(57)【要約】【課題】回転子コアの大きさを変えずに真空容器の内部（真空層）を広くすることができ、回転子コアの低温脆性を防止することなどが可能な構造の界磁超電導回転機の回転子を提供する。【解決手段】界磁コイルに超電導コイル３５を用いた界磁超電導回転機の回転子３１の構成を、回転子コア中央部３２Ａと回転子コア中央部３２Ａから径方向外側に向かって突出した回転子コア突極部３２Ｂと真空容器３３とを有し、回転子コア突極部３２Ｂは周方向内側に位置する基端部３２Ｂ−１と径方向外側に位置する先端部３２Ｂ−２とからなり、基端部３２Ｂ−１は先端部３２Ｂ−２よりも周方向及び軸方向の幅が狭く、真空容器３３は回転子コア中央部３２Ａと先端部３２Ｂ−２との間かつ基端部３２Ｂ−１の外周面に沿って環状に開口部を先端部３２Ｂ−２側に向けて配置され、開口部が先端部３２Ｂ−２によって閉塞されている構成とする。【選択図】図３
2015186269.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
界磁コイルに超電導コイルを用いた界磁超電導回転機の回転子であって、
回転軸が嵌挿された回転子コア中央部と、前記回転子コア中央部から径方向外側に向かって突出した複数の回転子コア突極部と、支持部材を介して前記超電導コイルを格納する真空容器とを有し、
前記回転子コア突極部は、前記回転子コア中央部側に位置する回転子コア突極基端部と前記回転子コア突極基端部よりも径方向外側に位置する回転子コア突極先端部とからなり、
前記回転子コア突極基端部は前記回転子コア突極先端部よりも周方向及び軸方向の幅が狭く、
前記真空容器は、前記回転子コア中央部と前記回転子コア突極先端部との間であり前記回転子コア突極基端部の外周面に沿って環状に、開口部を前記回転子コア突極先端部側に向けて配置され、前記開口部が前記回転子コア突極先端部によって閉塞されていることを特徴とする界磁超電導回転機の回転子。
【請求項２】
請求項１に記載する界磁超電導回転機の回転子において、
前記真空容器の環状内側の側面は、前記回転子コア突極基端部の外周面と離間しており、
前記真空容器の環状外側の側面と環状内側の側面とには、それぞれ前記回転子コア突極先端部側の端縁における該環状外側と環状内側の側面から該真空容器の外部側に突出する突出部が突設され、
前記突出部が前記回転子コア突極先端部に固定されている
ことを特徴とする界磁超電導回転機の回転子。
【請求項３】
請求項１に記載する界磁超電導回転機の回転子において、
前記真空容器の環状内側の側面は、前記回転子コア突極基端部の外周面に接しており、
前記真空容器の環状外側の側面には、前記回転子コア突極先端部側の端縁における該環状外側の側面から該真空容器の外部側に突出する第１の突出部が突設され、
前記真空容器の環状内側の側面には、前記回転子コア突極先端部側の端縁における該環状内側の側面から該真空容器の内部側に突出する第２の突出部が突設され、
前記第１の突出部と前記第２の突出部とが、前記回転子コア突極先端部に固定されている
ことを特徴とする界磁超電導回転機の回転子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は界磁コイルに超電導コイルを用いた界磁超電導回転機（電動機・発電機）の回転子に関する。
【背景技術】
【０００２】
図５は特許文献１に開示されている従来の界磁超電導回転機の回転子の１極分を示す断面図であり、真空容器と回転子コアを示している。図５に示すように、界磁超電導回転機の回転子１は、回転子コア２に真空容器３を取り付けた構成になっている。真空容器３の内部には超電導コイル４が格納されている。なお、図５において、５は熱遮蔽体、６は第１の冷却導管、７は第２の冷却導管である。
【０００３】
回転子１に用いた超電導コイル４に大電流を流すには、超電導コイル４を極低温に冷却して超電導状態にしなければならない。この冷却にかかるコストは、冷やす対象である超電導コイル４への侵入熱で決まる。従って、この侵入熱を低減するために超電導コイル４を真空容器３の内部に格納する必要があり、超電導コイル４をＦＲＰなどの熱伝導率の小さい支持部材で支持している（図５では図示を省略している）。このとき、真空容器３の外部から超電導コイル４までの伝導熱は支持部材の長さに反比例するため、支持部材の長さを長くして侵入熱を抑えることにより、超電導コイル４に必要な冷却性能を低減して冷凍機を小さくすることが好ましい。
【０００４】
図６は特許文献２に開示されている従来の界磁超電導回転機の断面図である。図６に示すように、特許文献２では超電導コイル１１と回転子コア１２の両方をまとめて真空容器１３に入れる構造が提案されている。真空層１４を回転子１５の外側に設けることで、超電導コイル１１から真空層１４の外周部までの距離を保つことにより、超電導コイル１１への伝導熱を低減するこのでき、且つ回転子コア１２のサイズを保つことができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平９−３０８２２２号公報
【特許文献２】特開２００７−６０７４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、図５に示す特許文献１の界磁超電導回転機では、真空容器３が回転子コア２に取り付けられているため、支持部材の超電導コイル４から真空容器３の外周部までの長さを長くすると、真空容器３が大きく回転子コア２が小さくなり、トルクなどの性能が低下してしまうという問題がある。また、回転子コア２の大きさを保つと、回転機が大型化してしまうという問題が生じる。
【０００７】
また、図６に示す特許文献２の界磁超電導回転機では、回転子１５と固定子１６との間に真空層１４を設けた構造であるため、回転子１５と固定子１６の間のギャップが大きくなってしまうという問題がある。また、回転子コア１２を形成している鉄は極低温において脆性を示すので、回転子コア１２に対する強度の信頼性が低下するという問題がある。
【０００８】
従って、本発明は上記の事情に鑑み、回転子コアの大きさを変えずに真空容器の内部（真空層）を広くすることができ、回転子コアの低温脆性を防止することが可能な構造の界磁超電導回転機の回転子を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決する第１発明の界磁超電導回転機の回転子は、界磁コイルに超電導コイルを用いた界磁超電導回転機の回転子であって、
回転軸が嵌挿された回転子コア中央部と、前記回転子コア中央部から径方向外側に向かって突出した複数の回転子コア突極部と、支持部材を介して前記超電導コイルを格納する真空容器とを有し、
前記回転子コア突極部は、前記回転子コア中央部側に位置する回転子コア突極基端部と前記回転子コア突極基端部よりも径方向外側に位置する回転子コア突極先端部とからなり、
前記回転子コア突極基端部は前記回転子コア突極先端部よりも周方向及び軸方向の幅が狭く、
前記真空容器は、前記回転子コア中央部と前記回転子コア突極先端部との間であり前記回転子コア突極基端部の外周面に沿って環状に、開口部を前記回転子コア突極先端部側に向けて配置され、前記開口部が前記回転子コア突極先端部によって閉塞されている
ことを特徴とする。
【００１０】
また、第２発明の界磁超電導回転機の回転子は、第１発明の界磁超電導回転機の回転子において、
前記真空容器の環状内側の側面は、前記回転子コア突極基端部の外周面と離間しており、
前記真空容器の環状外側の側面と環状内側の側面とには、それぞれ前記回転子コア突極先端部側の端縁における該環状外側と環状内側の側面から該真空容器の外部側に突出する突出部が突設され、
前記突出部が前記回転子コア突極先端部に固定されている
ことを特徴とする。
【００１１】
また、第３発明の界磁超電導回転機の回転子は、第１発明の界磁超電導回転機の回転子において、
前記真空容器の環状内側の側面は、前記回転子コア突極基端部の外周面に接しており、
前記真空容器の環状外側の側面には、前記回転子コア突極先端部側の端縁における該環状外側の側面から該真空容器の外部側に突出する第１の突出部が突設され、
前記真空容器の環状内側の側面には、前記回転子コア突極先端部側の端縁における該環状内側の側面から該真空容器の内部側に突出する第２の突出部が突設され、
前記第１の突出部と前記第２の突出部とが、前記回転子コア突極先端部に固定されている
ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
第１発明の界磁超電導回転機の回転子によれば、界磁コイルに超電導コイルを用いた界磁超電導回転機の回転子であって、回転軸が嵌挿された回転子コア中央部と、前記回転子コア中央部から径方向外側に向かって突出した複数の回転子コア突極部と、支持部材を介して前記超電導コイルを格納する真空容器とを有し、前記回転子コア突極部は、前記回転子コア中央部側に位置する回転子コア突極基端部と前記回転子コア突極基端部よりも径方向外側に位置する回転子コア突極先端部とからなり、前記回転子コア突極基端部は前記回転子コア突極先端部よりも周方向及び軸方向の幅が狭く、前記真空容器は、前記回転子コア中央部と前記回転子コア突極先端部との間であり前記回転子コア突極基端部の外周面に沿って環状に、開口部を前記回転子コア突極先端部側に向けて配置され、前記開口部が前記回転子コア突極先端部によって閉塞されていることを特徴としているため、回転子コアの突極部が真空容器の蓋として機能し、真空容器の蓋と回転子コアの突極部が別々に備えられている回転子と比較して、回転子コアの大きさを変えずに、蓋の厚さ分だけ真空容器の内部（真空層）を広くすることができる。真空容器の内部（真空層）を広くすることができる分だけ、超電導コイルを支持する支持部材の長さを長くすることができるため、超電導コイルへの伝導熱を低減することができる。また、伝導熱の低減により、鉄製の回転子コア突極部（真空容器の蓋を兼ねている）の温度低下を抑制することができるため、回転子コアの低温脆性による信頼性の低下もない。また、侵入熱を抑えることにより、必要な冷却能力を低減することが可能となり、冷凍機を小さくすることができる。
【００１３】
第２発明の界磁超電導回転機の回転子によれば、第１発明の界磁超電導回転機の回転子において、前記真空容器の内側の側面は、前記回転子コア突極基端部の外周面と離間しており、前記真空容器の外側の側面と内側の側面とには、それぞれ前記回転子コア突極先端部側の端縁における該環状外側と環状内側の側面から該真空容器の外部側に突出する突出部が突設され、前記突出部が前記回転子コア突極先端部に固定されていることを特徴としているため、簡易な構成で確実に回転子コア突極先端部を、真空容器の蓋として真空容器に取り付けることができる。
【００１４】
第３発明の界磁超電導回転機の回転子によれば、第１発明の界磁超電導回転機の回転子において、前記真空容器の内側の側面は、前記回転子コア突極基端部の外周面に接しており、前記真空容器の外側の側面には、前記回転子コア突極先端部側の端縁における該環状外側の側面から該真空容器の外部側に突出する第１の突出部が突設され、前記真空容器の内側の側面には、前記回転子コア突極先端部側の端縁における該環状内側の側面から該真空容器の内部側に突出する第２の突出部が突設され、前記第１の突出部と前記第２の突出部とが、前記回転子コア突極先端部に固定されていることを特徴としているため、ねじ止めのスペース分だけ真空容器の内部（真空層）を広くするこことができ、支持部材の長さを長くすることができるため、伝導熱を更に低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施の形態例１に係る界磁超電導回転機の回転子を一部破断して示す斜視図である。
【図２】図１のII−II矢視断面図である。
【図３】図２に示す本発明の実施の形態例１に係る界磁超電導回転機の回転子の１極分を拡大して示す断面図である。
【図４】本発明の実施の形態例２に係る界磁超電導回転機の回転子の１極分を示す断面図である。
【図５】従来の界磁超電導回転機の回転子の１極分を示す断面図である。
【図６】従来の界磁超電導回転機の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態例を図面に基づき詳細に説明する。
【００１７】
＜実施の形態例１＞
図１から図３に基づき、本発明の実施の形態例１に係る界磁超電導回転機の回転子について説明する。なお、図１から図３には極数が４極の回転子を例示しているが、これに限定するものではなく、本発明は極数が４極以外の回転子にも適用することができる。
【００１８】
図１から図３に示すように、界磁超電導回転機の回転子３１は、回転子コア３２と真空容器３３とを有している。
【００１９】
回転子コア３２は鉄製であり、断面視矩形状に形成されるとともにその中心部に回転子３１の回転軸であるシャフト３４が嵌挿された中央部（以下、回転子コア中央部という）３２Ａと、回転子コア中央部３２Ａの周面から回転子３１の径方向外側に向かって突出した４つの突極部（以下、回転子コア突極部という）３２Ｂとを有している。回転子コア突極部３２Ｂは、基端部（以下、回転子コア突極基端部という）３２Ｂ−１と、先端部（以下、回転子コア突極先端部という）３２Ｂ−２とを有している。回転子コア突極基端部３２Ｂ−１は断面視矩形状をなして回転子コア中央部３２Ａ側に位置している。回転子コア突極先端部３２Ｂ−２は断面視概ね椀形状（回転子コア中央部３２Ａ側の面が平面状である一方、回転子コア中央部３２Ａとは反対側の面が断面からみてシャフト３４と同心をなす円弧状となっている）をなして、回転子コア突極基端部３２Ｂ−１よりも回転子３１の径方向外側に位置している。
【００２０】
ここで、回転子コア突極基端部３２Ｂ−１は、回転子コア突極先端部３２Ｂ−２に比べて、回転子３１の周方向及び軸方向の幅が狭くなっている。これにより回転子コア中央部３２Ａと回転子コア突極先端部３２Ｂ−２との間であって、回転子コア突極基端部３２Ｂ−１の外周面に沿って環状に空間が形成された状態となっており、この空間に環状に形成された真空容器３３が回転子コア突極基端部３２Ｂ−１とは離間して配設されている。
【００２１】
真空容器３３は、環状外側（基端部３２Ｂ−１から遠い側）に位置する側面３３ａと、環状内側（基端部３２Ｂ−１に近い側）に位置する側面３３ｂと、回転子コア中央部３２Ａ側に位置する底面３３ｃとを有している一方、回転子コア突極先端部３２Ｂ−２側が開口している。この真空容器３３の内部（真空層）３３ｆには界磁コイルとして用いた超電導コイル３５が格納されている。
【００２２】
そして、真空容器３３は、その開口部が回転子コア突極先端部３２Ｂ−２の回転子コア中央部３２Ａ側の面により閉塞されて密封された状態となっている。具体的には、真空容器３３の環状外側の側面３３ａ及び環状内側の側面３３ｂに、それぞれの回転子コア突極先端部３２Ｂ−２側の端縁（回転子コア突極先端部３２Ｂ−２側の端部）から側面３３ａ，３３ｂに直交し且つ真空容器３３の外部側に突出する突出部３３ｄ，３３ｅが突設されており、この真空容器３３の突出部３３ｄ，３３ｅを六角穴付きのねじ３６によって回転子コア突極先端部３２Ｂ−２に締結することにより、真空容器３３が回転子コア突極先端部３２Ｂ−２に固定され、真空容器３３の開口部が回転子コア突極先端部３２Ｂ−２によって閉塞されている。即ち、回転子突極先端部３２Ｂ−２は、真空容器３３と一体化されており、回転子コアとしての機能と真空容器３３の蓋としての機能とを兼ねているのである。なお、ねじ３６は、回転子３１の断面視径方向内側から突出部３３ｄ，３３ｅに挿通されて真空容器３３と回転子コア突極先端部３２Ｂ−２とを締結している。
【００２３】
かくして、回転子コア突極先端部３２Ｂ−２が、真空容器３３の蓋として機能し、真空容器３３を密封している。なお、真空容器３３の内部（真空層）３３ｆへの空気の流入を確実に防止するため、真空容器３３の突出部３３ｄ，３３ｅと、回転子コア突極先端部３２Ｂ−２との間には、真空シール３７が介設されている。
【００２４】
真空容器３３の内部（真空層）３３ｆに格納されている超電導コイル３５は、真空容器３３の内部（真空層）３３ｆに設けられた支持部材３８ａ，３８ｂ，３８ｃによって支持されている。支持部材３８ａは、超電導コイル３５と、回転子コア突極先端部３２Ｂ−２との間に介設されている。支持部材３８ｂは、超電導コイル３５と、真空容器３３の側面３３ａとの間に介設されている。支持部材３８ｃは、超電導コイル３５と、真空容器３３の底面３３ｃとの間に介設されている。
【００２５】
なお、図１から図３では図面を見やすくするために超電導コイル３５の冷却構造を省略している。当該冷却構造としては、超電導コイル３５に直接冷凍機のコールドヘッドを接触させた構造でもよく、図５と同様に冷却導管を超電導コイル３５に接触させた構造でもよく、更には真空容器３３を２重構造とし、超電導コイル３５を冷媒に浸漬した構造でもよい。
【００２６】
以上のように、本実施の形態例１の界磁超電導回転機の回転子３１によれば、界磁コイルに超電導コイル３５を用いた界磁超電導回転機の回転子３１であって、回転軸３４が嵌挿された回転子コア中央部３２Ａと、回転子コア中央部３２Ａから径方向外側に向かって突出した複数の回転子コア突極部３２Ｂと、支持部材３８ａ，３８ｂ，３８ｃを介して超電導コイル３５を格納する真空容器３３とを有し、回転子コア突極部３２Ｂは、回転子コア中央部３２Ａ側に位置する回転子コア突極基端部３２Ｂ−１と回転子コア突極基端部３２Ｂ−１よりも径方向外側に位置する回転子コア突極先端部３２Ｂ−２とからなり、回転子コア突極基端部３２Ｂ−１は回転子コア突極先端部３２Ｂ−２よりも周方向及び軸方向の幅が狭く、真空容器３３は、回転子コア中央部３２Ａと回転子コア突極先端部３２Ｂ−２との間であり回転子コア突極基端部３２Ｂ−１の外周面に沿って環状に、開口部を回転子コア突極先端部３２Ｂ−２側に向けて配置され、開口部が回転子コア突極先端部３２Ｂ−２によって閉塞されていることを特徴としているため、真空容器の蓋と回転子コアの突極部が別々に備えられている回転子と比較して、回転子コア３２の大きさを変えずに、蓋の厚さ分だけ真空容器３３の内部（真空層）３３ｆを広くすることができる。真空容器３３の内部（真空層）３３ｆを広くすることができる分だけ、超電導コイル３５を支持する支持部材３８ａの長さを長くすることができるため、超電導コイル３５への伝導熱を低減することができる。また、伝導熱の低減により、鉄製の回転子コア突極部３２Ｂ（真空容器３３の蓋を兼ねている）の温度低下を抑制することができるため、回転子コア３２の低温脆性による信頼性の低下もない。また、侵入熱を抑えることにより、必要な冷却能力を低減することが可能となり、冷凍機を小さくすることができる。
【００２７】
また、本実施の形態例１の界磁超電導回転機の回転子３１によれば、真空容器３３の環状内側の側面３３ｂは、回転子コア突極基端部３２Ｂ−１の外周面と離間しており、真空容器３３の環状外側の側面３３ａと環状内側の側面３３ｂとには、それぞれ回転子コア突極先端部３２Ｂ−２側の端縁（回転子コア突極先端部３２Ｂ−２側の端部）における該真空容器３３の環状外側の側面３３ａと環状内側の側面３３ｂから外部側に突出する突出部３３ｄ，３３ｅが突設され、突出部３３ｄ，３３ｅが回転子コア突極先端部３２Ｂ−２に固定されていることを特徴としているため、簡易な構成で確実に回転子コア突極先端部３２Ｂ−２を、真空容器３３の蓋として真空容器３３に取り付けることができる。
【００２８】
＜実施の形態例２＞
図４に基づき、本発明の実施の形態例２に係る界磁超電導回転機の回転子について説明する。なお、図４には極数が４極の回転子を例示しているが、これに限定するものではなく、本発明は極数が４極以外の回転子にも適用することができる。また、図４において、上記実施の形態例１と同様の部分には同一の符号を付し、重複する詳細な説明は省略する。
【００２９】
図４に示すように、本実施の形態例２では、回転子コア突極先端部３２Ｂ−２が真空容器３３の蓋として兼用されていることは上記実施の形態例１と同様であるが、回転子コア突極先端部３２Ｂ−２と真空容器３３との結合の仕方が上記実施の形態例１とは異なっている。
【００３０】
詳述すると、図４に示すように、本実施の形態例２の界磁超電導回転機の回転子４１では、真空容器３３の環状外側の側面３３ａには、その回転子コア突極先端部３２Ｂ−２側の端縁における真空容器３３の環状外側の側面３３ａから回転子３１の周方向であって真空容器３３の外部側に突出する突出部３３ｄ（第１の突出部）が突設されている一方、真空容器３３の環状内側の側面３３ｂには、その端縁における真空容器３３の環状内側の側面３３ｂから回転子３１の周方向であって真空容器３３の内部側に突出する突出部３３ｅ（第２の突出部）が突設されている。
【００３１】
環状外側の側面３３ａに突設された突出部３３ｄ（第１の突出部）と、回転子コア突極先端部３２Ｂ−２とは、突出部３３ｄ（第１の突出部）の側（図４の下側）から挿通された六角穴付きのねじ３７によって締結されている。
【００３２】
一方、環状内側の側面３３ｂに突設された突出部３３ｅ（第２の突出部）と、回転子コア突極先端部３２Ｂ−２は、回転子コア突極先端部３２Ｂ−２の側（図４の上側）から挿通された六角穴付きのねじ３７によって締結されている。つまり、本実施の形態例２と上記実施の形態例１とでは、ねじ止めの方向が上下逆になっている。
そして、本実施の形態例２では、真空容器３３の基端部３２Ｂ−１側の外部にねじ止めのスペースが不要になった分だけ、真空容器３３の側面３３ｂが、回転子コア突極基端部３２Ｂ−１に近づいて当該基端部３２Ｂ−１の外周面に接している。このため、真空容器３３の内部（真空層）３３ｆが広くなっている。
【００３３】
なお、その他の構成については、上記実施の形態例１と同様である。
【００３４】
以上のように、本実施の形態例２の界磁超電導回転機の回転子４１によれば、真空容器３３の環状内側の側面３３ｂは、回転子コア突極基端部３２Ｂ−１の外周面に接しており、真空容器３３の環状外側の側面３３ａには、回転子コア突極先端部３２Ｂ−２側の端縁における真空容器３３の環状外側の側面３３ａから該真空容器３３の外部側に突出する突出部３３ｄが突設され、真空容器３３の環状内側の側面３３ｂには、回転子コア突極先端部３２Ｂ−２側の端縁（回転子コア突極先端部３２Ｂ−２側の端部）における該真空容器３３の環状内側の側面３３ｂから該真空容器３３の内部側に突出する突出部３３ｅが突設され、突出部３３ｄ，３３ｅが、回転子コア突極先端部３２Ｂ−２に固定されていることを特徴としているため、ねじ止めのスペース分だけ真空容器３３の内部（真空層）３３ｆを広くするこことができ、支持部材３８ｄの長さを長くすることができるため、伝導熱を更に低減することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本発明は界磁コイルに超電導コイルを用いた界磁超電導回転機の回転子に関するものであり、回転子コアの大きさを変えずに真空容器の内部（真空層）を広くし、回転子コアの低温脆性を防止する場合などに適用して有用なものである。
【符号の説明】
【００３６】
３１  界磁超電導回転機の回転子
３２  回転子コア
３２Ａ  回転子コア中央部
３２Ｂ  回転子コア突極部
３２Ｂ−１  回転子コア突極基端部
３２Ｂ−２  回転子コア突極先端部
３３  真空容器
３３ａ，３３ｂ  真空容器の側面
３３ｃ  真空容器の底面
３３ｄ，３３ｅ  真空容器の突出部
３３ｆ  真空容器の内部（真空層）
３４  シャフト
３５  超電導コイル
３６  ねじ
３７  真空シール
３８ａ，３８ｂ，３８ｃ，３８ｄ  支持部材
４１  界磁超電導回転機の回転子
【図１】
2015186269.tif 000003
【図２】
2015186269.tif 000004
【図３】
2015186269.tif 000005
【図４】
2015186269.tif 000006
【図５】
2015186269.tif 000007
【図６】
2015186269.tif 000008