(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
外側ダクトと内側ダクトとの間に導電性流体を流す流路が形成された二重円筒ダクトと、この二重円筒ダクトの外側ダクトの外周と内側ダクトの内周にそれぞれＵ，Ｖ，Ｗの三相コイルを配置した複数の積層鉄心ブロックと、これら積層鉄心ブロックのスロットにそれぞれ巻回され上記導電性流体が存在する上記流路に進行磁場を作る外側コイルおよび内側コイルとを備えた電磁ポンプにおいて、上記外側コイルおよび上記内側コイルの少なくとも一方のコイルの上記導電性流体の出口側における巻数のみを相対的に少なくしたことを特徴とする電磁ポンプ。
【請求項２】
請求項１記載の電磁ポンプにおいて、外側コイルおよび内側コイルの少なくとも一方のコイルにおいて、導電性流体の出口側端部のコイルから上流側複数個目のコイルの巻数を、そのコイルより出口側に設けられたコイルの巻数より少なくしたことを特徴とする電磁ポンプ。
【請求項３】
請求項１または２記載の電磁ポンプにおいて、外側コイルおよび内側コイルの少なくとも一方の同相コイルを１つおき以上離れたコイルと接続するとともに、上記同相コイルを数グループに分割して電気回路を構成したことを特徴とする電磁ポンプ。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載の電磁ポンプにおいて、同相コイルで並列回路を構成する場合、この並列回路の数のコイルを一つのグループとして、第１グループの同順のコイルと第２グループのコイルの逆順にしたものとを接続し、この第２グループの同順のコイルと第３グループのコイルの逆順にしたものとを接続するように、この規則性に従って上記同相コイルを順次並列に接続したことを特徴とする電磁ポンプ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、導電性流体に外部から進行磁場を与えて、この導電性流体に誘導電流を誘起させるとともに、この誘導電流と外部磁場との相互作用によりポンピング作用を起こさせる三相交流誘導型の電磁ポンプに関する。
【０００２】
【従来の技術】
三相交流誘導型の電磁ポンプは、三相交流巻線を電磁ポンプの流れの方向に各相の順に分布させて配置し、この三相交流巻線に三相交流電流を流すと、この電流の流れの方向に進行磁界が発生する。この進行磁界を導電性流体の存在するダクトの中を通るようにすると、フレミングの右手の法則により導電性流体中に電圧が誘起され、これによって誘導電流が流れる。この誘導電流と進行磁界の一部の成分とが作用して電磁力となり、導電性流体を流すように力を受けることからポンプとして働く。
【０００３】
三相交流誘導型の電磁ポンプの一つの方式としては、アニュラリニア型電磁ポンプがあり、この電磁ポンプは流路断面が環状であることから、ＡＬＩＰ（Ａｎｎｕｌａｒ  Ｌｉｎｅａｒ  Ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ  Ｐｕｍｐ）と呼ばれ、ダクト構造の信頼性、安全性の高いことから、近年多く採用されている。
【０００４】
上記ＡＬＩＰの基本的な構造を図７に示す。この電磁ポンプは矢印で示す例えば液体金属ナトリウムなどの導電性流体を流すために、内側ダクト１および外側ダクト２の同心二重構造により、アニュラス流路３が形成されている。また、固定子には交流磁場の磁気回路を構成するため、スロット５を有した鉄心を周方向に積み重ねた積層鉄心ブロック４が、外側ダクト２の外側に周方向に複数個配置されている。この場合、積層鉄心ブロック４は積層面が外側ダクト２に向いており、スロット５が内側に位置するように全体が放射状に設けられている。
【０００５】
このスロット５内には、リング状の外側コイル（固定子コイル）６が巻回されており、この外側コイル６は積層鉄心ブロック４の軸方向に多数配置され三相交流電流が進行磁場を作るように結線されている。そして、内側ダクト１の内部は磁気回路を構成するための積層鉄心ブロック７が収納されている。これにより、導電性流体は入口部から電磁ポンプ内に入り、アニュラス流路３を流れながら電圧が誘起されて出口部から送出される。一方、内部の寸法が大きい場合には、積層鉄心ブロック７内部にスロットを設け、このスロット内に内側コイルを巻回配置して効率よく吐出圧を得られるようにしたダブルステータ方式の電磁ポンプもある。
【０００６】
ところで、上記ＡＬＩＰにおけるＵ，Ｖ，Ｗの三相コイルには、同一の電流量が流れる回路となっているが、仮に、最も電流が流せないコイルのリミットを超える電流を流してしまうと、その部分のコイルの抵抗損が設計値より増加することになってコイルが発熱し、許容温度を超えて絶縁が破壊されてしまい、コイルが短絡し、装置の運転が不可能になるという重大な問題が生じる。そのため、３相のうち、最も電流が流せない相の電流をリミットとして電流を流すことになる。
【０００７】
しかし、逆に、電流を流さなければならないところにも上記リミットにより電流が定格より流せなくなるので、装置の定格運転ができなくなってしまうという問題が生じる。よって、通常の設計では、このＵ，Ｖ，Ｗの相電流の設計値が略同じになるように設計されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した電磁ポンプでは、従来の電気機器に比べ、Ｕ，Ｖ，Ｗの相間の電流アンバランスが大きくなる。このように相間の電流アンバランスが大きくなると、最も電流が流せないコイルによって運転電流が制限されてしまい、他の相の電流をより流さなければならないところに少ない電流しか流せなくなるという、不具合を生じることになる。
【０００９】
また、大型の電磁ポンプになると、定格電圧が大きくなり過ぎないように同相内で並列回路数を多くする必要がある。ここで、同相コイルを並列回路にする場合、単純に並列接続すると、並列回路間の電流アンバランスが大きくなり、このことも機器の性能上および信頼性上、問題となってしまう。
【００１０】
そこで、本発明は上記事情を考慮してなされたもので、各相の相間電流アンバランスを小さくすることのできる電磁ポンプを提供することにある。
【００１１】
また、本発明の他の目的は、同相コイルを並列回路にする場合、その並列回路間の電流アンバランスを小さくすることのできる電磁ポンプを提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決するために、請求項１記載の発明では、外側ダクトと内側ダクトとの間に導電性流体を流す流路が形成された二重円筒ダクトと、この二重円筒ダクトの外側ダクトの外周と内側ダクトの内周にそれぞれＵ，Ｖ，Ｗの三相コイルを配置した複数の積層鉄心ブロックと、これら積層鉄心ブロックのスロットにそれぞれ巻回され上記導電性流体が存在する上記流路に進行磁場を作る外側コイルおよび内側コイルとを備えた電磁ポンプにおいて、上記外側コイルおよび上記内側コイルの少なくとも一方のコイルの上記導電性流体の出口側における巻数のみを相対的に少なくしたことを特徴とする。
【００１３】
請求項１記載の発明によれば、外側コイルおよび内側コイルの少くとも一方のコイルの導電性流体の出口側端部における巻数を相対的に少なくしたことにより、Ｕ，Ｖ，Ｗの相間電流のアンバランスが減少する。
【００１４】
請求項２記載の発明では、請求項１記載の電磁ポンプにおいて、外側コイルおよび内側コイルの少なくとも一方のコイルにおいて、導電性流体の出口側端部のコイルから上流側複数個目のコイルの巻数を、そのコイルより出口側に設けられたコイルの巻数より少なくしたことを特徴とする。
【００１５】
請求項２記載の発明によれば、導電性流体の出口側端部のコイルから上流側複数個目のコイルの巻数を、そのコイルより出口側に設けられたコイルの巻数より少なくしたことにより、Ｕ，Ｖ，Ｗの相間電流のアンバランスが減少する。
【００１６】
請求項３記載の発明では、請求項１または２記載の電磁ポンプにおいて、外側コイルおよび内側コイルの少なくとも一方の同相コイルを１つおき以上離れたコイルと接続するとともに、上記同相コイルを数グループに分割して電気回路を構成したことを特徴とする。
【００１７】
請求項３記載の発明によれば、一番近い同相コイルと接続を行わず、同相コイルの一つおき以上離れたコイルと接続を行い、並列回路を構成することにより、相電流アンバランスが減少する。
【００１８】
請求項４記載の発明では、請求項１ないし３のいずれかに記載の電磁ポンプにおいて、同相コイルで並列回路を構成する場合、この並列回路の数のコイルを一つのグループとして、第１グループの同順のコイルと第２グループのコイルの逆順にしたものとを接続し、この第２グループの同順のコイルと第３グループのコイルの逆順にしたものとを接続するように、この規則性に従って上記同相コイルを順次並列に接続したことを特徴とする。
【００１９】
請求項４記載の発明によれば、第１グループの同順のコイルと第２グループのコイルの逆順にしたものとを接続し、この第２グループの同順のコイルと第３グループのコイルの逆順にしたものとを接続するように、この規則性に従って上記同相コイルを順次並列に接続したことにより、相電流アンバランスが減少する。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面および表に基づいて説明する。
【００２１】
図１は本発明に係る電磁ポンプの第１実施形態のコイル配置関係を示す断面構成図である。なお、従来の構成と同一または対応する部分には同一の符号を用いて説明する。また、本発明の各実施形態において適用するダブルステータ型ＡＬＩＰは、図２および図３に示すように構成されている。
【００２２】
すなわち、図２および図３において、同心二重管構造である内側ダクト１および外側ダクト２からなる二重円筒ダクトにより導電性流体としてのナトリウムを流すためのアニュラス流路３が形成されている。また、固定子（ステータ）には交流磁場の磁気回路を構成するため、スロット５を設けた鉄心を周方向に積み重ねた積層鉄心ブロック４が、外側ダクト２の外側に周方向に複数個配置されている。この場合、積層鉄心ブロック４は積層面が外側ダクト２に向いており、スロット５が内側に位置するように全体が設けられている。
【００２３】
このスロット５内には、リング状の外側コイル６が巻回されており、この外側コイル６は軸方向に多数配置され三相交流電流が進行磁場を作るように結線されている。そして、内側ダクト１の内部には磁気回路を構成するための積層鉄心ブロック７が収納され、この積層鉄心ブロック７にはスロット８が設けられ、このスロット８内に内側コイル９を巻回配置して効率よく導電性流体の吐出圧を得るようにしている。このように構成された電磁ポンプはフレーム１０により包囲されている。これにより、導電性流体は入口部から電磁ポンプ内に入り、アニュラス流路３を流れながら電圧が誘起されて出口部から送出される。
【００２４】
図１は本発明に係る電磁ポンプの第１実施形態のコイル配置関係を示す断面構成図である。この第１実施形態としては、例えばコイル相数が８４個の場合の例を示している。そして、理解し易くするため、外側コイル６または内側コイル９の少なくとも一方のコイルには、導電性流体の入口側からａ−１，ａ−２，…、出口側端部コイルはａ−８４というようなコイル番号を付してある。
【００２５】
図１において、コイルａ−１はＵ相、コイルａ−２はＵ相、コイルａ−３は−Ｗ相となっている。コイル相が、Ｕ，Ｖ，Ｗの３つではなく、マイナス方向も含めた６つに分類しているのは、３つに分類したものは隣りの相が１２０°位相がずれているのに対し、６つに分類したものでは位相が６０°とずれを小さくすることができ、進行磁場の流れを円滑にすることができるようにしたためである。ここで、コイルａ−１，コイルａ−２のように同相になり並んでいるものを相帯という。
【００２６】
第１実施形態では、コイルａ−１からコイルａ−８０まではコイル巻数は３２ターンで、コイルａ−８１のコイル巻数は１６ターン、コイルａ−８２のコイル巻数は２０ターン、コイルａ−８３，ａ−８４は１６ターンと出口側のコイルの巻数を不均一に減らしている。
【００２７】
すなわち、第１実施形態では、出口から最初の相帯のコイル巻数を全体のコイル巻数の５０％に減少させるとともに、２番目の相帯のコイル巻数を全体のコイル巻数の５０％，６２．５％にそれぞれ減少させている。
【００２８】
このように、出口側のみコイル巻数を不均一に減少させると、表１に示すように相電流のアンバランスが全て同じターン数でコイルを巻いた場合に比べ、電流アンバランスが１２．３％から１．９％に減少していることが判る。
【００２９】
【表１】
0004064584.tif 000002
【００３０】
なお、この場合、出口から最初の相帯のコイル巻数を全体のコイル巻数の４０〜６０％に減少させるとともに、２番目の相帯のコイル巻数を全体のコイル巻数の５０〜７０％に減少させるようにしても同様の結果が得られた。
【００３１】
このように第１実施形態によれば、コイルの導電性流体の出口側端部における巻数を相対的に少なくし、また導電性流体の出口側端部のコイルから複数個目のコイルの巻数を、そのコイルより出口側に設けられたコイルの巻数より少なくしたことにより、Ｕ，Ｖ，Ｗの相間電流アンバランスを小さくした電磁ポンプを提供することができる。
【００３２】
図４は本発明に係る電磁ポンプの第２実施形態を示すコイルの接続図、図５は第２実施形態において各コイルの誘起電圧を示すグラフ、図６は図５における各コイルの誘起電圧を解析するための説明図である。
【００３３】
電磁ポンプの定格電流が大きくなると、電源電圧が大きくなるため、相間電圧を下げるために、同相は並列回路にしており、この第２実施形態では、コイル総数が８４個の場合を示し、図４に示すように同相のコイルの内、７個のコイルを直列接続したものを並列接続している。
【００３４】
これは、シミュレーションにより、各相の誘起電圧は、図５に示すように波を打ったようになっており、しかも入口側より出口側の方が、その誘起電圧のうねりが大きくなっていることが判る。
【００３５】
この各相における各コイルの誘起電圧は、図６に従って次のように解析することができる。すなわち、
ｋ点の導電性流体としてのナトリウムに誘起される電圧Ｖｋは、固定子（ステータ）のコイル電流Ｉｓ１〜Ｉｓｎによって作られる電圧Ｖｓ
【数１】
0004064584.tif 000003
ナトリウムの誘起電流Ｉｆ１〜Ｉｆｍによって作られる電圧Ｖｆ
【数２】
0004064584.tif 000004
であるので、両者の和をとって
【数３】
0004064584.tif 000005
となる。
【００３６】
ここで、係数（インピーダンス）Ｚｋｎ，Ｚｋｍは、
【数４】
0004064584.tif 000006
【数５】
0004064584.tif 000007
ここで、式（４），（５）において、ｃは係数、ｖｋはナトリウムの流速、Ｂｓｋｎ，Ｂｆｋｍはｋ点に作る磁場、Φｓｋｎ，Φｆｋｍは入口側遠方よりｋ点までに作る全磁束量である。
【００３７】
ｋ点に流れるナトリウムの誘起電流Ｉｆｋは、その場所に誘起される電圧Ｖｋ、つまり（３）式と、ナトリウムの回路抵抗（ＡＬＩＰの場合、ナトリウム層メッシュ幅でダクト一周分の抵抗）Ｒｆにより、
【数６】
0004064584.tif 000008
よって、（３）式と（６）式とを等しいとおいて、
【数７】
0004064584.tif 000009
【数８】
0004064584.tif 000010
ｋ点の係数（インピーダンス）Ｚｋｋ＝Ｒｆ−Ｚｋｋと書き直すと、
【数９】
0004064584.tif 000011
という式ができる。この式（９）はナトリウムのｋ点の式であるので、ナトリウムのメッシュ分割数Ｍ個の式（９）ができる。したがって、固定子（ステータ）のコイル電流Ｉｓｎは判っているので、未知数であるナトリウムの誘起電流Ｉｆ１〜ＩｆｍのＭ個の式（９）ができることから、Ｍ連の連立方程式を解けば、軸方向全ての場所でのナトリウムの誘起電流Ｉｆ１〜Ｉｆｍが判る。
【００３８】
このナトリウムの誘起電流Ｉｆ１〜Ｉｆｍが判れば、ナトリウムの各点の磁束密度Ｂｋが判る。この磁束密度Ｂｋが判れば、入口側より遠方からｋ点までの全磁束量Φｆｋが判る。したがって、全磁束量Φｆｋが判れば、固定子（ステータ）の各コイルに誘起する電圧が判ることとなる。
【００３９】
次に、Ｕ，Ｖ，Ｗの同相コイルを導電性流体入口からａ−１，ａ−２，ａ−３，ａ−４、ａ−５，ａ−６、…と番号を付したとき、例えば同相コイルで４並列回路を構成する場合、そのコイル接続方法について説明する。
【００４０】
Ｕ相は第１グループをコイルａ−１，ａ−２，ａ−７，ａ−８とする。そうすると、次の４つの第２グループはコイルａ−１３，ａ−１４，ａ−１９，ａ−２０となる。コイルａ−１とａ−２０、コイルａ−２とａ−１９、コイルａ−７とａ−１４、コイルａ−８とａ−１３をそれぞれ接続する。さらに次の４つの第３グループはコイルａ−２５，ａ−２６，ａ−３１，ａ−３２となる。コイルａ−１３とａ−３２、コイルａ−１４とａ−３１、コイルａ−１９とａ−２６、コイルａ−２０とａ−２５をそれぞれ接続する。
【００４１】
したがって、並列回路の数のコイルを１グループとして、第１グループの同順のコイルと、第２グループのコイルを逆順にしたものとを接続し、第２グループのコイルの同順と第３グループのコイルの逆順にしたものを接続していくといったように、この規則性に従って同相コイルを順次並列に接続する。
【００４２】
よって、同相コイル内で、単純に順番にコイルを接続していくのではなく、図４および図５に示すように同相コイルを接続すると、直列に接続する７個のコイルの誘起電圧の合計が略同じになる。
【００４３】
【表２】
0004064584.tif 000012
【００４４】
上記のようにコイルを接続すると、表２に示すように、コイルの相電流アンバランスが、単純接続の場合、５４．１％であったものが、第２実施形態では１．９％と非常に小さくなることが判る。
【００４５】
このように本実施形態によれば、同相コイルを１つおき以上離れたコイルと接続するとともに、同相コイルを数グループに分割して電気回路を構成し、つまり並列回路の数のコイルを１グループとして、第１グループの同順のコイルと、第２グループのコイルを逆順にしたものとを接続し、第２グループのコイルの同順と第３グループのコイルの逆順にしたものを接続していくといったように、この規則性に従って同相コイルを順次並列に接続することにより、Ｕ，Ｖ，Ｗ相内でコイルを並列接続行う場合、相電流アンバランスが小さくなり、各コイルに略同じ電流を流すことができるようになる。これにより、効率よく運転可能な電磁ポンプを提供することができる。
【００４６】
なお、前記第１および第２実施形態を組み合わせることにより、電流アンバランスが一段と小さい電磁ポンプを提供することができる。
【００４７】
【発明の効果】
以上説明したように請求項１および２記載の発明によれば、外側コイルおよび内側コイルの少なくとも一方のコイルの導電性流体の出口側端部における巻数を相対的に少なくしたり、導電性流体の出口側端部のコイルから上流側複数個目のコイルの巻数を、そのコイルより出口側に設けられたコイルの巻数より少なくしたことにより、Ｕ，Ｖ，Ｗの相間電流アンバランスを小さくすることができる電磁ポンプを実現可能となる、すなわち、各コイルに略同じ電流を流すことができ、効率よく運転可能な電磁ポンプを提供することができる。
【００４８】
請求項３記載の発明によれば、外側コイルおよび内側コイルの少なくとも一方の同相コイルを１つおき以上離れたコイルと接続するとともに、同相コイルを数グループに分割して電気回路を構成したことで、Ｕ，Ｖ，Ｗ内でコイルを並列接続する場合、相電流アンバランスが小さくなり、各コイルに略同じ電流を流すことができ、効率よく運転可能な電磁ポンプを提供することができる。
【００４９】
請求項４記載の発明によれば、第１グループの同順のコイルと第２グループのコイルの逆順にしたものとを接続し、この第２グループの同順のコイルと第３グループのコイルの逆順にしたものとを接続するように、この規則性に従って同相コイルを順次並列に接続したことにより、Ｕ，Ｖ，Ｗ内でコイルを並列接続行う場合、相電流アンバランスが小さくなり、各コイルに略同じ電流を流すことができ、効率よく運転可能な電磁ポンプを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る電磁ポンプの第１実施形態のコイル配置関係を示す断面構成図。
【図２】本発明の各実施形態で適用するダブルステータ型ＡＬＩＰを示す断面図。
【図３】図２のＡ−Ａ線における拡大断面図。
【図４】本発明に係る電磁ポンプの第２実施形態を示すコイルの接続図。
【図５】第２実施形態において各コイルの誘起電圧を示すグラフ。
【図６】図５における各コイルの誘起電圧を解析するための説明図。
【図７】従来の電磁ポンプの内部構造を示す斜視図。
【符号の説明】
１  内側ダクト
２  外側ダクト
３  アニュラス流路
４  積層鉄心ブロック
５  スロット
６  外側コイル
７  積層鉄心ブロック
８  スロット
９  内側コイル
１０  フレーム
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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