある。

第６図において、トルクチューブ（１）の中央部を形成
するコイル取付軸（２）に超電導界磁コイル（３）が固
定されている。トルクチューブ（１）とコイル取付軸（
２）は常温タンパ（４）で囲繞されている。常温タンパ
（４）とコイル取付軸（２）の間には低温タンパ（５）
が配設されている。（６）および（７）はコイル取付軸
（２）のそれぞれ外周部および側面部に取り付けられた
ヘリウム外筒およびヘリウム端板で、（６ａ）はヘリウ
ム外筒のコイル取付軸（２）への溶接部である。駆動側
、反駆動側の端部軸（８１、（９）は軸受（１０）で軸
支されている。（１１）は界磁電流供給用のスリップリ
ングである。トルクチューブ（１）には熱交換器（１２
）が形成あるいは配設されている。（１３）は側部輻射
シールド、（１４）は真空部である。

上記構成からなる超電導回転電機の回転子においては、
コイル取付軸（２）に配設されている超電導界磁コイル
（３）を極低温に冷却することによシ、電気抵抗を零の
状態として励磁損失をなくすことによシ、超電導界磁コ
イル（３）に強力な磁界を発生させ、固定子（図示せず
）に交流電力を発生させる。この超電導界磁コイル（３
）を極低温に冷却、保持するために液体ヘリウムを反駆
動側端部軸（９）の中央部から導入管（図示せず）を通
じ、ヘリウム外筒（６）、ヘリウム端板（７）によシ形
成される液体ヘリウム溜ｐ　（ｚｓ）に供給する一方、
回転子内部を真空部（１４）によシ高真空に保つととも
に、極低温の超電導界磁コイル（３）およびコイル取付
軸（２）に回転トルクを伝えるトルクチューブ（１）を
薄肉円筒とし、かつ、熱交換器（１２）を設げてトルク
チューブ（１）を通じ極低温部に侵入する熱を極力減ら
すようにしている。さらに、側面からの輻射によシ侵入
する熱を低減するため、側部輻射シールド（１３）が設
けられている。

一方、常温ダンパ（４）および低温ダンノ＜（Ｓ）は、
固定子からの高調波磁界をシールドし、超電導界磁コイ
ル（３）を保護するとともに、電力系統のじよう乱によ
る回転子振動を減衰させる機能を有するほか、常温ダン
パ（４）は真空外筒としての機能を、低温ダンパ（５）
はヘリウム容器部への輻射シールドとしての機能を兼ね
ている。なお、第６図においては、回転子内部のヘリウ
ム導入、排出系を構成する配管類および回転子に接続さ
れているヘリウム導入、排出装置は省略している。

超電導界磁コイル（３）は、第７図に示すように、直線
部（３１１）と端部（３ｂ）とから成っている。

第８図に示すように、超電導界磁コイル（３）は、コイ
ル取付軸（２）の表面に形成されたスロット（１６）内
に収納され、ウェッジ（１７）でスロット（１６）内に
固定される。スロツ）　（１６）相互間にはティース（
１８）が形成されている。（１９）は軸端ヘリウム流路
穴である。

超電導界磁コイル（３）の冷却流路は、第９図に示すよ
うに、液体ヘリウム溜ｂ　（１５）、コイル取付軸（２
）に形成されたスロット部ヘリウム流路穴Ｃ２０）、超
電導界磁コイル（３）とスロツ）　（１６）の間隙を埋
める絶縁スペーサ（２１）に形成された液体ヘリウム流
路用の下部半径方向穴（２１ａ）、上部半径方向穴（２
１ｂ）からなっている。上部半径方向穴（２１ｂ）は、
隣シあう２つのウェッジ（１７）の間隙に一致するよう
調整されておシ、コイル取付軸（２）とヘリウム外筒（
６）で囲まれる外径側ヘリウム流路（２２）に連通して
いる。

コイル取付軸（２）に形成された軸端ヘリウム流路穴（
１９）は、第１０図に示すように、コイル取付軸（２）
内径側の液体ヘリウム溜シ（１５）とコイル取付軸（２
）外径側のヘリウム流路（２２）を連通している。

ここで、超電導回転電機においては、超電導界磁コイル
の極低温冷却をいかにして行うかという点に重要な技術
問題がある。超電導界磁コイルを超電導状態にするため
には、超電導遷移温度以下に冷却することが必要であシ
、現在ではヘリウム冷却媒体として、絶対温度ＩＫない
し２０Ｋに保持することが行われている。一方、かかる
極低温状態においては、超電導界磁コイルの比熱が極め
て小さくなっているため、超電導界磁コイル内の微少な
発熱、あるいは超電導界磁コイルへのわずかな侵入熱量
によって、超電導界磁コイルの温度が上昇し、超電導遷
移温度を越える恐れが常に存在する。したがって、超電
導界磁コイル内の微少な発熱、あるいは超電導界磁コイ
ルへのわずかな侵入熱量をいかに速やかに除去し、もっ
て超電導界磁コイルの温度上昇をおさえるかが、超電導
回転電機の設計上重要なポインとである。

次に、上記従来装置の動作について説明する。

超電導界磁コイル（３）内の微少な発熱、あるいは超電
導界磁コイル（３）へのわずかな侵入熱が生じると、こ
の熱は導体の周囲に存在しているヘリウムに吸収される
。熱を吸収したヘリウムは膨張し、密度が小さくなるの
で、遠心力場の自然対流によシ、絶縁スペーサ（２１）
の下部半径方向穴（２１ａ）を通シ抜け、コイル取付軸
（２）に加工されたヘリウム流路穴（２０）を通じて、
液体ヘリウム溜）（１５）に出る。この熱を吸収したヘ
リウムは、液体ヘリウム溜ｐ　（１５）において、一部
蒸発することによって熱を放散する。一方、超電導界磁
コイル（３）の周すで生じる液体ヘリウムの不足は、液
体ヘリウム溜、！ｌ）　（１５）から軸端ヘリウム流路
穴（１９）および外径側ヘリウム流路（２２）を経由し
て、ウェッジ（１７）相互間の間隙を通シ、絶縁スペー
サ（２１）の上部半径方向穴（２１ｂ）から流入する液
体ヘリウムによって補われる。このような自然循環を行
うことによって超電導界磁コイル（３）の冷却が行われ
る。

〔発明が解決しようとする問題点９ 以上のような従来の超電導回転電機の回転子では、外径
側ヘリウム流路（２２）を形成するため、ヘリウム外筒
（６）はその両端でコイル取付軸（２）に溶接で固定さ
れるが、他の部分はコイル取付軸とは隙間を持っている
。このため、落雷等による系統短絡事故で回転子に巨大
な過渡トルクが加ゎつた場合、ヘリウム外筒（６）とコ
イル取付軸（２）の間で異なるねじシ振動を発生し、ヘ
リウム外筒（６）の両端の溶接部（６ａ）に破損を生じ
、ヘリウム容器内部の液体ヘリウムが真空部（１４）へ
漏れ出ることによシ、真空度が低下する。そうすると、
極低温部に侵入する熱が増加し、超電導界磁コイル（３
）の温度が上昇し、超電導遷移温度を越え、超電導界磁
コイル（３）がクエンチすることによシ、超電導回転電
機の運転が不能となる恐れがあるという問題点があった
。

この発明はかかる問題点を解決するためになされたもの
で、超電導界磁コイルの冷却に必要な液体ヘリウムの流
れを損うことなく、かつ、系統事故に起因するヘリウム
外筒の溶接部破損を防止することができる超電導回転電
機の回転子を得ることを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明に係る超電導回転電機の回転子は、ヘリウム外
筒をその両端部でコイル取付軸に嵌合し、かつ、溶接結
合している。また、ヘリウム外筒とウェッジ間に外径側
ヘリウム流路となる隙間を設けるとともに、ヘリウム外
筒の内周面にヘリウム流路となる軸方向溝またはスパイ
ラル溝が形成されている。

〔作用〕 この発明においては、ヘリウム外筒とコイル取付軸との
結合が強化されたことによシ、系統事故時に両者は一体
となってねじシ振動を呈する。また、コイル取付軸の外
径側へ流出した液体ヘリウムは、ヘリウム外筒円周面の
溝、外径側ヘリウム流路を通って、極小の流れ損失で超
電導界磁コイルへ円滑に流れる。

〔実施例〕

第１図〜第４図はこの発明の一実施例を示し、第１図に
おいて、ヘリウム外筒（６）はその両端部でコイル取付
軸（２）に焼成められておシ、両端部は液体ヘリウムが
真空部（１４）に漏れるのを防ぐための溶接部（６ｂ）
となっている。

第２図において、（２３）は円周方向に形成されたヘリ
ウム分配溝で、液体ヘリウム溜ｐ　（１ｓ）から流出し
た液体ヘリウムは、軸端ヘリウム流路穴（１９）を通シ
、ヘリウム分配溝（２３）へ流れ込むようになっている
。

第３図において、ヘリウム外筒（６）の内周面に複数の
軸方向溝（２４）が形成されている。

第４図において、ウェッジ（１７）の外表面は、ティー
ス（１８）の外表面よシ内方に位置し、ウェッジ（１７
）とヘリウム外筒（６）の間に外径側ヘリウム流路（２
２）が形成されている。

その他、第６図〜第１０図におけると同一符号は同一部
分である。

以上の構成により、ヘリウム分配溝（２３）からの液体
ヘリウムはヘリウム外筒（６）内周面の軸方向溝（２４
）を通シ、ウェッジ（１７）とヘリウム外筒（６）間に
形成された外径側ヘリウム流路（２２）に流れる。第４
図において、外径側ヘリウム流路（２２）の液体ヘリウ
ムは、ウェッジＣ１７）相互間の隙間から絶縁スペーサ
（２１）の上部半径方向穴（ｚｌｂ）を通って超電導界
磁コイル部へ流入し、超電導界磁コイル（３）を冷却す
る。超電導界磁コイル（３）を冷却して温度上昇した液
体ヘリウムは、絶縁スペーサ（２１）の下部半径方向穴
（２ｔａ）からスロット部ヘリウム流路穴（２０）を通
シ、液体ヘリウム溜、り　（ｔＳ）へ流出する。

第５図は他の実施例を示し、ヘリウム外筒（６）の内周
面にスパイラル溝（２５）が形成されている。

その他の構成は前記の実施例と同様であシ、作用、効果
も同様である。

なお、コイル取付軸（２）とヘリウム外筒（６）との嵌
め合いは、冷し嵌めとしてもよく、同様の効果を奏する
。

〔発明の効果〕

以上の説明から明らかなように、この発明は、ヘリウム
外筒はコイル取付軸に焼成めまたは冷し嵌めによって嵌
合された上に溶接結合されているので、落雷等の系統短
絡事故で回転子に巨大な過渡トルクが加わシ回転子にね
じシ振動が発生しても、ヘリウム外筒とコイル取付軸は
一体として挙動し、ヘリウム外筒の両端のコイル取付軸
との溶接部に剪断力が加わらない。したがって、溶接部
に破損の恐れはなく、液体ヘリウムの漏れを生じること
のない、信頼性の高い構造となる。

また、ヘリウム外筒とウェッジ間に外径側ヘリウム流路
を設げ、かつ、ヘリウム外筒の内周面に軸方向溝または
スパイラル溝を設けたので、コイル取付軸内径側の液体
ヘリウム溜シよジ軸端ヘリウム流路穴、ヘリウム分配溝
を通シ、コイル取付軸外径側へ流出した液体ヘリウムは
、ヘリウム外筒内周面の溝、外径側ヘリウム流路を通）
、スロット内に収納された超電導界磁コイルへ円滑に流
れ、超電導界磁コイルを効果的に冷却することができる
。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例の縦断面図、第２図は第１
図のＩｆ−ｎ線に沿う平面での断面図、第３図は第１図
におけるヘリウム外筒の斜視図、第４図は第１図のＩＶ
−■線に沿う平面での断面図、第５図は他の実施例のヘ
リウム外筒の斜視図、第６図は従来の超電導回転電機の
回転子の縦断面図、第７図は第６図のものの超電導界磁
コイルの斜視図、第８図は第６図のもののコイル取付軸
の斜視図、第９図は第６図のＩＸ−ＩＸ線に沿う平面で
の断面図、第１Ｏ図は第６図のＸ−Ｘ線に沿う平面での
断面図である。 （２）・・コイル取付軸、（３）・・超電導界磁コイル
、（６）・・ヘリウム外筒、（６ｂ）・・溶接部、（１
５）・・液体ヘリウム溜シ、（１６）・・スロット、（
１７）・・ウェッジ、（１８）・・ティース、（１９）
・・軸端ヘリウム流路穴、（２０）・・スロット部ヘリ
ウム流路穴、（２２）・・外径側ヘリウム流路、（２３
）・・ヘリウム分配溝、（２４）・・軸方向溝、（２５
）・・スパイラル溝。 なお、各図中、同一符号は同−又は相当部分を示す。 Ｗ、２図 Ｗ）３図 昂４図 ２２　　ニ　タト色側ヘリウム災す 島５図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）表面に超電導界磁コイルを収納したスロットが形
   成されているコイル取付軸と、前記超電導界磁コイルを
   前記スロット内に保持しているウェッジと、前記コイル
   取付軸に両端部で嵌合、溶接されているヘリウム外筒と
   を備え、前記ウェッジの外表面と前記ヘリウム外筒間に
   外径側ヘリウム流路を形成するとともに、前記ヘリウム
   外筒の内周面にヘリウム流路をなす軸方向溝およびスパ
   イラル溝のいずれかを形成してなる超電導回転電機の回
   転子。
2. （２）コイル付軸とヘリウム外筒との嵌合が、焼嵌めお
   よび冷し嵌めのいずれかによる特許請求の範囲第１項記
   載の超電導回転電機の回転子。