JP3788702B2 - 超電導回転電機の回転子 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、超電導回転電機の回転子に関し、詳しくは、超電導回転電機の回転子を構成する超電導界磁巻線と、当該超電導界磁巻線にスリップリングや電流リード線を介して界磁電流を供給する励磁電源と、上記超電導界磁巻線と並列に接続され中間タップを有する保護抵抗と、上記超電導界磁巻線にクエンチが発生した場合に上記超電導界磁巻線及び保護抵抗の回路と上記励磁電源とを断路する遮断器を備えた超電導回転電機の回転子に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
図10は、例えば特開昭57−166888号公報に示された従来の超電導回転電機の回転子の構造を示す断面図である。図中の1は、中空のトルクチューブで、その両端の一方側は駆動側端部軸2のフランジ部2aに、他方側は反駆動側端部軸3のフランジ部3aに固定されている。4はこのトルクチューブ1の中央部に形成された中空の巻線取付軸であり、5はこの巻線取付軸4に巻回固定された超電導界磁巻線である。
上記巻線取付軸4の外周部にはヘリウム外筒6が配設され、巻線取付軸4の両側面部のそれぞれには端板としてのヘリウム端板7が配設されて、冷媒の液溜め部としての液体ヘリウムの液溜め部8が形成されている。
9は常温ダンパで、その両端の一方側は駆動側端部軸2のフランジ部2aに、他方側は反駆動側端部軸3のフランジ部3aに固着されており、上記トルクチューブ1と巻線取付軸4とを包囲して配設されている。
10は上記巻線取付軸4と常温ダンパ9との間に配設された低温ダンパ、11は駆動側端部軸2及び反駆動側端部軸3を軸支する軸受、12はトルクチューブ1に形成あるいは配置された熱交換器、13は巻線取付軸4の両側面部の外側のトルクチューブ1内に設けられた側部輻射シールド、14は真空部である。
【0003】
15は界磁電流供給用のスリップリングで、反駆動側端部軸3に設けられている。16は電流リード線で、ヘリウム端板7を貫通し、超電導界磁巻線5とスリップリング15とを電気的に接続している。16aはこの電流リード線16を収納するパイプとしての電流リード線管である。17は反駆動側端部軸3の軸端に取り付けられたヘリウム給排装置、18は液体ヘリウムの液溜め部8とヘリウム給排装置17とを連通する液体ヘリウム供給管、19は液体ヘリウムの液溜め部8と熱交換器12とを連通するヘリウム配管、20は熱交換器12とヘリウム給排装置17とを連通するガスヘリウム排出管、21は電流リード線管16aとヘリウム給排装置17とを連通するガスヘリウム排出管である。尚、図11は上記超電導界磁巻線5の展開図である。
【0004】
図12は、上記従来の超電導回転電機の回転子の励磁回路である。図中の5は超電導界磁巻線、15はスリップリング、22は励磁電源で、超電導界磁巻線5に直列に接続されスリップリング15を介して超電導界磁巻線5に界磁電流を供給する。
23は遮断器で、超電導界磁巻線5に直列に接続され、超電導界磁巻線5にクエンチが発生すると開放する。24は保護抵抗で、超電導界磁巻線5に並列に接続され、超電導界磁巻線5にクエンチが発生すると投入される一定抵抗値Rを有する。
【0005】
次に動作について説明する。
超電導界磁巻線5が超電導状態では、超電導界磁巻線5は遮断器23を閉路して、スリップリング15を介して励磁電源22により励磁される。
超電導界磁巻線5にはクエンチと称される現象が存在する。ワイヤムーブメント等の微小振動による導体表面の発熱、或いは、外部磁界の変動による導体内部での発熱等が生じた場合には、超電導状態が部分的に常電導状態に転位する。この発熱が超電導界磁巻線5の冷却剤、例えば、液体ヘリウムの冷却能力より大きい場合には常電導部分が拡大し、伝播する。この間も電流は流れ続けており、ジュール損失により、超電導界磁巻線5の各部分の温度は更に上昇する。
超電導界磁巻線5のエネルギーが大きい場合には、超電導界磁巻線5は温度上昇により焼損する可能性がある。このため、超電導界磁巻線5のエネルギーを回転子外部に取り出し、クエンチが発生すると遮断器23を開路して、保護抵抗24に電流を流すことで、保護抵抗24でエネルギーを消費させ、超電導界磁巻線5の温度上昇を抑制する。
但し、保護抵抗24に電流が流れる瞬間、超電導界磁巻線5には電圧が発生する。超電導界磁巻線5の自己インダクタンスL、保護抵抗24の抵抗値R、回路に流れる電流Iの場合には、界磁電流の減衰時定数T=L/R、超電導界磁巻線5で発生する電圧はI×Rとなる。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
超電導回転電機を大容量化する場合、容量増大に伴い超電導界磁巻線5のインダクタンスや界磁電流が何れも増大し、超電導界磁巻線5に蓄えられるエネルギーも小容量機と比較して増大する。蓄積エネルギーは、例えば60万kW級発電機では20万kW級発電機の約3倍に増大する。
従って放電抵抗値が小容量機と同一の場合には超電導界磁巻線5の温度上昇が大きくなり、回転子外部でのエネルギー消費量を増大するには、保護抵抗24の抵抗値を大きくする必要がある。
しかし、保護抵抗が大きくなると、遮断器23の投入時に、超電導界磁巻線5で発生する電圧(界磁電流Iと保護抵抗Rの積)が数kVのレベルまで大きくなるため、大容量化すると超電導界磁巻線5の絶縁設計が困難になる。
本発明はこのような課題の解決を目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
請求項1の発明は、超電導界磁巻線と、当該超電導界磁巻線にスリップリングや電流リード線を介して界磁電流を供給する励磁電源と、回転子外部に設置されて上記超電導界磁巻線と並列に接続され中間タップを有する保護抵抗と、上記超電導界磁巻線にクエンチが発生した場合に上記超電導界磁巻線及び保護抵抗の回路と上記励磁電源とを断路する遮断器を備えた超電導回転電機の回転子において、上記超電導界磁巻線の極間位置と上記保護抵抗の中間タップ間を電気的に接続する中間リード線が設けられたことを特徴とする。
【0008】
請求項2の発明は、超電導界磁巻線を巻回する巻線取付軸の外周と内周を繋ぐ貫通穴を当該巻線取付軸の上記超電導界磁巻線の極間位置に設け、当該貫通穴に前記中間リード線を固定すると共に、上記巻線取付軸内周に取り出された中間リード線をスリップリングに接続する軸方向導体が設けられたことを特徴とする。
【0009】
請求項3の発明は、巻線取付軸に設けられた貫通穴に対して軸対称位置に当該貫通穴と同一形状の第2の貫通穴を設け、当該第2の貫通穴に中間リード線と同一重量のダミーリード線が固定されたことを特徴とする。
【0010】
請求項4の発明は、超電導界磁巻線と、当該超電導界磁巻線にスリップリングや電流リード線を介して界磁電流を供給する励磁電源と、回転子外部に設置されて上記超電導界磁巻線と並列に接続される保護抵抗と、上記超電導界磁巻線にクエンチが発生した場合に上記超電導界磁巻線及び保護抵抗の回路と上記励磁電源とを断路する遮断器を備えた超電導回転電機の回転子において、上記超電導界磁巻線を自己インダクタンスが1/3になるように等分割した位置と抵抗値が同一である3つの上記保護抵抗の中間位置が2本の中間リード線で電気的に接続されたことを特徴とする。
【0011】
【発明の実施の形態】
実施の形態1.
実施の形態1は、超電導界磁巻線の極間位置と保護抵抗の中間タップ間を電気的に接続する中間リード線を設けた構成としたものである。以下、図1に基づいて説明する。図は、2極の超電導回転電機の回転子における励磁回路の構成図を示す。尚、図示以外の箇所は従来例と同じである。
図中の5a、5bはそれぞれ超電導回転電機回転子のN極、S極の磁界を発生する超電導界磁巻線、5cはN極とS極の中間位置を示し、15はスリップリング、22は励磁電源、24a、24bは超電導界磁巻線5a、5bに並列接続されそれぞれ抵抗値Rを有する保護抵抗であり、23は超電導界磁巻線5a,5bにクエンチが発生すると励磁回路を開放する遮断器である。
又、24cは保護抵抗24a、24bの中間位置であり、25は極間位置5cと保護抵抗24a、24bの中間位置24cとを電気的に接続した中間リード線である。
【0012】
次に動作について説明する。
超電導界磁巻線5a、5bが超電導状態で抵抗が零の場合には、超電導界磁巻線5a、5bは遮断器23を閉路してスリップリング15を介して励磁電源22により励磁されることは従来技術で説明した通りである。
本実施の形態1においては、超電導界磁巻線5a、5bが外部からの擾乱等何らかの理由によりクエンチした場合、遮断器23にて励磁電源22の回路を切り離し、保護抵抗24a、24bに電流が流れることで、超電導界磁巻線5a、5b、保護抵抗24a、24b、極間位置5cと中間位置24cとの間を電気的に接続するように設けられた中間リード線25にて、2つの閉回路が形成されるので、超電導界磁巻線5a、5bに流れる界磁電流により蓄えられたエネルギーが保護抵抗24a、24bで消費される。
【0013】
超電導界磁巻線5a若しくは5bにクエンチが発生した場合、中間リード線25で2つの閉回路が形成されるため、自己インダクタンスLが中間リード線25を設けない場合の1/2に減少し、超電導界磁巻線5a、5bに流れる界磁電流の減衰時定数が1/2に減少する。
このことは、一方では外部抵抗でのエネルギー消費量が増加していることに対応しており、超電導界磁巻線5a、5bの温度上昇が抑制される。
又、保護抵抗24a、24bの抵抗値Rを、例えば、それぞれR/2にした場合は、界磁電流の減衰時定数は変化しないが、遮断器23の投入時に超電導界磁巻線5で発生する電圧は中間リード線25がない場合の1/2に減少することができ、超電導界磁巻線5の絶縁部材(図示なし)を損傷する可能性が低減される。
保護抵抗24a、24bの抵抗値を調整することで、超電導界磁巻線5に流れる界磁電流の減衰時定数と超電導界磁巻線5に発生する電圧を調整することが可能となるため、大容量超電導回転電機の界磁巻線の設計裕度が向上する。
【0014】
尚、中間リード線25には、超電導界磁巻線5a若しくは5bにクエンチが発生しない限り、電流は流れず、又、クエンチが発生した場合についても、流れる電流は数秒間と極めて短時間であり、ジュール損失による発熱が小さいため、可能な限り細いリード線の適用が可能となる。
【0015】
実施の形態2.
上記実施の形態1では、極間位置5cと中間位置24cとの間に設けられた中間リード線25にて2つの閉回路を形成することで、超電導界磁巻線5の温度上昇、絶縁部材(図示なし)の損傷可能性が低減されることを、電気回路による機能上の説明により示したが、ここでは、実施の形態2として、これを実現する具体的構造を図2乃至図5について説明する。尚、図2は回転子の構造を示す断面図で、図3は図2のA−A断面図、図4は図2のB−B断面図、図5は超電導界磁巻線の展開図である。
この図2乃至図5に示す例では、超電導界磁巻線5を巻回する巻線取付軸4に巻線取付軸4の外周と内周とを繋ぐ貫通穴27(以下、第1の貫通穴ともいう)を設け、この第1の貫通穴27に中間リード線25を固定すると共に、巻線取付軸4の内周に取り出された中間リード線25をスリップリング15に接続する軸方向導体28を設ける構成としてある。
従来の超電導界磁巻線5の電流リード線16では、磁極部分4aに設けた貫通穴29に通していたが、極間部分4bに設けられた貫通穴27から中間リード線25を取り出すことで、巻線取付軸4の外径側表面から渡す必要がなくなり、簡素で信頼性の高い構造を提供できる。
又、図5では一例として貫通穴27の軸方向位置を超電導界磁巻線5の中心に設けているが、貫通穴27は軸方向の任意の位置に設けても問題はない。
【0016】
実施の形態3.
上記実施の形態2では、超電導界磁巻線5を巻回する巻線取付軸4に巻線取付軸4の外周と内周を繋ぐ貫通穴27を設けることで、当該貫通穴27を介して中間リード線25を巻線取付軸4の外径側から内径側に通すことが構造上可能になる場合について述べたが、この実施の形態3では、図7に示すように、巻線取付軸4に設けた第1の貫通穴27の軸対称位置に、新たに当該第1の貫通穴27と同一形状の第2の貫通穴30を設け、当該第2の貫通穴30に前記中間リード線25と同一重量のダミーリード線31を配線、この例では固定した構成とした。
このように構成すると、超電導回転電機の回転子が回転する際に発生するアンバランスを解消することが可能となり、軸振動特性の向上につながる。
【0017】
実施の形態4.
上記実施の形態1では、極間位置5cと中間位置24cとを電気的に接続するように設けられた中間リード線25にて2つの閉回路を形成することで、超電導界磁巻線5の温度上昇、絶縁部材(図示なし)の損傷可能性が低減される場合について説明したが、この実施の形態4では、図9に示すように、超電導界磁巻線5を自己インダクタンスが1/3になるように5a、5b、5cと等分割した位置5d、5eと抵抗値が同一である保護抵抗24a、24b、24cの中間位置24d、24eに中間リード線25a、25bを電気的に接続する構成とした。このように構成すると、超電導界磁巻線5a、5b、5cの何れかにクエンチが発生した場合、中間リード線25a、25bにより3つの閉回路が形成されるため、自己インダクタンスLが中間リード線25がない場合の1/3に減少し、超電導界磁巻線5a、5b、5cに流れる界磁電流の減衰時定数が小さくなり、超電導界磁巻線5a、5b、5cの温度上昇を抑制させる。
又、保護抵抗24a、24b、24cの抵抗値Rを、例えば、それぞれR/3にした場合、遮断器23の投入時に超電導界磁巻線5に発生する電圧は、中間リード線がない場合の1/3に減少し、超電導界磁巻線5の絶縁部材(図示なし)を損傷する可能性が低減される。
以上のように、この実施の形態4によれば、大容量化に対する超電導界磁巻線設計の裕度が上記実施の形態1の場合より向上する。
又、上記実施の形態3を適用して、巻線取付軸4に設けた貫通穴27の軸対称位置に、新たに貫通穴27と同一形状の第2の貫通穴30を設けた場合には、中間リード線が25a、25bと2本存在することになるため、ダミーリード線31を採用することなく、超電導回転電機の回転子が回転する際に発生するアンバランスを解消することが可能となり、軸振動特性の向上につながる。
【0018】
【発明の効果】
請求項1の発明によれば、超電導界磁巻線がクエンチした場合、保護抵抗に電流が流れることで、中間リード線にて、2つの閉回路が形成されるので、超電導界磁巻線に流れる界磁電流により蓄えられたエネルギーを保護抵抗で消費させることができる。
又、中間リード線にて2つの閉回路が形成されるため、自己インダクタンスLが大幅に減少し、超電導界磁巻線に流れる界磁電流の減衰時定数を大幅に減少させることができ、従って又、超電導界磁巻線の温度上昇を大幅に抑制することができる。
又、保護抵抗の抵抗値Rを、例えば、それぞれR/2にした場合は、界磁電流の減衰時定数は変化しないが、遮断器投入時に超電導界磁巻線で発生する電圧は中間リード線がない場合の1/2に減少することができ、超電導界磁巻線の絶縁部材を損傷する可能性が著しく低減される。
又、保護抵抗の抵抗値を調整することで、超電導界磁巻線に流れる界磁電流の減衰時定数と超電導界磁巻線に発生する電圧を調整することが可能となるため、大容量超電導回転電機の界磁巻線の設計裕度が著しく向上する。
又、中間リード線には、超電導界磁巻線にクエンチが発生しない限り、電流は流れず、又、クエンチが発生した場合についても、流れる電流は数秒間と極めて短時間でありジュール損失による発熱が小さいため、可能な限り細いリード線の適用が可能となる。
【0019】
請求項2の発明によれば、極間位置に設けられた貫通穴から中間リード線を取り出すことで、巻線取付軸の外径側表面から渡す必要がなくなり、簡素で信頼性の高い構造を提供することができる。
【0020】
請求項3の発明によれば、超電導回転電機の回転子が回転する際に発生するアンバランスを解消することが可能となり、軸振動特性を著しく向上させることができる。
【0021】
請求項4の発明によれば、超電導界磁巻線の何れかにクエンチが発生した場合、中間リード線により3つの閉回路が形成されるため、自己インダクタンスLが大幅に減少し、超電導界磁巻線に流れる界磁電流の減衰時定数が小さくなり、超電導界磁巻線の温度上昇を抑制させることができる。
又、保護抵抗の抵抗値Rを、例えば、それぞれR/3にした場合、遮断器投入時に超電導界磁巻線に発生する電圧が、中間リード線がない場合の1/3に減少し、超電導界磁巻線の絶縁部材を損傷させる可能性が著しく低減される。
従って又、この実施の形態4によれば、大容量化に対する超電導界磁巻線設計の裕度をより一段と向上させることができる。
更に又、巻線取付軸に設けた貫通穴の軸対称位置に、新たに貫通穴と同一形状の第2の貫通穴を設けた場合には、中間リード線が2本存在することになるため、ダミーリード線を採用することなく、超電導回転電機の回転子が回転する際に発生するアンバランスを解消することが可能となり、軸振動特性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 実施の形態1を示す超電導回転電機の回転子の励磁回路を示す説明図である。
【図2】 実施の形態2を示す超電導回転電機の回転子の構造を示す断面図である。
【図3】 図2のA−A断面図である。
【図4】 図2のB−B断面図である。
【図5】 実施の形態2を示す超電導回転電機の超電導界磁巻線の展開図である。
【図6】 実施の形態3を示す超電導回転電機の回転子の構造を示す断面図である。
【図7】 図6のA−A断面図である。
【図8】 図6のB−B断面図である。
【図9】 実施の形態4を示す超電導回転電機の回転子の励磁回路を示す説明図である。
【図10】 従来の超電導回転電機の回転子の構造を示す断面図である。
【図11】 従来の超電導回転電機の超電導界磁巻線の展開図である。
【図12】 従来の超電導回転電機の回転子の励磁回路を示す説明図である
【符号の説明】
4 巻線取付軸、5 超電導界磁巻線、15 スリップリング、16 電流リード線、22 励磁電源、23 遮断器、24 保護抵抗、25 中間リード線、27 貫通穴、28 軸方向導体、29 貫通穴、31 ダミーリード線。
Claims (4)
- 超電導界磁巻線と、当該超電導界磁巻線にスリップリングや電流リード線を介して界磁電流を供給する励磁電源と、回転子外部に設置されて上記超電導界磁巻線と並列に接続され中間タップを有する保護抵抗と、上記超電導界磁巻線にクエンチが発生した場合に上記超電導界磁巻線及び保護抵抗の回路と上記励磁電源とを断路する遮断器を備えた超電導回転電機の回転子において、
上記超電導界磁巻線の極間位置と上記保護抵抗の中間タップ間を電気的に接続する中間リード線が設けられたことを特徴とする超電導回転電機の回転子。 - 超電導界磁巻線を巻回する巻線取付軸の外周と内周を繋ぐ貫通穴を当該巻線取付軸の上記超電導界磁巻線の極間位置に設け、当該貫通穴に前記中間リード線を固定すると共に、上記巻線取付軸内周に取り出された中間リード線をスリップリングに接続する軸方向導体が設けられたことを特徴とする請求項1に記載の超電導回転電機の回転子。
- 巻線取付軸に設けられた貫通穴に対して軸対称位置に当該貫通穴と同一形状の第2の貫通穴を設けて、当該第2の貫通穴に中間リード線と同一重量のダミーリード線が固定されたことを特徴とする請求項2に記載の超電導回転電機の回転子
- 超電導界磁巻線と、当該超電導界磁巻線にスリップリングや電流リード線を介して界磁電流を供給する励磁電源と、回転子外部に設置されて上記超電導界磁巻線と並列に接続される保護抵抗と、上記超電導界磁巻線にクエンチが発生した場合に上記超電導界磁巻線及び保護抵抗の回路と上記励磁電源とを断路する遮断器を備えた超電導回転電機の回転子において、
上記超電導界磁巻線を自己インダクタンスが1/3になるように等分割した位置と抵抗値が同一である3つの上記保護抵抗の中間位置が2本の中間リード線で電気的に接続されたことを特徴とする超電導回転電機の回転子。
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